劉金熙，李冠洋，金 清

（延邊大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，吉林延吉 133002)

乳酸，學(xué)名α-羥基丙酸或2-羥基丙酸，是自然界中最小的手性分子。由于乳酸分子內(nèi)含有一個(gè)不對(duì)稱的碳原子，因此按其旋光性可分為D（-）-乳酸，L（+）-乳酸。合成L-乳酸的乳酸菌大致分布在乳桿菌屬、鏈球菌屬、腸球菌屬和片球菌屬中的40余種[1-2]。合成光學(xué)純D-乳酸的乳酸菌主要分布在乳桿菌屬[1,3]、芽孢桿菌屬、明串珠菌屬和芽孢乳桿菌屬4個(gè)屬[4-5]。乳酸是世界三大有機(jī)酸之一，被美國(guó)食品和藥品管理局認(rèn)定為“公認(rèn)安全物質(zhì)”，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和化妝品等領(lǐng)域[6]。乳酸制備方法中，與化學(xué)合成法相比，微生物發(fā)酵法生產(chǎn)得到的乳酸因純度更高而備受青睞。具備優(yōu)良發(fā)酵特性的菌種是微生物發(fā)酵法工業(yè)化的核心。本文對(duì)基因工程發(fā)酵生產(chǎn)D-/L-乳酸優(yōu)良菌種的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 乳酸的制備方法

目前，應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)乳酸的方法主要有兩種，分別是化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵法[7-8]?；瘜W(xué)合成方法制備乳酸有乳腈法、丙烯腈法、丙酸法、丙烯法等。通過(guò)化學(xué)合成法生成的乳酸一般需要進(jìn)行化學(xué)手段拆分，實(shí)現(xiàn)難度大、成本高，且過(guò)程中產(chǎn)生的毒性對(duì)人與環(huán)境均造成較大威脅，因此一些地區(qū)禁止應(yīng)用此類方法進(jìn)行乳酸的工業(yè)合成[9-10]。微生物發(fā)酵法是在以葡萄糖、蔗糖、淀粉等糖類作為發(fā)酵碳源的培養(yǎng)基中接入微生物，如乳酸菌等發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的方式進(jìn)行生產(chǎn)[11]。根據(jù)發(fā)酵途徑不同，一般分為同型乳酸發(fā)酵、異形乳酸發(fā)酵和雙歧發(fā)酵。與化學(xué)合成法相比，微生物發(fā)酵法生產(chǎn)得到的乳酸純度較高，生產(chǎn)出來(lái)的聚乳酸的商業(yè)價(jià)值也更高，從而被廣泛應(yīng)用。

2 優(yōu)良菌種篩選與改造

優(yōu)良菌種是發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的的核心，也是乳酸工業(yè)化生產(chǎn)保障。自然篩選作為一種菌種選育的手段，對(duì)工業(yè)中微生物育種有很大的作用。吳錦蘭等[12]以柳州傳統(tǒng)發(fā)酵酸筍為原料，分離并篩選得到一株高產(chǎn)乳酸的乳酸菌菌株LB-1-23，并鑒定其為植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）。在優(yōu)化條件下，乳酸產(chǎn)量為12.74 g/L。宮路路等[13]從云南傳統(tǒng)發(fā)酵豆豉中分離并篩選得到一株高產(chǎn)乳酸的植物乳桿菌，并對(duì)其產(chǎn)酸培養(yǎng)基組成及條件進(jìn)行優(yōu)化，將之命名為L(zhǎng)actobacillus plantarumYM-4-3。吳錦蘭等、宮路路等均通過(guò)自然選育的手段篩選得到高產(chǎn)乳酸的植物乳桿菌，但該方法的缺點(diǎn)是菌株自然突變的概率較小，比較難篩選得到理想的菌株。通過(guò)傳統(tǒng)的物理、化學(xué)的方法進(jìn)行誘變得到所需菌株的方法也比較常見(jiàn)，王云曉[14]、劉聯(lián)杰[15]均對(duì)出發(fā)菌株進(jìn)行紫外誘變與硫酸二乙酯（DES）誘變，得到生成相應(yīng)手性乳酸的目標(biāo)菌株。雖然所得菌株突變率高，但需要對(duì)突變菌株進(jìn)行遺傳穩(wěn)定性試驗(yàn)，工作量繁重。目前，分子生物學(xué)技術(shù)在乳酸合成領(lǐng)域的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。通過(guò)利用基因工程技術(shù)的方法育種可以克服上述兩種方法的缺點(diǎn)，對(duì)菌株進(jìn)行定向改造并穩(wěn)定遺傳，所得菌株可以進(jìn)行高純度的D-乳酸或L-乳酸合成。

乳酸脫氫酶（Lactate Hehydrogenase，LDH）是乳酸菌生成乳酸代謝途徑中催化丙酮酸轉(zhuǎn)化成乳酸的關(guān)鍵酶，其立體定向性決定了乳酸的構(gòu)型。根據(jù)催化產(chǎn)物不同，乳酸脫氫酶分為D-乳酸脫氫酶和L-乳酸脫氫酶兩種，分別產(chǎn)生D-乳酸和L-乳酸[16-17]。乳酸的合成構(gòu)型由D,L-乳酸脫氫酶基因的表達(dá)水平?jīng)Q定，所以當(dāng)下國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)主要集中在乳酸菌的D,L-乳酸脫氫酶的編碼基因上[18]。

KONG等[19]通過(guò)基因修飾并敲除推測(cè)的D-乳酸脫氫酶基因構(gòu)建了高效產(chǎn)L-乳酸的馬仙克魯維酵母菌株。經(jīng)同步糖化、共同發(fā)酵，該菌株在42 ℃下從玉米芯渣中產(chǎn)L-乳酸103.00 g/L，光學(xué)純度99.5%。OKINO等[20]利用基因工程手段敲除谷氨酸棒桿菌L-乳酸脫氫酶基因，再轉(zhuǎn)入大腸埃希菌D-乳酸脫氫酶基因，所得菌株發(fā)酵生產(chǎn)D-乳酸的量達(dá)到120 g/L，光學(xué)純度高于99.9%。張媛等[21]對(duì)篩選得到的一株耐高溫耐高糖的植物乳桿菌使用同源重組的基因工程手段，進(jìn)一步提高其活性，得到基因工程菌Lp-DA。該菌株45 ℃發(fā)酵產(chǎn)乳酸近200 g/L，D-乳酸光學(xué)純度達(dá)到99.9%。生長(zhǎng)迅速，營(yíng)養(yǎng)需求簡(jiǎn)單，發(fā)酵周期短的大腸桿菌在代謝工程育種中，具有遺傳背景清楚、易于進(jìn)行遺傳操作等顯著優(yōu)勢(shì)[22]。趙錦芳等[23]構(gòu)建產(chǎn)L-乳酸大腸桿菌基因工程菌，在15 L發(fā)酵罐中以6%的葡萄糖為碳源進(jìn)行發(fā)酵，乳酸生產(chǎn)強(qiáng)度為1.14 g/（L·h），乳酸的產(chǎn)量達(dá)到41.13 g/L。L-乳酸純度達(dá)95.69%。TIAN[24]通過(guò)CRISPR-Cas9基因編輯平臺(tái)開發(fā)了一株高光純度L-乳酸生產(chǎn)菌株。利用自適應(yīng)進(jìn)化技術(shù)，選育出在高溫45 ℃下能高效產(chǎn)L-乳酸的高效菌株NCBIO01-M2-ldhL1-HT。該菌株在高初始葡萄糖濃度下進(jìn)行開放發(fā)酵，可產(chǎn)生221.0 g/L的L-乳酸。發(fā)酵液中L-乳酸光學(xué)純度達(dá)99.1%以上，L-乳酸產(chǎn)率達(dá)7.5 g/L/h以上，產(chǎn)率達(dá)0.96 g/g以上。魯泓鷹[25]采用RED基因置換技術(shù)將ldh L基因置換為ldh A基因，對(duì)產(chǎn)D-乳酸的大腸桿菌工程菌株進(jìn)一步厭氧生長(zhǎng)篩選，得到一株厭氧條件生長(zhǎng)良好的菌株LHY02。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在最優(yōu)發(fā)酵條件下發(fā)酵，得到D-乳酸產(chǎn)量為（38.18±1.85）g/L。周麗[26]在關(guān)于基因刪除對(duì)大腸桿菌乳酸代謝影響進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，將野生型大腸桿菌中的8個(gè)基因進(jìn)行了選擇性地組合刪除，得到重組菌株B0013-070，D-乳酸產(chǎn)量可達(dá)125 g/L，光學(xué)純度大于99.9%。

3 結(jié)語(yǔ)

菌種性能優(yōu)劣直接關(guān)系到發(fā)酵工業(yè)的成敗，野生型菌株一般要進(jìn)行育種后才能達(dá)到工業(yè)要求進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)。隨著D-/L-乳酸在生活中的需求日益擴(kuò)大，以單一酶促反應(yīng)為出發(fā)點(diǎn)的菌種改造應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)仍有局限。未來(lái)應(yīng)以酶促反應(yīng)之間的協(xié)同作用為突破點(diǎn)，充分利用現(xiàn)有的研究資料與現(xiàn)代科學(xué)，開展對(duì)D-/L-乳酸發(fā)酵生產(chǎn)菌的代謝網(wǎng)絡(luò)分析和育種，從而進(jìn)一步契合工業(yè)生產(chǎn)的要求。