鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus）高效生產(chǎn)L-乳酸工藝研究.pdf

1、乳酸是三大有機(jī)酸之一，用途廣泛，且其需求量在逐年增加。乳酸分子中具有不對(duì)稱碳原子，因此有L-、D-乳酸兩種旋光異構(gòu)體及DL-乳酸外消旋體。由于人體只能代謝L-乳酸，因此在用于食品及醫(yī)藥工業(yè)時(shí)必然要用L-乳酸代替DL-乳酸。而L-乳酸最具應(yīng)用潛力的是生產(chǎn)聚乳酸(PLA)，制造生物可降解性塑料，其市場(chǎng)潛力巨大，發(fā)展前景十分誘人。本論文以一株產(chǎn)生L-乳酸的鼠李糖乳桿菌(Lactobacillusrhamnosus)為研究對(duì)象，進(jìn)行了高效高產(chǎn)L

2、-乳酸發(fā)酵的工藝優(yōu)化和動(dòng)力學(xué)模型的研究工作，為實(shí)現(xiàn)L-乳酸的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。 本文探討了影響鼠李糖乳桿菌高效高產(chǎn)L-乳酸的因素。以不同濃度葡萄糖為碳源發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸時(shí)，糖濃度為120、146g/L時(shí)，L-乳酸產(chǎn)量分別為104、117.5g/L，產(chǎn)酸水平已接近國(guó)內(nèi)外該菌株的最高水平；加大接種量不能有效克服菌體生長(zhǎng)延遲；高乳酸濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)酸有顯著抑制作用，初始乳酸濃度到達(dá)70g/L以上時(shí)，菌體基本停止生長(zhǎng)和產(chǎn)酸。三種常見(jiàn)

3、的調(diào)節(jié)pH的中和劑NaOH、濃氨水、CaCO3對(duì)于鼠李糖乳桿菌在5L發(fā)酵罐上發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸和生長(zhǎng)有明顯不同的影響。 酵母粉是鼠李糖乳桿菌最佳的復(fù)合氮源，然而酵母粉成本較高，因此，減少酵母粉用量或?qū)ふ伊畠r(jià)的復(fù)合氮源替代酵母粉具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。用廉價(jià)的黃豆粉補(bǔ)充微量維生素液，可替代培養(yǎng)基中昂貴的酵母粉。氮源經(jīng)優(yōu)化后，使用3.5～4.5％的黃豆粉并添加最優(yōu)劑量的八種維生素混合液，搖瓶和5L發(fā)酵罐上L-乳酸產(chǎn)量和得率基本達(dá)到了以酵母粉

4、做氮源和生長(zhǎng)因子的發(fā)酵指標(biāo)。 為了能夠進(jìn)一步高效高產(chǎn)L-乳酸，進(jìn)行了各種補(bǔ)料和連續(xù)培養(yǎng)生產(chǎn)L-乳酸。由搖瓶分批補(bǔ)料和5L發(fā)酵罐鼠李糖乳桿菌三種分批補(bǔ)料方式的實(shí)驗(yàn)得知，與分批發(fā)酵相比，發(fā)酵動(dòng)態(tài)變化過(guò)程沒(méi)有顯著的差別，補(bǔ)料并沒(méi)有有效地促進(jìn)鼠李糖乳桿菌的生長(zhǎng)和代謝而高效高產(chǎn)L-乳酸。分批補(bǔ)料的條件和方式還有待進(jìn)一步研究。 鼠李糖乳桿菌5L發(fā)酵罐中限氮條件下恒化連續(xù)培養(yǎng)生產(chǎn)L-乳酸，D=0.15L/h的稀釋率已經(jīng)到達(dá)了氮源限制培

5、養(yǎng)條件下的臨界稀釋率，隨著稀釋率從0.05L/h到0.15L/h的變化的過(guò)程中，菌濃、L-乳酸的產(chǎn)量、L-乳酸的得率是逐漸降低，殘?zhí)堑暮恐饾u上升，比容積產(chǎn)率在D=0.125L/h時(shí)有最大值。限氮條件下，因?yàn)榫纳L(zhǎng)被限制，僅只能以較低的稀釋率進(jìn)行恒化連續(xù)生產(chǎn)L-乳酸。 發(fā)酵罐反復(fù)分批發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸，第一次發(fā)酵過(guò)程L-乳酸濃度為93g/L，得率為93％，殘?zhí)菫?g/L，第二次L-乳酸濃度為108g/L，得率為83.8％，殘?zhí)羌s

6、30g/L，延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)間，有可能得到更高的乳酸濃度。 淀粉質(zhì)原料是工業(yè)化生產(chǎn)乳酸的常見(jiàn)原料，實(shí)驗(yàn)研究了雙酶同時(shí)糖化發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸的工藝。通過(guò)淀粉質(zhì)原料糖化實(shí)驗(yàn)，考慮到原料的來(lái)源和價(jià)格，選用紅薯粗淀粉和玉米粉作為發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸的淀粉質(zhì)原料。正交實(shí)驗(yàn)得知，影響雙酶糖化效率的因素的最佳條件為：濕熱滅菌處理原料，42℃糖化溫度、10U/g干物質(zhì)的α-淀粉酶和250U/g干物質(zhì)的糖化酶用量。 比較不同濃度淀粉質(zhì)原料雙酶糖化的糖化效

7、果，得知，玉米生粉雙酶糖化的淀粉質(zhì)糖化效率隨著淀粉質(zhì)濃度的升高而升高，因而可以用高濃度玉米生粉雙酶糖化后進(jìn)行鼠李糖乳桿菌的L-乳酸發(fā)酵。250g/L的紅薯粗淀粉濕熱滅菌、玉米粉濕熱滅菌、玉米粉干熱滅菌三者搖瓶培養(yǎng)同時(shí)糖化發(fā)酵產(chǎn)生L-乳酸濃度分別是129、118、111g/L，L-乳酸對(duì)淀粉質(zhì)原料的轉(zhuǎn)化率分別是54.9％、61.5％、57.9％；200g/L可溶性淀粉和玉米生粉同時(shí)糖化發(fā)酵產(chǎn)生的L-乳酸濃度分別為120和115g/L，L-

8、乳酸對(duì)淀粉的的轉(zhuǎn)化率為63.8％和74.9％；由此可見(jiàn)，玉米生粉的L-乳酸轉(zhuǎn)化率要高于可溶性淀粉、紅薯粗淀粉，原料的利用程度較高，因而以玉米生粉為原料進(jìn)行同時(shí)糖化發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸為經(jīng)濟(jì)可行的方法，能得到較高的L-乳酸產(chǎn)量和得率。玉米生粉5L發(fā)酵罐同時(shí)糖化發(fā)酵得到了優(yōu)于搖瓶的結(jié)果，L-乳酸產(chǎn)量為131g/L，對(duì)淀粉的轉(zhuǎn)化率為85.3％。玉米生粉分批反復(fù)補(bǔ)料同時(shí)糖化發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸，第二批發(fā)酵結(jié)束時(shí)L-乳酸濃度為121g/L，得率為87.6％