利用鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）对合成食品废弃物进行生物精炼和生物处理，以实现L-乳酸的单一发酵生产

《Separation and Purification Technology》：Biorefining and bioprocessing of synthetic food waste for homofermentative production of L-lactic acid using Lactobacillus rhamnosus

　　

N. Arul Manikandan|Anna Hauesler|Brian Freeland

都柏林城市大学生物技术学院，爱尔兰都柏林Glasnevin，9号

摘要

长期以来，化石燃料一直被用作生产石油基塑料的前体材料。本研究旨在利用生物精炼方法将合成食品废弃物（SFW）转化为生产L-乳酸（L-LA）的原料。采用田口实验设计来筛选参与SFW酶水解的工艺参数，最终获得了37.23±1.91%（w/w）的最大葡萄糖产率。利用从SFW中获得的水解葡萄糖进行了筛选实验，结果显示Lactobacillus rhamnosus菌株的生物量和乳酸浓度均优于其他菌株。在葡萄糖浓度从25 g/L增加到104 g/L的条件下进行了批次发酵。随着初始葡萄糖浓度的升高，乳酸与葡萄糖的产率从0.66±0.03 g/g提高到了0.88±0.06 g/g。批次生物动力学研究表明，Haldane模型拟合度良好，R²值为0.98。为了评估培养基中添加矿物质的必要性，采用了Plackett-Burman设计，结果表明酵母提取物的关键性为p值为0.04，t值为3.13。在下游处理阶段，使用活性炭脱色后，葡萄糖浓度从25 g/L增加到104 g/L时，脱色率略有下降，从96.8±0.16%降至91.8±0.36%。然而，在不同葡萄糖浓度下从脱色发酵批次中提取L-乳酸时，其回收效率从57.98±2.6%提高到了69.21±0.9%。因此，本研究表明，使用来自SFW的浓缩葡萄糖作为主要碳源，并辅以少量发酵介质成分，可以实现高产量的L-LA生产。

引言

对化石燃料的过度依赖导致了基于石油的塑料对环境的严重破坏，尤其是通过污染和加速气候变化[1]、[2]。为应对这些问题，全球研究工作越来越多地关注可持续的生物基替代品。在这一转变中，L-乳酸（L-LA）是一个关键成分，它是生产聚乳酸（PLA）的重要基础[3]、[4]。PLA是一种可生物降解且生物相容的聚合物，广泛应用于食品包装和医疗植入物[5]、[6]。然而，为了实现PLA的商业化生产，L-LA单体必须保持高光学纯度。这种高纯度对于达到必要的结晶度和热稳定性至关重要，这对于生产高质量生物塑料非常重要[6]。

全球乳酸（LA）的生产主要通过利用可食用碳水化合物来源（如玉米淀粉、甜菜和甘蔗）的微生物发酵来实现[6]。然而，这种对食品资源的依赖引发了与食品安全相关的伦理问题。鉴于全球食品安全面临的挑战[7]、[8]，采用循环生物经济的原则提供了一个可行且可持续的替代方案。这种方法侧重于利用每年大约13亿吨的废弃食品[9]、[10]。通过将这些有机废弃物转化为高附加值的生物产品，我们可以减少填埋带来的环境危害，同时降低生产成本。为了实现可重复的研究和系统地优化发酵参数，通常使用合成食品废弃物（SFW）。SFW有效地模拟了现实家庭废弃物中的复杂有机成分，确保实验结果的相关性和适用性[8]、[11]。

将固体食品废弃物转化为可发酵原料需要高效的酶水解以提取葡萄糖和含氮化合物[6]、[12]。由于水解通常是生物转化中的限速步骤，因此筛选SFW负荷和酶剂量等参数对于最大化葡萄糖产率至关重要[12]、[13]、[14]。统计技术，如田口实验设计，提供了一种系统的方法来优先考虑影响水解的关键因素。与传统的一次一个因素（OFAT）方法相比，这种方法所需的实验次数更少，从而提高了实验过程的效率[6]、[15]。

尽管将食品废弃物水解为可发酵糖类具有潜力，但在乳酸发酵过程中仍存在一些技术和经济挑战。为了解决这些问题，选择一种优秀的同型发酵乳酸菌（LAB）菌株对于实现高L-LA浓度和保证最终产品的高光学纯度至关重要。除了选择最佳菌株外，转向生物反应器规模的发酵还利用过程分析技术（PAT）实现对高性能菌株的精确监测。在生物反应器中，自动添加碱以维持稳定的pH值直接影响乳酸的生产。此外，光密度（OD）探针提供了连续的生物量增长数据。随后，可以通过离线和在线监测不同初始葡萄糖浓度下的批次发酵来进行生物动力学建模。这种方法有助于预测微生物行为并优化发酵条件[16]、[17]。需要对Monod、Haldane和Moser等数学模型进行比较评估，以了解抑制模式和过程扰动[18]。

此外，营养补充的经济负担对扩大商业生产规模构成了重大挑战，因为培养基可能占总生产成本的30-40%[19]。采用Plackett-Burman等统计策略有助于识别必需的营养物质，同时消除粗食品废弃物（FW）水解物中已存在的多余矿物质[20]、[21]。进行实验以去除这些多余矿物质非常重要，因为这突显了粗FW水解物中微量营养素的固有存在。去除这些多余矿物质有助于降低与培养基制备相关的额外成本[19]。此外，从发酵到下游处理（DSP）的过渡常常被忽视，导致整个价值链的验证存在空白。为了成功合成聚乳酸（PLA），生产的乳酸（LA）必须经过活性炭脱色和液-液萃取（LLE）分离[6]。尽管已有研究集中在从FW生产乳酸上，但尚未全面探索上游和下游处理的整合以生产L-乳酸。

本工作的创新之处在于系统地整合了上游优化和下游回收评估。本研究采用了田口和Plackett-Burman设计方法相结合的方式，以提高从SFW中生产L-LA的效率。主要目标是进行田口正交设计，以优先考虑影响SFW水解的因素。此外，还进行了不同初始葡萄糖浓度下的生物反应器研究。这种方法使我们能够建立发酵强度与下游回收效率提高之间的直接关联。此外，还利用Plackett-Burman设计来识别SFW水解物中存在的各种微量营养物质。这些微量营养物质有助于高效利用葡萄糖并促进L-LA的生产。

章节摘录

材料

酶水解使用了一种酶混合物进行，具体包括淀粉酶（活性 – 300 AU/g）、淀粉葡萄糖苷酶（活性 - 300 GAU/g）和木瓜蛋白酶（活性 – 100 TU/mg），所有酶均来自Murphy and Sons?（爱尔兰Wicklow）。本研究中使用的SFW由78.4%的水果和蔬菜、6.4%的面包和烘焙产品、5.1%的意大利面和米饭、4.1%的肉类、4.1%的鱼类以及1.9%的乳制品组成[8]。本研究使用的食品原料购自Londis DCU，隶属于Londis?

SFW酶水解工艺参数的筛选

采用田口实验设计研究了SFW的酶水解，以评估各种工艺参数对葡萄糖提取的影响。实验结果总结在表1中，显示葡萄糖浓度范围为7.43 g/L至30.12 g/L，葡萄糖产率介于18.55%至37.23%之间。值得注意的是，在第8次实验中，当SFW负荷为15%时，获得了最高的葡萄糖浓度30.12 g/L。相比之下，最大葡萄糖产率为37.23±1.91%

结论

从合成食品废弃物（SFW）生产L-乳酸（L-LA）是一条技术上可行且经济上有前景的可持续生物精炼途径。对SFW酶水解的田口实验分析清楚地表明，SFW负荷是影响葡萄糖提取的最重要因素。在线监测碱的添加量使得乳酸生产能够实时估算。Haldane动力学模型的验证表明L. rhamnosus

CRediT作者贡献声明

N. Arul Manikandan：概念化、方法论、研究、数据管理、初稿撰写、审阅、编辑和修订。Anna Hauesler：方法论、研究、数据管理。Brian Freeland：撰写、审阅与编辑、监督以及资金获取。

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利益冲突声明

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致谢

作者衷心感谢DCU纳米研究设施在FTIR分析方面提供的帮助。作者还感谢生物技术学院提供的共同研究设施。