L-乳酸生产菌种选育及研究进展.doc

L-乳酸生产菌种选育及研究进展 作品类别： 自然科学院 系： 专业班级： 作 者： 指导教师： 联系方式： L-乳酸生产菌种选育及研究进展（）摘要：本文综述了目前L-乳酸的菌种选育和应用及其生产研究的发展趋势。在应用方面，L-乳酸作为一种重要的有机酸，广泛应用于食品、农业、环保、医药、饲料、日用品、化工等领域，尤其是L-乳酸聚合物在生产可降解聚合物的研究方面已成为全球关注的热点。在生产研究方面，主要介绍了L-乳酸菌种的选育等生产技术研究进展。随着聚乳酸作为生物可降解塑料的迅速发展，采用高新技术来开发光学纯度高、产量高、转化率高的L-乳酸生产技术成为全球关注的热点。 L-lactic acid bacteria breeding production and research progress()Abstract：This paper reviewed the current l-lactic acid species selection and application and production research trend of development. In application, l-lactic acid as an important organic acid, is widely used in food, agriculture and environmental protection, medicine, feed, daily necessities, chemical industry, especially l-lactic acid polymer in production biodegradable polymer research has become the focal point. In the production research, mainly introduced the L-such as the breeding of lactic acid bacteria production technology research progress. As biodegradable polylactic acid as the rapid development of plastic, to adopt new technology to develop optical high purity, high output, high conversion of l-lactic acid production technology to become the focal point. 关键词： L-乳酸；诱变育种；基因工程；基因组改组 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-乳酸,D-乳酸、DL-乳酸三类。由于人体只具有代谢L-乳酸的L-乳酸脱氢酶，因此只有L-乳酸能被人体完全代谢利用。而D-乳酸和DL-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-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-乳酸而对于L-乳酸则不加限制。1、 L-乳酸生产菌种的选育 1.1、诱变育种 诱变育种是指在人为的物理（如紫外线等)或化学(亚硝基胍）等因素作用下，诱导微生物基因发生随机突变，筛选获得正向突变菌株。目前在发酵生产中应用的菌株大多数都是经过多次诱变后筛选的菌株。诱变技术在L-乳酸选育过程中得到了广泛应用。Arti等采用紫外线诱变处理德氏乳杆菌细胞NCIM2365，使其在优化培养基中乳酸产量达到166g/L。Severson等以德氏乳杆菌为出发菌株，采用类似青霉素浓缩营养缺陷型的经典育种方法改变培养条件使D-乳酸脱氢酶灭活，获得D-乳酸脱氢酶缺陷型ATCC55163，只产生L-乳酸，以乳清渗透液为原料发酵20小时，乳酸浓度达77.8g/L，产率为每小时1.11g/L。诱发突变的频率比自发突变有所提高，但是诱变剂所诱发的遗传性状的改变是随机的，筛选正向突变的工作量很大，是目前限制诱变育种应用的瓶颈因素。 1.2、基因工程和代谢工程 随着分子生物学的迅速发展，基因工程育种被广泛用于乳酸生产菌种的选育研究。目前应用发酵法生产L-乳酸常用的微生物仅有两大类：一类为细菌，多采用乳酸菌；另一类为根霉。根霉可以直接利用淀粉质原料生产L-乳酸，但是产酸量低，副产物多，转化率低。近年来，采用细菌发酵生产L-乳酸研究越来越多。用于基因工程和代谢工程育种的微生物主要是细菌，尤其是同型发酵乳酸菌。发酵生产L-乳酸采用同型发酵乳酸菌经糖酵解EMP途径由1mol葡萄糖可得到2mol乳酸，转化率理论值为100%，其中关键酶是乳酸脱氢酶。采用代谢工程进行L-乳酸菌种选育主要集中在三方面:一是过量表达L-乳酸发酵途径中的关键酶乳酸脱氢酶基因;二是灭活微生物L-乳酸发酵过程的分支途径关键酶基因；三是将外源L-乳酸脱氢酶基因引入微生物，使微生物产生L-乳酸。近年来，采用代谢工程手段将动物或乳酸菌的乳酸脱氢酶基因引入酵母菌（Saccharomycescerevisiae或Kluyveromyces lactis等）的研究也屡见不鲜。Ishida等将牛L-乳酸脱氢酶基因（质粒载体）引入酵母菌使其发酵产生L-乳酸，只是转化率仅仅达到60%左右，随后Ishida等将该基因重复串联到酵母基因组中，使酵母的L-乳酸产量提高到122g/L。为了降低生产成本，利用五碳糖作为碳源生产L-乳酸作为一条理想的途径，已经受到研究人员的关注，Sauer等构建了包含乳杆菌L-乳酸脱氢酶基因的毕氏酵母，它利用木糖（初始浓度为100g/L）生产L-乳酸达到58g/L，比利用葡萄糖产生乳酸的水平高，利用木糖代替葡萄糖发酵L-乳酸是缓解目前粮食危机、降低L-乳酸生产成本的一条良好途径。因此，不久的将来，代谢工程在L-乳酸生产菌种选育工作中必将发挥重要作用。 1.3、基因组改组 基因组改组技术是分子定向进化在全基因组水平上的延伸，它将改组的对象从单个基因扩展到整个基因组，因此，可以在更为广泛的范围内对菌种的目的性状进行优化组合。该技术通过传统诱变与细胞融合技术相结合，对微生物细胞进行基因组重组，遗传信息量大，从而大幅度提高微生物细胞的正向突变频率及正向突变速度，使得人们能够在较短的时间内获得高效的正向突变的菌株，因其不需要了解亲本详细的遗传背景以及便于操作等优点而受到人们极大的关注。有学者预言：“基因组改组技术的建立与成熟，将引起传统微生物育种以及发酵生产的一场革命”。2002年，Stephanopoulos高度评价了基因组改组在代谢工程中的应用潜力，认为该技术的出现是细胞改良中的一个重要里程碑。 2.、研究进展 L-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，在以下方面还有待继续研究发展。 2.1、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-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。 2.2、优化发酵工艺 L-乳酸可用于食品、饮料、医药塑料、饲料、农药、日用化工、造纸及电子工业等领域。在食品、饮料工业上， L-乳酸用作酸味剂、强化剂、防腐剂，是绝对安全的添加剂。L-乳酸衍生物如L-乳酸钙、L-乳酸锌、L-乳酸亚铁是食品、饮料、保健品的强化剂，L-乳酸类乳酸乙酯是多种名酒的主香成分。在医药工业中，L-乳酸及其衍生物（如L-乳酸钠）可与氯化钠、氨基酸等配伍，生产治疗高钾血症或酸中毒的大输液，L-乳酸还被用于罗弗沙星等药物的生产。乳酸酯又是良好的有机溶剂，可用于生产醇酸树脂、油墨和涂料等化产品。此外，L-乳酸还有正在大力开拓的应用领域，即生产聚L-乳酸。聚L-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-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。由于乳酸的用途的日益扩大，生产技术水平的不断提高，可以预言未来的发酵有机酸消费市场中乳酸的需求量将超过现有的柠檬酸，而跃居第一位。 3、展望 目前国际乳酸需求将以年平均58%的速度持续增长。加之聚乳酸对原料乳酸的需求量急剧增长，对L-乳酸的需求量将不断增加，整体乳酸市场前景看好。随着L-乳酸应用领域不断扩大，尤其是其作为合成聚乳酸的底物应用前景更为广阔，L-乳酸生产将成为世界瞩目的大宗生物发酵产业。采用分子育种新技术来开发光学纯度高、产量高、转化率高，能够利用木糖和适于发酵生产工艺要求的优良菌株，已成为国内外研究机构和企业关注的热点。而这些生物性状通常与代谢途径中多个基因编码区和非编码区相关，即使在基因工程技术高度发展的今天，仅仅采用基因工程技术改良这些性状也难以实现。基因组改组不仅可以快速改良L-乳酸生产菌种生产性状或优化其代谢途径，它同代谢工程相结合可以明确地阐明乳酸生产菌种的表型或代谢途径优化的分子机制，甚至发现代谢网络中一些未知的调节机制，包括基因组测序在内的各种高通量的分析方法将在促进两者结合的过程中起着重要作用。基于基因组改组的L-乳酸生产菌种改良虽然处于刚刚起步的阶段，但它必将在乳