Page 80 - 《精细化工》2021年第12期
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·2442· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷
双歧杆菌为严格厌氧菌，其细胞中缺少抗氧化系统， 酸光学异构选择性较差等原因，尚未被大规模应用。
只要环境中存在少量的活性氧就会导致细胞形态畸 随着研究的不断深入，很多新型催化剂，例如：改
变，大分子物质的合成受阻，甚至出现菌株完全死 良分子筛、固体碱等被开发出来 [51] ，结合超声和微
亡现象。然而，在农业废弃物发酵时很难达到完全 波催化技术 [52] ，在一定程度上实现了纤维素等原料
无氧条件，这就限制了部分常用乳酸菌的利用。基 到乳酸的绿色、高效转化。
于此，李青青 [47] 通过测定比生长速率〔RBGR，为 2.1 反应历程及机理
需氧条件下在波长 600 nm 下测得的光密度（OD 600 ） 纤维素分子内部存在大量—OH，分子内和分子
与严格厌氧条件下测得的 OD 600 的比值〕来进行耐 间具有的致密氢键使纤维素具有复杂、稳定的超分
氧型双歧杆菌的筛选。虽然双歧杆菌被列入严格的 子结构，不易溶解也很难降解 [53] 。纤维素制备乳酸
厌氧菌行列中，但筛选得到的部分菌株还是具有不 的反应历程如图 4 所示，主要包括以下 4 个步骤：
同程度的耐氧性，能改善其应用性能。 （1）纤维素水解为葡萄糖；（2）葡萄糖异构为果糖；
碳源和氮源是菌株生长过程中必不可少的养 （3）果糖经逆醛醇缩合转化为甘油醛及二羟基丙
分，但实验室里某些常用的氮源（酵母膏）由于成 酮；（4）后两者脱水转化为丙酮醛并最终经过重排
本高无法进行大规模使用，研究人员正致力于寻找 生成乳酸 。纤维素的水解（β-1,4-糖苷键的断裂）
[4]
一些高效廉价的替代物。孙家夺等 [20] 利用 4 种农业 往往需要依靠酸或碱的催化作用，传统无机酸（如
废弃物与酵母膏进行对比，结果显示，使用棉籽粕 硫酸、盐酸等）、有机酸（苯磺酸、乙酸等）、酸性
做氮源时乳酸产率最高（可达到 71%）。除了基本营 氧化物及分子筛都可以用作该反应的催化剂。纤维
养外不同菌类有自己独特的营养需求，例如：有些 素水解为葡萄糖后，为使反应更加偏向转化为乳酸
乳酸菌需要补充血红素和甲萘醌来激活呼吸链中的 的路径，葡萄糖的异构化十分关键，该反应可通过
电子传输链（ETC） [48] 。 碱、Lewis 酸 [54] （一些金属离子或分子筛）催化的
除了上述提到的影响因素外，维生素的补充 [49] 、 手段来完成。涉及到 C—C 键断裂的羟醛缩合也是
中和剂 [50] 和反应体系中的负反馈作用 [41] 等也会对
葡萄糖转化制乳酸的关键步骤，该反应也能够通过
微生物发酵产生不同程度的影响。虽然已实现工业
碱或 Lewis 酸催 化的手段来实现。
化应用，微生物发酵法仍然存在许多未解的难题，
WATTANAPAPHAWONG 等 [55] 、ASGHARI 等 [56]
其潜力有待进一步挖掘，这些都有赖于研究人员的
研究发现，Lewis 酸催化逆羟醛缩合反应过程如下：
不断探索。
反应中催化剂上的 Lewis 酸中心与糖分子上的
2 化学催化法 C==O 和其相邻碳上的—OH 都发生配位，同时在催
化体系中水分子会进攻糖上的 α、β 碳原子，使得 C
化学催化法是利用均相或非均相的化学催化剂 —C 键断裂，从而完成逆羟醛缩合反应。目前，大
在一定的温度、压力和气氛下将纤维素等原料转化 部分催化剂的催化效果比较单一，无法实现对纤维
成乳酸的方法 [4,50] 。与微生物发酵法相比，化学催化 素水解、葡萄糖异构、果糖逆醛醇缩合等反应的同
法具有操作简单、历时短、成本低和产物浓度高等 时催化，而且还会催化副反应的发生。
优点，但目前因催化剂存在毒性或腐蚀性、所得乳
图 4 纤维素催化转化生成乳酸的化学反应历程
Fig. 4 Reaction pathways of catalytic conversion of cellulose to lactic acid
