餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸研究進展

馮雷雨，袁飛怡，劉 峰，王婷婷，陳銀廣

（1.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海200092；2.啟迪環(huán)境科技發(fā)展有限公司，北京100084）

現(xiàn)如今我國經濟飛速發(fā)展，如何使城市生態(tài)文明建設與經濟發(fā)展相平衡越來越受到人們的重視。在城鎮(zhèn)化過程中，垃圾的分類與處理已經成為生態(tài)文明建設的重中之重。根據2020年12月我國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2020年全國大、中城市固體廢物污染環(huán)境防治年報》數據顯示，2019年全國196個大、中城市生活垃圾產生量達2.36億噸，其中上海市0.11億噸，北京市0.10億噸。然而，城市生活垃圾的收集與處理中仍存在著居民回收意識與參與度不高、法律政策體系權責不明晰、垃圾回收設施不完整與處理效率低下等問題［1］。為了更加有效地收集垃圾、治理垃圾污染，國家出臺了垃圾分類政策，將城鎮(zhèn)垃圾分為可回收物、有害垃圾、濕垃圾和干垃圾四大類，在此基礎上進一步實現(xiàn)垃圾的無害化、減量化和資源化利用。

通常，城鎮(zhèn)濕垃圾主要以餐廚垃圾為主，是居民在日常生活中以及食品加工中產生的食物廢料，包括菜葉、剩菜剩飯、果皮蛋殼等。隨著我國城市人民生活水平的提高，餐廚垃圾的產生量迅速增加，上海、北京、重慶、廣州等主要城市的餐廚垃圾日產生量均已超過2 000噸。餐廚垃圾含有大量的水分與有機質，極易腐爛變質，傳播細菌和病毒，影響環(huán)境并危害人們的身體健康。傳統(tǒng)上餐廚垃圾處理一般采用焚燒、填埋、堆肥等方法，隨著科技的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了濕熱處理、厭氧發(fā)酵、高溫炭化等技術［2］。近年有研究發(fā)現(xiàn)，餐廚垃圾富含還原糖、淀粉、蛋白質等營養(yǎng)物質，通過厭氧發(fā)酵可以生產乳酸（LA），進而合成聚乳酸可降解塑料［3-6］，這不僅可以解決餐廚垃圾處理困難的問題，還極大地降低了乳酸及聚乳酸類產品的生產成本，為解決困擾人類的白色污染問題開辟了新途徑，對我國有機固體廢棄物污染控制及節(jié)能減排工作具有重要意義。

乳酸是合成聚乳酸類可完全生物降解塑料的主要原料，又名2-羥基丙酸，是一種重要的有機酸，可作為原料、添加劑、防腐劑、消毒劑、調節(jié)劑等，廣泛應用于釀造、食品、化妝品、醫(yī)藥、紡織、環(huán)保等領域，社會需求量日益增加，其中L-乳酸是人體唯一能直接代謝利用的乳酸。目前，乳酸生產量位居全球所有有機酸生產量的第一位，其工業(yè)生產方法主要有化學合成法和微生物發(fā)酵法，前者采用的原料主要為乙醛和氰化氫，經反應制得乳腈后進行H2SO4水解生成乳酸，后者主要以葡萄糖、蔗糖等為基質，用微生物發(fā)酵的方法制取乳酸［7］?；瘜W合成法生產成本高、環(huán)境污染嚴重且較難合成單一構型的乳酸，微生物發(fā)酵法生產乳酸不僅可以克服上述弊端，還具有如下優(yōu)勢：①發(fā)酵條件溫和、成本較低、過程清潔、效率高；②通過選擇適宜的菌種和底物，在一定的發(fā)酵條件下可得到特定的旋光異構體［8-10］。因此，微生物發(fā)酵產乳酸的研究越來越受到關注。其中，利用餐廚垃圾等有機廢物厭氧發(fā)酵產乳酸既能獲得品質較高的乳酸，又可以在實現(xiàn)有機廢物自身減量的同時達到變廢為寶的目的，因此逐漸成為研究的熱點。

基于此，在簡述微生物發(fā)酵產乳酸原理的基礎上對餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸工藝的發(fā)展與現(xiàn)狀、影響因素、分離提純等進行了詳細綜述，并對今后的研究進行了分析與展望。

1 微生物發(fā)酵產乳酸機制及餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸工藝

1.1 微生物發(fā)酵產乳酸機制

目前，制備乳酸主要采用發(fā)酵的方法，世界上商業(yè)銷售的乳酸約有90%是通過微生物發(fā)酵制得，其中乳酸菌的產酸能力最強且工業(yè)應用最多［11-12］。乳酸菌具有生長速率快、乳酸產率高、耐酸能力強等優(yōu)點，其利用葡萄糖產乳酸的代謝途徑如圖1所示。圖1中，ADP指二磷酸腺苷，NAD+和NADH分別指氧化型輔酶I和還原型輔酶I，ATP指三磷酸腺苷。

圖1 乳酸菌利用葡萄糖產乳酸的代謝途徑［16］Fig.1 Metabolic pathway of lactic acid production from glucose by lactic acid bacteria［16］

從生化機制上，微生物發(fā)酵產乳酸可分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧乳酸發(fā)酵三大類。同型乳酸發(fā)酵的末端產物只有乳酸，理論上轉化率為100%，但由于微生物還存在其他的生理活動，因此轉化率一般在80%以上［13］。利用葡萄糖進行異型乳酸發(fā)酵時，發(fā)酵產物除乳酸外還有乙醇、CO2和三磷酸腺苷，乳酸的轉化率只有50%［13］。雙歧乳酸發(fā)酵過程中，雙歧桿菌利用2 mol的葡萄糖生成2 mol的乳酸和3 mol的乙酸，乳酸的轉化率理論上也僅有50%。因此，工業(yè)生產時一般選擇同型乳酸發(fā)酵的菌種用于乳酸生產，如乳酸乳球菌、德氏乳桿菌等。

一般而言，微生物發(fā)酵法制備乳酸的工藝過程可分為預處理、發(fā)酵、分離和提純等階段。在預處理階段對底物進行物理或化學改良，可以降低微生物對底物分解利用的難度，增加乳酸產率［14］。乳酸菌不能直接利用淀粉質原料，必須經過糖化（包括液化和水解）轉變?yōu)樘琴|原料后才能發(fā)酵［15］。水解主要包括酸解和酶解2種方法。與酸解法相比，酶解法操作簡單、反應條件溫和、專一性強、副產物少且不污染環(huán)境，是生物發(fā)酵預處理工藝發(fā)展的重要方向。對餐廚垃圾而言，經過過濾粉碎后，加入纖維素酶、α-淀粉酶和蛋白酶進行酶解，可將纖維素或淀粉等轉化為單糖（主要是葡萄糖）、二糖或容易水解的多糖。發(fā)酵階段是利用微生物的主要階段，餐廚垃圾預處理完成后，配制成合適的培養(yǎng)基，然后接種產乳酸菌株發(fā)酵，此時需控制發(fā)酵罐內pH值、溫度、氧含量等條件，保證微生物處于最佳活性狀態(tài)。分離和提純則是指在微生物發(fā)酵完成后，將目標產物從發(fā)酵液中分離出來，再利用各種理化手段將乳酸提純的過程。然而，實際生產中乳酸發(fā)酵液成分復雜，分離和提純過程會產生大量的廢液和固體廢棄物，并且提取成本較高，制約了發(fā)酵法生產乳酸的應用。

1.2 餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸工藝

1.2.1 傳統(tǒng)發(fā)酵工藝

傳統(tǒng)的餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸工藝由水解、糖化、發(fā)酵、乳酸分離等過程組成，餐廚垃圾中的淀粉、蛋白質等有機物在淀粉酶與蛋白酶的作用下糖化，然后加入乳酸菌進行發(fā)酵，通過過濾、離心、蒸餾等方法對乳酸進行分離，工藝流程如圖2所示。

圖2 餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸的傳統(tǒng)工藝流程［17］Fig.2 Traditional process of lactic acid production by food waste fermentation［17］

由于水解酶（包括淀粉酶、蛋白酶等）與微生物的最佳適應條件不同，因此糖化酶與乳酸菌在工藝流程的不同部分中發(fā)揮作用。然而，在水解糖化階段，水解酶極易受產物糖積累的抑制，導致流程操作復雜，發(fā)酵周期長，產乳酸率低。例如，在沒有外加碳源和氮源、非無菌的條件下對餐廚垃圾進行批式發(fā)酵，糖化酶的活性受到了一定程度抑制，乳酸的產率僅為63%［18］。因此，為了解決傳統(tǒng)乳酸發(fā)酵工藝中存在的問題，人們進行了許多探索與改進，逐漸開發(fā)了一系列新型的乳酸發(fā)酵工藝，如同時糖化發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵、細胞循環(huán)發(fā)酵、固定化細胞技術等。

1.2.2 同時糖化發(fā)酵工藝

同時糖化發(fā)酵法，即SSF工藝，其酶解糖化和發(fā)酵過程在一個反應容器中同時進行，邊糖化邊發(fā)酵，不僅縮短了反應時間，提高了設備的利用率，還減少了雜菌的污染。此外，相對于傳統(tǒng)發(fā)酵工藝，SSF工藝不需要先提取糖，能夠降低水解糖積累對酶反應的抑制，加速水解糖化速率，產率高。然而，SSF工藝的一個主要缺點在于水解和發(fā)酵步驟的溫度和pH值不匹配，前者在溫度為50～55℃和pH值為4.5～5.5時最有效，而后者的理想溫度低于40℃，最佳pH值為5.0～7.0［19］。有研究在溫度為30℃、pH值為5.5～6.5的條件下利用不同的微生物菌株通過SSF工藝從餐廚垃圾中生產乳酸，發(fā)現(xiàn)Lacobacillus manihotivorans DSM 13343產乳酸最高質量濃度為18.69 g·L-1，Lactobacillus plantarum DSM 20174產乳酸最高質量濃度為17.03 g·L-1［20］。以混合餐飲垃圾為碳氮源，利用鏈球菌同時糖化發(fā)酵生產L-乳酸時，最佳條件下乳酸最高產率可達2.16 g·（L·h）-1［21］。

1.2.3 連續(xù)發(fā)酵工藝

連續(xù)發(fā)酵法生產乳酸是指不斷加入新鮮的有機底物，并將微生物細胞生產的代謝產物快速排出從而維持反應器發(fā)酵過程連續(xù)化的工藝。該工藝生產效率高、操作簡單且易于管理，由于發(fā)酵過程中基質的稀釋比例較高，因此通常能夠得到較高的乳酸體積產率［22］。例如，以餐廚垃圾為基質利用連續(xù)發(fā)酵反應器進行乳酸發(fā)酵時，在pH值為3.2～4.5條件下乳酸質量濃度可達5.7～13.5 g·L-1，產率最高可達86.4%［23］。進一步地，在兩級雙流恒化反應系統(tǒng)中利用干酪乳桿菌制取乳酸，最佳條件下得到的乳酸質量濃度可達57.5 g·L-1［24］。在厭氧膜生物反應器中控制橫流速度進行連續(xù)發(fā)酵時，乳酸質量濃度可以穩(wěn)定在40.0 g·L-1左右，該方法最大限度地減少了產物抑制，并優(yōu)化了乳酸的連續(xù)發(fā)酵過程［25］。然而，連續(xù)發(fā)酵法也存在一些不足，如工藝設計要求復雜、營養(yǎng)成分利用率不高、易受雜菌污染而使菌種變異退化等。開發(fā)工藝設計簡單、不易染菌的連續(xù)發(fā)酵產乳酸技術與裝備仍是目前連續(xù)發(fā)酵產乳酸技術發(fā)展的主要方向。

1.2.4 細胞循環(huán)發(fā)酵工藝

微生物發(fā)酵制備乳酸的過程中，乳酸的存在會對發(fā)酵產生反饋抑制作用，即發(fā)酵過程中乳酸的產生會不斷降低發(fā)酵液的pH值，使細胞質酸化并降低微生物的發(fā)酵活性，抑制乳酸菌的生長和產酸量，降低乳酸產率［26］。因此，提高乳酸的產率通常需要控制發(fā)酵液的pH值，并消除產物抑制的影響。工業(yè)上通過加入碳酸鈣、氫氧化鈉等中和劑的方法使乳酸轉化為乳酸鹽，以維持發(fā)酵液的pH值在適宜的范圍內。然而，這樣會產生大量的副產物，乳酸鹽濃度的提高也會抑制微生物的活性。針對上述問題，出現(xiàn)了細胞循環(huán)發(fā)酵工藝，即在發(fā)酵過程中將目標產物或抑制細胞活性的代謝產物快速移出，從而減少產物抑制。細胞循環(huán)發(fā)酵工藝克服了傳統(tǒng)發(fā)酵工藝中生產率低、產物抑制、發(fā)酵費用高等缺點，在食品、輕化工以及醫(yī)藥衛(wèi)生等行業(yè)上具有廣闊的發(fā)展前景［27］。目前，細胞循環(huán)發(fā)酵工藝主要有膜發(fā)酵法［28］、萃取發(fā)酵法［29］等。

近年來，有研究將動態(tài)膜模塊插入發(fā)酵反應器中以增加食物殘渣中乳酸的產生，發(fā)現(xiàn)在pH值為4.0時乳酸產量最高，達0.57 g·（g總固體）-1，乳酸桿菌的相對豐度也增加至96.4%，動態(tài)膜發(fā)酵罐顯著增強了酶活性并提高了乳酸產量［30］。萃取發(fā)酵法則能夠利用有機溶劑在發(fā)酵過程中將發(fā)酵產物連續(xù)移出發(fā)酵體系，操作能耗低且選擇性高。有研究者設計了一種三相流化床生物反應器，選用磺化煤油稀釋的三烷基氧化膦作為萃取劑，通過固定在藻酸鈣珠中的米根霉對發(fā)酵液進行乳酸萃取發(fā)酵，該方法不僅能減輕產物的抑制作用，乳酸產率也高達11 g·（L·h）-1［31］。然而，細胞循環(huán)發(fā)酵工藝設備昂貴，生產成本較高，膜發(fā)酵法中的膜污染問題則會導致膜的通透性降低，影響生產效率。

1.2.5 固定化細胞技術

固定化細胞技術是指對于具有一定生理功能的生物細胞，如微生物細胞、植物細胞或動物細胞等，通過適當的物理、化學方法將其固定在一定范圍內，使其保持活性并進行生殖代謝的方法。與游離細胞相比，固定化細胞具有不易受污染、發(fā)酵速率高、細胞回收利用率低、對底物和產物的抑制作用小等優(yōu)點，并且細胞固定化還可以改善工業(yè)微生物的處理特性，增加生物反應器的容量生產力［32］。固定化載體有很多種，目前最常用的固定化基質是海藻酸鹽，其他類型的還有含海藻酸鈉的聚乙烯醇、果膠酸鈣凝膠和化學改性的殼聚糖珠等［33］。

有研究將光交聯(lián)樹脂固定化技術應用于乳酸發(fā)酵，工程酵母細胞被固定在樹脂凝膠中，可以長時間保持恒定的活性。由于工程酵母可以在缺乏營養(yǎng)的培養(yǎng)基（如糖蜜培養(yǎng)基）中生長良好并高效地生產高光學純度的乳酸，因此當工程酵母的產量提高時，低成本高光學純度的乳酸產量也可隨之提高［34］。廢玉米芯殘渣經纖維素酶和纖維二糖酶水解為葡萄糖后，利用固定在海藻酸鈣凝膠珠中的Lactobacillus delbrueckii ZU-S2進行乳酸發(fā)酵，最終乳酸質量濃度和產率分別可達48.7 g·L-1和95.2%，并且發(fā)酵過程中固定化細胞非常穩(wěn)定［35］。與傳統(tǒng)發(fā)酵技術相比，固定化細胞技術無需進行酶的分離和純化，不僅能減少酶的活力損失，降低成本，所用的生物催化劑還可反復利用［36］。然而，目前大多數固定化細胞技術應用仍處于實驗室研究階段，技術復雜、經濟成本高、存在擴散障礙等不足限制了其在工業(yè)上的發(fā)展和應用［37］，因此開發(fā)新型的高效、廉價固定化材料仍是目前固定化細胞技術發(fā)展的主要方向。

1.3 餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸的影響因素

影響餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸的因素主要有菌種、營養(yǎng)物質、氧氣、基質、溫度、pH值以及各種離子等。在乳酸發(fā)酵工藝的發(fā)展中，國內外學者針對發(fā)酵的影響因素開展了大量的研究。

1.3.1 菌種

眾所周知，能夠產生乳酸的微生物有很多，如細菌、真菌和酵母菌等。產乳酸細菌可分為四大類，即乳酸菌、芽孢桿菌、大腸桿菌和谷氨酸棒狀桿菌［38］。在實際應用過程中可分為單一菌種和混合菌種兩大類。表1列舉了一些發(fā)酵生成L-乳酸的常用微生物。

表1 常用產L-乳酸的菌屬特性［39］Tab.1 Characteristics of commonly used L-lactic acid-producing bacteria［39］

乳酸菌是工業(yè)上應用最多的細菌，芽孢桿菌則具有耐高溫、快速復活和較強分泌酶等特點，抗污染能力強，底物來源廣。大腸桿菌因代謝路徑清晰、營養(yǎng)需求簡單和發(fā)酵周期短等優(yōu)勢而常被用于基因工程改良，改良后的大腸桿菌能夠利用葡萄糖、甘油、蔗糖等進行產乳酸發(fā)酵［40］。以利用木糖產L-乳酸的Escherichia coliWL204為出發(fā)菌株，采用基因置換技術將ladhL基因置換為IdhA基因，可獲得大腸桿菌工程菌株Escherichia coliLHY02。該菌株能利用質量分數為10%的木糖發(fā)酵，D-乳酸產量達84.4 g·L-1，產物光學純度達到99.5%［41］。利用干酪乳酸菌株L.casei對混合餐廚垃圾、烘焙廢物進行真菌水解和發(fā)酵，所得乳酸的產量和產率分別可達94.0 g·L-1、2.61 g·（L·h）-1和82.6 g·L-1、2.50 g·（L·h）-1，發(fā)酵餐廚垃圾粉末水解物時也能得到90.1 g·L-1的乳酸［42］。

根霉菌是研究最多的產乳酸真菌，因可分解利用淀粉基原料、菌體易于分離并能產生高光學純度的乳酸而逐漸成為研究的熱點［43］，包括米根霉、黑根霉、華根霉、小麥曲根霉等10多種，其中米根霉產乳酸能力最強，能夠生產純度較高的L-乳酸，并且具有淀粉性，可以從各種淀粉物質如馬鈴薯淀粉中產生乳酸而不需要事先糖化［44］。利用米根霉Rhizopus oryzaePTCC 5263對10 g·L-1的可溶性馬鈴薯淀粉進行發(fā)酵，通過固定R.oryzae，96 h內乳酸最大質量濃度可達4 g·L-1［45］。

相對于細菌和霉菌，酵母菌具備更好的耐酸特性，可在強度更高的酸性條件下生長，克服了發(fā)酵過程受酸積累抑制的影響。此外，酵母菌也是基因工程中良好的真核基因受體菌，與大腸桿菌相比有更加完備的基因調控、表達和修飾能力［46］。有研究以一株耐高濃度乳酸的耐酸酵母為菌株，采用基因工程育種技術構建乳酸代謝途徑，代謝葡萄糖生成乳酸，使乳酸產量達到40 g·L-1以上［47］。

采用單一菌種對餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸難以充分利用底物中的各種營養(yǎng)，加上各種菌種都存在一定的不足之處，使得乳酸的產量較低。為了彌補菌種在發(fā)酵過程中的缺陷，近年來人們逐漸采用混合及改良菌種的方法來生產乳酸。有研究以棗汁為底物，對Lactobacillus casei和Lactococcus lactis分別進行單一和混合培養(yǎng)發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)混合培養(yǎng)系統(tǒng)中乳酸最高質量濃度可達60.3 g·L-1，葡萄糖和果糖的總利用率分別為96.0%和100.0%，而在單培養(yǎng)發(fā)酵中，乳酸的最高質量濃度分別只達53.0 g·L-1和46.0 g·L-1，葡萄糖和果糖的總利用率也分別只有82.2%、94.4%和93.8%、60.3%。上述研究結果表明，相對于單一培養(yǎng)物，混合培養(yǎng)物具有更高的發(fā)酵能力，并且糖利用率更高［48］。

1.3.2 碳源和氮源

一般情況下，在餐廚垃圾發(fā)酵液中添加復雜的氮源，如玉米漿（CSL）、酵母提取物、蛋白胨、硝酸銨、硫酸銨等達到合適的C/N比，可以促進乳酸的產生［49］。利用廚余垃圾中各種有機物作為碳源發(fā)酵產乳酸，其總糖與總氮含量的比值（S/N）對乳酸產量具有顯著影響。隨著S/N的增加，有機物的生物轉化率逐漸降低，當S/N＜11時，生物轉化率達到80%以上，補氮降低了S/N，提高了生物轉化率［50］。也有研究評估了硫酸銨、硝酸銨、尿素、酵母提取物和蛋白胨作氮源時對Rhizopus arrhizus發(fā)酵產乳酸的影響，發(fā)現(xiàn)低C/N比的發(fā)酵培養(yǎng)基可以提高乳酸的產量，并且以硝酸銨為氮源時能得到高且穩(wěn)定的乳酸，在最大程度上減少副產物的產生，在32 h內添加0.909 g·L-1的硝酸銨就能獲得36.4 g·L-1的乳酸，即91%的收率［51］。

1.3.3 pH值

餐廚垃圾發(fā)酵過程中隨著乳酸的產生，pH值會逐漸降低，影響乳酸菌的活性并對乳酸產率有嚴重的抑制作用。不同的初始pH值及在發(fā)酵過程中對pH值的控制對乳酸產量與產率均有較大影響。一般來說，乳酸發(fā)酵的理想pH值在5.0與7.0之間［7］。研究者以新鮮餐廚垃圾為接種物，通過批式發(fā)酵實驗研究了pH值分別為4、5、6和不受控制時對乳酸發(fā)酵的影響，pH值為5時乳酸的質量濃度和產量最高，分別為28.4 g·L-1和0.46 g·（g總固體）-1［52］。進一步地，在商業(yè)化的厭氧發(fā)酵設施中評估餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸的性能以及工藝條件的影響時發(fā)現(xiàn)，低pH值及高有機負荷均有利于乳酸的積累，乳酸的平均質量濃度可達21.7 g·L-1［53］。

1.3.4 氧氣與溫度

大多數乳酸細菌均為厭氧菌或兼性厭氧菌，厭氧或減少氧分壓有利其生長。擬干酪乳桿菌是一種兼性厭氧菌，環(huán)境中氧氣濃度不同則其生長和代謝特性也會有所不同。在擬干酪乳桿菌發(fā)酵產乳酸的過程中提供不同的氧氣量，發(fā)現(xiàn)微量的通氣在發(fā)酵前期對生物量的積累、葡萄糖的消耗和乳酸的產生都沒有明顯的影響，但在發(fā)酵后期，隨著通氣量的增大，對擬干酪乳桿菌生長的抑制作用增強。當通氣量增至0.5 vvm（即air volume/culture volume/min，表示通氣比）時，在整個發(fā)酵周期內都對擬干酪乳桿菌有明顯的抑制作用。適量的通氣量雖然會抑制生物量的積累，但是可以促進擬干酪乳桿菌對葡萄糖的利用，在通氣量為0.1 vvm時發(fā)酵48 h，乳酸的產量高達166.45 g·L-1，糖酸轉化率為86.1%［54］。

溫度通過影響蛋白質、核酸等生物大分子的結構和功能、細胞結構及胞內酶的活性等來影響微生物的生長、繁殖和新陳代謝，不同的培養(yǎng)溫度不僅影響乳酸菌的生長，還影響代謝產物的產量和質量［55］。有研究發(fā)現(xiàn)在餐廚垃圾和污泥聯(lián)合發(fā)酵產乳酸過程中，溫度對乳酸產量具有較大影響，中溫條件（35±1）℃下乳酸的最高產量為25.51 g COD·L-1，高溫條件（50±1）℃下其最高產量為10.04 g COD·L-1。產生上述差異的原因主要歸結于不同發(fā)酵溫度導致微生物種群結構以及功能微生物活性的變化［3］。

1.3.5 其他因素

餐廚垃圾中微生物生產乳酸不僅能達到有效處理有機廢物的目的，同時還能回收有價值的副產物，但因為參與水解和L-乳酸產生的酶活性不高并存在與其他脂肪酸相關的酶，導致L-乳酸產率低、光學純度不高。通過補加活性污泥和間歇堿性發(fā)酵的方法調節(jié)關鍵酶的活性，在室溫下從餐廚垃圾中獲得了光學純的L-乳酸，并且使乳酸產率提高了近3倍［56］。

鐵作為微生物的營養(yǎng)元素和高效催化劑，能改善厭氧消化中的微生物酶活性，促進發(fā)酵底物的水解［57］。在餐廚垃圾開放式發(fā)酵的過程中加入納米級零價鐵（nZVI）可有效提高乳酸的濃度，并且乳酸的產量與nZVI的劑量成正相關。在不同nZVI濃度下，0～48 h內乳酸不斷積累，但生產速率逐漸下降，48 h后乳酸濃度趨于穩(wěn)定，并在10 g·L-1nZVI時達到最大質量濃度70 539.4 mg COD·L-1，是不加nZVI時的1.78倍。此外，一定量的nZVI還可以促進餐廚垃圾發(fā)酵的其他產物如丙酮酸向乳酸的轉化［58］。然而，不同類型的鐵離子對餐廚垃圾的水解和發(fā)酵的影響機理有所不同，如圖3所示［59］。在餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸系統(tǒng)中，nZVI緩解了pH值的下降，使氧化還原電位（ORP）保持在厭氧水平，促進了不溶性碳水化合物的溶解，刺激了功能酶的活性，增加了乳酸桿菌的豐度，從而使得乳酸產量顯著提升；納米氧化鐵（nFO）則提高了發(fā)酵系統(tǒng)的ORP，促進了假單胞菌的富集，假單胞菌具有很強的降解有機物的能力，同時Fe3+的存在增加了乳酸桿菌的豐度，提高了乳酸脫氫酶的活性，從而增加了乳酸產量。

圖3 零價鐵和氧化鐵在餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產乳酸過程中的作用機理［59］Fig.3 Mechanism of zero valent iron and iron oxide in lactic acid production by anaerobic fermentation of food waste［59］

除了鐵離子，Cu2+也會影響餐廚垃圾發(fā)酵體系中乳酸的產量。例如，餐廚垃圾和活性污泥聯(lián)合發(fā)酵過程中，在pH值為7.0、溫度為35℃的條件下分別投加15、30、70μM Cu2+·（g VSS）-1（即分別投加15、30、70μmol·L-1Cu2+·（g VSS）-1，其中VSS指揮發(fā)性懸浮固體），所產生的乳酸的最大質量濃度分別為23.21 g·L-1、17.44 g·L-1和16.53 g·L-1，其中Cu2+投加量為15μM·（g VSS）-1時與空白相比提高了77.0%。進一步的機理研究表明，Cu2+能夠增強碳水化合物的水解和糖酵解作用，添加15μMCu2+·（g VSS）-1時乳酸菌Lactobacillus的豐度高 達86.20%，而Cu2+濃度為70μM·（g VSS）-1時其豐度僅為0.05%，這說明70μM Cu2+·（g VSS）-1可能超過了該乳酸菌的耐受范圍［60］。

此外，總固體（TS）含量也會影響餐廚垃圾發(fā)酵中揮發(fā)性脂肪酸和乳酸的產生。研究表明，在最佳條件下，TS質量濃度從50 g·L-1增加到150 g·L-1時乳酸產量不斷增加，最高質量濃度可達12.87 g·L-1，而當TS質量濃度增加至200 g·L-1時乳酸質量濃度下降至11.76 g·L-1，主要原因是高濃度的TS限制了傳質并抑制了水解和產酸過程［61］。

2 乳酸的提取和純化

餐廚垃圾產乳酸發(fā)酵液成分復雜，除乳酸外，發(fā)酵液中還包括菌體、殘?zhí)?、蛋白質、色素、無機鹽、副產物有機酸及未轉化的淀粉等，這些雜質的存在為后續(xù)乳酸的分離和提純帶來了很大的困難，影響著乳酸的產量及質量。發(fā)酵液分離和提純的成本在實際生產中占到了總生產成本的50%～60%，是制約乳酸工業(yè)化生產的瓶頸和難點所在［62］。目前，工業(yè)上普遍采用的乳酸提取和純化工藝為鈣鹽結晶法，工藝流程如圖4所示。

圖4 乳酸的提取純化工藝流程［39］Fig.4 Flow chart of lactic acid extraction and purification［39］

該流程成熟且易于控制，但也存在流程較長、操作單元多而復雜、原料消耗多、副產物多、產品回收率低和環(huán)境污染等問題。為了有效解決上述問題，需進一步探索低成本、高效率的分離和提純工藝，以提高產品收率和純度。目前，國內新型的乳酸分離技術主要有離子交換法、酯化水解法、萃取法、分子蒸餾法及膜分離法等。表2比較了幾種從發(fā)酵液中回收乳酸方法的優(yōu)缺點。

表2 乳酸回收和分離工藝的優(yōu)缺點［66］Tab.2 Advantages and disadvantages of lactic acid recovery and separation process［66］

2.1 離子交換法

離子交換技術是生物技術中極具發(fā)展前景的下游加工方法之一，具有選擇性好、條件溫和、操作簡單、產品分離省時省力等特點，得到的產品濃度和純度合理，能從發(fā)酵液中原位提取離子源產物，并除去發(fā)酵過程中潛在的抑制劑［63］。近些年，許多種離子交換樹脂被用于從發(fā)酵液中回收和純化乳酸，如中性吸附劑Amberlite XAD 1600、PVP、IRA-420、IRA-400和DOWEX-50W等［64］。選用強陽離子樹脂Lewatit S2568H將發(fā)酵液pH值降至3.86以下，然后使用弱陰離子交換劑Lewatit S3428將乳酸與發(fā)酵液中的其他陰離子分離，最終獲得的乳酸純度高達99%［65］。Amberlite IRA-400陰離子交換樹脂在pH值為2.0時對餐廚垃圾發(fā)酵液中乳酸的最大吸附容量達106.00 mg·（g濕樹脂）-1，此時樹脂對乳酸的吸附性能不受發(fā)酵液中鹽離子和其他無機酸的影響，并且用水作洗脫液時總收率高達92.11%。pH值為5.0時對乳酸的吸附容量更高，達197.09 mg·（g濕樹脂）-1，若用質量分數為50%的甲醇作洗滌劑、1.0 mol·L-1H2SO4作洗脫劑進行柱分離，乳酸總收率可達86.21%［67］。

2.2 酯化水解法

利用酯化水解法可獲得精品級乳酸，具有產品質量好、生產成本低、色度低且熱穩(wěn)定性高的特點。該方法將乳酸與甲醇等醇類物質在催化劑作用下反應生成乳酸酯，經蒸餾提純、水解后可得到高純度的乳酸。精餾塔的使用可以提高酯化率和水解效率。向餐廚垃圾發(fā)酵液中加入氨水以調節(jié)pH值，然后將得到的乳酸銨直接與丁醇反應6 h制備乳酸丁酯，酯化率為87.7%，并以SnCl2改性的陽離子交換樹脂代替硫酸作為催化劑，以中性乳酸銨代替原來的乳酸作為起始原料，既消除了反應器的腐蝕，又避免了副產物鈣鹽的生成。然后，對乳酸丁酯進行精餾，純化后的乳酸丁酯在陽離子交換樹脂H+的催化下依次水解成乳酸，水解率為89.7%，回收乳酸純度達90%［68］。

然而，酯化反應受化學平衡的限制，產率低，難以實現(xiàn)工業(yè)化應用。將反應蒸餾、催化反應和滲透汽化等過程集成技術與酯化水解法相結合，強化傳質過程，從體系中及時脫除產物水，可提高反應轉化率和產品的收率與品質［69］。雖然過程能耗較高，但是為乳酸精制提供了一條新的途徑。

2.3 萃取法

萃取法是提取化工產品的主要方法之一，根據相似相溶的原理，將適當的溶劑加入發(fā)酵體系，把乳酸萃取到萃取相進行分離和提純，再經反萃取過程得到最終產品，主要包括溶劑萃取、膜萃取、鹽析萃取和反應萃取等。超聲波溶劑萃取是一種新興的乳酸回收方法，以乙酸乙酯為萃取劑從乳酸細菌培養(yǎng)基（MRS培養(yǎng)基）、混合餐廚垃圾水解物和烘焙廢物的發(fā)酵液中提取乳酸，乳酸回收質量濃度可達400～500 g·L-1，總收率約為82%～84%，并且純度高達98%［70］。利用重組釀酒酵母發(fā)酵餐廚垃圾，經4%的稀硫酸水解后用真空蒸餾系統(tǒng)將水解產物濃縮，乳酸質量濃度達到14.3 g·L-1，然后以三烷基氧化膦作為萃取溶劑進行液-液萃取，最終乳酸提取率可達100%［71］。

然而，由于萃取劑大多具有一定的毒性，影響發(fā)酵菌種的活性，并且生產過程不易控制，溶劑回收成本高，因此該技術目前僅停留在實驗室階段［72］。除此之外，由于乳酸具有較強的親水性，使用常規(guī)的有機溶劑對乳酸的萃取存在收率低、萃取劑殘留等問題，因此常需復合溶劑或與其他技術集成來提取乳酸。尋找無毒、高效、經濟可行的萃取劑是未來萃取技術應用的關鍵。

2.4 分子蒸餾法

分子蒸餾，也稱短程蒸餾，是在高真空度條件下進行的非平衡連續(xù)蒸餾過程，特別適用于分離低揮發(fā)度、高分子量、高沸點、高黏度、熱敏性和具有生物活性的物料，并且能有效降低熱分解的危害，避免使用大量的有毒溶劑［73］。采用分子蒸餾技術從發(fā)酵液中回收純化乳酸，并用響應面法和中心復合設計優(yōu)化操作條件，在最佳蒸餾溫度（367.1 K）和壓力（24.5 Pa）條件下僅通過一次蒸餾，乳酸純度可達92.39%，產率可達74.09%，進一步設計多道蒸餾工藝后，可得到純度約為95.60%的乳酸［74］。進一步地，設計了一種含有2個冷凝器的混合短程蒸餾系統(tǒng)，在1 000 Pa的壓力下獲得了純度為89.70%的乳酸［75］。

總之，分子蒸餾技術提取乳酸工藝簡單、步驟少且產品純度高，但產品單程收率低，一次性投資大，并且只能對乳酸產品進行深加工，不能直接從發(fā)酵液中獲得乳酸。在某種程度上該方法可作為從粗乳酸制備高品質乳酸的有效工藝。

2.5 膜分離法

膜分離是利用膜的選擇透過性，在膜兩側一定推動力的作用下，使原料中的某種組分選擇性地透過膜，從而使混合物得以分離，達到分離、提純的目的。常用的膜分離法有微濾、納濾、反滲透和電滲析等。膜分離技術應用于乳酸分離提純主要包括發(fā)酵液的澄清除雜和乳酸精制［76］。Lee等［77］提出了一種從發(fā)酵液中回收乳酸的混合集成膜分離工藝，包括超濾（UF）、納濾（NF）、離子交換（IEX）和真空輔助蒸發(fā)4個分離工藝單元，每一步都有不同的乳酸純度（見圖5），并且最終回收的乳酸純度大于99.5%。采用電滲析法分離餐廚垃圾發(fā)酵液中的乳酸和還原性糖時，在電流密度為2.0 A·dm-2的條件下電滲析10 h，可使乳酸回收率大于82.40%，并且能將乳酸質量濃度從31.47 g·L-1餐廚垃圾發(fā)酵液提濃至68.00 g·L-1左右［78］。

圖5 用于乳酸分離和純化的一體化膜工藝［77］Fig.5 Integrated membrane process for separation and purification of lactic acid［77］

雖然膜分離法能耗低，能夠在一定程度上提高L-乳酸產品的質量，但是膜成本高、膜通量衰減、膜堵塞、膜污染等問題限制了該技術在工業(yè)化生產上的應用?？梢钥闯觯滦腿樗岱蛛x技術與傳統(tǒng)工藝相比，雖然效率大大提高，但是操作過程相對復雜，實際應用時還需與其他技術相結合，不斷研究與改善乳酸的提取和純化工藝仍是乳酸發(fā)酵工業(yè)的重點。

3 研究展望

未來對于餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸研究應從以下幾個方面開展：

（1）篩選高效乳酸菌株。生物合成纖維素酶的活力較低，降低了餐廚垃圾原料的利用率。通過基因工程和代謝工程等技術對現(xiàn)有菌種進行改造，選育出性狀優(yōu)良，能利用多種糖類、營養(yǎng)要求簡單且耐酸能力強的產乳酸菌種，提高菌體的發(fā)酵效率。此外，餐廚垃圾營養(yǎng)成分復雜，單一菌種由于各自特點無法充分利用垃圾中的有用成分，因此采用多種菌株聯(lián)合培養(yǎng)發(fā)酵的方法可有效提高原料的轉化率和乳酸產量。

（2）研制高效發(fā)酵產乳酸反應器。發(fā)酵產乳酸反應器直接影響著餐廚垃圾產乳酸的效果。通過結構和功能的改變，設計和研發(fā)新型高效乳酸發(fā)酵設備，提高餐廚垃圾有機物的發(fā)酵產率和發(fā)酵速度，實現(xiàn)乳酸規(guī)?；a，是未來餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸的主要研究方向。

（3）發(fā)酵體系中微生物體內還原力調控。餐廚垃圾發(fā)酵體系中多種微生物共存調控通常導致乳酸菌胞內煙酰胺腺嘌呤二核苷酸處于匱乏狀態(tài)，用于乳酸合成的還原力不足，碳代謝流流向及其通量調控失衡，多種有機酸并存，從而無法實現(xiàn)發(fā)酵產乳酸代謝的最大化和快速化。因此，在餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸過程中，通過調控產乳酸微生物體內煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的再生以實現(xiàn)乳酸高效生產仍是餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸研究的重點與難點。

（4）發(fā)酵產物的提取和純化。為了獲得高價值的乳酸產品，濃縮、分離和純化是餐廚垃圾發(fā)酵產乳酸下游的必要步驟。迄今為止，研究了許多回收乳酸的技術。然而，由于厭氧發(fā)酵液的復雜性以及乳酸與揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）的相似特性，從發(fā)酵液中原位回收純乳酸仍然有困難。未來仍需要研究高效的乳酸提取與純化工藝，并對現(xiàn)有提取工藝進行優(yōu)化，如綜合利用集成分子蒸餾及膜技術等，同時進行生命周期和技術經濟評估，實現(xiàn)高效、經濟、綠色的乳酸分離純化。