ООО "ПРОПИОНИКС"    

пн-пт с 09:00 до 18:00   Telegram Whatsapp +7 (966) 348-80-35
Главная \ 4. Микробная биотехнология \ Технология микробиологического синтеза \ Propionibacterium spp. - источник важных для промышленности метаболитов \ Пропионовая кислота - получение и применение

Производство пропионовой кислоты

Пропионовая кислота: микробиологический способ получения, современное состояние и перспективы

Propionic acid fermentation (пропионовая кислота)

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Vahid Ranaei, et al.
Propionic Acid: Method of Production, Current State and Perspectives
Food Technol. Biotechnol. 58 (2) 115-127 (2020)

СОДЕРЖАНИЕ

Аннотация

В последние годы растет интерес к биопроизводству пропионовой кислоты с помощью Propionibacterium. Одним из основных ограничений существующих моделей является их низкая продуктивность. Поэтому было предложено множество стратегий, чтобы обойти это препятствие. В данной статье представлен комплексный синтез и обзор важных биотехнологических аспектов производства пропионовой кислоты как распространенного ингредиента в пищевой и биотехнологической промышленности.

Сначала мы обсудим некоторые из наиболее важных производственных процессов, уделяя основное внимание биологическому производству. Затем мы приведем краткое описание важных продуцентов пропионовой кислоты, включая Propionibacterium freudenreichii и Propionibacterium acidipropionici, а также широкий спектр описанных сред для роста/производства. Кроме того, мы опишем переменные биопроцесса, которые могут влиять на выход продукции. Наконец, мы предложим методы выделения и анализа пропионовой кислоты и выдвигаем стратегии по преодолению ограничений конкурентного микробного производства с экономической точки зрения.

На концентрацию и продуктивность пропионовой кислоты влияют несколько факторов, таких как условия культивирования, тип и масштаб биореактора; однако значение pH и температура являются наиболее важными. Учитывая, что существует множество сообщений о производстве пропионовой кислоты из глюкозы, пермеата сыворотки, глицерина, молочной кислоты, гемицеллюлозы, гидролизованной кукурузной муки, лактозы, патоки сахарного тростника и ферментативно гидролизованной цельнозерновой муки, лишь немногие обзорные статьи оценивают биотехнологические аспекты, то есть переменные биопроцесса.

Введение

Среди всех промышленно доступных органических кислот пропионовая кислота (PA) и ее производные могут быть упомянуты как важные химические промежуточные продукты, которые в основном используются в различных промышленных приложениях, например как антимикробные агенты для широкого спектра микроорганизмов (1,2), противовоспалительные вещества, проявляющие анальгетические и жаропонижающие свойства (3,4), гербициды, контролирующие как однодольные, так и двудольные растения (5,6), консерванты в хлебобулочных и сырных изделиях (7,8), искусственные ароматизаторы и отдушки (9), фармацевтические препараты (10), прекурсоры ацетат-пропионата целлюлозы (CAP) (11) и др.

Пропионовая кислота или этанкарбоновая кислота входит в число 30 потенциальных кандидатов на получение биомассы, согласно определению Министерства энергетики США (DOE) (12). (прим. ред.: Биомасса - это термин, используемый в нескольких контекстах: в контексте экологии это означает живые организмы, а в контексте биоэнергетики это означает вещество из недавно живых организмов). Годовой объем мирового рынка пропионовой кислоты составлял 350 000 тонн (13), что примерно равнялось 770 миллионам фунтов стерлингов в 2006 году (14). Самыми крупными и быстрорастущими рынками являются Европа и Азиатско-Тихоокеанский регион, соответственно. Наибольшая доля выручки (в %) приходится на сельское хозяйство, продукты питания и напитки, средства личной гигиены и фармацевтический сектор. Мировой рыночный спрос на PA составлял 38 и 400 килотонн в 2007 и 2013 годах соответственно. Ожидается, что в 2020 году он достигнет 470 килотонн (1,53 миллиарда долларов США) (6).

Термин "пропионовая" происходит от греческих слов "protos" (первый) и "pion" (жир) и впервые был открыт Иоганном Готлибом (Johann Gottlieb) в 1844 году как результат превращения пирувата в PA через декарбоксилирование сукцината или акрилатный путь (15).

Глицерин как побочный продукт производства биодизельного топлива привлекает большое внимание как источник углерода для производства пропионовой кислоты (16). Однако существуют и другие дешевые источники углерода, такие как глюкоза, лактоза, молочная кислота, гемицеллюлозы, пермеат сыворотки (17), гидролизованная кукурузная мука (18), патока сахарного тростника (19) и ферментативно гидролизованная цельнозерновая мука (20). Молочная кислота и углеводы биомассы могут быть химически преобразованы в пропионовую кислоту при использовании Zn в качестве восстановителя и Co в качестве катализатора с высокой активностью (21). Несмотря на свою дороговизну, реакторы с анаэробным псевдоожиженным (22), растительным (23) и многоточечным волокнистым (24) слоем (например, хлопковыми волокнами) (25), шариками из альгината кальция (26) и полигалактуроната кальция (27) и адсорбцией в расширенном слое (28) и реакторы со слоем гранулированного ила (17) были предложены для производства пропионовой кислоты с помощью Propionibacterium freudenreichii. В этом обзоре рассматриваются наиболее важные аспекты PA, включая ее химические свойства, микробное производство с использованием как иммобилизованных, так и свободных бактерий в рекомбинантных и диких формах, потребление различных источников углерода и азота, влияние контролируемых систем культивирования и ее промышленное применение.

Микробное производство пропионовой кислоты

Пропионовая кислота ферментируется Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii (26), Selenomonas ruminantium (29), Propionibacterium acidipropionici (30), Propionibacterium jensenii (31), Propionibacterium thoenii (32), Veillonella gazogenes (33), Veillonella criceti (34), Veillonella alcalescens (35), Veillonella parvula (36), Megasphaera elsdenii (37), Clostridium homopropionicum (36), Bacteroides spp. и Fusobacterium necrophorum (38). Пропионовая кислота также может быть побочным продуктом биологической ферментации для получения витамина B12 (диметилбензимидазол в качестве предшественника) (39), трегалозы (из левулиновой кислоты) (40) и порфиринов (из δ-аминолевулиновой кислоты и порфобилиногена) (41).

Более значительное количество летучих жирных кислот производится микробиотой кишечника в результате анаэробной ферментации пищевых волокон, нелетучих жирных кислот и белков (42). Диетическая клетчатка, как основной субстрат микробиоты толстой кишки, метаболизируется до пирувата, который преобразуется в PA (43). Непереваренные углеводы в тонком кишечнике ферментируются до пропионовой, масляной и уксусной кислот, при этом выделяются газы, включая H2, CO2 и CH4, а также тепло в результате экзотермической реакции (44). Образование летучих жирных кислот в кишечнике зависит от различных внешних и внутренних факторов, касающихся условий окружающей среды, доступности субстратов (например, ограничение углерода) и видов бактерий (45).

При биосинтезе пропионовой кислоты из глицерина P. acidipropionici показал более высокую эффективность в плане выхода конверсии и времени ферментации, чем другие штаммы, такие как Propionibacterium acnes и Clostridium propionicum (22, 46). Мутация P. acidipropionici привела к увеличению экспрессии Н+-АТФазы и устойчивости к изменениям рН (14).

Однако следует учитывать, что высокая концентрация пропионовой кислоты вызывает ингибирование карбоксилатов в процессе ферментации. Избыток пропионовой кислоты можно исключить с помощью экстрактивной ферментации. Низкая концентрация кислоты обеспечивает более высокий выход продукта и меньшее количество побочных продуктов (37). При экстракции пропионовой кислоты раствором гексана в качестве растворителя извлекаются только недиссоциированные кислоты (47). Чтобы найти решение основной проблемы производства органических кислот, было изучено извлечение кислот из десяти растворителей. Спирты и 1-бутанол были признаны лучшим решением для извлечения и экономически эффективным экстрагентом, соответственно (48).

Сверхкритический диоксид углерода (растворитель) и три-н-октиламин (реактив) под высоким давлением (16 МПа) могут быть использованы для экстракции PA из водных растворов при низкой температуре (35 °C). Эти методы с эффективностью экстракции 94,7 % превосходят физическую экстракцию органических кислот (49).

Восстановление пропионовой кислоты электродиализом из бесклеточной ферментационной среды приводит к повышению концентрации продукта (50). В отличие от аэробной ферментации, анаэробную ферментацию трудно контролировать, что можно преодолеть путем измерения окислительно-восстановительного потенциала как простого и экономически эффективного метода (51). Интерконверсия окислительно-восстановительной пары NADH/NAD+ может быть использована для регулирования производства пропионовой кислоты путем контроля окислительно-восстановительного потенциала (52)  (прим. ред.: NAD, кофермент, имеющийся во всех живых клетках, существует в двух формах: окисленной и восстановленной форме, сокращенно обозначаемых как NAD+ и NADH (H для водорода) соответственно).

Помимо загрязнения окружающей среды ископаемыми ресурсами, следует заменить необратимые виды топлива, поскольку цены на них растут из-за истощения запасов нефти (53) и необходимости в специальных катализаторах (54). Однако промышленное производство пропионовой кислоты путем ферментации неосуществимо, если стоимость процесса не равна стоимости производства PA нефтехимическими способами, такими как карбонилирование этилена, окисление углеводородов и пропанола (55,56). Производство PA из промышленных отходов, таких как глицерин или меласса, делает PA на основе биомассы экономически конкурентоспособным по сравнению с PA на основе ископаемых (22,57).

ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА, ВЛИЯЮЩИЕ НА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО ПРОПИОНОВОЙ КИСЛОТЫ

Bioreactor-design-for-continuous-propionic-acid-production-with-cell-recycling-Schematic

Рис. от редактора: Конструкция биореактора для непрерывного производства пропионовой кислоты с рециркуляцией клеток. Схематическое изображение ферментации с рециркуляцией клеток и биореактором с мембранным фильтром, используемого для производства пропионовой кислоты

Пропионовокислое брожение сталкивается с некоторыми ограничениями, такими как ингибирование роста клеток во время процесса (25) и образование органических кислот. Сообщается, что среди 17 исследованных штаммов Propionibacterium Propionibacterium acidipropionici AT CC 4875 достигает самого высокого выхода пропионовой кислоты (58).

Присутствие KCl в глицериновой среде улучшает производство трегалозы бактерией Propionibacterium freudenreichii, чувствительной к осмотическому стрессу (59). Хотя среда с кукурузным машем увеличивает выход продукта, она снижает производительность, если используется без цианокобаламина (58). Megasphaera elsdenii предпочитает молочную кислоту (лактат) глюкозе, несмотря на предварительный рост на глюкозной среде. M. elsdenii превращает молочную кислоту в монокарбоновые летучие жирные кислоты C2-5 (60).

Органические кислоты, включая н-пропанол, уксусную, муравьиную и янтарную кислоты, образуются как побочные продукты при производстве пропионовой кислоты из глицерина (46). Газы, которые образуются P. acidipropionici, такие как CO2 из глюкозы (14) или лактозы (61), также являются лимитирующими факторами, но все побочные продукты могут быть значительно уменьшены путем экстрактивной ферментации с использованием мембраны из полых волокон (hollow fibre membrane) в качестве экстрактора и амина в качестве экстрагирующего химического вещества (62,63).

Более высокие температуры во время ферментации приводят к образованию большего количества пропионовой, чем уксусной кислоты из-за деградации летучих жирных кислот (>C3) (64). Электродиализ в сочетании с ультрафильтрацией может демонстрировать более высокую объемную производительность при использовании для получения органических кислот (65). Те же результаты достигаются при химическом производстве пропионовой кислоты в электрокаталитических мембранных реакторах путем окисления пропанола (56). Самовозобновляемое встраивание пропионибактерий в гели из альгината кальция и полигалактуроната кальция труднодостижимо (23). Гидрогелевая матрица на основе ксилана для иммобилизации Propionibacterium acidipropionici показала производительность 0,88 г/(л-ч) при непрерывной ферментации в резервуаре с мешалкой. Этот подход связан с высокой адгезией клеток к поверхности твердого носителя даже при высокой скорости разбавления, в результате чего плотность сухих клеток составила 99,7 г/л (66). Спин-фильтры (с размером пор 5 мкм) могут применяться для удержания клеток in situ, что позволяет достичь четырехкратной производительности пропионовой кислоты при непрерывной ферментации (0,9 г/(л-ч)) по сравнению с обычной периодической ферментацией (67).

Выбор микроорганизма

Пропионибактерии - это плеоморфные каталазо- и грамположительные анаэробные аэротолерантные бактерии, которые продуцируют пропионовую кислоту в качестве основного продукта путем ферментации по циклу Вуда-Веркмана (68). Существует два основных пути ферментации PA из пирувата: путем декарбоксилирования сукцината или превращения акрилата в лактат (предшественник) (69). Было показано, что три биотин-зависимые карбоксилазы контролируют поток углерода через путь дикарбоновой кислоты в цикле. Их сочетание с глюкозой и глицерином в качестве источников углерода приводит к увеличению концентрации кислоты и повышению продуктивности (70). Продуктивность также можно повысить за счет применения метаболической инженерии, для которой наиболее широко используемым хозяином является Escherichia coli (71). Фермент фосфоенол-пируваткарбоксилаза из Escherichia coli был клонирован в Propionibacterium freudenreichii. Мутантный штамм Propionibacterium freudenreichii давал более высокий выход пропионовой кислоты, чем дикий тип (72). Высокая концентрация пропионата была достигнута при ферментации глицерина E. coli, что сравнимо с анаэробной ферментацией Propionibacterium (73).

Грамотрицательная бактерия Veillonella criceti может превращать лактат в пропионат с высокой производительностью 39 г/(л-ч) (74). Bacillus coagulans и Lactobacilluszeae способны превращать глюкозу или другие источники углерода в лактат (74,75). Мутантный штамм Bacillus coagulans показал высокий конечный титр (145 г/л), выход (0,98 г/г) и чистоту d-лактата (99,9 %) (76). Чтобы избежать ингибирования продукта и субстрата, PA (продукт) и лактат (субстрат) следует удалять из ферментера и поддерживать в низких концентрациях (74).

Контроль pH во время ферментации

Ферментация тормозится по принципу обратной связи с помощью пропионовой кислоты. Это событие можно контролировать различными методами, включая выбор штаммов, толерантных к кислоте/пропионату, контроль pH путем включения буферов или оснований, а также стратегии регулирования pH и контроля сдвига (37,77,78).

При постоянном pH лактат дает более высокий выход продукта, чем глюкоза и лактоза, и ограничивает выработку янтарной кислоты. Более того, контролировать pH легче при использовании лактата в качестве источника углерода в биореакторах с иммобилизованными клетками (непрерывного типа) (61). Производство пропионовой кислоты можно улучшить, контролируя pH во время ферментации (57,79). Поскольку оптимальный pH для роста Propionibacterium выше, чем для Clostridium, сдвиг pH с 6 до 8 приводит к более высокой доле пропионовой, чем масляной кислоты, в глюкозной среде (80). В сыре швейцарского типа снижение лактозы и более высокие значения pH (5,20–5,35) приводят к ускорению пропионовокислого брожения (81).

Кислотоустойчивый мутантный штамм Propionibacterium acidipropionici был изучен физиологически (82) и молекулярно (55) методами перетасовки генома и протеомики соответственно. Понимание деталей механизмов кислотоустойчивости и факторов, способствующих изменениям в накоплении кислоты, может привести к увеличению выработки пропионовой кислоты за счет регуляции процесса ферментации (83).

Результаты серийных исследований показывают, что перетасовка генома может быть использована для получения мутанта путем инактивированного слияния протопластов, а у кислотоустойчивых мутантных бактерий поражены мембранный протонный насос, глутаматдекарбоксилаза и аргининдеаминаза (82). Изменение рН, вызванное выработкой кислотных метаболитов, влияет на структуры мембраны и клеточной стенки (73). Поэтому влияние pH является важным вопросом в процессе ферментации из-за высокой чувствительности биологических материалов. Было проведено множество исследований, направленных на поиск оптимального pH для роста Propionibacterium. Используя стратегию корректировки рН в два этапа (рН поддерживается на уровне 6,5 в течение 48 ч, а затем на уровне 6,0), удалось значительно увеличить выход PA (с 14,58 до 19,21 г/л) по сравнению с производством при постоянном рН=6,0 (23).

Тип субстрата является еще одним параметром, влияющим на выход пропионовой кислоты, поскольку это может непосредственно влиять на коэффициент конверсии. В зависимости от типа субстрата контролировать уровень рН может быть сложнее. Было заявлено, что лактат, как углеродная основа, обладает некоторыми преимуществами по сравнению с глицерином и патокой из сахарного тростника (84). Было замечено, что при использовании глицерина и сахарной патокой наблюдалось более быстрое изменение рН; однако при использовании лактата оно было медленным (19).

Температура, t°C

Температура является важным фактором во всех процессах ферментации, который влияет на общую производительность процесса, непосредственно воздействуя на биохимические показатели. Было изучено множество родов Propionibacterium, и для каждого рода требуется своя оптимальная температура. В старейшей доступной литературе оптимальная температура была определена в диапазоне 14-40 °C (85). В последующих исследованиях оптимальная температура для производства PA была зафиксирована в основном между 30 и 40 °C (86,87).

Источник углерода

Множество различных типов источников углерода в качестве субстрата можно рассматривать как самое дорогое традиционное сырье в процессе ферментации (табл. 1 (11, 14, 23, 24, 30, 58, 74, 88-96)).

Таблица 1. Выход, продуктивность и конечный титр продукции пропионовой кислоты в различных условиях эксперимента

Штамм
Источник
углерода
t, °C
pH
Выход (г/г)
Продуктив-ность (г/(л•ч))
Конечный титр (г/л)
Ref
Propionibacterium acidipropionici
ACK-Tet (mutant of ATCC 4875)
Глюкоза
32
6.5
0.54
0.41
97
(14)
Propionibacterium acidipropionici
ATCC 4875
Зрелые клубеньковые корни топинамбура (40 г/л фруктозы и 20 г/л глюкозы)
32
6.5
0.42
3.69
22.9
(88)
Propionibacterium acidipropionici
ATCC 4875
Глюкоза
32
6.5
0.45
2
45
(58)
Propionibacterium acidipropionici
F3E8
Глюкоза
32
7.0
0.55
0.84
40
(92)
Propionibacterium acidipropionici
ATCC 55737
Глюкоза
32
7.0
0.42
0.62
27
(92)
Propionibacterium acidipropionici
ATCC 4875
Глюкоза
32
7.0
0.45
0.61
30
(92)
Propionibacterium acidipropionici CGMCC 1.2232
(Propionibacterium acidipropionici
ATCC 4875)
Сывороточная
лактоза
32
6.0
0.45
0.2
27
(90)
Propionibacterium freudenreichii
CCTCC M207015
Глюкоза
35
5.5–7.0
-
0.12
14.58
(24)
Propionibacterium acidipropionici
DSM 4900
Глюкоза
30
6.5
0.74
0.29
20
(91)
Propionibacterium freudenreichii
CCTCC M207015
Глюкоза
35
6.0
-
0.16
34.03
(23)
Propionibacterium acidipropionici
ATCC4965
Глюкоза/
Глицерин
30
6.5
0.57
0.152
21.9
(89)
Propionibacterium acidipropionici
ATCC4965
Глюкоза
30
6.5
0.30
0.068
11.5
(89)
Propionibacterium acidipropionici
ATCC4965
Глюкоза
30
6.5
0.47
0.108
18.1
(89)
Propionibacterium acidipropionici
ACT-1 (adapted from ATCC 4875)
Глюкоза
32
5.5
0.52
0.162
52.1
(11)
Propionibacterium acidipropionici
ACT-1 (adapted from ATCC 4875)
Глюкоза
32
5.5
0.62
0.159
42.7
(11)
Propionibacterium acidipropionici
ACT-1 (adapted from ATCC 4875)
Соевая патока
32
6.5
0.39
0.35
54.1
(11)
Propionibacterium acidipropionici
ATCC 4875
Глюкоза
32
6.5
0.43
2.23
55.7
(93)
Propionibacterium acidipropionici
CGMCC 1.2230
Глицерин
30
7.0
0.57
0.19
48
(30)
Propionibacter freudenrechii ssp.
shermanii PTCC 1661
Глицерин
30
6.5-7.0
0.724
0.113
-
(94)
Propionibacter freudenrechii T82
Чистые сахара
37
6.5
0.30
0.039
7.66
(95)
Propionibacter freudenrechii T82
Чистые сахара
30
6.5
0.32
0.043
7.66
(95)
Propionibacterium freudenreichii
CICC 10019
Глюкоза
30
7.0
0.66
0.33
85.4
(96)
Propionibacterium freudenreichii
CICC 10019
Гидролизаты стеблей сельхоз. культур
30
7.0
0.75
0.35
91.4
(96)
Bacillus coagulans DSMZ 2314 и Veillonella criceti DSMZ 20734
Глюкоза
37
6.2
0.35
0.63
-
(74)

Для поддержания высокой производительности и снижения себестоимости производства было проведено множество исследований по оценке возможного использования дешевых возобновляемых агропромышленных источников и отходов (например, патоки из сахарного тростника и глицерина) (9,26). Альтернативой более жизнеспособному продукту может быть использование дешевых субстратов, включая кукурузную клейковину, кукурузный крахмал, сульфитные и древесно-целлюлозные отходы, лигноцеллюлозу, гидролизаты муки и сыворотку в качестве источников углерода (88).

Пропионибактерии способны потреблять различные источники углерода, такие как глюкоза (89), фруктоза (16), сахароза (9), лактоза (90), глицерин (91) и меласса (86). В зависимости от типа применяемого источника углерода могут быть достигнуты различная производительность и выход конверсии. Производительность пропионовой кислоты на основе глицерина (46), гемицеллюлозы (97) и глицерина/лактата (19) в качестве источников углерода составляет 0,18, 0,28 и 0,113 г/(л•ч) соответственно. В отличие от молочной кислоты и глюкозы, более высокая концентрация глицерина приводит к повышению производительности и снижению выхода конверсии (46). Подача глицерина с постоянной скоростью 0,01 л/ч (72-120 ч) привела к максимальному производству PA с помощью P. acidipropionici, которое может быть доведено до промышленного уровня (30). Производительность PA при ферментации глицерина выше, чем при ферментации глюкозы. Напротив, увеличение массового соотношения глюкозы и глицерина увеличивает производительность витамина В12 (98).

При использовании растительного масла биодизельная промышленность получает большое количество глицерина в качестве побочного продукта, который можно рассматривать как экономически выгодное сырье для промышленного производства PA (23). Глицерин может быть использован при пропионовокислом брожении в качестве источника углерода (26,89). Хотя это отличный восстановитель, который способствует выработке PA (99), он может привести к окислительно-восстановительному дисбалансу в метаболизме, что может повлиять на эволюцию клеток и снизить выход при использовании в качестве единственного источника углерода при ферментации. Помимо низкой цены и доступности глицерина, его преимущество заключается в том, что можно получить более высокие выходы благодаря более высокой средней степени восстановления атомов углерода (κ=4,67), чем при использовании глюкозы (κ=4) (100). Следовательно, при использовании глицерина выход PA и скорость извлечения из глицерина увеличатся, в то время как образование уксусной кислоты уменьшится (100:1) (14,30). Таким образом, повторное использование агропромышленных отходов, полученных из биодизельного топлива, может снизить общую стоимость производства PA до 70% (19).

Coral et al. (19) использовали различные источники углерода, чтобы проверить влияние субстрата на ферментацию PA 9 штаммами Propionibacterium. Лактат показал самую высокую производительность и выход PA. Кроме того, лактат увеличивает скорость производства PA по сравнению с мелассой; он не разлагается гликолитическим путем, поэтому биосинтез кислоты происходит легче. Еще одним преимуществом лактата является то, что из-за низкого изменения рН в процессе его разложения нет необходимости в постоянном контроле рН, что необходимо для глицерина и сахарной патоки.

Смешанные источники углерода

Хотя общепринятой практикой получения PA путем пропионовокислого брожения является использование одного источника углерода, этого, как правило, недостаточно для роста Propionibacterium и производства PA. Поэтому применение смешанных источников углерода может быть предложено в качестве эффективной стратегии для увеличения производства PA за счет изменения кинетики.

Среда на основе топинамбура, содержащая различные углеводы в качестве смешанных источников углерода, использовалась с добавлением 10 г/л экстракта щелочи для производства пропионовой кислоты с помощью P. acidipropionici, при этом концентрация пропионовой кислоты и производительность составили 40 г/л и 0,26 г/(л-ч), соответственно (88). Смесь глюкозы и глицерина давала 29,2 г/л пропионовой кислоты (89). Выход был довольно низким, а используемая среда - относительно дорогой. Совместная ферментация глюкозы и глицерина при подходящем массовом соотношении дала более высокий выход и концентрацию пропионовой кислоты.

Время ферментации

Каждый микроорганизм имеет определенную фазу роста, которая зависит от переменных ферментации, включая pH, температуру, культуральную среду или желаемые свойства конечного продукта. Время ферментации сильно зависит от скорости роста микроорганизма. Выбор подходящих штаммов Propionibacterium также является одним из наиболее значимых факторов. При брожении концентрация пропионовой кислоты может достигать максимума в определенный момент производства, однако любое продление биопроцесса может привести к снижению конечной концентрации PA. При увеличении времени ферментации производительность снижается из-за накопления ингибирующих факторов в ферментере. Поэтому оптимизация продолжительности ферментации необходима для достижения максимальной производительности (23).

При обычной одностадийной периодической ферментации период производства длится до 200 ч; однако этот период можно продлить, используя современные биореакторные системы (91). Применяя несколько повторных циклов с непрерывной рециркуляцией клеток, можно продлить время производства. При ферментации с рециклом клеток в течение 11 последовательных партий время производства пропионовой кислоты с помощью P. acidipropionici DSM 4900 продолжалось более 500 ч (101). Высокая концентрация PA может быть получена при использовании системы периодической подачи ("сырье-партия"). Значительно высокая концентрация PA (71,8 г/л) была получена после 12 дней ферментации гидролизата гемицеллюлозы и мелассы кукурузных початков с использованием P. acidipropionici ATCC 4875 (9). Системы иммобилизации также радикально изменяют время производства PA. Иммобилизация P. acidipropionici DSM 4900 в PEI-Luffa (адсорбент на основе волокон Luffa cylindrica, модифицированный полиэтиленимином – ред.), позволила провести периодическую ферментацию с общим временем производства 225,5 ч, что считается более длительным, чем при использовании свободных клеток (126,75 ч) (91). Недавние исследования показали, что образование биопленки и экзополисахаридов (EPS) облегчает иммобилизацию Propionibacterium freudenreichii и Propionibacterium acidipropionici. Образование биопленки и EPS может быть индуцировано такими провоцирующими факторами, как NaCl и лимонная кислота (102).

Источник азота

Propionibacterium spp. могут сбраживать источники азота, включая пептон, кукурузный крутой щелок и дрожжевой экстракт, что может увеличить производство PA (16). Производство PA на кукурузном крутом щелоке, являющемся стоком агропромышленного комплекса, демонстрирует относительно высокий выход (0,79 г/г) и производительность (5,20 мг/(л-ч) (103). Хотя в различных исследованиях сообщалось о добавлении различных концентраций источника азота в диапазоне 5-40 г/л, наиболее часто использовались концентрации 5 и 10 г/л (104). Однако рекомендуется провести дополнительные исследования по поиску недорогих источников азота.

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОПИОНОВОЙ КИСЛОТЫ

Пропионовая кислота полезна для человеческого организма и может играть роль в обеспечении сытости и энергетического гомеостаза посредством определенных механизмов, включая активацию рецепторов свободных жирных кислот, снижение уровня липогенеза и гомеостаз глюкозы (105). Небольшое количество пропионовой кислоты в качестве коммерческого антимикробного агента (E 280) содержится во многих продуктах питания, например, в молочных продуктах (106). Она может применяться для получения характерных дырочек и орехового привкуса в сырах швейцарского типа (81).

Пропионовая кислота в низкой концентрации может немного стимулировать производство лимонной кислоты (107), а в сочетании с уксусной кислотой она повышает скорость производства водорода во время ферментации (108). Ее можно использовать для ферментативного синтеза сложных эфиров из спиртов (17), а также при ферментации этанола (17). На рис. 1 показаны свойства и примерная стоимость (в евро) производных пропионовой кислоты в различных областях ее применения.

Химическая структура, относительная молекулярная масса и примерная цена производных пропионовой кислоты в различных областях применения

Рис. 1. Химическая структура, относительная молекулярная масса (Mr) и примерная цена (в €) производных пропионовой кислоты в различных областях применения пропионовой кислоты

Как показано на рис. 1, пропионовая кислота продается по цене около 1-2 евро/кг для использования в различных отраслях промышленности, включая производство гербицидов, фармацевтических препаратов, полимеров (например, акрило-нитрил-целлюлозного волокна и модификации карбидного шлака) и парфюмерии (57,109,110).

Антимикробное средство

Многочисленные микроорганизмы могут производить пропионовую кислоту путем ферментации, а многие из них могут ее метаболизировать. PA оказывает ингибирующее действие на микроорганизмы, которые ее метаболизируют, накапливаясь в клетках, блокируя метаболические пути и, как следствие, приводя к ингибированию ферментов. В зависимости от концентрации, PA снижает внутриклеточный рН и подавляет рост микроорганизмов из-за накопления анионов.

Пропионовая кислота, как относительно сильная органическая кислота, используется в качестве антимикробного агента в пищевых продуктах, таких как молочные и хлебобулочные изделия, а также в консервировании кормов для животных. Вместо использования антибиотиков, что может привести к антибиотикорезистентности, корм можно обрабатывать PA для защиты от бактериального и грибкового разложения (111,112). PA добавляют во многие корма для домашней птицы, чтобы уменьшить загрязнение сальмонеллами и нежелательное образование плесени (113,114). Помимо антимикробной активности, PA в кормах улучшает продуктивность рубца за счет усиления разложения субстратов (8 %) и снижения выработки метана (20 %) (115,116). В отличие от ацетата, PA снижает превращение водорода в метан (117). Применение молочнокислых бактерий (МКБ) может улучшить производство PA за счет увеличения концентрации молочной кислоты и водорастворимых углеводов в рубце (118,119).

Противовоспалительное средство

С прошлого века все чаще возникает потребность в открытии новых противовоспалительных средств с высокой эффективностью для лечения многих заболеваний. Для этой цели использовались несколько типов органических кислот, однако, как правило, в качестве полезных агентов признавались только безазотистые и нестероидные соединения. Пропионовая кислота, имеющая общую химическую структуру (C3H6O2), не содержит азота, поэтому она широко используется для получения противовоспалительных средств (120,121).

Для усиления противовоспалительного эффекта к PA может быть добавлено множество различных химических групп. Исследования подтвердили, что PA с арильной группой (профены, т.е. производные 2-арилпропионовой кислоты) являются важной частью нестероидных противовоспалительных средств, которые широко назначаются при таких заболеваниях, как артрит и ревматизм (122).

В последнее время появились новые соединения, которые могут быть использованы в качестве дополнительных агентов с PA. Некоторые препараты на основе пропионовой кислоты, используемые в качестве противовоспалительных средств, могут обладать повышенной ульцерогенной активностью желудка, что является нежелательным эффектом для пациентов. Поэтому 2-{2-фтор-4-[(2-оксоциклопентил)метил]фенил}пропионовая кислота может быть включена в состав препарата для устранения этого желудочного эффекта (123).

Гербициды

В современном сельском хозяйстве используется широкий спектр гербицидов для уничтожения целевых организмов. Однако эти гербициды могут также влиять на полезную деятельность нецелевых организмов, которые растут на посевах. Таким образом, важно использовать биоразлагаемые, целевые агенты, такие как производные PA, в качестве перспективных гербицидов, чтобы избежать затрат на сельское хозяйство (124).

В отличие от других доступных искусственных гербицидов, пропионовая кислота разлагается сначала на уксусную и муравьиную кислоты, а затем на углекислый газ и воду, поэтому она не представляет угрозы для окружающей среды. Она менее едкая и коррозийная, чем муравьиная кислота, другой распространенный гербицид. При правильном подборе состава и использовании средств защиты органов дыхания ПА не представляет опасности для здоровья при применении. Пропионовая кислота может контролировать как однодольные, так и двудольные растения и является эффективным довсходовым и послевсходовым гербицидом (6).  Некоторые виды микроорганизмов способны разлагать гербициды, в частности хиральные формы мекопропа ((RS)-2-(4-хлор-2-метилфенокси)пропионовой кислоты) с различной скоростью разложения. Предыдущие исследования показали, что использование определенной формы гербицидов на основе пропионовой кислоты уменьшает деградацию мекопропа этими организмами, что, следовательно, повышает эффективность упомянутых средств (125). Однако после применения гербицидов важно удалить их из зоны применения, поскольку они могут рассматриваться как потенциальная опасность для здоровья. Для устранения этих агентов можно эффективно использовать многие виды микроорганизмов (126).

Консервант и безопасная пищевая добавка

Что касается нестабильных физических условий, таких как жара, чрезмерная влажность, непредсказуемые осадки, а также плохие условия сушки, добавление консервантов в пищу очень важно, поскольку они предотвращают возможную порчу, которая может привести к пищевому отравлению (127).

Пропионовая кислота и ее соли (Ca-, K- и Na-) являются распространенными пищевыми добавками, используемыми для консервирования продуктов питания. Пшеница обычно подвергается перекрестному заражению грибками во время уборки и особенно в неблагоприятных условиях хранения, что приводит к снижению качества и экономическим потерям. Использование PA и ее солей может устранить эти загрязнения во время хранения урожая (20).

Другим методом усиления действия PA в качестве пищевого консерванта является введение этой кислоты с помощью специальных веществ-носителей (например, вермикулита). Поры вермикулита определенного диаметра позволяют PA проникать, в частности, внутрь зерен.

Пропионовая кислота является общепризнанным безопасным (GRAS) пищевым консервантом. Однако в некоторых исследованиях (на грызунах) сообщалось, что PA может усиливать симптомы расстройств аутистического спектра (ASD). Стоит отметить, что помимо пропионибактерий, некоторые кишечные бактерии также производят PA путем ферментации. В результате производства in vivo PA может проникать через гематоэнцефалический барьер и кишечно-кровяной барьер. Таким образом, PA может вызывать нейроактивные эффекты, сходные с ASD. Сообщалось лишь о нескольких случаях спровоцированных симптомов ASD у детей в результате употребления обработанной пшеницы или молочных продуктов, содержащих PA в качестве пищевого консерванта (128,129).

Выводы

В данной статье представлены аспекты производства пропионовой кислоты (PA) в погружной системе с помощью Propionibacterium sp.. Правильный контроль субстрата, условий культивирования, типа и масштаба биореактора важен для обеспечения успешного производства PA. Значение pH и температура являются одними из наиболее важных факторов, влияющих на производительность PA. Чтобы определить скорость потребления субстрата, необходимо изучить кинетику Propionibacterium sp. Производство PA может быть усилено путем применения метаболически модифицированных мутантов. Метаболическая инженерия должна изучаться как важный инструмент для получения лучших продуцентов PA, которые демонстрируют отличную устойчивость к кислым условиям, ограниченному количеству субстратов, а также легко адаптируются к различным системам ферментации. Применение новых методов иммобилизации также может быть эффективно использовано в биореакторных системах и может принести значительные экономические преимущества для производства PA. Все перечисленные методы должны быть изучены более подробно для адаптации к промышленному производству PA.

Дополнительная информация

Литература

  • 1. Huang CB, Alimova Y, Myers TM, Ebersole JL. Short- and medium-chain fatty acids exhibit antimicrobial activity for oral microorganisms. Arch Oral Biol. 2011;56(7):650-4. https://doi.org/10.1016/j.archoralbio.2011.01.011
  • 2. Rivero S, Giannuzzi L, García MA, Pinotti A. Controlled delivery of propionic acid from chitosan films for pastry dough conservation. J Food Eng. 2013;116(2):524-31. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2012.12.025
  • 3. Loaiza-Ambuludi S, Panizza M, Oturan N, Özcan A, Oturan MA. Electro-Fenton degradation of anti-inflammatory drug ibuprofen in hydroorganic medium. J Electroanal Chem. 2013;702:31-6. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2013.05.006
  • 4. Turan-Zitouni G, Yurttaş L, Kaplancıklı ZA, Can ÖD, Özkay ÜD. Synthesis and anti-nociceptive, anti-inflammatory activities of new aroyl propionic acid derivatives including N-acylhydrazone motif. Med Chem Res. 2015;24(6):2406-16. https://doi.org/10.1007/s00044-014-1309-1
  • 5. Degenhardt D, Cessna AJ, Raina R, Farenhorst A, Pennock DJ. Dissipation of six acid herbicides in water and sedi- ment of two Canadian prairie wetlands. Environ Toxicol Chem. 2011;30(9):1982-9. https://doi.org/10.1002/etc.598
  • 6. Eş I, Khaneghah AM, Hashemi SMB, Koubaa M. Current advances in biological production of propionic acid. Biotechnol Lett. 2017;39(5):635-45. https://doi.org/10.1007/s10529-017-2293-6
  • 7. Sabra W, Dietz D, Zeng AP. Substrate-limited co-culture for efficient production of propionic acid from flour hydrolysate. Appl Microbiol Biotechnol. 2013;97(13):5771-7. https://doi.org/10.1007/s00253-013-4913-y
  • 8. Del Nobile MA, Lecce L, Conte A, Laverse J. Bio‐based device to control active compound release for food preservation: The case of propionic acid. J Food Process Pres. 2016;40(5):958-62. https://doi.org/10.1111/jfpp.12675
  • 9. Liu L, Zhu Y, Li J, Wang M, Lee P, Du G, Chen J. Microbial production of propionic acid from propionibacteria: Current state, challenges and perspectives. Crit Rev Biotech- nol. 2012;32(4):374-81. https://doi.org/10.3109/07388551.2011.651428
  • 10. Shams S, Foley KA, Kavaliers M, MacFabe DF, Ossenkopp KP. Systemic treatment with the enteric bacterial metabolic product propionic acid results in reduction of social behavior in juvenile rats: Contribution to a rodent model of autism spectrum disorder. Dev Psychobiol. 2019;61(5):688-99. https://doi.org/10.1002/dev.21825
  • 11. Yang H, Wang Z, Lin M, Yang ST. Propionic acid production from soy molasses by Propionibacterium acidipropionici: Fermentation kinetics and economic analysis. Bioresour Technol. 2018;250:1-9. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.11.016
  • 12. Werpy T, Petersen G, Aden A, Bozell J, Holladay J, White J, et al. Top value added chemicals from biomass. Volume 1: Results of screening for potential candidates from sugars and synthesis gas. Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA, USA; 2004. https://doi.org/10.2172/926125
  • 13. Luna-Flores CH, Nielsen LK, Marcellin E. Genome sequence of Propionibacterium acidipropionici ATCC 55737. Genome Announc. 2016;4(3):e00248-16. https://doi.org/10.1128/genomeA.00248-16
  • 14. Zhang A, Yang ST. Engineering Propionibacterium acidipropionici for enhanced propionic acid tolerance and fermentation. Biotechnol Bioeng. 2009;104(4):766-73. https://doi.org/10.1002/bit.22437
  • 15. Al-Lahham SH, Peppelenbosch MP, Roelofsen H, Vonk RJ, Venema K. Biological effects of propionic acid in humans; metabolism, potential applications and underlying mechanisms. Biochim Biophys Acta. 2010;1801(11):1175-83. https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2010.07.007
  • 16. Feng X, Chen F, Xu H, Wu B, Li H, Li S, Ouyang P. Green and economical production of propionic acid by Propionibacterium freudenreichii CCTCC M207015 in plant fibrous-bed bioreactor. Bioresour Technol. 2011;102(10):6141-6. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.02.087
  • 17. Lopes HJS, Ramos LR, Silva EL. Co-fermentation of cheese whey and crude glycerol in EGSB reactor as a strategy to enhance continuous hydrogen and propionic acid production. Appl Biochem Biotechnol. 2017;183(3):712-28. https://doi.org/10.1007/s12010-017-2459-7
  • 18. Ekman A, Börjesson P. Environmental assessment of propionic acid produced in an agricultural biomass-based biorefinery system. J Clean Prod. 2011;19(11):1257-65. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2011.03.008
  • 19. Coral J, Karp SG, de Souza Vandenberghe LP, Parada JL, Pandey A, Soccol CR. Batch fermentation model of propionic acid production by Propionibacterium acidipropioni- ci in different carbon sources. Appl Biochem Biotechnol. 2008;151(2-3):333-41. https://doi.org/10.1007/s12010-008-8196-1
  • 20. Kagliwal LD, Survase SA, Singhal RS, Granström T. Wheat flour based propionic acid fermentation: An economic approach. Bioresour Technol. 2013;129:694-9. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.12.154
  • 21. Huo Z, Xiao J, Ren D, Jin F, Wang T, Yao G. Chemoselective synthesis of propionic acid from biomass and lactic acid over a cobalt catalyst in aqueous media. Green Chem. 2017;19(5):1308-14. https://doi.org/10.1039/C6GC03036J
  • 22. Nazareth TC, de Oliveira Paranhos AG, Ramos LR, Silva EL. Valorization of the crude glycerol for propionic acid production using an anaerobic fluidized bed reactor with grounded tires as support material. Appl Biochem Biotechnol. 2018:186(2):400-13. https://doi.org/10.1007/s12010-018-2754-y
  • 23. Chen F, Feng X, Xu H, Zhang D, Ouyang P. Propionic acid production in a plant fibrous-bed bioreactor with immobilized Propionibacterium freudenreichii CCTCC M207015. J Biotechnol. 2013;164(2):202-10. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2012.08.025
  • 24. Feng XH, Chen F, Xu H, Wu B, Yao J, Ying HJ, Ouyang PK. Propionic acid fermentation by Propionibacterium freudenreichii CCTCC M207015 in a multipoint fibrous-bed bioreactor. Bioproc Biosyst Eng. 2010;33(9):1077-85. https://doi.org/10.1007/s00449-010-0433-7
  • 25. Suwannakham S, Yang ST. Enhanced propionic acid fermentation by Propionibacterium acidipropionici mutant obtained by adaptation in a fibrous‐bed bioreactor. Biotechnol Bioeng. 2005;91(3):325-37. https://doi.org/10.1002/bit.20473
  • 26. Wang Z, Sun J, Zhang A, Yang ST. Propionic acid fermentation. In: Yang ST, El-Enshasy HA, Thongchul N, editors. Bioprocessing technologies in biorefinery for sustainable production of fuels, chemicals, and polymers. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc.; 2013. pp. 331-50. https://doi.org/10.1002/9781118642047.ch18
  • 27. Coronado C, Botello JE, Herrera F. Study and mathematical modeling of the production of propionic acid by Propionibacterium acidipropionici immobilized in a stirred tank fermentor. Biotechnol Prog. 2001;17(4):669-75. https://doi.org/10.1021/bp010059p
  • 28. Wang P, Wang Y, Liu Y, Shi H, Su Z. Novel in situ product removal technique for simultaneous production of propionic acid and vitamin B12 by expanded bed adsorption bioreactor. Bioresour Technol. 2012;104:652-9. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.10.047
  • 29. Eaton D, Gabelman A. Fed-batch and continuous fermentation of Selenomonas ruminantium for natural propionic, acetic and succinic acids. J Ind Microbiol. 1995;15(1):32-8. https://doi.org/10.1007/BF01570010
  • 30. Zhu Y, Li J, Tan M, Liu L, Jiang L, Sun J, et al. Optimization and scale-up of propionic acid production by propionic acid-tolerant Propionibacterium acidipropionici with glycerol as the carbon source. Bioresour Technol. 2010;101(22):8902-6. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.06.070
  • 31. Zhuge X, Liu L, Shin HD, Chen RR, Li J, Du G, Chen J. Development of a Propionibacterium-Escherichia coli shuttle vector for metabolic engineering of Propionibacterium jensenii, an efficient producer of propionic acid. Appl En- viron Microbiol. 2013;79(15):4595-602. https://doi.org/10.1128/AEM.00737-13
  • 32. Turgay M, Schaeren W, Wechsler D, Bütikofer U, Graber HU. Fast detection and quantification of four dairy propionic acid bacteria in milk samples using real-time quantitative polymerase chain reaction. Int Dairy J. 2016;61:37-43. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2016.03.014
  • 33. Johns AT. Mechanism of propionic acid formation in bacterial fermentation. Nature. 1949;164(4171):620-1. https://doi.org/10.1038/164620a0
  • 34. Dietz D, Sabra W, Zeng AP. Co-cultivation of Lactobacilluszeae and Veillonella criceti for the production of propionic acid. AMB Express. 2013;3(1):29. https://doi.org/10.1186/2191-0855-3-29
  • 35. Sun J, Liu C, Wang Y, Smith C, Martin K, Venkitasubramanian P, Terrian J. Renewable olefins from a mixture of acetic acid and propionic acid. US patent US 2014/0128650 A1. 2014.
  • 36. Cibis KG, Gneipel A, König H. Isolation of acetic, propionic and butyric acid-forming bacteria from biogas plants. J Biotechnol. 2016;220:51-63. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2016.01.008
  • 37. Nelson RS, Peterson DJ, Karp EM, Beckham GT, Salvachúa D. Mixed carboxylic acid production by Megasphaera elsdenii from glucose and lignocellulosic hydrolysate. Fermentation. 2017;3(1):10. https://doi.org/10.3390/fermentation3010010
  • 38. Sun J, Liu C, Wang Y, Martin K, Venkitasubramanian P. Processes for making methacrylic acid. US patent US 9,403,749 B2. 2016.
  • 39. Wang P, Zhang Z, Jiao Y, Liu S, Wang Y. Improved propionic acid and 5,6-dimethylbenzimidazole control strategy for vitamin B12 fermentation by Propionibacterium freudenreichii. J Biotechnol. 2015;193:123-9. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2014.11.019
  • 40. Habe H, Sato S, Morita T, Fukuoka T, Kirimura K, Kitamoto D. Bacterial production of short-chain organic acids and trehalose from levulinic acid: A potential cellulose-derived building block as a feedstock for microbial production. Bioresour Technol. 2015;177:381-6. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.11.048
  • 41. Piao Y, Kiatpapan P, Yamashita M, Murooka Y. Effects of expression of hemA and hemB genes on production of porphyrin in Propionibacterium freudenreichii. Appl Environ Microbiol. 2004;70(12):7561-6. https://doi.org/10.1128/AEM.70.12.7561-7566.2004
  • 42. Koh A, De Vadder F, Kovatcheva-Datchary P, Bäckhed F. From dietary fiber to host physiology: Short-chain fatty acids as key bacterial metabolites. Cell. 2016;165(6):1332-45. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.041
  • 43. den Besten G, van Eunen K, Groen AK, Venema K, Reijngoud DJ, Bakker BM. The role of short-chain fatty acids in the interplay between diet, gut microbiota, and host energy metabolism. J Lipid Res. 2013;54(9):2325-40. https://doi.org/10.1194/jlr.R036012
  • 44. Wong JM, Jenkins DJ. Carbohydrate digestibility and metabolic effects. J Nutr. 2007;137(11):2539S-46S. https://doi.org/10.1093/jn/137.11.2539S
  • 45. Macfarlane S, Macfarlane GT. Regulation of short-chain fatty acid production. Proc Nutr Soc. 2003;62(1):67-72. https://doi.org/10.1079/PNS2002207
  • 46. Barbirato F, Chedaille D, Bories A. Propionic acid fermentation from glycerol: Comparison with conventional substrates. Appl Microbiol Biotechnol. 1997;47(4):441-6. https://doi.org/10.1007/s002530050953
  • 47. Jeon BS, Moon C, Kim BC, Kim H, Um Y, Sang BI. In situ extractive fermentation for the production of hexanoic acid from galactitol by Clostridium sp. BS-1. Enzyme Microb Technol. 2013;53(3):143-51. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2013.02.008
  • 48. Bekatorou A, Dima A, Tsafrakidou P, Boura K, Lappa K, Kandylis P, et al. Downstream extraction process development for recovery of organic acids from a fermentation broth. Bioresour Technol. 2016;220:34-7. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.08.039
  • 49. Henczka M, Djas M. Reactive extraction of acetic acid and propionic acid using supercritical carbon dioxide. J Supercrit Fluid. 2016;110:154-60. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2015.11.018
  • 50. Boyaval P, Corre C. Continuous fermentation of sweet whey permeate for propionic acid production in a CSTR with UF recycle. Biotechnol Lett. 1987;9(11):801-6. https://doi.org/10.1007/BF01028287
  • 51. Du C, Yan H, Zhang Y, Li Y, Cao Z. Use of oxidoreduction potential as an indicator to regulate 1,3-propanediol fer- mentation by Klebsiella pneumoniae. Appl Microbiol Biotechnol. 2006;69(5):554-63. https://doi.org/10.1007/s00253-005-0001-2
  • 52. Zhuge X, Li J, Shin HD, Liu L, Du G, Chen J. Improved propionic acid production with metabolically engineered Propionibacterium jensenii by an oxidoreduction potential-shift control strategy. Bioresour Technol. 2015;175:606-12. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.10.038
  • 53. Tsoskounoglou M, Ayerides G, Tritopoulou E. The end of cheap oil: Current status and prospects. Energ Policy. 2008;36(10):3797-806. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2008.05.011
  • 54. Regenhardt SA, Trasarti AF, Meyer CI, Garetto TF, Marchi AJ. Selective gasphase conversion of maleic anhydride to propionic acid on Pt-based catalysts. Catal Commun. 2013;35:59-63. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2013.02.015
  • 55. Guan N, Shin HD, Chen RR, Li J, Liu L, Du G, Chen J. Understanding of how Propionibacterium acidipropionici respond to propionic acid stress at the level of proteomics. Sci Rep. 2014;4:6951. https://doi.org/10.1038/srep06951
  • 56. Li J, Li J, Wang H, Cheng B, He B, Yan F, et al. Electrocatalytic oxidation of n-propanol to produce propionic acid using an electrocatalytic membrane reactor. Chem Commun. 2013;49(40):4501-3. https://doi.org/10.1039/c3cc41181h
  • 57. Zhuge X, Liu L, Shin HD, Li J, Du G, Chen J. Improved propionic acid production from glycerol with metabolically engineered Propionibacterium jensenii by integrating fed- batch culture with a pH-shift control strategy. Bioresour Technol. 2014;152:519-25. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.11.063
  • 58. Stowers CC, Cox BM, Rodriguez BA. Development of an industrializable fermentation process for propionic acid production. J Ind Microbiol Biotechnol. 2014;41(5):837-52. https://doi.org/10.1007/s10295-014-1423-6
  • 59. Ruhal R, Choudhury B. Use of an osmotically sensitive mutant of Propionibacterium freudenreichii subspp. shermanii for the simultaneous productions of organic acids and trehalose from biodiesel waste based crude glycerol. Biore- sour Technol. 2012;109:131-9. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.01.039
  • 60. Weimer PJ, Moen G. Quantitative analysis of growth and volatile fatty acid production by the anaerobic ruminal bacterium Megasphaera elsdenii T81. Appl Microbiol Biotechnol. 2013;97(9):4075-81. https://doi.org/10.1007/s00253-012-4645-4
  • 61. Lewis VP, Yang ST. Propionic acid fermentation by Propionibacterium acidipropionici: Effect of growth substrate. Appl Microbiol Biotechnol. 1992;37(4):437-42. https://doi.org/10.1007/BF00180964
  • 62. Jin Z, Yang ST. Extractive fermentation for enhanced propionic acid production from lactose by Propionibacterium acidipropionici. Biotechnol Prog. 1998;14(3):457-65. https://doi.org/10.1021/bp980026i
  • 63. Ozadali F, Glatz B, Glatz C. Fed-batch fermentation with and without on-line extraction for propionic and acetic acid production by Propionibacterium acidipropionici. Appl Microbiol Biotechnol. 1996;44(6):710-6. https://doi.org/10.1007/BF00178607
  • 64. Cho HU, Kim YM, Choi YN, Kim HG, Park JM. Influence of temperature on volatile fatty acid production and microbial community structure during anaerobic fermentation of microalgae. Bioresour Technol. 2015;191:475-80. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.03.009
  • 65. Zacharof MP, Lovitt RW. Complex effluent streams as a po- tential source of volatile fatty acids. Waste Biomass Valori. 2013;4(3):557-81. https://doi.org/10.1007/s12649-013-9202-6
  • 66. Wallenius J, Pahimanolis N, Zoppe J, Kilpeläinen P, Master E, Ilvesniemi H, et al. Continuous propionic acid production with Propionibacterium acidipropionici immobilized in a novel xylan hydrogel matrix. Bioresour Technol. 2015;197:1-6. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.08.037
  • 67. Goswami V, Srivastava AK. Propionic acid production in an in situ cell retention bioreactor. Appl Microbiol Biotechnol. 2001;56(5-6):676-80. https://doi.org/10.1007/s002530000582
  • 68. Gonzalez-Garcia RA, McCubbin T, Navone L, Stowers C, Nielsen LK, Marcellin E. Microbial propionic acid production. Fermentation. 2017;3(2):21. https://doi.org/10.3390/fermentation3020021
  • 69. Al-Lahham SHM. Propionate: A candidate metabolite to link colonic metabolism to human adipose tissue inflammation [PhD Thesis]. Groningen, The Netherlands: University of Groningen; 2010.
  • 70. Wang Z, Lin M, Wang L, Ammar EM, Yang ST. Metabolic engineering of Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii for enhanced propionic acid fermentation: Effects of overexpressing three biotin-dependent carboxylases. Process Biochem. 2015;50(2):194-204. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2014.11.012
  • 71. Gonzalez‐Garcia RA, McCubbin T, Turner MS, Nielsen LK, Marcellin E. Engineering Escherichia coli for propionic acid production through the Wood–Werkman cycle. Biotechnol Bioeng. 2020;117(1):167-83. https://doi.org/10.1002/bit.27182
  • 72. Ammar EM, Jin Y, Wang Z, Yang ST. Metabolic engineering of Propionibacterium freudenreichii: Effect of expressing phosphoenolpyruvate carboxylase on propionic acid production. Appl Microbiol Biotechnol. 2014;98(18):7761-72. https://doi.org/10.1007/s00253-014-5836-y
  • 73. Akawi L, Srirangan K, Liu X, Moo-Young M, Chou CP. Engineering Escherichia coli for high-level production of propionate. J Ind Microbiol Biotechnol. 2015;42(7):1057-72. https://doi.org/10.1007/s10295-015-1627-4
  • 74. Selder L, Sabra W, Jürgensen N, Lakshmanan A, Zeng AP. Co-cultures with integrated in situ product removal for lactate-based propionic acid production. Bioproc Biosyst Eng. 2020:1-9. https://doi.org/10.1007/s00449-020-02300-0
  • 75. Lu J, Lv Y, Qian X, Jiang Y, Wu M, Zhang W, et al. Current advances in organic acid production from organic wastes by using microbial co‐cultivation systems. Biofuel Bioprod Bior. 2019. https://doi.org/10.1002/bbb.2075
  • 76. Ou MS, Ingram LO, Shanmugam K. l(+)-Lactic acid production from non-food carbohydrates by thermotolerant Bacillus coagulans. J Ind Microbiol Biotechnol. 2011;38(5):599-605. https://doi.org/10.1007/s10295-010-0796-4
  • 77. Paik HD, Glatz B. Propionic acid production by immobilized cells of a propionate-tolerant strain of Propionibacterium acidipropionici. Appl Microbiol Biotechnol. 1994;42(1):22-7. https://doi.org/10.1007/BF00170218
  • 78. Feng X, Xu H, Yao J, Li S, Zhu H, Ouyang P. Kinetic analysis and pH-shift control strategy for propionic acid production with Propionibacterium freudenreichii CCTCC M207015. Appl Biochem Biotechnol. 2010;160(2):343-9. https://doi.org/10.1007/s12010-008-8300-6
  • 79. Candry P. Kinetics and microbial ecology of chain elongation for production of medium-chain carboxylic acids [PhD Thesis]. Ghent, Belgium: University of Ghent; 2020.
  • 80. Lee WS, Chua ASM, Yeoh HK, Ngoh GC. A review of the production and applications of waste-derived volatile fatty acids. Chem Eng J. 2014;235:83-99. https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.09.002
  • 81. Fröhlich-Wyder MT, Bisig W, Guggisberg D, Jakob E, Turgay M, Wechsler D. Cheeses with propionic acid fermentation. In: McSweeney PLH, Fox PF, Cotter PD, Everett DW, editors. Cheese: Chemistry, Physics and Microbiology. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier Ltd; 2017. pp. 889-910. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-417012-4.00035-1
  • 82. Guan N, Liu L, Shin HD, Chen RR, Zhang J, Li J, et al. Systems-level understanding of how Propionibacterium acidipropionici respond to propionic acid stress at the microenvironment levels: Mechanism and application. J Biotechnol. 2013;167(1):56-63. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2013.06.008
  • 83. Guan N, Li J, Shin HD, Wu J, Du G, Shi Z, et al. Comparative metabolomics analysis of the key metabolic nodes in propionic acid synthesis in Propionibacterium acidipropionici. Metabolomics. 2015;11(5):1106-16. https://doi.org/10.1007/s11306-014-0766-3
  • 84. Quesada-Chanto A, Afschar S, Wagner F. Microbial production of propionic acid and vitamin B12 using molasses or sugar. Appl Microbiol Biotechnol. 1994;41(4):378-83. https://doi.org/10.1007/BF00939023
  • 85. Orla-Jensen S. Dairy bacteriology. Philadelphia, PA, USA: P. Blakiston's Son and Co. Inc.; 1921.
  • 86. Ahmadi N, Khosravi-Darani K, Zarean-Shahraki S, Mortazavian M, Mashayekh S. Fed-batch fermentation for propionic, acetic and lactic acid production. Orient J Chem. 2015;31(1):581-90. https://doi.org/10.13005/ojc/310174
  • 87. Farhadi S, Khosravi‐Darani K, Mashayekh M, Mortazavian AM, Mohammadi A, Shahraz F. Production of propionic acid in a fermented dairy beverage. Int J Dairy Technol. 2013;66(1):127-34. https://doi.org/10.1111/1471-0307.12004
  • 88. Liang ZX, Li L, Li S, Cai YH, Yang ST, Wang JF. Enhanced propionic acid production from Jerusalem artichoke hydrolysate by immobilized Propionibacterium acidipropionici in a fibrous-bed bioreactor. Bioproc Biosyst Eng. 2012;35(6):915-21. https://doi.org/10.1007/s00449-011-0676-y
  • 89. Liu Y, Zhang YG, Zhang RB, Zhang F, Zhu J. Glycerol/glucose co-fermentation: one more proficient process to produce propionic acid by Propionibacterium acidipropionici. Curr Microbiol. 2011;62(1):152-8. https://doi.org/10.1007/s00284-010-9683-5
  • 90. Jiang L, Cui H, Zhu L, Hu Y, Xu X, Li S, Huang H. Enhanced propionic acid production from whey lactose with immobilized Propionibacterium acidipropionici and the role of trehalose synthesis in acid tolerance. Green Chem. 2015;17(1):250-9. https://doi.org/10.1039/C4GC01256A
  • 91. Dishisha T, Alvarez MT, Hatti-Kaul R. Batch- and continuous propionic acid production from glycerol using free and immobilized cells of Propionibacterium acidipropionici. Bioresour Technol. 2012;118:553-62. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.05.079
  • 92. Luna‐Flores CH, Palfreyman RW, Krömer JO, Nielsen LK, Marcellin E. Improved production of propionic acid using genome shuffling. Biotechnol J. 2017;12(2):1600120. https://doi.org/10.1002/biot.201600120
  • 93. Wang Z, Jin Y, Yang ST. High cell density propionic acid fermentation with an acid tolerant strain of Propionibacterium acidipropionici. Biotechnol Bioeng. 2015;112(3):502-11. https://doi.org/10.1002/bit.25466
  • 94. Hashemi SMB, Roohi R. Kinetic models for production of propionic acid by Propionibacter freudenrechii subsp. shermanii and Propionibacterium freudenreichii subsp. freudenreichii in date syrup during sonication treatments. Biocatal Agric Biotechnol. 2019;17:613-9. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2019.01.027
  • 95. Piwowarek K, Lipińska E, Hać-Szymańczuk E, Rudziak A, Kieliszek M. Optimization of propionic acid production in apple pomace extract with Propionibacterium freudenreichii. Prep Biochem Biotechnol. 2019;49(10):974-86. https://doi.org/10.1080/10826068.2019.1650376
  • 96. Wang P, Shen C, Li L, Guo J, Cong Q, Lu J. Simultaneous production of propionic acid and vitamin B12 from corn stalk hydrolysates by Propionibacterium freudenreichii in an expanded bed adsorption bioreactor. Prep Biochem Biotechnol. 2020:1-5. https://doi.org/10.1080/10826068.2020.1734942
  • 97. Liu Z, Ma C, Gao C, Xu P. Efficient utilization of hemicellulose hydrolysate for propionic acid production using Propionibacteriumacidipropionici. Bioresour Technol. 2012;114:711-4. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.02.118
  • 98. Wang P, Jiao Y, Liu S. Novel fermentation process strengthening strategy for production of propionic acid and vitamin B12 by Propionibacterium freudenreichii. J Ind Microbiol Biotechnol. 2014;41(12):1811-5. https://doi.org/10.1007/s10295-014-1513-5
  • 99. Malaviya A, Jang YS, Lee SY. Continuous butanol production with reduced byproducts formation from glycerol by a hyper producing mutant of Clostridium pasteurianum. Appl Microbiol Biotechnol. 2012;93(4):1485-94. https://doi.org/10.1007/s00253-011-3629-0
  • 100. Durnin G, Clomburg J, Yeates Z, Alvarez PJJ, Zygourakis K, Campbell P, Gonzalez R. Understanding and harnessing the microaerobic metabolism of glycerol in Escherichia coli. Biotechnol Bioeng. 2009;103(1):148-61. https://doi.org/10.1002/bit.22246
  • 101. Dishisha T, Ståhl Å, Lundmark S, Hatti-Kaul R. An economical biorefinery process for propionic acid production from glycerol and potato juice using high cell density fermentation. Bioresour Technol. 2013;135:504-12. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.08.098
  • 102. Cavero-Olguin VH, Hatti-Kaul R, Cardenas-Alegria OV, Gutierrez-Valverde M, Alfaro-Flores A, Romero-Calle DX, Alvarez-Aliaga MT. Stress induced biofilm formation in Propionibacterium acidipropionici and use in propionic acid production. World J Microbiol Biotechnol. 2019;35(7):101. https://doi.org/10.1007/s11274-019-2679-9
  • 103. Teles JC, Stolle EM, Koloda SA, Barana AC. Production of propionic acid by Propionibacterium acidipropionici from agroindustrial effluents. Braz Arch Biol Technol. 2019;62. https://doi.org/10.1590/1678-4324-2019180550
  • 104. Zhu L, Wei P, Cai J, Zhu X, Wang Z, Huang L, Xu Z. Improving the productivity of propionic acid with FBB-immobilized cells of an adapted acid-tolerant Propionibacterium acidipropionici. Bioresour Technol. 2012;112:248-53. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.01.055
  • 105. Byrne CS, Chambers E, Morrison D, Frost G. The role of short chain fatty acids in appetite regulation and energy homeostasis. Int J Obes (Lond). 2015;39(9):1331. https://doi.org/10.1038/ijo.2015.84
  • 106. Page LH, Ni JQ, Heber AJ, Mosier NS, Liu X, Joo HS, et al. Characteristics of volatile fatty acids in stored dairy manure before and after anaerobic digestion. Biosyst Eng. 2014;118:16-28. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2013.11.004
  • 107. Xu J, Bao JW, Su XF, Zhang HJ, Zeng X, Tang L, et al. Effect of propionic acid on citric acid fermentation in an integrated citric acid–methane fermentation process. Bioproc Biosyst Eng. 2016;39(3):391-400. https://doi.org/10.1007/s00449-015-1522-4
  • 108. Ruiz V, Ilhan ZE, Kang D-W, Krajmalnik-Brown R, Buitrón
  • G. The source of inoculum plays a defining role in the development of MEC microbial consortia fed with acetic and propionic acid mixtures. J Biotechnol. 2014;182-183:11-8. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2014.04.016
  • 109. Tufvesson P, Ekman A, Sardari RR, Engdahl K, Tufvesson L. Economic and environmental assessment of propionic acid production by fermentation using different renewable raw materials. Bioresour Technol. 2013;149:556-64. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.09.049
  • 110. Mack D, Berthold LS, Traa Y, Klemm E. New two-step pathway for the production of acrylonitrile from propionic acid. Catal Commun. 2020;136:105891. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2019.105891
  • 111. Shahraz F, Dadkhah H, Khaksar R, Mahmoudzadeh M, Hosseini H, Kamran M, Bourke P. Analysis of antibiotic resistance patterns and detection of mecA gene in Staphylococcus aureus isolated from packaged hamburger. Meat Sci. 2012;90(3):759-63. https://doi.org/10.1016/j.meatsci.2011.11.009
  • 112. Hosseini H, Cheraghali AM, Yalfani R, Razavilar V. Incidence of Vibrio spp. in shrimp caught off the south coast of Iran. Food Control. 2004;15(3):187-90. https://doi.org/10.1016/S0956-7135(03)00045-8
  • 113. Mani-López E, García HS, López-Malo A. Organic acids as antimicrobials to control Salmonella in meat and poultry products. Food Res Int. 2012;45(2):713-21. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2011.04.043
  • 114. Voulgari K, Hatzikamari M, Delepoglou A, Georgakopoulos P, Litopoulou-Tzanetaki E, Tzanetakis N. Antifungal activity of non-starter lactic acid bacteria isolates from dairy products. Food Control. 2010;21(2):136-42. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2009.04.007
  • 115. Chen J, Harstad OM, McAllister T, Dörsch P, Holo H. Propionic acid bacteria enhance ruminal feed degradation and reduce methane production in vitro. Acta Agric Scand A Anim Sci. 2020:1-7. https://doi.org/10.1080/09064702.2020.1737215
  • 116. Børsting CF, Brask M, Hellwing ALF, Weisbjerg MR, Lund P. Enteric methane emission and digestion in dairy cows fed wheat or molasses. J Dairy Sci. 2020;103(2):1448-62. https://doi.org/10.3168/jds.2019-16655
  • 117. Guo G, Shen C, Liu Q, Zhang SL, Shao T, Wang C, et al. The effect of lactic acid bacteria inoculums on in vitro rumen fermentation, methane production, ruminal cellulolytic bacteria populations and cellulase activities of corn stover silage. J Integr Agr. 2020;19(3):838-47. https://doi.org/10.1016/S2095-3119(19)62707-3
  • 118. Pilevar Z, Hosseini H. Effects of starter cultures on the properties of meat products: A review. Annu Res Rev Biol. 2017;17(6):1-17. https://doi.org/10.9734/ARRB/2017/36330
  • 119. Crespo J, Moura M, Carrondo M. Some engineering parameters for propionic acid fermentation coupled with ultrafiltration. Appl Biochem Biotechnol. 1990;24(1):613-25. https://doi.org/10.1007/BF02920283
  • 120. Nakajima A, Sato H, Oda S, Yokoi T. Fluoroquinolones and propionic acid derivatives induce inflammatory responses in vitro. Cell Biol Toxicol. 2018;34(1):65-77. https://doi.org/10.1007/s10565-017-9391-z
  • 121. González-Ponce HA, Rincón-Sánchez AR, Jaramillo-Juárez F, Moshage H. Natural dietary pigments: Potential mediators against hepatic damage induced by over-the-counter non-steroidal anti-inflammatory and analgesic drugs. Nutrients. 2018;10(2):117. https://doi.org/10.3390/nu10020117
  • 122. Hohlfeld T, Saxena A, Schrör K. High on treatment platelet reactivity against aspirin by non-steroidal anti-inflammatory drugs –Pharmacological mechanisms and clinical relevance. Thromb Haemost. 2013;109(5):825-33. https://doi.org/10.1160/TH12-07-0532
  • 123. Mizushima T, Otsuka M, Okamoto Y, Yamakawa N. 2-fluorophenyl propionic acid derivatives. US patent US9221786B2. 2015.
  • 124. Thompson HE, Baker RD. Methods for preparing granular weed control products having improved distribution of agriculturally active ingredients coated thereon. US patent US 8,288,320 B2. 2012.
  • 125. Levi S, Hybel AM, Bjerg PL, Albrechtsen HJ. Stimulation of aerobic degradation of bentazone, mecoprop and di- chlorprop by oxygen addition to aquifer sediment. Sci Total Environ. 2014;473-474:667-75. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.12.061
  • 126. Feld L, Nielsen TK, Hansen LH, Aamand J, Albers CN. Establishment of bacterial herbicide degraders in a rapid sand filter for bioremediation of phenoxypropionate-polluted groundwater. Appl Environ Microbiol. 2016;82(3):878-87. https://doi.org/10.1128/AEM.02600-15
  • 127. Coblentz WK, Bertram M. Effects of a propionic acid-based preservative on storage characteristics, nutritive value, and energy content for alfalfa hays packaged in large round bales. J Dairy Sci. 2012;95(1):340-52. https://doi.org/10.3168/jds.2011-4496
  • 128. MacFabe DF, Cain NE, Boon F, Ossenkopp KP, Cain DP. Effects of the enteric bacterial metabolic product propionic acid on object-directed behavior, social behavior, cognition, and neuroinflammation in adolescent rats: Relevance to autism spectrum disorder. Behav Brain Res. 2011;217(1):47-54. https://doi.org/10.1016/j.bbr.2010.10.005
  • 129. Shultz SR, Aziz NAB, Yang L, Sun M, MacFabe DF, O’Brien TJ. Intracerebroventricular injection of propionic acid, an enteric metabolite implicated in autism, induces social abnormalities that do not differ between seizure-prone (FAST) and seizure-resistant (SLOW) rats. Behav Brain Res. 2015;278:542-8. https://doi.org/10.1016/j.bbr.2014.10.050.
Этот сайт использует файлы cookie и метаданные. Продолжая просматривать его, вы соглашаетесь на использование нами файлов cookie и метаданных в соответствии с Политикой конфиденциальности.
Продолжить