米根霉乳酸发酵的研究进展_赵宏宇

工 业 中 广 泛 使 用 的 ＣａＣＯ３ 在 发 酵 过 程 中 起 着 重要作用， 因为 Ｃａ２＋不仅对菌体的生长发育有重要 的促进作用， 并且在菌体形态控制方面发挥着重要 作用； 另外， 乳酸钠和乳酸铵可以作为最终产物被 直接利用， 所以为了便于乳酸分离的提取和消除大 量碳酸钙造成的严重污染， 对发酵过程工艺改进是 必要的。
由于在米根霉发酵过程中， 影响菌体形态的因 素较复杂， 且不同的操作条件下， 影响米根霉菌体 形态在变化， 而且它们在主次关系也是不同的， 所 以到现在还没有一个具体的控制米根霉菌体形态 的方案。
４ 代谢工程原理在米根霉乳酸发酵 过程中的应用
代谢工程的重要特点主要表现为通过工程的 方 法 去 研 究 、重 组 和 设 计 细 胞 代 谢 网 络 。 通 过 对 代 谢途径和调控网 络 精 确 的“定 点 ”改 变 来 得 到 一 定 产物的生产菌株， 而不是通过漫无目的的突变筛 选， 这将是代谢工程的特征范例， 另外， 一些生理方 面的处理方式也可包括在研究范围内。代谢工程的 任务是将代谢通量引向合成目标产物的酶； 切断或 减小浪费中间代谢产物的分支； 关闭大部分负调控 回路， 防止目标产物转化为其他代谢物。
１ 米根霉发酵代谢途径
米根霉发酵代谢途径示意（ 见图 １） 。
ＧＬＵ
ＥＭＰ
ａ
ｂ ＥＴＯＨ
ＬＡＣ
ＰＹＲ ｃ
ＭＡＬห้องสมุดไป่ตู้
ｄ
ＦＵＭ
Ａｃ－ ＣＯＡ
ＴＣＡ
图 １ 米根霉发酵代谢途径 ＧＬＵ： 葡萄糖、ＰＹＲ： 丙酮酸、ＬＡＣ： 乳酸、ＭＡＬ： 苹 果 酸 、ＦＵＭ： 富 马 酸 、 Ａｃ－ ＣＯＡ： 乙酸辅酶 Ａ、ＴＣＡ： 三羧酸循环、ＥＭＰ： 糖酵解途径 ａ： 乳 酸 脱 氢 酶 ｂ： 丙 酮 酸 脱 氢 酶 、乙 醇 脱 氢 酶 ｃ： 丙 酮 酸 脱 氢 酶 ｄ： 丙酮酸激酶
为了提高乳酸生产率， 改进分离过程， 近年来 围绕乳酸生产各个单元过程发展了许多技术： 采用 半 间 歇 或 连 续 操 作 改 进 生 产 率［３］， 采 用 固 定 化 技 术 或细胞循环反应器得到高浓度细胞提高产量， 采用 发酵—分离耦合的萃取发酵技术等［４］。岑沛霖、林建 平等［５， ６］对三相流化床反应器固定化米根霉的 Ｌ－ 乳 酸发酵进行了研究， 结果表明： 此法进行乳酸发酵
目前普遍认为， 在米根霉的糖分解代谢过程 中， 主要包括 ＥＭＰ 途径和 ＴＣＡ 途径， 并没有磷酸戊 糖途径。在米根霉细胞内， 存在两个独立调控的丙 酮酸库： （ １） 基质丙酮酸库， 丙酮酸可以进入乙醇、 乳酸、草酰乙酸 、苹 果 酸 和 富 马 酸 合 成 途 径 ； （ ２） 线 粒体丙酮酸库， 丙酮酸进入 ＴＣＡ 循环。随着外界条 件的扰动， 米根霉的代谢机制也发生着变化， 如当 葡萄糖浓度增大时， ＥＭＰ 途径和进入乳酸合成途径 的通量都相应增大。
乳酸是一种天然存在的有机酸， 广泛存在于人 体、动物、植物和微生物中， 是世界公认的三大有机 酸之一。Ｌ－ 乳酸、Ｌ－ 乳酸盐及酯可作为酸味剂、调味 剂 、防 腐 剂 广 泛 用 于 食 品 工 业［１］； 此 外 ， Ｌ－ 乳 酸 作 为 植 物 生 长 调 节 剂 、替 代 氯 化 钠 作 为 输 液 用 盐 水 等 应 用于医药、农业； 近几年发现用 Ｌ－ 乳酸聚合形成的 聚 Ｌ－ 乳酸具有优良性能， 作为生物降解塑料也在迅 猛发展， 向世界展示了乳酸的巨大的应用前景。
白 冬 梅 等［１８］对 米 根 霉 的 乳 酸 发 酵 过 程 的 不 同 阶 段进行了代谢通量分析， 发现进入 ＴＣＡ 循环和乳酸 合成途径的代谢通量在发酵不同阶段发生着明显 的变化。Ｂａｒｂａｒａ Ｅ． Ｗｒｉｇｈｔ［１９， ２０］以提高乳酸产量为目 的对米根霉的葡萄糖代谢进行了代谢通量分析研 究 ， 发 现 当 碳 酸 盐 的 浓 度 为 １０ ｍｍｏｌ ／Ｌ 时 ， 丙 酮 酸
收稿日期： ２００６－ ０９－ ０４
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天津化工
２００７ 年 １ 月
具有发酵速度快， Ｌ－ 乳酸得率高， 既能用于连续又 能用于间歇发酵等优点， 同时他利用发酵与离子交 换分离耦合技术进行乳酸发酵研究， 简化了后续分 离 步 骤 。 天 津 大 学 孙 彦 等 ［７］采 用 聚 氨 酯 泡 沫 法 固 定 化米根霉发酵生产 Ｌ－ 乳酸速率提高了 ３ 倍， 固定化 方法简单易行， 所制得的细胞稳定性强， 容易扩大 生 产 ； Ｈａｎｇ 等［８］和 Ｈａｍａｍｃｉ 等［９］分 别 对 海 藻 酸 钠 固 定化米根霉生产乳酸进行了研究； Ｔａｍａｄａ 等［１０］将米 根霉细胞固定化到聚二甲基丙烯酸乙二醇酯为单 体用 γ射线诱导得到高分子载体上， 固定化后的乳 酸得率大于 ６５％， 比产酸速率比游离菌高 １．８ 倍； Ｙｉｎ 等［１１］在气升式发酵罐内米根霉发酵有玉米淀粉 直接生产 Ｌ—乳酸， 得到乳酸质量浓度为 １０２ ｇ ／Ｌ， 得率为 ８５％。
第 ２１ 卷第 １ 期
赵宏宇等： 米根霉乳酸发酵的研究进展
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的浓度越高， 则乳酸的生成量越高， 但是当碳酸盐 的浓度增加后， 苹果酸和富马酸的生产量也显著的 增加； 通过野生出发菌株和高产突变菌株的代谢通 量比较， 发现乳酸生成量显著增加时， 进入 ＴＣＡ 循 环或乙醇合成代谢途径的通量必然减小。对米根霉 乳酸发酵过程的不同阶段进行代谢通量分析， 发现 进入 ＴＣＡ 循环和乳酸合成途径的代谢通量在发酵 不同阶段发生的明显变化。因此， 为了更好的控制 米根霉的体系和有效的应用代谢工程方法对其改 造， 应该在米根霉的遗传背景和代谢机理等方面深 入研究， 并且充分利用这方面的最新成果。
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目 前 ， 全 世 界 的 乳 酸 产 量 约 为 ２０ 万 ｔ， 其 中 大 多数采用微生物发酵生产， 主要包括乳酸菌发酵法 和米根霉乳酸发酵法［２］。相对于乳酸菌而言， 根霉以 其营养要求粗放， 菌丝体大而易于分离， Ｌ－ 乳酸纯 度高， 易于精制， 有利于工业化生产高纯度的 Ｌ－ 乳 酸， 成为国内外广泛采用发酵生产的菌种。
Ｇｅｒｉｎ 等［１３］提 出 在 发 酵 罐 中 由 于 丝 状 真 菌 的 生 长特性造成菌体的形态主要为菌球或高粘稠的悬
浮菌丝体。分散菌丝体导致发酵液的粘度增加， 且 流动为假塑性， 这就降低了发酵液的气液传质系 数， 使发酵罐中的发酵过程不均一。Ｐｒｉｔ［１４］指出， 当菌 球的直径增加时， 在菌球的内部营养条件的供给受 到限制， 菌体生长仅局限于菌球的表面， 因而传质 过程和菌球的内部的生长成为发酵过程的限制条 件。由于在耗氧微生物培养中氧的供给是非常重要 的影响条件之一， 所以在菌球形态对氧供给的影响 方 面 进 行 了 较 多 的 研 究 ， Ｅｌｅａｚａｒ［１５］通 过 建 立 数 学 模 型在拟和菌丝球内部氧传递动力学过程， 得到菌球 的直径的大小影响着氧在菌丝球内的传递。
摘要： 乳酸主要通过发酵生产， 米根霉乳酸发酵过程中的代谢途径是 ＥＭＰ 途径和 ＴＣＡ 途径， 菌体形态的 控制对产量有很大的影响。介绍了发酵工艺研究进展， 并且分析了代谢工程原理在米根霉乳酸发酵中的 应用。 关键词： 乳酸； 米根霉； 发酵； 菌体形态； 代谢工程 中图分类号： ＴＱ９２１＋３ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００８－ １２６７（ ２００７） ０１－ ０００７－ ０３
总之， 菌体形态对发酵过程的影响是很大的。 在真菌菌体形态的影响因素和控制方法方面的研 究 也 更 进 一 步 ， Ｐａｚｏｕｋｉ［１６］指 出 ， 培 养 基 的 组 成 和 浓 度、接种量、和 通 气 等 因 素 对 真 菌 的 形 态 有 影 响 作 用； Ｙ．Ｑ．Ｃｕｉ［１７］则讨论了在生产发酵中溶氧强度和机 械作用力方面对菌体形态的影响。不难看出， 较多 的研究集中在与机械作用力相关联的溶氧强度和 搅拌转速等重要参数方面。