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1、第三章 乳酸及乳酸钙,第一节 乳酸的理化性质,一、乳酸的命名与分子结构乳酸因存在于酸牛奶中而得名，它广泛存在于人体、动物、植物和微生物中，其产、消量仅次于柠檬酸。乳酸，英文名为(Lactic acid)，学名为-羟基丙酸(-hydrxy-propionic acid)，结构式为CH3CHOHCOOH，相对分子质量为90.08，是一种天然存在的有机酸。 H CH3-C-COOH OH,由于分子内含有一个不对称碳源子，因此具有旋光异构现象。乳酸按其旋光性可分为D(-)-乳酸、L(+)-乳酸和DL-乳酸三种。由于人体只能代谢利用其中的L(+)-乳酸，因此世界卫生组织(WHO)明确规定，成人每天摄入D
2、(-)-乳酸的量不得超过100 mg/kg体重，对于三个月以下的婴儿食品中不应加入D(-)-乳酸，而对于L(+)-乳酸则不加限制。,二、乳酸的性质,L-乳酸是一种有机强酸，能与水、酒精和乙醚以任意比互溶。60%以上浓度的乳酸具有很强的吸湿性。乳酸通常为无色或微黄色粘稠状液体，在67133Pa的真空条件下反复分馏，可以得到纯品的乳酸结晶。纯净的无水乳酸是白色的晶体，熔点为16.8，沸点为122(2kPa)，相对密度为1.24g。由于乳酸含有一个羟基和一个羧基，因此可以参与多种反应，如氧化反应、还原反应、酯化反应、缩合反应等，其中由L-乳酸充分脱水可缩聚成聚L-乳酸。另外，加热乳酸使其自动酯化，可
3、形成乳交酯。,乳酸市售品无论是发酵法或合成法的制品均为外消旋体。外消旋体为无色糖浆状液体或晶体，无臭、有酸味，有吸湿性，光学性不活泼，即使在极冷条件下也不凝固，相对密度1.4392(20/40)，熔点18，沸点122 (5mmHg )，有防止腐败发酵的作用，不侵犯健全的组织，但对病变组织敏感。,乳酸是世界公认的三大有机酸之一，自从1780年Scheele发现乳酸以来，乳酸的生产及应用技术得到大规模的提高。L-乳酸、L-乳酸盐及其聚合物广泛应用于食品、医药、农业、化学工业等领域。此外，以L乳酸聚合的聚乳酸(PLA)，凭借其可生物降解，生物相容等特性，越来越受到广泛的研究和关注。,第二节 乳酸及乳
4、酸衍生物的应用,1、食品工业 （食品工业用含量为50%）由于L-乳酸对人体无毒副作用，且易吸收，可直接参与体内代谢，因此被广泛的应用于酸味剂、防腐剂(代替苯甲酸钠)、pH调节剂和食品强化剂。乳酸可解除疲劳、松弛肌肉。饮料、果汁、奶制品中用作酸味剂；调味品如酱油、醋、咸菜中用作防腐保鲜和调味剂，使酸味自然；蛋糕、面包、肉制品、果冻、奶酪、果酱、冰淇淋、腌制品等食品中用来调节pH、抑菌、延长保质期、调味等；面包、糕饼等食品中作膨松剂；发酵工业，加入的目的是控制pH值，作灭菌剂以防止杂菌繁殖，促进菌体发育。乳酸可使食品具有微酸性且不影响水果和蔬菜天然气味和芳香，故广泛用于水果和蔬菜等罐头食品中。,一
5、、乳酸的用途,2、医药工业,乳酸作为消毒剂用在病房、手术室、实验室等场所。在医药方面广泛用作防腐剂、载体剂、助溶剂、药物制剂、pH 调节剂等。可直接制成药或制成盐类，用作含漱剂、涂布剂、膀胱注入剂等，还可内服用于肠内消毒。它能溶解蛋白质和角质，对病变组织的腐蚀作用特别敏感，可用于治疗喉头结核、白喉、狼疮等病。利用乳酸亲水性的特点与难溶性药物结合，可增加药物的吸收量，防止副作用产生。乳酸除了可以直接用作消毒剂外，还可以制成乳酸钠，配成输液，治疗酸中毒及高钾血症。L(+)-乳酸钙、L(+)-乳酸亚铁、L(+)-乳酸锌都是补充金属元素的良好药品，此外由聚乳酸制成的手术缝合线、生物植片等在临床上都被广
6、泛应用。,3、化妆品工业,在化妆品中其用量也逐渐增大。乳酸本身含有天然润肤成分，刺激皮肤细胞再生效果明显，在皮肤、头发的护理中起到保湿滋润，替代甘油作保湿剂，调节酸碱性、抗微生物等作用，对皮肤无刺激性，兼有剥离性能、抗菌性能和增白性能，对改善皮肤组织结构，消除皱纹、色斑，治疗皮肤干燥、痤疮等有显著疗效。,4、香料和香精、皮革、卷烟工业,乳酸乙酯是重要的食用香料，用来配制酒和食用香精，在盛产清香型酒国家，乳酸用量很大。制革工业用它来除去柔皮中的石灰和钙质，使皮革柔软光滑。用乳酸比其它酸脱灰质量好，因此高级皮革都用乳酸脱灰。一般皮革用的乳酸含量为40%，对乳酸的质量要求低，深色和带臭味的均可使用。
7、卷烟生产中用乳酸调节烟草味道，清除苦辣味且防霉变，并利用乳酸的引湿性保持水分，增加烟丝的柔软性，降低尼古丁含量。也常用乳酸处理低档烟草来提高档级。,5、化学工业,在化学领域中，由于L(+)-乳酸是生物可降解塑料-聚乳酸的原料而备受关注。聚乳酸有望在不久的将来代替PVC、PP等各种不可降解的塑料，以消除“白色污染”所造成的环境危机。此外聚乳酸还具有良好的机械性能、透明性、透气性等而被大量应用于农业、制造业等领域。,6、其它行业,纺织业中乳酸用于pH值调整，是良好的媒染剂；农药中用作除草剂的原料；因其具有清洁除垢等作用，用于洗涤清洁产品；在涂料墨水工业中用作pH 调节剂和合成剂；L-乳酸在塑料纤维
8、工业中是可降解新型材料聚乳酸PLA的原料。在饲料中L-乳酸用于调节动物肠道的pH，促进饲料的消化吸收，可提高牛羊的产奶量。,二、乳酸盐、乳酸衍生物及聚合物用途,乳酸是一种羟基羧酸，分子上有一个羟基和一个羧基，因此，能进行反应，生成一系列的乳酸盐、乳酸酯、乳酸酰胺等乳酸衍生物及其聚合物。乳酸钙：L-乳酸钙广泛用于食品及医药工业，是一种良好的钙源，用于治疗骨质疏松、手足抽搐、抽筋、低血钙、过敏、痉挛和镁中毒等病症。用于面包、奶粉、酱菜等做钙营养剂。还可作为稳定剂、缓冲剂、面团调节剂改善风味和口感，提高诸如糖果、糕点等食品和饮料的质量。增强水果和蔬菜的抗氧化性，防止褪色。加于饲料中能控制饲料中菌的改
9、变，牛羊可提高产奶量，提高家禽蛋壳硬度减少破碎。,乳酸亚铁：主要用作食品、医药、饲料的铁强化剂。乳酸钠：医药上是止血剂，用于因腹泻脱水、糖尿病和胃炎等引起的酸中毒及高钾血症。试剂工业中用做酪蛋白增韧剂、吸水剂。食品工业中用作pH 调节剂、风味改进剂、保湿剂、干酪增塑、防冷剂等。乳酸锌：是一种新型补锌剂，可用于医药、食品、饮料及乳制品中，也用于船舶防污涂料、化妆品、牙膏、漱口剂中。乳酸酯类作为溶剂广泛用于香料、合成树脂涂料、胶粘剂、印刷油墨等产品中，也用于石油管道和电子工业及产品的清洗。优点是溶解性好，可降解，挥发性小，无毒，环境污染小，易回收等，它将逐步取代石油类溶剂，其市场潜力很大。,乳酸乙
10、酯：广泛用作食品、香料和饲料工业的香味剂和增效剂，也用做硝化纤维及乙酸纤维溶剂，人造珍珠类的高级溶剂，作压制药片的润滑剂。硬脂酰乳酸钙：主要用做面团质量改进剂，防止面团的过份膨润，提高糊化温度，改善成品口感，延缓老化，提高面筋耐混捏性。乳酸甲酯：是一种常用的有机溶剂，用于乙酸纤维素及纤维素溶剂，制清漆，着色料等。还是有机合成和药物合成的主要原料。乳酸丁酯：是高沸点溶剂，对非溶剂和稀释剂有极高的允许限度，可用做硝酸纤维素和碱性颜料的溶剂。用在印刷油墨和喷漆中，可使涂料具有良好的流动性和外观质量。还可作为食用香精用于乳制品、干酪、奶油中。,乳酸聚合物：近年来用L-乳酸生产生物降解材料聚乳酸已实现了
11、商业化生产，其物理性能与聚苯乙烯非常相似，它除了具有以石油化学品为原料的塑料材料的优异特性外，还有最大的特点足生物可降解性，即在自然界中可自然降解，不造成环境污染，解决了为世界环保所困扰的“白色污染”问题，将大量用于农用地膜，预计其需求量会迅速增加。另外聚乳酸用作不用拆线的外科缝合线，作药物、酶和生物制品的微型包囊可缓慢释放药物，囊材不起排异反应，经一段时间代谢后，能逐步降解排除。它也用于杀虫剂胶囊、人工管等方面。,第三节 乳酸发展简史与生产方法,一、乳酸工业发展简史1、世界乳酸及乳酸钙工业发展简史 1780年，Scheele(席勒)从酸乳中提炼出制得乳酸1857年，Pasteur(巴斯德)发
12、现使乳变酸的乳酸菌1878年，李斯特成功分离出乳酸细菌，命名为乳杆菌，即乳链球菌。1841年，Boutron和Fremy采用自然发酵生产乳酸1881年，Charles E. Avery公司采用纯种发酵工业化生产乳酸1894年，Eijkman发现了鲁氏毛霉能产少量乳酸1896年，leichman分离获得50度下发酵的优良乳酸菌德氏乳杆菌1936年，采用华根霉生产D-乳酸1982年，采用固定化技术生产乳酸,2、国内乳酸及乳酸钙工业发展简史,1944年重庆振元化学药品厂采用德氏乳杆菌发酵生产乳酸19851992年，采用“双酶法”处理原料，大型发酵罐生产乳酸1991年，开始研究用米根霉发酵生产乳酸19
13、91年，用固定化技术,二、生产方法,主要有发酵法和合成法两种。最早使用的是发酵法，该法以大米、玉米、薯干、糖蜜等为原料，经蒸煮、糖化、乳酸菌发酵等系列工序制得乳酸。用化学合成法可以大规模连续地生产乳酸，合成乳酸在美国已得到食品药物管理局(FDA)的认可。,1、发酵法,发酵法分为传统发酵法和连续发酵法。传统发酵法控制发酵温度一般在4050，pH值在6.0左右，用碱式钙化物中和，用硫酸酸解乳酸钙为游离乳酸，再经提纯得乳酸产品；连续法为美国加利福尼亚大学开发成功的，特点是菌体循环，产率高，但该技术尚未经大规模生产装置的考验，菌体寿命也还有限。发酵法生产乳酸是以淀粉、葡萄糖等糖类原料经微生物发酵而得来
14、，按照发酵微生物的种类可分为细菌发酵和根霉发酵。,(1) 细菌发酵法用于乳酸生产的菌属主要有乳杆菌属(Lactobacillus)、链球菌属(Streptoccoccus)、芽孢杆菌属(Bacillus)。乳杆菌属的菌种有干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)、嗜热乳杆菌(Lactobacterium thermophilum)、唾液乳杆菌(Lactobacillus salivarius)、清酒乳杆菌(Lactobacillus sake)、嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)、德氏乳杆菌(Lactobacillus delbrueckii)、嗜淀粉
15、乳杆菌(Lactobacillus amylophilus)、植物乳杆菌(Lactobacillus P1antarurn)等。链球菌属有嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)、乳脂链球菌(Streptococcus cremoris)、唾液链球菌(Streptococcus salivarius)等。芽孢杆菌属主要是凝结芽孢杆菌(Bacillus coagu1ans)。,表 产生乳酸的细菌属 属别 形态 发酵形式 用途 链球菌属 双球 链球 同型 乳制品 调味品 足球菌属 四联状 同型 明串株菌属 双球 链球 异型 食品发酵 乳杆菌属 杆状 同型或异型 乳酸 乳制
16、品 双歧杆菌属 杆状 异型 乳制品,国内外乳酸生产菌种主要是德氏乳杆菌，德氏乳杆菌生产的乳酸主要为DL型，在一定的温度、pH值下进行厌氧批式发酵。武汉大学生物工程研究中心易吉萍等人利用德氏乳杆菌发酵大米，64 h后乳酸生成量达8.7748%。江南大学生物工程学院庞钦、章克昌等人通过厌氧分离技术，接入酒糟驯化后，分离得到产乳酸的嗜酸乳杆菌。分别以玉米酒糟和瓜干酒糟为基质进行乳酸发酵，最终乳酸产量为0.97% 和1.46%。,(2) 根霉发酵法1884年Eijkmann指出，根霉所产生的酸可能为乳酸，在1901年被Chrzaszz所确证。福井经研究发现，产L(+)-乳酸较多的根霉菌种有：米根霉(R
17、hizopus oryzae)、黑根霉(Rh. nigricans)、爪哇根霉(Rh. jaranicus)、小麦曲根霉(Rh. frifici)、华根霉(Rh. chinensis)、甘薯根霉(Rh. batata)、结节根霉(Rh. nodosus)、日本根霉(Rh. japonicus)、东京根霉(Rh. fonkinensis)、高温根霉(Rh. thermosus)、少根根霉(Rh. arrhizus)、美丽根霉(Rh. elegens)等十多种。,淀粉原料生产聚乳酸,2、合成法,工业上化学合成乳酸的方法是乙醛氢氰酸法(也叫乳腈法或醛、酮和HCN 加成法)和丙酸法。(1) 乙醛法该法
18、是以乙醛、氢氰酸和乙醇(或甲醇)为原料。由于原料价格低廉，因此国外合成乳酸主要采用此法。该法为乙醛和氢氰酸加成、乳腈水解得粗乳酸，粗乳酸与乙醇酯化生成乳酸酯，乳酸酯再水解生成稀乳酸及稀乳酸浓缩等工序。(2) 丙酸法以丙酸为原料，经氯化得2-氯丙酸，再与氢氧化钠反应得粗乳酸，再经酯化、精镏、水解得产品，该法原料价格较贵，仅日本大赛路公司等少数厂家采用。,3、酶法生产L-乳酸,(1)氯丙酸酶法转化日本东京大学的木畸等人研究了用酶法生产乳酸，他分别从恶臭假单孢菌和假单孢菌113细胞中纯化出L-2-卤代酸脱卤酶(简称为L-酶)和DL-2-卤代酸脱卤酶(简称为DL-酶)，使之作用于底物DL-2-氯丙酸，
19、就可得到L-乳酸或D-乳酸。(2) 丙酮酸酶法转化Hummel等从D-乳酸脱氢酶活力最高的乳杆菌DSM20196菌体中得到D-乳酸脱氢酶，然后以无旋光性的丙酮酸为底物得到D-乳酸 。,4、乳酸生产方法的比较,化学合成法由于所用的原料是乙醛和剧毒物质氢氰酸，因而合成法生产乳酸大大受到限制，其生产成本也较高。酶法生产乳酸虽然可以专一性得到旋光乳酸，但工艺比较复杂，应用到工业上还有待于进一步研究。微生物发酵法生产乳酸，可通过菌种和培养条件的选择而得到具有专一性的D-乳酸、L-乳酸或是DL-乳酸。乳酸菌发酵温度高，产酸率相对较高，对糖利用率高，且发酵时不需通氧气，但其营养要求复杂，且无菌操作严格，给实
20、际生产带来操作不便。根霉营养要求简单，菌丝体比细菌大，易于分离，有利于制得高质量的乳酸产品。尤其是根霉属发酵可得到光学纯度很高的L(+)-乳酸，这对进一步生产乳酸聚合物极为重要，而乳酸菌发酵乳酸常因消旋作用而得到DL-乳酸。,第四节 乳酸发酵机理,一些能大量产生乳酸的细菌称为乳酸细菌，用于发酵生产乳酸的细菌。乳酸细菌不能直接发酵淀粉质原料，必须经过糖化过程，转变为糖质原料（葡萄糖、麦芽糖、蔗糖等）才能发酵。德氏乳杆菌保加利亚乳杆菌干酪乳杆菌赖氏乳杆菌等,1）同型乳酸发酵乳酸为唯一产物的乳酵发酵称为同型乳酸发酵。乳杆菌属（Lactobacillus），链球菌属（Streptococcus）等葡萄
21、糖经EMP途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下还原为乳酸。此发酵过程中，lmol葡萄糖可以生成2mol乳酸，理论转化率为100%。 1葡萄糖2丙酮酸 2乳酸+ 2ATP,同型乳酸发酵的途径,醛缩酶,异构酶,2) 异型乳酸发酵异型发酵乳酸杆菌因缺乏EMP途径中的若干重要酶-醛缩酶和异构酶，因此其葡萄糖的降解完全依赖HMP途径 。PK途径发酵葡萄糖形成的产物除乳酸外还有乙醇和乙酸。产物为乳酸和其它物质的乳酸发酵称为异型乳酸发酵。,异型乳酸发酵是某些乳酸菌利用HMP途径，分解葡萄糖为5-磷酸核酮糖，在经差向异构酶作用变成5-磷酸木酮糖，然后经磷酸酮解酶催化裂解反应，生成已酰磷酸。已酰磷酸进一
22、步还原为乳酸。异型乳酸发酵除乳酸外还有乙醇、CO2、和ATP。肠膜明串株菌（Leuconostoc mesenteroides）1葡萄糖 1乳酸+1乙醇+1ATP不同微生物异型乳酸发酵产物有些不同,异型乳酸发酵的途径,A、同型乳酸发酵：发酵产物只有乳酸的一种发酵。产能途径为EMP途径。B、异型乳酸发酵：发酵产物除乳酸外还又一些乙醇、 乙酸和CO2。产能途径为HMP或PK、HK途径。,3）双歧(bifidus)发酵 双歧发酵是双歧杆菌发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径，此发酵过程，2mol的葡萄糖可生成2mol乳酸和3mol的乙酸，乳酸的转化率理论上只有50%。,双歧杆菌是人体肠道内典型的有益细菌，它
23、的生长繁殖贯穿在人的整个生命历程中。双歧杆菌在厌氧环境下生长繁殖产生大量乳酸，降低系统PH值而迅速使肠道菌群发生变化，抑制和条死肠道病原菌，使菌群保持正常平衡。,米根霉发酵机制,米根霉在好气或厌气发酵条件下有葡萄糖生成L-乳酸和乙醇。在好气条件下，合理添加营养盐和微量金属元素，异型乳酸发酵可转变成同型乳酸发酵，只生产L-乳酸。此时糖酸转化率接近乳酸细菌的同型乳酸发酵。,3 米根霉乳酸发酵机理,GLU：葡萄糖，PYR：丙酮酸，LAC：乳酸，MAL：苹果酸，FUM：富马酸，Ac-COA：乙酸辅酶A，TCA：三羧酸循环，EMP：糖酵解途径，a：乳酸脱氢酶，b：丙酮酸脱氢酶、乙醇脱氢酶，c：丙酮酸脱氢
24、酶，d：丙酮酸激酶,目前普遍认为，在米根霉的糖分解代谢过程中，主要包括EMP途径和TCA途径，并没有磷酸戊糖途径。在米根霉细胞内，存在两个独立调控的丙酮酸库：(1)基质丙酮酸库，丙酮酸可以进入乙醇、乳酸、草酰乙酸、苹果酸和富马酸合成途径；(2)线粒体丙酮酸库，丙酮酸进入TCA循环。随着外界条件的扰动，米根霉的代谢机制也发生着变化，如当葡萄糖浓度增大时，EMP途径和进入乳酸合成途径的通量都相应增大。,糖代谢主要有以下几种反应：,(1)正常呼吸： C6Hl2O6 + 6O 2 6H2O + 6CO 2,(2)同化作用：干菌体量的95%来自碳水化合物。,(3)富马酸发酵：,C6Hl2O6 + 3O2
25、 C4H4O4 + 2CO2 + 4H2O,(4)酒精发酵： C6H12O6 2C2H5OH+2CO2,(5) L-酸发酵： C6Hl2O6 2C3H6O3,若抑制(1)、(3)、(4)反应，乳酸得率就可以提高。根霉对糖转化率理论为75%。,微生物的代谢途径一般都不是单一的，因此，不论同型乳酸发酵还是异型乳酸发酵，实际代谢产物都不象代谢途径中那样单纯，所以，两类乳酸发酵的代谢产物没有不可逾越的界限。在微生物的分类研究中，通常把发酵1mol葡萄糖产生的乳酸少于1.8mol，同时还产生较多的乙醇、CO2或乙酸、甘油、甘露醇等产物的乳酸菌称为异型乳酸菌。同型乳酸菌发酵的微生物已经用来发酵产生乳酸。异
26、型乳酸发酵的微生物，例如双歧杆菌，已经用于发酵生产活菌饮料，并越来越受重视。,第五节 乳酸生产工艺,一、乳酸发酵微生物1、种类细菌乳杆菌属(Lactobacillus)的菌种有干酪乳杆菌、嗜热乳杆菌、唾液乳杆菌、清酒乳杆菌、嗜酸乳杆菌、德氏乳杆菌、嗜淀粉乳杆菌、植物乳杆菌等。链球菌属(Streptoccoccus)有嗜热链球菌、乳脂链球菌、唾液链球菌等。芽孢杆菌属(Bacillus)主要是凝结芽孢杆菌。,2、常用细菌(1) 德氏乳杆菌分类学上属于真细菌目、乳杆菌科、乳杆菌属。细胞杆状，2.09.00.50.8m，单个或成短链，革兰氏阳性，不运动。在琼脂平板培养基上菌落小，扁平，呈锯齿形。在明胶
27、平板培养基上菌落灰色，环状。在琼脂斜面培养基上呈半透明灰色条纹。能利用麦芽糖、蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖、糊精等碳源，发酵产生D-乳酸，少数菌株产生DL-乳酸。最适生长温度为45，50仍能旺盛发育并产酸，最高耐受温度为55。,(2) 赖氏乳杆菌细胞杆状，2.04.00.6m，单个或成短链，细胞呈现两个或更多的深着色颗粒。革兰氏阳性，不运动。在琼脂平板培养基上菌落小，明显带有白色中心。在明胶平板培养基上菌落灰色，环状。在琼脂斜面培养基上呈灰色条纹局限菌落，穿刺培养也能良好生长。明胶穿刺不液化，硝酸盐还原试验阴性。能利用麦芽糖、蔗糖、葡萄糖、果糖和海藻糖产酸；利用半乳糖、甘露醇和-甲基配糖体生成微
28、量酸；不发酵乳糖、棉子糖、阿拉伯糖、鼠李糖、糊精和菊芋糖。能耐受13g/l的D-乳酸，最适生长温度为36。,(3) 植物氏乳杆菌 异名：阿拉伯糖乳杆菌细胞杆状，380.71m，单个或呈短链，末端变圆。革兰氏阳性，不运动。在琼脂斜面培养基上生长不旺盛。明胶酵母膏葡萄糖穿刺呈丝状生长，不液化明胶。硝酸盐还原试验阴性。能利用麦芽糖、蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖、阿拉伯糖、乳糖、和棉子糖产酸；利用甘露醇、山梨醇、甘油、木糖和糊精生成微量酸；不发酵鼠李糖、淀粉和菊芋糖。一般产DL-乳酸，能耐受13g/l的D-乳酸，最适生长温度为30。,3、种类-根霉1884年Eijkmann指出，根霉所产生的酸可能为乳酸
29、，在1901年被Chrzaszz所确证。福井经研究发现，产L(+)-乳酸较多的根霉菌种有：米根霉、黑根霉、爪哇根霉、小麦曲根霉、华根霉、甘薯根霉、结节根霉、日本根霉、东京根霉、高温根霉、少根根霉、美丽根霉等十多种。,4、常用根霉米根霉菌落疏松或稠密，初为白色，后变为灰褐色至黑褐色，匍匐枝爬行，无色。假根发达，指状或根状分枝，褐色。孢囊梗直立或弯曲，24根群生，有时膨大或分枝。囊托锲形，菌丝形成厚 孢子，结合孢子未见。米根霉的最适温度37，41时还能生长。米根霉的淀粉酶活力极强，多作糖化菌使用。也具有酒精发酵能力及蛋白质分解能力。大量存在于酒药与酒曲中。发酵乳酸最适温度为30，可利用无机氮源。,
30、L-乳酸微生物发酵优劣比较,目前应用发酵法生产L-乳酸常用的微生物,一类为乳酸菌, 另一类为根霉菌属。之前国内外多采用根霉菌中的米根霉进行L乳酸的发酵。米根霉菌发酵营养要求低,可直接利用淀粉无须糖化;耐低pH值,产物为高光学纯度乳酸 ,菌体大,容易分离。但是,米根霉菌的乳酸产率和转化率低于乳酸细菌,并且产物中含有大量副产物,给乳酸的提取和精制带来很大困难;根霉菌在发酵过程中需要通气搅拌,使得动力消耗增加,生产成本上升。乳杆菌的厌氧发酵或兼性厌氧发酵可以大规模降低能耗,有利于连续发酵,减少乳酸的生产成本。同型发酵的乳杆菌实际转化率大多在90%以上。但是乳酸菌属于化能异养微生物,营养条件复杂,需添
31、加复合氮源,提高成本;一般的乳酸菌均不产淀粉酶,不能直接利用淀粉发酵生产乳酸,需糖化处理。,1、主要原料乳酸细菌能直接利用,己糖,低聚糖,乳酸发酵,营养因子 氨基酸、维生素、核酸,辅助原料 麦根、麸皮、米糠等,二、乳酸发酵原料,己糖、低聚糖,蔗糖糖蜜淀粉水解糖乳糖及含乳糖原料 保加利亚乳杆菌，直接接入全乳或脱脂乳发酵生产亚硫酸盐纸浆废液 戊糖乳杆菌,菌体 赖氏乳杆菌 德氏乳杆菌,菌种 德氏乳杆菌,玉米、大米、红薯、马铃薯水解方法糖化剂,酸解酶法,酶制剂麦芽粉麸曲无机酸,单行发酵工艺并行发酵工艺 糖化、发酵同时进行,菌种 德氏乳杆菌 米根霉,淀粉 / 淀粉质原料,2、辅助原料,乳酸菌的生长、繁殖
32、、发酵能力的获得与其它菌一样，也需要添加适宜营养物质营养盐添加量 亚适量水平,理论 氨基酸、维生素、核酸碱基天然 麸皮、米糠、玉米浆、麦根,1）麸皮2）玉米浆玉米用亚硫酸盐溶液浸出和浓缩而成,是面粉工业的副产品，乳酸菌生长需要的许多生长因子麸皮中均有如 镁、磷、铁、钙、生物素、维生素,3、麦根,是啤酒工业制麦工段的副产物，含氮量高达30%麦根中含有许多种游离的,氨基酸，碳水化物，维生素，叶酸，生物素,大麦必须通过发芽过程将内含的难溶性淀料转变为用于酿造工序的可溶性糖类。大麦在收获后先贮存2-3月，才能进入麦芽车间开始制造麦芽。为了得到干净、一致的优良麦芽，制麦前，大麦需先经风选或筛选除杂，永磁
33、筒去铁，比重去石机除石，精选机分级。制麦的主要过程为：大麦进入浸麦槽洗麦、吸水后，进入发芽箱发芽，成为绿麦芽。绿麦芽进入干燥塔/炉烘干，经除根机去根，制成成品麦芽。从大麦到制成麦芽需要10天左右时间。,三、乳酸生产工艺,1、菌种扩大培养工艺流程 保藏菌种 菌种活化 一级种子 二级种子工艺关键点菌种保藏 培养基与保藏条件活化 将保藏菌种接种到10ml 5波美度麦汁试管中，于45度培养24小时一级种子制备 接种到200 ml 三角瓶中，于49度培养12小时，加CaCO3，再培养12小时二级种子制备质量标准,2、乳酸发酵工艺,水解糖发酵工艺原料的糖化种子制备发酵及发酵规程发酵罐清洁培养基制备与装料
34、接种发酵 接种量8%，保温50度，控制pH5.0以上,一、水解糖发酵工艺（一）原料的糖化1、淀粉水解原理,淀 粉,葡萄糖,复合二糖,5-羟基甲基糠醛,有机物、有色物质,水解反应,复合反应,分解反应,复合低聚糖,有色物质、龙胆二糖等为乳酸菌的非发酵性物质，会导致,分离难产率下降产品质量差,乳酸发酵工艺,（1）酸法水解,酸法水解是以无机酸或有机酸为催化剂，在高温高压下水解淀粉的方法，其工艺流程如下,原料,调浆,糖化,冷却,中和,脱色,过滤,糖液,2、淀粉水解方法,淀粉乳浓度 180 -200 g / L盐酸量占干淀粉的 0.5-0.8 %pH 值 1.5,水解终点的判断方法,由图2-2可知，曲线为
35、正弦抛物线。B点为最大点，过了B点，可发酵糖产率呈下降趋势这是因副反应增加所引起故要在最大值B点之前，即A点放料，到C点完成。,A,B,C,发酵糖产率 (%),水解时间（min）,图2-2 酸法糖化曲线,40,30,50,100,90,70,60,20,10,（2）酶法水解,酶解法可分为两步淀粉酶把淀粉转化成糊精、低聚糖，底物的粘度急剧下降，此过程即为液化 。糖化酶把糊精、低聚合糖进一步水解成葡萄糖，此过程即为糖化双酶水解法,液化糖化,（二）接种物的制备,种子罐容积约生产罐的1/13 1/12 装料系数 0.8 培养基配方,葡萄糖 150 麦根 3.75(NH4)2HPO4 2.5CaCO3
36、100,单位 g / L,(三)发酵工艺条件,德氏乳杆菌，发酵温度 50+1 pH大于 5.0 ，若pH小于，则发酵速度减慢填料系数 0.8正常发酵时,罐口敞开,使CO2逸出发酵周期 5-6 d ,残糖 1g/L,二、蔗糖发酵工艺,德氏乳杆菌,加水,糖蜜,70 ,甘蔗粗糖,CaCO3,灭菌,冷却,麦根,接种,发酵,加石灰乳 使pH上升至9-10加热 升温70静置 6-12 h压滤,三、亚硫酸盐废液发酵工艺,亚硫酸盐废液成分,SO2SO32-木质素少量 糠醛、HAc、甲基糠醛,2-3% 单糖,发酵抑制物, 戊糖乳杆菌,C6H12O6 2 C3H6O3C5H10O5 C3H6O3 + CH3COO
37、H,乳酸,(一)原料预处理,1、去除SO2 蒸汽蒸发处理2、沉淀处理,废液,石灰乳,调pH 4.0 8.5,处理条件 35 ，pH 8.5 , 30 min,90%蒸汽冷凝在液体中,10%蒸汽带出,即SO2被带出,（二）发酵工艺,发酵温度 30 pH 5.5-6.548 h,营养盐(麦根汁、玉米浆等)与亚硫酸盐废液要分开灭菌，否则营养物会被沉淀的木质素等物质带走 中和液加石灰乳时要不断搅拌，防止局部过碱 。,四、糖蜜发酵工艺,糖蜜糖浓度高，发酵前必须进行预处理 稀释 酸化 pH 5.5 灭菌 30 min 澄清 8-12 h 补加麦根 / 玉米粉,500 100 g/L,乳酸糖蜜发酵工艺条件,
38、发酵温度 50 接种量 10 %pH 6.5周期 4-5 d 残糖 5 g/L加石灰乳 pH 9-10精制,第六节 乳酸的提取精制,吸附重结晶离子交换萃取蒸馏离心过滤,一、工艺流程,1、以水解糖生产乳酸生产工艺,种母罐,发酵液,加热,净化脱色,浓缩,酸解,去除沉淀,脱色,浓缩,过滤,成品包装,2、薯干粉并行发酵工艺,工艺流程工艺,薯干粉,液化,并行发酵,加热,沉淀,过虑,蒸发浓缩,冷却结晶,离心,酸解,过虑,浓缩,离子交换,蒸发并脱色,真空过虑,成品,3、淀粉原料的乳酸生产工艺,工艺流程工艺,淀粉,糖化,中和,过滤,发酵,沉淀脱色,过滤,浓缩,冷却结晶,溶解脱色,过虑脱色,压滤,蒸发浓缩,脱色
39、,过虑,成品,真空精馏,加热,二、发酵液处理,乳酸发酵时CaCO3是过量的。形成的乳酸钙为水合型，即含5H2O,发酵后,加热90-100,中和至pH 9.5-10,静置4-6 h,压滤70-80 ,脱色,压滤,真空浓缩,乳酸钙 150 g/L,石灰乳,三、乳酸钙结晶,乳酸钙在水中的溶解度与温度成正比例关系杂质含量增加会使乳酸钙的溶解度增大一般杂质数量增加1%，乳酸钙溶解度约增大10%1h 30oC降至23 oC；1.5h 降至18 oC；每小时降低2 oC，降至 10 oC，保持3h。,Y=1.9 exp(0.035 T)Y- 乳酸钙在水中的溶解度T- 代表温度 （）,12-35,40-80
40、Y=1.4 exp(0.0435 T),四 、乳酸钙流化干燥造粒,流化干躁 是流化技术及喷雾干燥造粒过程合而为一的干燥技术在同一流化床内完成多种操作,蒸发结晶干燥造粒,操作步骤 在硫化床层内放入小颗粒乳酸钙物料，料厚200 mm 鼓风机4传送的空气，经加热器6，进入流化床11 料液65%乳酸钙溶液由料液槽8，经气流式喷嘴10，在压缩空气下雾化，直接喷入流化床床层内,五、乳酸钙的酸解及石膏的分离,乳酸钙中加入H2SO4即生成乳酸石膏与乳酸浓度的关系，总体趋势类似于正弦抛物线在乳酸浓度10%时，石膏溶解度最大在乳酸浓度40%时，稳定平缓曲线乳酸钙浓度不超过18%；硫酸过量0.5%,（CH3COHC
41、OO）2Ca5H2O + H2SO4 2CH3CHOHCOOH + CaSO42H2O,乳酸溶液中Fe盐可用亚铁氰化钙除去溶液中重金属砷可用BaS沉淀法去除,FeL3 + Ca2Fe(CN)6 Fe4Fe(CN)6 3 + 6 CaL2,M2+ + AsO42- + BaS MS + BaAsO4,M 金属离子,六、乳酸的净化,乳酸的净化可采用多种方法 活性炭吸附 离子交换 溶剂萃取 减压蒸馏 锌盐法 酯化法,（一）活性炭吸附,活性炭吸附在乳酸净化常用于两种条件下 在未除去石膏渣的溶液中添加，加入2%活性炭， 80下，约1 h 在已去除石膏渣的乳酸溶液中，加入2%活性炭， 80下，约0.5 h
42、,（二）离子交换,H型阳离子交换柱及OH型阴离子交换柱去除 无机物质 部分去除有色物质 含N物质,（三）溶剂萃取法,异丙醚常用于乳酸萃取，并与吸附、离子交换法结合使用,发酵醪,加热80,酸化,过滤,脱色,离子交换,浓缩,萃取,（四）减压蒸馏法,乳酸在常压下的沸点为190 真空精馏乳酸蒸馏温度130 ，才无明显分解,（五）锌盐法,乳酸盐在乳酸中是最容易结晶的，能用于检验乳酸存在在乳酸钙溶液中加入ZnSO4,CaL2 + ZnSO4 ZnL2 + CaSO4,ZnL2 + H2S 2HL + ZaS,L 乳酸根 CH3CHOHCOO-,（六）酯化法,乳酸与低级醇形成酯酯通入水蒸汽，酯分解得纯97%
43、乳酸,CH3CHOHCOOH + ROH CH3CHOHCOOR + H2O,七、乳酸溶液的浓缩,乳酸钙酸解后，经初步净化，浓度约 110 g/kg 工业级乳酸 500-600 g/kg 药品级乳酸 850 g/kg工艺过程,低真空度精制（600 mm Hg）,高真空度精制（300 mm Hg）,脱色,第七节 乳酸的生产现状与发展方向,一、国内外生产与消费现状及需求预测、产品价格国外乳酸生产和需求主要集中在美国、西欧、日本。目前世界乳酸总产量为6万t左右，主要是合成法生产，用发酵法生产的乳酸约1.6万t，而世界上需要发酵法生产的乳酸约2.6万t，L-型乳酸约占50左右。,1、国内外生产情况,(
44、1) 国内我国乳酸目前都为发酵法生产，乳酸及其衍生物的年产量在2万t左右，大部分是DL-乳酸及其衍生物，L-乳酸及其衍生物产量少，乳酸钙的年产量在7 000 t左右。全国乳酸厂已达70多家，现有生产能力大约2万t/a。90%的产品是DL-乳酸，由于精制技术落后，产品质量不高，特别是产品的颜色无法达到国外客户的要求，因此出口难度大，价格也比较低。近年来，我国L-乳酸生产已开发出具有国际水平的“嗜热乳酸杆菌”技术，使每吨L-乳酸的淀粉消耗降低到1.3 t左右，远远低于DL-乳酸的消耗水平(约2.4 t)，同时在L-乳酸的精制方面采用了先进的“短程蒸馏”技术，如果将这几项先进技术整合实施，实现工业化
45、大规模生产，可使我国L-乳酸工业生产达到国际先进水平。,(2)美国美国有2个乳酸生产厂，它们是美国最大的发酵生产商ADM 公司和荷兰PURAC与美国Cargill公司的合营公司，生产能力分别为3.1万t/a和3.4万t/a，产品全部为L-乳酸。1998年Cargill公司建成7 300 t/a聚乳酸生产装置，2001年又与DOW化学公司组建了Cargill Dow Polymer公司，在Blaiir建设一套14万t/a聚乳酸装置，并于2002年4月投产。(3)日本日本曾有用发酵法生产乳酸的工厂，但由于原料成本太高，早已停产。目前仅有武藏野化学所一家采用化学法生产乳酸，生产能力1万t/a，产品全
46、部为DL-乳酸。,(4)西欧西欧生产乳酸的公司有荷兰的PURAC公司和比利时GALACTICSA 公司，生产能力分别为1万t/a和3.5万t/a。荷兰PURACSA公司是全球最大的生产厂商，分别在巴西和西班牙建有生产装置，均以糖蜜为原料，产品全部为L-乳酸。该公司不仅生产原料乳酸，还大量生产乳酸衍生物。近年来，该公司又建了一套乳酸钙生产装置。,到2008年为止，全球乳酸的总生产能力约为65万t/a，年产量约为37万t，主要生产地区为美国、西欧、日本和中国等地，近80%的生产厂家采用发酵法进行生产。在今后几年内，随着生产成本的降低乳酸产品的年需求将达到200万300万t，将大量取代现在广泛使用的
47、热塑产品，从而消除白色污染问题。乳酸的产能主要集中在北美、亚洲和欧洲。亚洲是全球乳酸产量最大的地区，占全球总产量的38.8%，而北美是全球消费最大的地区，占全球总消费量的42.9%。,2、消费现状及需求预测,乳酸主要用于工业生产、食品饮料、医药与个人护理3个方面，工业生产所占比例最大，且增长势头强劲。2008年占整体消费量的46%，预计到2013年，将超过整体消费量的一半。,二、乳酸工业的的研究方向,综上所述，乳酸产业是一门蓬勃发展的新兴产业，在原料选取、发酵技术，提取工艺等方面尚有许多课题有待于进一步研究。1、拓宽原料来源，降低成本。由于目前甘薯产量的逐年提高，每年国家都有大量库存的甘薯因贮
48、存不当而腐烂变质。甘薯含有大量的淀粉、维生素和微量元素，利用甘薯发酵乳酸是完全可行的。如果能将甘薯晒干碾磨成粉或直接用于乳酸发酵，便可替代价格相对较昂贵的玉米粉来进行大规模的工厂化生产。,2、优化发酵、提取工艺、降低生产成本。进行培养基优化研究，可以采用代谢调控优化发酵工艺，提高发酵产量。设计新型反应器，进行连续或半连续发酵，实现高底物浓度、高稀释率下的连续操作。改进提取工艺在产品提取方面，可采用分子蒸馏和膜分离技术改善分离工艺，降低产品提取成本。细胞固定化技术、原位分离技术、溶剂萃取发酵法、离子交换树脂吸附法、膜法发酵等都可广泛应用于乳酸的发酵与分离中。,3、应用新技术选育L-乳酸高产菌株。
49、目前国内外只有关于工程菌构建的文章，尚无乳酸工程菌工业应用的相关报道。可以对现有菌种的代谢网络进行代谢通量分析，利用基因工程技术构建L-乳酸高产菌株。发酵的好坏关键在于菌株的性状，因此通过基因工程选育高产菌株是进一步的研究方向。,4、开发新的聚乳酸合成催化剂。在聚乳酸合成方面，催化剂体系及聚合机理的研究仍是一个重要课题。研制高效、无毒、反应条件温和、聚合物相对分子质量可控的催化剂，尤其是活性聚合催化剂是今后研究的重点。,5、扩大L-乳酸的应用领域。加快乳酸衍生物的开发研究，利用乳酸生产过程中的乳酸钙或粗乳酸进行深加工生产其衍生产品。这样既可降低生产成本，又可提高其附加值。密切关注国外聚乳酸的开发应用进展，适时引进新技术。在乳酸转化成乳酸聚合物、丙烯酸类聚合物以及丙二醇、乙醇等小分子化合物方面存在着许多技术上的困难，从而限制了乳酸的应用范围。因此，建议加强在乳酸转化成乳酸聚合物、丙烯酸类聚合物以及丙二醇、乙醇等小分子化合物方面的研究，以进一步扩大乳酸物应用范围、促进国内乳酸行业的发展。L-乳酸是目前化工市场的急需产品，发酵生产急需要解决的是成本偏高和产品质量两个问题。由L-乳酸合成的聚L-乳酸，因可生物降解而成为新材料领域开发生产的热点。因此开发乳酸发酵及聚合的成套技术，对于发展化工新材料、加速生物化工技术在石油化工领域的产业化速度将起到积极作用。,
