乳酸发酵技术的最新研究进展

2019-01-12左希敏刘涛

中国调味品 2019年1期

左希敏，刘涛

(青岛科技大学化工学院，山东青岛 266042)

乳酸主要用于制药、化妆品以及食品等行业。某些乳酸衍生物(如：乳酸酯)具有吸湿性和乳化性能，可用作乳化剂和食品改良剂[1]。乳酸聚合而成的聚乳酸具有生物相容性，可生物降解，有绿色生产的潜力，广泛用作包装、纤维和泡沫的原料[2]。但目前聚乳酸的生产技术尚不成熟，成本高，产量低。

乳酸可通过发酵和化学合成2种途径生产[3]。通过化学合成的乳酸多是d/l-乳酸的外消旋混合物。发酵生产路线更具优势，底物可采用成本低的可再生资源且生产条件温和，选择合适的微生物能获得光学纯的d-或l-乳酸[4]。迄今为止，乳酸的生产大多通过发酵获得。本综述阐述了工业上乳酸生产的最近研究进展。

1 最新生产技术

1.1 共培养

共培养是一种发酵技术，培养2种或多种具有特定相互作用的细胞群以产生确定的产物[5]。若1种细胞群不能单独生长，则需要其他细胞群体的存在，来刺激其生长，所以要共培养。通过共培养进行乳酸生产的文献很有限，但最近的研究表明了这种技术的可行性。

有些乳酸菌由于其抑制发酵而产生大量的副产物(如：乙酸和乙醇)，后续的分离和纯化不仅降低了生产率，还增加了总体成本。因此，添加同型发酵微生物会导致这些乳酸菌选择不同的代谢途径将木糖转化为乳酸，减少副产品的积累。有研究者采用短乳杆菌ATCC 367和植物乳杆菌ATCC 21028为共培养物，以两种生物质衍生的糖类为底物来生产乳酸。单独使用短乳杆菌为异型发酵菌株，可同时消耗葡萄糖和木糖，但乳酸产量(0.52 g/g)非常低。当短乳杆菌与植物乳杆菌共同培养时，产量(0.80 g/g)显着增加，并且副产物积累较低[6]。

1.2 乳酸生产中的代谢工程

利用代谢工程对菌株进行修饰后可以产生理想的效果，提高乳酸的产量，降低成本，减少副产物的形成[7]。菌株的耐酸性低，以及对底物的利用率低是乳酸生产中常见的问题。虽然乳酸是乳酸菌的主要代谢产物，但是因为通过低效途径代谢，导致乳酸的光学纯度不纯[8]。代谢工程可用于提高酸耐受性，重定向代谢途径以更有效地消耗底物产生更纯的乳酸。

传统的代谢工程方法集中在通路重定向和异源基因表达上，现代代谢工程中鸟枪法突变技术更为常见[9]。宿主微生物中表达的每个基因都负责特定的代谢作用。因此，转移基因的分析和宿主微生物的反应对于该过程的成功至关重要。一些宿主微生物消耗完葡萄糖后,可能消耗最终产物来生长，敲除d-乳酸脱氢酶编码基因和单羧酸转运蛋白编码基因，d-乳酸的消耗被成功消除。此外，有些微生物会异型发酵代谢并产生乙醇等副产物[10]，可以通过敲除甘油-3-磷酸脱氢酶基因(GPD1和GPD2)来消除乙醇产生。乳酸降低了发酵培养基的pH值，负责弱酸性应激反应转录激活因子的过度表达，增强了酿酒酵母对酸的适应性。

1.3 乳酸生产的固定化生物反应器

酶或细胞等生物催化剂的固定化能避免活性损失，实现重复利用，有效降低生产成本[11]。乳酸生产中，利用基因工程和代谢工程提高生物催化剂产生乳酸的产率，固定化技术则能提高乳酸发酵的生产率。文章综述了固定化生物反应器的最新进展。

1.3.1 连续搅拌釜式反应器

连续搅拌釜式反应器容量高，生产参数可控，反应器系统完善，广泛用于乳酸发酵。但发酵过程中的机械应力剧烈，会引起支撑材料的爆裂或磨损[12]。使用该反应器进行丝状真菌发酵时，易形成胶束状结构导致混合不良，由于传质限制，发酵的生产力往往很低，这个问题可以通过自固定化技术解决。使用连续搅拌釜式反应器，利用自固定化技术形成米根霉颗粒来生产乳酸，大大提高生产力(3.75 g/L·h )[13]。为诱导自我固定，真菌要形成絮状结构，以便底物和氧气有效地提供给真菌，因此应仔细设计混合和充气，否则将不利于乳酸生产。为了解决这些弊端，最近关于乳酸发酵的研究主要集中在双生物反应器系统上。该系统将连续搅拌釜式反应器与填充床或纤维床等生物反应器整合构建，以获得最大效率，这些反应器系统可有效利用固定支持材料，并且细胞回收率高。

1.3.2 纤维床生物反应器

细胞密度是乳酸生产的重要参数，纤维床生物反应器能实现高细胞密度成产，以获得足够的生产力。最初设计的纤维床生物反应器是在螺旋卷管式生物反应器中填充棉毛布，乳酸的生产率显著提高。纤维床生物反应器设计要合理选择生物反应器中的固定化支持材料，以消除细胞和发酵液之间的扩散限制。分批发酵和补料发酵均可适用于纤维床生物反应器。有学者以菊芋作为底物，使用乳酸乳球菌ATCC 19435，在填充缠绕棉毛巾的玻璃柱制成的纤维床生物反应器中进行乳酸生产。与游离细胞系统相比，通过纤维床生物反应器进行分批发酵显示出2倍的生产力(1.0 g/L · h)。进行脉冲补料分批发酵时，因为消除了底物抑制，生产率提高到1.57 g/L·h。更有趣的是，经重复批次发酵可以提升生产率(2.85 g/L·h )，耐久性和长期操作性(长达800 h)。但在重复批次中，应仔细确定底物的初始浓度，因为它会影响最终的生产率[14]。还有学者利用纤维床生物反应器采用菊粉芽孢杆菌Y2-8，以玉米粉为底物，通过分批、补料分批和重复批次发酵进行乳酸生产，并观察到类似结果[15]。在两项研究中，重复分批发酵过程中的固定化细胞必须通过适应阶段，以增加对高浓度水平底物的耐受性，在补料分批发酵中，将底物浓度维持在低水平，未观察到这种情况。因此，与分批发酵和连续发酵相比，补料分批发酵的营养物消耗率更高。

1.3.3 填充床生物反应器

填充床生物反应器可将生物催化剂固定在生物反应器中。生物催化剂固定不动，发酵液从填充床生物反应器的入口引入，以便沿着载体材料供给生物催化剂。填充床生物反应器可适用于乳酸菌发酵生产乳酸，该过程不需要氧气。填充床生物反应器的设计应严密，填充柱的长度不合理会导致营养物质消耗，并减少活细胞的数量[16]。

1.4 细胞循环发酵

与传统的连续乳酸发酵工艺相比，具有细胞再循环的先进系统可在非常高的细胞密度下进行乳酸生产，从而提高生产率。再循环系统与搅拌釜反应器集成在一起，并插入微滤膜组件(主要是中空纤维)，显著增强细胞的再循环，当生物反应器中生产完成时，将含有渗透物和细胞的生产培养基送至交叉流微滤模块，并将细胞返回生物反应器以继续乳酸生产，同时将渗透物收集在单独的储库中。

细胞循环发酵系统应该与泵系统连接，以连续传输渗透物和细胞。但由于频繁的灭菌过程产生额外成本。在较大规模的乳酸生产过程中，连续生产可能会导致泵送系统结垢而减少流量，另外，乳酸菌在转移过程中会受到剪切应力，可能失去生物催化活性[17]。因此，优化细胞循环发酵系统的设计至关重要，特别是在大规模的情况下。

1.5 同步糖化发酵

糖化是多糖水解转化为可溶性糖的过程，糖化过程可以促进发酵过程的底物转化率。在常规发酵中，水解过程与发酵过程分开进行。最近的许多研究集中在同步糖化发酵的应用上。与传统工艺相比，糖化过程与发酵过程在同一反应器中进行，发酵过程可直接利用水解产生的葡萄糖，解除产物反馈抑制[18]。有研究者用木质纤维素生物质作为底物，研究了R.oryzae同步糖化发酵制备乳酸。与同一底物水平上进行的其他研究相比，同步糖化发酵的乳酸生产率最高，为1 g/L·h[19]。刘冬梅等采用芽孢杆菌BCS 13002，以葡萄糖作为底物，进行同步糖化发酵和分批补料发酵，分批补料发酵得到L-乳酸含量为115.86 g/L,同步糖化发酵得到L-乳酸含量为123.3 g/L，且L-乳酸的光学纯度均达到99.8%以上[20]。