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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2014年第2期
厨余垃圾是居民在生活消费过程中形成的一种
生活废物，仅上海市每天的产生量就达 1 300 余 t。
厨房垃圾主要包括米和面粉类食物残余、蔬菜、植
物油、动物油、肉骨、鱼刺等，从化学组分来分，
有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类、和无机盐等。与
其它垃圾相比，厨余垃圾含水量高，不适于焚烧处理，
且易腐败发臭，因此急需处理厨房垃圾的新技术［1-3］。
1999 年日本学者 Shirai［4］提出了一种实现厨房垃圾
收稿日期 ： 2013-09-17
作者简介 ：周群，女，教师，研究方向 ：生物仿生学 ；E-mail ：pingguotubao@aliyun.com
通讯作者 ：盛莉，女，硕士研究生，研究方向 ：光学 ；E-mail ：shenglizaiwang1233@163.com
pH 对米根霉发酵厨余垃圾生产 L-乳酸的影响
周群 盛莉
（上海理工大学 实验室管理与服务中心，上海 200093）
摘 要 ： 为了强化厨余垃圾发酵 L-乳酸的产量和光学纯度，研究了 pH 对米根霉 AS3.819 发酵厨余垃圾生产乳酸及其光学特
性的影响。结果表明，在中温条件下（34℃），米根霉生长的最适 pH 为 7，最适发酵条件为 8。用米根霉发酵非灭菌的厨余垃圾生
产乳酸，发酵液中还原糖浓度低，且呈先升高，后下降到最低的趋势。pH 调节到近中性和偏碱性（pH6、7、8）的各组还原糖浓
度高于偏酸性组（pH 5 和对照组）。控制 pH 为 8 时，总乳酸产生速率达 1 g/（L·h），L-乳酸是主要的异构体形式，L-乳酸在总乳
酸中的比例在整个发酵时间段内都保持在 0.75 以上，L-乳酸浓度最高达到 59.8 g/L，L-乳酸光学纯度可达到 0.99。控制 pH 为 8 时，
可以同时获得高的乳酸产量和光学纯度。
关键词 ： 厨余垃圾 米根霉 AS3.819 还原糖 L-乳酸 光学纯度
Effect of pH on Yield of Lactic Acid from Kitchen Wastes Fermentation
by Rhizopus Oryzae AS 3.819
Zhou Qun Sheng Li
（Collge of Science，University of Shanghai for Science & Technology，Shanghai 200093）
Abstract: In order to realize resource recycling of kitchen waste, the enhancement of fermentative production of lactic acid（LA）by
Rhizopus oryzae AS 3.819 was investigated. Batch experiments were carried out to analyze the effect of pH on the yield of total lactic acid and the
distribution of L- and D-lactic acid among total lactic acid during the non-sterilized fermentation of kitchen wastes by rhizopus oryzae AS 3.819.
The results showed that when rhizopus oryzae was cultured in medium temperature（34℃）, the optimal growth condition was pH 7, the optimal
fermentation condition was pH8. The concentration of reduced sugar（calculated as glucose）was low, and its concentration was higher at
neutral and alkali conditions（pH6-8）than at acidic conditions（non-controlled pH and pH5）. The L-lactic acid was the predominant isomer
form at pH 8. The maximum total lactic acid production rate was 1g/（L·h）, the ratio of L-lactic acid kept at above 0.75 during the whole
experimental fermentation time and reached the maximum value（0.99）at 60 h and the maximum L-lactic acid was 59.8 g/L. To obtain high
L-lactic acid yield and optical purity simultaneously, it was suggested that PH should be controlled at 8.
Key words: Kitchen refuse Rhizopus oryzae AS 3.819 Reduced sugar L- lactic acid Optical purity
减量化、无害化和资源化的新途径，即通过发酵厨
房垃圾生产乳酸，进而可以合成聚乳酸这种可生物
降解性塑料［5］。不仅可以解决厨余垃圾的资源化问
题，还有利于可生物降解塑料早日取代通用塑料，
有望解决困扰人类多年的白色污染难题。
乳酸，特别是 L-乳酸在食品、医药、化工等行
业应用广泛，聚 L-乳酸在解决白色污染和医用生物
材料等方面有巨大需求，因此，L-乳酸未来的需求
2014年第2期 177周群等 ：pH 对米根霉发酵厨余垃圾生产 L-乳酸的影响
十分巨大。据估计，我国未来 20 年至 50 年内，L-
乳酸在传统应用领域预计将达到 5-8 万 t，聚乳酸的
潜在市场将达 250 万 t 以上，与之匹配的 L-乳酸的
需求量将达到 350-400 万 t（每生产 1 t 聚乳酸，需
耗用乳酸 1.5 t 左右）。L-乳酸作为合成聚乳酸的底物，
将成为我国又一新的大宗生物发酵产业，将是继我
国柠檬酸、味精、饲料赖氨酸后最具规模化的生物
发酵产业之一，其前景将比已有的发酵产业更为看
好［6］。我国经过“九五”科技攻关和“863”计划
的支持，已基本具备了生产聚乳酸产品的技术，但
是由于目前 L-乳酸生产成本高、质量低，限制了 L-
乳酸的大规模生产。为了提高我国 L-乳酸产品的国
际竞争力和市场占有率，高质量、低成本的 L-乳酸
生产技术是目前急需解决的重要课题。因此，不断
改进乳酸发酵工艺技术势在必行［7］。
米根霉由于具有发酵产物 L-乳酸光学纯度高、
营养需求简单、生产成本低、菌丝体大、可直接利
用淀粉发酵等优点，而成为高光学纯度 L-乳酸的主
要生产菌种［8］。由于淀粉是厨余垃圾的主要碳源物
质，因此以解淀粉米根霉 AS3.819 作为菌种，将有
利于厨余垃圾的乳酸发酵。本试验研究了 pH 对米
根霉 AS3.819 发酵厨余垃圾生产乳酸及其光学纯度
的影响，旨在强化厨余垃圾的 L-乳酸发酵，提高 L-
乳酸光学纯度。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 厨余垃圾来源及特性 厨余垃圾来自上海理
工大学第六食堂，主要成分包括米饭、蔬菜、肉类
和豆腐，面条等。取来的厨余垃圾先经过粉碎机粉
碎，再经过大孔径（孔径 0.5 cm）陶瓷过滤器过滤。
厨余垃圾的主要性质见表 1。
1.1.2 菌种培养 米根霉 AS3.819，购于中科院微生
物所菌种保藏中心。悬液制备［7］：PDA 平板培养米
根霉至长出孢子，刮取长有孢子的菌丝至装有无菌水
的三角瓶中，加入无菌玻璃珠震荡，用塞棉花的无
菌漏斗过滤，收集滤液，调整孢子浓度至 107/ mL。
1.2 方法
1.2.1 试验条件和操作 取 100 g 粉碎后的垃圾加入
150 mL 水，装入 500 mL 具塞三角瓶中。接种量为
10%。 用 10% 的 NaOH 或 2 mol/L 的 HCL 调 节 pH
至设定值（pH 为 5、6、7、8）；对照反应瓶不调节
pH 和不加入缓冲溶液 ；三角瓶放于振荡器中培养，
培养温度设定为 34℃，转速设为 100 r/min。每 10 h
测定培养液 pH 及取样测定培养液化学组成。
1.2.2 分析方法 TS、DS、SS、VS 与 PH 用 APHA
标准方法检测［9］。还原糖用 3，5-二硝基水杨酸比
色法测定［10］。乳酸用装有手性分离柱 Astec CLC
（Dikma，USA）的高效液相色谱 Agilent 1200 测定，
流动相为 5 mmol/L CuSO4 溶液，流量 1 mL/min
［3］。
1.2.3 置信度 有限次数测定真值与平均值之间有
如下关系 ：
μ=x
-
±ts/ √ n （1）
其中，s 为标准偏差 ；n 为测定次数 ；t 为选定
的某一置信度下的几率系数（统计因子）。本试验的
置信度为 95%，所有试验的结果代表 3 次试验的平
均值。
2 结果
2.1 细胞生长最适pH的探究
在不同 pH 的 100 mL 种子培养液（培养液成分
（g/L）：葡萄糖 20，硫酸铵 4，磷酸二氢钾 0.3，七
水硫酸锌 0.05，硫酸镁 0.3，pH 自然。将培养基装
入三角瓶中，121℃高压蒸汽灭菌 20 min）中，放入
10 mL 米根霉菌种，培养温度设定为 34℃，转速设
为 100 r/min，培养 80 h，观测其生长曲线，结果如
图 1 所示。从图 1 中可以看出，米根霉生长最适 pH
为 7，最适生长 pH 范围为 6-8，pH 小于 6 与高于 8，
表 1 厨余垃圾理化性质
因素 固形物（%）
TS 16.2
DS 14
SS 2.2
VS/TS 99
PH 6
Total sugar 50.6
Starch 39.12
Crude protein 8
Crude fat 10.06
Crude fiber 10
TS ：总固体 ；DS ：溶解固体 ；SS ：悬浮固体 ；VS/TS ：挥发性固体与总固体
的比值 ；pH ：溶液酸碱度
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第2期178
菌体生长就会受到抑制。
5 6 7 8 9
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
B
io
m
as
s c
on
ce
nt
ra
tio
n g/
L
pH
图 1 pH 对米跟霉生长的影响
2.2 乳酸发酵最适pH的探究
2.2.1 还原糖 图 2 显示了不同 pH 条件下，厨余
垃圾发酵液中还原糖浓度的变化。从图 2 可以看出，
在各 pH 条件下，还原糖浓度均表现出先升高到最
高然后下降到最低的趋势，在 30-60 h 时间段内，
pH 为 6、7、8 的 3 组发酵液中还原糖浓度要明显高
pH 为 5 以及不调节 pH 的组。pH 等于 8 时在整个发
酵时间段内发酵液中还原糖含量最大。
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
R
ed
uc
ed
su
ga
r c
on
ce
nt
ra
tio
n(
g/
L)
Fermentation time h
pH=5
pH=6
pH=7
pH=8
No pH adjustment
图 2 PH 对厨余垃圾发酵液中还原糖浓度的影响
2.2.2 乳酸 图 3 显示了不同 pH 条件下乳酸浓度
的变化，在 80 h 的发酵时间内，不同 pH 条件下，
乳酸浓度增长趋势为 ：在 0-10 h 内缓慢增加，10-
60 h 内快速增加至最高点，60 h 后基本维持稳定。
从图 3 中看出，乳酸最高浓度出现在 pH8 组，最高
浓度为 60 g/L，60 h 内乳酸产生速率为 1 g/（L·h）。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0
10
20
30
40
50
60
O
D
28
0n
m
mA
U
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㓴࠶
0
5
10
15
20
25
30
䞦⍫
U/m
L
0
2
4
6
8
10
12
14
⭥ሬ
mS
/c
m
图 3 pH 对厨余垃圾发酵液中乳酸浓度的影响
2.2.3 L-乳酸的光学特性 如图 4 所示，乳酸的两
个光学异构体 L-乳酸和 D-乳酸，在各 pH 条件下，
发酵的前期 0-60 h 时间段内，L-乳酸浓度持续增加，
D-乳酸浓度不断减少。 pH 为 7，8 组，整个发酵过
程中 L-乳酸浓度都比较高，D-乳酸浓度在整个发酵
过程中都很低，尤其是越到发酵后期 D-乳酸浓度越
低，到发酵结束时几乎为零。pH8 时，乳酸光学纯
度从最初的 0.75 达到最终的 0.99。
3 讨论
pH 对于微生物的生命活动影响很大，主要通
过几个方面实现 ：一是使蛋白质、核酸等生物大分
子所带电荷发生变化，从而影响其生物活性 ；二是
引起细胞膜电荷变化，导致微生物细胞吸收营养物
质能力改变 ；三是改变环境中营养物质的可给性及
有害物质的毒性［11］。微生物通常可在一个较宽 pH
范围内生长，并且远离它们的最适 pH，但它们对
pH 变化的耐受性也有一定限度。细胞质中 pH 突然
变化会破坏质膜、抑制酶活性及影响膜运输蛋白的
功能，从而对微生物造成损伤，环境中 pH 的变化
会改变营养物质分子的电离状态，降低它们被微生
物利用的有效性［12］。每种微生物都有其最适 pH 和
一定的 pH 范围，在最适范围内酶活性最高，如果
其他条件适合，微生物的生长率也最高。 随着环境
pH 值的不断变化，使得微生物继续生长受阻，当超
过最低或最高 pH 值时微生物就死亡［13］。同一种微
生物由于培养液 pH 值的不同，可能积累不同的代
谢产物［14］。米根霉 L-乳酸发酵过程因产生 L-乳酸
而使 pH 不断降低，因此有必要对发酵过程中的 pH
进行调节。以达到强化厨余垃圾的 L-乳酸发酵，提
2014年第2期 179周群等 ：pH 对米根霉发酵厨余垃圾生产 L-乳酸的影响
高 L-乳酸光学纯度的目的。
本 试 验 利 用 6 mol/L 的 NaOH 和 HCl 调 节 pH，
探究了细胞生长最适 pH，乳酸发酵最适 pH。细胞
生长的最适 pH 为 7，最适生长范围是 6-8，因此选
择细胞发酵的 pH 范围为 5，6，7，8。鉴于 pH 为
9 时菌体生长严重受阻，且需要利用大量 NaOH 来
调节，所以发酵试验没有选择 pH 为 9 的条件进行
试验。
pH 为 6，7，8 各组还原糖浓度高于 pH 为 5 组
和对照组，这是由于 pH 偏中性和碱性有利于微生
物的合成代谢，有利于碳水化合物的水解过程［15， 16］。
pH 调节为碱性组乳酸浓度明显高于 pH 中性、
酸性与对照组。表明在中温条件下，控制 pH 为碱
性有利于米根霉发酵厨房垃圾乳酸的生成。在 30-
60 h 内，pH 为 6，7，8 各组较高的还原糖产生量保
证了乳酸较高的产生速率。
乳酸脱氢酶具有立体异构性，有 L-乳酸脱氢酶
和 D-乳酸脱氢酶，因此乳酸具有 L-乳酸和 D-乳酸
两个光学异构体［17］。在以米根霉 AS3.819 为主导菌
种的非灭菌发酵系统中，还包含着其他多种微生物
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0
5
10
15
20
C
on
ce
nt
ra
tio
n g/
L
Fermentation Time h
pH=5
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0
10
20
30
40
50
C
on
ce
nt
ra
tio
n g/
L
Fermentation Time h
pH=7
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0
2
4
6
8
10
12
14
L-lactic acid
D-lactic acid
C
on
ce
nt
ra
tio
n g/
L
No pH Adjustment
Fermentation Time h
0 20 40 60 80
0
10
20
30
40
50
60
C
on
ce
nt
ra
tio
n g/
L
pH=8
Fermentation Time h
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0
5
10
15
20
25
30
C
on
ce
nt
ra
tio
n g/
L
pH=6
Fermentation Time h
图 4 pH 对厨余垃圾发酵液中 L-或D-乳酸产生浓度的影响
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第2期180
种群，这种微生物种群结构以及环境条件会影响 L-
乳酸的光学纯度。试验表明 pH 为 7，8 时，整个发
酵过程中 L-乳酸浓度都比较高，D-乳酸浓度在整个
发酵过程中都很低，尤其是越到发酵后期 D-乳酸浓
度越低，到发酵结束时几乎为零。这表明碱性条件
发酵会提高 L-乳酸的光学纯度。现行的工业生产上，
应用最广的是乳酸菌，这是因为它生长速度快，产
酸率高，耐酸性强而且厌氧发酵可大规模降低能耗
等优点［18］。但在乳酸菌发酵生产乳酸时，经常混入
带有消旋酶的其他菌，使产生的 L-乳酸消旋化，难
以制得高纯度的 L-乳酸［8］。本试验利用不灭菌的厨
余垃圾发酵，接种米根霉 AS3.819，在中温条件下选
择最优 pH 进行发酵，强化了厨余垃圾的 L-乳酸发酵。
发酵过程中不仅省略了灭菌过程，简化了生产工艺，
而且在实际生产中节约了大量的冷却水。本试验表
明，pH 控制为 8 可同时获得较高的 L-乳酸产量和光
学纯度，这对厨余垃圾的工艺优化具有重要参考价
值。
4 结论
米根霉菌体在不同 pH 的种子培养液中培养，
米根霉生长最适 pH 为 7，最适生长 pH 范围为 6-8。
采用接种米根霉 AS3.819 的非灭菌厨余垃圾发
酵产乳酸，发酵液中还原糖浓度低且均呈先升高，
后下降到最低的趋势。pH 为 8 时总乳酸产量最大，
最高浓度为 60 g/L，60 h 内乳酸产生速率为 1 g/L。
控制 pH 为碱性时，L-乳酸是主要的异构体形式，
并且越到发酵后期光学纯度越高。控制 pH 为 8 时，L-
乳酸光学纯度可达到 0.99。
在中温条件下，为同时获得高的乳酸产量和光
学纯度，最优的 pH 应调节为 8。
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（责任编辑 李楠）