摘  要：丙酮酸作为一种关键的化学中间体，在许多工业生产过程中扮演着重要的角色，尤其是在 药物合成、食品添加剂和生物塑料制造等领域已经得到了广泛应用。传统的化学合成方法虽然能够 大规模生产丙酮酸，但往往伴随着能源消耗大和环境污染严重等问题。近年来，微生物发酵作为一 种可持续且环境友好的替代方法引起了人们的广泛关注。文章将分析野生菌种在丙酮酸生产过程 中的筛选与改良，筛选并优化酿酒酵母和大肠杆菌等微生物菌种，旨在提高丙酮酸的生产效率和产量。

　　关键词：丙酮酸；微生物发酵；菌种筛选；菌种改良

　　丙酮酸作为一种多功能有机酸，在化学、医药和

　　食品工业领据占有重要地位。传统的丙酮酸生产方 法主要依赖于化学合成途径，这些方法虽然可以实 现大规模生产，但往往伴随着能耗高和环境污染严 重等问题。在此背景下，利用微生物发酵生产丙酮 酸的方法得到了广泛研究。微生物发酵作为一种可 再生的生产手段，不仅有助于减轻对化石燃料的依 赖，而且还可以显著降低环境污染。广泛应用于工 业微生物发酵的模型菌种，如酿酒酵母和大肠杆菌， 在丙酮酸生产过程中也展现出了显著的潜力[1]。本 研究旨在详细探讨野生菌种在丙酮酸生产过程中的 筛选与改良方法。通过分析酿酒酵母和大肠杆菌在 丙酮酸生产中的应用潜力，并结合遗传工程和基因 编辑技术对其加以改良，以期提升丙酮酸的发酵效 率和产量，为相关人员提供参考。

　　1  丙酮酸概述

　　1.1  丙酮酸的工业应用和生物合成的重要性

　　丙酮酸作为一种至关重要的化学中间体，在多 个领域得到了广泛应用，包括合成药物、生物塑料和 食品添加剂领域。在医药行业，丙酮酸是许多药物 合成的关键原料，如抗生素和抗癌药物。同时，丙酮 酸也是生物降解塑料聚乳酸（PLA）的前体物质，这类塑料非常环保。在食品工业中，丙酮酸作为食品添 加剂，可用于调整食品的酸度并维持食品的稳定性。 与传统的化学合成方式相比，生物合成丙酮酸具有 低能耗、低污染和可再生等优点。微生物发酵生产丙 酮酸不仅符合绿色环保的原则，还能够利用可再生 资源，如以糖类为原料，减轻对化石燃料的依赖。

　　1.2  微生物合成丙酮酸的潜力

　　利用微生物生产丙酮酸不仅符合可持续发展的 要求，还可以充分利用各种可再生资源，例如农业废 弃物和糖类原料，减轻对传统化石燃料的依赖。微生 物发酵过程中的丙酮酸生产具有碳效率高、副产品 少和过程可控等优点，这使其成为了一种高效且经 济可行的生产方法。微生物合成丙酮酸的潜力还体 现在其可以通过基因工程和代谢工程加以优化。

　　2  野生菌种中丙酮酸的筛选

　　2.1  野生菌种筛选的标准和方法

　　在微生物发酵生产丙酮酸的过程中，采用适当 的野生菌种对于提高效率和产量至关重要。野生菌 种筛选的主要标准包括菌株的丙酮酸产量、生长速 度、原料转化效率和耐受性。第一，在筛选过程中重 点寻找能够高效生产丙酮酸的菌种。这涉及对菌株 在特定培养条件下产酸能力的评估，包括产酸速率和产酸总量[2]。第二，理想的菌株应该生长速度较 快，以确保在工业生产过程中能够迅速达到所需的 细胞密度。第三，菌株应能够适应发酵过程中的各 种应激条件，如高浓度的丙酮酸、变化的 pH 和潜在 的抑制副产品。

　　2.2  酿酒酵母的丙酮酸筛选实例

　　发酵过程是评估不同酿酒酵母菌株生产丙酮酸 能力的关键阶段。针对酿酒酵母的丙酮酸筛选实施 以下实验。

　　菌株：从不同来源筛选酿酒酵母菌株，比如酿酒 厂、野生果实等。

　　培养基：含有一定浓度葡萄糖的液体培养基。 发酵条件：恒温（30 。C），恒定搅拌速度。

　　发酵时间：72 h。

　　丙酮酸测定：发酵结束后，使用高效液相色谱 （HPLC）测定发酵液中的丙酮酸浓度。

　　实验数据如表 1 所示。

　　从上述数据可以看出，不同来源的酿酒酵母菌 株在丙酮酸产量上存在显著差异。菌株 YS04（工业 应用菌株）在发酵过程中的丙酮酸产量最高，特别是 在发酵后期，其产量达到了 6.2 g/L，表明其具有较 高的丙酮酸生产潜力。菌株 YS01（传统酿酒厂）在发 酵后期丙酮酸产量达到了 5.8 g/L，在丙酮酸生产方 面也具有较大的潜力。通过对不同菌株的发酵性能 进行评估，可以有效筛选出可以高效产丙酮酸的酿 酒酵母菌株。

　　2.3  大肠杆菌的丙酮酸筛选实例

　　在用大肠杆菌进行丙酮酸生产的筛选过程中， 进行耐酸性测试是非常关键的一步[3]。本次实验将 着重于分析不同大肠杆菌菌株的耐酸性测试，以筛 选酸性环境下能够稳定生产丙酮酸的菌株。实验设 置如下：

　　获取的菌株：Escherichia coli K12 和 Escherichia coli B。

　　培养条件：含有一定浓度葡萄糖的液体培养基。

　　pH：分别在 pH 4.5、5.0 和 5.5 的条件下进行耐酸 性测试。

　　测定指标：在不同 pH 条件下的生长速率和丙 酮酸产量。

　　测定方法：使用吸光度测量生长速率 ，使用 HPLC 测定丙酮酸产量。

　　实验结果如表 2 所示。

　　从上述数据可以看出，Escherichia coli K12 在 所有测试的 pH 环境下都表现出了较快的生长速率 和较高的丙酮酸产量，尤其在 pH 为 5.5 时，其生产 丙酮 酸 的 能 力 最 强，为 3.7 g/L。相 比 之 下 ， Escherichia coli B 在 pH 较低，生长较慢且丙酮酸产 量较低的条件下 ，耐酸性相对较差。结果表明， Escherichia coli K12 菌株在生产丙酮酸时具有较好 的耐酸性，适合在酸性环境下进行丙酮酸生产。因 此，选择 Escherichia coli K12 作为发酵生产丙酮酸 的菌株会更加有效。

　　2.4  高通量筛选技术在丙酮酸生产中的应用

　　高通量筛选实验旨在评估多种菌株的丙酮酸生 产能力。实验设置如下：

　　实验目的：从多种菌株中快速筛选可以高效生 产丙酮酸的微生物。

　　实验样本：包括多个不同来源的大肠杆菌和酿 酒酵母菌株。

　　实验方法：利用自动化微孔板技术进行微生物 培养，并通过高效液相色谱（HPLC）分析丙酮酸产 量。

　　参数：监测每个菌株的生长速度和丙酮酸产量。

　　实验结果如表 3 所示。

　　根据上述数据，可以观察到大肠杆菌菌株 EC- 02 和酿酒酵母菌株 SC-03 都表现出了较高的丙酮 酸产量和较快的生长速度，这表明它们是生产丙酮 酸的理想候选菌株。EC-02 作为工业株，在丙酮酸 生产方面优势明显 ，而 SC-03 作为工业酿酒酵母 株，其高产量也彰显了其良好的发酵潜力。通过这 种高通量筛选实验，研究人员能够快速评估大量菌 株的丙酮酸生产能力，并有效筛选出最佳生产菌株。

　　3  菌种的遗传工程改良

　　3.1  遗传工程在菌种改良中的作用

　　遗传工程在微生物菌种改良中可以提高丙酮酸 的生产效率和产量。遗传工程技术使研究人员可以 精确修改微生物的基因组，从而优化其代谢路径，增 强特定代谢产物的产量，提高其对某些环境压力的 耐受性。一方面，遗传工程可以用于提高微生物对 原料的转化效率。通过修改特定代谢途径，例如增 强与丙酮酸生产相关的酶的活性或表达水平，可以 提高丙酮酸的合成效率。这种改造不仅提高了丙酮 酸的产量，还可以减少原料损耗和生产过程中产生的副产品。另一方面，遗传工程能够增强菌株的耐受 性，使其在丙酮酸积累或环境压力（如低 pH、高盐度 或氧气限制条件）下依然可以保持稳定生长和高效 生产。

　　3.2  酿酒酵母和大肠杆菌的遗传改造策略

　　在微生物发酵产丙酮酸的过程中，酿酒酵母和 大肠杆菌是两种常用的生产菌株。这两种微生物因 遗传背景清晰和易于遗传操纵的特性，成为了遗传 改造的理想对象，有利于提高丙酮酸的生产效率和 产量。对于酿酒酵母的遗传改造策略，主要集中于优 化其丙酮酸的生物合成途径。包括增强与丙酮酸代 谢直接相关的酶的活性，还可以通过消除代谢途径 中与丙酮酸生产竞争的关键酶基因，如敲除产生乙 醇或二氧化碳的途径，将更多碳流向丙酮酸的生产。

　　4  结论

　　文章深入探讨了丙酮酸的微生物发酵生产原 理，重点研究了野生菌种的筛选和菌种的遗传改良 工程。通过对酿酒酵母和大肠杆菌等微生物菌株进 行筛选和基因编辑，能够显著提高丙酮酸的产量和 发酵效率。希望本文的研究可以为未来的工业生产 提供可行的改良策略。

　　参  考  文  献

　　［1］ 邓旭衡. 定向改造酿酒酵母积累丙酮酸的研究［D］. 天津: 天津科技大学, 2014.

　　［2］ 袁辉, 华子春. 丙酮酸野生酵母菌的筛选及其生理生化 特性研究［J］. 微生物学杂志, 2001(3): 12-14.

　　［3］ 张旭宇. 大肠杆菌丙酮酸代谢途径改造及丙酮酸高产 菌株培育［D］. 保定: 河北大学, 2021.