1  引言

乳酸是一种广泛应用于食品、制药、化妆品以及化工工业的有机酸。它的生产引起了大量的关注以及研究。最新调查显示，在美国85％的乳酸应用于食品以及食品相关工业，并且乳酸最新应用于生物可降解性以及生物兼容性的聚乳酸聚合物的生产，这为石油化工材料衍生而得的生物可降解性塑料提供了环境友好选择。随着这些聚合物的发展与商业化，乳酸的应用也将得到相当大程度的提高。

乳酸分子内有一个不对称碳原子，故有L型、D型两种旋光异构体。由于D 型异构体乳酸对人体有害，所以L型乳酸就成为食品相关工业以及制药行业的最佳选择。乳酸的生产方法很多，工业上主要有化学合成法和发酵法两种，国外以化学合成法为主，我国目前大多采用发酵法。传统的乳酸发酵方法以含有淀粉的玉米、蔗糖、甜菜糖、山芋干、马铃薯、糖蜜等为原料。最常用的化学法合成乳酸是从乙醛和氰化氢衍生而得的乳腈水解而来，由于该法原材料来源范围窄，所以化学合成法受到一定的限制。

乳酸可由细菌和真菌制得，乳酸菌(LAB)由于其高生产率及高收率引起广泛的关注，然而，乳酸菌由于自身不能合成维生素B及氨基酸，所以其营养需求量就更为复杂，往介质中加人酵母提取物是必需的，这就大大提高了生产成本。

酒曲菌属产乳酸也引起了广泛地关注，被作为生产乳酸的最佳选择。与LAB不同的是酒曲菌属发酵只产生L型乳酸。酒曲菌在缺氮环境下较之其他的产乳酸的菌株更容易存活，当淀粉类物质作为培养基质的时候，只需要少量的无机盐和无机氮就可以保证酒曲菌发酵产生乳酸。从发酵液中分离真菌菌株也因 其特殊的丝状以及片状结构而趋于简单化，大大地降低了生产成本。另外，作为乳酸发酵的副产物，从酒曲菌株中得到的真菌生物量可以用于纯化过程的生物吸收法l51，

还可以用于壳聚糖的生产，作为动物饲料的添加剂，从而提高饲料的营养价值。

文章主要综述了用酒曲菌属产乳酸的过程分析，及代谢机制，分子生物学的最新研究进展，从

而对该菌株的生物化学活性有更进一步了解。

2  乳酸发酵的基质

可再生材料包括糖蜜、淀粉、木质纤维素都可作为乳酸发酵的基质。酒曲菌属发酵产乳酸的最新研究主要是用葡萄糖作为反应基质。然而，作为价格低廉，分布最广泛的原材料，粗淀粉以及木质纤维素已被考虑作为发酵生产乳酸的主要基质，这是由于基质成本是最主要的操作成本，占全部生产成本的30％一40％。

2．1  淀粉

淀粉是多糖的一种，主要存在于马铃薯、木薯的根茎部分，以及小麦、玉米、水稻等谷物的种子部分。在许多研究中，玉米淀粉在发酵之前就被酶催化水解了，Ruengruglikit和Hang[。]在研究中指出，Ot一淀粉酶一一种包含纤维素分解酶和木糖分解酶的商业化苹果汁能够促进以玉米秸秆为基质的霉菌发酵乳酸的过程。Saito[41在研究中发现，商业化果胶酶的加入增加了淀粉的生物兼容度，促进了诸如乳酸，乙醇的代谢产物的生成。总之，在酒曲菌属发酵的重多研究中发现，淀粉材料在同步糖化发酵产乳酸的过程中发挥很大的作用。

2．2  木质纤维素

木质纤维素是另一种糖类资源，由于其分布广泛及价格低廉的可再生特点成为另一种被广为关注的生化过程的原材料。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素、木质素组成。纤维素是B?D一葡聚糖，而半纤维素是杂多糖，水解产物包括木糖、葡萄糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖及其他糖类，依照木质纤维素的来源不同而改变。由于木质素的低生物趋近度而用于许多物理化学方法，比如酸或碱的水解，在酒曲菌属发酵产乳酸的过程中，应用木质素在发酵之前水解原材料为寡糖。众多研究表明，木质纤维素也适用于同步糖化发酵过程。

3  同步糖化发酵(SSF)

通过耦合酶法催化水解糖类基质和微生物发酵为一步反应，将糖类材料向乳酸的生物转化过程效果将更佳，这种方法称为“同步糖化发酵”(SSF)[51，同步糖化发酵消除了发酵之前碳类基质水解的复杂过程。在同步糖化发酵过程中，酶法水解，细胞增长以及微生物生长都在同步进行。

同步糖化发酵过程的最大优点是降低了由于单糖和二糖的聚集引发的抑制作用，从而提高了糖化效率，最终提高了生产力，降低了成本。许多因素诸如pH、温度、底物、葡聚糖以及产生乳酸的浓度等都影响同步糖化发酵过程的效率。

同步糖化发酵过程的一个明显的缺点是糖化与发酵过程的培养条件如温度、pH等不同，因此，同步糖化发酵过程的微生物以及生物化学动力学以及最佳过程条件的选择是提高乳酸产率的关键因素。同步糖化发酵过程已成功地用于乳酸杆菌和乳球菌生产乳酸的过程。

传统的生产乳酸的生化方法需要糊化和液化的预处理过程，在酶法糖化成葡聚糖之后，在90?130。C之间操作15 rain，相反，同步糖化发酵过程将糖化和发酵过程整合为一步。图1显示了传统法产乳酸与同步糖化发酵过程的对比。

4 乳酸生产的生物过程参数

4.1 营养素

营养素是任何发酵过程都必需的物质，充足的碳、氮、磷、硫以及其他盐类的供给是微生物生长以及产物生成的重要条件。总的来说，酒曲菌属较之其他细菌来说具有较低的营养需求量，只需要少量的无机盐类就可以达到令人满意的发酵效果。营养素的最佳浓度依赖于所选用的底物的特性以及发酵中所选用的方法。

4．1．1 氮

氮是合成氨基酸、嘌呤、嘧啶、糖类、类脂、酶辅助因子及其他物质的必需元素。氮源可以是无机盐，比如硫酸氨、硝酸氨，也可以是有机物质，比如蛋白胨、酵母提取物及玉米浆。铵类较之硫酸盐、硝酸盐等无机盐类更易整合到有机物质中，因为铵中的氮更容易进入到真菌微生物体内，而无机盐则需要先转化成铵类后再转化成有机形式。硫酸氨是一种广泛应用的氮源，先前作过的酒曲菌属发酵产乳酸的研究所选用的硫酸氨的浓度在1．0?4．0 g／L。硫酸氨在乳酸发酵生产中比硝酸氨，尿素，酵母提取物，蛋白胨，玉米浆都要适合。硝酸氨，尿素，以及尿素和酵母提取物的混合物都可用作乳酸发酵的氮源。玉米浆由于含有可溶性蛋白、氨基酸、维生素B以及其他营养素也成为一种广泛使用的有机氮源。

4．1．2 无机盐

乳酸发酵基质中主要选用的无机盐有KH2PO~MgS ZnSO~和 (S04) ，使用浓度一般是0．15?0．60 g／L KH2PO4，0．15-0．75 g／L MgS04'7H20，0．04?0．09 g／L ZnS04'7H 0。酒曲菌属发酵产乳酸的过程对Fe (so )，需求量相对较低，在0．1 g／L左右。曾有研究表明，酒曲菌属发酵产乳酸的过程中Fe2+~是必需的，而又有报道磷元素的量的增加降低了乳酸的产率，然而反应基质中不加磷元素，酒曲菌属孢子始终处于芽态，没有任何生长迹象阎。

4．2 pH

4．2．1 pH 的影响

pH 是乳酸发酵过程最关键的影响因素，研究发现当pH 由6．0降到4．0时。发酵过程中的乳酸，乙醇，富马酸的量都随之降低【7J，并且发现当pH在6．0?6．5时乳酸收率最高。

4．2．2 中和因子

为了控制发酵过程中pH变化，经常向发酵介质中加入碳酸钙、碳酸钠、氢氧化钠等物质。在所有物质中，碳酸钙被广泛应用于摇瓶及其他反应器过程。而碳酸钠，氢氧化钠和氢氧化铵也广泛应用于先前的研究中。Martakt 1研究发现，在发酵过程中，碳酸钙可以由氨水代替，并且没有任何消极作用，并且氨水的应用可以消除真菌生物量引起的中和因子包裹效应，从而也避免了碳酸钙的过度消耗以及乳酸钙的结晶作用。10％的液氨加入到3100?5000 L气升式反应器中，控制pH在6左右，比氨突变株Rhizopus sp．MK一96一l 196中加入碳酸钙体系有更高的乳酸得率。

4．3 氧供应

酒曲菌属的真菌发酵过程是一个好氧的过程，因此，氧气的供应量在乳酸的生产过程中起到很重要的作用。Tay和Yang研制出一种使用酒曲菌固定化细胞的旋转纤维床反应器，发现PH和溶氧量对于乳酸的产率有很大的影响，最优条件为pH 6．0，DO 90％。

4．4 温度

温度也是乳酸发酵过程中很重要的过程操作因素，Huang等／91发现R．arrhizus DAR 36017在22?38。C长势都很好，尽管乳酸发酵过程对温度敏感度很高。Liu等发现从废弃马铃薯中用R．oryzae NRRL 395发酵产乳酸的最佳温度是27。C，事实上，在许多研究中，27?35。C 的发酵温度是广泛应用的。

5  生物反应器系统

总体来说，常用于真菌发酵的生物反应器有两种：鼓泡式反应器(包括鼓泡塔，同心气流管，以及绕在外面的回线)以及搅拌罐式反应器。与搅拌罐式反应器相比，鼓泡式反应器有许多优点，诸如构造简单，低能耗，容量大以及热传导效率高等。鼓泡式反应器被证明适合用于高需氧量的丝状真菌的培养，适合于微生物蛋白生产过程。鼓泡式反应器在酒曲菌属发酵产乳酸的过程中引起广泛关注。Zhou等 用750 mL反应器采用R．oryzae发酵产乳酸，在较短的发酵时间内得到了较高的乳酸产率，效果明显优于摇床发酵。Du等?链用了鼓泡式反应器代替摇床，发现这种反应器能够很好的避免丝状菌体对反应容器的粘连作用，为气体传递以及质量传递提供了很好的流动环境。

6  作用机制

酒曲菌属生产有机酸的过程是好氧过程，酒曲菌株可以分为两类：乳酸和富马酸，这是建立在主要有机酸产率以及代谢产物的比率的基础之上的。代谢产物的区别已经得到rDNA序列的系统进行分析法的验证。许多酶在代谢过程中起到重要作用，包括丙酮酸脱羧酶，丙酮酸羧化酶，乙醛还原酶，乳酸还原酶，苹果酸脱氢酶以及延胡索酸酶等。这些酶在驱动生化反应，最终决定目标产物的得率以及最终产物的比率方面起到关键的作用。作为五碳糖的代表，木糖向乳酸转化的研究面远不及葡萄糖，然而，运用R．oryzae生产中间体木糖醇的过程属于氧化还原过程。这种生化反应路线与类似于木糖发酵酵母的氧化还原路线，比如毕赤酵母属，念珠菌属等ll 1。

6．1 乳酸脱氢酶酵素

酒曲菌属发酵产乳酸的机制已有相当大的进展，先前研究中已发现三种乳酸脱氢酶酵素，一种NAD非依赖性LDH，两种NAD 依赖性LDH 同工酶。其中一种NAD依赖性LDH (LdhA)是在乳酸早期合成过程产生的，它将丙酮酸盐转化成乳酸盐，并且显示了逆反应的可忽视活性。另一种NAD依赖性LDH (LdhB)，是将L广?乳酸盐转化成丙酮酸盐，是在包括丙三醇，乙醇以及乳酸盐的非发酵培养基上产生的。在发酵的过程中，葡萄糖的杨蕾等：酒曲菌属发酵可再生材料生产乳酸的最新研究进展 281量不足会导致乳酸产量的轻微降低。

6．2 分子遗传学

    在酒曲菌属发酵产乳酸的过程，富马酸以及乙醇是两种最主要的副产物。目前应用分子生物学方法来尽量降低这些副产物的量，积累大部分乳酸的酒曲菌属拥有两种ldh基因，ldhA和ldhB，而积累大部分富马酸和苹果酸的酒曲菌属只包含一个单独的ldhB。SkoryI 尝试通过将包含不同长度的ldhA基因碎片的三种结构载体转入尺．oryzae中，结果发现，转化细胞确实提高了LDH的活性也提高了乳酸的得率，但是同样也增加了富马酸，乙醇以及丙三醇等副产物的产生。另一种提高乳酸产量的方法是通过丙酮酸脱羧酶(PDC)以及乙醇脱氢酶(ADH)I 尽量减少酒曲菌中乙醇的含量。Skory等尝试用低乙醇脱氢酶活性的R．oryzae突变体在限氧的条件下来提高乳酸的产量，该菌株产乳酸的量是亲株的l0倍，Skor还克隆了两种丙酮酸脱羧酶，PDCA 和PDCB，并且研究了他们产乳酸以及乙醇的规律，这对于以后获得受损PDC 突变株有很大帮助。我们希望有更多的分子生物学方法应用到乳酸发酵过程，以降低富马酸以及乙醇的产量，提高乳酸的收率。

6．3 代谢物分析(MFA)

由于软件系统以及计算机工具，数学模型策略的快速发展，MFA在分子生物学方面的也引起了广泛关注，MFA技术在菌株改良，基因操作以及过程优化方面有很好地应用。迅速发展的MFA 领域有可能成为菌株筛选工作的指导性工具。一种L(+)一乳酸过度产物突变体通过二乙基硫酸盐，6OCo诱变得以分离，母株与突变体的碳流出量分析显示代谢模型的丙酮酸盐结点是关键的结点。研究结果说明，母株的关键路径中，碳的流失主要集中在丙酮酸盐向乙酰辅酶a，草酰乙酸盐，乙醇的反应中，Bai等也指出，丙酮酸盐向乙酰辅酶a，乙醇的反应途径是更改代 途径，提高乳酸产量的关键步骤。

7  结语

酒曲菌属在糖类向乳酸转化的过程中显示了明显优于细菌的特点，这些优势包括淀粉溶解特性，低营养需求量，低成本的下游分离过程，以及富含价值的真菌副产物。许多可再生资源诸如精制糖，糖蜜，粗淀粉材料，以及木质纤维素都可运用酒曲菌属转化生成乳酸。然而，先前的许多研究显示乳酸产率低是酒曲菌属发酵主要限制因素。最佳的过程参数诸如pH，氧气供应量以及生态学控制因子等都影响乳酸的生产能力。并且，目前酶动力以及酒曲菌属的代谢途径也有了深入研究，为加强乳酸生产提供了条件。分子遗传学以及生物信息学也成为探索代谢途径的有效工具，SSF过程中酒曲菌属的遗传调节的综合应用为提高乳酸的得率以及生产能力提供了有利条件。