tổng quan về quá trình phát triển và các viễn cảnh trong tương lai

SẢN XUẤT LÊN MEN CỦA AXIT LACTIC TỪ SINH KHỐI:
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN VÀ CÁC VIỄN CẢNH
TRONG TƯƠNG LAI


Giới thiệu
Xu hướng phát triển bền vững môi trường và các nguồn tài nguyên tái tạo
đã làm tăng đáng kể sự quan tâm đến việc phục hồi các sản phẩm lên men như
axit hữu cơ, thức ăn hoặc các chất phụ gia thực phẩm và các hóa chất công
nghiệp. Do đó, phạm vi sản phẩm được sản xuất bằng quá trình lên men đang
mở rộng ra ngoài các hợp chất điều chế có khối lượng thấp giá trị caothuộc về
truyền thống như dược phẩm và bắt đầu hoàn thiện sự sản xuất tổng hợptừ vật
liệu hóa chất. Khi quá trình lên men chuyển thành các hóa chất có khối lượng
lớn hơn với giá trị thấp, cần phải tối đa hóa hiệu quả và giảm thiểu chi phí và
lãng phí do sản phẩm để cạnh tranh hiệu quả với các lựa chọn truyền thống.
Hiện nay, rất nhiều sự quan tâm đang được trả cho tiềm năng công nghệ sinh
học của dư lượng nông nghiệp như bã mía, bã mía, bột củ cải đường, vỏ cà phê
và bột giấy, quả táo, bánh mỳ, lúa mì / gạo ... Nguyên liệu trong sản xuất các
sản phẩm giá trị gia tăng như enzyme, axit hữu cơ, ethanol, axit amin, hương vị,
protein đơn bào .
Axit lactic (acid 2-hydroxypropionic), CH3-CHOH COOH là axit
hydroxycarboxylic xuất hiện nhiều nhất, có vị trí hàng đầu do các ứng dụng linh
hoạt trong ngành thực phẩm, dược phẩm, dệt, da và hóa chất (Vickroy 1985).
Nó lần đầu tiên được phân lập từ sữa chua bởi CW Scheele năm 1780 và lần đầu
tiên được sản xuất thương mại vào năm 1881 bởi CE Avery ở Littleton, MA,
Hoa Kỳ (Vickroy 1985). Pasteur, Lister, và Delbrueck đã xác định axit lactic
như chất chuyển hóa vi sinh vật (Gregor 1999). Axit lactic là một axit hữu cơ tự
nhiên có thể được sản xuất bằng tổng hợp hoặc lên men hóa học. Sự tổng hợp
hóa học của axit lactic chủ yếu dựa trên quá trình thủy phân của axit lactonitril
bằng axit mạnh, chỉ cung cấp hỗn hợp racemic của axit D và L-lactic. Các
đường tổng hợp hoá học khác của axit lactic bao gồm sự xuống cấp của đường,

oxy hóa propylen glycol, phản ứng của acetaldehyde, carbon monoxide và nước
ở nhiệt độ và áp suất tăng cao, quá trình thủy phân axit chloropropionic và oxy
hóa axit nitric propylen, . Không có những con đường này dẫn đến các quy trình
khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế (Datta và cộng sự, 1995).
Đã có nhiều cuộc điều tra về sự phát triển của các quy trình công nghệ sinh
học đối với sản xuất axit lactic, với mục tiêu cuối cùng để cho phép quá trình có
hiệu quả và tiết kiệm hơn. Sự chuyển đổi sinh học có vai trò quan trọng trong
việc sử dụng chất thải, và nhiều chất thải chế biến thực phẩm khác có thể chứa
các chất hữu ích, có thể được sử dụng để sản xuất axit lactic. Sản xuất công
nghệ sinh học của axit lactic có nhiều ưu điểm so với tổng hợp hóa học như chi


phí thấp của chất nền, nhiệt độ sản xuất thấp và tiêu thụ năng lượng thấp. Tính
đặc hiệu của sản phẩm cao là một lợi thế nữa của quá trình lên men axit lactic,
vì nó tạo ra một chất đồng phân mong muốn, axit L - (+) - hoặc D - (-) - lactic
tinh khiết (Pandey et al., 2001). Tiềm năng của vi sinh vật để tổng hợp các
enzyme cần thiết cho việc phân hủy các chất hữu cơ phức tạp có thể được khai
thác để sản xuất acid lactic có hiệu quả, vì các quy trình đòi hỏi chi phí cao như
bổ sung đường như nguồn carbon có thể tránh được.
Nguồn vi khuẩn cho axit lactic
Vi khuẩn axit lactic (LAB) và một số nấm sợi là nguồn gốc của vi khuẩn
axit lactic (Litchfield 1996). Trên cơ sở tính chất của quá trình lên men, LAB
được phân loại thành (1) vi khuẩn lên men đồng nhất và (2) vi khuẩn lên men
không đồng nhất. LAB vi khuẩn lên men đồng nhất tạo ra hầu như một sản
phẩm duy nhất, nghĩa là acid lactic, trong khi LAB vi khuẩn lên men không
đồng nhất tạo ra các sản phẩm khác như ethanol, diacetyl, formate, acetoin hoặc
axit axetic và carbon dioxide cùng với axit lactic. Các sinh vật sản sinh ra axit
lactic, hầu hết là kị khí, sử dụng axit pyruvic, là sản phẩm cuối cùng của con
đường Embden-Meyerhof. Việc chuyển đổi axit pyruvic thành lactate có thể
được thực hiện bởi một trong hai enzyme, L-lactate dehydrogenase hoặc Dlactate dehydrogenase. Độ đặc trưng của axit lactic phụ thuộc vào loại sinh vật,

enzym có liên quan đến quá trình sản xuất axit lactic. Lactobacillus delbrueckii
(John và cộng sự, 2006a, Kadam và cộng sự, 2006), L. helveticus (Tango và
Ghaly), Lactococcus lactis (Nolasco-Hipolito và cộng sự 2002) 2002), L. casei
(Hujanen và cộng sự 2001, Rojan et al.2005). Một số vi khuẩn lên men đồng
nhất như L. amylophilus, L. manihotivorans vv có thể trực tiếp tiêu thụ các
carbohydrate phức tạp như tinh bột (Naveena và cộng sự, 2005, Ohkouchi và
Inoue 2006). Vi khuẩn Amylolytic Lactobacillus amylovorus ATCC 33622 có
hiệu quả chuyển đổi hoàn toàn bột bắp hoá lỏng sang axit lactic với năng suất
20 g l -1 h -1 (Zhang và Cheryan 1991).
Khoảng 90% tài liệu về sản xuất axit lactic tập trung vào quá trình lên men
vi khuẩn. Các loài vi khuẩn thuộc Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc,
và Enterococcus (Naveena 2004) là những nhà sản xuất thông thường nhất, mặc
dù các chủng nấm như Mucor, Monilia, và Rhizopus (Prescott và Dunn 1959)
cũng sản xuất axit lactic. Nguồn gốc acid lactic được biết đến nhiều nhất là
Rhizopus oryzae (Yu và Hang 1989). Báo cáo đầu tiên về quá trình lên men
chìm hiệu quả cho sản xuất nấm của axit L-lactic là vào năm 1936 (Lockwood
và cộng sự, 1936). Đây là kỷ nguyên mà trong đó hiệu quả của việc lên men


nấm nuôi cấy chìm bắt đầu được công nhận rộng rãi. Ward và cộng sự (1938)
mô tả quá trình lên men sử dụng Rhizopus và Actinomucor nói chung và R.
oryzae nói riêng, kết quả là sản lượng L-lactic acid từ 63-69% sản phẩm từ môi
trường hóa học xác định chứa 15% glucose. Họ cũng mô tả những ưu điểm của
quá trình nấm trong quá trình xử lý vi khuẩn vẫn còn tồn tại ngày nay như sử
dụng phương pháp xác định về mặt hoá học (bao gồm các nguồn nitơ vô cơ),
giúp đơn giản hóa việc tinh chế sản phẩm và khả năng chuyển hóa nồng độ
glucose cao dẫn đến Nồng độ sản phẩm và cũng sản xuất acid L-lactic tinh khiết
đối hình, là điều cần thiết cho các ứng dụng thực phẩm và được ưa chuộng để
sản xuất polylactide. Sự bất lợi chính của quá trình dựa trên R. oryzae là sự
phân tán carbon khỏi sản phẩm mong muốn vào sản phẩm ethanol và axit

fumaric. Cải thiện sản lượng axit L-lactic (lên đến 72-79%) của quá trình lên
men R. oryzae như Snell và Lowery (1964) mô tả chủ yếu là đưa canxi cacbonat
và tăng nhiệt độ trong giai đoạn sản xuất muộn. Các nghiên cứu này đã thực
hiện hai cách tiếp cận cơ bản, cố định các tế bào (Hamamci và Ryu 1994, Dong
và cộng sự, 1996) và thúc đẩy các loại hạt bào tử (Yin và cộng sự, 1998. Zhou
và cộng sự 2000). Các viên nhỏ hơn khoảng 1 mm có liên quan đến tỷ lệ sản
xuất cao và năng suất, trong khi viên lớn hơn thì không. Điều này là do các hạn
chế chuyển giao khối lượng đối với oxy, cơ chất, và sản phẩm. Một số nghiên
cứu cho thấy sản lượng cải thiện từ 85 đến 88% (Yin và cộng sự, 1997; Du et al
1998, Zhou et al.1999). Năng suất này tương đương với năng suất thu được
thường xuyên trong quá trình xử lý vi khuẩn, và nếu đạt được liên tục sẽ góp
phần đáng kể vào khả năng cạnh tranh kinh tế của quá trình nấm.
Sản xuất axit lactic từ các nguồn tái tạo
Cây lương thực là nguồn năng lượng tái tạo hàng năm. Khoảng 3,5 tỷ tấn
dư lượng nông nghiệp được sản xuất mỗi năm trên thế giới. Việc sử dụng một
nguồn cung cấp carbohydrate đặc biệt phụ thuộc vào giá cả, sự sẵn có và độ tinh
khiết. Mặc dù dư lượng nông-công nghiệp giàu chất carbohydrate, việc sử dụng
chúng bị hạn chế do hàm lượng protein thấp và khả năng tiêu hóa kém.
Nguồn carbon để sản xuất axit lactic có thể là đường ở dạng tinh khiết như
glucose, sucrose, lactose ... hoặc các chất có chứa đường như mật đường, whey,
bagasse mía, bã mía và các vật liệu tinh bột từ khoai tây, khoai mì, Lúa mỳ, lúa
mạch, và cà rốt (Pandey et al 2001, Anuradha và cộng sự, 1999). Kinh tế trong
sản xuất axit lactic và dẫn xuất của nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó chi
phí nguyên liệu thô là rất lớn (Nolasco-Hipolito và cộng sự, 2002). Nó rất đắt
khi đường tinh khiết như glucose, sucrose ... được cho làm nguyên liệu để sản


xuất axit lactic. Các sản phẩm / dư lượng thực phẩm / sản phẩm nông nghiệp
khác nhau tạo thành các lựa chọn thay thế rẻ hơn đối với đường tinh luyện để
sản xuất axit lactic. Các nguyên liệu chứa sucrose như mật đường thường được

khai thác nguyên liệu để sản xuất axit lactic. Việc sử dụng các nguyên liệu tinh
bột thay cho đường tinh luyện tốn kém là tiết kiệm nhất (Yumoto và Ikeda
1995). Bã mía được báo cáo là được sử dụng để hỗ trợ sản xuất axit lactic bởi R.
oryzae và Lactobacillus trong quá trình lên men trạng thái rắn bằng cách bổ
sung đường hoặc thủy phân tinh bột làm nguồn carbon (Soccol và cộng sự,
1994, Rojan và cộng sự, 2005). Một số sản phẩm nông nghiệp tiềm năng cho
sản xuất axit lactic là bột bắp (Cheng và cộng sự, 1991, 1990), tinh bột sắn
(Yumoto và Ikeda 1995), thủy phân lignocellulose / hemicellulose (Karel và
cộng sự, 1997), hạt bông (Goksungur và Guvenc 1999, Kotzamanidis và cộng
sự, 2002), cám lúa mì (Naveena và cộng sự, 2005), bột lúa mạch đen (Raccach
and Mamiro 1997), ngọt ngào Lúa miến (Richter and Trager 1994), bùn ép mía
(Xavier và Lonsane 1994), sắn (Xiaodong và cộng sự, 1997, Rojan và cộng sự
2005, John et al 2006a, b), tinh bột lúa mạch (Linko và Javaneinen 1996)
Cellulose (Venkatesh 1997), chất thải chế biến cà rốt (Pandey et al.2001), mật
mía dùng để rửa (Sharma và cộng sự, 2003), hydrolysat sợi ngô và tinh bột
khoai tây (Yumoto và Ikeda 1995, Anuradha và cộng sự 1999).
Nói chung, LAB thiếu các tính chất xenlolytic và amylolytic đòi hỏi thủy
phân trước các chất thải cellulose và chất bột để sử dụng tốt hơn. Được ưa
chuộng hơn cho mục đích này. Sự thủy phân của vỏ cà phê được nghiên cứu
bằng cách sử dụng axit loãng hoặc xử lý hơi (Pandey và Soccol 2000) hoặc bởi
các enzyme lignocellulolytic (Pandey 1991; Pandey et al., 2000). Vật liệu gỗ có
thể nghiền nhỏ thành bột cellulose với bisulfat canxi để giải phóng hexose và
pentose. Chất thải sunfua này có thể được sử dụng cho quá trình lên men axit
lactic bởi các vi sinh vật như L. pentosus (Sethi và Maini 1999). Việc sử dụng
chất thải tinh bột bị thủy phân bằng axit hoặc enzyme như bã mía khoai mì để
bổ sung giá trị được ghi chép lại (Woiciechowski và cộng sự, 2002). Làm hồ
hóa chất thải tinh bột cho phép hoạt động dễ dàng của enzym thủy phân. Bã mía
keo tụ có thể được xử lý bằng alpha amylase (hóa lỏng) và glucoamylase
(saccharification). Woiciechowski và cộng sự (2002) đã nghiên cứu các khía
cạnh kinh tế của việc thu hồi đường giảm bằng cách thủy phân axit và enzyme

của bã mía. Mặc dù cả axit và enzyme thủy phân gần như đều hiệu quả dựa trên
sản lượng đường giảm (94,5% từ quá trình thuỷ phân axit và 97,3% do
hydrolysis enzyme), sự thủy phân axit có lợi hơn về mặt kinh tế do tiêu tốn năng
lượng cho quá trình thủy phân enzyme là 24,92 % Nhiều hơn so với thủy phân


axit (Woiciechowski và cộng sự, 2002). Các phân đoạn cellulosic và
hemicellulosic có thể được gelatin hóa với axit sulfuric 72% và sau đó pha
loãng để lấy đường (Pandey và Soccol 2000). Quá trình saccharification đồng
thời và sản xuất axit lactic được thực hiện với việc bổ sung các enzyme
amylolytic và chủng với L. delbrueckii (Anuradha và cộng sự, 1999). Đồng cố
định của các sinh vật làm tinh bột như spergillus awamori và các vi khuẩn sản
sinh ra axit lactic Streptococcus lactis cũng được thực hiện cùng một lúc sự
đường hóavà sản xuất axit lactic.
Giống như các nguồn tài nguyên nông nghiệp khác nhau, một số chất thải
có nguồn gốc động vật cũng được sử dụng làm nguồn carbon cho quá trình lên
men axit lactic. Whey là một sản phẩm phụ từ ngành công nghiệp phô mai có
chứa lactose như là nguồn carbon và nó chứa các protein, vitamin và khoáng
chất. Podlech và cộng sự 1990, Roukas và Kotzekidou 1998 vv đã nghiên cứu
quá trình lên men axit lactic bằng cách sử dụng các loại LAB khác nhau dưới
dạng tế bào tự do hoặc điều kiện cố định. Xử lý chất thải của con sò là một sản
phẩm phụ chưa được khai thác mạnh được tạo ra với khối lượng lớn trong xử lý
hơi nước công nghiệp của con sò có chứa glycogen như là thành phần chính.
Pintado và cộng sự. 1999 đã sử dụng các chủng amylolytic LAB để trực tiếp sử
dụng chất thải này.
Các quá trình lên men axit lactic
Axit lactic có thể được tạo ra từ đường hoặc các hydrolysat đường hoặc
chuyển đổi đơn lẻ các chất thải tinh bột hoặc xenlulo bằng cách chuyển đổi trực
tiếp bằng các vi sinh vật sản sinh ra axit lactic amylolytic hoặc bằng quá trình
thủy phân và lên men đồng thời bằng cách thêm enzyme và chất cấy vào nhau.

Các quá trình lên men axit lactic khác nhau được các nhà nghiên cứu chấp nhận
được thể hiện trong hình. 1. Nói chung, thủy phân được sử dụng để thay thế
đường tinh luyện và có thể được sử dụng cho quá trình lên men chìm hoặc lên
men trạng thái bán rắn (Tiwari và cộng sự, 1979, Rojan et al 2005, John và cộng
sự, 2006a). Nồng độ đường giảm trong hydrolysate ảnh hưởng lên men, vì tế
bào vi khuẩn làm giảm sản xuất axit lactic ở nồng độ đường cao hơn. Việc
chuyển đổi tinh bột hoặc xenlulô sang đường sẽ tiêu tốn năng lượng trong quá
trình hoá lỏng hoặc làm đường và làm tăng chi phí sản xuất. Nấm sinh ra axit
lactic có thể trực tiếp biến đổi tinh bột thành axit lactic bằng cách sản sinh ra
các enzim. Có rất nhiều báo cáo về các acid lactoblobulin đơn bào như L.
manihotivorans, L. amylovorous, L. amylophilus ... Yumoto và Ikeda (1995) đã
báo cáo rằng L. amylophilus JCM 1125 sản xuất 53,4 gl-1 axit lactic từ tinh bột


hoá lỏng 100-gl-1 . Lactobacillus plantarum NCIM 2084 sản xuất 72,9 g l-1 axit
lactic khi được cung cấp 100 g l -1 tinh bột hoá lỏng (Krishnan và cộng sự,
1998). Lactobacillus amylophilus (NRRL B 4437) sản xuất axit lactic 29-gl-1 từ
45 gl-1 của bột bắp và L. amylovor được sử dụng để chuyển tinh bột hoá 120gl-1 thành axit lactic 92,5-gl-1 trong quá trình lên men ngập nước (Zhang và
Cheryan 1991). Nhưng những quá trình này tất cả đều cần thủy phân tinh bột.
Chuyển đổi trực tiếp cơ chất nền tinh bột thành axit lactic có thể được thực hiện
bằng cách sử dụng các sinh vật phân giải này (Ohkouchi và Inoue 2006, Altaf et
al 2006). Việc đồng hoá và lên men đồng thời có thể giải quyết sự ức chế nồng
độ đường trong môi trường. Trong chế độ lên men này, các enzyme thủy phân
được thêm vào cùng với chất cấy. Enzyme giải phóng đường từ chất nền, và cơ
thể đồng thời sử dụng nó và không có sự ức chế chất nền trong trường hợp.
Nhiều nhà nghiên cứu đã tiến hành đồng hóa hoá và lên men các chất thải tinh
bột bằng chất thải amylase và xenluloza bằng cellulase. Cách tiếp cận này có thể
làm giảm chi phí tiêu thụ năng lượng, và nó sẽ làm giảm ảnh hưởng tiêu cực của
nồng độ glucose trong môi trường cao hơn, nơi sử dụng đường tinh luyện và
thủy phân. Trong một số trường hợp, protease được sử dụng để làm suy giảm

phần protein của dư lượng để giảm sự bổ sung các chất dinh dưỡng bổ sung.
Nhiều LAB làm suy giảm tinh bột, Lactobacillus spp., Cũng có thể được
sử dụng cho sản xuất acid lactic một bước. Loài Lactobacillus spp. Là L.
amylophilus (Yumoto và Ikeda 1995, Vishnu và cộng sự 2000), L. amylovorus
(Cheng và cộng sự, 1991), các chủng amylolytic của L. plantarum (Saha và
Nakamura 2003), và L. amylolyticus (Bohak và cộng sự, 1998). Quá trình lên
men bán rắn được áp dụng trong trường hợp các vi khuẩn amylolytic vì chúng
thích tăng trưởng ở mức độ ẩm cao hơn.
Nấm dạng sợi R. oryzae được sử dụng rất nhiều trong quá trình lên men ở
trạng thái rắn để sản xuất axit L-lactic (Yu và Hang 1989). Rhizopus oryzae, R.
arrhizus ... có thể chuyển hóa tinh bột thành axit lactic (Hang 1989, 1990, Hang
et al 1989, Kristoficova và cộng sự, 1991). Các loài nấm của R. arrhizus 36017
và R. oryzae 2062 sản xuất axit lactic trong quá trình lên men và lên men đồng
thời ở giai đoạn đơn bằng cách sử dụng các dòng chất thải từ khoai tây, ngô, lúa
mì và dứa làm phương tiện sản xuất. Rhizopus arrhizus cho năng suất axit lactic
cao lên đến 0,94-0,97 gg-1 tinh bột hoặc đường, trong khi R. oryzae sản xuất
axit lactic là 0,65-0,76 g-1 được sản xuất từ 36 đến 48 giờ. Bổ sung 2 g l-1
sulfat amoni, chiết xuất từ men và peptone kích thích sản lượng axit lactic 815% (Jin và cộng sự 2005). Nghiên cứu sản xuất axit lactic bởi Rhizopus spp.


Đã tiếp tục về cơ bản vì sự dễ dàng của việc tách và thanh lọc sản phẩm và khả
năng của nấm sử dụng cả carbohydrate phức tạp và đường pentose.
Việc chọn chế độ lên men có thể thay đổi theo các quy trình khác nhau.
Quá trình lên men theo lô cao hơn quá trình lên men liên tục ở tất cả các khía
cạnh nhưng năng suất thể tích. Chế độ hàng loạt lặp đi lặp lại hoặc bán liên tục
làm tăng năng suất hơn nữa. Nếu cơ chất tốn kém, sản lượng phải được tối đa
hóa, như trong hoạt động theo lô hoặc bán liên tục, trong khi năng suất thể tích
được tối đa hóa bởi hoạt động liên tục nếu chi phí đầu tư cao. Năng suất cao đạt
được bằng cách tái chế các tế bào, dẫn đến một khối lượng tế bào cao mà không
làm giảm năng suất. Việc cố định các tế bào giúp tăng mật độ tế bào để có được

năng suất và sản lượng tốt hơn nhưng nhiều công trình không thành công về mặt
năng suất và hoạt tính. Trong khoảng một nửa nghiên cứu, kết quả tốt hơn thu
được bằng cách sử dụng các tế bào tự do (Hofvendahl và Hahn-Hägerdal 2000).
Báo cáo cho thấy rằng mật độ tế bào cao L. helveticus (27 gl-1) làm tăng năng
suất của axit lactic lên đến 35 gl-1 h-1 với sự chuyển đổi hoàn toàn từ lactose
55- đến 60-gl-1 (Kulozik và Wilde 1999) . Nghiên cứu của Roukas và
Kotzekidou (1998) đã cho thấy sự sản xuất axit lactic bằng các hỗn hợp môi
trường của các tế bào L. casei và L. lactis tự do và đồng nhất trong nuôi cấy mẻ
và nuôi nhốt. Văn hoá Fedbatch chứng tỏ là một hệ thống lên men tốt hơn cho
sản xuất axit lactic hơn so với nuôi theo mẻ. Nồng độ axit lactic tối đa (46g / l)
trong môi trường nuôi cấy nuôi bằng cả hai hỗn hợp tế bào tự do và tế bào đồng
nhất ở nồng độ cơ chất nền 100 g l -1 và tốc độ cho ăn 250 ml h-1. Trong nuôi
fedbatch lặp đi lặp lại, các tế bào đồng nhất đã cho nồng độ axit lactic tổng thể
cao hơn so với hỗn hợp tế bào tự do. Các tế bào đồng nhất trong các hạt nho Caalginate giữ lại khả năng sản xuất axit lactic trong 20 ngày. Từ whey, đã có một
sản lượng 29 g l-1 h-1 acid lactic trong một chế độ liên tục hoạt động bằng cách
được sử dụng cố định L. helveticus.
Mặt khác,vòng tuần hoàn các tế bào cho nồng độ acid lactic cao hơn và
sản lượng cao hơn hoặc bằng nhau. Việc liên tục loại bỏ axit bằng chiết xuất
hoặc chải điện phân sẽ làm nồng độ và năng suất axit lactic thậm chí cao hơn
.Chất chiết xuất phải tương thích sinh học để không gây hại cho cơ thể, và một
trong những cách để đạt được điều này là các hệ thống hai pha nước, cho phép
tách axit lactic và tế bào tốt khi kết hợp với amin bậc ba.


Bổ sung dinh dưỡng cho lên men axit lactic
Vì LAB yêu cầu mức bổ sung chất dinh dưỡng cao như axit amin,
vitamin ..., chiết xuất từ men đã được bổ sung làm nguồn dinh dưỡng tốt nhất
(Stanier et al 1986; Naveena 2004; Rojan et al. 2005; John và cộng sự 2006a).
Việc bổ sung các loại hạt mỡ mạch nha, chất thải từ ngành công nghiệp của lúa
mạch, được sử dụng để giảm chi phí cao của các chất bổ sung như vậy (Pauli và

Fitzpatrick 2002). Whey protein hydrolysate được bổ sung cho sản xuất axit
lactic từ whey (Fitzpatrick và Keeffe 2001). Theo Goksungur và Guvenc
(1999), nảy mầm là nguồn nitơ tốt thứ hai. Bã đậu nành và hạt bông được sử
dụng làm nguồn cung cấp nitơ rẻ (Sethi và Maini 1999, Zhou và cộng sự, 1995).
Bổ sung bột mù tạt trong nước muối dấm làm tăng tỷ lệ sản xuất axit (Sethi và
Maini 1999). Các chất dinh dưỡng có thể thay thế một phần cho chiết xuất từ
nấm men. Tuy nhiên, một lượng lớn chất bổ sung đã góp phần làm tăng nồng độ
tạp chất, tương ứng với sự gia tăng chi phí tách và sự phục hồi axit lactic giảm.
thủy phân cám lúa mì hoặc chiết xuất cám lúa mì cũng được sử dụng làm nguồn
nitơ. Bổ sung chất dinh dưỡng làm tăng chi phí sản xuất, vì các chất dinh dưỡng
không sử dụng sẽ làm tăng chi phí tinh chế. Yun và cộng sự (2004) sử dụng cám
gạo amylase và cám lúa mì cho sản xuất axit lactic DL do Lactobacillus sp., Vì
chúng chứa nhiều yếu tố dinh dưỡng bên cạnh carbohydrate. Nancib et al.
(2005) đã thử các nguồn nitơ khác nhau, cả chất hữu cơ và vô cơ, cho axit lactic
sử dụng nước ngày. Nghiên cứu của họ cho thấy chất chiết xuất từ men có năng
suất cao nhất, nhưng nó có thể thay thế bằng amoni sulfat khi bổ sung vitamin.
Hofvendahl et al. (1999) nghiên cứu sản xuất acid lactic bằng tinh bột lúa mì.
Việc bổ sung protease trong môi trường làm tăng sản xuất acid lactic; Năng suất
tăng lên 1,5 g l-1 h-1 từ 0,23 g l-1 h-1. Khi protease, cùng với tinh bột lúa mì,
được bổ sung với peptide, vitamin và axit amin, sản lượng tăng lần lượt là 2,2,
2,4 và 2,8 g l-1 h-1. Thú vị để lưu ý rằng John et al. (2006b) báo cáo rằng sử
dụng cám lúa mì được xử lý bằng protease, khoảng 10 lần sự giảm bổ sung
thành phần trung bình tốn kém, như chiết xuất từ men, đã đạt được cùng với
mức sản xuất axit lactic tăng đáng kể. Hiệu suất lactate tối đa sau khi tối ưu hóa
quy trình khác nhau là 123 g l-1 với năng suất 2,3 g l-1 h-1 tương ứng với việc
chuyển đổi 0,95g axit lactic / gram tinh bột sau 54 giờ ở 37 ° C.
timbuntam và cộng sự (2006) đã thử các nguồn nitơ khác nhau như ấu
trùng tằm, nấm men tự đông, men khô và chất thải tôm như là một chất thay thế
cho chiết xuất nấm men trong môi trường nước mía (Bảng 1). Ở cùng nồng độ
các nguồn nitơ (1% w / v), việc bổ sung ấu trùng tằm, nấm men tự phân hủy và

chất thải tôm đã dẫn đến sự gia tăng sản xuất axit lactic nhiều hơn đạt được với
chiết xuất từ nấm men. Tuy nhiên, khối lượng hình thành khuẩn lạc và trọng
lượng khô của tế bào cao nhất với chiết xuất từ men.
Gao và cộng sự (2006a, b) đã sử dụng các chất dinh dưỡng có chi phí
thấp bằng thủy phân axit của chất thải cá hoặc các tế bào đã sử dụng để thay thế
hoàn toàn hoặc một phần các chất dinh dưỡng có giá trị cao như chiết xuất từ
men với ít tạp chất hơn trong môi trường lên men.


Ứng dụng tiểu thuyết
Các ứng dụng thực phẩm và liên quan thực phẩm chiếm khoảng 85% nhu
cầu axit lactic, trong khi các ứng dụng công nghiệp phi thực phẩm chỉ chiếm
15% nhu cầu. Axit lactic đã được sử dụng như một chất bảo quản và acidulant
(chất acid hóa) trong ngành thực phẩm và nước giải khát trong nhiều thập kỷ.
Canxi lactat là một chất xay bột tốt, trong khi natri lactat hoạt động như là chất
xơ và chất nhũ hoá. Axit lactic được xem là được công nhận là an toàn (GRAS)
để sử dụng làm chất phụ gia thực phẩm bởi các cơ quan quản lý như FDA ở Mỹ.
Nó được sử dụng làm chất acid hóa / hương vị / chất pH buffering hoặc là chất
ức chế sự hư hỏng vi khuẩn trong nhiều loại thực phẩm chế biến, như kẹo, bánh
mì và các sản phẩm bánh, nước giải khát, súp, sherbets, các sản phẩm sữa, bia,
ùn tắc và thạch, mayonnaise, Và trứng chế biến, thường kết hợp với các chất
đúc khác (Datta và cộng sự, 1995). Axit lactic hoặc muối của nó bây giờ được
sử dụng trong khử trùng và đóng gói thịt, đặc biệt là gia cầm và cá, nơi bổ sung
các dung dịch nước trong quá trình gia công kéo dài thời hạn sử dụng và làm
giảm sự hư hỏng của vi khuẩn do Clostridium botulinum (Datta và cộng sự,
1995). Các este của muối canxi và natri của lactat với các axit béo chuỗi dài hơn
đã được sử dụng làm chất làm lạnh và chất nhũ hoá rất tốt trong các sản phẩm
bánh.

Khả năng giữ nước của axit lactic làm cho nó thích hợp để sử dụng làm
kem giữ ẩm trong các công thức mỹ phẩm. Khả năng của axit lactic để ngăn
chặn sự hình thành tyrosinase chịu trách nhiệm cho các hiệu ứng của nó như
làm sáng da và trẻ hóa. Là chất giữ ẩm, lactate thường cao hơn sản phẩm tự
nhiên và hiệu quả hơn sau đó polyols (Datta và cộng sự, 1995). Ethyl lactat là
thành phần hoạt tính trong nhiều chế phẩm chống mụn trứng cá. Sự xuất hiện tự
nhiên của axit lactic trong cơ thể người làm cho nó rất hữu ích như là một thành
phần hoạt chất trong mỹ phẩm (Wee và cộng sự, 2006). Axit Lactic từ lâu đã
được sử dụng trong các công thức dược phẩm, chủ yếu là thuốc mỡ tại chỗ, kem
dưỡng da, và các dung dịch ngoài ruột. Nó cũng tìm thấy các ứng dụng trong
việc chuẩn bị polyme phân hủy sinh học cho các ứng dụng y tế như phẫu thuật
khâu, giả bộ và các hệ thống phân phối thuốc được kiểm soát (Wee và cộng sự,
2006). Sự hiện diện của hai nhóm chức năng phản ứng làm cho axit lactic là
monomer nguyên liệu tiềm năng nhất đối với các chuyển đổi hóa học tới các
hóa chất có thể hữu ích như axit propionic, axit axetic, acrylic axit vv
Axit lactic kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp
da thuộc da như là một chất đậm đặc cho việc phân tách da và trong thuộc da


thực vật. Axit lactic được sử dụng như là chất khử mùi, dung môi, chất tẩy rửa,
chất làm chậm axit chậm và chất giữ ẩm trong nhiều quy trình kỹ thuật khác
nhau.
Nhu cầu axit lactic đã tăng lên đáng kể do các ứng dụng đầy hứa hẹn của
polyme, axit polylactic (PLA), như một sự lựa chọn thân thiện với môi trường
đối với các chất dẻo có nguồn gốc từ hóa dầu. PLA đã nhận được sự quan tâm
đáng kể như là tiền thân cho việc tổng hợp nhựa phân hủy sinh học (Senthuran
và cộng sự, 1997). Các polyme axit lactic, với những lợi thế to lớn như khả
năng phân huỷ sinh học, nhiệt dẻo, sức mạnh cao ... có tiềm năng lớn trong việc
đóng gói hàng hóa, chế tạo các thiết bị giả, và phân phối thuốc theo người đối
với con người. Việc thay thế các polyme tổng hợp hiện có bằng các chất phân

huỷ sinh học cũng sẽ làm giảm đáng kể các vấn đề xử lý chất thải. Do đặc tính
vật lý của PLA phụ thuộc vào thành phần đồng phân của axit lactic nên sản xuất
axit lactic tinh khiết cần thiết cho quá trình trùng hợp. L-Polylactide là một loại
polyme bán tinh thể có độ bền kéo cao và độ giãn dài thấp với mô đun cao thích
hợp cho các sản phẩm y tế trong cố định chỉnh hình (ghim, thanh, dây chằng
vv), các ứng dụng tim mạch (stents, grafts vv), ứng dụng nha khoa, các ứng
dụng trong ruột, Và khâu. Axit L-Polylactic có điểm nóng chảy là 175-178 ° C
và thời gian phân hủy chậm.
Triển vọng tương lai của sản xuất axit lactic
Axit lactic có thể được sử dụng cho các sản phẩm có khối lượng rất lớn
sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và các sản phẩm tiêu dùng. Các loại
chính của các sản phẩm này là các loại polyme cho chất dẻo và sợi, dung môi
cho các công thức và các hóa chất công nghiệp làm sạch và oxy hóa.
NatureWorks LLC, nhà tiên phong hiện tại về polyme và sản phẩm axit lactic đã
tuyên bố công khai niềm tin của mình rằng thị trường PLA sẽ đạt 500.000 tấn /
năm trên toàn thế giới vào năm 2010, và việc xây dựng thêm hai nhà máy PLA
đang được xem xét hiện nay.
Các dung môi 'xanh' là môi trường thân thiện với môi trường, là một tiềm
năng khác cho các dẫn xuất axit lactic, đặc biệt là este lactat của các rượu có
trọng lượng phân tử thấp như ethyl, propyl và butyl lactate. Một số ứng dụng
chuyên dụng của axit lactat trong điện tử và làm sạch chính xác đã được Purac
phát triển và thương mại hóa. Các hỗn hợp của este này với các dung môi hoạt
tính sinh học khác với một loạt các tính chất solvating hóa và làm sạch đã được
Vertec Biosolvents () phát triển và thương


mại hóa gần đây. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã phê duyệt các
dung môi este lactat thành các thành phần trơ với độc tính không đáng kể và có
đặc tính môi trường tuyệt vời. Điều này đã mở ra cơ hội cho việc phát triển và
thương mại hóa các ứng dụng đặc biệt tốt với các dung môi lactate ester không

độc hại, thân thiện môi trường với các dung môi sinh học có nguồn gốc sinh học
khác.
Axit lactic có thể được sử dụng để sản xuất các hóa chất oxy hóa khối
lượng lớn, như propylen glycol, propylen oxit, axit acrylic, este acrylat và các
chất trung gian hóa học khác như este dẻo lactat este. Những tiến bộ trong công
nghệ hydrogenolysis có thể được phát triển và tích hợp để tạo ra propylen
glycol từ axit lactic trong tương lai (Datta và Henry 2006).
Trong các hoạt động hoàn thiện dệt khác nhau và acid kho của sợi len,
axit lactic kỹ thuật đã được sử dụng rộng rãi. Các axit vô cơ đang ngày càng
được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng này. Sự sẵn có của acid lactic với chi
phí thấp hơn và những hạn chế về môi trường đối với việc xử lý muối phế thải
có thể mở lại thị trường cho acid lactic. Việc sử dụng chirality (đối xứng) của
axit lactic để tổng hợp các loại thuốc và hóa chất nông nghiệp là một cơ hội cho
các ứng dụng mới cho axit lactic hoạt tính hoặc các este của nó. Một ứng dụng
khác như một tinh thể lỏng hoạt động quang học nhờ đó axit lactic được sử
dụng như một chiral synthon đã được mô tả gần đây (Datta và cộng sự, 1995).
Những tiến bộ này có thể mở ra những cơ hội mới về hóa học đặc biệt cho các
axit lactic hoạt tính và dẫn xuất của nó.
Nhu cầu axit lactic trên toàn thế giới ước tính khoảng 130.000-150.000
tấn mỗi năm, và giá thương phẩm của axit lactic trong thực phẩm dao động
trong khoảng 1,38 US $ / kg (50% độ tinh khiết) và 1,54 US $ / kg (Độ tinh
khiết 88%). Acid lactic có độ tinh khiết 88% đã được định giá tới 1,59 US $ / kg
(Wee và cộng sự, 2006). Mức tiêu thụ axit lactic trong các ứng dụng hóa học,
bao gồm polymer PLA và các dung môi màu xanh mới, như ethyl lactat, dự kiến
sẽ tăng 19% mỗi năm (Wee và cộng sự, 2006).
Về quy mô công nghiệp, chi phí sản xuất monomer lactic sẽ thấp hơn 0,8
US $ / kg vì giá bán của PLA sẽ giảm khoảng một nửa so với mức giá hiện tại là
2,2 US $ / kg. Theo phân tích chi phí của Datta et al. (1995), chi phí sản xuất cơ
bản của axit lactic ước tính là 0,55 US $ / kg. Có một số vấn đề cần được giải
quyết cho sản xuất công nghệ sinh học của axit lactic, chẳng hạn như sự phát

triển các vi sinh vật sản xuất axit lactic hiệu suất cao và giảm chi phí nguyên


liệu thô và quá trình lên men. Các quy trình công nghệ sinh học để sản xuất axit
lactic từ nguyên liệu giá rẻ nên được cải tiến hơn nữa để làm cho chúng cạnh
tranh với các chất hoá học có nguồn gốc.
Với nhu cầu ngày càng cao về axit lactic và mối quan tâm ngày càng tăng
về tác động môi trường của sự tích tụ thạch cao như một sản phẩm phụ của quá
trình lên men lên men truyền thống của axit lactic, các nỗ lực tăng cường phát
triển các công nghệ thay thế đang được thực hiện. Các phương pháp nghiên cứu
về di truyền học đã được khai thác một cách lớn để cải tiến LAB, và các phương
pháp chuyển đổi cơ chế chuyển hóa khác nhau cho sản xuất axit lactic gần đây
đã được Singh và các cộng sự xem xét một cách rộng rãi. (2006). Do những vấn
đề nội tại của sự phát triển trong điều kiện kị khí và không có khả năng LAB
sản xuất axit lactic trong điều kiện pH thấp cần phải có sự nỗ lực phối hợp để
phát triển LAB với khả năng pH thấp / sản phẩm ức chế và xác định các vị trí
thích hợp để phát triển sản xuất axit lactic Chủng ở pH thấp, làm cho việc phục
hồi lactate dễ dàng hơn và kết quả là ít tích tụ thạch cao. Sự phát triển của các
hệ thống LAB khoan dung dường như mang lại nhiều lợi ích kinh tế hơn về giới
hạn của sản phẩm và năng suất chung.
Phần kết luận
Acid lactic là một trong những cơ chất nền tảng chính có thể được lấy từ
carbohydrate tái tạo và được sử dụng để sản xuất ra nhiều loại sản phẩm hữu
ích. Trong thập kỷ qua, sản xuất axit lactic đã phát triển đáng kể, chủ yếu là do
sự phát triển của việc sử dụng mới, và công nghệ sản xuất bây giờ chủ yếu dựa
trên lên men carbohydrate. Quá trình lên men axit lactic đã nhận được một
lượng đáng kể quan tâm trong thời gian gần đây bởi vì nó cung cấp một thay thế
cho ô nhiễm môi trường gây ra bởi các ngành công nghiệp hóa dầu và cũng giải
quyết được vấn đề cung cấp hạn chế các nguồn tài nguyên hóa dầu. Mặc dù nỗ
lực tiên phong đáng kể đã được một vài công ty đầu tư vào việc phát triển và

thương mại hóa các sản phẩm axit lactic, công nghệ sản xuất axit lactic cần
được nâng cao hơn nữa và được thực hiện để trở nên khả thi về mặt kỹ thuật và
kinh tế và môi trường. Việc sử dụng các nguồn tài nguyên tái tạo giàu dinh
dưỡng như các chất thải nông nghiệp khác nhau mở ra một con đường làm việc
kép để bổ sung giá trị thông qua một công nghệ xanh thân thiện với môi trường.