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鲁东大学生命科学学院乳酸发酵生产工艺LacticacidFermentationProduction鲁东大学生科院一.概述Introduction生产方法：化学合成（10%）和发酵法（90%）广泛应用于化工、食品、医药领域目前普遍使用DL-乳酸L-乳酸天然性，将是发展方向，特别应用聚乳酸（可降解生物材料）广泛存在于人、动物、植物及微生物体内，旋光异构体鲁东大学生科院细菌乳酸途径厌氧菌或微需氧菌，按发酵糖类过程和产物不同，可分为同型和异型和双歧乳酸发酵二.代谢途径及产乳酸微生物1乳酸代谢途径同型乳酸发酵：它们利用糖经糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸还原产生乳酸。发酵产物中主要为乳酸的称为同型乳酸发酵，如乳链球菌（Streptococcuslactics）、乳酪链球菌（Streptococcuscremoris）、干酪乳杆菌（lactobacilluscasei）、保加利亚乳杆菌（Lac.bulgaricus）等。鲁东大学生科院2H（乳酸脱氢酶）C6H12O6EMP2CH3COCOOH2CH3CHOHCOOH同型乳酸发酵的特点：1mol的G产生2mol乳酸，理论转化率是100%。另外有很少量的乙醇、乙酸和二氧化碳等。同型乳酸发酵葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸2丙酮酸①同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcuslactisLactobacillusplantarum鲁东大学生科院异型乳酸发酵发酵产物中除乳酸外同时还有比例较高的乙酸、乙醇、二氧化碳等，称为异型乳酸发酵。其生物合成途径有两种。a6-磷酸葡萄糖酸途径通过该途径，1mol的G产生1mol的乳酸，乳酸对糖的理论转化率是50%。另外有比例较高的乙醇、乙酸和二氧化碳等。肠膜明串珠菌（Leuconostocmesenteroides）及葡聚糖明串珠菌（Leuconostocdextranicum）通过该途径进行异型乳酸发酵。②异型乳酸发酵：葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO2磷酸戊糖酮解途径PK鲁东大学生科院bBifidus途径（双歧途径）双歧杆菌（Bifidobacteriumbifidum)进行的乳酸发酵也是一条磷酸解酮酶途径。该途径的特点是：①有两个磷酸酮解酶参与；②在没有氧化作用和脱氢作用下，2分子G分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸甘油醛。接着，在3-磷酸甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢酶的参与下，3-磷酸甘油醛转化为乳酸，转化率为50%。磷酸己糖解酮途径HK2葡萄糖2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖4-磷酸-赤藓糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊逆HMP途径同EMP乙酸激酶③双歧发酵鲁东大学生科院特别提醒：微生物的代谢途径一般都不是单一的，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，两类乳酸发酵的代谢产物没有不可逾越的界限。应用范围：同型乳酸菌发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，已经用于发酵生产活菌饮料，鲁东大学生科院米根霉乳酸途径好氧异型发酵，和细菌异型发酵不同，通过糖酵解途径，副产物有：乙醇、富马酸、琥珀酸、苹果酸、醋酸乳酸对糖转化率为：75%可以以淀粉为原料发酵糖酵解成丙酮酸，存在三条途径1）丙酮酸脱羧酶---------乙醇2）丙酮酸羧化酶--------草酰乙酸（形成三羧酸循环副产物：富马酸、苹果酸）3）L-乳酸脱氢酶--------L-乳酸鲁东大学生科院米根霉乳酸途径缺点：提取过程中杂酸较难去除，L-乳酸纯度下降，严重时产生白色沉淀优点：好氧条件下，合理控制营养和环境条件，可以为同型乳酸发酵，糖转化率接近细菌的同型乳酸发酵注意：微生物产乳酸的那种光学异构体，由胞内乳酸脱氢酶决定1）L-乳酸脱氢酶2）D-乳酸脱氢酶鲁东大学生科院2乳酸发酵微生物乳酸细菌1）乳酸菌分离酿造发酸食品采样泡菜形式富集碳酸钙透明圈法分离（倾注法倒平板）2）产D-乳酸细菌德氏乳杆菌：77g/L，转化率90%，D-乳酸比例：90%保加利亚乳杆菌：40g/L，转化率72%，D-乳酸比例：99%左旋乳酸芽孢杆菌菊糖芽孢乳杆菌：98g/L，转化率97%，D-乳酸比例：99%鲁东大学生科院2乳酸发酵微生物乳酸细菌3）产L-乳酸细菌乳杆菌、链球菌、芽孢杆菌趋势：嗜热乳酸杆菌，厌氧高温发酵（50℃以上）部分微生物乳酸全部为L型，部分含少量D-乳酸产乳酸细菌较多，根据需要选择个别菌属可产淀粉酶（嗜淀粉乳杆菌）鲁东大学生科院2乳酸发酵微生物米根霉果园、菜园、花盆土壤中或谷物上分离马丁（Martin）培养基分离纯化最适温度30℃，产酸多，副产物多，对糖利用效率低，但可以以淀粉为原料（分泌淀粉酶、糖化酶）鲁东大学生科院三.乳酸生产工艺1原料及预处理碳源1）蔗糖2）糖蜜3）葡萄糖4）淀粉辅料：麦根、麸皮、米糠、玉米浆、毛发水解液鲁东大学生科院2发酵工艺细菌发酵工艺1）菌种（德氏乳杆菌）A）同型乳酸发酵的乳酸菌B）营养要求简单C）耐高酸，反馈抑制作用小D）耐高温，最好在50℃以上2）菌种扩大培养（种量5-10%）菌种成熟指标：乳酸5-7g/L，细胞含量7-8*1010个/ml，镜检可以看到2-4个细胞排列成链，原生质均匀，无大的异染颗粒，无杂菌鲁东大学生科院2发酵工艺细菌发酵工艺培养基配方：还原糖15%，麦根3.75%，磷酸氢二铵0.25%，碳酸钙10%种子培养：50℃,24h，接种量1-10%发酵操作：填料系数0.8碳酸钙分批添加，控制pH不低于5.0温度：50℃发酵罐敞口，利于二氧化碳逸出残糖低于1g/L发酵结束周期：5-6d发酵结束，加石灰乳调pH10.0，提温至90℃，澄清后进入提取工段。鲁东大学生科院米根霉发酵工艺斜面孢子：30℃,4d种子培养基：葡萄糖11%，尿素0.2%，KH2PO40.06%，MgSO40.025%，ZnSO40.088%,CaCO31%,pH自然，34℃,24h发酵培养基：葡萄糖15%，尿素0.2%，KH2PO40.02%，MgSO40.025%，ZnSO40.044%,CaCO36.7%(单独灭菌),pH自然，34℃,32-34h发酵结束，氢氧化钙中和至pH7.0，压滤或离心去除菌体鲁东大学生科院3提取工艺发酵液-----预处理（碱化）------提取------粗乳酸-------精制------成品乳酸1）细菌发酵预处理发酵结束，5水合乳酸钙，发酵液变粘，糖浓度高固化发酵结束升温至90-100℃，加入石灰乳，pH调至9.5-10.0，静置4-6h（维持温度55℃），沉渣清液分离活性炭60-70℃脱色，去除色素鲁东大学生科院3提取工艺发酵液-----预处理（碱化）------提取------粗乳酸-------精制------成品乳酸2）米根霉发酵预处理发酵结束，氢氧化钙中和pH至7.0,升温至80-90℃，板框压滤机过滤，去除菌体和过量碳酸钙，滤饼热水洗涤压干滤饼，合并鲁东大学生科院乳酸钙结晶酸解工艺滤液------浓缩--------冷却结晶-------离心洗涤--------加热溶晶--------酸解（硫酸）----------过滤（去除硫酸钙）----------脱色（活性炭）-------粗乳酸乳酸钙常温下溶解度：5%，水溶液pH6.0—7.0，乳酸钙浓度达11—14波美度可自然结晶1）浓缩：12-13波美度（乳酸钙26—28%）杂质影响（杂质增加1%，乳酸钙溶解度增加10%），浓缩前要除杂鲁东大学生科院乳酸钙结晶酸解工艺2）结晶初始温度30℃----------23℃（1h），投放6—7%晶种23℃-------18℃（1.5h）后温度每1h降低2℃终温10℃，保持3—5h晶核形成：不能搅动或震动，否则会形成粥状结晶，无法和母液分离影响结晶因素：起晶诱导时间、晶核形成速度、晶体成长速度针形珊瑚状结晶--------精制原料球形珊瑚状结晶-------粗原料鲁东大学生科院3）离心洗晶晶体经粉碎机打散成小颗粒晶体，甩虑离心机加水洗涤粘附在晶体上的母液乳酸钙结晶酸解工艺4）溶晶酸解乳酸钙晶体----溶解槽（通蒸汽升温溶解）-----酸解槽（50%浓硫酸酸解）酸解时放热，需冷却使料温不超80℃，防止乳酸钙分解0.1%甲基紫检测：合适，菊黄色；酸过量，绿色；乳酸钙过量，紫色注意：控乳酸浓度不超22%，温度80℃内，硫酸过量0.5%以下，溶液中石膏的过饱和系数为1.3—1.4，石膏晶体成熟1h鲁东大学生科院乳酸钙结晶酸解工艺5）过滤脱色0.5-3%粉末活性炭脱色30min，可得20%左右浓度的乳酸溶液注意：乳酸钙溶解度大，约30%乳酸钙存在于母液不能结晶分离，乳酸提取收率为50%左右。乳酸精制工艺粗乳酸----活性炭脱色------过滤------一次浓缩-------活性炭脱色-------HG-10碳柱脱色------离子交换------二次浓缩------成品乳酸鲁东大学生科院乳酸精制工艺工艺要点1）脱色：2%活性炭70--80℃脱色20--30min，药典级乳酸需二次脱色2）一次浓缩：真空减压浓缩，温度不超80℃，乳酸浓度45—50%。3）二次浓缩：70℃以下，乳酸浓度82-85%鲁东大学生科院Thinks！