乳酸的工业生产及展望

乳酸的工业生产及展望【摘要】生物化工技术是生物工程与化学工程技术相结合的产物，化工技术的发展将有力地推动生物技术的进步。尤其乳酸在酿造、食品、医药、日化等行业中的应用非常广泛。从健康角度考虑，L-乳酸的制备及应用研究,正引起世界广泛重视，用L-乳酸代替目前在食品和医药工业中普遍使用的D-或DL-乳酸是必然趋势。进一步研究乳酸对人类有着长远的利益。【关键词】乳酸发酵菌种培养生产生物化工技术是生物工程与化学工程技术相结合的产物，化工技术的发展将有力地推动生物技术的进步。进入21世纪，资源危机与和环境保护迫使化学工业的生产模式必须进行彻底变革，转向以生物可再生资源为原料、生物可再生能源为能源、环境友好、过程高效的新一代物质加工模式，其核心技术就是工业生物技术。现代生物技术在开发新资源、新材料、新能源和新医药品方面已显示出旺盛的生命力。生物技术是绿色化学与绿色化工发展的重要趋势之一，正如过程技术和催化剂一样，生物工艺具有促进化学工业发生新一轮革命性变革的潜力。它是造就人类物质文明最有希望、最有前途和最富潜力的产业，具有广阔的开发和应用前景，已经引起了世界各国的关注和重视。其中，乳酸的广泛应用与研究进展更受到人们的关注。乳酸简介乳酸，又名丙醇酸，学名a-羟基丙酸，分子式为CHO，其分子结构中含有一个不对称碳原子，因此具有旋光性。按其构型及旋光性可分另L-乳酸、D-乳酸和DL外消旋乳酸三类，其结构式如下：CH3HO-厂HCHCH3由于人体只具有代谢L-乳酸的L-乳酸脱氢酶，因此只有L-乳酸能被人完全代谢，且不产生任何有毒、副作用的代谢产物，D-乳酸或DL-乳酸的过量摄入则有可能引起代谢紊乱甚至导致中毒，因此，从健康角度考虑，L-乳酸的制备及应用研究，正引起世界广泛重视，用L-乳酸代替目前在食品和医药工业中普遍使用的D-或DL-乳酸是必然趋势。L-乳酸的制备方法有发酵法和化学合成法两种，其中发酵法生产的L-乳酸因其没有有害物质摄入、食用安全而在世界范围内广泛采用，自然界中可产生L-乳酸的微生物很多，但产酸能力强，可应用到工业上的细菌主要有乳杆菌属中的干酪乳杆菌（casei），嗜热乳杆菌（thermopHilus），唾液乳杆菌（salivarius），清酒乳杆菌（sake），嗜酸乳杆菌（acidopHilus），戊糖乳杆菌（pentosus），木糖乳杆菌（bifidus）；链球菌属中的嗜热链球菌（thermopHilus），粪链球菌（faecalis），乳脂链球菌（lactis）及芽孢杆菌属中的嗜热脂肪芽孢杆菌(stearathemopHilus)和凝结芽孢杆菌(coaqulans)。目前世界上乳酸的产量约为13万吨P年，其中约90%是用乳酸细菌发酵生产，工业上应用的主要有霉菌中的根霉属(Rhizopus)和细菌中的乳酸菌类。近年来，也有用嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillussrearothermophilus)和凝结芽孢杆菌(Bacillusco2agulans)生产L-乳酸的报道。但L-乳酸产量高、光学纯度高的菌种较少，且耐酸性较差。乳酸细菌属于化能异养型微生物，其生长和发酵都需要复杂的外源营养物质，必须提供多种营养物质和生长因子。因此，在乳酸菌的发酵培养基中，要添加一定的辅料，才能保证乳酸菌的生长繁殖及正常的发酵。目前国内对L-乳酸发酵细菌的研究很少，找到影响L-乳酸产量的主要和设计最优化的培养基具有重要意义。乳酸制备制备方法有化学合成法、发酵法和酶法。其中用化学合成法得到的乳酸是L-乳酸和D-乳酸的消旋混合物，而且化学合成法产品要用于食品必须经过分离提纯，以除去其中有毒的化学物质，这就局限了化学合成法生产乳酸的应用范围。酶法生产乳酸虽可以专一性的得到旋光乳酸，但工艺较复杂。而发酵法生产的L-乳酸没有有害物质摄入，另外，发酵法生产L-乳酸除能以葡萄糖、乳糖等单糖为原料外，还能以淀粉、纤维素为原料。因此，微生物发酵法生产L-乳酸因其原料来源广泛、生产成本低、安全性高等优点在世界范围内广泛采用。发酵法生产L-乳酸按采用的菌种还可分为乳酸菌法和根霉菌法。根霉菌法生产乳酸属于异型乳酸发酵，除了产生乳酸外，同时伴有乙醇、富马酸、琥珀酸、苹果酸、乙酸等其他产物，产酸率低。L-乳酸的生产和应用要求纯度高，所以，所用菌种要进行同型乳酸发酵，L-乳酸生产主要采用乳酸菌法。筛选培养基：葡萄糖80g/L、酵母浸出汁2g/L、玉米浆10ml/L、氯化铵1g/L、KH2PO42g/L、无水乙酸钠5g/L、无水MgSO40.5g/L、CaCO350g/L、pH为7.2。平板培养基：葡萄糖16g/L、酵母浸出汁2g/L、玉米浆10ml/L、氯化铵1g/L、KH2PO42g/L、无水乙酸钠5g/L、无水MgSO40.5g/L、pH为7.2。种子培养基：葡萄糖20g/L、酵母浸出汁2g/L、玉米浆5ml/L、氯化铵1g/L、无水MgSO40.2g/L、CaCO312g/L、pH为7.2。发酵培养基：葡萄糖100g/L、酵母浸出汁3g/L、玉米浆10ml/L、氯化铵1g/L、无水MgSO40.5g/L、Ca-CO360g/L、pH为7.2。基础发酵培养基：葡萄糖100g/L、氯化铵1g/L、无水MgSO40.5g/L、CaCO360g/L、pH为7.2。向装有20ml筛选培养基的大试管中加入5种泥土或2~3种酸菜汁，搅匀，静置片刻，用石蜡密封，于45°C，90〜100r/min振荡培养2〜3d,以相同条件转接培养3代。固体培养:在平板培养基中加入经紫外灭菌的CaCO3或经过滤灭菌的0.01%漠甲酚紫指示剂。富集培养，用无菌生理盐水进行10倍系列均匀浓度稀释，涂布于平板培养基上，后置于45C培养24h，挑选有溶钙圈或显黄色圈的单菌落作为产酸菌，并划线分离得纯菌落。种子培养：平板培养菌泥直接接入装有60ml发酵液的150ml摇瓶中，无菌石蜡密封，45C，180r/min，约18h进行种子培养。乳酸发酵：以10%的接种量将种子液接入装有80ml发酵液的250ml的摇瓶中，石蜡密封，45C，180r/min下培养并定时取样检测残糖和乳酸产量。离子注入与突变株筛选将出发菌培养到对数生长期，用生理盐水制成菌悬液，均匀涂布于直径为7.5cm的无菌空白培养皿上，无菌风吹十制成菌膜后进行离子注入。注入时间5s，间隔时间15s。离子注入后的平皿用1ml生理盐水洗脱并涂布在添加0.01%漠甲酚绿指示剂的平板上，置于50°C培养箱中进行培养。菌体产酸能力的强弱根据菌落周围培养基的颜色变化来初步判断，再进行单株发酵验证。发酵液酸度采用精密pH计测定。制备过程优化：1、由于菌种随时间增长较快，则菌体浓度升高，生长更好。同时，研究表明振荡条件下菌体浓度明显高于静置条件，说明振荡有利于菌体生长。2、菌株耐酸性好，菌株的最适糖浓度较高，且不同接种量对产率有很大影响，因此可进行高糖发酵并随时注意接种量的控制。同样接种量和发酵条件，产酸水平相差不大,说明高密度发酵不利于产酸。3、不同辅料的添加对发酵影响麦根和麸皮对乳酸发酵的影响发酵培养基中分别加入0.5%>1.0%>2.0奴3.0%>4.0%、5.0%的麸皮、麦根，按10%的接种量接入活化好的种子，37C培养72h，测定乳酸钙含量，转化乳酸含量。随麦根和麸皮的添加量的增加，乳酸的量，先开始增加，随后下降。添加2%麸皮乳酸的产量达到最高34.8gPL，麦根最高24.1gPL。即麸皮和麦根的最适添加量均为2%。麸皮浸泡液对乳酸发酵的影响在不同培养基中发酵，37C培养72h，比较麸皮不同浸泡时间和不同添加量对乳酸发酵的影响可知麸皮浸泡最佳浸泡温度和时间分别为50C和4h，最佳添加量为2%，乳酸产量为26.1gPL。4、不同辅料共同作用的发酵结果麦根与麸皮共同作用对乳酸发酵的影响麦根与麸皮同时添加，麸皮和麦根共同作用可以提高乳酸的产量，最佳配比为，麸皮和麦根的浓度均为1%，乳酸产量为38.6gPL。麦根与麸皮浸泡液共同作用对乳酸发酵的影响麦根与麸皮浸泡液，37C培养72h，比较乳酸钙的含量转化为乳酸量，可知麦根与麸皮浸泡液的最佳配比为：50C、4h、1%麸皮浸泡液和2%麦根。乳酸量为40.5gPL。乳酸分离纯化进展：用发酵法制得的乳酸传统的分离方法是用碳酸钙使生成的乳酸转化为乳酸钙，同时要防止pH降低而影响发酵，过滤分离在于除去溶液中的固体碳酸钙和氢氧化钙，精制得乳酸钙，用硫酸酸化乳酸钙生成乳酸和硫酸钙沉淀，过滤，滤液含10%的粗乳酸，浓缩到50%,再用活性炭去除有机质，用亚铁氤化钠去除重金属和浓缩时凝聚的杂质，最后用离子交换树脂除去微量杂质，再浓缩过滤得成品。乳酸的酯化法提取纯化技术，来源于合成乳酸的制取纯化。一般认为钙盐法提取的乳酸尚不能满足一些对乳酸有耐热性要求的工业用途，如用于焙烤食品、聚合物工业以及其他一些附加值高的工业用乳酸产品。将钙盐法提取后的乳酸进一步在高温条件下同甲醇或乙醇反应，产生乳酸甲酯或乳酸乙酯，然后蒸馏提取乳酸酯，水解回收提纯后的乳酸。加工中释放出的甲醇或乙醇可重复回收利用。稀乳酸经浓缩蒸发可制成高纯度、耐热性好的乳酸(纯度N95%,耐热温度N195C)。乳酸连续提纯是从含乳酸盐的发酵液中脱去乳酸菌株，用氨水中和成乳酸盐，发酵液以脱色、过滤后再阳离子交接树脂(阳离子交换树脂经水洗和用1N硫酸和1N碱再生)处理后，水洗，用1N硫酸还原后得80%的乳酸，经蒸馏、减压浓缩。发酵液中含乳酸的盐再经超滤、电渗析，由乳酸盐降解成乳酸。乳酸盐在发酵器内浓度为0.63N，由葡萄糖生成乳酸的转化率为95%。展望发酵法生产乳酸始于上世纪初，延续至今已有整整百年以上的历史。上世纪末开始，由于乳酸及其衍生物乳酸盐、乳酸酯特别是其高分子聚合物一一聚乳酸的应用前景日趋明朗，近期国家颁布的“限塑令”更为聚乳酸的发展带来了难逢的契机，市场对乳酸的需求日益增加。但是，目前乳酸的生产仍然存在不少瓶颈。虽然几经努力，由乳酸制成的可降解生物塑料的成本仍不敌现有源自石油的传统塑料，市场竞争力尚有待加强。乳酸发酵仍需从菌种选育、工艺优化、装备改进等诸多方面入手,更有效地降低乳酸的生产成本。笔者历经乳酸实验室研究、中试放大和规模化生产的设计、施工和试产的全过程，深知乳酸发酵需要“精耕细作”，优化乳酸生产的各个环节。在菌种方面，大自然中不乏尚未开发的微生物资源，可以继续从中寻找出优良的菌种。也可以利用当代生物技术新成果、采用基因工程、代谢工程等手段，定向“裁剪”，选育“超级”生产菌，乳酸发酵工艺和设备的潜力非常可观。在发酵的主原料方面，做到“不与人争粮，不与粮争地”，应尽量利用非粮作物，利用作物的非食用部分，利用农产品加工的废弃物、大自然中极为丰富的纤维素资源、各种各样的工业下脚料、废料、生活垃圾等，变“废”为“宝”，既可得到廉价原材料，又利于减