1、第三章 乳酸及乳酸钙第一节第一节 乳酸的理化性质乳酸的理化性质一、乳酸的命名与分子结构一、乳酸的命名与分子结构n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。n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。 Hq CH3-C-COOH OHn由于分子内含有一个不对称碳源子，因此具有旋光异构现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象。乳酸按其旋光性可分为D(-)-乳酸乳酸、
2、L(+)-乳酸乳酸和和DL-乳乳酸酸三种。三种。n由于人体只能代谢利用其中的由于人体只能代谢利用其中的L(+)-乳酸，因此世界卫生组乳酸，因此世界卫生组织织(WHO)明确规定，成人每天摄入明确规定，成人每天摄入D(-)-乳酸的量不得超过乳酸的量不得超过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，而对于乳酸，而对于L(+)-乳酸则不加限制。乳酸则不加限制。二、乳酸的性质二、乳酸的性质nL-乳酸是一种有机强酸，能与水、酒精和乙醚以任意比互溶。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
3、。以上浓度的乳酸具有很强的吸湿性。n乳酸通常为无色或微黄色粘稠状液体，在乳酸通常为无色或微黄色粘稠状液体，在67133Pa的真空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。纯净的无水乳酸是酸是白色白色的晶体，熔点为的晶体，熔点为16.8，沸点为，沸点为122(2kPa)，相对，相对密度为密度为1.24g。n由于乳酸含有由于乳酸含有一个羟基一个羟基和和一个羧基一个羧基，因此可以参与多种反应，因此可以参与多种反应，如如氧化反应、还原反应、酯化反应、缩合反应氧化反应、还原反应、酯化反应、缩合反应等，其中由等，其中由L-乳酸充分脱水可缩聚成聚乳酸充
4、分脱水可缩聚成聚L-乳酸。另外，加热乳酸使其自动乳酸。另外，加热乳酸使其自动酯化，可形成乳交酯。酯化，可形成乳交酯。n乳酸市售品无论是发酵法或合成法的制品均为外消旋体。乳酸市售品无论是发酵法或合成法的制品均为外消旋体。n外消旋体为无色糖浆状液体或晶体，无臭、有酸味，有吸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，相对湿性，光学性不活泼，即使在极冷条件下也不凝固，相对密度密度1.4392(20/40)，熔点，熔点18，沸点，沸点122 (5mmHg )，有防止腐败发酵的作用，不侵犯健全的组，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
5、感。织，但对病变组织敏感。n乳酸是世界公认的三大有机酸之一，自从乳酸是世界公认的三大有机酸之一，自从1780年年Scheele发发现乳酸以来，乳酸的生产及应用技术得到大规模的提高。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、乳酸、L-乳酸盐及其聚合物广泛应用于食品、医药、农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，以业、化学工业等领域。此外，以L乳酸聚合的聚乳酸乳酸聚合的聚乳酸(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。研究和关注。 第二节第二节 乳酸及乳酸衍生物的应用乳酸及
6、乳酸衍生物的应用1、食品工业、食品工业 （食品工业用含量为50%）n由于由于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此被广泛的应用于酸味剂酸味剂、防腐剂防腐剂(代替苯甲酸钠代替苯甲酸钠)、pH调节剂调节剂和和食品食品强化剂强化剂。乳酸可解除疲劳、松弛肌肉。乳酸可解除疲劳、松弛肌肉。n饮料、果汁、奶制品饮料、果汁、奶制品中用作中用作酸味剂酸味剂；n调味品调味品如酱油、醋、咸菜中用作如酱油、醋、咸菜中用作防腐保鲜防腐保鲜和和调味剂调味剂，使酸味自然；，使酸味自然；n蛋糕、面包、肉制品、果冻、奶酪、果酱、冰淇淋、
7、腌制品蛋糕、面包、肉制品、果冻、奶酪、果酱、冰淇淋、腌制品等食品中等食品中用来调节用来调节pH、抑菌、延长保质期、调味等；、抑菌、延长保质期、调味等；n面包、糕饼面包、糕饼等食品中作等食品中作膨松剂膨松剂；n发酵工业发酵工业，加入的目的是，加入的目的是控制控制pH值值，作灭菌剂以防止杂菌繁殖，促进，作灭菌剂以防止杂菌繁殖，促进菌体发育。菌体发育。n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，故广泛用于泛用于水果和蔬菜等罐头食品水果和蔬菜等罐头食品中。中。一、乳酸的用途一、乳酸的用途2、医药工业、医药工业n乳酸作为乳酸作为消
8、毒剂消毒剂用在病房、手术室、实验室等场所。用在病房、手术室、实验室等场所。n在医药方面广泛用作在医药方面广泛用作防腐剂、载体剂、助溶剂、药物制剂、防腐剂、载体剂、助溶剂、药物制剂、pH 调节剂调节剂等。等。q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。服用于肠内消毒。q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，可用于治疗喉治疗喉头结核、白喉、狼疮头结核、白喉、狼疮等病。等病。q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
9、收量，防止副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。作用产生。q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。中毒及高钾血症。qL(+)-乳酸钙、乳酸钙、L(+)-乳酸亚铁、乳酸亚铁、L(+)-乳酸锌都是补充金属元素的良好药品，乳酸锌都是补充金属元素的良好药品，q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泛应用。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泛应用。3、化妆品工业、化妆品工业n在化妆品中其用量也逐渐增大。乳酸本身含有天然润肤成在
10、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，替代甘油作起到保湿滋润，替代甘油作保湿剂保湿剂，调节酸碱性调节酸碱性、抗微生抗微生物物等作用，对皮肤无刺激性，兼有剥离性能、抗菌性能和等作用，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。皮肤干燥、痤疮等有显著疗效。4、香料和香精、皮革、卷烟工业、香料和香精、皮革、卷烟工业n乳酸乙酯是重要的食用香料，用来配制酒和食
11、用香精，在盛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。产清香型酒国家，乳酸用量很大。n制革工业用它来除去柔皮中的制革工业用它来除去柔皮中的石灰和钙质石灰和钙质，使皮革柔软光滑。，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。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一般皮革用的乳酸含量为40%，对乳酸的质量要求低，深色对乳酸的质量要求低，深色和带臭味的均可使用和带臭味的均可使用。n卷烟生产中用乳酸调节烟草味道，清除苦辣味且防霉变，并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
12、持水分，增加烟丝的柔软性，降低尼古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。丁含量。也常用乳酸处理低档烟草来提高档级。5、化学工业、化学工业n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。n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、其它行业n纺织业中乳酸用于纺织业中乳酸用于pH值调整，是良好的值调整，是良好的媒染剂媒染剂；n农药中用作农药中用作除草剂除草剂的的原料原料
13、；n因其具有清洁除垢等作用，用于因其具有清洁除垢等作用，用于洗涤清洁产品洗涤清洁产品；n在涂料墨水工业中用作在涂料墨水工业中用作pH 调节剂调节剂和和合成剂合成剂；nL-乳酸在塑料纤维工业中是可降解新型材料聚乳酸乳酸在塑料纤维工业中是可降解新型材料聚乳酸PLA的的原料。原料。n在饲料中在饲料中L-乳酸用于调节动物肠道的乳酸用于调节动物肠道的pH，促进饲料的消化，促进饲料的消化吸收，可提高牛羊的产奶量。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二、乳酸盐、乳酸衍生物及聚合物用途n乳酸是一种羟基羧酸，分子上有一个羟基和一个羧基，因此，能乳酸是一种羟基羧酸，分子上有一个羟基和一个羧
14、基，因此，能进行反应，生成一系列的进行反应，生成一系列的乳酸盐乳酸盐、乳酸酯乳酸酯、乳酸酰胺乳酸酰胺等乳酸衍生等乳酸衍生物及其聚合物。物及其聚合物。q乳酸钙：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、酱菜等做挛和镁中毒等病症。用于面包、奶粉、酱菜等做钙营养剂钙营养剂。还。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
15、和饮料的质量。增强水果和蔬菜的抗氧化如糖果、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变，牛羊可提性，防止褪色。加于饲料中能控制饲料中菌的改变，牛羊可提高产奶量，提高家禽蛋壳硬度减少破碎。高产奶量，提高家禽蛋壳硬度减少破碎。q乳酸亚铁：乳酸亚铁：主要用作食品、医药、饲料的铁强化剂。主要用作食品、医药、饲料的铁强化剂。q乳酸钠：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。食品工业中用作毒及高钾血症。试剂工业中用做酪蛋白增韧剂、
16、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。调节剂、风味改进剂、保湿剂、干酪增塑、防冷剂等。q乳酸锌：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。于船舶防污涂料、化妆品、牙膏、漱口剂中。n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，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，
17、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。场潜力很大。q乳酸乙酯：乳酸乙酯：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。剂。q硬脂酰乳酸钙：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。糊化温度
18、，改善成品口感，延缓老化，提高面筋耐混捏性。q乳酸甲酯：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。清漆，着色料等。还是有机合成和药物合成的主要原料。q乳酸丁酯：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、奶有良好的流动性和外
19、观质量。还可作为食用香精用于乳制品、干酪、奶油中。油中。n乳酸聚合物：乳酸聚合物：近年来用近年来用L-乳酸生产生物降解材料聚乳酸已实现了乳酸生产生物降解材料聚乳酸已实现了商业化生产，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了为世界环保所困扰的“白色污染白色污染”问题，将大量用于农用地膜，问题，将
20、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。虫剂胶囊、人工管等方面。第三节第三节 乳酸发展简史与生产方法乳酸发展简史与生产方法一、乳酸工业发展简史一、乳酸工业发展简史1、世界乳酸及乳酸钙工业发展简史、世界乳酸及乳酸钙工业发展简史 n1780年，Scheele(席勒)
21、从酸乳中提炼出制得乳酸n1857年，Pasteur(巴斯德)发现使乳变酸的乳酸菌n1878年，李斯特成功分离出乳酸细菌，命名为乳杆菌，即乳链球菌。n1841年，Boutron和Fremy采用自然发酵生产乳酸n1881年，Charles E. Avery公司采用纯种发酵工业化生产乳酸n1894年，Eijkman发现了鲁氏毛霉能产少量乳酸n1896年，leichman分离获得50度下发酵的优良乳酸菌德氏乳杆菌n1936年，采用华根霉生产D-乳酸n1982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、国内乳酸及乳酸钙工业发展简史n1944年重庆振元化学药品厂采用德氏乳杆菌发酵生产乳酸n
22、19851992年，采用“双酶法”处理原料，大型发酵罐生产乳酸n1991年，开始研究用米根霉发酵生产乳酸n1991年，用固定化技术二、生产方法二、生产方法n主要有发酵法和合成法两种。q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。q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n发酵法分为传统发酵法和连续发酵法。q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；q连续法为美国加利福尼亚大学开发成功的，特
23、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。n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，按照发酵微生物的种类可分为细菌发酵细菌发酵和根霉发酵根霉发酵。n(1) 细菌发酵法细菌发酵法q用于乳酸生产的菌属主要有用于乳酸生产的菌属主要有乳杆菌属乳杆菌属(Lactobacillus)、链球菌属链球菌属(Streptoccoccus)、芽孢杆菌属芽孢杆菌属(Bacillus)。q乳杆菌属的菌种有干酪乳杆菌乳杆菌属的菌种有干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)、嗜热乳杆菌、嗜热乳杆菌(Lactobacterium thermophilum)、
24、唾液乳杆菌、唾液乳杆菌(Lactobacillus salivarius)、清酒乳杆菌清酒乳杆菌(Lactobacillus sake)、嗜酸乳杆菌、嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)、德氏乳杆菌德氏乳杆菌(Lactobacillus delbrueckii)、嗜淀粉乳杆菌、嗜淀粉乳杆菌(Lactobacillus amylophilus)、植物乳杆菌、植物乳杆菌(Lactobacillus P1antarurn)等。等。q链球菌属有嗜热链球菌链球菌属有嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)、乳脂链球菌、乳脂链球菌(Streptococ
25、cus cremoris)、唾液链球菌、唾液链球菌(Streptococcus salivarius)等。等。q芽孢杆菌属主要是凝结芽孢杆菌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 乳制品 双歧杆菌属 杆状 异型 乳制品q国内外乳酸生产菌种主要是国内外乳酸生产菌种主要是德氏乳杆菌德氏乳杆菌，德氏乳杆菌生产，德氏乳杆菌生产的乳酸主要为的乳酸主要为DL型，在一定的温度、型，在一定
26、的温度、pH值下进行厌氧批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，乳杆菌发酵大米，64 h后乳酸生成量达后乳酸生成量达8.7748%。江南大。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% 和和1.46%。n(2) 根霉发酵法q1884年E
27、ijkmann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(Rhizopus 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
28、多种。n淀粉原料淀粉原料生产聚乳生产聚乳酸酸2、合成法、合成法n工业上化学合成乳酸的方法是乙醛氢氰酸法乙醛氢氰酸法(也叫乳腈法或醛、酮和HCN 加成法)和丙酸法丙酸法。q(1) 乙醛法n该法是以乙醛、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。q(2) 丙酸法n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、酶法生产L-乳酸乳酸n(1)氯丙酸酶法
29、转化q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。n(2) 丙酮酸酶法转化qHummel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、乳酸生产方法的比较n化学合成法由于所用的原料是化学合成法由于所用的原料是乙醛乙醛和剧毒物质和剧毒物质氢氰酸氢氰酸，因而合成法生产，因而合成法生产乳酸大大受到限制，其生产成本也较高
30、。乳酸大大受到限制，其生产成本也较高。n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。工业上还有待于进一步研究。n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性的D-乳酸、乳酸、L-乳酸或是乳酸或是DL-乳酸。乳酸菌发酵温度高，产酸率相对较高，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
31、，给实际生产带来操作不便。根霉营养要求简单，菌丝体比细菌大，严格，给实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菌发酵乳酸常因消旋作用而得到DL-乳酸。乳酸。第四节第四节 乳酸发酵机理乳酸发酵机理n一些能大量产生乳酸的细菌称为一些能大量产生乳酸的细菌称为乳酸细菌乳酸细菌，用于发酵生产，用于发酵生产乳酸的细菌。
32、乳酸的细菌。n乳酸细菌不能直接发酵淀粉质原料，必须经过糖化过程，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。转变为糖质原料（葡萄糖、麦芽糖、蔗糖等）才能发酵。q德氏乳杆菌德氏乳杆菌q保加利亚乳杆菌保加利亚乳杆菌q干酪乳杆菌干酪乳杆菌q赖氏乳杆菌等赖氏乳杆菌等n1）同型乳酸发酵）同型乳酸发酵q乳酸为唯一产物的乳酵发酵称为同型乳酸发酵。q乳杆菌属（Lactobacillus），链球菌属（Streptococcus）等q葡萄糖经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
33、化率为100%。 q1葡萄糖2丙酮酸 2乳酸+ 2ATP同型乳酸发酵的途径醛缩酶醛缩酶异构酶异构酶n2) 异型乳酸发酵异型乳酸发酵q异型发酵异型发酵乳酸杆菌乳酸杆菌因缺乏因缺乏EMP途径中的若干重要酶途径中的若干重要酶-醛缩酶醛缩酶和异构酶，因此其葡萄糖的降解完全依赖和异构酶，因此其葡萄糖的降解完全依赖HMP途径途径 。PK途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。q异型乳酸发酵是某些乳酸菌利用异型乳酸发酵是某些乳酸菌利用HMP途径，分解葡萄途径，
34、分解葡萄糖为糖为5-磷酸核酮糖，在经差向异构酶作用变成磷酸核酮糖，在经差向异构酶作用变成5-磷酸木磷酸木酮糖，然后经磷酸酮解酶催化裂解反应，生成已酰磷酸。酮糖，然后经磷酸酮解酶催化裂解反应，生成已酰磷酸。已酰磷酸进一步还原为乳酸。异型乳酸发酵除乳酸外还已酰磷酸进一步还原为乳酸。异型乳酸发酵除乳酸外还有有乙醇乙醇、CO2、和、和ATP。q肠膜明串株菌（肠膜明串株菌（Leuconostoc mesenteroides）q1葡萄糖葡萄糖 1乳酸乳酸+1乙醇乙醇+1ATPq不同微生物异型乳酸发酵产物有些不同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nA、同型乳酸发酵：发酵产物只有乳酸的一种
35、发、同型乳酸发酵：发酵产物只有乳酸的一种发酵。酵。n产能途径为产能途径为EMP途径。途径。nB、异型乳酸发酵：发酵产物除乳酸外还又一些、异型乳酸发酵：发酵产物除乳酸外还又一些乙醇、乙醇、 乙酸和乙酸和CO2。n产能途径为产能途径为HMP或或PK、HK途径途径。n3）双歧）双歧(bifidus)发酵发酵 双歧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，是双歧杆菌发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径，此发酵过程，此发酵过程，2mol的葡萄糖可生成的葡萄糖可生成2mol乳酸和乳酸和3mol的乙的乙酸，乳酸的转化率理论上只有酸，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，它的生长
36、繁殖贯双歧杆菌是人体肠道内典型的有益细菌，它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，降低系统殖产生大量乳酸，降低系统PH值而迅速使肠道菌群发生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。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n米根霉在好气或厌气发酵条件下有葡萄糖生成米根霉在好气或厌气发酵条件下有葡萄糖生成L-乳酸和乙乳酸和乙醇。醇。n在好气条件下，合理添加营养盐和微量金属元素，异型乳在好气条件下，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
37、酵，只生产酸发酵可转变成同型乳酸发酵，只生产L-乳酸。此时糖酸乳酸。此时糖酸转化率接近乳酸细菌的同型乳酸发酵。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：丙酮酸脱氢酶，d：丙酮酸激酶目前普遍认为，在米根霉的糖分解代谢目前普遍认为，在米根霉的糖分解代谢过程中，主要包括过程中，主要包括EMP途径和途径和TCA途途径，并没有磷酸戊糖途径。在米根霉细径，并没有磷酸戊糖途径。在米根
38、霉细胞内，存在两个独立调控的丙酮酸库：胞内，存在两个独立调控的丙酮酸库：(1)基质丙酮酸库基质丙酮酸库，丙酮酸可以进入乙，丙酮酸可以进入乙醇、乳酸、草酰乙酸、苹果酸和富马酸醇、乳酸、草酰乙酸、苹果酸和富马酸合成途径；合成途径；(2)线粒体丙酮酸库，线粒体丙酮酸库，丙酮酸进入丙酮酸进入TCA循环。随着外界条件的扰动，米根霉的循环。随着外界条件的扰动，米根霉的代谢机制也发生着变化，如当葡萄糖浓代谢机制也发生着变化，如当葡萄糖浓度增大时，度增大时，EMP途径和进入乳酸合成途途径和进入乳酸合成途径的通量都相应增大。径的通量都相应增大。糖代谢主要有以下几种反应：糖代谢主要有以下几种反应：(1)正常呼吸：
39、正常呼吸： C6Hl2O6 + 6O 2 6H2O + 6CO 2(2)同化作用：干菌体量的同化作用：干菌体量的95%来自碳水化合物。来自碳水化合物。 (3)富马酸发酵：富马酸发酵： C6Hl2O6 + 3O2 C4H4O4 + 2CO2 + 4H2O(4)酒精发酵：酒精发酵： C6H12O6 2C2H5OH+2CO2(5) L-酸发酵：酸发酵： C6Hl2O6 2C3H6O3若抑制若抑制(1)、(3)、(4)反应，乳酸得率就可以提高。根霉对糖反应，乳酸得率就可以提高。根霉对糖转化率理论为转化率理论为75%。 微生物的代谢途径一般都不是单一的，因此，不论同微生物的代谢途径一般都不是单一的，因此
40、，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，可逾越的界限。在微生物的分类研究中，通常把发酵通常把发酵1mol1mol葡萄糖产生的乳酸少于葡萄糖产生的乳酸少于1.8mol1.8mol，同时还产生较多的乙醇、，同时还产生较多的乙醇、COCO2 2或乙酸、甘油、甘露醇等产物的乳酸菌称为异型乳酸或乙酸、甘油、甘露醇等产物的乳酸菌称为异型乳酸菌。菌。同型乳酸菌发酵的微生物已经用来发酵产生乳酸。异同型乳酸菌发
41、酵的微生物已经用来发酵产生乳酸。异型乳酸发酵的微生物，例如双歧杆菌，已经用于发酵生产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。活菌饮料，并越来越受重视。第五节第五节 乳酸生产工艺乳酸生产工艺一、乳酸发酵微生物一、乳酸发酵微生物1、种类种类细菌细菌q乳杆菌属乳杆菌属(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、嗜淀粉乳杆菌、等。q链球菌属链球菌属(Streptoccoccus)有嗜热链球菌、乳脂链球菌、唾液链球菌等。q芽孢杆菌属芽孢杆菌属(Bacillus)主要是凝结芽孢杆菌。2、常用细菌常用细菌n(1) 德氏
42、乳杆菌德氏乳杆菌q分类学上属于真细菌目、乳杆菌科、乳杆菌属。细胞杆状，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，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。在明动。在琼脂平板培养基上菌落小，扁平，呈锯齿形。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胶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。半透明灰色条纹。q能利用麦芽糖、蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖、糊精等碳能利用麦芽糖、蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖、糊精等碳源，发酵产生源，发酵产生D-乳酸，少数菌株产生乳酸，少
43、数菌株产生DL-乳酸。最适生长温乳酸。最适生长温度为度为45，50仍能旺盛发育并产酸，最高耐受温度为仍能旺盛发育并产酸，最高耐受温度为55。n(2) 赖氏乳杆菌赖氏乳杆菌q细胞杆状，细胞杆状，2.04.00.6m，单个或成短链，细胞呈现两个或，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，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
44、能良好生长。明胶穿刺不液化，硝酸盐还原试验阴性。能良好生长。明胶穿刺不液化，硝酸盐还原试验阴性。q能利用麦芽糖、蔗糖、葡萄糖、果糖和海藻糖产酸；利用半乳能利用麦芽糖、蔗糖、葡萄糖、果糖和海藻糖产酸；利用半乳糖、甘露醇和糖、甘露醇和-甲基配糖体生成微量酸；不发酵乳糖、棉子糖、甲基配糖体生成微量酸；不发酵乳糖、棉子糖、阿拉伯糖、鼠李糖、糊精和菊芋糖。能耐受阿拉伯糖、鼠李糖、糊精和菊芋糖。能耐受13g/l的的D-乳酸，最乳酸，最适生长温度为适生长温度为36。n(3) 植物氏乳杆菌植物氏乳杆菌 异名：阿拉伯糖乳杆菌异名：阿拉伯糖乳杆菌q细胞杆状，细胞杆状，380.71m，单个或呈短链，末端变圆。，单个
45、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。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。盐还原试验阴性。q能利用麦芽糖、蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖、阿拉伯能利用麦芽糖、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、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。木糖和糊精生成微量酸；不发酵鼠李糖、淀粉和菊芋糖。一般产一般产DL-乳酸，能耐受乳酸，能耐受13g/l的
46、的D-乳酸，最适生长温度乳酸，最适生长温度为为30。3、种类-根霉n1884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：、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、常用根霉米根霉米根霉n菌落疏松或稠密，初为白色，后变为灰褐色至黑褐色，匍菌落疏松或稠密，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，囊梗直立或弯曲，24根群生
47、，有时膨大或分枝。囊托锲根群生，有时膨大或分枝。囊托锲形，菌丝形成厚形，菌丝形成厚 孢子，结合孢子未见。孢子，结合孢子未见。n米根霉的最适温度米根霉的最适温度37，41时还能生长。米根霉的淀粉时还能生长。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温度为30，可利用无机氮源。，可利用无机氮源。L-乳酸微生物发酵优劣比较n目前应用发酵法生产目前应用发酵法生产L-乳酸常用的微生物乳酸常用的微生物,一类为乳酸菌一类为乳酸菌, 另
48、一类为根霉菌属另一类为根霉菌属。之前国内外多采用根霉菌中的米根霉之前国内外多采用根霉菌中的米根霉进行进行L乳酸的发酵。乳酸的发酵。n米根霉菌发酵营养要求低米根霉菌发酵营养要求低,可直接利用淀粉无须糖化可直接利用淀粉无须糖化;耐低耐低pH值值,产物为高光学产物为高光学纯度乳酸纯度乳酸 ,菌体大菌体大,容易分离。但是容易分离。但是,米根霉菌的乳酸产率和转化率低于乳酸细米根霉菌的乳酸产率和转化率低于乳酸细菌菌,并且产物中含有大量副产物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给乳酸的提取和精制带来很大困难;根霉菌在根霉菌在发酵过程中需要通气搅拌发酵过程中需要通气搅拌,使得动力消耗增加使
49、得动力消耗增加,生产成本上升。生产成本上升。n乳杆菌的厌氧发酵或兼性厌氧发酵可以大规模降低能耗乳杆菌的厌氧发酵或兼性厌氧发酵可以大规模降低能耗,有利于连续发酵有利于连续发酵,减少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。但是乳酸以上。但是乳酸菌属于化能异养微生物菌属于化能异养微生物,营养条件复杂营养条件复杂,需添加复合氮源需添加复合氮源,提高成本提高成本;一般的乳酸一般的乳酸菌均不产淀粉酶菌均不产淀粉酶,不能直接利用淀粉发酵生产乳酸不能直接利用淀粉发酵生产乳酸,需糖化处理。需糖化处理。1、主要原料n乳酸细菌能直接利用己糖低聚
50、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、乳酸发酵原料二、乳酸发酵原料己糖、低聚糖己糖、低聚糖n蔗糖n糖蜜n淀粉水解糖n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n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n玉米、大米、红薯、马铃薯n水解方法n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 / / 淀粉质原料淀粉质原料2、辅助原料n乳酸菌的生长、繁殖、发酵能力的获得与其它菌一样，也需要添加适宜营养物质n营养盐添加量 亚适量水平理论 氨基酸、维生素、核
