乳酸菌發(fā)酵中L-乳酸的發(fā)酵工藝研究進(jìn)展

微生物發(fā)酵的特性通常包括可以降低原料的抗?fàn)I養(yǎng)因子含量以及能產(chǎn)生有益的小分子物質(zhì)，這樣一來就可以改善原料的營(yíng)養(yǎng)組成及其品質(zhì)特性，從而提高發(fā)酵原料的利用價(jià)值。而在這些微生物中，乳酸菌因具有安全、高效綠色、副產(chǎn)物少、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用為發(fā)酵劑，在發(fā)酵領(lǐng)域起著十分廣泛而重要的作用。近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)于乳酸菌發(fā)酵技術(shù)更加趨于多面化，比如植物基食品乳酸菌發(fā)酵開發(fā)、乳酸菌生物工程育種等，但大多都是應(yīng)用于食品方面。

乳酸菌發(fā)酵是指食物中的糖類被乳酸菌的代謝產(chǎn)物分解為乳酸和葡萄糖。在現(xiàn)代工藝中，通過不斷優(yōu)化乳酸菌發(fā)酵技術(shù)，可得到更加優(yōu)良的發(fā)酵產(chǎn)物，以提高發(fā)酵產(chǎn)物的性能。乳酸菌發(fā)酵技術(shù)關(guān)系著乳酸的不同應(yīng)用，例如食品發(fā)酵領(lǐng)域和化妝品天然原料領(lǐng)域。本文主要對(duì)乳酸菌發(fā)酵工藝所產(chǎn)生的L-乳酸所需的基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)的突破等方面進(jìn)行了綜述，并從基礎(chǔ)理論、產(chǎn)品開發(fā)等角度簡(jiǎn)要討論了未來乳酸菌發(fā)酵工藝更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域如化妝品原料的發(fā)展趨勢(shì)，旨在為乳酸菌發(fā)酵工藝更好地發(fā)展提供參考。

一、理論基礎(chǔ)

1.乳酸菌發(fā)酵微生物。乳酸菌(Lactobacillus）是指通過發(fā)酵糖類產(chǎn)生乳酸的無芽孢、革蘭氏陽性細(xì)菌的總稱，是革蘭氏陽性菌，形態(tài)呈桿狀、球形或分枝狀，具有調(diào)節(jié)腸道菌群、增強(qiáng)人體免疫力、降低血清膽固醇等多種功能，包括10多個(gè)屬，200多個(gè)種。它主要通過自身作用、發(fā)酵產(chǎn)酸抑制有害菌生長(zhǎng)和代謝、產(chǎn)生異生物質(zhì)三方面發(fā)揮自身的益生作用。益生菌是一類活性微生物，主要通過改善宿主腸道微生物菌群的平衡來發(fā)揮作用；作為益生菌的重要成員，乳酸菌不僅有分布廣泛、數(shù)量眾多、種類豐富的特點(diǎn)，還具有耐酸、耐膽鹽、抗氧化、高黏附和生成短鏈脂肪酸等優(yōu)良特性。

對(duì)于大多數(shù)可產(chǎn)生乳酸的微生物來說，分解糖類產(chǎn)生乳酸是它們得到能量的最原始有效的方式之一。而產(chǎn)酸能力強(qiáng)且在工商業(yè)中應(yīng)用較廣的只有霉菌中的根霉屬和細(xì)菌中的乳酸菌類。本文主要研究細(xì)菌中的L-乳酸菌類的發(fā)酵微生物及其發(fā)酵機(jī)制進(jìn)展。

（1）乳酸細(xì)菌。應(yīng)用在工業(yè)上的乳酸細(xì)菌包括桿狀菌和球狀菌，均為革蘭氏陽性菌。具有不運(yùn)動(dòng)、無芽孢，常常排列為長(zhǎng)短不一的鏈，厭氧或微好氧等特點(diǎn)。乳酸消旋酶陽性者產(chǎn)DL-乳酸，陰性者產(chǎn)D-或L-乳酸。D-乳酸的用途很少，而且已經(jīng)基本上不生產(chǎn)；而DL-乳酸具有一定的毒副作用，因此只能用做工業(yè)生產(chǎn)；L-乳酸的用途廣，作用優(yōu)，對(duì)人體、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、食品都具有重大意義。

（2）鼠李糖乳桿菌。鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus)是一種革蘭氏陽性益生菌，屬乳桿菌屬，具有調(diào)節(jié)腸道菌群、預(yù)防和治療腹瀉、毒素的排出和提升機(jī)體免疫力等多方面應(yīng)用功能。人體內(nèi)因只有L-乳酸脫氫酶，只能代謝乳酸菌在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的L-乳酸。鼠李糖乳桿菌在發(fā)酵過程中只產(chǎn)生L-乳酸，不會(huì)對(duì)人、尤其是嬰幼兒產(chǎn)生不良反應(yīng)，因此在食品生產(chǎn)方面具有極為重要的價(jià)值。

表1 產(chǎn)L－乳酸的主要乳酸菌

菌種 生長(zhǎng)因素 溫度（℃） 菌種來源

乳酸菌屬Lactobacilus

干酪乳桿菌L. casei

嗜熱乳桿菌L. thermophilus

唾液乳桿菌L. salivarius

清酒乳桿菌L.sake

嗜酸乳桿菌L.acidophilus

戊糖乳桿菌L.pentosus

兩歧乳桿菌L.bifidus

鏈球菌屬Streptococcus

嗜熱鏈球菌S.thermophilus

糞鏈球菌S.faecalis

解脂鏈球菌S.lipolysis

嗜熱脂肪芽孢桿菌B.stearothermophilus

解鏈芽孢桿菌B. coagulans 泛酸鈣，煙酸，核黃素，葉酸

乙酸鹽，核黃素，甲羥戊酸，葉酸

6種B族維生素

7~13種氨基酸嘌呤，維生素B1，嘧啶

10~13種氨基酸，4~5種維生素 32

50~60

35~40

35~38

30~32

40~45

45~50

30

60

70 乳制品

高溫發(fā)酵乳品

人口胺

清酒

嬰兒糞便

發(fā)酵植物汁

發(fā)酵植物汁

乳制品

人糞便

乳制品

堆肥

堆肥

表2國(guó)外比較有代表性的乳酸生產(chǎn)菌株及其生產(chǎn)情況表

菌株 L－乳酸（g/L） 生產(chǎn)速率（g/L/h） 文獻(xiàn)

L.casei LA-04-1 180 2.1 [5]

L.lactis BME5-18M 210 2.2 [6]

L.delbrueckii NCIM2356 189 1.9 [7]

E.faecalis RKY1（腸球菌） 144 5.1 [8]

Bacillus sp.17C5 55 0.3 [9]

E.coliALS974 138 6.3 [10]

S.cerevisiae OC-2T T165R 122 2.5 [11]

2 .L-乳酸發(fā)酵所需基礎(chǔ)。乳酸是以玉米、糙米、白薯、土豆淀粉為主要原料，通過發(fā)酵過濾、酸解和短程蒸餾等工序來加以深加工，從而得到的高級(jí)產(chǎn)品。目前L-乳酸的主要生產(chǎn)方法是微生物發(fā)酵法，其中，菌種和培養(yǎng)液的選擇、培養(yǎng)基原料、培養(yǎng)基的組分、發(fā)酵過程中所面對(duì)的發(fā)酵工藝選擇都十分重要。

（1）菌種選育。根據(jù)發(fā)酵微生物的種類不同，在發(fā)酵過程中菌種的選擇可分為細(xì)菌發(fā)酵和根霉發(fā)酵，并且根霉發(fā)酵已經(jīng)被細(xì)菌發(fā)酵逐步取代，例如本文上述到的鼠李糖和干酪乳桿菌等。而對(duì)于各種各樣的菌種有著不同的方式可進(jìn)行改良：誘變、細(xì)胞融合、基因工程等。

（2）不同的溫度。一般來說，乳酸菌生長(zhǎng)的適宜溫度范圍在20℃-45℃之間。在此范圍內(nèi)，乳酸菌能夠正常生長(zhǎng)和繁殖，但是在低于或高于此范圍時(shí)，乳酸菌的生長(zhǎng)速度會(huì)明顯減緩，甚至停止生長(zhǎng)。對(duì)于某些特定的乳酸菌來說，如酸奶乳桿菌和嗜酸乳桿菌，生長(zhǎng)的最適溫度分別在35℃-42℃和30℃-40℃之間，高于或低于這些溫度，這些菌的生長(zhǎng)速度會(huì)明顯受到抑制。

因此，在乳酸菌的培養(yǎng)和繁殖過程中，保持適宜的溫度十分關(guān)鍵。在乳酸菌的生產(chǎn)和使用過程中，需根據(jù)乳酸菌不同的種類和用途來選擇適宜的溫度，以保證其生長(zhǎng)和繁殖的最佳狀態(tài)，從而獲得更好的產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）發(fā)酵時(shí)間。不同的發(fā)酵時(shí)間會(huì)影響乳酸菌的活菌數(shù)，從而影響發(fā)酵結(jié)果。如華南理工大學(xué)食品與工程學(xué)院所研究的不同發(fā)酵時(shí)間鼠李糖乳桿菌LR-D發(fā)酵乳對(duì)雞蛋清起泡性能的影響，研究表明發(fā)酵16h的鼠李糖乳桿菌LR—D發(fā)酵乳更能改善蛋清體系的起泡性能。通過改變優(yōu)化發(fā)酵時(shí)間，可以得到更好的乳酸菌發(fā)酵物性能，從而更好地應(yīng)用在食品發(fā)酵領(lǐng)域或其他領(lǐng)域。

同時(shí)，通過不斷優(yōu)化不同菌種的培養(yǎng)基，可得到更好的發(fā)酵效果，如植物乳桿菌HS-R9的培養(yǎng)基優(yōu)化。

二、高產(chǎn)L-乳酸的關(guān)鍵技術(shù)突破

1.混菌發(fā)酵。混菌發(fā)酵，是采用兩種或多種微生物共同完成發(fā)酵的技術(shù)，是純種發(fā)酵技術(shù)的新發(fā)展，也是一種不需要進(jìn)行復(fù)雜的DNA體外重組卻可取得類似效果的新型發(fā)酵技術(shù)。由生物間的結(jié)合方式,分為以下4種類型：①聯(lián)合發(fā)酵，用兩種或多種微生物同時(shí)接種和培養(yǎng)的技術(shù)。例如酸乳的發(fā)酵生產(chǎn)，同時(shí)接種嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌。②順序發(fā)酵，先用甲菌進(jìn)行常規(guī)發(fā)酵，再由乙菌等按順序進(jìn)行發(fā)酵，以共同完成數(shù)個(gè)生化反應(yīng)，例如食醋的發(fā)酵生產(chǎn)，先接種酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵、再接醋酸菌進(jìn)行醋酸發(fā)酵。③共固定化細(xì)胞混菌發(fā)酵，把兩種或多種微生物細(xì)胞同時(shí)包埋或吸附同一載體上面進(jìn)行的混菌發(fā)酵，例如黑曲霉和運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌共同把淀粉轉(zhuǎn)化為酒精等。④混介固定化細(xì)胞混菌發(fā)酵，將兩種或多種微生物細(xì)胞分別固定化后，再把它們混在一起進(jìn)行混菌發(fā)酵。

2.高密度培養(yǎng)。高密度培養(yǎng)技術(shù)是通過提高菌體的發(fā)酵密度，最終提高產(chǎn)物比生產(chǎn)率(單位體積單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)物的產(chǎn)量)的一種新型發(fā)酵技術(shù)，通過組成優(yōu)化培養(yǎng)基來優(yōu)化培養(yǎng)條件，比如PH與溫度：若PH越低，則這種情況下需要的溫度就越高；通氣與攪拌：在高密度培養(yǎng)乳酸菌液體的過程中，攪拌可以讓中和劑與發(fā)酵培養(yǎng)液均勻地混合，并可以及時(shí)將高密度培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的酸中和掉，以此減少因酸性物質(zhì)的積累而對(duì)菌體生長(zhǎng)的抑制作用，同時(shí)將培養(yǎng)物氣液相的接觸面增大。

在乳酸菌發(fā)酵過程中采用的高密度培養(yǎng)可以使用更低的培養(yǎng)體積和更短的培養(yǎng)周期，并獲得更高的菌體密度，從而可以提高發(fā)酵速度、提升發(fā)酵效果，在實(shí)踐生產(chǎn)中可以減少后續(xù)發(fā)酵劑的使用量，實(shí)現(xiàn)高效、低成本的生產(chǎn)實(shí)踐。利用高密度培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)，通過該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)L-乳酸產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

三、主要培養(yǎng)方法

自21世紀(jì)伊始，國(guó)內(nèi)外積極開發(fā)嗜熱脂肪芽孢桿菌、鼠李糖乳桿菌（L-rhamnosus）等乳酸細(xì)菌的L－乳酸發(fā)酵研究，其優(yōu)點(diǎn)有發(fā)酵溫度無需高，且無需提供無菌空氣和機(jī)械攪拌，從而降低了需厭氧微環(huán)境的難度和生產(chǎn)成本。

而國(guó)內(nèi)調(diào)轉(zhuǎn)方向只采用細(xì)菌厭氧發(fā)酵法生產(chǎn)L－乳酸。目前發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的方法有根霉好氧發(fā)酵和細(xì)菌厭氧發(fā)酵兩種方法。

1.根霉好氧發(fā)酵法已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)。根霉的發(fā)酵是指利用菌株生長(zhǎng)和代謝所產(chǎn)生的酶或其他代謝產(chǎn)物對(duì)特定有機(jī)物發(fā)生催化作用。發(fā)酵過程中，根霉菌株對(duì)不同基質(zhì)進(jìn)行代謝，產(chǎn)生各種有機(jī)酸、醇類、酮類、酯類等化合物，并將復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的有機(jī)物質(zhì)。

根霉發(fā)酵技術(shù)在食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。食品工業(yè)中，該技術(shù)被應(yīng)用于面包、奶酪、酸奶等食品生產(chǎn)，能夠提高產(chǎn)品的風(fēng)味、質(zhì)量以及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。醫(yī)藥工業(yè)中，該技術(shù)被用于生產(chǎn)抗生素、酶等醫(yī)藥和生物制品，能夠降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品效率，綠色環(huán)保。

2.細(xì)菌厭氧發(fā)酵法是在近年發(fā)展起來的。該方法具有成本低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但除了少數(shù)單位引進(jìn)國(guó)外的乳酸細(xì)菌進(jìn)行 L﹣乳酸的工業(yè)化生產(chǎn)以外，大多數(shù)廠仍采用細(xì)菌厭氧生產(chǎn)DL﹣乳酸。我國(guó)很多研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)都在從事 L－乳酸發(fā)酵的研究，但大多數(shù)都處于中、小試研究階段。

近年來，國(guó)內(nèi)致力于研究乳酸菌的高密度培養(yǎng)技術(shù)，在不斷研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)和優(yōu)化發(fā)酵工藝上得到不斷突破的進(jìn)展：如南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為提高具有益生特性植物乳桿菌的產(chǎn)量，基于發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模擬，對(duì)其培養(yǎng)基組成、發(fā)酵條件和補(bǔ)料方式進(jìn)行了優(yōu)化。在該研究中，通過建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合的智能模型對(duì)培養(yǎng)基成分進(jìn)行優(yōu)化此方法通過體外對(duì)植物乳桿菌發(fā)酵的過程進(jìn)行擬合，可以更好地提高效率并得到最適宜的植物乳桿菌的發(fā)酵培養(yǎng)條件。此外，也可以更好地模擬如何分批補(bǔ)料，從而得到最高成效的發(fā)酵產(chǎn)物。在國(guó)外，進(jìn)行乳制品工業(yè)生產(chǎn)時(shí)一般采用直投式發(fā)酵劑，這一方法相比傳統(tǒng)發(fā)酵劑而言，可直接用于生產(chǎn)，無需傳代，并且克服了傳統(tǒng)發(fā)酵劑活力低、不穩(wěn)定、易污染等一系列的缺點(diǎn)。但是，由于缺乏相應(yīng)的專業(yè)人才及設(shè)備，國(guó)內(nèi)的一些中小型企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的液體發(fā)酵劑，不但存在活力低下、易污染、保存時(shí)間短等缺點(diǎn)，更重要的是嚴(yán)重限制了產(chǎn)品的發(fā)展規(guī)模。高活性乳酸菌發(fā)酵劑的制備過程主要分為篩選優(yōu)良菌種、高密度培養(yǎng)、濃縮分離、冷凍干燥、菌種配比等步驟。這其中的關(guān)鍵是高密度培養(yǎng)，乳酸菌活菌數(shù)經(jīng)過高密度培養(yǎng)，一般可達(dá)到109cfu/mL，再經(jīng)過離心、洗脫后便可達(dá)到1011至1012cfu/g。

四、目前的研究現(xiàn)狀

利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸的研究已成為熱點(diǎn)，如李慧芬等人用植物乳桿菌發(fā)酵豆粕產(chǎn)L-乳酸的研究，吳清林等人用米根霉發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸的研究等，且大多集中在發(fā)酵乳酸菌種的研究。近幾年，科研人員開始注重 L-乳酸發(fā)酵基質(zhì)的研究。如孫麗慧等人在高產(chǎn) L-乳酸的發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化研究中，采用了 15 g/L 棉籽餅粉和 10 g/L 的酵母粉作為復(fù)合氮源，結(jié)果表明，廉價(jià)的棉籽餅粉可以替代部分酵母粉，并且還能達(dá)到高產(chǎn)L-乳酸的效果。王玉華等人則用玉米漿替代部分酵母粉來作為發(fā)酵乳酸的氮源，結(jié)果大大降低了 L-乳酸的生產(chǎn)成本。還有研究發(fā)現(xiàn)玉米酒糟能有效替代部分酵母粉。Kwon 等人在優(yōu)化產(chǎn) L-乳酸的發(fā)酵培養(yǎng)基實(shí)驗(yàn)中用 19.3 g/L 大豆粉替代15 g/L 的酵母粉，同樣獲得了理想的結(jié)果，但這一方法需要在培養(yǎng)基中額外添加維生素。Nancib 等也發(fā)現(xiàn)利用廉價(jià)氮源替代部分酵母粉，可以達(dá)到提高 L-乳酸產(chǎn)量的效果，但此方法同樣需要額外添加維生素，說明此舉反而沒有達(dá)到降低發(fā)酵成本的目的。我國(guó)一直以來是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)所擁有的玉米資源十分豐富，利用這一優(yōu)勢(shì)，將玉米酒糟替代部分酵母粉作為微生物發(fā)酵氮源，可以有效節(jié)約L-乳酸生產(chǎn)成本。但到目前為止，我國(guó)尚沒有系統(tǒng)的研究以及乳酸菌產(chǎn)業(yè)和乳品工業(yè)的可持續(xù)性集成，該領(lǐng)域仍有很大的發(fā)展空間和發(fā)展趨勢(shì)，若投入研究，可以最終實(shí)現(xiàn)益生乳酸菌發(fā)酵和制定益生菌和益生菌發(fā)酵乳制品標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展、酵劑的工業(yè)化生產(chǎn)。

五、結(jié)語

近年來，乳酸菌發(fā)酵成為了應(yīng)用在化妝品工業(yè)上的一大熱點(diǎn)。全世界的乳酸菌市場(chǎng)發(fā)展迅猛的同時(shí)，中國(guó)的乳酸菌市場(chǎng)也在基礎(chǔ)研究、成品應(yīng)用和市場(chǎng)開發(fā)等各個(gè)方面取得了不俗的成績(jī)，我們將乳酸菌應(yīng)用在化妝品里也是更安全、高效的一種選擇。目前來看，如何利用微生物檢測(cè)、分析技術(shù)，微生物技術(shù)，以及分子生物技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，在篩選新的優(yōu)秀菌株、研究菌株特異功效、菌株在人體內(nèi)的作用機(jī)制、研究菌株在各方面實(shí)現(xiàn)的安全性以及保護(hù)菌株活力等方面，仍是乳酸菌菌株作用及功效探究的重點(diǎn)開發(fā)領(lǐng)域，同時(shí)新型乳酸菌發(fā)酵類化妝品的開發(fā)，將成為相關(guān)企業(yè)、院校及研究機(jī)構(gòu)的開發(fā)重點(diǎn)。

本文來源：《中國(guó)食品》http://m.xwlcp.cn/w/qt/29400.html