摘要：随着化石资源日渐枯竭，琥珀酸生产正逐渐转向利用微生物法，以可再生资源为原料。文章综述了琥珀酸的生产菌株、功能和应用、食品废弃物和农业废弃物生产琥珀酸的现状，以及琥珀酸分离提取的最新进展。

　　关键词：琥珀酸；可再生资源；分离提取

　　琥珀酸（Succinic acid），化学分子式为C4H6O4，是最具潜力的生物基化学品之一。传统琥珀酸生产主要通过化石资源化学合成，环境污染较大，而微生物发酵更加绿色、环保。目前，微生物利用可再生资源生产琥珀酸是主流方向。此外，发酵需使pH保持中性，会产生许多副产物，使下游分离纯化工艺复杂化，且成本较高。随着传统分离技术逐渐落伍，离子交换法、电化学法、结晶法等新兴技术凭借低耗能、高效率特性出现在实际应用中。

　　1生产菌株

　　琥珀酸以兼性厌氧细菌和少部分酵母菌为主要生产菌种。由于可再生资源水解后包含多种糖类，菌株选择以可利用广谱碳源为主。具体包括产琥珀酸放线杆菌（Actinobacillus succinogenes）与曼海姆琥珀酸生产菌（Mannheimia succiniciproducens）。这2种菌株对葡萄糖、蔗糖、木糖、乳糖等利用能力较好，且对底物具有一定的耐受性。此外，由于琥珀酸发酵后期pH会大幅下降，为确保达到中性发酵条件必须添加碱，而这会导致细胞渗透压升高、菌体死亡，降低产量。一些酵母菌如解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）由于对低pH耐受性良好，减缓了渗透压带来的副作用，成为琥珀酸发酵的优秀菌株。

　　2琥珀酸的功能和应用

　　随着琥珀酸生产技术的发展，琥珀酸已成为使用生物技术生产最多的有机酸之一。琥珀酸及其衍生物在食品、制药、日用化工等领域应用广泛。例如，在食品领域用作提鲜剂、酸味剂、缓冲剂等，具有酸味调节、防腐、螯合、抗氧化和营养强化等功能；在农业领域，用作肥料和植物生长调节剂，促进植物生长并增强抗逆性；在医疗领域，用作抗癌剂和促胰岛素制剂，并拥有抗氧化、抗炎等生物活性，可用于心脏和肝脏疾病治疗。另外，琥珀酸还可充当多种化合物的前体，如1，4-丁二醇、琥珀酰亚胺、琥珀腈、四氢呋喃等。通过与1，4-丁二醇聚合，生产生物降解塑料，如聚丁二酸丁二醇酯（PBS）。

　　3可再生资源的琥珀酸生产

　　3.1食品废弃物

　　食品废弃物指食品生产、加工、批发、零售和消费过程中产生的废弃物和副产品，主要由蛋白质、淀粉和脂质组成。食品废弃物垃圾成分复杂、含水量高、有机质含量高、热值低。目前，食物废物处理正在进行资源化发展，如将弃置废物堆肥并转化为饲料或高价增值化学品。其中，以发酵为基础的生物法凭借节能、二次污染低的优点，已成为最有效的食品废弃物处理方法。例如，Li等[1]将水果和蔬菜废弃物作为Y.lipolytica PSA02004发酵生产琥珀酸的原料。首先，优化废弃物酶解条件，得到质量浓度为56.7 g/L的葡萄糖。其次，进行分批发酵，得到43.1 g/L的琥珀酸。最后，将果蔬水解液和玉米浆作为混合培养基分批补料发酵，琥珀酸产量为140.6 g/L，生产率为0.69 g/（L·h）。Filippi等[2]利用A.succinogenes 130Z开展酿酒厂废料水解物发酵，在补料发酵及发酵条件优化后，琥珀酸产量达37.2 g/L。Zhang等[3]以面包残渣为发酵底物，以A.succinogenes ATCC 55618为发酵菌株，琥珀酸产量为31.7 g/L，并利用阳离子交换树脂回收琥珀酸，获得纯度97.7%的琥珀酸结晶。

　　3.2农业废弃物

　　农业废弃物是农业活动过程中产生的有机废弃物，主要包括玉米、小麦、甘蔗、水稻等。这些废弃物含有纤维素类物质，可转化为各种糖，如葡萄糖、戊糖等，作为发酵原料。Zhang等[4]利用甘蔗渣作为发酵原料，在发酵前结合碱化氢法和酶解法进行预处理，得到195 g/L的葡萄糖，大幅提高了水解后的糖得率。在分批补料42 h后，琥珀酸产量为41.4 g/L。Tan等[5]测试了A.succinogenes以棕榈叶为碳源的可能性。结果（29.0 g/L）与葡萄糖发酵（30.7 g/L）相差不大。Zevallos等[6]使用咪唑对油棕空果串进行预处理，处理后水解物中葡萄糖和木糖的质量浓度分别达34.0 g/L和15.1 g/L，较未处理时分别提高5.8倍和7.2倍。随后，使用S.cerevisiae和Pichia stipiti分别将经处理的水解物发酵12 h和48 h，琥珀酸产量分别为1.11 g/L和1.83 g/L。结果表明，目前使用可再生资源的发酵结果未能达到用葡萄糖发酵的同等水平，但将其用作廉价生物质碳源（纯糖价格上涨），仍是一种可行性方法。

　　4琥珀酸分离提取工艺

　　4.1离子交换法

　　离子交换法是使用离子交换树脂通过静电作用吸附琥珀酸达到分离纯化效果的一种方法，操作简单、回收率高。Omwene等[7]使用Amberlite IRA900 Cl阴离子交换树脂色谱分离发酵液，直接结晶。过程中，乳酸、乙酸和甲酸先被洗脱出来，然后是琥珀酸。琥珀酸的最佳分离效率为69.3%。在此基础上，通过纳滤/反渗透膜进行浓缩，发现当只使用纳滤膜（NF90）且pH为6.8时，琥珀酸截留率最高，为96.8%；纳滤膜与反渗透膜同时使用（BW30和HP），截留率为95.9%。2个工艺最后生产的琥珀酸纯度分别为98.5%和96.7%，远高于传统蒸馏结晶法的75%。

　　4.2电化学法

　　电化学法是一种利用电场下离子迁移和选择性反应同时实现琥珀酸发酵和分离的一种技术。在其利用的膜反应器中，阴极室负责琥珀酸的分离和纯化，无需传统的离心和酸化处理；阳极中的溶液经活性炭过滤、真空蒸发、结晶和干燥处理就可获得高纯度琥珀酸晶体。Stylianou等[8]以城市固体废弃物水解物为原料设计了2种方式，使用Y.lipolytica PSA02004进行补料分批发酵。第一种使发酵液pH保持6.0，发酵40 h后电解，81 h后琥珀酸产量达51 g/L，转化率为0.63 g/（L·h）。产量和转化率较传统培养法分别提高39%和27%。第2种为两段pH发酵，发酵30h后pH由6.0降至5.5，开始电解，发酵71h后琥珀酸产量和转化率为60.6 g/L和0.87 g/（L·h），相较恒定pH发酵分别提升26%和9%。此外，2种方法中，阴极室中发酵液再循环使NaOH使用量分别减少3.6%和35.4%，缓解了渗透压升高导致琥珀酸产量降低的现象。

　　4.3结晶法

　　结晶法利用发酵液中琥珀酸和杂质溶解度的差异，通过控制温度、溶剂种类使琥珀酸从混合物中析出，成本较低且环境友好。Xiao等[9]建立了一种将琥珀酸与尿素共结晶的方法。具体可分为2步：一是冷却结晶和尿素共结晶。首先，采用冷却结晶将琥珀酸从发酵液中分离出来，当结晶条件为8℃、4 h、pH 2.0时，回收率达73%，纯度达99%，有效去除了杂质。其次，将尿素和琥珀酸以4:1的质量比加入尿素溶液，在12℃、12 h、pH 2.0的条件下得到回收率为92%的琥珀酸-尿素共结晶。最后，将其与亚磷酸混合，19℃反应4 h合成琥珀酰亚胺，回收率>80%。该方法可确保琥珀酸高效回收并生产有价值的中间产品，在降低环境影响的同时实现可持续且具有成本效益的琥珀酸生产行为。

　　5结语

　　目前，利用可再生资源微生物发酵生产琥珀酸已成为新兴方向。尽管农业或食品废弃物相比其他碳源成本更低，但一方面，这些废弃物并未进行大规模工厂生产应用，仅在实验室试行；另一方面，部分废弃物的水解工艺会产生有毒物质，从而影响琥珀酸生产。此外，虽然如今已出现许多新的琥珀酸下游分离提取工艺，但预处理能耗、酶制剂生产及废水处理的环境影响仍是问题。未来需要建立涵盖原料获取、废物管理及工艺优化的综合评价体系，并结合菌株遗传选育实现技术的绿色转型。

参考文献

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　　［2］FILIPPI K,PAPAPOSTOLOU H,ALEXANDRI M,et al.Integrated biorefinery development using winery waste streams for the production of bacterial cellulose,succinic acid and value-added fractions［J］.Bioresour Technol,2022,343:125989.

　　［3］ZHANG A Y,SUN Z,LEUNG C C J,et al.Valorisation of bakery waste for succinic acid production［J］.Green Chemistry,2013,15(3):690-695.

　　［4］ZHANG J,LI K,LIU S,et al.Alkaline hydrogen peroxide pretreatment combined with bio-additives to boost high-solids enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse for succinic acid processing［J］.Bioresource Technology,2022,345:126550.

　　［5］TAN J P,LUTHFI A A I,MANAF S F A,et al.Incorporation of CO2 during the production of succinic acid from sustainable oil palm frond juice［J］.Journal of CO2 Utilization,2018,26:595-601.

　　［6］ZEVALLOS TORRES L A,LORENCI WOICIECHOWSKI A,NISHIDA V S,et al.Imidazole pretreatment of oil palm empty fruit bunches for ethanol and succinic acid co-production by Saccharomyces cerevisiae and Pichia stipitis［J］.BioEnergy Research,2023,16(2):990-1000.

　　［7］OMWENE P I,SARIHAN Z B O,KARAGUNDUZ A,et al.Bio-based succinic acid recovery by ion exchange resins integrated with nanofiltration/reverse osmosis preceded crystallization［J］.Food and Bioproducts Processing,2021,129:1-9.

　　［8］STYLIANOU E,CARVAJAL-ARROYO J M,LADAKIS D,et al.Development of an electrochemical membrane bioreactor for succinic acid production and in situ separation with engineered Yarrowia lipolytica cultivated on municipal biowaste hydrolysate［J］.Chemical Engineering Journal,2023,466:142877.

　　［9］XIAO Y,ZHANG Z,WANG Y,et al.Two-stage crystallization combining direct succinimide synthesis for the recovery of succinic acid from fermentation broth［J］.Front Bioeng Biotechnol,2019,7:471.