L-乳酸技术工艺发展趋势分析

第一节  产品技术发展现状

乳酸（学名α-基丙酸），其含有一个中性碳原子，具有旋光性，左旋性乳酸称为L-乳酸，右旋性乳酸称为D-乳酸，外消旋乳酸称为DL-乳酸。乳酸，尤其是L-乳酸，以其独特的优势，展示其广泛的应用前景。由于人和动物体内只有代谢L-乳酸的酶，若过量摄入D-乳酸或DL-乳酸，会导致血液中富含D-乳酸，易引起疲劳、代谢紊乱甚至酸中毒。1998年，世界卫生组织己将DL-乳酸禁止药用与食用。在食品和医药工业中高光学纯度L-乳酸将逐步取代DL-乳酸。另外，L-乳酸在自然环境中可以被微生物完全降解为C02与H20，低分子量的L-乳酸聚合物（2-10个分子）具有植物刺激生长的作用。因此L-乳酸聚合物生产可降解聚合物的 研究 己成为全球关注热点。

目前世界上只有荷兰PURAC和比利时GLACTIC在L——乳酸生产领域具有领先技术优势，其它国家所生产的L—乳酸均为DL—乳酸。

我国的L-乳酸 研究 和生产起步均晚，生产规模和生产水平与国外存在相当差距。乳酸的生产方法有合成法与发酵法。目前国内发酵法生产乳酸均采用德氏乳杆菌为菌种，仅能积累D及DL型乳酸。

L-乳酸的工业生产菌种均为米根霉，产酸水平为9-10%，而国外以高温厌氧细菌发酵为主，产酸水平最高可达18%，虽然米根霉具有营养要求低，原料粗放的优点，但好氧发酵，电耗、水耗和能耗均较高，且异型发酵，糖酸理论转化率难以超过80%（细菌同型发酵L-乳酸，其理论糖酸转化率可达100%，），米根霉发酵生产L-乳酸的成本难以与国外进口的同类产品竞争。因此，近年来，国内已开始转向细菌发酵生产L-乳酸的工艺 研究 。

第二节  产品工艺特点或流程

工业上乳酸的生产有两种方法，即发酵法和化学合成法。化学法是以乙醛和氢氰酸为原料合成的，生产成本高，环境污染严重，且难于合成单一构型的L-乳酸，目前己逐渐为微生物发酵法所取代，微生物发酵生产是L-乳酸生产的主要方法。

L-乳酸发酵生产的关键是优良发酵菌种的选育、高效L-乳酸发酵和分离提取技术。

1、菌种选育

微生物发酵法生产乳酸，因菌种和培养液不同，乳酸质量和产量有很大差异。生产菌种选育是发酵工业中最为关键的工作，受到普遍重视。目前应用发酵法生产L-乳酸常用的微生物有两大类，一类为乳酸菌（Lactic acid bacteria），另一类为根霉（Rhizopus royzae）。根霉所产的乳酸光学纯度好，但是产酸量低，需氧，耗能高；乳酸菌产酸量高，厌氧，好能低，但是产物含有部分D-乳酸。目前，用于L-乳酸发酵生产 研究 的菌种，主要是米根霉，乳杆菌和乳酸链球菌。

米根霉生长对营养要求较低，可以直接利用淀粉转化为L-乳酸。1996年Longacre等通过 分析 米根霉葡萄糖代谢流 分析 ，将乳酸的产率提高到75%-86%。Zhou等采用米根霉ATCC52311优化发酵葡萄糖生产L-乳酸工艺 研究 ，使乳酸生产率达88%，但是米根霉发酵时间长，需氧耗能高，副产物多，包括乙酸、富马酸、苹果酸、苹酸乙酸对L-乳酸纯化提取带来难度。通过基因工程技术改变米根霉代谢流，修饰、扩展和构建代谢途径，改变C内代谢通量的分配，使米根霉在一定条件下生成更多的乳酸。白冬梅等通过代谢通量 分析 优化米根霉R1021发酵生产D（+）-乳酸过程，最大理论L-乳酸产率达98.2%。另外，可以利用DNA重组技术构建工程菌，Hakki等利用乳酸链球菌，L-乳酸脱氰酶基因1dhL的DNA序列设计引物，采用RT-PCR扩增米根霉1dhL片段，构建米根霉菌基因工程菌。根霉有乙醇发酵的酶，以至霉菌在短期缺氧状态下可以生长。在氧气限制条件下，一个仅表达5%野生型乙醉脱氢酶活力的突变子被分离。

乳酸链球菌（Lactococcus）的优势是只产生L-乳酸。Jeonga等分离筛选到一株乳酸链球菌，控制pH6.0条件下，32℃发酵，葡萄糖浓度为60g/L，乳酸对葡萄糖的转化率为90.2%。而对乳酸链球菌1dhL基因的Lac操纵子的拷贝数增加的结果仅仅导致乳酸产量的些微增加。

乳杆菌以其产酸量高、产酸快的优势，成为广大 研究 者关注的热点。乳杆菌包括同型乳酸发酵和异型乳酸发酵两种类型，异型乳酸发酵乳杆菌产生L-乳酸光学纯度高，但是产量低，同时伴随大量副产物产生（如乙酸、乙醇、丁酸等）。同型乳酸发酵乳杆菌产量高，但是同时产生两种同分异构体构型，从外消旋乳酸混合物中分离纯化L-乳酸成本太高，可能只能依靠昂贵的色谱技术。最理想的是筛选只产L-乳酸的菌株或者以遗传技术改良菌株。因此，近年来， 研究 人员在通过基因工程和代谢工程改良乳杆菌提高L-乳酸产量和光学纯度方面做了大量 研究 。

Ferain等采用增加基因拷贝数使编码L-乳酸脱氢酶基因在植物乳杆菌L.plantanum中过量表达，L-乳酸脱氢酶活性提高了13倍。但是，对L-乳酸或总乳酸产量几乎无影响。以德氏乳杆菌为出发菌株，采用类似青霉素浓缩营养缺陷型的经典育种方法改变培养条件使D-乳酸脱氢酶灭活，获得D-乳酸脱氢酶缺陷型

ATCC55163，产100%L-乳酸以乳清渗透液为原料发酵20h，乳酸浓度达77.8g/L，产率1.11g/L·h。Lapierre采用基因缺失方法使ldhD基因中8-bp缺失，获得一株L.johusonii 1dhD基因灭活突变株，突变子完全失去D-乳酸脱氢酶活性，L-乳酸脱氢酶活性保留下来，L-乳酸产量也有些微增加。Nikkila等采用L.helveticus idhD（D-乳酸脱氢酶）基因灭活策略，通过基因替换的方法，构建两株稳定1dhD基因灭活乳杆菌（lact-helveticus）。其中一株通过启动子区域内部缺失阻止1dhD基因转录构建，另一株用1dhL基因代替ldh D基因构建，两株构建菌株L-乳酸脱氢酶活性分别提高了53%和93%，且只生产L-乳酸，L-乳酸产量增加一倍，与野生型总产酸量相等。Niju等人采用NTG诱变L. rhamnosus MTCC 1408菌株，分离到一株只生产L-乳酸的adh突变株，且乳酸产量增加了6.6%。在 研究 如何提高L-乳酸产量和光学纯度的同时，对乳杆菌适于发酵生产工艺方面也做了大量 研究 。2002年，Zhang等采用基因组改组（genome-shuffling）方法获得一株耐受低pH的突变菌株，此菌株可在pH3.8条件下发酵，在此条件下，乳酸以游离形式存在，可以直接用有机溶剂将乳酸从发酵液中萃取出来，从而降低了产品的纯化成本。2007年，Wang等采用基因组改组技术对干酪乳杆菌进行提高耐酸性和L-乳酸生产速率的 研究 ，获得一株能够在pH3.6条件下生长的突变株，在pH3.8条件下，L-乳酸产量提高了3.1倍；在CaCO，中和pH条件下，L-乳酸的生产速率达到5.77g/L·h，比原始菌株提高了26.5%士1.5%。

2、培养基原料

培养基的组分显著影响发酵产物的浓度、转化率和生产强度，其成本直接影响着整个发酵过程的经济效益。 研究 者对乳酸生产的许多碳源与氮源做了大量 研究 。

常用乳酸生产 研究 的碳源有：葡萄糖、蔗糖（来自糖浆、糖蜜）、乳糖（来自乳清）、麦芽糖（淀粉转化物）等，这些己经被商品化的碳源普遍价格高，造成乳酸生产成本增加。糖蜜价格虽低，但是乳酸产量低，而且产品纯化难度大，乳清价格也比较低、易得，但和糖蜜一样，产品纯化费用高，这些原料激励了现代技术如超滤、电渗析的发展。水解马铃薯淀粉、玉米、稻草、棉子外壳、亚硫酸盐废液等也有人 研究 。

关于氮源 研究 ，乳清、酵母粉、麦芽、草抽提物、小麦水解物、蛋白膝、牛肉浸出物、酪蛋白水解物、玉米浆、大豆水解物用于提供维生素和氮源我国也开展了此类 研究 ，如天津科技大学等机构 研究 人员利用甘薯渣、玉米粗粉为原料发酵生产乳酸，大幅降低了乳酸的生产成本，增强了市场竞争力关于氮源 研究 ，乳清、酵母粉、麦芽、草抽提物、小麦水解物、蛋白膝、牛肉浸出物、酪蛋白水解物、玉米浆、大豆水解物用于提供维生素和氮源我国也开展了此类 研究 ，如天津科技大学等机构 研究 人员利用甘薯渣、玉米粗粉为原料发酵生产乳酸，大幅降低了乳酸的生产成本，增强了市场竞争力。

3、发酵工艺 研究

分批发酵和补料分批发酵

传统乳酸发酵工艺即分批发酵和补料分批发酵，仍占有重要地位。以代谢产物为目的的分批发酵，几乎都受最终产物的抑制，传统分批发酵的方法是添加受最终产物的抑制，传统分批发酵的方法是添加CaC03，NaOH.NH40H来中和发酵产生的乳酸，维持培养基的最适pH，从而使微生物充分利用营养物质，将葡萄糖最大程度的转化为乳酸。发酵设备要求简单，自动化程度低，劳动强度大，后处理难度大，收率低，环境污染严重。

乳酸发酵新工艺

乳酸发酵工艺条件的优化是降低生产成本的一个重要措施，改进乳酸发酵工艺，实现收率高、自动化程度高、生产成本低的原位产物分离（ISPR）乳酸发酵 研究

报道屡见不鲜。原位产物分离（in situ product removal即ISPR）是指将生产细胞的代谢产物快速移去的方法，与发酵有机结合（藕合），实现自动化和连续化，生产效率高于分批发酵。在乳酸发酵发酵过程中多采用祸合溶剂萃取、吸附、膜分离等操作系统，形成了原位产物分离发酵新技术。

萃取发酵

萃取发酵是在发酵过程中利用有机溶剂连续萃取发酵产物，消除乳酸抑制的祸合发酵技术。具有耗能低、选择性好、无细菌污染等优点。Yabannavar使用Alamine 366、叔胺和油醇混合物提取乳酸。但是这些有机溶剂对菌体细胞有毒害作用，导致细胞活性降低，甚至引起细胞破裂。所以选择萃取溶剂时，既要考虑溶剂的萃取能力，又要尽量避免溶剂对细胞的毒害作用。可以通过特殊处理来减轻溶剂毒性，如：用膜将溶液和细胞分开；细胞进行固定化等。Lozarova和Scholler C等 研究 了液膜萃取法，使ISPR技术取得了显著的效果，得到的乳酸纯度高、回收率也高。YunE311，Jordih09，和Tamada，等利用双水相萃取法进行乳酸发酵。将聚乙二醇（PEG）水溶液和轻基醚纤维素（HEC）水溶液加入发酵液中使乳酸和菌体分离，而HEC对L.deibrueckii的生长无影响。而且双水相萃取与间歇发酵相比，生物量和乳酸产量均有明显提高。

吸附发酵

吸附发酵过程中常用的吸附剂有活性炭、离子交换树脂等。离子交换树脂法以其选择性高、交换（吸附）容量大、操作简便、易于自动化控制等优点具有较强的竞争办。Lee和Tsao首先将PVP树脂用于乳酸发酵和分离过程，取得了良好的效果。印度的Aradhana离子交换树脂AmberliteIRA-400用于乳酸发酵和乳酸分离过程，其转化率为92%，产酸速率为1.665g/L·h。但Aradhana的工艺也有缺点：用碱在提取乳酸前调节pH值，显著影响树脂的交换容量；pH值在5.0时开始提取，造成发酵过程中提取次数太多，发酵液中营养物质和菌体被树脂过多吸附或滞留，从而影响了乳酸发酵速度，延长了发酵周期。

膜法发酵

膜基细胞循环生物反应器将发酵和分离过程结合起来，使发酵过程中保持了较高的细胞浓度，细胞可循环使用，乳酸从发酵罐中连续移走，可以显著提高发酵过程的生产率。细胞循环可以使用不同类型的膜渗析（依靠扩散排阻）、电渗析（依靠离子排阻）、微滤和超滤（依靠分子排阻）等。Senthuran等采用固定化L.casei膜法发酵循环10次，葡萄糖的转化率超过90%，大大降低了胶木抽提物的使用量。Levente等 研究 了超滤膜细胞循环生物反应器，使菌体浓度达到100g/L。采用膜法发酵产生的乳酸浓度和生产率都高于分批发酵。这种反应器有三个优点：①乳酸浓度和生产率同时增大；②可在相当高的透过率下长期操作；③机械稳定性好，允许蒸汽灭菌。

电渗析发酵（electrodialysis fermentation，简称EDF）

EDF方法有许多优点：①不用中和剂就可以控制pH-值；②降低产物抑制；③浓缩产物；④简化后提取工艺。但是乳酸菌会逐渐附着到阴离子膜上，导致电阻增大，电渗析效率下降。因此，在乳酸的EDF法连续生产中，乳酸浓度高时对膜的吸附会成为限制因素，发酵过程中及时排除乳酸，是提高乳酸产率的有效方法。Nomura等发现固定化技术是解决此问题的有效途径。另外，将中空纤维超滤膜和电渗析串联使用，避免了乳酸菌附着到离子交换膜上而被杀死，取得了干细胞重量增多，活性细胞数目增多，发酵周期缩短，间歇培养速度加快的理想效果。Yao等发现，在电渗析时，如果将乳酸先转成乳酸钠，整个效果将大为改善。

第三节  国内外技术未来发展趋势 分析

国内外对L-乳酸的生产 研究 非常重视。当前化学法己逐渐为微生物发酵法所取代，未来微生物发酵法生产L乳酸和高温细菌法是发展趋势。

采用分子育种技术提高乳酸菌种水平、不断改进现代发酵和提取工艺技术仍是我们进一步 研究 开发的关键。


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