乳酸发酵

乳酸发酵

生工091 060509125 王玮

摘要：本文主要就乳酸发酵过程中发酵工艺的优化，乳酸的提取和精制，及其研究进展进行了简单的概述。

关键词：乳酸发酵优化提取和精制研究进展

乳酸，又名丙醇酸，学名α-羟基丙酸，分子式为C3H6O3，其结构分子中含有一个不对称的碳原子，因此具有旋光性按其构型和旋光性可分为L-乳酸、D-乳酸和DL外消旋乳酸。本文中介绍的主要是L-乳酸。乳酸是世界上公认的三大有机酸之一，是制造无毒的高分子化合物聚L-乳酸的单体，也是医药、印刷、印染、制革、食品等工业的重要原料[1]。

产酸能力强，且可应用到工业上的主要是细菌中的乳酸菌类和霉菌中的根霉属。根霉属中常用于发酵生产乳酸[2]。

1 乳酸发酵工艺的优化及进展

L-乳酸发酵生产酶原料大多采用的是玉米、大米、薯干、糖蜜或淀粉等，根据原料的不同。有的原料需要首先将其加工处理获得淀粉。然后再经糖化工艺处理得到糖类底物。有些原料则可直接用于发酵过程．最后的糖类基质经微生物发酵即可得到L-乳酸[2]。

1.1 菌种选育

菌种的优良直接关系到发酵过程的控制及其产量等，是发酵过程中的一个至关重要的影响因素。目前以米根霉为亲本的优良菌株的选育有：

1)高产菌株的筛选：白冬梅等人[3]利用酸性馒头片富集培养，用含脱氧胆酸钠和溴甲酚绿平板检出的方法，从土壤中选出了根霉菌R．oryzae3017。同时利用UV、硫酸二乙酯和60Co对菌株R．oryzae3017进行了诱变选育，得到突变株R．102l[4]。而离子注入生物体诱变育种是人工诱变方法的一种新发明，已经证实离子注入诱变，可以获得高突变率，扩大突变谱，为筛选优良的突变型菌株提供广阔的空间；同时，离子束也可以作为介质进行外源目的基因转移和转导[5]。

2)利用基因工程技术得到高产的目的工程菌株。L一乳酸脱氢酶(1actate dehydrogenase)以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD+/NADH作辅酶，可逆催化氧化L一乳酸生成丙酮酸，因此可以提高L一乳酸脱氢酶表达基因在菌株中的扩增，使其向有利于L一乳酸生成的方向进行。Skory[6]首次将米根霉的乳酸脱氢酶基因在酵母菌中表达。其后又通过提高乳酸脱氢酶活性来提高米根霉的产酸能力，其中带有较长基因片断的质粒明显比带较短基因片断质粒的产酸量高[7]。尽管基因工程实现了有目的、有控制的菌株选育，但目前关于插入的DNA片断在米根霉菌株中是如何结合与复制的还不清楚，在如何选择最佳质粒载体等方面也还有待进一步的研究。

1.2 发酵条件优化

王学东等[8]人通过正交试验法对米根霉L一乳酸摇床发酵条件和培养基配比等影响其转化率的因素进行了研究，研究得出结论表明得出了在摇床条件下米根霉产L乳酸的最佳条件是发酵时间65 h；温度32℃；装量40 mL ；接种量2％；氮源(NH4)2S042．5‰；KH2P040.15‰；MgSO4·7H200．25；ZnS04·7H20 0.05，使该菌株产乳酸达到10％以上，乳酸对糖的转化率达到75％。

1.3 乳酸发酵技术及优化与工艺

乳酸的发酵生产从工艺上可分为厌氧发酵和好氧发酵两大类．采用厌氧发酵法生产DL一乳酸已有悠久的历史。在实际工业生产中．为了降低生产成本．常使用廉价原料．因此发酵工艺也有随着改变。传统发酵法的发酵温度一般控制在40～500C．pH值在6～7左右．常用碱式钙化物中和．用硫酸酸解乳酸钙从而得到游离乳酸．冉将其进行分离提纯得到乳酸产品。这样容易产生大量硫酸钙沉淀．使工艺繁复。而且会带人大量杂质和染菌。使产品纯度下降。因此，近年来．传统的发酵工艺已经得到了长足的发展．并开发出了包括连续发酵法在内的许多新型的工艺技术．这些新型工艺方法的特点是：菌体循环利用、生产效率高、工艺简洁紧凑，但这些技术在大规模中对设备的要求较高．菌体寿命也有一定期限。以下将对几种新型发酵工艺进行简要介绍：

1.3.1 连续发酵

在恒化器中将发酵基质的浓度维持在一定的浓度．并加以利用保持一定细胞浓度的恒浊器．来进行乳酸的连续发酵。这种连续发酵工艺已经在国外某公司得到了应用．在2 L连续发酵装置上．每天置换115倍体积培养液．连续操作运转了64天。

1.3.2 固定化发酵

利用固定化发酵技术可以提高细胞浓度和发酵产率。在固定化工艺中．细胞或微生物颗粒被限制在特定的载体中而保留了较高生物发酵性能．产酸效率更高。在我国，浙江大学林建平[9]等对转盘反应器固定化米根霉发酵生产L一乳酸进行了有益的研究．结果表明．该方法具有发酵速度快、得率高、既能连续发酵又能间歇发酵等优点。天津大学孙彦等则采用聚氨酯泡沫塑料固定化米根霉来发酵生产L一乳酸．其产酸水平达102g／L，得率为85％。浙江大学李学梅等人在L一乳酸的固定化发酵技术方面也做了许多研究和探索，并取得了一定的成果。国外文献报道。Day等将干酪乳杆菌的一个亚种进行细胞同定化．发酵糖蜜来生产乳酸也取得了较好效果。此外．还有人研究了以海藻酸钙和海藻酸钠、聚二甲基丙烯酸乙二醇酯等为固定化材料来发酵生产乳酸。

1.3.3 细胞循环发酵

在乳酸的发酵过程中．随着乳酸的不断产生。发酵液的pH值将逐步降低，从而使生产菌的生长受到抑制．即所谓的产物抑制效益。如果加人中和剂．又对后续的分离提纯工艺过程产生影响．并对产品质量不利。因此．为了提高发酵产率和产品质量．需要保持较高的细胞浓度并及时从发酵液中移出抑制性产物。细胞循环发酵技术正是基于这种理论而开发的．其利用特定的装置让成熟发酵液流向后处理单元的同时．分离出菌体。适时排除衰老的细胞．并使有效菌体返回至生物反应器内循环使用．即所谓的原位分离(ISPR)技术。近年来开发出了一系列ISPR新技术．如溶剂萃取法、膜分离法、离子交换树脂法、电渗析法和减压蒸馏法等等．这些方法对于实现乳酸的连续生产具有重要的意义。

2 乳酸的提取精制

2.1 乳酸提取

乳酸发酵液的成分复杂，含有菌体、残糖、蛋白质、色素、胶体、有机杂酸、无机盐等多种杂质。总体来说，它们来源于原材料、未消耗的营养盐或发酵的中间副产物。所以从乳酸发酵液中提取乳酸是比较困难的[10]。

为了提高乳酸的提取率和产品质量，并尽可能地降低能耗，人们系统的研究了乳酸的各种提取技术。主要方法有钙盐法、溶剂萃取法、吸附和离子交换法、膜法等单一或者复合手段。

2.1.1 钙盐法

成熟的发酵液经升温、碱化处理后，除去菌体、蛋白质等胶体杂质。得到的乳酸钙料液经适当浓缩，在一定条件下结晶。再用离心机分离除去母液，并洗去残留的母液和