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L乳酸
要:
阐述了L一乳酸的理化性质及其生产制备方法的优缺点,着重综述了微生物发酵法生产L一乳酸的研究进展及其各领域中的应用,并对L一乳酸的进一步开发应用提出了一些建议。
关键词:
L-乳酸 性质 发酵 乳酸菌种 应用
乳酸(LacticAcid)是一种重要的多用途有机酸之一,广泛存在于人体、动植物和微生物体中。
按其构型及旋光性可分为L一乳酸、D一乳酸、DL一乳酸三类。
由于人体只具有代谢L一乳酸的L一乳酸脱氢酶,因此只有L一乳酸能被人体完全代谢利用。
而D一乳酸和DL一乳酸过量摄入则有可能引起代谢紊乱甚至导致中毒。
因此,从健康角度来考虑,世界卫生组织明确规定,成人每天摄入D一乳酸的量不得超过1oomg/kg体重,对于三个月以下的婴儿食品中不应加入D一乳酸,而对于L一乳酸则不加限制¨。
1L一乳酸的性质
乳酸(LacticAcid)学名为2一羟基丙酸(2一Hydro~Pmp~eicAcid),分子式为C3H603,结构式为CH3CHOHCOOH,相对分子质量为9O.O8。
由于其分子内含有一个不对称碳原子,因此具有旋光性,L一乳酸为右旋,当L一乳酸和D一乳酸等比例混合时,即成为外消旋的DL一乳酸。
L一乳酸能与水完全相容,但不结晶。
60%以上浓度的乳酸具有很强的吸湿性。
纯净的无水乳酸是白色结晶体,熔点为16.8℃,沸点为122℃(2kPa),相对密度为1.24。
L一乳酸分子内含有羟基和羧基,因此有自动酯化能力,脱水能聚合成聚L-乳酸。
一般工业用L一乳酸含量为50%一80%,食品及医药工业用L一乳酸的含量为8O%-9O%。
L-乳酸及L-乳酸盐在食品、医药、农业、化工等领域有广泛的应用。
此外,L-乳酸还有正在大力开拓的应用领域,即生产聚L一乳酸。
聚L一乳酸作为无毒,可降解的生物相容性高分子材料,可用来制造生物可降解塑料、绿色包装材料和药用修复材料等,以解决日益严重的“白色污染”问题,引起了世界的广泛关注,应用前景非常广阔,具有较好的社会效益和经济效益。
随着L一乳酸用途越来越广泛,市场的需求量也越来越大。
国内外都已经展开了对其生产的深入研究,并取得了可喜的成果。
2L-乳酸生产方法
L-乳酸的工业化生产主要有化学合成法、酶法和微生物发酵法。
国外三种方法都有报道,我国多采用发酵法为主。
2.1化学合成法
化学合成法生产乳酸可通过多种途径,其中具有现实意义的是乳腈法。
该法以乙醛和氢氰酸为原料,在常压下液相反应产生粗乳腈。
粗乳腈通过蒸馏提纯后,加入浓盐酸或浓硫酸水解生成乳酸,粗乳酸可采用酯化法进一步纯化。
美国的斯特林化学公司和日本的武藏野化学公司均采用化学合成法。
2.2酶法
2.2.1氯丙酸酶法转化
日本东京大学的本崎等研究了用酶法催化合成乳酸,分别从恶臭甲单饱菌和假单饱菌的细胞中提取纯化了L一2一卤代酸脱卤酶和DL一2一卤代酸脱卤酶,作用于底物DL一2一氯丙酸,制得L一乳酸或D一乳酸。
L一2一卤代酸脱卤酶催化L一2一卤代酸脱卤;而DL一2一卤代酸脱卤酶既可催化L一2一卤代酸脱卤,又可催化D一2一卤代酸脱卤,在催化是可发生构型转变。
2.2.2丙酮酸酶法转化
Hummel等⋯人从D一乳酸脱氢酶活力最高的混乱乳杆菌DSM20196菌体中得到D一乳酸脱氢酶,以无旋光性的丙酮酸为底物得到D一乳酸。
2.3微生物发酵法
微生物发酵法采用玉米、小麦等淀粉为原料,经过淀粉酶和糖化酶将淀粉被糖化,再有微生物发酵将糖转化为L一乳酸。
不同的乳酸菌所含的酶系不同,代谢途径及形成的最终产物也不同。
从代谢产物而言,乳酸菌对糖的发酵可以分为同型乳酸发酵和异型乳酸发酵两类。
细菌发酵为厌氧或微好氧,细菌的同型发酵一般是通过糖酵解途径,异型发酵有6一磷酸葡糖酸途径和双歧途径两种。
根霉发酵属好氧异型发酵,但其途径与细菌异型发酵不同,是通过糖酵解途径,发酵产生乳酸。
一般同型发酵所产生的最终代谢产物是乳酸,副产物很少,转化率高,一般80%以上,而异型发酵所产生的最终产物是乳酸外,还有乙醇、乙酸、二氧化碳等,副产物较多,转化率低,一般50%。
3乳酸生产方法的比较
化学合成法由于所用的原料是乙醛和剧毒物质氢氰酸,因而合成法生产乳酸大大受到限制,此外其生产成本也较高。
酶法生产乳酸虽然可以专一性旋光乳酸,但工艺比较复杂,应用到工业上还有待于进一步研究。
微生物发酵法生产乳酸,可通过菌种选育和培养条件的选择而得到具有专一性的L一乳酸,D一乳酸或DL一乳酸,完全可以满足聚乳酸的生产需求。
微生物发酵法生产乳酸因其原料来源广泛,生产成本也较低,产品光学纯度高和安全可靠性好等优点而成为目前国内外生产乳酸的重要方法之一。
4国内外L一乳酸发酵研究进展
微生物发酵法是目前国内外乳酸生产技术的主要方法,虽然乳酸的生产技术日益进步,但乳酸的生产成本仍需进一步降低,因此各国都在从育种选育、发酵工艺及分离技术等方面设法改进、开发新的方法。
现就有关这方面在国内外最新进展作一简要综述。
4.1乳酸生产菌种
从各文献报道来看,产L一乳酸的菌种很多,但产酸能力强,具有生产价值的目前主要是霉菌中的根霉菌属及细菌中的乳杆菌属(Lactobacillus)、链球菌属(Streptococcus),及芽孢杆菌属(Bacillus)等。
表1列出了一些主要的产L一乳酸的微生物菌株。
4.1.1根霉发酵
米根霉是根霉菌属中L一乳酸发酵的代表性菌种,异型发酵,国内外对于米根霉的选育工作作了大量的报道。
Yu等对米根霉直接发酵农产品生产L一乳酸进行了研究,以碳酸钙为中和剂,每千克粗淀粉原料可生成350g以上的L一乳酸.并申请了美国专利。
江苏省微生物研究所曹本昌等人选育出了一株产L一乳酸的根霉菌株JSM1一R73,并对该菌株的性能及产酸条件进行了研究,用500L的发酵罐进行了扩大实验。
当葡萄糖浓度为10%时产酸7Og/L;13%时产酸101g/L以上,该茵可以玉米粉作为培养基,当玉米
粉浓度为12%时产酸70g/L以上;20%时产酸105g/L,其中L一乳酸的纯度在88%以上,最高可达到99%。
山西省微生物研究所蒋明珠等人从56种根霉菌株中筛选出10种产乳酸较高的菌株,其中根霉R一47产L一乳酸最高,产酸稳定,在摇瓶培养条件下,初始葡萄糖浓度为15%,3~C,48h,L一产乳酸达118.4g/L,对糖的转化率达78.9%。
福州大学杨虹利用淀粉一酸性培养基富集培养,并结合高锰酸钾一溴花钾平板检出方法从土壤筛选出产乳酸81g/L的根霉R一2菌株,以其为出发菌株经紫外线诱变,从琥珀酸平板上获得R一2—91,以葡萄糖为碳源的情况下产酸103g/L,对糖的转化率为68.9%。
中科院等离子研究所古绍彬以葡萄糖为碳源对PW352菌株特性进行了研究,并在此基础上采用离子束诱变法对米根霉PW352进行了改良,获得高产L一乳酸菌株RE3303,产酸能力达131~136g/L,最高可达140g/L,糖的转化率为86%~90%,产酸比PW352提高75%。
天津3-业微生物研究所杨子培等人用米根霉TL一527—9菌株以玉米淀粉深层发酵生产L一乳酸。
在3m
发酵罐中,当玉米淀粉浓度为130g/L时,平均产酸量94.1g/L,对糖的转化率为79.55%,其中L一乳酸的纯度含量可达98%以上,该研究具有较高的工业应用价值。
4.1.2细菌乳酸发酵
在乳酸发酵工艺上除了可采用根霉生产L一乳酸外,目前国内外都展开了对细菌发酵生产L一乳酸的研究。
原因在于细菌厌氧发酵可大规模降低能耗,减少乳酸的生产成本,弥补根霉发酵L一乳酸所存在的缺陷和不足。
Zhang等¨人研究了食淀粉乳杆菌NR—RLB4542直接从淀粉发酵生产L一乳酸的条件,淀粉的起始浓度为120g/L,从液化淀粉出发,可在20h生产出浓度为96.2g/L的乳酸。
Hujanen等¨对干酪乳杆菌NRRLB一441产L一乳酸进行优化,在葡萄糖浓度为160g/L时,乳酸浓度最高可达到118.6g/L,他们采用廉价的大麦芽提取物加少量酵母膏(4g/L)取代单独使用酵母膏(22g/L),较大的节省了生产成本。
乐晓洁等人利用紫外线诱变方法,对出发菌株干酪乳杆菌YBQ1—1进行诱变处理,筛选得到了一株正向突变株YBQH2—14,其L一乳酸产量达到93g/L,对糖的转化率达到77.5%。
比出发菌株产酸提高48.5%。
徐子钧等¨以代谢调空发酵理论依据,利用紫外线,亚硝基胍,DES等理化因.子对乳酸菌进行复合诱变,再用高浓乳酸钙平板、纯乳酸平板、琥珀酸平板筛选得到一株高产L一乳酸的正向突变株M7,平均发酵产量为90g/L,比原菌株产量提高30%,对糖的转化率为88.9%。
刘勇军等u采用新的物理诱变源一N离子注入,对出发菌株乳酸细菌LB1进行诱变改良,获得一株L一乳酸产量比出发菌株高2倍的突变株LB1—1。
郑艳等¨以初筛得到的一株干酪乳杆菌鼠李糖亚种突变株R2为出发菌株,经紫外线、硫酸二乙酯,复合诱变处理,筛选出产乳酸较高的突变株zY,L一乳酸产量达9.57g/200m1.L一乳酸含量达93.9%,糖的转化率达96.3%。
最近几年来芽孢杆菌发酵生产乳酸受到人们的关注。
Danner等¨采用嗜热脂肪芽孢杆菌菌株FA6和IFA9,以葡萄糖为碳源,分批培养发酵生产L一乳酸,糖的转化率分别为84.0%和98.7%。
Poyat等¨报道:
筛选得到能在52℃生长的一株凝结芽孢杆菌TB04,能在培养基不灭菌的条件下发酵生产乳酸,经发酵条件的优化,乳酸的最终浓度为55g/L,糖的转化率为92%。
路福平等¨副发表了芽孢乳酸菌凝结芽孢杆菌TQ33的筛选及产酸条件的研究结果,其最适生长温度45℃一50℃,厌氧条件下,以葡萄糖为碳源发酵L一乳酸,72h产酸量最高达到67.8g/L,其中L一乳酸含量占96%以上。
随着DNA重组技术的发展,在乳酸菌的选育中利用该技术构建乳酸菌株也不乏实例。
Dong等¨报道了基因工程菌E一.coliRR1的构建研究结果。
从干酪乳杆菌中提取的L一乳酸脱氢酶被转入到缺少D一乳酸脱氢酶和磷酸转乙酰酶的受体菌株中,这个重新整合的菌体只产生L一乳酸,而不产生D一乳酸。
Hakki&Akkaya等。
报道了米根霉的基因工程菌构建的研究结果。
作者采用乳酸乳球菌的乳酸脱氢酶基因的DNA序列设计了引物,采用反转录一聚合酶链式反应(RT—PCR)扩增了米根霉乳酸脱氢酶基因的片段,编码接近为72%,以此为基础进行米根霉基因工程菌生产乳酸的开发研究。
5L-乳酸发酵生产工艺
乳酸发酵过程中由于不断生成产物(乳酸)而使发酵液的酸度逐渐上升,导致对菌体生长和乳酸的形成产生抑制作用,为此不得不加入碳酸钙等中和剂进行中和,这不仅增加分离提取的困难,而且影响产品质量,并且造成了严重的污染。
为了提高乳酸产率,改进分离过程,近年来围绕乳酸生产的各个单元过程展开了许多研究,下面介绍几种有代表性的乳酸发酵新工艺。
5.1连续发酵
利用维持一定基质浓度的恒化器和保持一定细胞浓度的恒浊器可以进行乳酸的连续发酵。
Bawmanes化学有限公司采用连续发酵乳酸的工艺。
在2L连续发酵装置上,每天置换1.5倍体积培养液,连续操作了64天。
林建平等对转盘反应器固定化米根霉的L一乳酸发酵进行了研究。
结果表明:
此方法进行乳酸发酵具有发酵速度快,得率高以及既能用于连续发酵又能用于间歇发酵等优点。
5.2细胞固定化发酵
利用固定化乳酸菌可以提高细胞浓度和产率。
在固定化细胞颗粒或生物颗粒中,细胞被限制在特定的载体中而保留了较高的生物活性产酸效率更高。
Day等将干酪乳杆菌的一个亚种进行细胞固定化,发酵糖蜜生产乳酸,也取得较好的效果。
孙彦等u采用聚氨酯泡沫法固定化米根霉发酵生产L一乳酸,速率比游离菌体提高了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。
5.3细胞循环发酵
发酵过程中随着乳酸的不断产生,发酵液的pH逐步降低,使乳酸菌的生长和产酸量受到抑制
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