乳酸的生产
一、乳酸的性状及用途
乳酸（Lactic acid），又名2-羟基丙酸、α-羟基丙酸、丙醇酸。
其结构式为：
分子式为C3H6O3，结构简式为CH3CH(OH)COOH，分子量为90.08。相对密度为1.200，熔点为18℃，密度为1.209，沸点为122℃ (15 mmHg)，解离常数为pKa=4.14(22.5℃)，闪点大于110℃，燃烧热为15.13KJ/Kg，等渗量为2.3%（W/V）溶液与血浆等渗，比热为2.11KJ/g。
乳酸纯品为无色液体，工业品为无色到浅黄色液体。无气味，具有吸湿性。折射率nD(20℃)1.4392。能与水、乙醇、甘油混溶，不溶于氯仿、二硫化碳和石油醚。在常压下加
热分解，浓缩至50%时，部分变成乳酸酐，因此产品中常含有10%-15%的乳酸酐。
由于乳酸分子中含有不对称碳原子。因此具有旋光性，存在L-乳酸(右旋)和D-乳酸(左旋)两种对映异构体。市售乳酸通常为无光学活性的L型和D型乳酸的外消旋体，即DL-乳酸。乳酸是世界上公认的三大有机酸之一，在工业上有广泛的用途，应用于食品、医药、化工、建材、石油等领域。而目前最引人注目的还是 L-乳酸聚合物(PLA)在生物可降解材料方面的优越功能。
乳酸有很强的防腐保鲜功效，具有调节pH值、抑菌、延长保质期、调味、保持食品色泽、提高产品质量等作用。独特的酸味可增加食物的美味，可保持产品中的微生物的稳定性、安全性，同时使口味更加温和。 在酿造啤酒时，加入适量乳酸既能调整pH值促进糖化，有利于酵母发酵，提高啤酒质量，又能增加啤酒风味，延长保质期。在病房、手术室、实验室等场所中采用乳酸蒸气消毒，可有效杀灭空气中的细菌，起到减少疾病，达到提高健康之目的。
二、乳酸的生产方法及合成机理
目前主要的生产方法有发酵法，化学合成法，酶法。
1、发酵制备乳酸
是以淀粉、葡萄糖等糖类或牛乳为原料，经微生物(乳酸菌或霉菌)发酵而制得。按微生物发酵糖类经由的过程和生成产物的不同，可将乳酸发酵分为同型乳酸发酵(Hommofermentation)、异型乳酸发酵(Heterofermentation)、双歧发酵(BifidunPathway)和混合酸发酵(Mixedacidfermentation)。
1）同型乳酸发酵
同型乳酸发酵乳酸是葡萄糖代谢的唯一产物，采用的是EMP途径(Embden—Meyerhof—Parnan Parthway)，经过这种途径，1mol葡萄糖可生成2mol乳酸，理论转化率为100%，但由于发酵过程中微生物有其它生理活动存在，实际转化率不可能达到100%，一般转化率在80%以上的，即认为是同型乳酸发酵。其发酵途径见图1；
图1 乳酸菌的同型发酵途径
2）异型乳酸发酵
异型乳酸发酵是某些乳酸细菌利用HMP途径，分解葡萄糖为5-磷酸核酮糖，再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3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。磷酸酮解酶是异型乳酸发酵的关键酶。乙酰磷酸进一步还原为乙醇，同时放出磷酸。而3-磷酸甘油醛经EMP途径转化为乳酸，同时产生两分子ATP，扣除发酵时激活葡萄糖消耗的1分子ATP，因此，由葡萄糖进行异型乳酸发酵，其产能水平比同型乳酸发酵低一半。异型乳酸发酵产物除乳酸外还有乙醇、二氧化碳和ATP，其发酵途径如图2所示：
图迷你贵宾2 乳酸菌的异型发酵途径
其反应总式为：
C6H12O6+ADP+Pi→广州中医药大学分数线CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH+CO2+ATP
此过程1mol己糖生成1mol乙醇、1mol二氧化碳和1mol乳酸，乳酸对糖的转化率只有50%。
3）双歧发酵
双歧发酵是两歧双歧杆菌(Bifidobacterium bifidum)发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径。此途径中有两种酮解酶参与反应，即6-磷酸果糖磷酸酮解酶和5-磷酸木酮糖磷酸酮解酶，分别催化6-磷酸果糖和5-磷酸木酮糖的裂解反应，产生乙酰磷酸、4-磷酸赤藓糖和3-磷酸甘油醛、乙酰磷酸。
此途径中2mol葡萄糖生成2mol乳酸，理论转化率也只是50%。
4）混合酸发酵
混合酸发酵是同型乳酸发酵菌在某些特殊的情况下如葡萄糖浓度、pH值、温度等发生变化而采用的一种乳酸发酵机制，它是经由与同型乳酸发酵相同的途径即EMP途径，但丙酮酸的代谢途径发生了改变，从而除生成乳酸外，还生成了甲酸等副产物。传统意义上的同型乳酸发酵或异型乳酸发酵是针对乳酸细菌而言，米根霉作为好氧真菌，是依靠呼吸产能并提供合成菌体的中间产物，就发酵产物而言，其发酵类型属混合酸发酵，它经由EMP途径生成丙酮酸，然后进入三羧酸循环，副产物有机酸是乳酸的前体物一丙酮酸在某些酶的作用下生成的。
2、化学合成法
1963年，美国Monsanto公司开始采用化学合成法生产乳酸，在这以前都是通过发酵法生产。化学合成法生产乳酸可通过多种途径进行，其中具有现实意义的是乳腈法。该法是乙醛与氢氰酸经碱性催化剂作用生成乳腈，这是一个液相反应，在常压下进行，粗乳腈通过蒸馏回收纯化并用浓盐酸或硫酸水解为乳酸，还产生相应的氨基酸副产物，粗乳酸用甲醇酯化得乳酸甲酯，精馏后再水解为乳酸。
乳酸的其它一些可行的化学合成法包括糖的碱性催化水解、丙烯乙二醇氧化、乙二醇的硝酸氧化等。
3、酶法生成乳酸
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，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混乱乳杆菌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
化学合成法的缺点是产品为外消旋乳酸即DL-乳酸，另外，由于合成法所用的原料是乙醛和剧毒物氢氰酸，尽管美国食品和药物管理局(FDA)已将合成乳酸列为安全品，但许多人还是对合成法生产的乳酸的安全性表示担心，因而合成法生产乳酸大大受到限制。此外其生产成本也较高。
酶法生产乳酸虽可以专一性地得到旋光乳酸，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获得具有立体专一性的D-乳酸或L-乳酸或是两种异构体以一定比例混合的消旋体，以满足生产聚乳酸的需要。另外发酵法生产乳酸除能以葡萄糖、乳糖等单糖为原料外，还能以淀粉、纤维素为原料发酵生产乳酸，
利用这些可再生资源生产不会导致大气中的二氧化碳的净增加，也就不会引起温室效应。因此，微生物发酵法生产乳酸因其原料来源广泛，生产成本低、产品光学纯度高、安全性高等优点而成为生产乳酸的重要方法。
三、生产原料介绍
L-乳酸的制备方法主要是糖类发酵法。制造乳酸的原料国外常用玉米淀粉糖、糖蜜或乳清，而国内常用大米或薯干作为碳源。
糖蜜，是一种粘稠、黑褐色、呈半流动的物体，主要含有蔗糖，蔗糖蜜中泛酸含量较高，达37mg/kg，此外生物素含量也很可观，容易掺入大豆糖蜜和糖蜜发酵液。
蔗糖是微生物发酵的良好碳源，可用于发酵生产L-乳酸。蔗糖是可再生资源，产量大，集中供应充足，且蔗糖产品的纯度高达99. 75%，不存在对健康有害物质，这是蔗糖作为生产原料的最优越的地方。由蔗糖通过化学或微生物转化的产品及半制品，因杂质极微，提取和精制较其他原料容易，所以国外大规模生产黄原胶、衣康酸、低聚糖等产品。蔗糖发酵生产L-乳酸，为蔗糖的深加工开辟了新的途径，有利于提高蔗糖的经济价值，有利于充分、全面地开发蔗糖资源。
糖蜜是糖厂生产过程的主要副产品，有较高的综合利用价值。按照原料的来源不同，糖蜜可分为甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、玉米糖蜜、柑橘糖蜜四种。其中甘蔗糖蜜应用最为广泛。甘蔗最终糖蜜的干固物中含有约40%的蔗糖和15%的还原糖(葡萄糖、果糖)，是发酵工业中较廉价的碳源原料。它与纯葡萄糖液或淀粉水解液比较，优点除价格低廉外，尚有多种微生物生长需要的营养素，如生物素，维生素，氨基酸和矿物质等，在发酵过程具较宽的酸值缓冲范围。目前国内外已用糖蜜工业化生产酒精、柠檬酸、味精、赖氨酸等。
目前国内的甘蔗糖蜜质量标准是轻工标准(QB/T 2684—2005)，由全国轻工业联合会于2005年联合国内多家大型糖业生产企业发布：
表l 甘蔗糖蜜质量标准
Table.1 Quality standards of sugarcane molass
总糖分(蔗糖分+还原糖分)% | ≥48.0 |
纯度(总还原糖/折光锤度)% | ≥60.0 |
酸度oT | ≤15.0 |
总灰分(硫酸灰分)% | ≤12.0 |
铜(Cu2+)mg/kg | ≤10.0 |
菌落总数朱自清诗集cfu/g | ≤5.0X106 |
| |
四、糖蜜的处理方法
参照执行
由于糖蜜中存在着糖分、挥发性有机酸、胶体、灰分、生物素等，混杂着多种在生产中无法利用的杂质，预处理的目的就是尽量去除其他杂质，保留可利用的糖份。常用的方法是加酸、加热、通气、加絮凝剂等。加酸可以水解处理蔗糖，使多糖分解；加热可以杀灭微生物，使蛋白质变性沉淀并促进胶体絮凝；通气可以去除挥发酸和硫化氢、一氧化氮、二氧化硫等有毒有害气体；加入絮凝剂可以通过絮凝作用出去杂质。
糖蜜处理的方法一般有亚铁氯化钾法、活性炭法、煮沸法、CaO法、酸水解法、PAM(定向越野比赛聚丙烯酰胺)絮凝法等，可以根据不同的目的和用途选择不同的方法或者混合使用：
1taste的过去式、亚铁氰化钾法：取糖蜜加入同体积蒸馏水稀释，快速搅拌使糖蜜溶解完全，加入0.1%亚铁氰化钾并把pH调至6.5后加热，保持沸腾状态30min，过滤滤掉杂质，保留滤液供试验使用。
2、活性炭法：糖蜜以1：1比例与蒸馏水稀释，搅拌均匀使糖蜜充分溶解，经过活性炭吸附处理后过滤，取滤液供试验使用。
3、煮沸法：用蒸馏水把糖蜜稀释，比例为1：1，充分溶解后加热煮沸20min，取滤液进行后续实验。
4、CaO法：以1：1比例把糖蜜用蒸馏水稀释，充分混匀后加入新制配的石灰乳液并调节pH至碱性(一般为9.0)，之后加热煮沸后过滤，滤液加入硫酸把pH回调至6.0左右后供实验使用。
5形容大自然美景的诗句、酸水解法：糖蜜经蒸馏水以1：贵阳市云岩区教育局1比例稀释，使糖蜜溶解完全制成溶液，加热煮沸后过滤，向滤液中加入高浓度的酸液(一般为浓磷酸、浓盐酸、浓硫酸等)将pH调节至2.0—3.0之间，静置过夜后过滤取滤液，并向滤液中加入石灰乳液(石灰乳须新鲜配制，作用是中和pH)把pH回调至6.0左右，之后加热煮沸(或者于65℃一70℃之间保温(温浴)30min后过滤(也可以在过滤前加入0.8%的活性炭以去除杂质)，取滤液供后续实验使用。
6、PAM絮凝法：糖蜜用蒸馏水稀释成糖蜜液后，加入1~2%的PAM颗粒，充分搅拌使PAM溶解完全，之后室温静置10min，过滤出去絮凝沉淀。
