L_乳酸发酵细菌菌种的研究进展_闫秋海(1)

（P：磷酸；LDH：乳酸脱氢酶）
图1 同型乳酸发酵细菌乳酸代谢途径
表1 L-乳酸产生菌株
菌种
产量 / (g·L-1)
底物
温度 / 参考 ℃ 文献
Pediococcus acidilactici DQ2
75
纤维素 48 [3]
Lactobacillus amylophilus GV6 L. manihotivorans LMG 18010T
目前L-乳酸主要通过微生物发酵法获得，根据发 酵微生物的种类不同又可分为根霉发酵和细菌发酵。 根霉发酵所使用的菌株主要以米根霉为主，它可以在 氧气充足的条件下，直接利用淀粉质原料产生L-乳 酸，但其理论转化率较低，菌体形态易发生变化从而 导致生产速率的下降，且发酵过程需要不断通风搅 拌，动力消耗较大[2]，因此，根霉发酵正逐步被细菌发
乳酸（Lactic acid），学名α-羟基丙酸，分子式 为C3H6O3，是世界上公认的三大有机酸之一。由于乳 酸分子结构中含有一个不对称碳原子，因此它具有旋 光异构现象。根据构型及旋光性的不同，乳酸可分为 D-乳酸、L-乳酸和DL-乳酸，其中L-乳酸为左旋型乳 酸，是人体唯一可以分解利用的乳酸类型。L-乳酸在 食品、医药、农业、化妆品等众多领域有着广泛的应 用，特别是高光学纯度的L-乳酸，因其可作为生物降 解材料L-聚乳酸的前体，市场需求量巨大[1]。
专题论述
发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径，在发酵过程中， 2 mol葡萄糖产生2 mol乳酸及3 mol乙酸，乳酸转化率为 50%[1]。因此，目前细菌发酵生产L-乳酸的研究主要 以同型发酵细菌为主，其乳酸代谢途径如图1所示。
在乳酸菌的代谢过程中，乳酸脱氢酶（LDH）是 催化丙酮酸转化为乳酸的关键酶。在微生物体内一般 含有两种乳酸脱氢酶基因ldhL和ldhD，分别调控产生 L-乳酸脱氢酶和D-乳酸脱氢酶，催化丙酮酸产生L乳酸和D-乳酸。因此，对大部分乳酸菌而言，其发酵 产物乳酸多为L-乳酸和D-乳酸的混合物。此外，大 多数天然乳酸菌株的产乳酸能力非常低，发酵产物多 种多样，对糖或乳酸的耐受性比较差而使其基本不具 有使用价值，必须运用生物工程技术对现有的菌种进 行改造。表1列出了近些年来报道的部分产L-乳酸的 菌种及其基本生理特性。
Enterococcus faecalis RKY1
63.5
Enterococcus hawaiiensis CICIMCU B0114
56
玉米淀粉 38 [13] 葡萄糖 37 [14]
Escherichia coli RR1
45.5 葡萄糖 37 [15]
*通讯作者
2 乳杆菌属细菌
乳杆菌属细菌是最早应用于乳酸生产的一类细 菌，因其具有产酸量高、产酸快等特点，一直是乳 酸发酵生产中研究最多的乳酸菌类型，如德式乳杆 菌、鼠李糖乳杆菌、嗜热乳杆菌、干酪乳杆菌等。 乳杆菌属细菌应用于L-乳酸发酵时，产物乳酸中往 往会含有较多的D型或DL型乳酸，造成L-乳酸的光 学纯度过低，给下游的L-乳酸的分离提纯带来不 便。近几十年来，研究人员对进一步提高乳杆菌属 细菌L-乳酸产量及光学纯度开展了大量的研究，取 得了很大的进展。
在1 000～10 000 CFU/g。故具体的限量可以根据抽样 方案来定。单增李氏特菌这次虽然没有检出，但其在 4 ℃的环境中仍可生长繁殖，且酸性、碱性条件下都 适应，是冷藏食品威胁人类健康的主要病原菌之一， 因此，也必须加以重视。另外目前产品标准的大肠菌 群的结果报告为MPN/100 g，而按照大肠菌群检测现 行国家标准，大肠菌群的结果报告为MPN/g，所以存 在着不匹配的现象，这也是目前微生物检测中普遍存 在的问题，有待于进一步的修订。
Nwankwo等人从木薯基发酵产品中分离得到了一 株可分解淀粉的Lactobacillus plantarum[21]。Keisuke Shibata等人从发酵米糕中分离得到一株解淀粉乳酸细 菌Enterococcus faecium No.78，它在30 ℃条件下可以 直接发酵西米淀粉产生3.04 g L-1h-1的乳酸 [22]。Kaloyan 等人从发酵面团中分离得到Lactococcus lactis sub.sp. lactis B84，在33 ℃条件下，它可以水解18 g/L的淀 粉，产生5.5 g/L的L-乳酸[6]。Junya Narita等人筛选得 到一株可直接利用可溶性淀粉的Streptococcus bovis 148，其乳酸产率可达到0.88，L-乳酸光学纯度为 95.6%[11]。王旭明等从厌氧发酵的厨房垃圾中分离得 到6株水解淀粉的乳酸细菌，其中一株链球菌属细菌 FH164能够利用40.50 g/L的可溶性淀粉产生32.67 g/L的 乳酸[10]。
49.1 玉米淀粉 37 [4] 12.6 可溶性淀粉 37 [5]
Lactococcus lபைடு நூலகம்ctis ctis B84 5.5 可溶性淀粉 33 [6]
Lactobacillus rhamnosus GX-6
138 木薯淀粉 47 [7]
L.delbrueckii NCIMB 8130
专题论述
L-乳酸发酵细菌菌种的研究进展
闫秋海1，徐慧2，刘建军1,2*
1. 山东轻工业学院 食品与生物工程学院（济南 250353）；2. 山东省食品发酵工程重点实验室（济南 250013） 摘 要 L-乳酸作为一种重要的工业有机酸, 在食品、医药、农业、化妆品等领域有着重要应用, 特别是作为生物 降解材料聚L-乳酸的前体, 市场需求量巨大。微生物发酵法是目前L-乳酸的主要生产方法, 而菌种在发酵法中占 有非常重要的地位, 是决定整个生产过程的关键。总结近几十年来发酵法生产L-乳酸细菌菌种的研究进展。 关键词 L-乳酸; 乳酸菌; 乳酸脱氢酶
2. Food and Fermentation Engineering Key Lab of Shandong Province (Ji’nan 250013) Abstract As an important industrial organic acid, L-lactic acid is widely used in the food, pharmaceutical, chemical and cosmetic industries and has received increased attention for use as a monomer for the production of biodegradable poly. Microbial fermentation is the most important method for L-lactic acid production and microorganisms play a key role in the fermentation method. The research development of L-lactic acid-producing microorganisms was summarized. Keywords L-Lactic acid; Lactic acid bacteria; Lactate dehydrogenase
为提高产物L-乳酸的光学纯度，Kari等人以 Lactobacillus helveticus CNRZ32为出发菌株，利用基 因工程手段分别将ldhD敲除和敲除替换为ldhL，得到 两株工程菌株GRL86和GRL89。实验结果表明，改造 后的两株菌株均不再产生D-乳酸，且L-乳酸脱氢酶 的活性分别提高了53%和93%[18]。
The Research Progress of L-Lactic Acid Fermentation Bacterial Strains
Yan Qiu-hai1, Xu Hui2, Liu Jian-jun1,2* 1. College of Food and Biological Engineering, Shandong Polytechnic University (Ji’nan 250353);
通过传统诱变选育及基因工程技术在菌种选育中 的应用，目前仍然是提高乳杆菌属细菌发酵产L-乳酸 产量及光学纯度的主要手段，此外，利用乳杆菌属细 菌实现L-乳酸发酵工业化生产，还需要解决原料成本 过高以及发酵副产物过多的难题。
3 芽孢杆菌属细菌
芽孢杆菌属细菌中用于乳酸发酵研究的主要是 凝结芽孢杆菌，它属于肠道乳酸菌，广泛存在于 50~55 ℃的土壤环境中。与其他乳酸菌相比，凝结 芽孢杆菌对乳酸有较好的耐受性，可积累较高浓度 的L-乳酸。此外，其发酵温度一般高于50 ℃，发酵 过程不易染菌，底物可以不经过灭菌而直接进行添 加，避免了原料因高温灭菌导致的损耗，同时减少 了能源的消耗。
88
蔗糖 37 [8]
L. helveticus R211
66
乳清 37 [9]
Streptococcus sp FH164
32.67 可溶性淀粉 37 [10]
Streptococcus bovis 148
14.7 可溶性淀粉 37 [11]
Bacillus coagulans BS12-6
118 葡萄糖 55 [12]
4 解淀粉乳酸细菌
解淀粉乳酸细菌是一类可以产生淀粉酶的乳酸菌 的总称，它们可以直接利用淀粉质原料进行L-乳酸的 发酵生产，从而免去了淀粉质原料的水解糖化过程， 减少了工艺流程并降低生产成本。开展解淀粉乳酸细 菌筛选及应用的研究，对进一步降低细菌发酵生产L乳酸的成本具有重要意义。目前已有许多从谷物、木 薯等淀粉质原料或厨房垃圾中分离得到解淀粉乳酸细 菌的报道。
《食品工业》2013 年第34卷第 7 期
157
专题论述
目前对芽孢杆菌属细菌的基因组信息还不是很 了解，近几年，随着基因组学的兴起，研究人员也 展开了对芽孢杆菌属细菌基因信息的研究。2011年 Su等人首次对芽孢杆菌属细菌中基因组信息最少的 嗜热凝结芽孢杆菌2-6的基因组进行测序，并试图从 基因的角度对其产物L-乳酸的光学纯度进行解释， 他们认为ldhD序列的移码突变很可能是导致嗜热 凝结芽孢杆菌2-6产生高光学纯度L-乳酸的主要原 因[12,20]。