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丙酮丁醇发酵曾经是仅次于乙醇发酵的第二大发酵产业。由于发酵过程产生的丁醇具有作为生物燃料的潜质，所以这一过程近年来得以复兴。丙酮丁醇梭菌发酵是典型的两阶段代谢，从产酸开始然后转入产溶剂阶段。乙酸和丁酸在产酸阶段产生；丙酮、丁醇和乙醇在产溶剂阶段产生，同时产生的酸在这一阶段被吸收。从产酸阶段向产溶剂阶段的顺利转变是丙酮丁醇发酵成功的关键。丙酮丁醇发酵过程中，有很多影响溶剂产生的现象，酸败就是其中之一。在以葡萄糖为碳源的培养基中，发酵时不控制pH值，仅产生大量酸而溶剂产量很低，产酸阶段不能顺利向产溶剂阶段转变，这就是所谓的“酸败”现象。以往人们推测酸败是由发酵过程中乙酸和丁酸的快速积累导致的。
本文对丙酮丁醇发酵的酸败机制进行了研究。我们通过分析丙酮丁醇梭菌代谢途径，发现甲酸是在丙酮酸代谢节点产生的另一弱酸。丙酮丁醇梭菌中，甲酸通常被用做一碳单位的供体。但是，甲酸的具体生理功能仍然不清楚。研究发现在正常发酵的玉米醪培养基中添加1mM甲酸时，能导致酸败的发生，而乙酸和丁酸添加达到90 mM时仍能正常发酵，这表明丙酮丁醇发酵对甲酸高度敏感，甲酸可能是导致酸败的关键因素。通过外源导入甲酸脱氢酶，基本检测不到胞内甲酸积累，而空质粒对照菌株丙酮丁醇梭菌DSM1731(pIMPl)胞内甲酸积累达0.5-1.24 mM；所得的重组菌株DSM1731(pITF)能够在以葡萄糖或者富营养的葡萄糖培养基中不控pH的条件下正常产溶剂，并且产溶剂期胞内不能检测到甲酸。表明甲酸脱氢酶基因的表达消除了胞内甲酸积累，避免了酸败。以上实验分别从外源添加和内源消除两个方面表明是甲酸的积累而不是乙酸和丁酸的积累在引发丙酮丁醇发酵酸败过程中起主要作用。发酵过程中溶剂产量较低是困扰丙酮丁醇发酵的另一障碍。研究表明，溶剂产生过程需要消耗NADH，溶剂产生水平跟NADH的供给密切相关。我们发现氧化还原电位(oxidoreduction potential，简称ORP)是影响厌氧及微氧发酵过程效率的重要监控参数，胞外氧化还原电位能在一定程度上影响胞内NADH/NAD+比例。本研究发现，丙酮丁醇发酵酸败总是伴随着发酵体系氧化还原电位的快速上升，表明氧化还原电位也是监控丙酮丁醇发酵的一个重要参数。通过调控丙酮丁醇梭菌发酵体系氧化还原电位，发现当用空气调控至-290 mV时，溶剂产生提前，产量提高。溶剂的产量达到25.6 g/L，比对照的溶剂产量提高35％。其中丁醇产量达到16.8 g/L，乙醇产量达到6g/L，而丙酮产量仅为2.8 g/L。代谢通量分析显示在发酵最初的24 h内，相对于不调控来说，控制在-290 mV时菌体糖酵解代谢流普遍增高。溶剂比例从不调控时的25:64:11(丙酮：丁醇：乙醇)变为控制在-290 mV时的11:66:23。氧化还原电位调控时溶剂比变化可能是acetyl-CoA节点刚性较高，而acetoacetyl-CoA和butyryl-CoA节点代谢通量分布受氧化还原电位调控影响较大(柔性)引起的。进一步调高至-260 mV或调低至-350 mV均降低了溶剂的产量。