张裕彬
目录
第1章乳酸的定义3
1.1乳酸基本结构3
1.2乳酸的产生3
1.3乳酸的理化性质3
1.4乳酸的衍生物4
第2章乳酸的发现及发展4
2.1乳酸的发现4
2.2乳酸的发展4
第3章乳酸的检测4
3.1乳酸含量的测定5
3.1.1一般规定5
3.1.2鉴别试验5
3.2L-乳酸占总乳酸含量的测定5
3.2.1试剂和材料5
3.2.2仪器和设备5
3.2.3测定6
3.2.4结果计算6
第4章乳酸的生产、提取及在食品工业的应用6
4.1乳酸的工业化生产技术6
4.1.1细菌发酵工艺技术6
4.1.1.1玉米原料发酵技术6
4.1.1.2葡萄糖原料发酵技术6
4.2乳酸生产的新工艺7
4.2.1连续发酵生产乳酸7
4.2.2萃取发酵7
4.2.3膜法发酵7
4.3乳酸的合成工艺技术7
4.4乳酸乳酸的提取工艺技术7
4.4.1钙盐法8
4.4.2脂化法8
4.4.3电渗透析法8
4.4.4溶剂萃取法9
4.5乳酸在食品工业的应用9
参考文献11
致谢12
第1章 乳酸的定义
1.1 乳酸基本结构
乳酸是一种羧酸，分子式是C3H6O3，含有羟基，属于α-羟酸（AHA）。在水溶液中，其羧基释放出一个质子而产生乳酸根离子CH3CH(OH)COO?
1.2 乳酸的产生
乳酸的产生是在发酵过程中乳酸脱氢酶将丙酮酸转换为左旋乳酸。在一般的新陈代谢和运动中乳酸不断被产生，但是其浓度一般不会上升。只有在乳酸产生过程加快，乳酸无法被及时运走时其浓度才会提高。乳酸运输速度由一系列因素影响，其中包括单羧基转运体、乳酸脱氢酶的浓度和异构体形式、组织的氧化能力。一般来说血液中的乳酸浓度在不运动时为1-2mmol/L，在强烈运动时可以上升到20mmol/L。
一般来说当组织的能量无法通过有氧呼吸得以满足，组织无法获得足够的氧或者无法足够快地处理氧的情况下乳酸的浓度会上升。在这种情况下丙酮酸脱氢酶无法及时将丙酮酸转换为乙酰辅酶A，丙酮酸开始堆积。在这种情况下假如乳酸脱氢酶不将丙酮酸还原为乳酸的话糖酵解过程和三磷酸腺苷的合成会受到抑制。
产生乳酸的过程为：丙酮酸+NADH+H+→乳酸+NAD++2H
这个过程的意义在于重建糖酵解所需要的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）来保持三磷酸腺苷的合成。在氧气充足的肌肉细胞中乳酸可以被氧化为丙酮酸，然后直接用来作为三羧酸循环的燃料。它也可以在肝脏内糖异生的循环转化为葡萄糖。乳杆菌属的细菌也可以进行乳酸发酵。这些细菌可以生活在口内，它们产生的乳酸是导致龋齿的原因。在医学里乳酸常被用在乳酸林格氏液中。这是一种与人的血液等张的氯化钠、氯化钾和乳酸在蒸馏水中的溶液。在损伤、手术或烧伤失血后常使用乳酸林格氏液来补充失血。
1.3 乳酸的理化性质
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。相对密度1.2060(25/4℃)。熔点18℃。沸点122℃（2kPa)。折射率nD(20℃)1.4392。能与水、乙醇、甘油混溶，水溶液呈酸性，PKa=3.85。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。由于具有羟基和羧基，一定条件下，可以发生酯化反应，产物有三种。
毒性：大鼠经口LD50为3.73g/kg体重；ADI无限制规定。
乳酸有两种同分异构体：D-型和L-型。
将大鼠分为三组，每组投药剂量为1.7g/kg体重的DL-型、D-型和L-型乳酸，口服三小时后解剖检测，DL-型乳酸可使肝中肝糖增高，40%~95%在3h内吸收转化；D-型和L-型乳酸使血中乳酸盐增高，由尿液排出体外。
1.4 乳酸的衍生物
乳酸的衍生物包括乳酸钙、乳酸锌及乳酸亚铁等，它们不仅是食品、饮料、保健品的强化剂，也是治疗某些金属元素缺乏症的药物。
乳酸钠是治疗酸中毒的大输液的重要原料。乳酸的酯类，如乳酸乙酯，是极为重要的香味剂，是多种名白酒的主香成分，白酒的调香少不了乳酸乙酯。乳酸丁酯是一种很好的溶剂，用于油漆生产。乳酸，特别是L-乳酸，由于它的右旋性，在上述领域应用，大大地提高了安全性，对人和畜无害，而且具有很强的杀菌作用，其杀菌能力是柠檬酸、酒石酸、琥珀酸的几倍。
第2章 乳酸的发现及发展
2.1 乳酸的发现
目前人们关于乳酸理论发了极大的变化，现在生理学研究认为乳酸的存在对人体有很大的益处，人体内 大量乳酸的积累可以加快新陈代谢的作用，并可以作为肌肉的燃料，源源不断地为肌 肉提供能量。虽然乳酸的发现比较早，但是直到十九世纪，乳酸才得到了科学方法的研究。
1873年，英国一名医生Joseph Lister成功从酸奶中提取并检测出该种微生物为2乳酸菌。于此同时，德国一位化学家Johannes Wislicenus成功表征出了乳酸的分子结构，以上二人在乳酸领域中研究了达数十年。
2.2 乳酸的发展
直到1883年，美国的CharlesE.Avery公司成功实现了乳酸的正式工业化生产。这是人类历史上的乳酸的首次工业化应用。但是直到20世纪四十年代，知名公司SchiedamseMelkzuurfabriekFabriek的成立，才从真正意义上实现乳酸的较大的规模化生产。该公司就是当今比较著名的普拉克集团。但是在随后的几十年，乳酸的有关研究报道不断，但是都并没有取得特别实质性的进展。直达二十世纪六十年代，日本通过化学方法实现了乳酸的工业化生产。至此，关于乳酸的研究和工业化生产进入百家争鸣时期。另一方面，早在1845年，著名化学家Pelouze就通过蒸馏脱水的方法成功合成了聚乳酸二聚体。但是此后并没有推动聚乳酸的发展和应用。直1913年，美国的科学家Nef采用直接脱水的方法，并在加压和高温的条件下成功合成了聚合度为4-7左右的聚乳酸。虽然合成这种低聚物的分子量比较低，但是这次发现却被视为工业化制备聚乳酸技术的起源。
第3章 乳酸的检测
3.1 乳酸含量的测定
3.1.1一般规定
本标准所用试剂和水在未注明其他要求时,均指分析纯试剂和GB/T6682规定的三级水。试验中所用标准溶液、杂质测定用标准溶液、制剂和制品在未注明其他要求时,均按GB/T601、GB/T602、GB/T603的规定制备。试验中所用溶液在未注明用何种溶剂配制时,均指水溶液。
3.1.2鉴别试验
酸性试验:10%试样水溶液对石蕊试纸显酸性。
乳酸盐试验取固体试样溶解于适量的水或取液体试样,加10mL0.1mol/L高锰酸钾溶液,加热,即产生乙醛的臭味。
3.1.3乳酸含量的测定
试剂和材料:氢氧化钠溶液:40g/L、硫酸标准滴定溶液:c(1/2H2SO4)=0.5mol/L、酚酞指示液:10g/L。
分析步骤：称取试样1g(精确至0.0002g),加50mL水,准确加入氢氧化钠溶液20mL,煮沸5min,加酚酞指示液2滴,趁热用0.5mol/L硫酸标准滴定溶液滴定,同时作空白试验。
结果计算：
乳酸含量的质量分数w1,按式计算:
w1=[(V0-V1)×c×M/1000×m]×100%
式中:
V0———滴定空白溶液所消耗的硫酸标准滴定溶液的体积,单位为毫升(mL);
V1———滴定试样溶液所消耗的硫酸标准滴定溶液的体积,单位为毫升(mL);
c———硫酸标准滴定溶液的实际浓度,单位为摩尔每升(mol/L);
M———乳酸的摩尔质量,单位为克每摩尔(g/mol)[M(C3H6O3)=90.08];1000———质量换算系数;
m———试样的质量,单位为克(g)。
试验结果以平行测定结果的算术平均值为准。在重复性条件下获得的两次独立测定结果的绝对差值不大于0.2%。A.4L-乳酸占总乳酸含量的测定
3.2 L-乳酸占总乳酸含量的测定
3.2.1试剂和材料
GB/T6682规定的一级水。
3.2.2仪器和设备
高效液相色谱仪。
参考色谱条件：色谱柱:以配位交换型光学活性固定相涂敷或键合于二氧化硅为填充剂的色谱柱(?4.6mm×15cm),或其他等效的色谱柱。
流动相:0.5g/L硫酸铜溶液。
检测波长:254nm。A.4.3.4柱温:35℃。
流速:0.5mL/min。A.4.3.6进样量:20μL。
分离度要求:D型与L型分离度≥1.0。
3.2.3测定
称取试样0.05g(精确至0.0001g),加水或流动相稀释定容至100mL,色谱分析前用0.45μm微孔滤膜过滤。在参考色谱条件下进行测定,分析得到试样中D-乳酸和L-乳酸的峰面积值(D-乳酸保留时间约为10min,L-乳酸保留时间约为12min),以面积归一化法定量。
3.2.4结果计算
L-乳酸占总乳酸含量的质量分数w2,按下式计算:
w2=AL/(AL+AD)×100%
式中:
AL———试样中L-乳酸的峰面积值;AD———试样中D-乳酸的峰面积值。
试验结果以平行测定结果的算术平均值为准。在重复性条件下获得的两次独立测定结果的绝对差值不大于0.2%。
第4章 乳酸的生产、提取及在食品工业的应用
4.1 乳酸的工业化生产技术
4.1.1细菌发酵工艺技术
目前国内大多数乳酸生产厂均采用德氏乳杆菌等生产DL-乳酸。由于将来乳酸的巨大发展潜力在于生物可降解材料聚乳酸,而生产聚乳酸需要高纯度L-乳酸,因此人们对L-乳酸的发酵生产和研究将更为重视。在发酵工艺上除了可采用根霉生产L-乳酸外,目前国外则以细菌为主进行L-乳酸的发酵生产和研究。原因在于细菌厌氧发酵可大规模降低能耗,减少乳酸的生产成本。
4.1.1.1玉米原料发酵技术
玉米原料经高压喷射液化及糖化所获得的糖化液,泵入板框压滤机进行过滤,过滤残渣可用作饲料,清糖液打入发酵罐。调整糖浓度,使糖含量达到8%～10%,添加10%的米糠,冷却降温至50℃,接入已培养好的乳酸菌种,接种量为10%,接种4h后测pH。在缓慢搅拌状态下,添加石灰粉,中和至pH4.8再加碳酸钙,继续发酵。整个发酵过程保持温度50℃,pH4.0～5.5,每隔2h搅拌一次;每次5～10min。发酵前期碳酸钙的添加量稍大些,后期稍小些。发酵周期控制在55～75h,转化率不低于90%。
4.1.1.2葡萄糖原料发酵技术
种子培养基(g/L):葡萄糖50g,酵母膏10g,蛋白胨10g,乙酸钠0.5g,硫酸镁200mg。该工艺采用的乳酸细菌菌种是从热带椰子果的花粉汁中分离获得的干酪乳酸菌,此菌生成的总酸中L-乳酸占95%。
4.2 乳酸生产的新工艺
4.2.1连续发酵生产乳酸
连续发酵法生产乳酸是指将微生物细胞生产的代谢产物快速移去的生产方法。连续发酵生产效率显然优于分批发酵,但要在杂菌污染多的状态下长期操作则相当困难。
电渗析发酵(EDF)
EDF发酵系统主要由发酵罐、电渗析装置、pH控制装置、直流电源、微孔过滤装置、浓缩液贮存罐、循环泵等组成。发酵液pH由pH控制装置控制,电渗析装置由直流电源转换器控制。随着乳酸离子从培养液向浓缩液贮存罐方向移动,pH超过设定值时,转换器切断电源。这样连续地从培养液中除去乳酸,使培养液中的乳酸浓度保持低水平。由于某些带负电荷的离子,特别是磷酸根离子,也同乳酸一样从培养液中移走,因而将磷酸供给泵的电源和pH控制装置相互连接,可在电渗析操作期间,不断供给磷酸溶液,控制发酵液pH6.0左右。
EDF发酵法的优点:①不用中和剂就可控制pH;②减轻了产物抑制作用;③浓缩产物;④简化后提取工艺;⑤缩短发酵周期。
4.2.2萃取发酵
萃取发酵是在发酵过程中利用有机溶剂连续萃取分离发酵产物,以消除产物抑制的耦合发酵技术。萃取发酵具有能耗低、选择性好及无细菌污染等优点。常用的萃取剂有十二烷醇、油醇。为了有效移走发酵液中的乳酸,一般使用Alamine336叔胺和油醇的混合物来萃取乳酸。结果表明,Alamine336是一种很好的萃取剂。
4.2.3膜法发酵
膜法发酵是为了提高生产率所采用的一种方法,主要内容为:
①使用高浓度细胞;②及时从发酵液中移走抑制性产物。采用不同类型的膜,使用渗析(依靠扩散排阻)、电渗析(依靠离子排阻)、微滤和超滤(依靠分子排阻)等方法,将发酵过程中的细胞浓缩并循环使用,乳酸不断地从发酵罐中移走,从而提高发酵生产率。此种发酵方法还有三个优点:
①乳酸浓度和产率同时增大;②可在相当高的透过率下长期操作;③机械稳定性好,反应器可进行蒸汽灭菌。
4.3乳酸的合成工艺技术
化学合成法生产乳酸主要由美国标准化学品公司和日本武藏野化学公司实施。合成乳酸的原料可以是丙烯腈合成中的副产品乳腈。也可通过以下工艺生产:在乙醛中加入氢氰酸,于常压下液相反应产生乳腈。回收粗乳睛,进行蒸馏提纯后,加入浓盐酸或浓硫酸水解生成乳酸,反应副产品为氨盐。粗乳酸可采用酯化法进一步纯化。
4.4乳酸乳酸的提取工艺技术
4.4.1钙盐法
细菌乳酸发酵液的预处理:
乳酸菌本身不耐酸,细菌乳酸发酵一般是在过量CaCO3存在的条件下进行的。乳酸与CaCO3反应,生成5个水的水合型乳酸钙。由于杂质的存在,发酵终了时,发酵醪液变稠。尤其在初糖浓度高时,会使整个发酵液固化,给后续处理带来麻烦。因此当发酵乳酸菌活动减弱,发酵温度开始下降时,要及时升温至90～100℃,并加入石灰乳,将pH调高至9.5～10.0。然后在70～80℃下经板框压滤。滤液进一步处理后提取得到乳酸。
根霉乳酸发酵液的预处理:米根霉发酵至终点时,将发酵液移至贮罐内,升温至80～90℃,用预热过的板框压滤机过滤。滤饼用少量热水洗涤,压干滤饼。将洗涤水和滤液混合,获得过滤液。
将上述乳酸钙盐粗滤液进一步过滤、活性炭吸附脱色处理、蒸发浓缩,加入硫酸产生硫酸钙沉淀和粗乳酸。过滤除去硫酸钙(石膏),粗乳酸再经活性炭脱色、去离子处理、浓缩蒸发制成工业级和食品级乳酸。
4.4.2脂化法
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≥95%,耐热温度≥195℃)。
4.4.3电渗透析法
电渗析法是在离子交换技术与膜技术基础上发展起来的一种新的分离提纯技术。与离子交换不同的是,电渗析依靠电场的推动力,并且将具有选择性透过的离子交换膜代替离子交换树脂。这种离子交换膜的选择作用包括空隙选择和电荷选择两个方面。孔隙选择相当于半透膜,而电荷选择则类似于离子交换作用。如阳离子交换膜因电离出阳离子而带负电荷,溶液中的阳离子则可以在膜上发生交换,在电场推动下,可通过阳离子交换膜运动,直到阴离子交换膜(带正电)时被截留。反之,阴离子交换膜可以让阴离子进行交换和穿过,直到被阳离子膜截留。采用一种三液体回路电渗析仪从发酵液中提取乳酸,乳酸浓度为25.7～64.3g/L,提取率可
达75%以上。若预先超滤除去菌体及部分蛋白质,提取收率可达80%。
4.4.4溶剂萃取法
萃取法是提取化工产品的重要方法,具有操作简便、占地面积少、对设备腐蚀性小、可以连续化、自动化操作等优点。应用萃取法的关键是寻找高效、无毒、水溶性小、经济可行的萃取剂。异丙醚-水萃取系统采用有机溶剂载体进行乳酸萃取是目前乳酸提取的主要方法。有机溶剂载体主要有4种:如溶剂化载体、阴离子活性载体、阳离子活性载体以及螯合型载体。用于乳酸萃取效果较好的载体有:HostarexA327(叔胺)、Alamine336(三辛胺和三葵胺的混合物)、AmberliteLA-2(仲胺)、Cyanex923(氧化三辛基磷和氧化三庚基磷的混合物)等。将这些载体溶于煤油、乙酸丁酯或油醇,于是胺载体与乳酸形成(1,1)、(2,1)、或(3,1)-乳酸-胺复合物,这些复合物在煤油中的溶解度很小。还可加入异葵醇、或磷酸三丁酯(TBP)等改良剂。Cyanex923则不需加改良剂。载体和乳酸形成特定的载体-乳酸复合物后,被有机相萃取,再用水、稀盐酸、稀硫酸或氢氧化钠溶液反萃取,即可获得纯净的稀乳酸液,经真空浓缩后即成为成品乳酸。目前国外较大型的乳酸厂家均采用有机溶剂萃取方式提取乳酸。
4.5乳酸在食品工业的应用
表1乳酸在食品工业中的应用
名称 | 用途 |
L(+)乳酸 | 抗菌剂、熏制、腌菜、风味剂 |
D(-)乳酸 |
|
DL-乳酸 | 增强剂、配料、pH控制、溶剂和载色体 |
乳酸钙 | 风味增强剂、固化剂、膨松剂、营养补充剂、稳定剂、增稠剂 |
乳酸亚铁 | 营养补充剂、婴儿配制食品 |
乳酸钾 | 风味增强剂、风味剂、保湿剂、pH控制 |
乳酸钠 | 风味增强剂、风味剂、保湿剂、乳化剂 |
硬脂酰-2-乳酸钙(CSL) | 焙烤食品用,面团质量改进剂、蛋制品中的起泡剂、脱水马铃薯中的调节剂 |
硬脂酰-2-乳酸钠(SSL) | 面团质量改进剂、乳化剂、焙烤食品加工助剂、牛奶或冰淇淋代用品生产的稳定剂、加工助剂、休闲食品调味汁、人造奶酪、脱水马铃薯 |
脂肪酸的乳酰酯 | 食品中乳化剂、增塑剂、表面合性剂 |
乳酸脂肪酸丙二醇甘油混合酯 | 食品中乳化剂、增塑剂、表面活性剂 |
脂肪酸的甘油乳酰酯 | 食品中乳化剂、增塑剂、表面活性剂 |
参考文献
[1] 中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会.GB1886.173-2016食品安全国家标准,食品添加剂乳酸
[2] 百度
[3] 栗江波,聚乳酸-木纤维复合材料的制备及其增容改性研究[硕士学位论文].2019.6
[4] 钱志良,胡军,累肇祖.乳酸的工业化生产、应用和市场[J].工业微生物，2001,31,(2):49-53.
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