生物质资源发酵生产聚苹果酸的研究进展
摘要
聚苹果酸是一种以苹果酸为唯一单体通过酯键聚合而成的生物可降解高分子材料，因其优异的水溶性、生物相容性、生物可降解性和化学可修饰性，在生物医药、食品包装、农业等领域具有广阔的应用前景。微生物发酵法生产的聚苹果酸具有结构单一、分子量大、反应条件温和等优势，但传统以葡萄糖或蔗糖为碳源的发酵工艺生产成本较高，制约了其工业化发展。近年来，利用可再生生物质资源（如农业废弃物、食品加工副产物、木质纤维素等）发酵生产聚苹果酸的研究取得了显著进展。本文综述了聚苹果酸的理化性质与应用价值、生物合成途径与关键菌株，重点介绍了以甘薯、玉米芯、糖蜜、白酒酒糟、木糖加工废物等生物质资源为原料发酵生产聚苹果酸的最新研究进展，并探讨了菌株适应性进化、遗传改造及发酵工艺优化等策略在提高聚苹果酸产量方面的应用，以期为聚苹果酸的低成本、绿色生物制造提供参考。
关键词：聚苹果酸；生物质资源；出芽短梗霉；发酵；生物炼制
一、引言
随着化石资源的日益枯竭和环境污染问题的加剧，利用可再生生物质资源通过微生物发酵生产高附加值生物基产品已成为全球绿色生物制造的重要方向。聚苹果酸（Polymalic Acid, PMA）是一种以苹果酸为唯一单体通过酯键连接而成的天然脂肪族聚酯高分子材料。与化学合成法相比，生物发酵法合成的聚苹果酸具有结构单一（仅有β构型）、分子量大、反应条件温和等优势。然而，传统发酵工艺以葡萄糖或蔗糖作为碳源，原料成本较高，不利于工业化生产。
近年来，利用农业废弃物、食品加工副产物等可再生生物质资源作为替代碳源发酵生产聚苹果酸的研究日益受到关注。本文系统综述了聚苹果酸的性质与应用、生物合成途径与生产菌株，以及各类生物质资源发酵生产聚苹果酸的研究进展，并探讨了提升发酵效率的菌株改造与工艺优化策略。
二、聚苹果酸的性质与应用价值
2.1 聚苹果酸的理化性质
聚苹果酸是一种以L-苹果酸为唯一单体的水溶性脂肪族聚酯类生物高分子材料。其分子链通过α-羟基和β-羧基以酯键连接而成，形成线性阴离子聚合物结构。聚苹果酸具有高度水溶性、生物相容性、生物可降解性、生物可吸收性、无免疫原性及可化学修饰性等优良特性。
2.2 聚苹果酸的应用领域
聚苹果酸及其衍生物在多个领域展现出广阔的应用前景。在生物医药领域，聚苹果酸可作为药物载体、微胶囊材料、生物医学材料等。在食品与化妆品领域，聚苹果酸可用于食品包装材料、化妆品添加剂等。在可降解材料领域，聚苹果酸可作为吸水材料、可降解塑料等。此外，聚苹果酸可通过酸水解制备苹果酸单体，苹果酸是重要的食品添加剂和生物炼制C4平台化合物。据估算，生物可降解聚苹果酸等生物基材料年需求在百万吨以上，带动的下游产品市场规模超百亿元。
三、聚苹果酸的生物合成途径与生产菌株
3.1 主要生产菌株
出芽短梗霉（*Aureobasidium pullulans*）是目前研究最为深入、应用最为广泛的聚苹果酸生产菌株。该菌株基因组中含有编码多种水解酶的大量基因，能够降解多种植物材料。研究表明，出芽短梗霉CBS591.75菌株的聚苹果酸产量优于DSM2404，在20L发酵规模的初步放大试验中展现了良好的工业化潜力。此外，产黑色素短梗霉（*Aureobasidium melanogenum*）也被用于聚苹果酸的发酵研究。
3.2 生物合成途径与代谢调控
出芽短梗霉合成聚苹果酸的代谢途径涉及以L-苹果酸为单体单元的聚合过程。研究表明，聚苹果酸的生物合成受菌株遗传背景和培养条件的显著影响。玉米浆等外源添加物可通过代谢调控影响聚苹果酸的合成效率。全局性调控因子LaeA基因在聚苹果酸生物合成中发挥着重要的调控作用。此外，生长因子（如胞嘧啶、腺嘌呤、维生素H、吡哆醇和氯化胆碱）对聚苹果酸合成具有显著影响。
生物化工曾刊文指出，微生物法合成聚苹果酸的关键在于深入解析其代谢途径中的关键酶系及代谢调控网络，通过代谢工程改造提升菌株的产酸性能是实现工业化生产的重要方向。
四、生物质资源发酵生产聚苹果酸的研究进展
4.1 甘薯与玉米芯等农林生物质
利用甘薯、玉米芯等农林生物质资源发酵生产聚苹果酸是降低原料成本的重要途径。研究人员以鲜甘薯为原料，开展了生物质资源发酵生产聚苹果酸的研究。玉米芯经水解处理后可获得可发酵糖，用于出芽短梗霉发酵生产聚苹果酸。研究表明，出芽短梗霉能够利用玉米芯水解液中的可发酵糖进行生长和聚苹果酸合成。通过菌株适应性进化，可提高出芽短梗霉对玉米芯水解液中毒性物质的耐受能力，聚苹果酸得率从0.28 g/g提高到0.30 g/g，产率由0.29 g/(L·h)提高到0.40 g/(L·h)。
4.2 糖蜜与工业副产物
糖蜜是制糖工业的副产物，富含蔗糖等可发酵糖，是低成本发酵原料的潜在来源。以糖蜜为原料发酵生产β-聚苹果酸的研究表明，糖蜜可作为替代碳源用于聚苹果酸的发酵生产。在培养基中添加玉米浆等廉价氮源，可进一步降低发酵成本。此外，以马铃薯工业副产物为原料进行发酵优化，可实现废弃生物质的资源化利用。
4.3 白酒酒糟的共发酵策略
白酒酒糟是中国白酒行业产生的大量有机废弃物，其资源化利用一直是行业关注的热点。最新研究表明，白酒酒糟经稀酸预处理后可释放葡萄糖和木糖等可发酵糖。出芽短梗霉能够利用酒糟水解液中的葡萄糖和木糖进行共发酵，菌体合成和糖消耗速率显著增强。在分批发酵中，聚苹果酸产量达到38.6 g/L，产物得率为0.35 g/g糖。这一研究为生物炼制制备聚苹果酸及白酒酒糟的高值化利用提供了重要参考。
山西化工曾刊文指出，工业有机废弃物的生物转化是循环经济的重要方向，白酒酒糟等富含木质纤维素的废弃物通过稀酸预处理和微生物共发酵生产高附加值产品，具有良好的经济和环境效益。
4.4 木质纤维素与木糖加工废物
木质纤维素生物质（如稻草、甘蔗渣、木材废料等）是地球上最丰富的可再生资源之一。利用木质纤维素为原料生产聚苹果酸涉及预处理、水解和发酵等多个环节。中国科学院天津工业生物技术研究所的研究团队以嗜热丝状真菌*Myceliophthora thermophila*为底盘，通过强化其纤维素降解能力和人工化学品代谢途径，成功开发了生物质直接发酵合成苹果酸的高效菌种。以粉碎玉米芯为原料进行摇瓶发酵时，苹果酸产量超过48.1 g/L；发酵罐产量进一步超过150 g/L。虽然该研究主要针对苹果酸而非聚苹果酸，但其生物质一步发酵策略为聚苹果酸的低成本生产提供了重要借鉴。
在木糖加工废物的利用方面，研究者评估了在非废物处理系统中使用含木糖废母液生产聚苹果酸的可行性。这一策略不仅降低了原料成本，还实现了废弃物的资源化利用。
4.5 其他生物质资源
苹果工业废渣等食品加工废弃物也被探索用于生物可降解聚合物的生产。与木质纤维素生物质相比，食品加工废弃物通常不需要复杂的预处理步骤，具有更好的经济可行性。此外，城市有机废弃物的生物转化也是当前的研究热点。
五、提升聚苹果酸发酵效率的策略
5.1 菌株筛选与遗传改造
高效的菌株是聚苹果酸发酵生产的基础。研究人员通过根癌农杆菌介导转化技术（ATMT）构建出芽短梗霉遗传转化体系，用于筛选高产聚苹果酸菌株。通过LaeA基因的过表达或沉默，可探究其在聚苹果酸生物合成中的调控作用。遗传改造与代谢工程在提高聚苹果酸产量方面展现出巨大潜力。
5.2 发酵工艺优化
发酵条件对聚苹果酸的产量和分子量具有显著影响。培养基优化研究表明，葡萄糖浓度为100 g/L、蛋白胨35 g/L、丁二酸铵2 g/L、KH₂PO₄ 0.1 g/L为较优的培养条件。在摇瓶发酵中，优化后的培养基配方为：葡萄糖120 g/L、丁二酸铵3 g/L、丁二酸2 g/L、MnSO₄·H₂O 0.005 g/L、MgSO₄·7H₂O 0.1 g/L，另加玉米浆0.5 mL/L和CaCO₃ 50 g/L。
5.3 生物质预处理与共发酵
生物质原料的预处理是提高可发酵糖得率的关键步骤。稀酸水解是常用的预处理方法。针对木质纤维素生物质，需通过预处理破坏其致密结构，提高酶解效率。出芽短梗霉对葡萄糖和木糖的共发酵能力是其利用木质纤维素水解液的重要优势。
5.4 固定化发酵与过程强化
细胞固定化技术是提高发酵强度的有效手段。利用固定化纤维床反应器进行聚苹果酸发酵，可实现细胞的重复利用和产率的提升。固定化发酵技术有助于降低生产成本，推动聚苹果酸的工业化进程。
六、结语与展望
利用可再生生物质资源发酵生产聚苹果酸，是实现聚苹果酸绿色生物制造和降低生产成本的重要途径。近年来，以甘薯、玉米芯、糖蜜、白酒酒糟、木糖加工废物等为代表的多种生物质资源已被证实可用于聚苹果酸的发酵生产。特别是白酒酒糟共发酵策略实现了38.6 g/L的聚苹果酸产量，展现了良好的工业化前景。
然而，聚苹果酸的生物法生产仍面临产量偏低、发酵工艺有待优化等挑战。未来的研究应聚焦于以下几个方向：一是通过基因组学和代谢工程手段深入解析聚苹果酸的生物合成调控网络，构建高产稳产的工程菌株；二是开发高效、低成本的生物质预处理技术，提高可发酵糖的转化效率；三是优化发酵工艺与下游分离纯化技术，降低整体生产成本；四是推进聚苹果酸在生物医药、可降解材料等领域的应用研究与产业化示范。
随着生物炼制技术的不断进步和“双碳”战略的深入推进，基于生物质资源的聚苹果酸绿色生物制造有望在不久的将来实现工业化突破，为生物基材料产业的发展提供重要支撑。
参考文献
[1] 白酒酒糟共发酵生产聚苹果酸研究[J]. Food and Bioproducts Processing, 2025.
[2] 以糖蜜为原料发酵生产β-聚苹果酸的研究[J]. 万方数据, 2025.
[3] 基于ATMT的出芽短梗霉聚苹果酸高产菌的筛选及发酵研究[J]. 万方数据, 2025.
[4] 短梗霉中聚苹果酸生物合成机制研究进展[J]. 广东化工, 2024(03).
