乳酸菌发酵中L-乳酸的发酵工艺研究进展

唐柳映 王昌涛 曹晓蕊 伍文怡 刘可儿

微生物发酵的特性通常包括降低原料的抗营养因子含量及产生有益的小分子物质，这样就可以改善原料的营养组成及其品质特性，从而提高发酵原料的利用价值。在这些微生物中，乳酸菌因具有安全、高效、绿色、副产物少、生产成本低等优点而被广泛应用为发酵剂，在发酵领域起着十分广泛而重要的作用。

乳酸菌发酵是指食物中的糖类被乳酸菌的代谢产物分解为乳酸和葡萄糖，在现代工艺中，通过不断优化乳酸菌发酵技术，可以得到更加优良的发酵产物，以提高发酵产物的性能。本文主要综述了乳酸菌发酵工艺产生的L-乳酸所需的基础、关键技术和关键技术的突破等，并从基础理论、产品开发等角度简要讨论了未来乳酸菌发酵工艺更加广泛的应用领域，旨在促进乳酸菌发酵工艺更好发展。

一、理论基础

1.乳酸菌发酵微生物。乳酸菌（Lactobacillus）是指通过发酵糖类产生乳酸的无芽孢、革兰氏阳性细菌的总称，作为革兰氏阳性菌，其形态呈杆状、球形或分枝状，具有调节肠道菌群、增强人体免疫力、降低血清胆固醇等多种功能，包括10多个属，200多个种，主要通过自身作用、发酵产酸抑制有害菌生长和代谢、产生异生物质三方面发挥其益生作用。作为益生菌的重要成员，乳酸菌不仅有分布广泛、数量众多、种类丰富的特点，还有耐酸、耐胆盐、抗氧化、高黏附和生成短链脂肪酸等优良特性。

对于大多数可产生乳酸的微生物来说，分解糖类产生乳酸是它们得到能量最原始、有效的方式之一。而产酸能力强且在工商业中应用较广的，只有霉菌中的根霉属和细菌中的乳酸菌类。本文主要研究细菌中L-乳酸菌类的发酵微生物及其发酵机制进展，如表1和表2所示。

（1）乳酸細菌。应用在工业上的乳酸细菌包括杆状菌和球状菌，均为革兰氏阳性菌，具有不运动、无芽孢，常排列为长短不一的链，以及厌氧或微好氧等特点。乳酸消旋酶阳性者产DL-乳酸，阴性者产D-或L-乳酸，其中D-乳酸的用途很少，而且已经基本不生产；DL-乳酸具有一定的毒副作用，只能用作工业生产；L-乳酸的用途广、作用优，对人体、农业、医学、食品都具有重大意义。

（2）鼠李糖乳杆菌。鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）是一种革兰氏阳性益生菌，属乳杆菌属，具有调节肠道菌群、预防和治疗腹泻、排出毒素和提升机体免疫力等多种功能。人体内因只有L-乳酸脱氢酶，所以只能代谢乳酸菌在发酵过程中产生的L-乳酸。鼠李糖乳杆菌在发酵过程中只产生L-乳酸，不会对人体尤其是婴幼儿产生不良反应，因此在食品生产方面具有极为重要的价值。

2.L-乳酸发酵所需基础。乳酸是以玉米、糙米、白薯、土豆淀粉为主要原料，通过发酵过滤、酸解和短程蒸馏等工序进行深加工而得到的高级产品。目前L-乳酸的主要生产方法是微生物发酵法，其中菌种和培养液的选择、培养基原料、培养基的组分、发酵过程中的发酵工艺选择都十分重要。

（1）菌种选育。根据发酵微生物的种类不同，发酵过程中菌种的选择可分为细菌发酵和根霉发酵，并且根霉发酵已经被细菌发酵逐步取代，如上述提到的鼠李糖乳杆菌和干酪乳杆菌等。对于各种各样的菌种，有着不同的改良方式，如诱变、细胞融合、基因工程等。

（2）温度适宜。一般来说，乳酸菌生长的适宜温度是20℃-45℃，在此温度范围内，乳酸菌能够正常生长和繁殖，如果超出此温度范围，乳酸菌的生长速度会明显减缓，甚至停止生长。对于某些特定的乳酸菌来说，如酸奶乳杆菌和嗜酸乳杆菌，生长的最适温度分别为35℃-42℃和30℃-40℃，高于或低于这些温度，这些菌的生长速度会明显受到抑制。因此，在乳酸菌的生产和使用过程中，需要根据乳酸菌不同的种类和用途选择适宜的温度，以保证其生长和繁殖的最佳状态，从而获得更好的产品质量。

（3）发酵时间。不同的发酵时间会影响乳酸菌的活菌数，从而影响发酵结果。例如，华南理工大学食品与工程学院研究了不同发酵时间下，鼠李糖乳杆菌LR-D发酵乳对鸡蛋清起泡性能的影响，结果表明，发酵16h的鼠李糖乳杆菌LR-D发酵乳更能改善蛋清体系的起泡性能。因此，通过改变、优化发酵时间，可以得到更好的乳酸菌发酵物性能，从而更好地应用在食品发酵领域或其他领域。通过不断优化不同菌种的培养基，也可得到更好的发酵效果，如植物乳杆菌HS-R9的培养基优化。

二、高产L-乳酸的关键技术突破

1.混菌发酵。混菌发酵是采用两种或多种微生物共同完成发酵的技术，既是纯种发酵技术的新发展，也是一种不需要进行复杂的DNA体外重组即可取得类似效果的新型发酵技术。根据生物间的结合方式，可分为以下4种类型：一是联合发酵，用两种或多种微生物同时接种和培养。例如，在酸乳的发酵生产中，同时接种嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌。二是顺序发酵，先用甲菌进行常规发酵，再由乙菌等按顺序进行发酵，以共同完成数个生化反应。例如，在食醋的发酵生产中，先接种酵母菌进行酒精发酵，再接种醋酸菌进行醋酸发酵。三是共固定化细胞混菌发酵，把两种或多种微生物细胞同时包埋或吸附在同一载体上进行混菌发酵。例如，黑曲霉和运动发酵单胞菌共同把淀粉转化为酒精等。四是混介固定化细胞混菌发酵，将两种或多种微生物细胞分别固定化后，再把它们混在一起进行混菌发酵。

2.高密度培养。高密度培养技术是通过提高菌体的发酵密度，最终提高产物比生产率（单位体积、单位时间内产物的产量）的一种新型发酵技术，通过组成优化培养基来优化培养条件。比如pH与温度，如果pH越低，则需要的温度就越高；通气与搅拌，在高密度培养乳酸菌液体的过程中，搅拌可以让中和剂与发酵培养液均匀地混合，并及时将高密度培养过程中产生的酸中和掉，以此减少因酸性物质积累而对菌体生长产生的抑制作用，同时增大培养物气液相的接触面。在乳酸菌发酵过程中采用的高密度培养可以通过更低的培养体积和更短的培养周期，获得更高的菌体密度，从而提高发酵速度、发酵效果，在实践生产中可以减少后续发酵剂的使用量，实现高效、低成本的生产实践和L-乳酸产业化发展。

近年来，国内致力于研究乳酸菌的高密度培养技术，在研究发酵动力学和优化发酵工艺上不断取得突破性进展。例如，南昌大学食品科学与技术国家重点实验室为提高具有益生特性植物乳杆菌的产量，基于发酵动力学模拟，通过建立人工神经网络和遗传算法相结合的智能模型，对其培养基组成、发酵条件和补料方式进行优化。此方法通过体外对植物乳杆菌发酵的过程进行拟合，可以更好地提高效率，并得到最适宜的植物乳杆菌发酵培养条件，还可以更好地模拟如何分批补料，从而得到最高成效的发酵产物。

在国外，乳制品工业生产一般采用直投式发酵剂，这一方法相比传统发酵剂而言，可直接用于生产，无需传代，并且克服了传统发酵剂活力低、不稳定、易污染等一系列缺点。但是，由于缺乏相应的专业人才及设备，国内的一些中小型企业仍采用传统的液体发酵剂，不但存在活力低下、易污染、保存时间短等缺点，更重要的是严重限制产品的发展规模。高活性乳酸菌发酵剂的制备过程主要包括筛选优良菌种、高密度培养、浓缩分离、冷冻干燥、菌种配比等，其中的关键是高密度培养，乳酸菌活菌数经过高密度培养一般可达到109CFU/mL，再经过离心、洗脱后便可达到1011-1012CFU/mL。

三、主要培养方法

1.根霉好氧发酵法。根霉发酵是指利用菌株生长和代谢所产生的酶或其他代谢产物对特定有机物发生催化作用。在发酵过程中，根霉菌株对不同基质进行代谢，产生各种有机酸、醇类、酮类、酯类等化合物，并将复杂的有机物质分解转化为简单的有机物质。根霉发酵技术在食品工业和医药工业领域应用广泛，在食品工业中，该技术被应用于面包、奶酪、酸奶等食品生产，能够提高产品的风味、质量以及营养价值；在医药工业中，该技术被用于生产抗生素、酶等医药和生物制品，能够降低生产成本、提高产品效率，且具有绿色环保的特性。

2.细菌厌氧发酵法。细菌厌氧发酵法是在近年发展起来的，具有成本低、环保等优点，但除了少数单位引进国外的乳酸细菌进行L-乳酸的工业化生产以外，大多仍采用细菌厌氧生产DL-乳酸。我国很多研究机构、大学都在从事L-乳酸发酵的研究，但大多处于中、小试研究阶段。

四、研究现状

利用微生物发酵生产L-乳酸的研究已成为热点。例如，李慧芬等人用植物乳杆菌发酵豆粕产L-乳酸，吴清林等人用米根霉发酵生产L-乳酸等，且大多集中在发酵乳酸菌种的研究。近几年，科研人员开始注重L-乳酸發酵基质的研究。例如，孙丽慧等人在高产L-乳酸的发酵培养基优化研究中，采用15g/L的棉籽饼粉和10g/L的酵母粉作为复合氮源，结果表明，廉价的棉籽饼粉可以替代部分酵母粉，还能达到高产L-乳酸的效果。王玉华等人用玉米浆替代部分酵母粉作为发酵乳酸的氮源，大大降低了L-乳酸的生产成本。还有研究发现，玉米酒糟能有效替代部分酵母粉。我国是农业大国，拥有十分丰富的玉米资源，用玉米酒糟替代部分酵母粉作为微生物发酵氮源，可以有效降低L-乳酸生产成本。但到目前为止，我国尚没有系统的研究及乳酸菌产业和乳品工业的可持续性集成，该领域仍有很大的发展空间。

基金项目：北京工商大学“大学生科研与创业行动计划书”项目（B021）。

作者简介：唐柳映（2002-），女，壮族，广西河池人，大学本科在读，研究方向为乳酸菌发酵。

曹晓蕊（2003-），女，汉族，河南固始人，大学本科在读，研究方向为乳酸菌发酵。

伍文怡（2002-），女，侗族，广西桂林人，大学本科在读，研究方向为乳酸菌发酵。

刘可儿（2003-），女，汉族，北京人，大学本科在读，研究方向为乳酸菌发酵。

*通信作者：王昌涛（1975-），男，汉族，山东巨野人，教授、博士生导师，博士，研究方向为植物化妆品发酵。