生物质资源生产 3-羟基丙酸研究进展
上海华谊丙烯酸有限公司研究所 张猛
3-羟基丙酸是同时具有羟基和羧基两个功能基团的三碳化合物，和乳酸为同分异构体，由于其羟基位置的差异，
与乳酸相比，3-羟基丙酸可以更容易地合成丙烯酸、1，3-丙二醇、丙烯醛等；并且同乳酸一样，3-羟基丙酸可相
互聚合形成高分子聚合物，Donghui Zhang等人报道了用锌催化剂将3-羟基丙酸聚合形成大分子量聚合物，该聚合
物在硬度、延展、成膜等方面均具有良好的性能，并可生物降解。Cargill、德固赛等公司已经开始资助3-羟基丙
酸聚合材料的开发，并取得了一定进展。
3-羟基丙酸可由羟基丙腈在强碱条件下共热制得，但是羟基丙腈的价格昂贵，且有剧毒，生产和储运等成本很
高。此外，环氧乙烷羰化加氢可制得3-羟基丙酸甲酯，水解可得到3-羟基丙酸，选择率超过90%，但其生产过程
较复杂，原料环氧乙烷价格又较高，仅三星公司有报道且目的为制取1,3-丙二醇。目前3-羟基丙酸的市场价格很
高，国内贸易产品价格高达38000元/t（上海），制约了其下游产品的大规模开发。
研究表明，3-羟基丙酸在生物代谢过程中普遍存在。Castor Menendez和Sylvia Herter等人分别在1999年
和2001年发表了非硫细菌固定CO2的光合作用的羟基丙酸途径，其中有一步反应是乙酰辅酶A固定CO2之后还原
而生成3-羟基丙酰辅酶A，该化合物可水解生成3-羟基丙酸。这说明在生物体代谢过程中可得到3-羟基丙酸。2004
年，Michael Schwarz等人首次在真菌菌株（endophytic fungi）中获得了3-羟基丙酸的积累，最高浓度达到500mg/L，
并且研究了该菌株合成的3-羟基丙酸杀死线虫的功效。这也是首次在自然界存在的生物中发现3-羟基丙酸的积累。
John H. Ansede等人发现一种Alcaligenes faecalis M3A细菌可将β-二甲基巯基丙酸内盐（DMSP)、二甲基硫（DMS)
和由它们降解生成的丙烯酸盐在细胞外转化为 3-羟基丙酸。而DMSP在海洋生物中是普遍存在的。此外，研究还发
现一些自然存在的细菌能利用丙醇、丙酸、丙醛、丙烯酸、1,3-丙二醇为底物生产3-羟基丙酸。
鉴于化学法生产3-羟基丙酸成本较高，而3-羟基丙酸在生物体内广泛存在，加上生物质资源的可再生性，使
得一些公司和科研机构把目光转向了利用生物质资源大规模生产3-羟基丙酸。生物法合成3-羟基丙酸，按照底物
的不同，主要分为两种类型：以葡萄糖为底物的转化路线和以甘油为底物的转化路线。
以 甘油为底物
随着生物柴油工业的发展，目前市场上甘油出现过剩，欧美学者在积极开展以甘油为底物构建基因工程菌株生
产3-羟基丙酸的研究工作。美国威斯康星大学Suthers和Cameron申请的发明专利之中，通过克隆来自Klebsiella
pneumoniae（肺炎克雷伯氏菌）的dhaB甘油脱氢酶基因、来自Homo sapiens的ALDH2、来自Saccharomyces
cerevisiae（酿酒酵母）的 ALD4 和来自E. coli（大肠杆菌）的 aldA 和 aldB，构建大肠杆菌为宿主的工程菌
株，并且通过IPTG(Isopropyl-
beta-thiogala-ctopyrano-side，异丙基-β-D-1-硫代半乳糖苷，类似乳糖的化合物）诱导有效的trc启动子来达
到相关酶的高表达，从而达到提高相关产物产量的目的。在该专利中提到在厌氧条件下培养时，E. coli strain
MG1655在普通培养基中3-羟基丙酸积累量最终达到0.015g/L。
以 葡萄糖为底物
美国Cargill公司利用玉米制得葡萄糖然后通过发酵制得3-羟基丙酸，其路径主要包括：从橙色绿曲挠菌中
克隆有乳酰辅酶A脱水酶活性的多肽基因编码，从Homo sapiens(智人)中克隆有羟基丙酰辅酶A脱水酶活性的酶
基因编码，前者将乳酰辅酶A脱水生成丙烯酰辅酶A，后者可催化丙烯酰辅酶A水合生成羟基丙酰辅酶A。羟基丙
酰辅酶A在一定条件下脱去辅酶A生成羟基丙酸。Cargill公司同时还申请了与3-羟基丙酸相关的一些有机化合物
的生物合成方法，如3-羟基丙酸酯、丙烯酸和聚羟基丙酸等。图1为Cargill公司提出的生物法生产3-羟基丙酸
可能的途径。
生物法生产3-羟基丙酸的优点是原料来源和价格比较稳定，生产条件温和；主要缺点是产物含量低，工程菌
株的构建过程困难。利用基因工程菌株来生产3-羟基丙酸的制备过程复杂，且生产效率不高；而利用自然界存在
的真菌，又面临通气发酵、培养基复杂的问题，难以大规模生产并且成本较高。如果能够利用基因工程的优势，把
自然界存在的合成3-羟基丙酸的相关酶系的基因分离并克隆到工程菌株，生产效率将会大大提高。
结 语
由于3-羟基丙酸的用途广泛，受到了一些大公司的关注：Cargill公司认为，未来5～10年内3-羟基丙酸可
成为大量使用的化工原料并计划在2010年左右实现工业化生产；此外，德固赛公司也在进行生物发酵制取3-羟基
丙酸和3-羟基异丁酸并进一步合成其他脂肪族化合物的研究。
建议国内相关单位组织力量开展基因工程菌的构建、可自然生产3-羟基丙酸菌株的筛选以及3-羟基丙酸转化
下游产品的研究，提高生物合成的效率；开发高性能聚3-羟基丙酸高分子材料；提高丙烯酸或1,3-丙二醇的生产
效率，开发相关水处理剂产品。