1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

1.富马酸应用前景及其制备

1.1.富马酸

富马酸（fumaric acid）又称延胡索酸或反丁烯二酸,是最简单的不饱和二元羧酸。最早从延胡索中发现，此外也存在于多种蘑菇和新鲜牛肉中。富马酸是典型的大宗化学品，被美国能源部列为优先发展的十二种平台化合物之一，可广泛应用于材料（涂料、树脂及增塑剂等）、医药、化工、食品及饲料添加剂等领域^[1]。

富马酸可用于生产不饱和聚酯树脂，这类树脂具有耐化学腐蚀性及耐热性；它与乙酸乙烯的共聚物是良好的粘合剂，与苯乙烯的共聚物是制造玻璃钢的原料；富马酸所制得的增塑剂无毒，可用于与食品接触的乙酸乙烯乳胶；作为医药和光学漂白剂等精细化学品中间体，富马酸可以用碳酸钠中和，即得到反丁烯钠，进而用硫酸亚铁置换得到反丁烯二酸铁，是用于治疗小红血球型贫血的药物富血铁。另外，富马酸还是一种食品添加剂#8212;#8212;酸味剂，常用于清凉饮料、水果糖、果冻、冰淇淋等^[1]。

1.2.富马酸的生产

富马酸的生产方法主要有化学法和生物转化法：化学法即顺酐异构法,顺酐在催化剂(硫脲-硫酸、盐酸及溴氧化剂等)的作用下发生异构化生成富马酸,然后经过过滤、洗涤、干燥得成品^[2]。其他生产富马酸的工艺还包括:糠醛氧化法、马来酸酶催化异构法、石蜡发酵法(又称假丝酵母发酵法)以及生物质原料发酵法等,其中顺酐异构法、马来酸酶催化异构法及石蜡发酵法采用的原料均为石油基产品,随着石油的枯竭及油价的大幅上涨,这些工艺不符合当前可持续发展的要求,且产品的市场竞争力越来越差。糠醛氧化法的原料虽说可以来自生物质原料,但该工艺的产品收率低、催化剂毒性大,不符合当前绿色环保的时代要求^[1]。正是由于这些原因,使得以可再生生物质为原料发酵生产包括富马酸在内的各种平台化合物成为各国政府今后发展的重点方向之一。随着低碳制造的需求，以可再生生物质资源发酵法制备富马酸再次成为研究热点。

生物转化法是以液体石蜡为原料,假丝酵母为菌种，进行深层发酵,然后经分离、脱色、结晶、干燥等多步工序得富马酸成品。此外,也可以用山芋、淀粉等原料发酵制取。根霉菌(Rhizopus sp.)营养要求简单，粗生快长，不易污染，产酸能力强，发酵产物光学纯度高，且能产生高活性的淀粉酶、果胶酶甚至是少量纤维素酶，因此被广泛应用于Ｌ-乳酸和富马酸等有机酸的发酵生产中^[3]。当前，利用根霉菌发酵制备富马酸的研究集中于以葡萄糖为底物的相关工作，如菌种改造、发酵控制、工艺优化等工作^[4]，旨在尽快实现发酵法制备富马酸对化石原料路线的替代。

1.3.发酵法产富马酸的菌种

根霉菌(Rhizopus sp.)的富马酸生产能力较强^[5],且其具有营养需求简单、生长迅速及环境适应能力强等优点,从而使其成为重点研究对象。早在40年代开始，科学家就已经开始研究利用根霉菌如：米根霉(Rhizopus oryzae)、少根根霉(Rhizopus arrhizus)等发酵生产富马酸，并在根霉菌生产富马酸的合成代谢途径和富马酸发酵过程中微生物菌体形态以及发酵过程优化与调控等方面进行了研究^[6]。根霉属中的米根霉是富马酸发酵经常采用的菌种，米根霉有淀粉糖转化能力，发酵所需营养简单，只需简单无机氮源。菌丝与发酵液容易分离，后提取方便，产品较纯。米根霉产酸在好氧条件下进行，要求通气以保持好氧条件，糖对富马酸转化率一般为50％左右。

2. 利用淀粉质原料生产有机酸的现状

2.1.根霉菌发酵生产富马酸的原料

目前作为微生物发酵的原料主要分为三类，第一类是以葡萄糖、蔗糖、果糖为主的精制糖；第二类是以玉米、马铃薯、甘薯为代表的淀粉质原料；第三类是以玉米芯、玉米秸秆、黄豆渣、废玻璃纸为代表的纤维质原料。在已报道的文献中富马酸可用的发酵原料种类繁多，都有涉及。张俊贤等^[7]曾研究11种碳源对R. arrhizus产富马酸的影响，结果表明，R. arrhizus可以利用葡萄糖、乳糖、果糖、蔗糖及淀粉，其中利用葡萄糖的产酸能力最强。Moresi等^[8-9]在R. arrhizus发酵产富马酸过程中尝试使用包括马铃薯淀粉、玉米淀粉及木薯淀粉在内的不同来源的淀粉水解液，利用土豆淀粉的产酸速率可达0.35 g/L/h。1999年，Carta等^[10]以木薯酶解液为原料，考察11种不同根霉菌合成富马酸的能力。Liao等^[11]以牛粪纤维的酶水解液为原料，利用米根霉发酵联产富马酸与几丁质。除上述所述三类原料外，果汁和糖蜜亦可以用作根霉菌产富马酸的碳源，Podgorska等^[12]以苹果汁为原料比较了R. oryzae和R. nigricans在不同发酵方式下富马酸的合成能力。Petruccioli等^[13,14]以糖蜜为原料研究R. arrhizus采用不同固定化方式及不同固定化载体时的富马酸生产情况，并对生产工艺进行了优化。

从经济性角度考虑，利用葡萄糖，蔗糖等精制的糖作为富马酸发酵原料，成本太高；淀粉质原料和纤维素类材料由于相对廉价、来源丰富等优势而倍受人们关注。纤维素类材料，如纤维素、玉米芯、树木及废纸等，资源极为丰富，可以将其变废为宝，因此是极具利用潜力的原料。但与淀粉质原料相比，木质纤维素成分更复杂，它是纤维素、半纤维素、木质素的混合物。因其纤维素和半纤维素以氢键和共价键的形式牢固的与几丁质相连，所以导致纤维素原料处理工艺中，半纤维质原料降解成可利用的糖成为限速步骤；另外，木质纤维素的底物利用率低，尤其是对五碳糖-木糖的利用率不高，因此，到目前为止，人们在利用纤维素类材料的过程中仍然存在许多工艺技术上的问题，从而阻碍了纤维素材料的工业化应用。淀粉质原料的来源主要有谷类（玉米、小麦及水稻）、木薯、甘薯及马铃薯。2002年，世界淀粉总产量高达580万吨，其中玉米和木薯来源最为丰富^[15]。工业上有机酸的发酵原料均为淀粉质原料，因此利用淀粉质原料发酵产富马酸具有工业化可行性。

2.2. 淀粉质原料生产有机酸的方法

2.2.1 分步糖化发酵

分步糖化发酵是传统的发酵淀粉质原料工艺，是指在高温条件下对底物进行糊化和液化预处理，然后经酶糖化转化成葡萄糖等可发酵糖，再进一步经微生物发酵生成产物，但淀粉糖化时间一般较长且能耗高，以淀粉质为原料经酶水解糖化和发酵两步工艺是非常不经济的。Carta等^[10]以酶法水解木薯渣后，水解液用Rhizopus Formosa MUCL 28422发酵富马酸，最大富马酸产量只有21.76 g/L。董晋军等^[16]以菊芋原料分步糖化发酵48 h , 产丁二酸40.52 g/ L，较分步糖化发酵相比产量减少34.5%。分步糖化发酵不但增加糖化设备以及糖化过程中能源消耗的成本，而且生产效率不高。

2.2.2 同步糖化发酵

同步糖化发酵法是指碳水化合物底物酶解糖化与有机酸发酵在同一设备中同时进行；与分步糖化发酵工艺相比，此工艺利用某些菌株直接发酵淀粉质原料生成有机酸，不仅省去了淀粉质原料酸解或酶解的过程，节约设备投资，降低了过程成本，而且糖化产生的底物可直接为菌体利用，减少单糖或双糖的积累，减轻糖化过程的抑制作用，增加水解速率，有利于维持较高的生产强度，缩短发酵周期，具有良好的工业化应用前景。因此，同步糖化发酵是高底物浓度在小反应体积下进行低成本生产的最佳方式。

Linko和Javanainen^[17]采用同步糖化发酵制备乳酸，起始淀粉浓度分别为130 g/L和170 g/L，发酵30 h乳酸产率分别为74%和86%，远高于相对应的起始葡萄糖浓度下的乳酸产率(31%和67%)。Hofvendahl等^[18]研究低底物浓度下同步糖化发酵中糖化酶使用量对乳酸产率的影响，在营养充足的条件下，当糖化酶使用量从6 micro;L/g 淀粉降低到1 micro;L/g淀粉，糖化速率没有成为限速步骤，能够为乳酸发酵提供足够的底物，表明同步糖化发酵减少了对酶量的需求，进而降低了生产成本。但是，同步糖化工艺存在一定的局限性，主要是糖化、发酵条件可能存在差异，如pH、温度等^[19] ，特别是在根霉菌发酵过程中，根霉菌是中温性微生物，采用SSF法温度一般不能超过35 ℃，与糖化酶的最适作用温度45 ℃~60 ℃相距较大，以致酶解糖化效率较低。针对这一问题，Linko和Javanainen^[20]对不同温度下糖化速率的差别进行了研究，当淀粉初始浓度分别为100、150、170 g/L，在37 ℃下糖化9 h后，水解率分别为36%、26%、37%，24h后分别为63%、59%、50%；在60 ℃下糖化速率有很大的提高，9 h后分别为67%、63%、63%，但到24 h产率仅有一点提高，分别为69%、71%、69%。因此在较低温度下进行同步糖化发酵对底物依然有很高的利用率。

3.米根霉利用玉米淀粉同步糖化发酵产富马酸的工艺优化

3.1 淀粉质原料同步糖化工艺

同步糖化根据糖化酶的来源不同分为两类：一类利用降解淀粉的细菌或真菌同步糖化和有机酸发酵，二类额外添加糖化酶进行同步糖化发酵。Yumolo等^[21]]研究表明，嗜淀粉乳杆菌JCM1125（Lactobacillus amylopilus JCM1125）可直接转化100 g/L 的液化淀粉生成53.4 g/L的乳酸，与在发酵培养基中加入糖化酶等降解酶并接种微生物进行同步糖化发酵相比，利用他们自身的水解酶进行发酵相比生产速率要低一些，所以工业上生产乳酸未采用直接利用淀粉质原料同步糖化发酵，而有机酸柠檬酸的发酵因其生产菌株为黑曲霉^[22,23]，其糖化酶活力较高，目前工业上柠檬酸的生产大多数采用利用黑曲霉自身产的糖化酶同步糖化发酵淀粉质原料，此工艺更有竞争力，省去了糖化工艺的设备投资及商品糖化酶的添加，节约了成本。

3.2 同步糖化玉米淀粉发酵产富马酸的工艺优化

同步糖化工艺之所以优于分步糖化工艺，是因为它把糖化和发酵工艺结合在一起，解除了底物抑制作用、节省发酵时间和设备投资。因此，需优化培养基条件，让其优势最大化的体现出来。发酵培养基是菌体合成目标产物的营养物质原料，对发酵水平有着显著影响。单纯提高底物浓度无法实现目标，发酵培养基更注重各营养成分的配比，尤其是碳氮比。且不同菌体不但特定的营养成分有所偏好，导致了培养基成分的复杂多样化，而且这些营养成分总量与菌体总量有关，使得利用传统方法优化培养基成分的工作量较大，因此，采用基于统计学原理的实验设计手段，以最终富马酸产量为考核指标，对同步糖化淀粉质原料生产富马酸的工艺的重要营养条件进行优化就非常必要。

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