野生型乳酸菌筛选与生物反应器培养实现高纯度D-乳酸的高效生产

为应对生物塑料领域对高纯度D-乳酸(D-LA)的需求，研究人员从帕尔马大学菌种保藏中心(UPCCO)筛选150株野生型乳酸菌(LAB)，通过酶法检测和HPLC分析，鉴定出Lactobacillus delbrueckii UPCCO 2214和Leuconostoc citreum UPCCO 4516两株高效D-LA生产者（纯度>97%）。经生物反应器优化培养，前者产量达0.74 g/g，体积生产率0.96 g/L/h，为生物材料领域提供优质单体原料。

　　

随着全球对可持续材料的迫切需求，生物降解塑料正成为石油基塑料的绿色替代品。其中，聚乳酸(PLA)因其优异的生物相容性和机械性能占据市场主导地位。然而，高性能PLA需要光学纯的D-乳酸(D-LA)作为单体，而当前D-LA生产面临三大瓶颈：化学合成产物为外消旋混合物、微生物发酵效率不足，以及工业菌株面临生物安全法规限制。

这项发表于《New Biotechnology》的研究开创性地从帕尔马大学菌种保藏中心(UPCCO)的野生菌种资源库入手，采用"自上而下"的三阶段策略：首先通过酶法快速筛选150株乳酸菌(LAB)，发现Leuconostoc属菌株能产生99.7%光学纯度的D-LA，而Lactobacillus delbrueckii则展现出更高的产量潜力。随后在72小时小规模培养中，发现L. delbrueckii UPCCO 2214能持续产酸至20.41 g/L，显著优于Leuconostoc citreum UPCCO 4516的11.69 g/L。最终在1.2L生物反应器中，通过优化补料策略（包括7小时批式培养后启动4 ml/h葡萄糖流加、8M NaOH控pH、30小时补加10倍浓缩培养基），使L. delbrueckii的D-LA产量达到0.74 g/g，体积生产率0.96 g/L/h，较初始工艺提升240%。

关键技术包括：1) 基于D-/L-乳酸脱氢酶(D-LDH/L-LDH)的酶法高通量筛选；2) 安捷伦HPLC配合Aminex HPX-87H色谱柱的代谢物定量；3) DASGIP?平行生物反应器系统的多参数控制发酵；4) 细胞干重(CDM)与代谢流的关联分析。

研究结果显示：

1. 1.

   初筛发现20株D-LA优势菌株

   从12个属的150株LAB中，酶法检测显示Leuconostoc citreum UPCCO 4516以99.7%的光学纯度居首，而L. delbrueckii UPCCO 2214则以17.05 g/L的产量领先。

2. 2.

   小规模发酵揭示代谢差异

   HPLC追踪显示：同型发酵的L. delbrueckii通过EMP途径持续产酸72小时，而异型发酵的Leuconostoc在24小时内耗尽葡萄糖并副产乙醇（最终比例LA:乙醇=1.73:1）。

3. 3.

   生物反应器优化实现突破

   在补料分批培养中，L. delbrueckii展现出0.82 g/g的碳转化效率，其最大葡萄糖消耗速率达4.55 g/h。尽管Leuconostoc最终产量达63.08 g，但碳利用率仅为0.42 g/g。

讨论指出，野生型L. delbrueckii的天然性能已接近基因工程菌株水平（如Corynebacterium glutamicum的99.9%纯度），且规避了转基因生物的应用限制。研究首次系统比较了同型与异型发酵LAB在D-LA生产中的优劣：前者适合高密度培养，后者则因PK途径分流导致碳损失。作者建议未来通过适应性实验室进化(ALE)提升菌株耐酸性，并尝试连续发酵工艺。

该研究为生物塑料工业提供了重要启示：微生物资源中心的野生菌株库仍是发现高性能生产者的宝库，而精确控制的分批补料策略可大幅提升传统菌株的生产力。通过将UPCCO 2214的发酵参数与文献对比发现，其0.96 g/L/h的生产率已超过多数已报道的野生型LAB（如利用橙皮废料的L. delbrueckii CECT 286的0.63 g/L/h），为PDLA（聚D-乳酸）的工业化生产奠定基础。