Mikrobiologiczna produkcja kwasu mlekowego z surowców odnawialnych

• Autorzy: Pietraszek P. , Dybka K. , Walczak P. , Otlewska A. , Rygala A. , Oltuszak-Walczak E.

Warianty tytułu

EN

Biosynthesis of lactic acid from renewable sources

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł stanowi przegląd danych dotyczących produkcji kwasu mlekowego na drodze biotechnologicznej z wykorzystaniem odnawialnych źródeł węgla (głównie biomasy roślinnej). Zaprezentowano szerokie spektrum mikroorganizmów syntetyzujących kwas mlekowy (bakterie fermentacji mlekowej, Bacillus sp., Escherichia coli, grzyby strzępkowe), w tym drobnoustroje uzyskane w wyniku modyfikacji genetycznych. Ponadto opisano substraty skrobiowe, celulozowe i hemicelulozowe oraz odpadowe produkty przemysłowe (melasa, serwatka) stosowane do produkcji kwasu mlekowego. Podjęto próbę charakterystyki czynników wpływających na przebieg i ekonomikę procesu biosyntezy kwasu mlekowego oraz na jakość i ilość otrzymywanego produktu końcowego w konkretnych warunkach hodowli. Autorzy skupili się na metodach ulepszania szczepów produkcyjnych oraz czynnikach wzbogacających podłoża hodowlane w celu zwiększenia wydajności procesu i czystości kwasu mlekowego. Przedstawiono także perspektywy zastosowania kwasu mlekowego, zwłaszcza w odniesieniu do produkcji biodegradowalnego polilaktydu.

EN

This paper presents an overview on biotechnological method of lactic acid production from renewable sources (mainly plant biomass). This article presents a wide spectrum of microorganisms synthesizing lactic acid (lactic acid bacteria, Bacillus sp., Escherichia coli, filamentous fungi), including microorganisms obtained by genetic modifications. Furthermore, substrates such as starch, cellulose, hemicellulose and industrial waste (molasses, whey) used for the production of lactic acid, have been described. Economics factors related with the lactic acid biosynthesis process and the quality and quantity of the product obtained in specific culture conditions, have been presented. Authors have focused on methods leading to improvement of production process: strains and supplements added to culture media in order to increase the process efficiency and purity of lactic acid. Also perspectives of lactic acid applications, in particular for the production of biodegradable polylactide, have been shown.

• Wydawca: -
• Czasopismo: Polish Journal of Agronomy
• Rocznik: 2014
• Numer: 16
• Opis fizyczny: s.45-56,rys.,bibliogr.

Twórcy

autor

Pietraszek P.

• Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii, Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności, Politechnika Łódzka, ul.Wólczańska 171/173, 90-924 Łódź

autor

Dybka K.

• Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii, Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności, Politechnika Łódzka, ul.Wólczańska 171/173, 90-924 Łódź

autor

Walczak P.

• Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii, Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności, Politechnika Łódzka, ul.Wólczańska 171/173, 90-924 Łódź

autor

Otlewska A.

• Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii, Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności, Politechnika Łódzka, ul.Wólczańska 171/173, 90-924 Łódź

autor

Rygala A.

• Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii, Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności, Politechnika Łódzka, ul.Wólczańska 171/173, 90-924 Łódź

autor

Oltuszak-Walczak E.

• Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii, Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności, Politechnika Łódzka, ul.Wólczańska 171/173, 90-924 Łódź

Bibliografia

• Adsul M. G., Varma A. J., Gokhale D. V., 2007. Lactic acid production from waste sugarcane bagasse derived cellulose. Green Chem., 9: 58-62.
• Afifi M.M.,2011. Enhancement of lactic acid production utilizing liquid potato wastes. Internation. J. Biol. Chem., 5: 91-102.
• Amrane A., 2000. Evaluation of lactic acid bacteria autohydrolyzate for the supplementation of lactic acid bacteria fermentation. World J. Microbiol. Biotechnol., 16: 207-209.
• Chen R., Lee Y.Y., 1997. Membrane mediated extractive fermentation for lactic acid production from cellulosic biomass. Appl. Biochem. Biotechnol., 63: 435-448.
• Claassen P.A.M., van Lier J.B., Lopez Contreras A.M., van Niel E.W.J., Sijtsma L., Stams A.J.M., de Vries S.S., Weusthuis R.A., 1999. Utilization of biomass for the supply of energy carriers. Appl. Microbiol. Biotechnol., 52: 741-755.
• Cui F., Li Y., Wan C., 2011. Lactic acid production from corn stover using mixed cultures of Lactobacillus rhamnosus and Lactobacillus brevis. Bioresour. Technol., 102: 1831-1836.
• Dong X.Y., Bai S., Sun Y., 1996. Production of L(+)-lactic acid with Rhizopusoryzae immobilized in polyurethane foam cubes. Biotechnol. Letters, 18: 225-228.
• Doran-Peterson J., Cook D.M., Brandon S.K., 2008. Microbial conversion of sugars from plant biomass to lactic acid or ethanol. Plant J., 54: 582-592.
• Dumbrepatil A., Adsul M., Chaudhari S., Khire J., Gokhale D., 2008. Utilization of molasses sugar for lactic acid production by Lactobacillus delbrueckii subsp. delbrueckii mutant Uc-3 in batch fermentation. Appl. Environ. Microbiol., 74: 333-335.
• Ferain T., Garmyn D., Bernard N., Hoes P., Delcour J., 1994. Lactobacillus plantarum ldhL gene: overexpression and deletion. J. Bacteriol., 176: 596-601.
• Gajewska J., Błaszczyk M.K., 2012. Probiotyczne bakterie fermentacji mlekowej (LAB). Post. Mikrobiol., 51: 55-65.
• Guyot J.P., Calderon M., Morlon-Guyot J., 2000. Effect of pH control on lactic acid fermentation of starch by Lactobacillus manihotivorans LMG 18010T. J. Appl. Microbiol., 88: 176-182.
• Hamamci H., Ryu D.D.Y., 1994. Production of L(+)-lactic acid using immobilized Rhizopus oryzae. Reactor performance based on kinetic mode and simulation. Appl. Biochem. Biotechnol., 44: 125-133.
• Hetenyi K., Nemeth A., Sevella B.,2008.Examination of medium supplementation for lactic acid fermentation. Hungarian J. Chem., 36: 49-53. Hofvendahl K., Hahn-Hägerdal B., 2000. Factors affecting the fermentative lactic acid production from renewable resources. Enz. Microbiol. Technol., 26: 87-107.
• Hofvendahl, Hahn-Hägerdal B., 1997. L-lactic acid production from whole wheat flour hydrolysate using strains of Lactobacilli and Lactococci. Enz. Microbiol. Technol., 20: 301-307.
• http://www org.pl/nip/index.php?option.cobro.=com_content&vi ew=articleItemid=70&id=70& (dostęp 11.06.2013)
• Huang L.P., Jin B., Lant P., Zhou J., 2003. Biotechnological production of lactic acid integrated with potato wastewater treatment by Rhizopus arrhizus. J. Chem. Technol. Biotechnol., 78: 899-906.
• Huang L.P., Jin B., Zhou J., 2005. Simultaneous saccharification and fermentation of potato starch wastewater to lactic acid by Rhizopus oryzae and Rhizopus arrhizus. Biochem. Engin. J., 23: 265-276.
• Jim Jem J., van der Pol J.F., de Vos S., 2010. Microbial lactic acid, its polymer poly(lacticacid) and their industrial applications. ss. 323-346. W: Plastics from bacteria. Natural functions and applications; ed. Chen G.-Q. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg.
• John R.P., Nampoothiri K.M., Pandey A., 2007. Fermentativeproduction of lactic acid from biomass: an overview on process developments and future perspectives. Appl. Microbiol. Biotechnol., 74: 524-534.
• Kylä-Nikkilä K., Hujanen M., Leisola M., Palva A., 2000. Metabolic engineering of Lactobacillus helveticus CNRZ32 for production of pure L-(+)-lactic acid. Appl. Environ. Microbiol., 66: 3835-3841.
• Libudzisz Z., 2008. Bakterie fermentacji mlekowej. ss. 25-58. W: Mikrobiologia techniczna. Mikroorganizmy w biotechnologii, ochronie środowiska i produkcji żywności; red.: Libudzisz Z., Kowal K., Żakowska Z., PWN, Warszawa.
• Linko Y.Y., Javanainen P., 1996. Simultaneous liquefaction, saccharification, and lactic acid fermentation on barley starch. Enz. Microbiol. Technol., 19: 118-123.
• Liu Y., Wen Z., Liao W., Liu C., Chen S., 2005. Optimization of the process for the production of L (+)-Lactic acid from cull potato by Rhizopus oryzae. Engin. Life Sci., 5: 343-349.
• Maas R.H.W., Bakker R.R., Jansen M.L.A., Visser D., de Jong E., Eggink G., Weusthuis R.A., 2008. Lactic acid production from lime-treated wheat straw by Bacillus coagulans: neutralization of acid by fed-batch addition of alkaline substrate. Appl. Microbiol. Biotechnol., 78: 751-758.
• Malinowski R., Łubkowski D., 2010. Badanie wpływu temperatury i czasu suszenia na wybrane właściwości polilaktydu (PLA). Inż. Aparat. Chem., 49(5): 77-78.
• Narita J., Nakahara S., Fukuda H., Kondo A., 2004. Efficient production of L-(+)-lactic acid from raw starch by Streptococcus bovis 148. J. Biosci. Bioengin., 97: 423-425.
• Oh H., Wee Y.J., Yun J.S., Han S.H., Jung S., Ryu H.W., 2005. Lactic acid production from agricultural resources as cheap raw materials. Bioresour. Technol., 96: 1492-1498.
• Okano K., Kimura S., Narita J., Fukuda H., Kondo A., 2007. Improvement in lactic acid production from starch using α-amylase-secreting Lactococcus lactis cells adapted to maltose or starch. Appl. Microbiol. Biotechnol., 75: 1007-1013.
• Okino S., Inui M., Yukawa H., 2005. Production of organic acids by Corynebacterium glutamicum under oxygen deprivation. Appl. Microbiol. Biotechnol., 68: 475-480.
• Okino S., Suda M., Fujikura K., Inui M., Yukawa H., 2008. Production of D-lactic acid by Corynebacterium glutamicum under oxygen deprivation. Appl. Microbiol. Biotechnol., 78: 449-454.
• Palaniraj R., Nagarajan P., 2012. Kinetic studies in production of lactic acid from waste potato starch using Lactobacillus casei. Internation. J. Chem. Tech. Res., 4: 1601-1614.
• Palmqvist E., Hahn-Hägerdal B., 2000. Fermentation of lignocellulosic hydrolyzates. II: Inhibitors and mechanisms of inhibition. Bioresour. Technol., 74: 25-33.
• Panda S.H., Ray R.C., 2008. Direct conversion of raw starch to lactic acid by Lactobacillus plantarum MTCC 1407 in semi solid fermentation using sweet potato (Ipomoea patatas L.) flour. J. Sci. Industrial Res. 67: 531-537.
• Park E.Y., Anh P.N., Okuda N., 2004. Bioconversion of waste office paper to L(+)-lactic acid by the filamentous fungus Rhizopus oryzae. Bioresour. Technol., 93: 77-83.
• Payot T., Chemal Z., Fick M., 1999. Lactic acid production by Bacillus coagulans – kinetic studies and optimization of culture medium for batch and continous fermantations. Enz. Microbiol. Technol., 24: 191-199.
• Qi B. Yao R., 2007. L-lactic acid production using Lactobacillus casei by solid state fermentation using rice straw. BioResources, 2: 419-429.
• Rohde C., Nawrotzki R., Jager J., 2007. Badania laboratoryjne i techniczne fermentacji mlekowej odpadów organicznych. Ochr. Środ., 1: 41-44.
• Rose J.K.C., O’Neil M.A., Albersheim P., Darvil A., 2000. The primary cell wall o higher plants. ss. 783-808. W: Carbohydrates in chemistry and biology; red.: Ernst B., Hart G.W, Sinay P., Wiley-VCH, Weinheim.
• Sasaki M., Jojima T., Inui M., Yukawa H., 2008. Simultaneous utilization of D-cellobiose, D-glucose and D-xylose by recombinant Corynebacterium glutamicum under oxygen-deprived conditions. Appl. Microbiol. Biotechnol., 81: 691-699.
• Schmidt S., Padukone N., 1997. Production of lactic acid from wastepaper a cellulosic feedstock. J. Industrial Microbiol. Biotechnol., 18: 10-14.
• Shukla V.B., Zhou S., Yomano L.P., Shanmugam K.T., Preston J.F., Ingram L.O., 2004. Production of D(–)-lactic acid from sucrose and molasses. Biotechnol. Lett., 26: 689-693.
• Sreenath H.K., Moldes A.B., Koegel R.K., Straub R.J., 2011. Lactic acid production from agricultural residues. Biotechnol. Lett., 23: 179-184.
• Tamada M., Begum A.A., Sadi S., 1992. Production of L-(+)- lactic acid by immobilized-cells of Rhizopus oryzae with polymer supports prepared by gamma-ray-induced polymerization. J. Ferment. Bioengin., 74: 379-383.
• Torino M.I., Taranto M.P., Sesma F., Font de Valdez G., 2001. Heterofermentative pattern and exopolisaccharide production by Lactobacillus helveticus ATTC 15807 in response to environmental pH. J. Appl. Microbiol., 91: 846-852.
• Tsao G.T., Cao N.J., Du J., Gong C.S., 1999. Production of multifunctional organic acids from renewable resources. Adv. Biochem. Engin./Biotechnology, 65: 243-280.
• van Niel E.W.J., Hahn-Hägerdal B., 1999. Nutrients requirements of lactococci in defined growth media. Appl. Microbiol. Biotechnol., 52: 617-627.
• VickRoy T.B., 1985. Lactic Acid. ss. 761-776. W: Comprehensive Biotechnology; ed.: M. Moo-Young, Pergamon Press, New York, USA.
• Vishnu C., Seenayya G., Reddy G., 2002. Direct fermentation of various pure and crude starchy substrates to L(+)-lactic acid using Lactobacillus amylophilus GV6. World J. Microbiol. Biotechnol., 18: 429-433.
• Walczak P., Ołtuszak-Walczak E., Otlewska A., Rygała A., Dybka K., Pietraszek P., 2012. Biosynteza stereoizomerów kwasu L i D mlekowego. Ochrona przed Korozją, 9s/A/2012: 94-98.
• Wee Y.J., Yun J.S., Kim D., Ryu H. -W., 2006. Batch and repeated batch production of L(+)-lactic acid by Enterococcus faecalis RKY1 using wood hydrolyzate and corn steep liquor. J. Industr. Microbiol. Biotechnol., 33: 431-435.
• Wee Y.J., Yun J.S., Park D.H., Ryu H.W., 2004. Biotechnological production of L(+)- lactic acid production from wood hydrolyzate by batch fermentation on Enterococcus faecalis. Biotechnol. Lett., 26: 71-74.
• Yáńez R., Alonso J.L., Parajó J.C., 2005. D-lactic acid production from waste cardboard. J. Chem. Technol. Biotechnol., 80: 76-84.
• Yen H.W., Lee Y.C., 2010. Production of lactic acid from raw sweet potato powders by Rhizopus oryzae in sodium alginate capsules. Appl. Biochem. Biotechnol., 162: 607-615.
• Yin P.M., Nishina N., Kosakai Y., Yahiro K., Park Y., Okabe M., 1997. Enhanced L(+)- lactic acid production from corn starch in a culture of Rhizopus oryzae using an air-lift bioreactor. J. Ferment. Bioengin., 84: 249-253.
• Yukawa H., Omumasaba C.A., Nonaka H., Kos P., Okai N., Suzuki N., Suda M., Tsuge Y., Watanabe J., Ikeda Y., Vertès A.A., Inui M., 2007. Comparative analysis of the Corynebacterium glutamicum group and complete genome sequence of strain R. Microbiology, 153: 1042-1058.
• Yun J.S., Wee Y.J., Kim J.N., Ryu H.W., 2004. Fermentative production of DL-lactic acid from amylase-treated rice and wheat brans hydrolyzate by a novel lactic acid bacterium, Lactobacillus sp. Biotechnol. Lett., 26: 1613-1616.
• Zhang Z.Y., Jin B., Kelly J.M., 2007. Production of lactic acid and byproducts from waste potato starch by Rhizopus arrhizus: role of nitrogen sources. World J. Microbiol. Biotechnol., 23: 229-236.
• Zhou S., Causey T.B., Hasona A., Shanmugam K.T., Ingram L.O., 2003. Production of optically pure D-lactic acid in mineral salts medium by metabolically engineered Escherichia coli W3110. Appl. Environ. Microbiol., 69: 399-407.