L一乳酸的研究进展及其应用前景
2006-09-17 17:08:10   来源：不详   评论：0 点击：

      乳酸(Lactic Acid)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-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100m留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.

    1, L一乳酸的性质
    乳酸(Lactic Acid)学名为2一经基丙酸(2一Hydroxy  Propaneic  Acid )，分子式为C3 H6 03，结构式为CH3 CHOHCOOH，相对分子质量为90.08。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`C，沸点为122`C (2kPa) ,相对密度为1.240 L一乳酸分子内含有羟基和羧基.因此有自动醋化能力，脱水能聚合成聚L一乳酸。一般工业用L一乳酸含量为50%- 80%，食品及医药工业用L一乳酸的含量为80%一90%。
    L一乳酸及L一乳酸盐在食品、医药、农业、化工等领域有广泛的应用。此外，L一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。
2    L一乳酸生产方法
    L一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睛法。该法以乙醛和氢氛酸为原料，在常压下液相反应产生粗乳睛。粗乳睛通过蒸馏提纯后，加入浓盐酸或浓硫酸水解生成乳酸，粗乳酸可采用醋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。
22酶法
2.2. I抓丙酸酶法转化
    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-2一卤代酸脱卤酶，作用于底物DL, --2一氯丙酸，制得L一乳酸或D一乳酸L -2一卤代酸脱卤酶催化L一2一卤代酸联卤;而DL一2一卤代酸脱卤酶既可催化L-2一卤代酸脱卤，又可催化D-2一卤代酸脱卤，在催化是可发生构型转变。
22，2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DSM0196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.
23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I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8O%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)，及芽袍杆菌属(Bacillus)等。表1列出了一些主要的产L一乳酸的微生物菌株。

根霉菌属(Rhizopus)
  黑根霉(Rhizopus nigricans)
  小麦曲根霉( Rhizopus frifici )
  华根霉( Rhizopus chinensis)
  甘薯根霉(Rhizopus patato)
米根霉( Rhizopus oryzae )
  结节根霉( Rhizopus nodosus)
  日本根霉(Rhizopus japonicus)
  少根根霉( Rhizopus arrhizus )
  美丽根霉(Rhizopus elegens)
乳杆菌属(Lactobacillus )
  干酷乳杆菌(Lactobacillus casei)
  嗜热乳杆菌(Lactobacillus thermophilum )
  清酒乳杆(Lactobacillus sake)
  嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)
  嗜淀粉乳杆菌(Lactobacillus amylophilus)
  唾液乳杆菌(Lactobacillus salivarias)
  植物乳杆菌( Lactobacillus plantarum )
  戊糖乳杆菌( lactobacillus pentosus)
  木糖乳杆菌( Lactobacillus bifidus)
链球菌属(Streptococcus)
  嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)
  乳脂链球菌(Streptococcus cremoris)
  唾液链球菌(Streptococcus salivarius)
芽袍杆菌属(Bacillus )
  凝结芽袍杆菌(Bacillus soagulans )
  嗜热脂肪芽袍杆菌(Bacillus stearathemophilus)

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 -R73，并对该菌株的性能及产酸条件进行了研究，用500 L的发酵罐进行了扩大实验。当葡萄糖浓度为10%时产酸70g/L;13%时产酸101g/L以上，该菌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[6]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- 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度,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化钾平板检出方法从土壤筛选出产乳酸81留L的根霉R-2菌株，以其为出发菌株经紫外线诱变，从琥拍酸平板上获得R一2一91，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-乳酸菌株RE3303，产酸能力达131一136g/L,最高可达140g/L,糖的转化率为86% -90%，产酸比PW352提高75 %。天津工业微生物研究所杨子培等人用米根霉TL - 527_y菌株以玉米淀粉深层发酵生产L一乳酸，在3m3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-RL B4542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。Elujanen等对干酪乳杆菌NRRL B- 441产L一乳酸进行优化，在葡萄糖浓度为I60g/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，对出发菌株于酪乳杆菌YBQ1一I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，亚硝基肌,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、珑拍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%G，对糖的转化率为88. 9%。刘勇军等采用新的物理诱变源一N‘离子注入，对出发菌株乳酸细菌LB 1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LB1一1.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、硫酸二乙醋，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. 57 g/200 ml ,L一乳酸含量达93.9% ,糖的转化率达96.3 %。
    最近几年来芽袍杆菌发酵生产乳酸受到人们的关注。Danner等采用嗜热脂肪芽袍杆菌菌株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 % o Poyat等报道:筛选得到能在52℃生长的一株凝结芽抱杆菌TBO4，能在培养墓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%。路福平等发表了芽袍乳酸菌凝结芽袍杆菌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F-. coliRRl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酸酶的受体菌株中，这个重新整合的菌体只产生L一乳酸，而不产生D一乳酸o 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。
5   L一乳酸发酵生产工艺
    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，导致刘菌体生长和乳酸形成产生抑制作用，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aBawmane，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。孙彦等采用聚氨醋泡沫法固定化米根霉发酵生产L-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。为了提高乳酸产率需要保持高细胞浓度并及时从发酵液中移走抑制性产物(乳酸)。细胞循环发酵，是利用一定装置让成熟的发酵液流向后处理单元的同时，使菌体返回生物反应器内继续使用，并适时排除衰老的细胞，也称原位分离(ISPR)技术。今年来开发了一系列ISPR新技术。以下是IS-PR技术几种主要方法。
5. 3. 1溶荆萃取发酵
    溶剂萃取发酵是在发酵过程中利用有机溶剂连续移走发酵产物以消除产物抑制的耦合发酵技术。它具有节省能源，溶剂选择性高等优点。Chen等使用微孔中空纤维膜( MFH)溶剂萃取法，连续原位萃取乳酸。发酵菌种用德氏乳杆菌NRRL B445，乳酸发酵原料用纤维素等，硫酸水解预处理。加纤维素酶同时糖化萃取发酵(SSEF)，这种工艺实际是两个工艺的组合:发酵液的SSF和流经MHF的萃取工艺。文献报道，利用双液相萃取法进行乳酸发酵，将聚乙二醇( PEG )水溶液和经基醚纤维素(HEC)水溶液加入发酵液中使乳酸和菌体分离，HEC对细胞的生长无影响。该工艺与间歇发酵相比，乳酸产量提高15%。
5. 3. 2电渗析发酵
    电渗析发酵(EDF)的原理是用电场使离子选择性通过交换膜，以减少产物抑制。电渗析发酵不用中和剂就可以控制pH，还可以简化产品提取工艺。但由于乳酸菌常附着到阴离子膜上，使电渗析效率下降。因此，乳酸对膜的吸附EDF的限制因素。细胞固定化技术可以解决这个问题。
5. 3. 3吸附发酵
    用适当的载体选择性吸附乳酸，可以减少产物抑制，常用的吸附剂有活性炭、离子交换树脂等。用固定化细胞发酵乳酸，将活性炭加入到柱型流化床生物反应器中，可以控制发酵液的pH。国内也开展了乳酸吸附发酵研究。国产树脂D354具有吸附容量大、选择性好的特点，其分离效果与PYP树脂相同。Moldes等将SSF技术与离子交换树脂吸附发酵液中乳酸相祸合，系统运作20h,乳酸产率达1. 18g(L *h) 。
5. 3. 4膜法发酵
    膜法发酵使发酵和分离过程相祸合，细胞循环使用，乳酸从发酵罐中连续移走，使发酵过程的细胞浓度保持较高的水平。细胞循环可以使用不同类型的膜，如渗析(依靠扩散排阻少、微滤和超滤(靠分子排阻)等1141。Danner等设计了超滤膜生物反应器(MR )耦联一单极电渗析箱(ED)，构成MBR - ED单元操作系统，对能利用乙糖和戊糖的嗜热脂肪芽袍杆菌BS119进行连续发酵生产乳酸的研究。结果MBR一ED单元操作系统使乳酸浓度达到115g/L。在运行1052h后并未测出有微生物的污染。文献报道了，用细胞再循环反应器进行连续的膜分离，形成的乳酸被连续排除，使培养基中的乳酸质量分数保持在12%。基本解决了产物抑制的问题。
    总之，ISPR技术克服了传统发酵工艺中的产物抑制、生产成本高和碳酸钙对环境污染等缺点，是今后乳酸发酵工业的发展方向，值得深入研究。
6 L一乳酸的应用前景
  在食品行业中的应用
    由于L一乳酸对人体无毒无副作用，而且易吸收，可直接参与体内代谢，酸性柔和且稳定，有助于食品的风味，因此L一乳酸及其衍生物，作为酸味剂、乳化剂、杀菌剂、保鲜剂，pH调节剂、啤酒、糕点等广泛的应用于食品工业。
6. 2医药行业的应用
    L一乳酸可直接配置成药物或制成乳酸盐使用，由于乳酸对人和畜无害，而且有很强的杀菌作用，因而，乳酸可直接用作室内外环境、饮食、手术室、病房、实验室、车间等场所的消毒剂。L一乳酸、L一乳酸钠与葡萄糖、氨墓酸等复合配置成输液，可治疗酸中毒及高钾血症L一乳酸亚铁、L一乳酸钙,L一乳酸锌是补充金属元素的良好药品。由聚乳酸制成的手术缝合线、生物植片等在临床上都被广泛应用。
5.3在轻工、化工行业的应用
    可作为纺织品的助染料剂，在电子、航空和航天及半导体工业中作为精细金属清洁剂。在化妆品和清洁卫生用品方面，可作为滋润剂、皮肤增白剂、保湿剂抗菌剂、乳化剂延长产品的保质期等作用。在皮革工业中可用40%乳酸除去蹂皮中石灰，提高皮革质量。在卷烟工业中，可用乳酸除去烟草中质，清除辛辣味，改善口味，提高烟草档次。
6. 4在农业上的应用
    由发酵获得的阻乳酸氨溶液，可直接作为青贮料添加剂，应用于农业饲料。另外L一乳酸还可以作为植物生长活力剂，水产J生菌剂等应用于农、渔业上，具有十分诱人的开发前景。
6. 5可生物降解材料聚乳酸
    生物工程材料聚L一乳酸是以L-乳酸为原料合成的高分子材料，无毒，具有良好的生物相溶性，可生物降解吸收，强度高，可塑性加工成型。它易被自然界中的各种微生物或动植物体内的酶分解代替，最终形成二氧化碳和水，不污染环境，因而被认为是最有前途的可生物降解高分子材料。
6. 5. 1可生物降解塑料
    为解决塑料废弃物对环境造成污染问题，可生物降解塑料已经在许多国家开始研究与应用。聚乳酸塑料可用作生产农用薄膜、食品包装袋、保鲜膜、餐盒、塑料容器等。此外聚乳酸有望在不久的将来代替PVC , PP等各种不可降解的塑料，以消除“白色污染”所造成的环境危机。
6. 5. 2可生物降解医用材料
    人类对医用高分子材料的需求日益增大，特别是用于人体内的高分子材料要求较高，需具有良好的物理化学性能，还要求与人体组织有良好的相溶性，有相当的机械强度及耐久性，可经受各种消毒处理及良好的加工性能，无毒副作用等。聚乳酸材料具备了这样的条件，因此正在开发应用于生物医学领域如手术缝合线、骨科固定、组织修复材料、医用外套、个人卫生用品及药物控制释放体系等。
7进一步开发建议
    综上所述，L一乳酸产业是目前国内外研究的热门课题，乳酸的发酵工艺已基本过关，乳酸的提取技术也有所突破。但存在的主要问题是:发酵产酸率低，生产成本偏高;分离、提取设备落后，产品质量不稳定。总体上乳酸生产技术与国外有一定的差距。这一定程度上阻碍了我国乳酸行业的发展。因此，建议今后应从以下方面还进一步深入研究。
    (1)应用新技术选育高产菌株:菌种是发酵工业的命根，一个优良的生产菌株是提高产品产量、质量和经济效益的保障。因此，一方面应该继续进行野生型乳酸生产菌株的筛选开发工作;另一方面应该将传统的诱变育种技术和分子生物学育种技术有效的相结合，定向选育生产L一乳酸的优良生产菌株。同时，大力开展和开发基因工程菌的构建，并在规模化生产中应用。
    (2)优化发酵工艺，降低生产成本:进行培养基的优化筛选研究，利用含糖废料廉价的原料，建立高效、成本低的L一乳酸发酵工艺和提取方法，降低生产成本。
    (3)改进发酵设备和提取工艺:在乳酸发酵生产中，下游提取工艺的成本占很大的比率，因此强化下游加工过程及设备的研究开发。设计新型发酵设备，有效的综合利用先进的原位分离技术、集成分子蒸馏和膜分离技术改善分离工艺，降低产品提取成本，提高效益。
参考文献
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