发酵工程应用实例 乳酸发酵

乳酸发酵乳酸乳酸是重要的一元羟基酸，因其存在于变酸乳汁中而得名。另也存在于如泡菜、酸菜、青贮饲料等产品中，动物肌肉呈疲乏状态时也含有大量乳酸。乳酸的来源大多是用糖质原料经乳酸菌发酵而得到的。乳酸菌发酵糖质原料生成的乳酸，其构型有D-型，L-型和DL-型三类。作为食品和食品添加剂以及医药用的乳酸，以L-型最好，因为人体仅吸收L-型，若过多服用D-或DL-型乳酸，将导致血液中积累乳酸、尿液酸度增高，引起代谢紊乱。WHO：人体摄入D-乳酸量不能超过100mg／kg体重·d；3个月以下婴儿食品中不宜加入D-、DL-乳酸，而对L-乳酸则无限制。乳酸一、乳酸菌及其发酵类型

（一）乳酸细菌乳酸菌是一群能利用碳水化合物（以葡萄糖为主）发酵产生乳酸的细菌的通称。至少有23个属：乳杆菌属、链球菌属、双歧杆菌属、肠球菌属、乳球菌属、明串珠菌属、片球菌属、肉食杆菌属、漫游球菌属、李斯特氏菌属、芽孢乳杆菌属中的少数种、环丝菌属、丹毒丝素菌属、孪生菌属、糖球菌属等。

乳酸发酵工业、食品、饲料发酵中常见和常用的乳酸菌：①乳杆菌属②乳球菌属③链球菌属④双歧杆菌属⑤明串珠菌属⑥片球菌属⑦芽孢乳杆菌属⑧肠球菌属（二）乳酸发酵类型

乳酸菌属于兼性厌氧和厌氧菌，它们只能通过发酵作用进行糖代谢。同型发酵（homofermentation）途径异型发酵（heterofermentaiton）途径双歧途径（bifidumpathway）：也属于异型发酵类型。

同型发酵代表菌：乳杆菌属、乳球菌属、片球菌属中的一些种。异型发酵代表菌：短乳杆菌明串珠菌发酵乳杆菌等双歧途径代表菌：双歧杆菌属乳酸菌的乳糖发酵途径二、乳酸的工业发酵生产

（一）乳酸工业生产菌种

1．菌种选择（1）同型发酵菌，代谢产物主要是乳酸，副产物少，便于分离提纯和有较高的回收率；（2）对营养要求不高，有利于降低成本和保证生产原料的供应；（3）产酸迅速，能耐高温，有利于减少和避免杂菌污染，耐高温也可节约冷却用水。2．生产中常用的菌种

德氏乳杆菌（Lactobacillusdelbruckii）保加利亚乳杆菌（L.bulgaricus）植物乳杆菌（L.plantarum）莱氏乳杆菌（L.leichmanni）干酪乳杆菌（L.casei）等。生产中最常用：德氏乳杆菌、保加利亚乳杆菌

从食品和医药角度考虑，最好是采用生产L-型乳酸的菌种。有的厂家采用根霉生产，但存在一些缺点：（1）根霉的L-乳酸是异型发酵产物；（2）糖转化率低；（3）发酵过程中必须进行通气和搅拌，增加设备复杂性且能耗高。筛选产生L-乳酸的细菌发酵菌种。日本、德国等国家已采用干酪乳杆菌、凝结芽孢杆菌（B.coagulans）和嗜热脂肪芽孢杆菌（B.stearothemophilus）及相应的新工艺生产L-乳酸。中科院微生物所已筛选出一株干酪乳杆菌（L.caseisubsp.casei）。（二）乳酸发酵生产的原料

有主料和辅料，主料提供氮源、碳源和能源，辅料主要是矿物元素，生长因子和少量的有机氮。

1．糖蜜含糖50%左右，还有丰富的生物素。还含有较多的灰分及其他杂质，不能直接使用，需经过稀释、酸化澄清等处理。也不宜单独使用。

2．淀粉质原料大米、玉米、甘薯干等，首先水解成糖，乳酸菌才能利用。

3．亚硫酸盐纸浆废液约含20%～35%可发酵性糖，但戊糖比例较大，还含较多二氧化硫、亚硫酸根和木质素等杂质，需经处理才能用于发酵生产，一般用戊糖乳杆菌作菌种。其中：二氧化硫是主要有害物质，消除的方法主要是蒸汽法结合石灰乳沉淀。蒸汽使游离二氧化硫蒸发，再用石灰乳处理，沉淀除去处于结合态的二氧化硫。处理完毕通入二氧化碳使pH恢复至中性即可用于乳酸发酵。

4．其他可利用原料菊芋：将菊芋块茎洗净破碎，加2倍水，用硫酸调pH2.0，加热至95℃保温60min，水解液主要含果糖等，稀释约12倍作辅助原料使用。麦根：制造麦芽时副产品，含丰富的氮，其中50%左右为可溶性氮，氨基酸组成比较齐全，还含多种维生素，只需将麦根在45℃温水中浸8～12h后过滤得到乳浊液即可。（三）传统乳酸生产工艺

方式有：分批发酵糖化发酵并行式半连续连续发酵1．分批发酵流程

2．发酵培养基的制备以糖质原料为培养基时：（1）碳源保证葡萄糖浓度15%，补料加入；（2）氮源和生长因子可用麦芽根提供所需的氮源和生长因子，1～1.8%；（3）磷磷酸氢钙或磷酸氢铵；（4）碳酸钙中和。3．种子制备

（1）菌种活化：液体试管培养24h

（2）摇瓶种子培养：50℃培养2d

（3）种子罐培养：每级扩大10～15倍4．分批发酵进程控制(1)泡沫主要控制发酵培养基的装量。

(2)温度德氏乳杆菌和保加利亚乳杆菌控制在50℃左右，可抑制中温型杂菌生长，加之生长活跃的大接种量乳酸菌，产酸迅速，使pH使很快下降，也利于防止杂菌。

(3)pH碳酸钙，在配制培养基时一次加入，也可以补料分次加入。还可以用氨水、氢氧化钠等作中和剂。发酵pH控制在5.5～6.5.

(4)搅拌搅拌和通氮同时进行以维持厌氧条件

(5)补料分次加糖，维持在30-40g／L，总糖量不宜超过150g／L(6)发酵终点判断和处理残糖：水解糖为原料时，残糖约1g／L，发酵周期约5～6d；蔗糖和糖蜜混合发酵时，残糖降至2g／L，发酵周期仅24h；菊粉发酵周期约6d，残糖2g／L；乳清原料和糖蜜原料残糖5g／L，发酵周期乳清为72h，糖蜜原料为4～5d。乳酸产量：乳酸量不再增加，碳酸钙也不再被消耗，pH基本稳定外观：乳酸钙形成，醪液变黏。发酵液温度：不再上升。发酵结束应尽快加入石灰乳调pH10左右，并加热至70～90℃灭菌和使蛋白质变性，静置6～12h，放出上清液，沉降物压滤液与上清液合并。如在发酵中以氨为中和剂时，则产生乳酸铵，发酵醪调碱，加热灭菌，贮存2～3周后直接加入反刍动物饲料中，作为添加剂及补充氮源。发酵醪干物质达70g/L以上，其粗蛋白占50～60%。5．乳酸的提取与精制

（1）发酵液的预处理凝聚：发酵液中含菌体、蛋白质、多糖、还原糖、色素及碳酸钙和Mg2＋等，给过滤带来困难，凝聚絮凝剂能有效地改变发酵液中颗粒大小和分布。加入磷酸盐作絮凝剂。沉降和过滤：用碳酸钙作中和剂时，在发酵结束前加入石灰乳调pH至9.5～10，然后加温至90～100℃，搅匀后在高于55℃静置4～6h，让其沉淀后分离出上清液，沉淀物以硫酸钙废渣为助滤剂，在70～80℃下经板框过滤，合并上清滤液，溶液色深时可用活性炭脱色，温度需维持在