Page 77 - 《精细化工》2021年第12期
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第 12 期 王洪亮，等: 生物质转化制备乳酸及其酯类物质研究进展 ·2439·
有效解决塑料污染已成为全球性挑战。近年联合国 类型，每步反应都有相对应的酶系。同步糖化发酵
环境署、国际能源署等国际机构都在大力呼吁全世 （SSF）策略整合了纤维素水解和水解产物发酵两
界禁止使用不可降解塑料并且重视塑料污染。中国 个步骤，而同步糖化共发酵（SSCF）整合了除纤维
国务院办公厅早在 2007 年就发布了《关于限制生 素酶生产之外的其余步骤。综合反应途径（CBP）
产销售使用塑料购物袋的通知》（又称“限塑令”）， 是将 4 个步骤整合在一个体系中进行。分步糖化发
2020 年初又发布了《关于进一步加强塑料污染治理 酵过程虽然原料转化率较高，但成本也相对较高，
的意见》，将“限塑”进一步推进为“禁塑”。在此 过程耗时长，生产力较低，并且会遇到分批工艺所
背景下，生物质基可降解材料 PLA 成为了传统塑料 涉及的步骤耦合性、连续性差等问题 [8-9] 。同步糖分
的重要替代品，市场需求量巨大。2020 年，中国 PLA 发酵可以降低成本，利于大规模生产，目前被越来
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的产量约 1.9×10 t，消费量超过了 2.2×10 t [5] ，预 越多地关注和优化 [10] 。本文重点介绍同步糖化发酵
计未来需求量每年将以 15%~25%的速度增长。当前 尤其是 SSCF 工艺的乳酸生产过程及其影响因素。
乳酸的产量远远不能满足需求，制备成本居高不下，
因此，以农林生物质为原料，高效、廉价制备乳酸
是解决其供需矛盾的重要策略，也是当前生物质炼
制研究的热点。
图 2 微生物发酵法转化纤维素制乳酸工艺 [11]
Fig. 2 Production of lactic acid from lignocellulose by
fermentation technologies [11]
1.1 主要反应过程
1.1.1 预处理
图 1 生物质制备乳酸途径及应用 木质纤维素一般需要经过预处理将其中可发酵
Fig. 1 Lactic acid production from biomass and its
[9]
applications 组分（纤维素和半纤维素）分离和活化 ，以破坏
纤维素的结晶度、降低其聚合度，使之易于后续转
本文对近年来利用生物质转化制备乳酸的方法 [12]
化，之后再进一步通过微生物发酵制得乳酸 。通
和进展进行了系统总结，全面阐述了生物发酵法及
常，使用乳酸菌发酵过程必须对原料进行预处理，
化学催化法制备乳酸及其酯类物质的研究现状、关
因乳酸菌缺乏可降解纤维素等多糖所需的酶系，预
键瓶颈和发展趋势，深入分析对比了两种方法的优 [13-14]
处理可提高原料转化率和乳酸产率 。预处理包
缺点，最后展望了该领域未来研究方向、存在的机
括物理法、化学法和生物法，以上方法可以单独使
遇和面临的挑战。
用也可以联合使用。预处理是影响生物质转化的重
要步骤，直接影响下游反应原料转化率和产物产率。
1 微生物发酵法
物理法主要包括机械粉碎、烘焙、辐射等方法，
发酵是微生物在适宜条件下利用特定的代谢途 通常作为其他方法的辅助，较少单独使用。DUARTE
径将生物质原料转化成含有乳酸或乳酸盐的发酵 等 [15] 发现，利用电子束辐照（物理）结合热水预处
[6]
液，再经分离提纯得到较纯净乳酸的过程 。微生 理，纤维素经酶水解后糖的产率比单一的水热处理
物发酵法具有条件温和、能耗低和绿色环保等优势， 提高了 20%，比稀酸预处理提高了 30%。化学法主
[7]
是目前工业上生产乳酸的主要方法 。木质纤维素 要包括水热、酸碱处理、氧化还原处理等方法，一
通过微生物发酵生产乳酸主要包括纤维素酶生产、 般具有用时短、效果好等优点。有研究者发现，用
纤维素等多糖水解、纤维素水解产物发酵和半纤维 稀硫酸在接近 190 ℃的环境下预处理辣木空豆荚
素水解产物发酵 4 个主要步骤，如图 2 所示。以上 10~30 min，再经过酶解后六碳糖产率可以达到
步骤可以分开进行，也可以同时进行，在同时进行 87%，五碳糖产率最高为 50% [16] 。值得注意的是，
体系中，需存在能作用于多个步骤的酶催化体系。 在热化学预处理过程中，纤维素等碳水化合物容易
分步糖化发酵（SHF）是 4 步完全独立反应的发酵 转化成一些对微生物生长有抑制作用的副产物（如
