[发明专利]一种发酵生产乳酸的微生物混合菌群及发酵方法

说明书

本发明提供了一种发酵生产乳酸的微生物混合菌群及发酵方法，所述的微生物混合菌群包括梭状芽孢杆菌属菌株、埃希氏杆菌属菌株和肠球菌属菌株，其总有效活菌数占微生物混合菌群中有效活菌数的94％以上，所述的芽孢杆菌属菌株、埃希氏杆菌属菌株和肠球菌属菌株的有效活菌数比例为40‑60：20‑40：2‑20。相对于单菌发酵，该微生物菌群发酵稳定性好、生物安全性高、糖蜜耐受性高，在500g/L未处理糖蜜中也能够生长代谢，具有高生产强度和乳酸转化率。该微生物混合菌群还具有生产过程中无需灭菌、发酵底物糖蜜无需预处理、生产成本低等优势。

技术领域

本发明属于生物工程技术领域，特别涉及一种以糖蜜为底物经微生物混合菌群发酵生产乳酸的方法。

背景技术

乳酸(Lactic acid)是重要的生物化工产品，广泛用于医药、食品、饮料、化工、皮革、卷烟工业等领域。乳酸最具前景的应用是以聚乳酸(PLA)为代表的生物材料领域。作为最有潜力的可生物降解高分子材料，有望代替聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等不可降解的塑料，消除“白色污染”，是一种极具应用潜力的生物环保材料。

乳酸的生产方法包括化学合成法、酶法及微生物转化法。相比化学法和酶化法，微生物发酵法生产乳酸，可以通过菌种和培养条件的选择而得到具有立体专一性的L-乳酸或D-乳酸或者是两异构体以一定比例混合的消旋体，可以满足生产聚乳酸的需要。发酵法生产乳酸因其原料来源广泛、生产成本低、产品光学纯度高等优点而成为生产乳酸的重要方法。传统的发酵法生产乳酸主要以葡萄糖或粮食作物，如大米、玉米、马铃薯等为原料。为了进一步降低生产成本，尝试以工农业废物(如甘蔗糖蜜)(Flores-Albino B et al.,2012,35:1193-1200；Xu K et al.,2014,153:23-29)、木质纤维素(Ou MS,2011,38: 599-605)、造纸浆(Budhavaram NK,2009,100:5966-5972)、苹果渣(Gullon B, 2008,99:308-319)、厨房垃圾(Zhang B,2008,99:855-862)、菊芋(Wang LM,2013, 130:174-180)等为原料进行乳酸发酵生产，不仅可以进一步降低生产成本，实现可再生资源有效利用，亦能解决废弃物的处理和污染问题。

糖蜜是制糖生产过程中的主要副产物，也是一种工业废弃物。其中，甘蔗糖蜜的产量可达到原料甘蔗的2.5-3％，生产原料丰富，价格低廉，因此对甘蔗糖蜜的合理开发利用，具有重要的经济意义。其主要成分是糖类，约含蔗糖 30-40％(w/v)，其他糖分(大部分为还原性糖分)约为15-20％(w/v)，另外氮源和无机盐的含量分别为0.5-0.9％(w/v)和10％(w/v)(Liu YP,2008,99:1736-1742)。目前甘蔗糖蜜多用于加工成各种发酵产品，如酒精、乳酸、味精、柠檬酸、赖氨酸、焦糖色素等。虽然廉价原料的利用在一定程度上可以降低原料成本，但是其所含的杂质，如糖蜜中含有的挥发性有机酸、胶体、灰分等，需要纯化后才能用于纯培养生物过程。若不进行纯化处理，采用单一菌很难将其利用，其对细胞生长毒性作用降低了原料的利用率，导致最终生产浓度和强度降低。

微生物菌群(Microbial consortium)是天然混菌发酵的工业应用，该技术是基于生态选择的原则，将能够利用复杂基质、产物范围特殊的菌群保留在反应器或发酵罐中持续使用。与纯培养技术相比，微生物菌群表现出极大地潜力优势，其优点主要体现在：(1)原料的多样性：更为廉价、复杂的基质，如木质纤维素、乳清、糖蜜、粗甘油、马铃薯加工废水、玉米浸泡液等，都可以成为发酵原料用于生产化学品。(2)产物的多样化或单一化：通过协调菌群组成既可以利用不同微生物的代谢途径获得多个目标产物，又可以使产物范围变窄，利于下游物质分离纯化，降低成本。(3)操作的简易性、安全性和稳定性：微生物菌群具有很高的生物多样性，可以在不灭菌的条件下操作，抗噬菌体感染能力和生物安全性得以提升。另外混菌体系细胞间作用关系动态平衡，对环境波动具有更强适应性和稳定性。基于微生物菌群的以上特点，开发一种复杂底物耐受性强，发酵稳定性好，生产强度高，生产过程无需灭菌的微生物菌群，高效转化糖蜜生产乳酸成为一条工业化发展的新思路。