木质纤维素生物质微生物生产乳酸的发展趋势及困扰外文翻译资料

 2022-08-08 15:19:21

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摘要

乳酸是一种重要的生物分子，广泛应用于食品、药品、化妆品、生物塑料聚乳酸（PLA）等工业生产中，微生物发酵技术因其可利用可再生的绿色能源而成为乳酸工业生产的有利途径。为了提高乳酸产量，人们探索了不同的生物技术。然而，这种基于生物的生产方法存在着可发酵淀粉底物有限的主要缺点。这种问题导致了寻找成本效益高和广泛可用的替代底物。木质纤维素生物质由于其丰富的资源和可持续的生产能力，被认为是乳酸生产的一种可行的替代基质。然而，由于聚合糖的复杂性而产生的各种挑战与木质纤维材料的使用有关。应考虑在乳酸生产中使使用木质纤维素生物质的效益最大化的潜在解决方案。本文综述和讨论了利用木质纤维素生物质生产乳酸的最新进展，并重点介绍了提高其产量的潜在策略。此外，还综述了近年来的纯化技术。在此基础上，将为进一步建立循环生物经济的创新可持续性方法奠定基础。

1引言

乳酸（LA）是一种强效有机酸，在化妆品、食品、药品和其他日用化学品的工业加工中有着广泛的用途。全球生产的乳酸有一半以上用于食品工业，在食品工业中，乳酸在许多食品中起到了酸化剂、防腐剂、调味剂、乳化剂和pH调节剂的作用，包括糖果（如甜食、巧克力）、乳制品（如酸奶、奶酪）、饮料（如啤酒、葡萄酒、，软饮料）、烘焙产品和腌制食品（Eş等人，2018年）。由于其对皮肤的保湿、提亮、去角质和抗衰老作用，乳酸是许多化妆品中不可或缺的成分（Djukić-Vuković、Mladenović、Ivanović、Pejin和Mojović，2019）。在化学工业中，它被用作中和剂、除垢剂，并且由于其抗菌效力；它是个人卫生产品（如消毒剂、清洁剂等）的主要成分，并且是产生其他有用化学品（例如乙醛、丙烯酸、环氧丙烷、2，3-戊二酮、丙酸、乳酸乙酯）和生物溶剂（Abd Alsaheb等人，2015）。目前，低分子量醇的乳酸酯由于毒性低而被用于杀虫剂的配制中（Y.Li等人，2020）。此外，乳酸可以提供生产环保和生物相容性聚乳酸（PLA）聚合物的可行性，由于其在组织工程、医疗植入物、骨科设备和药物递送系统的生物医学工业中的日益广泛应用，其全球需求最近有所增加（Singhvi，Zinjarde，amp;Gokhale，2019年）。PLA是一种可生物降解的乳酸聚合物，也可用于生产可分解的食品包装材料、地膜（用于蔬菜和水果作物）、垃圾袋、硬质容器和其他生物塑料（Krishna、Sai Nikhilesh、Tarun、Saibaba和Gopinadh，2018）。乳酸在医药领域的应用日益多样化，特别是在局部软膏、防龋剂、手性中间体、CAPD（连续非卧床腹膜透析）溶液的配制中，用于健康管理和其他工业部门的静脉输液（图1）导致乳酸的总体普遍需求激增（de Oliveira、Komesu、Rossell和Maciel Filho，2018）。

按照18.7%的年增长率，预计到2025年，乳酸的总需求量将达到1960.1千吨，在国际市场上约为98亿美元（“全球乳酸市场规模和份额报告”）。从总体上看，乳酸价格因其应用（即不同应用的不同纯度标准影响价格）和用于加工的商品原材料成本而不同（Biddy、Scarlata和Kinchin，2016）。根据供应地理区域的不同，乳酸目前的平均价格从1.30美元到4.0美元/公斤不等(https://www.pharmacompass.com/price/lactic-acid）。因此，寻找能保证乳酸价格便宜的新工艺是非常迫切的，也是一个重大的挑战。LA以两种对映体形式存在：L（ ）和D（-）乳酸。纯同分异构体被认为比外消旋混合物（DL-乳酸）更有价值（Ahmad、Banat和Taher，2020）。乳酸的生产可以通过生物（乳酸发酵）或化学方法来实现。

用强酸水解乳糖腈是生产乳酸最常用的化学方法，该方法可产生D（-）和L（ ）乳酸的外消旋混合物。然而，化学合成的主要限制在于其最终产物（DL-乳酸）不能用于仅需要一种乳酸异构体的特定工业应用中。为了获得光学纯LA，需要对外消旋体混合物进行对映体分离，这增加了生产成本。此外，很难监测最终产品的物理化学性质（Abdel-Rahman、Tashiro和Sonomoto，2013）。化学品生产的其他限制因素包括昂贵的原材料和二次废物的产生，这些都造成了环境污染。对不同工业中特定用途所需的纯镧（L-或D-异构体）的追求促进了微生物发酵路线而不是化学路线。发酵方法提供了许多额外的优势，因为它们需要可再生资源和温和的生产条件，并且与化石燃料为基础的乳酸化学生产相比，涉及环保、成本效益高、能源消耗少的工艺（Reddy、Park和Wee，2015）。因此，人们对通过微生物发酵合成乳酸的兴趣不断增长也就不足为奇了。几种乳酸发酵微生物，包括细菌、真菌和酵母菌，已被用于生产乳酸，其中菌株的选择非常关键，特别是在高光学纯度和生产能力方面。乳酸菌（LAB）和某些生物工程细菌物种，特别是大肠杆菌和棒状杆菌，广泛用于乳酸发酵（Abdel-Rahman和Sonomoto，2016）。微生物发酵是目前和将来生产乳酸的主要途径，但由于原料成本高、产率低，限制了其广泛的应用。通常，淀粉基原料，如土豆、玉米、大米、小麦和木薯，广泛用于乳酸生产，但其可用性受到限制，因为它们也用作食品，从而影响其成本。这种担忧促使人们寻找廉价、丰富、可再生的替代性基质，以保证乳酸的全年可用性（Krishna等人，2018）。在这方面，许多研究建议用木质纤维素生物质（LCB）代替淀粉基材料作为乳酸生产的原料，因为它是废物管理的替代方法。此外，LCB的成本效益和全球分布可能是大规模工业发酵的驱动力（Gunjal、Patil和Shinde，2020). 尽管木质纤维素相对丰富，但其结构的复杂性阻碍了可发酵糖的获取。因此，木质纤维素在用于乳酸生产前需要进行预处理。这一重要的预处理步骤打破了紧密结合的木质纤维素生物质结构，使纤维素和半纤维素暴露于酶的作用下。其他因素，如混合糖（戊糖和己糖）的生成，以及预处理产生的抑制剂化合物，是木质纤维素生产乳酸的瓶颈之一。为了确保这种循环生物经济方法的可持续性，必须规避这些挑战。

本研究探讨了利用木质纤维素生产乳酸的主要挑战和对策。因此，重点介绍了木质纤维素的绿色预处理方法和其酶解方法在乳酸生产过程中的应用。此外，还介绍了近年来利用乳酸菌和木质纤维素生产乳酸的研究实例和提高产率的策略。

6.使用木质纤维素生产乳酸的相关障碍

存在某些限制，这些限制往往会减缓或通常会影响乳酸发酵过程的进度或产量；然而，这些障碍随着生产过程中使用木质纤维素基质而加剧。

在本节中，我们将评估影响木质纤维素乳酸发酵过程的限制因素，同时列举和比较可能的工艺改进方法和策略。

6.1 木质纤维素预处理期间抑制剂的释放

早些时候，我们注意到在木质纤维基质预处理过程中释放的抑制剂存在的可能性。这些生物质降解产物是一个主要的缺点，它对糖解酶、微生物发酵过程以及糖向乳酸的有效转化产生负面影响。例如，预处理过程中使用的生物量和抑制剂的浓度（如使用的生物量、使用的时间和抑制剂的性质）。根据其化学结构，这些抑制剂通常分为呋喃衍生物、弱酸和酚类化合物（A.Moreno、Tomaacute;s-Pejoacute;、Ballesteros和Negro，2019）。呋喃衍生物包括5-羟甲基糠醛（5-HMF）和糠醛，它们分别是己糖和戊糖降解的产物；木质素部分分解产生香草醛、4-羟基苯甲醛、丁香醛和邻苯二酚等酚类化合物，弱酸包括乙酸、甲酸和乙酰丙酸（V.Kumar、Yadav、Kumar和Ahluwalia，2019年）。酚类化合物对酶的性能有更大的影响，因为它们已被证明是纤维素分解酶的有效抑制剂（翟，胡和萨德勒，2018）。这种抑制作用可归因于纤维素酶对木质素衍生物和酚类化合物中羟基的吸附。此外，在1g/L浓度以上，最近的一项研究报告了阿魏酸和香豆酸等酚类化合物对实验室生长的显著抑制作用（van der Pol、Vaessen、Weusthuis和Eggink，2016），被认为比大多数活性抑制分子（如弱酸、呋喃醛、，以及其他降解产物）。酚类化合物影响细胞膜，降低细胞生长和糖代谢，损害脱氧核糖核酸（DNA），从而影响DNA转录和随后的微生物蛋白质合成（Jungamp;Kim，2017）。预处理后的糠醛和甲基糠醛（HMF）对微生物的生长有明显的抑制作用。然而，与糠醛相比,甲基糠醛对微生物活性的抑制作用较小，但会增加滞后期并降低细胞生长，因为在转化率方面，甲基糠醛的持续时间比糠醛长得多，从而延长微生物生长过程（D.Kim，2018）。包括乙酸、甲酸和乙酰丙酸在内的弱酸被发现会阻碍微生物细胞的生长，其中甲酸是最活跃的物质之一（D.Kim，2018）。因此，在酶解前必须消除抑制性化合物。传统的方法是用至少3体积的水清洗预处理的生物质；然而，对于商业操作，清洗将是非常具有挑战性的操作。表2总结了几种解决生物质预处理后抑制剂释放相关问题的方法。

表2 对抗预处理过程中释放的木质纤维素衍生抑制剂的策略

策略

参考文献

优化预处理方法，以尽量减少抑制剂的形成

(A. D. Moreno, Ibarra, Alvira, Tomaacute;s-Pejoacute;, Ballesteros,

2015; Mukasekuru et al., 2020)

在酶解前通过各种调节方法去除抑制性化合物，包括用化学添加剂、木质素封闭剂或液-液萃取进行处理

(J. S. Kim et al., 2016; Ko, Um, Park, Seo, amp; Kim, 2015;

Roque, Morgado, Nascimento, Ienczak, amp; Rabelo, 2019)

利用微生物的生物解毒能力

(D. Kim et al., 2016; J. Liu et al., 2020; A. D. Moreno et al., 2015; Nichols, Hector, Saha, Frazer, amp; Kennedy, 2014)

特定微生物在抑制环境中的适应性进化

(Qin et al., 2016; Xia Wang, Khushk, Xiao, Gao, amp; Bao,

2018)

对抑制剂耐受性增强的新型或重组微生物的使用

(Jiang et al., 2016; Kuo et al.,

2015; Tu et al., 2019)

生物质原料选择（在预处理过程中具有较少的顽拗性和产生较少的抑制剂）和工程

(Jouml;nsson amp; Martiacute;n, 2016; V.

Kumar, Yadav, Kumar, amp;

Ahluwalia, 2020)

6.2酶反馈抑制

木质纤维素生物质酶解需要纤维素酶和半纤维素酶的联合作用，产生单体糖、双糖和低聚糖。当这些糖、双糖和低聚糖的积累或浓度变得更高时，它们会导致这些酶的反馈抑制，并降低总糖产量（Abdel-Rahman和Sonomoto，2016）。为解决这一挑战，已经制定了许多战略。这包括在水解过程中消除产生的糖，优化纤维素酶的条件，或在水解过程中提供beta;-葡萄糖苷酶以防止纤维二糖的积累。克服酶抑制的一种有用的技术需要将胞外酶混合物附着到惰性固定材料上。Hwangbo,Tran和Chu（2019）报告了使用包含五种糖化酶(SE)s的固定化生物催化剂对氢氧化钠（NaOH）和离子液体（IL）预处理的玉米壳进行一步糖化。这些酶包括内切-1,4-beta;-D-葡聚糖酶（内切葡聚糖酶，eglS）、纤维二糖水解酶（外切葡聚糖酶，cbhA），beta;-葡萄糖苷酶（bglH）、内切-1,4-beta;-木聚糖酶（一种内切木聚糖酶，xynC）和beta;-木糖苷酶（bxlB）具有相似的最适pH和温度。这些酶由大肠杆菌BL21异源表达和产生，并用磁性纳米粒子进一步固定化。将游离粗酶混合物与磁铁矿固定化混合物进行比较，结果表明，固定化糖化酶可提高糖化率，水解产物中的糖价比游离粗酶水解样品的糖价高1.7倍。

相比之下，传统的水解和发酵方法（分离水解和发酵（SHF））可以被同时糖化和发酵（SSF）技术所取代。与SHF不同的是，在SSF中，酶水解和发酵在同一个罐中同时进行，这除了确保更便宜的集成工艺外，还将酶反馈抑制降至最低（Berlowska等人，2016）。这可确保发酵微生物快速消化释放的可溶性糖，从而提高产量、缩短反应时间和降低酶负荷（Tarraran amp; Mazzoli，2018）。一个非常有效和经济高效的SSF策略需要将水解酶产生菌与乳酸产生菌或具有水解能力的工程非纤维素乳酸产生菌实验室共同培养，以实现整合生物处理（CBP）（Cubas-Cano等人，2018）。

6.3高酶负荷

用于生物转化的酶的成本是水解过程中需要考虑的一个重要方面。真菌酶混合物的估计平均成本约为10美元/千克蛋白质（da Gama Ferreira、Azzoni和Freitas，2018）。G.Liu、Zhang和Bao（2016）报告的纤维素酶工业市场购买价格固定在23.30美元/千克蛋白质的高价格。他们在技术经济分析的基础上对纤维素乙醇产量进行了研究，比较了纤维素酶用量，建议在糖化过程中降低酶负载量对最终产品降价有积极影响。对于预处理LCB的工业糖化以释放可发酵糖，高酶负荷是一个主要的经济瓶颈（Amit et al.，2018）。酶的

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