在热碱性条件下用枯草芽孢杆菌 OP16-2 将玉米浸出液在无营养成分的生物炼制中转化为乳酸——试点规模评估

把玉米副产物变成有价值的绿色化学品

乳酸是现代经济中的多面手：它有助于食品保鲜、在化妆品中舒缓皮肤，并且是可降解塑料的重要前体。然而，要以可持续且低成本的方式大规模生产乳酸仍然是挑战。本研究探索了一个意想不到的主角——玉米湿法加工的富营养副产物玉米浸出液，并展示了一种耐受力强的土壤细菌如何在不添加额外营养物的情况下，将这种液体废料转化为高价值的乳酸，且在天然抑制污染的高温碱性条件下进行。

玉米加工业中的一处隐藏资源

在大型工厂加工玉米时，玉米粒会被浸泡在含二氧化硫的温水中以软化并释放淀粉。剩余的液体，即玉米浸出液，富含糖类、氨基酸、维生素和矿物质。传统上它只被少量用于发酵补充剂。本文作者提出了一个更雄心勃勃的问题：能否仅用玉米浸出液自身、在不添加营养物的情况下，作为微生物合成乳酸的唯一碳氮来源，将这一低价值副产物转化为“无营养”生物炼制的核心原料？

寻找喜热喜碱的微生物主力

工业发酵常面临两个问题：精制糖的成本和污染微生物破坏培养基的风险。为同时解决这两点，研究者从埃及各地采集土壤样本，筛选能在高温（约50–60 °C）和碱性（约pH 9）条件下生长的细菌。这类苛刻环境能自然抑制常见污染菌。在50个候选菌株中，一株后来鉴定为枯草芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）OP16-2 的菌株脱颖而出。它能在玉米浸出液中旺盛生长，耐受来自玉米加工的盐类和硫化物等抑制物，并能够将可利用的糖高效稳定地转化为乳酸。

调配配方以实现最大产出

选定了这一有潜力的菌株后，团队系统地调整发酵配方。他们在玉米浸出液中测试了不同的糖浓度、温度、初始接种量和pH值，并比较了两种随乳酸积累调节pH的方法：加入氢氧化钠（NaOH）或使用固体碳酸钙。随后，他们采用先进的统计工具评估这些因素的协同作用，而不是单独考察各因素。该方法揭示了一个最优“甜点”：约80–83 g/L 的玉米浸出液可发酵糖浓度、接近45 °C 的温度、略碱性的初始pH 约8.5–9.0，以及中高的接种量。在这些条件下，微生物将消耗的糖约94% 转化为乳酸，产率异常之高。

从烧瓶放大到试点生物反应器

实验室烧瓶适合发现阶段，但实际影响取决于在更大罐体中的表现。因此，研究者将工艺放大到50升生物反应器，仅以未经处理的玉米浸出液（经调整至合适糖浓和pH）进料。在一次标准批次运行中，他们获得约74–76 g/L 的乳酸，符合统计预测。为了进一步提高产量，他们采用了“多脉冲间歇补料”策略：不是一次性加入全部糖，而是在细菌消耗糖时逐步补入浓缩玉米浸出液。这保持了适宜的糖浓度，避免了高浓度对微生物的应激。经过约一周的运行，乳酸浓度上升到约153 g/L，且仍保持高产率和稳定的生产速率。

这对可持续材料意味着什么

来自可再生资源的乳酸是生产聚乳酸（PLA）等可降解塑料，以及环保溶剂和食品配料的关键原料。本研究表明，一种在高温碱性条件下生长的稳健细菌，能够将常被视为废物流的玉米浸出液直接转化为乳酸，而不需添加酵母提取物或其他昂贵营养物。通过降低原料成本和灭菌费用，这一热碱性、无营养工艺使我们更接近于从农业副产物大规模、经济地生产绿色化学品，将废料变为更可持续消费品的有价值成分。

引用: Selim, M.T., Salem, S.S., El-Belely, E.F. et al. Nutrient-free biorefinery of corn steep water into lactic acid by Bacillus licheniformis OP16-2 under thermo-alkaline conditions with a pilot-scale assessment. Sci Rep 16, 4357 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35828-4

关键词: 乳酸发酵, 玉米浸出液, 生物炼制, 枯草芽孢杆菌, 生物塑料