Sản xuất axit lactic thương mại đạt 259.000 tấn vào năm 2012 [69] và ước tính vào năm 2017 sẽ thu được 367.300 tấn [8]. Grand View Research Inc (“Lactic axit”, 2014) đã dự báo sản xuất axit lactic trên toàn thế giới (bao gồm cả việc sử dụng polymer) ước tính đạt khoảng 1.960.000 tấn vào năm 2020, với mức tăng trưởng hàng năm là 15,5% từ năm 2014 đến năm 2020. Trong đó, ứng dụng công nghiệp chiếm 44,3% của toàn thị trường trong năm 2013 và dự kiến sẽ tiếp tục thống trị thị trường trong giai đoạn dự báo trên.
Hiện nay, các công ty chính sản xuất axit lactic có mặt ở các quốc gia: Mỹ (công ty Nature Works LLC và công ty Archer Daniels Midland(ADM)), Hà Lan (công ty Purac), Bỉ (Galactic S.A) và ở châu Á như: Nhật ( công ty Musashino Chemical Co.Ltd,…), Trung quốc (công ty Henan Jindan Lactic Acid Co.Ltd). Trong đó, công ty ADM sản xuất axit lactic từ nguồn nguyên liệu truyền thống, công ty Musashino Chemical Co.Ltd hợp tác với một số công ty bên Trung quốc sản xuất axit lactic theo công nghệ lên men carbohydrate.
Cho đến nay, nhiều nghiên cứu đã và đang tập trung vào nghiên cứu sản xuất axit lactic từ các nguồn nguyên liệu xylose, cellobiose và nguồn lignocellulose khác nhau thông qua quá trình lên men vi sinh vật [73, 123, 124]. Cụ thể như:
Tyree R.W. và cộng sự lên men axit lactic từ môi trường chứa 31 g/l xylose, 7 g/l cao nấm men và 3 g/l pepton; duy trì pH 6,4 - 6,5 bằng NaOH 4M trong suốt quá trình lên men ở nhiệt độ 30oC bởi loài L. xylosus, hiệu suất lên men lactic thu được 41% [122].
Thomas S. và cộng sự nghiên cứu lên men axit lactic từ môi trường chứa 23 g/l xylose, 27,5 g/l trypton, duy trì pH 6,5 bằng NH4OH 6M tại nhiệt độ 33oC bởi loài L.
pentosus, hiệu suất lên men lactic đạt 56% [117].
Sản xuất axit lactic từ chất thải rắn của nhà máy bột giấy sử dụng loài L.
delbrueckii. Thomass S. đã thu được hiệu suất lên men lactic là 90% trong môi trường chứa 25 g/l xylose, 27,5 g/l trypton, duy trì pH 5 bằng NH4OH 6M tại nhiệt độ 45oC [117].
35
Satoru S. và cộng sự đã cải tạo chủng L. lactis IL 1403 để lên men xylose thu được axit lactic là 50 g/l đạt hiệu suất lên men 89% dưới điều kiện nhiệt độ 300C, pH duy trì bằng 6 (± 0,3), tốc độ khuấy 100 vòng/phút [105].
Okano K. và cộng sự đã đột biến chủng L. plantarum NCIMB 8826 trong lên men axit lactic từ xylose và kết quả thu được 41,2 g/l D- axit lactic từ 46,4 g/l xylose sau 60h lên men, hiệu suất lên men axit lactic là 88% [84].
Hiện nay, lên men axit lactic từ đường cellobiose bởi các chủng Lactobacillus có nguồn gốc tự nhiên hầu như chưa có mà mới chỉ có các chủng có nguồn gốc tái tổ hợp.
Mặc dù, Lacerda Ramos C.L. và cộng sự cũng công bố loài L. plantarum có khả năng lên men cellobiose nhưng không nêu được khả năng lên men axit lactic của chủng mà tập trung chủ yếu vào đặc tính probiotic của L. plantarum [95].
Guo W. và cộng sự đã sử dụng chủng L. brevis S3F4 để lên men axit lactic từ dịch thủy phân cây ngô có nồng độ đường ban đầu 56,9 g/l (xylose 46,4 g/l; glucose 4,0 g/l;
arabinose 6,5 g/l) và thu được 39,1 g/l axit lactic, chủng này có khả năng kháng các chất ức chế quá trình lên men như axit ferulic và fufuran [41].
Zhang Y. và cộng sự đã sử dụng chủng L. delbrueckii ATCC 9649 trong quá trình lên men axit lactic từ dịch thủy phân của bột giấy và cây ngô. Trong nghiên cứu Zhang Y. và cộng sự đã đường hóa bột giấy và cây ngô bởi cellulase CTec2 và đường tạo ra từ quá trình thủy phân đã được chuyển đổi thành D- axit lactic bởi L. delbrueckii thông qua quá trình lên men SSF. Trong quá trình SSF, axit lactic đạt được 20,1 g/l, đạt hiệu suất lên men axit lactic là 50% từ dịch thủy phân cây ngô, đối với dịch thủy phân bột giấy lượng axit lactic thu được là 19,2 g/l , đạt hiệu suất lên men lactic 48% [143].
Zhang Y. và cộng sự đã nghiên cứu sản xuất axit lactic từ các loại đường thu được từ dịch thủy phân hoa bạch dương bởi hỗn hợp loài L. brevis và L. plantarum. Họ giả thiết rằng L. plantarum chuyển hóa phần lớn glucose theo con đường EMP; L. brevis chuyển hóa xylose và một phần nhỏ glucose photphoketolaza. Tiến hành lên men sinh tổng hợp axit của hỗn hợp 2 chủng từ dịch thủy phân cây bạch dương trong điều kiện nhiệt độ 37oC, pH 6,5 được duy trì, tốc độ khuấy 100 vòng/phút, nồng độ đường (glucose 35,4 g/l; xylose 14,3 g/l), sử dụng môi trường MRS với nồng độ cao nấm men 5 g/l và lượng giống cấp 5% theo tỉ lệ 1:1. Kết thúc quá trình lên men sau 96h lượng axit lactic thu được 38 g/l và 7,2 g/l axit axetic, tương ứng với hiệu suất lên men axit lactic là 80% [142].
Arvid G. và cộng sự cũng sản xuất axit lactic từ hỗn hợp L. pentosus CHCC 2355 và L. brevis CHCC 2097 để lên men axit lactic từ dịch thủy phân hemicellulose của lúa mì với quá trình tiền xử lý oxi hóa ướt kết hợp với thủy phân bằng enzyme, hiệu suất cao nhất
36
đạt 88% khi sử dụng chủng L. pentosus CHCC 2355 ở nhiệt độ 37oC và 51% khi sử dụng chủng L. brevis CHCC 2097 ở nhiệt độ 30oC, khi sử dụng đồng thời cả 2 chủng trên lên men ở nhiệt độ 33,5oC thì hiệu suất đạt 95% [15].
Cui F. và cộng sự đã sử dụng hỗn hợp loài L. rhamnosus và L. brevis trong lên men axit lactic từ dịch thủy phân thân cây ngô theo con đường SSF. Quá trình tiền xử lý bằng NaOH 1M, thủy phân bằng enzyme cellulase, sau đó lên men ở các điều kiện nhiệt độ 37oC, lắc 100 vòng/phút, tỉ lệ cấp giống 2 % theo thể tích; pH 5 được duy trì bằng CaCO3 và đã thu được hiệu suất 70% [30].
Yao R. và cộng sự đã nghiên cứu sản xuất axit lactic từ rơm rạ, nghiên cứu sử dụng phương pháp bề mặt trong thủy phân rơm rạ bằng enzyme và sản xuất axit lactic theo phương pháp đường hóa và lên men đồng thời sử dụng chủng L. casei YQ - 06, bổ sung thêm 0,7 g/l chất hoạt động bề mặt polyoxyethylene (20) sorbitan monooleate thì lượng axit lactic thu được khoảng 8,5 g/l . Tuy nhiên nghiên cứu mới chỉ tập trung vào quá trình thủy phân cellulose trong đó tập trung vào nguồn đường glucose [135].
Kim J.H. và cộng sự nghiên cứu chuyển hóa rơm rạ thành axit lactic bởi chủng L.
brevis, chủng này có khả năng sử dụng đường xylose và glucose, quá trình lên men của dịch thủy phân rơm rạ chứa 25,3 g /l glucose, 18,4 g/l xylose và 13,5 g/l arabinose, pH ban đầu bằng 6, nhiệt độ 37oC, lượng giống cấp 5%, môi trường lên men bổ sung các thành phần của môi trường MRS trừ đường. Sau 24 giờ lên men thu được 30,5 g/l axit lactic;
16,7 g/l axit axetic; 5,2 g/l ethanol, hiệu suất tương ứng 0,92 (mM/mM) sau 24 giờ. Đồng thời Kim J.H. và cộng sự cũng công bố rằng các chất ức chế có trong quá trình tiền xử lý axit của rơm rạ không gây cản trở đến sự phát triển và khả năng chuyển hóa đường của L.
brevis. Điều này có thể do L. brevis thường được tìm thấy trong môi trường giàu lignocellulose, chẳng hạn như các loại thực vật và thực phẩm lên men hoặc đồ uống nên có khả năng đối kháng [59] .
Nghiên cứu sản xuất axit lactic tại Việt Nam chủ yếu từ nguồn nguyên liệu giàu carbohydrate như rỉ đường mía, đường thủy phân bột ngũ cốc, dịch thải của công nghiệp giấy,…Giang Thế Bính và cộng sự nghiên cứu phân lập và tuyển chọn giống vi khuẩn lên men axit lactic từ các nguồn nguyên liệu tinh bột sắn, tinh bột khoai, rỉ đường mía. Trần Đình Mẫn và cộng sự đã: “Nghiên cứu sản xuất bao bì dễ phân hủy sinh học từ polylactic trên cơ sở nguồn axit tạo ra bằng phương pháp lên men vi sinh vật” trên cơ sở nguồn nguyên liệu glucose. Tuy nhiên các nguồn nguyên liệu này cũng không bền vững, cạnh tranh với nguồn nguyên liệu thực phẩm [1, 3]. Mặt khác, Việt Nam là một nước nông nghiệp có sản lượng sinh khối lignocellulose từ nông nghiệp khá lớn. Trong số các nguồn
37
sinh khối lignocellulose đa dạng thì nguồn sinh khối rơm rạ tương đối dồi dào, nhưng từ tình hình thực tế cho thấy đa số rơm rạ bị thải bỏ khi còn tươi hoặc nếu có xử lý thì chỉ một lượng nhỏ được tận dụng trong cuộc sống như trồng nấm, làm phân bón hữu cơ, sử dụng trong chăn nuôi… còn một phần lớn rơm rạ vẫn bị đốt bỏ trên đồng ruộng tạo ra các chất có hại cho môi trường như khí CO2 gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và đời sống của nhân dân và gây lãng phí nguồn tài nguyên.
Ngoài ra, phần lớn các nghiên cứu chuyển đổi rơm rạ thành các sản phẩm hóa học có ích là tập trung về sản xuất ethanol hoặc sử dụng trong sản xuất phân bón. Năm 2013, nhóm nghiên cứu của viện hàn lâm khoa học Việt nam đã tiến hành đề tài: “Nghiên cứu triển khai công nghệ chế tạo Polymer tự phân hủy sinh học - Polylactic axit từ phế liệu nông lâm nghiệp” sử dụng nguồn nguyên liệu rơm rạ. Đề tài nghiên cứu quá trình lên men axit lactic từ dịch thủy phân rơm rạ bởi chi Rhizopus, tuy vậy đề tài mới chỉ tập trung vào thủy phân cellulose [2].
Xuất phát từ những phân tích trên, đề tài: “Nghiên cứu lên men axit lactic từ xylose, cellobiose và dịch thủy phân rơm rạ bởi một số chủng vi khuẩn Lactobacillus”
tập trung vào phần phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn có khả năng lên men axit lactic từ đường cellobiose và xylose, khảo sát và tối ưu các điều kiện thích hợp lên men axit lactic, sau đó kết hợp 2 chủng đã tuyển chọn ở trên trong lên men sản xuất axit lactic từ dịch thủy phân rơm rạ.
38