第一節(jié)  產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

乳酸（學(xué)名α-基丙酸），其含有一個(gè)中性碳原子，具有旋光性，左旋性乳酸稱為L-乳酸，右旋性乳酸稱為D-乳酸，外消旋乳酸稱為DL-乳酸。乳酸，尤其是L-乳酸，以其獨(dú)特的優(yōu)勢，展示其廣泛的應(yīng)用前景。由于人和動(dòng)物體內(nèi)只有代謝L-乳酸的酶，若過量攝入D-乳酸或DL-乳酸，會(huì)導(dǎo)致血液中富含D-乳酸，易引起疲勞、代謝紊亂甚至酸中毒。1998年，世界衛(wèi)生組織己將DL-乳酸禁止藥用與食用。在食品和醫(yī)藥工業(yè)中高光學(xué)純度L-乳酸將逐步取代DL-乳酸。另外，L-乳酸在自然環(huán)境中可以被微生物完全降解為C02與H20，低分子量的L-乳酸聚合物（2-10個(gè)分子）具有植物刺激生長的作用。因此L-乳酸聚合物生產(chǎn)可降解聚合物的 研究 己成為全球關(guān)注熱點(diǎn)。

目前世界上只有荷蘭PURAC和比利時(shí)GLACTIC在L——乳酸生產(chǎn)領(lǐng)域具有領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢，其它國家所生產(chǎn)的L—乳酸均為DL—乳酸。

我國的L-乳酸 研究 和生產(chǎn)起步均晚，生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)水平與國外存在相當(dāng)差距。乳酸的生產(chǎn)方法有合成法與發(fā)酵法。目前國內(nèi)發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸均采用德氏乳桿菌為菌種，僅能積累D及DL型乳酸。

L-乳酸的工業(yè)生產(chǎn)菌種均為米根霉，產(chǎn)酸水平為9-10%，而國外以高溫厭氧細(xì)菌發(fā)酵為主，產(chǎn)酸水平最高可達(dá)18%，雖然米根霉具有營養(yǎng)要求低，原料粗放的優(yōu)點(diǎn)，但好氧發(fā)酵，電耗、水耗和能耗均較高，且異型發(fā)酵，糖酸理論轉(zhuǎn)化率難以超過80%（細(xì)菌同型發(fā)酵L-乳酸，其理論糖酸轉(zhuǎn)化率可達(dá)100%，），米根霉發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸的成本難以與國外進(jìn)口的同類產(chǎn)品競爭。因此，近年來，國內(nèi)已開始轉(zhuǎn)向細(xì)菌發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸的工藝 研究 。

第二節(jié)  產(chǎn)品工藝特點(diǎn)或流程

工業(yè)上乳酸的生產(chǎn)有兩種方法，即發(fā)酵法和化學(xué)合成法?；瘜W(xué)法是以乙醛和氫氰酸為原料合成的，生產(chǎn)成本高，環(huán)境污染嚴(yán)重，且難于合成單一構(gòu)型的L-乳酸，目前己逐漸為微生物發(fā)酵法所取代，微生物發(fā)酵生產(chǎn)是L-乳酸生產(chǎn)的主要方法。

L-乳酸發(fā)酵生產(chǎn)的關(guān)鍵是優(yōu)良發(fā)酵菌種的選育、高效L-乳酸發(fā)酵和分離提取技術(shù)。

1、菌種選育

微生物發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸，因菌種和培養(yǎng)液不同，乳酸質(zhì)量和產(chǎn)量有很大差異。生產(chǎn)菌種選育是發(fā)酵工業(yè)中最為關(guān)鍵的工作，受到普遍重視。目前應(yīng)用發(fā)酵法生產(chǎn)L-乳酸常用的微生物有兩大類，一類為乳酸菌（Lactic acid bacteria），另一類為根霉（Rhizopus royzae）。根霉所產(chǎn)的乳酸光學(xué)純度好，但是產(chǎn)酸量低，需氧，耗能高；乳酸菌產(chǎn)酸量高，厭氧，好能低，但是產(chǎn)物含有部分D-乳酸。目前，用于L-乳酸發(fā)酵生產(chǎn) 研究 的菌種，主要是米根霉，乳桿菌和乳酸鏈球菌。

米根霉生長對營養(yǎng)要求較低，可以直接利用淀粉轉(zhuǎn)化為L-乳酸。1996年Longacre等通過 分析 米根霉葡萄糖代謝流 分析 ，將乳酸的產(chǎn)率提高到75%-86%。Zhou等采用米根霉ATCC52311優(yōu)化發(fā)酵葡萄糖生產(chǎn)L-乳酸工藝 研究 ，使乳酸生產(chǎn)率達(dá)88%，但是米根霉發(fā)酵時(shí)間長，需氧耗能高，副產(chǎn)物多，包括乙酸、富馬酸、蘋果酸、蘋酸乙酸對L-乳酸純化提取帶來難度。通過基因工程技術(shù)改變米根霉代謝流，修飾、擴(kuò)展和構(gòu)建代謝途徑，改變C內(nèi)代謝通量的分配，使米根霉在一定條件下生成更多的乳酸。白冬梅等通過代謝通量 分析 優(yōu)化米根霉R1021發(fā)酵生產(chǎn)D（+）-乳酸過程，最大理論L-乳酸產(chǎn)率達(dá)98.2%。另外，可以利用DNA重組技術(shù)構(gòu)建工程菌，Hakki等利用乳酸鏈球菌，L-乳酸脫氰酶基因1dhL的DNA序列設(shè)計(jì)引物，采用RT-PCR擴(kuò)增米根霉1dhL片段，構(gòu)建米根霉菌基因工程菌。根霉有乙醇發(fā)酵的酶，以至霉菌在短期缺氧狀態(tài)下可以生長。在氧氣限制條件下，一個(gè)僅表達(dá)5%野生型乙醉脫氫酶活力的突變子被分離。

乳酸鏈球菌（Lactococcus）的優(yōu)勢是只產(chǎn)生L-乳酸。Jeonga等分離篩選到一株乳酸鏈球菌，控制pH6.0條件下，32℃發(fā)酵，葡萄糖濃度為60g/L，乳酸對葡萄糖的轉(zhuǎn)化率為90.2%。而對乳酸鏈球菌1dhL基因的Lac操縱子的拷貝數(shù)增加的結(jié)果僅僅導(dǎo)致乳酸產(chǎn)量的些微增加。

乳桿菌以其產(chǎn)酸量高、產(chǎn)酸快的優(yōu)勢，成為廣大 研究 者關(guān)注的熱點(diǎn)。乳桿菌包括同型乳酸發(fā)酵和異型乳酸發(fā)酵兩種類型，異型乳酸發(fā)酵乳桿菌產(chǎn)生L-乳酸光學(xué)純度高，但是產(chǎn)量低，同時(shí)伴隨大量副產(chǎn)物產(chǎn)生（如乙酸、乙醇、丁酸等）。同型乳酸發(fā)酵乳桿菌產(chǎn)量高，但是同時(shí)產(chǎn)生兩種同分異構(gòu)體構(gòu)型，從外消旋乳酸混合物中分離純化L-乳酸成本太高，可能只能依靠昂貴的色譜技術(shù)。最理想的是篩選只產(chǎn)L-乳酸的菌株或者以遺傳技術(shù)改良菌株。因此，近年來， 研究 人員在通過基因工程和代謝工程改良乳桿菌提高L-乳酸產(chǎn)量和光學(xué)純度方面做了大量 研究 。

Ferain等采用增加基因拷貝數(shù)使編碼L-乳酸脫氫酶基因在植物乳桿菌L.plantanum中過量表達(dá)，L-乳酸脫氫酶活性提高了13倍。但是，對L-乳酸或總?cè)樗岙a(chǎn)量幾乎無影響。以德氏乳桿菌為出發(fā)菌株，采用類似青霉素濃縮營養(yǎng)缺陷型的經(jīng)典育種方法改變培養(yǎng)條件使D-乳酸脫氫酶滅活，獲得D-乳酸脫氫酶缺陷型

ATCC55163，產(chǎn)100%L-乳酸以乳清滲透液為原料發(fā)酵20h，乳酸濃度達(dá)77.8g/L，產(chǎn)率1.11g/L·h。Lapierre采用基因缺失方法使ldhD基因中8-bp缺失，獲得一株L.johusonii 1dhD基因滅活突變株，突變子完全失去D-乳酸脫氫酶活性，L-乳酸脫氫酶活性保留下來，L-乳酸產(chǎn)量也有些微增加。Nikkila等采用L.helveticus idhD（D-乳酸脫氫酶）基因滅活策略，通過基因替換的方法，構(gòu)建兩株穩(wěn)定1dhD基因滅活乳桿菌（lact-helveticus）。其中一株通過啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)部缺失阻止1dhD基因轉(zhuǎn)錄構(gòu)建，另一株用1dhL基因代替ldh D基因構(gòu)建，兩株構(gòu)建菌株L-乳酸脫氫酶活性分別提高了53%和93%，且只生產(chǎn)L-乳酸，L-乳酸產(chǎn)量增加一倍，與野生型總產(chǎn)酸量相等。Niju等人采用NTG誘變L. rhamnosus MTCC 1408菌株，分離到一株只生產(chǎn)L-乳酸的adh突變株，且乳酸產(chǎn)量增加了6.6%。在 研究 如何提高L-乳酸產(chǎn)量和光學(xué)純度的同時(shí)，對乳桿菌適于發(fā)酵生產(chǎn)工藝方面也做了大量 研究 。2002年，Zhang等采用基因組改組（genome-shuffling）方法獲得一株耐受低pH的突變菌株，此菌株可在pH3.8條件下發(fā)酵，在此條件下，乳酸以游離形式存在，可以直接用有機(jī)溶劑將乳酸從發(fā)酵液中萃取出來，從而降低了產(chǎn)品的純化成本。2007年，Wang等采用基因組改組技術(shù)對干酪乳桿菌進(jìn)行提高耐酸性和L-乳酸生產(chǎn)速率的 研究 ，獲得一株能夠在pH3.6條件下生長的突變株，在pH3.8條件下，L-乳酸產(chǎn)量提高了3.1倍；在CaCO，中和pH條件下，L-乳酸的生產(chǎn)速率達(dá)到5.77g/L·h，比原始菌株提高了26.5%士1.5%。

2、培養(yǎng)基原料

培養(yǎng)基的組分顯著影響發(fā)酵產(chǎn)物的濃度、轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度，其成本直接影響著整個(gè)發(fā)酵過程的經(jīng)濟(jì)效益。 研究 者對乳酸生產(chǎn)的許多碳源與氮源做了大量 研究 。

常用乳酸生產(chǎn) 研究 的碳源有：葡萄糖、蔗糖（來自糖漿、糖蜜）、乳糖（來自乳清）、麥芽糖（淀粉轉(zhuǎn)化物）等，這些己經(jīng)被商品化的碳源普遍價(jià)格高，造成乳酸生產(chǎn)成本增加。糖蜜價(jià)格雖低，但是乳酸產(chǎn)量低，而且產(chǎn)品純化難度大，乳清價(jià)格也比較低、易得，但和糖蜜一樣，產(chǎn)品純化費(fèi)用高，這些原料激勵(lì)了現(xiàn)代技術(shù)如超濾、電滲析的發(fā)展。水解馬鈴薯淀粉、玉米、稻草、棉子外殼、亞硫酸鹽廢液等也有人 研究 。

關(guān)于氮源 研究 ，乳清、酵母粉、麥芽、草抽提物、小麥水解物、蛋白膝、牛肉浸出物、酪蛋白水解物、玉米漿、大豆水解物用于提供維生素和氮源我國也開展了此類 研究 ，如天津科技大學(xué)等機(jī)構(gòu) 研究 人員利用甘薯渣、玉米粗粉為原料發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，大幅降低了乳酸的生產(chǎn)成本，增強(qiáng)了市場競爭力關(guān)于氮源 研究 ，乳清、酵母粉、麥芽、草抽提物、小麥水解物、蛋白膝、牛肉浸出物、酪蛋白水解物、玉米漿、大豆水解物用于提供維生素和氮源我國也開展了此類 研究 ，如天津科技大學(xué)等機(jī)構(gòu) 研究 人員利用甘薯渣、玉米粗粉為原料發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，大幅降低了乳酸的生產(chǎn)成本，增強(qiáng)了市場競爭力。

3、發(fā)酵工藝 研究

分批發(fā)酵和補(bǔ)料分批發(fā)酵

傳統(tǒng)乳酸發(fā)酵工藝即分批發(fā)酵和補(bǔ)料分批發(fā)酵，仍占有重要地位。以代謝產(chǎn)物為目的的分批發(fā)酵，幾乎都受最終產(chǎn)物的抑制，傳統(tǒng)分批發(fā)酵的方法是添加受最終產(chǎn)物的抑制，傳統(tǒng)分批發(fā)酵的方法是添加CaC03，NaOH.NH40H來中和發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸，維持培養(yǎng)基的最適pH，從而使微生物充分利用營養(yǎng)物質(zhì)，將葡萄糖最大程度的轉(zhuǎn)化為乳酸。發(fā)酵設(shè)備要求簡單，自動(dòng)化程度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，后處理難度大，收率低，環(huán)境污染嚴(yán)重。

乳酸發(fā)酵新工藝

乳酸發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化是降低生產(chǎn)成本的一個(gè)重要措施，改進(jìn)乳酸發(fā)酵工藝，實(shí)現(xiàn)收率高、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)成本低的原位產(chǎn)物分離（ISPR）乳酸發(fā)酵 研究

報(bào)道屢見不鮮。原位產(chǎn)物分離（in situ product removal即ISPR）是指將生產(chǎn)細(xì)胞的代謝產(chǎn)物快速移去的方法，與發(fā)酵有機(jī)結(jié)合（藕合），實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和連續(xù)化，生產(chǎn)效率高于分批發(fā)酵。在乳酸發(fā)酵發(fā)酵過程中多采用禍合溶劑萃取、吸附、膜分離等操作系統(tǒng)，形成了原位產(chǎn)物分離發(fā)酵新技術(shù)。

萃取發(fā)酵

萃取發(fā)酵是在發(fā)酵過程中利用有機(jī)溶劑連續(xù)萃取發(fā)酵產(chǎn)物，消除乳酸抑制的禍合發(fā)酵技術(shù)。具有耗能低、選擇性好、無細(xì)菌污染等優(yōu)點(diǎn)。Yabannavar使用Alamine 366、叔胺和油醇混合物提取乳酸。但是這些有機(jī)溶劑對菌體細(xì)胞有毒害作用，導(dǎo)致細(xì)胞活性降低，甚至引起細(xì)胞破裂。所以選擇萃取溶劑時(shí)，既要考慮溶劑的萃取能力，又要盡量避免溶劑對細(xì)胞的毒害作用?？梢酝ㄟ^特殊處理來減輕溶劑毒性，如：用膜將溶液和細(xì)胞分開；細(xì)胞進(jìn)行固定化等。Lozarova和Scholler C等 研究 了液膜萃取法，使ISPR技術(shù)取得了顯著的效果，得到的乳酸純度高、回收率也高。YunE311，Jordih09，和Tamada，等利用雙水相萃取法進(jìn)行乳酸發(fā)酵。將聚乙二醇（PEG）水溶液和輕基醚纖維素（HEC）水溶液加入發(fā)酵液中使乳酸和菌體分離，而HEC對L.deibrueckii的生長無影響。而且雙水相萃取與間歇發(fā)酵相比，生物量和乳酸產(chǎn)量均有明顯提高。

吸附發(fā)酵

吸附發(fā)酵過程中常用的吸附劑有活性炭、離子交換樹脂等。離子交換樹脂法以其選擇性高、交換（吸附）容量大、操作簡便、易于自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)具有較強(qiáng)的競爭辦。Lee和Tsao首先將PVP樹脂用于乳酸發(fā)酵和分離過程，取得了良好的效果。印度的Aradhana離子交換樹脂AmberliteIRA-400用于乳酸發(fā)酵和乳酸分離過程，其轉(zhuǎn)化率為92%，產(chǎn)酸速率為1.665g/L·h。但Aradhana的工藝也有缺點(diǎn)：用堿在提取乳酸前調(diào)節(jié)pH值，顯著影響樹脂的交換容量；pH值在5.0時(shí)開始提取，造成發(fā)酵過程中提取次數(shù)太多，發(fā)酵液中營養(yǎng)物質(zhì)和菌體被樹脂過多吸附或滯留，從而影響了乳酸發(fā)酵速度，延長了發(fā)酵周期。

膜法發(fā)酵

膜基細(xì)胞循環(huán)生物反應(yīng)器將發(fā)酵和分離過程結(jié)合起來，使發(fā)酵過程中保持了較高的細(xì)胞濃度，細(xì)胞可循環(huán)使用，乳酸從發(fā)酵罐中連續(xù)移走，可以顯著提高發(fā)酵過程的生產(chǎn)率。細(xì)胞循環(huán)可以使用不同類型的膜滲析（依靠擴(kuò)散排阻）、電滲析（依靠離子排阻）、微濾和超濾（依靠分子排阻）等。Senthuran等采用固定化L.casei膜法發(fā)酵循環(huán)10次，葡萄糖的轉(zhuǎn)化率超過90%，大大降低了膠木抽提物的使用量。Levente等 研究 了超濾膜細(xì)胞循環(huán)生物反應(yīng)器，使菌體濃度達(dá)到100g/L。采用膜法發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸濃度和生產(chǎn)率都高于分批發(fā)酵。這種反應(yīng)器有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①乳酸濃度和生產(chǎn)率同時(shí)增大；②可在相當(dāng)高的透過率下長期操作；③機(jī)械穩(wěn)定性好，允許蒸汽滅菌。

電滲析發(fā)酵（electrodialysis fermentation，簡稱EDF）

EDF方法有許多優(yōu)點(diǎn)：①不用中和劑就可以控制pH-值；②降低產(chǎn)物抑制；③濃縮產(chǎn)物；④簡化后提取工藝。但是乳酸菌會(huì)逐漸附著到陰離子膜上，導(dǎo)致電阻增大，電滲析效率下降。因此，在乳酸的EDF法連續(xù)生產(chǎn)中，乳酸濃度高時(shí)對膜的吸附會(huì)成為限制因素，發(fā)酵過程中及時(shí)排除乳酸，是提高乳酸產(chǎn)率的有效方法。Nomura等發(fā)現(xiàn)固定化技術(shù)是解決此問題的有效途徑。另外，將中空纖維超濾膜和電滲析串聯(lián)使用，避免了乳酸菌附著到離子交換膜上而被殺死，取得了干細(xì)胞重量增多，活性細(xì)胞數(shù)目增多，發(fā)酵周期縮短，間歇培養(yǎng)速度加快的理想效果。Yao等發(fā)現(xiàn)，在電滲析時(shí)，如果將乳酸先轉(zhuǎn)成乳酸鈉，整個(gè)效果將大為改善。

第三節(jié)  國內(nèi)外技術(shù)未來發(fā)展趨勢 分析

國內(nèi)外對L-乳酸的生產(chǎn) 研究 非常重視。當(dāng)前化學(xué)法己逐漸為微生物發(fā)酵法所取代，未來微生物發(fā)酵法生產(chǎn)L乳酸和高溫細(xì)菌法是發(fā)展趨勢。

采用分子育種技術(shù)提高乳酸菌種水平、不斷改進(jìn)現(xiàn)代發(fā)酵和提取工藝技術(shù)仍是我們進(jìn)一步 研究 開發(fā)的關(guān)鍵。


免責(zé)申明：本文僅為中經(jīng)縱橫 市場 研究 觀點(diǎn)，不代表其他任何投資依據(jù)或執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)行為。如有其他問題，敬請來電垂詢：4008099707。特此說明。