生物化工產(chǎn)品的開發(fā)及生產(chǎn)技術課件

第四章

生物化工產(chǎn)品的開發(fā)

及生產(chǎn)技術

有機酸氨基酸生物可降解塑料功能性食品添加劑生物農(nóng)藥與生物肥料生物藥物及其他生物產(chǎn)品1、檸檬酸：檸檬酸(“枸椽酸”)：第一有機酸，2008年全球檸檬酸總銷量高達115萬噸，食品用途約占6成，醫(yī)藥和其它工業(yè)用途（化妝品，洗滌劑等）約占4成。我國是世界主要檸檬酸生產(chǎn)國與出口國，出口量高達15萬噸以上。

第一節(jié)有機酸一、重要的有機酸檸檬酸的消費領域：飲料行業(yè)占40～45％食品添加劑等占15～20％洗滌劑占20～30％醫(yī)藥占5％其它占10％具有廣泛用途的有機酸。世界乳酸的總產(chǎn)量約為20萬噸左右，日本和美國兩國的乳酸需求量3.5萬噸。我國的乳酸目前已形成了約4萬噸的生產(chǎn)能力。青島扶?；瘜W公司是國內(nèi)最大的精制(發(fā)酵)乳酸出口企業(yè)。

2、乳酸——聚乳酸牽頭發(fā)展

PLA為一種無毒高分子新材料，在環(huán)境中可自動降解，可用于生產(chǎn)醫(yī)用塑料制品和食品包裝等。產(chǎn)業(yè)界認定為新世紀最有發(fā)展前途的新型材料。由于我國原料玉米豐富，發(fā)展乳酸及聚乳酸產(chǎn)業(yè)的前景廣闊。目前，乳酸生產(chǎn)成本偏高以及聚乳酸聚合難題成為制約乳酸工業(yè)發(fā)展的瓶頸。

蘋果酸在飲料中使用較多。但由于價格較貴，故蘋果酸的用途受到了一定的限制。全球蘋果酸的年產(chǎn)銷量約在3萬噸左右。蘋果酸有清除牙齒色斑和牙垢(牙石)的美容作用。故日本花王等日化產(chǎn)品廠商均已在牙膏、牙粉等潔齒產(chǎn)品中添加蘋果酸。3、蘋果酸——生產(chǎn)成本較高

而L蘋果酸可用于醫(yī)藥工業(yè)的輸液、pH調(diào)節(jié)劑和某些藥物的中間體。每噸純品65－70萬元人民幣。生產(chǎn)成本高,出口數(shù)量少。我國采用固定化菌體將富馬酸轉(zhuǎn)化為L蘋果酸，因技術不過關，富馬酸殘留高，出口困難。而發(fā)酵法生產(chǎn)L－蘋果酸仍處于研究階段。葡糖酸是唯一具有促進雙歧桿菌等“益生菌”生長作用的有機酸。蜂蜜、釀造醋等產(chǎn)品均含有一定量的天然葡糖酸。酸味為檸檬酸的1/3。葡糖酸作為食品和醫(yī)藥原料(如用于生產(chǎn)“葡糖酸鈣)的用量正在逐年上升。4、葡糖酸——有保健新用途

主要來源是葡萄酒生產(chǎn)廠。酒石酸在食品工業(yè)中應用遠遠不如檸檬酸那樣廣泛，但它卻是醫(yī)藥工業(yè)的重要原料。許多難溶藥物均可加工成為水溶性極佳的酒石酸鹽(如經(jīng)典藥物“酒石酸銻鉀”)。歐洲各大葡萄酒廠是世界最大的酒石酸生產(chǎn)基地，全球80%的酒石酸產(chǎn)自歐洲。發(fā)酵法生產(chǎn)酒石酸仍在研究中。5、酒石酸——八成產(chǎn)自歐洲琥珀酸在食品工業(yè)中應用較少，也屬醫(yī)藥工業(yè)的常用原料之一。主要用于生產(chǎn)難溶藥物的水溶性鹽——琥珀酸鹽。全球琥珀酸總產(chǎn)銷量約在1萬-2萬噸左右。我國的琥珀酸生產(chǎn)仍以化學合成為主。未見發(fā)酵法生產(chǎn)琥珀酸的報道。6、琥珀酸——產(chǎn)量不大

重要的化工原料，主要用于晴綸化纖、樹脂、橡膠、涂料、造紙、制藥、農(nóng)藥、輕工、食品等領域（合成樹脂或在工業(yè)上用作除垢劑等）。世界年需衣康酸5－6萬噸。主要生產(chǎn)國美國、日本、俄羅斯。我國以發(fā)酵法生產(chǎn)衣康酸，年產(chǎn)量5000t。大部分內(nèi)銷。因技術存在問題，產(chǎn)品質(zhì)量不過關。外銷困難。7、衣康酸檸檬酸（citricacid）又名枸櫞酸，學名3-羥基-3-羧基戊二酸(C6H8O7)是生物體代謝產(chǎn)物之一，廣泛分布于自然界、動物及人的器官中。無色透明或半透明晶體，或粒狀、微粒狀粉末，無臭，具有強烈的酸味，但令人愉快。稍有澀味。極易溶于水，乙醇，微溶于乙醚。無旋光性。

二檸檬酸的發(fā)酵生產(chǎn)HOOCCH2CHOHCOOHCH2COOH(一)、概述（1）食品方面：檸檬酸被稱為第一食用酸味劑飲料——不僅賦予飲料水果風味，而且具有增溶、緩沖、抗氧化等作用，能是飲料中的糖、香精、色素等成分交融協(xié)調(diào)果醬和果凍，釀造酒，冰激淋和人造奶油（增加乳化穩(wěn)定性）、腌制品（除腥去臭、抗氧化）、罐頭食品、豆制品和調(diào)味品

1、檸檬酸的應用

（2）醫(yī)藥工業(yè)、美容、化妝品工業(yè)中作為活性藥物的增溶劑，改善藥物口感和清涼，解毒功能。洗發(fā)和染發(fā)劑中均有檸檬酸具有防腐，去除頭皮屑功能，洗頭時可增加頭發(fā)的光澤，恢復頭發(fā)的彈性。

1784年;由Scheels氏發(fā)現(xiàn)檸檬酸

1893年至1917年：青霉菌生產(chǎn)（德國微生物學者

Wehmer首先用青霉菌生產(chǎn)檸檬酸）；1917年至1938年：黑曲霉，淺盤發(fā)酵，奠定了大規(guī)模生產(chǎn)的基礎；1938年至1951年：深層發(fā)酵，用糖蜜為原料（1951年美國Miles公司首先采用深層發(fā)酵法）。2、國外檸檬酸發(fā)酵技術發(fā)展的三個歷史時期我國在20世紀40年代初開始淺盤發(fā)酵；60年代末開始深層發(fā)酵（先為薯干原料，后發(fā)展到精淀粉或糖蜜原料）；1970年開始進行石油為原料發(fā)酵檸檬酸(C10～22鏈烷烴等）目前，我國檸檬酸生產(chǎn)廠已過百家，年生產(chǎn)能力達80多萬噸，居世界第一位。

淀粉質(zhì)原料或糖質(zhì)原料：

黑曲霉（Aspergillus

niger

）

正烷烴為原料：解脂假絲酵母（Candidalipolytica

）熱帶假絲酵母（C.tropicalis

）(二)、檸檬酸生產(chǎn)菌1、簡介：將接種后的發(fā)酵液分裝入發(fā)酵盤進行發(fā)酵的方法。傳統(tǒng)方法，設備投資少，動力消耗低，原料粗放、價廉，生產(chǎn)易控制，目前已實現(xiàn)全部自動化操作。缺點是設備占地大，勞動強度大，能耗高，產(chǎn)率和回收率低，副產(chǎn)物多。(四)、檸檬酸的靜止淺盤發(fā)酵工藝2、淺盤發(fā)酵設備發(fā)酵盤：材質(zhì)，以不銹鋼為佳。規(guī)格4m×1.2m×0.15m。其次還有鐵盤、鋁盤、耐酸塑料盤。發(fā)酵盤經(jīng)常受到酸液、高溫蒸汽、甲醛、微生物的侵蝕，所以材料和涂料要求嚴格。為了防止蒸發(fā)過快和天花板冷凝水滴入盤中，每個發(fā)酵盤上有一盤罩5、干孢子制備工藝流程：一級發(fā)酵用種子質(zhì)量鑒定培養(yǎng)器液態(tài)培養(yǎng)32－35℃干孢子收集干燥40－50℃無菌空氣成品保藏使用前檢查斜面培養(yǎng)30℃原菌種三角瓶培養(yǎng)3二級三級（總發(fā)酵時間：8～9天）6、液體表面發(fā)酵工藝流程pH值3～4.5攪拌煮沸15～30min靜止4h取上清加等體積沸水，糖蜜質(zhì)量1%生石灰糖蜜原料硫酸或硫酸鈉糖蜜濃度12～16%（以蔗糖計）冷卻至60～70℃加營養(yǎng)鹽和抗菌劑入室裝盤（40～45℃

液層深8～20㎝）冷卻至35℃接種黑曲霉干孢子（100mg/m2表面積）通風培養(yǎng)（35℃，3天）控溫發(fā)酵至結(jié)束26～28℃，pH2.5最大通風量(15～18m3/m2·h，濕度75%以上)(五)、檸檬酸的深層發(fā)酵工藝1檸檬酸發(fā)酵的原料原料糖質(zhì)原料和石油烷烴。糖質(zhì)原料包括薯類：甘薯、薯干、木薯、木薯干、馬鈴薯、薯渣。谷類：玉米、小麥、面粉、大米。淀粉：谷類與薯類加工的淀粉。砂糖：白砂糖、赤砂糖、糖蜜。

淀粉糖：淀粉水解糖(單糖、雙糖、糊精、葡萄糖母液)果實，糧食加工下腳料：各種含糖果實、糖食加工的下腳料等。石油烷烴原料包括正烷烴、乙酸、乙醇等

淀粉水解糖的制備

淀粉質(zhì)原料是發(fā)酵工業(yè)常用的原料，大多數(shù)發(fā)酵生產(chǎn)菌不能直接利用或僅微弱利用淀粉，因此淀粉質(zhì)原料必須轉(zhuǎn)化為葡萄糖等可發(fā)酵性糖，才能被生產(chǎn)菌利用。工業(yè)生產(chǎn)將淀粉水解為葡萄糖的過程稱為淀粉的糖化，所制得的糖液稱為淀粉水解糖碳源：黑曲霉能利用的碳源很多，淀粉和二糖，單糖大多能利用。從生產(chǎn)角度看，葡萄糖、蔗糖、糊精是最好的碳源。但為了降低成本，多用廉價的甘薯、玉米、小麥及其淀粉、糖蜜。高糖濃度是檸檬酸深層發(fā)酵的特征，薯干粉深層發(fā)酵，粉漿濃度可達16－20％。淀粉質(zhì)粉漿濃度25%。2培養(yǎng)基生理酸性氮:（NH4)2SO4,（NH4)3PO4

（NH4)2HPO4

（NH4)Cl（NH4)2CO3生理堿性氮:NaNO3,KNO3LiNO3CaNO3

有機氮:麩皮、米糠、蛋白胨、氨基酸、尿素等。氮源：檸檬酸發(fā)酵中的氮源有氮源是黑曲霉合成細胞物質(zhì)和代謝調(diào)節(jié)的重要物質(zhì)，特別是細胞中銨離子濃度的升高，能解除ATP和檸檬酸對磷酸果糖激酶的反饋抑制，有利于檸檬酸的生成與積累。在檸檬酸生產(chǎn)中，黑曲霉偏好生理酸性氮[如（NH4)2SO4]，酸性氮中的銨離子被利用后，使培養(yǎng)基變酸，可以使發(fā)酵中的黑曲霉生長階段結(jié)束，轉(zhuǎn)入產(chǎn)酸階段，pH下降到較低水平有利于檸檬酸的積累，所以銨鹽即可以調(diào)節(jié)代謝，也可以控制pH。無機鹽：無機鹽是黑曲霉生長和檸檬酸發(fā)酵不可缺少的物質(zhì)，具有構成菌體，促進代謝，促進產(chǎn)酸的作用。我國采用誘變方法改良的菌株耐金屬離子，原料與水可不經(jīng)處理用于發(fā)酵。采用薯干粉、馬鈴薯、木薯和糖蜜原料發(fā)酵，其中P、K、Mg、S已夠黑曲霉生長，不需專門添加。要求KH2PO4KClMgSO4.7H2OZn2＋Mn2＋Cu2＋SFe2＋％％％mg/L深層0.05-0.5

0.01-0.030.01-0.05

<0.3<0.2<0.5<0.07<0.2

發(fā)酵黑曲霉對無機鹽及微量元素的要求鏡檢：菌絲粗壯，結(jié)成菊花狀小球體，無異味，無雜菌。pH：2.0-2.5酸度：0.5-2.0%檸檬酸含量：0.5g/dl種子質(zhì)量要求：3檸檬酸深層發(fā)酵工藝流程（薯干原料）原始菌種實罐滅菌預處理培養(yǎng)基配制原料實罐液化粉碎無菌空氣麩曲菌種空氣凈化系統(tǒng)空壓機種子罐試管斜面環(huán)境空氣過濾發(fā)酵連消發(fā)酵成熟醪去檸檬酸提取工段代表菌種：Co827、γ-130、T419液體深層發(fā)酵工藝三級過濾↓黑曲霉↓原料,配料↓滅菌空氣ⅠⅡⅢ無菌空氣檸檬酸（鹽）ⅣⅤ無菌空氣制備和有氧發(fā)酵系統(tǒng)（氣升式發(fā)酵罐）生產(chǎn)實例工藝說明菌種：Co827麩曲菌種：制法同前種子罐培養(yǎng)基：干薯干粉16-20%，（NH4)2SO40.5%，0.1MPa蒸汽滅菌30min，接入1000ml三角瓶麩曲菌種20-50只（根據(jù)發(fā)酵罐容積定）。35±1℃培養(yǎng)16-24h。發(fā)酵罐培養(yǎng)基：干薯干粉16-20%，0.1%的α-淀粉酶（中溫），115℃滅菌10－15min，培養(yǎng)溫度35±1℃，通風量0.08-0.15m3/m3.min（視接種方式及培養(yǎng)情況而定）。溫度控制黑曲霉屬嗜熱菌，最適生長溫度33－37℃，生產(chǎn)中溫度控制在35±1℃。若采用孢子接種，在孢子發(fā)芽和菌球體形成階段，可采用40℃高溫培養(yǎng)，促進其發(fā)育，進入產(chǎn)酸期再降到35℃左右。pH控制黑曲霉檸檬酸生產(chǎn)菌發(fā)育適宜pH3－7。一般在生產(chǎn)中，在菌種生長期，pH維持在4.5(有利于糖化）。而檸檬酸積累時，即產(chǎn)酸期最適pH2.0-3.0。pH3.0以上易產(chǎn)生草酸。采用薯干發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸，初始pH不調(diào)節(jié)，為自然pH。接種量孢子接種量與產(chǎn)酸的速率成正比關系，隨著孢子接種量的增加，檸檬酸的產(chǎn)率也提高。溶解氧的控制黑曲霉的檸檬酸產(chǎn)生菌屬于嚴格的好氧菌，在生長、繁殖和產(chǎn)酸階段均需要氧，一般黑曲霉生長期溶氧分壓＞1.8kPa，產(chǎn)酸期溶氧分壓＞3.2kPa由于菌體生長過程中呼吸作用，消耗大量的氧氣，特別當菌體生長接近最大值時(20～24h)即旺盛的對數(shù)生長期時，其需氧達到最高蜂，其后(一般24—30h)菌體生長緩慢，進入產(chǎn)酸期，氧的消耗率立即降低到一個較低的水平，并一直持續(xù)到發(fā)酵終了。(六）檸檬酸生產(chǎn)下游工程成熟的檸檬酸發(fā)酵醪，主要成分除檸檬酸，還有菌體，纖維、有機雜酸、糖、蛋白類膠體物質(zhì)、色素、礦物質(zhì)及其它代謝產(chǎn)物。來源于原料及發(fā)酵過程中。以溶解或懸浮狀存在于發(fā)酵醪中。通過各種理化方法，清除這些雜質(zhì)，得到符合各級質(zhì)量標準的檸檬酸成品的全過程，即為檸檬酸生產(chǎn)的下游工程。發(fā)酵醪精濾凈化液復濾過濾陽離子交換拄調(diào)漿粗檸檬酸液預熱鈣鹽離子交換工藝流程活性碳粒濾液酸解蒸發(fā)結(jié)晶離心陰離子交換拄預處理復濾過濾洗鈣中和過濾濕晶包裝干燥筒倉篩分入庫成品菌渣濃有機廢水淡有機廢水濕石膏渣加熱90℃CaCO390℃H2SO4等外品洗晶水母液70℃

乳酸,又名丙醇酸,學名α-羥基丙酸,分子式為C3H6O3,其分子結(jié)構中含有一個不對稱碳原子,因此具有旋光性按其構型及旋光性可分為L-乳酸、D-乳酸和DL外消旋乳酸三類.它是世界上公認的三大有機酸之一,是制造無毒的高分子化合物聚L-乳酸的單體,也是醫(yī)藥、印刷、印染、制革、食品等工業(yè)的重要原料。二乳酸發(fā)酵

作為一種食品添加劑人體只含有L-乳酸脫氫酶,所以只能夠分解自身產(chǎn)生或攝入的L-乳酸,所以高光學純度的L-乳酸更受市場的青睞。自然界中可產(chǎn)生L-乳酸的微生物很多,但產(chǎn)酸能力強,可應用到工業(yè)上的只有霉菌中的根霉及細菌的乳桿菌屬、鏈球菌屬及芽孢桿菌屬,下表列出了一些主要的產(chǎn)L-乳酸的微生物。

根霉屬(Rhizopus)中產(chǎn)L一乳酸的菌種很多,有米根霉(Rhizopusoryzae)、黑根霉(Rhizopusnigricans)、華根霉(Rh.chinensis)、行走根霉(Rhizopusstolonifer)、小麥曲根霉(Rhizopusritici)和美麗根霉(Rhizopuselegans)等十多種,其中米根霉生產(chǎn)L一乳酸的能力最強。

米根霉菌落疏松或稠密,最初呈白色,后變?yōu)榛液稚蚝诤稚?。菌絲爬行,無色,于37-40℃生長。米根霉能夠利用淀粉等廉價原料,營養(yǎng)要求粗放,菌絲體大而易于分離,利于L一乳酸的精制,成為國內(nèi)外廣泛研究的發(fā)酵生產(chǎn)菌。

國內(nèi)外對乳酸發(fā)酵生產(chǎn)的研究,主要是從發(fā)酵原料的選擇、菌種的選擇和改良、發(fā)酵工藝技術的改進三個方面進行的（一）發(fā)酵制備L-乳酸所用的原料及選擇

1發(fā)酵制備L-乳酸所用原料的種類目前國內(nèi)外發(fā)酵制備乳酸所用原料多集中于農(nóng)副產(chǎn)品，也有利用纖維等廢棄物發(fā)酵乳酸的報道。

以玉米淀粉或玉米粉發(fā)酵制備乳酸；以大米粉發(fā)酵制備乳酸；以紅薯淀粉發(fā)酵制備乳酸；以纖維等廢棄物發(fā)酵制備乳酸；以廢食品等為碳源進行乳酸制備。

YuRC等人對直接發(fā)酵農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)L-乳酸進行了研究，其結(jié)果是每千克粗玉米淀粉原料生成350g以上的L-乳酸。白冬梅等人對玉米淀粉先液化糖化再進行發(fā)酵，產(chǎn)酸71.65g/L。吳清林等人直接對玉米粉進行發(fā)酵，通過物理方法處理，克服了淀粉濃度過高時基質(zhì)變?yōu)槟z而不能發(fā)酵的困難，不需經(jīng)液化糖化程序。

發(fā)酵制備乳酸的發(fā)展方向是對淀粉質(zhì)原料的直接應用，不需經(jīng)過液化和糖化，這樣可以大大簡化工序、降低成本，為實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎。另一發(fā)展方向就是利用低品位的原料(如生物質(zhì)原料、廢纖維、廚房垃圾等)發(fā)酵制備乳酸，以實現(xiàn)資源循環(huán)利用和可持續(xù)利用。發(fā)酵制備L-乳酸原料的利用方式

發(fā)酵制備L-乳酸原料利用方式的不同決定整個工藝的進程，影響生產(chǎn)的成本。目前發(fā)酵制備L-乳酸對原料的利用方式主要集中于：①先經(jīng)液化再糖化，進而再經(jīng)微生物利用；

②糖化和發(fā)酵同時進行；

③對淀粉質(zhì)原料直接進行利用，不經(jīng)過液化糖化處理，可簡化工藝過程，但對菌種要求較高，目前產(chǎn)率較低。（二）菌種的選擇和改良

菌種選育菌種的優(yōu)良直接關系到發(fā)酵過程的控制及其產(chǎn)量等,是發(fā)酵過程中的一個至關重要的影響因素。目前以米根霉為親本的優(yōu)良菌株的選育有:1、常規(guī)誘變育種只有乙醇脫氫酶（ADH）活性減弱的菌株才能生長。抑制ADH活性，降低丙酮酸向乙醇支路的轉(zhuǎn)化，可能會提高丙酮酸向乳酸支路的碳流。

發(fā)酵復篩，得到最優(yōu)突變株：取原始菌株、初篩后的突變菌株進行初步發(fā)酵。測定乳酸產(chǎn)量，選擇出乳酸高產(chǎn)突變株。

育種實驗方案流程：2、離子注入誘變育種

離子注入生物體誘變育種是人工誘變方法的一種新發(fā)明,已經(jīng)證實離子注入誘變,可以獲得高突變率,擴大突變譜,為篩選優(yōu)良的突變型菌株提供廣闊的空間。方法培養(yǎng)方法：需要用到：斜面培養(yǎng)、液體種子培養(yǎng)、發(fā)酵培養(yǎng)低能離子注入：樣品的制備：長好的新鮮斜面,用7～10mL生理鹽水洗下斜面孢子,用雙層無菌紗布過濾得到無菌絲體孢子懸液,取稀釋10倍孢子懸液0.1mL均勻涂布于無菌平皿風干。低能離子誘變處理：一般采用N+，能量為10keV~15keV，需要采用不同的劑量去處理。樣品、稀釋、分離、培養(yǎng)及篩選：1mL生理鹽水洗滌注入后的樣品,將洗脫液稀釋到10-2～10-3，取0.05mL涂布于溴甲酚綠平板或琥珀酸平板上，34～36℃培養(yǎng)，挑取單菌落進行初篩，復篩。

古紹彬、葛春梅等采用離子束誘變方法,對米根霉PW352進行改良,以葡萄糖為碳源獲得高產(chǎn)L(+)-乳酸菌株RE3303,產(chǎn)酸能力達131～136g/L,最高可達140g/L,糖轉(zhuǎn)化率為86%～90%,產(chǎn)酸比PW352提高75%。

楊英歌、李文等采用氮離子注入誘變方法，對出發(fā)菌株米根霉RLC41-6進行改良，獲得高產(chǎn)L(+)-乳酸菌RQ4012，以木糖作為碳源，發(fā)酵周期為72h，產(chǎn)酸能力達74.37g/L，產(chǎn)酸速達1.03g/(L.h)，比RLC41-6提高了1.6倍。經(jīng)過多次傳代實驗證明該菌株具有較好的遺傳穩(wěn)定性。

李市場、葛春梅等采用離子修飾技術對一株產(chǎn)L-乳酸的米根霉菌P988進行誘變處理,從正變菌株中反復篩選,得到一株產(chǎn)酸量高的菌株PN2207,產(chǎn)酸量達110g/L,比出發(fā)菌株提高了23%,經(jīng)過連續(xù)傳代試驗,其遺傳性狀穩(wěn)定。3.利用基因工程技術得到高產(chǎn)的目的工程菌株。

L-乳酸脫氫酶(lactatedehydrogenase)以煙酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD+/NADH作輔酶,可逆催化氧化L-乳酸生成丙酮酸,因此可以提高L-乳酸脫氫酶表達基因在菌株中的擴增,使其向有利于L-乳酸生成的方向進行。Skory首次將米根霉的乳酸脫氫酶基因在酵母菌中表達。其后又通過提高乳酸脫氫酶活性來提高米根霉的產(chǎn)酸能力。盡管基因工程實現(xiàn)了有目的、有控制的菌株選育,但目前關于插入的DNA片斷在米根霉菌株中是如何結(jié)合與復制的還不清楚,在如何選擇最佳質(zhì)粒載體等方面也還有待進一步的研究。

根霉發(fā)酵機理L-乳酸發(fā)酵按發(fā)酵過程中生成產(chǎn)物的不同,可分成同型發(fā)酵及異型發(fā)酵兩類,不同菌種有不同的乳酸發(fā)酵機理,細菌發(fā)酵為厭氧或微好氧。細菌的同型發(fā)酵一般是通過糖酵解途徑,異型發(fā)酵有6-磷酸葡萄糖酸途徑和雙歧途徑兩種。根霉發(fā)酵屬好氧異型發(fā)酵,但其途徑與細菌異型發(fā)酵不同,是通過糖酵解途徑,發(fā)酵產(chǎn)生L-乳酸的同時產(chǎn)生乙醇、富馬酸等,糖轉(zhuǎn)化率較低。（三）發(fā)酵工藝技術同型乳酸發(fā)酵是葡萄糖經(jīng)直接酵解途徑降解為丙酮酸,丙酮酸在乳酸脫氫酶的催化下還原為乳酸。此發(fā)酵過程中,1mol葡萄糖可以生成2mol乳酸,理論轉(zhuǎn)化為100%。

異型乳酸發(fā)酵是某些乳酸細菌利用磷酸已糖途經(jīng)(HMP途徑),分解葡萄糖為6-磷酸核酮酸,再經(jīng)差向異構酶作用變成5-磷酸木酮糖,然后經(jīng)磷酸酮解酶催化裂解反應,生成3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。磷酸酮解酶是異型乳酸發(fā)酵的關鍵酶。乙酰磷酸進一步還原為乙醇,同時放出磷酸。而3-磷酸甘油醛經(jīng)EMP途徑后半部分轉(zhuǎn)化為乳酸,同時產(chǎn)生兩分子ATP?？鄢l(fā)酵時激活葡萄糖消耗的1分子ATP,凈得1分子ATP。因此由葡萄糖進行異型乳酸發(fā)酵,其產(chǎn)酸能力比同型乳酸發(fā)酵低一半。異型乳酸發(fā)酵產(chǎn)物除乳酸外還有乙醇、CO2和ATP。

雙歧發(fā)酵是兩歧雙岐桿菌(Bifidobacteriumbi2fidum)發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生乳酸的一條途徑。其發(fā)酵途徑如下:乳酸生產(chǎn)的傳統(tǒng)方法是采用游離細胞在攪拌罐中進行發(fā)酵，由于米根霉的菌絲發(fā)達，在罐中易形成大的菌絲團，引起氧氣及其它營養(yǎng)物質(zhì)的傳遞困難，或纏繞在攪拌槳上，使攪拌阻力增加，造成產(chǎn)酸速率低、得率低、生產(chǎn)不穩(wěn)定等問題。Cachon和Divies的研究表明固定化技術可以作為一種穩(wěn)定菌體活力、防止質(zhì)粒流失的工具。因此利用固定化技術生產(chǎn)乳酸可以提高細胞濃度和乳酸產(chǎn)率。

米根霉發(fā)酵工藝

在工業(yè)化生產(chǎn)中最重要的是：固定化細胞載體可以反復使用，盡量減少接種次數(shù)，節(jié)省了大量的人力、物力和能源。因此，固定化技術是提高生物催化劑利用率、生物反應速率以及實現(xiàn)高效連續(xù)生產(chǎn)過程的有效方法。用于米根霉固定化發(fā)酵的載體種類相對比較多，但是很少能優(yōu)化出用于大規(guī)模生產(chǎn)并創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟效益的載體規(guī)格，所以在以后對于乳酸固定化發(fā)酵的研究中，載體的優(yōu)化和改良必將成為新的研究熱點。