第三篇第二章乳酸v教学文稿.ppt

COOH HO H CH31第二章 乳 酸 乳酸是一种天然有机酸，是三大有机酸之一1881年，美国科学家首先将酸乳中提取的乳酸菌用于大规模的乳酸发酵生产，至今已有一百多年 乳酸是一种多用途的精细化学品，可广泛用于食品、制药、纺织、制革、环保和农业中其产品主要表现形式为酸味剂、调味剂、防腐剂、鞣制剂、植物生长调节剂、生物可降解材料和手性药物等 乳酸未工业化生产之前由干酪、酸奶、酱油、酵母、肉、酱菜、葡萄酒等食品的自然发酵形成，动物和人体在日常的行走、奔跑的活动中也会产生大量的天然乳酸2 世界乳酸年产能力约为20-25万吨，需求量70万约吨，预计2010全球L-乳酸需求量500万吨，其中食品工业约占60，其他主要用于医药工业和制造乳酸衍生物 我国目前年生产能力约67万吨，产品纯度较低，生产成本较高3 许多国家为解决“白色污染”问题，开发出由L乳酸聚合得到的聚乳酸 利用分子量不同的聚乳酸可以制作不同的材料，如分子量在1.51045.0104，用做胶粘剂或缓释药物；5.010410104，可以制膜；1210422104，适用于纺织纤维；用作骨固定材料，则分子量需在50万以上 所制作的材料具有良好的生物相容性和可生物降解性，分解的中间产物乳酸对人体无害，因此在美国、日本和欧洲等国引起极为广泛兴趣，并已较大规模地投产与投放市场。

5第一节 乳酸的性质 乳酸分子中有一个不对称C原子，有旋光性 乳酸分子内有-OH、-COOH，故有自动酯化能力 密度 1.1848 kg/L ( 80% W/W ) 与水完全互溶，较难结晶析出,商品乳酸通常为60%溶液 6 COOH OH H CH3 COOHH OH CH3L（+）乳酸D（-）乳酸乳酸钙在水中的溶解度较大，对发酵和提取工艺有决定作用 在20时溶解度大于7%，50时溶解度大于20%与各种钙剂的溶解性相比，25时各种钙剂的溶解性：L-乳酸钙1345；DL-乳酸钙702；碳酸钙0.56；葡萄糖酸钙670；柠檬酸钙20；活性钙（氢氧化钙）65；氨基酸钙224可见L-乳酸钙溶解出的钙离子是最大的7功能作用：由于具有呈中性、易溶解、口感好、易吸收等优点，乳酸钙是一种良好的钙源 食品中的应用：在食品中，除了促进生长发育等营养功能外，乳酸钙还可作为稳定剂、缓冲剂、面团调节剂改善风味和口感，提高诸如糖果、糕点、奶粉、酸奶等食品和饮料的质量乳酸钙还可增强抗氧化性，防止水果和蔬菜的褪色等 医药应用：在医药中，乳酸钙可保持骨骼密度和强度，减少毛细血管的通透性，保持正常的神经肌肉的兴奋性，加强大脑皮层抑制过程。

乳酸钙主要用于治疗骨质疏松症、手足抽搐、抽筋、低血钙、过敏症、痉挛和镁中毒等病症 农业饲料应用：饲料中，乳酸钙用于控制饲料中内菌的改变，喂养牛羊可提高产奶量添加于家禽饲料可使蛋壳硬度加大，破碎减少 第二节 乳酸发酵机理乳酸发酵8同型发酵异型发酵发酵类型是同型或异型，决定于1、菌种特性2、与发酵条件关系密切9A、同型乳酸发酵：发酵产物只有乳酸的一种发酵产能途径为EMP途径B、异型乳酸发酵：发酵产物除乳酸外还又一些乙醇、 乙酸和CO2产能途径为HMP或PK、HK途径A、 同型乳酸发酵：进行乳酸发酵的主要是细菌 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（Streptococcus lactics）、乳酪链球菌（ Streptococcus cremoris）、干酪乳杆菌（lactobacillus casei）、保加利亚乳杆菌（Lac. bulgaricus）等 C6H12O62ADP 2CH3CHOHCOOH2ATP 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 B、异型乳酸发酵1、6-磷酸葡萄糖酸的途径（磷酸酮解途径）2、双歧途径（磷酸酮糖途径）3、米根霉乳酸发酵机理 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 1. 6-磷酸葡萄糖酸途径： 葡萄糖经6-磷酸葡萄糖生成5-磷酸核酮糖，再经差向异构作用生成5-磷酸木酮糖；后者经磷酸解酮酶催化，分解为3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸乙酰磷酸经磷酸转乙酰酶作用变为乙酰CoA，再经乙醛脱氢酶作用生成乙醇而3-磷酸甘油醛经EMP途径生成丙酮酸后者经乳酸脱氢酶催化还原为乳酸如下图所示6-磷酸葡萄糖酸的途径（磷酸酮解途径）总总反应应式为为：此过过程1mol己糖生成1mol乙醇、lmol二氧化碳和1mol乳酸乳酸对对糖转转化率50另外有比例较较高的乙醇、乙酸和二氧化碳等 C6H12O6 + ADP + Pi CH3CHOHCHOH+CH3COOH + CO2+ ATP 肠膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）及葡聚糖明串珠菌（Leuconostoc dextranicum）通过该途径进行异型乳酸发酵2. Bifidus 途径（双歧途径）： 双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum)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：有两个磷酸酮解酶参与；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%双歧途径（磷酸酮糖途径）发酵总应式为：2C6H12O6 2CH3CHOHCOOH +3CH3COOH 此发酵过程中，2mol的葡萄糖生成2mol乳酸和3mol的乙酸，乳酸转化率理论为50%双歧发酵是双歧杆菌发酵葡萄糖的一条途径经HK途径磷酸己糖解酮酶途径3 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过程中，主要包括EMP途径和TCA途径，并没有磷酸戊糖途径在米根霉细胞内，存在两个独立调控的丙酮酸库：(1)基质丙酮酸库，丙酮酸可以进入乙醇、乳酸、草酰乙酸、苹果酸和富马酸合成途径；(2)线粒体丙酮酸库，丙酮酸进入TCA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，如当葡萄糖浓度增大时，EMP途径和进入乳酸合成途径的通量都相应增大糖代谢主要有以下几种反应：(1)正常呼吸： C6Hl2O6 + 6O 2 6H2O + 6CO 2(2)同化作用：干菌体量的95%来自碳水化合物。

(3)富马马酸发发酵： C6Hl2O6 + 3O2 C4H4O4 + 2CO2 + 4H2O(4)酒精发发酵： C6H12O6 2C2H5OH+2CO2(5) L-酸发发酵： C6Hl2O6 2C3H6O3若抑制(1)、(3)、(4)反应，乳酸得率就可以提高根霉对糖转化率理论为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可逾越的界限在微生物的分类研究中，通常把发酵1mol葡萄糖产生的乳酸少于1.8mol，同时还产生较多的乙醇、CO2或乙酸、甘油、甘露醇等产物的乳酸菌称为异型乳酸菌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，并越来越受重视20思考题： 试比较乳酸发酵机制的异同点 2122第三节 乳酸发酵微生物一、乳酸菌的特性 细菌 米根霉 赖氏乳酸杆菌乳酸菌的分离23德氏乳酸杆菌 细胞杆状 单个或短链 革兰氏阳性 不运动 能利用糖类 发酵生成D-和L-乳酸24最适宜生长温度 45乳杆菌属的鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus) , 以前称为德氏乳杆菌(Lactobacillus delbrueckii)赖氏乳酸杆菌 细胞杆状，2.0-40.6 m 单个或成短链 呈现两个或更多的深着色颗粒 不运动 革兰氏阳性 最适宜生长温度 36 发酵生成D-乳酸25米根霉 菌落疏松或稠密 白色 灰褐色 黑褐色 葡萄枝爬行 假根发达 孢子梗直立或稍弯曲 适宜温度37 有淀粉糖化能力 发酵生产L-乳酸最适宜温度30 26二、乳酸菌的分离 动、植物的汁液之自然发酵，首先为乳酸发酵，即自然发酵的先峰菌 乳酸菌是兼性厌氧菌，杆状或球状，革兰氏呈阳性，发酵葡萄糖生成50%以上乳酸的一类群细菌27L-乳酸微生物发酵优劣比较 目前应用发酵法生产L-乳酸常用的微生物,一类为乳酸菌, 另一类为根霉菌属。

之前国内外多采用根霉菌中的米根霉进行L乳酸的发酵 米根霉菌发酵营养要求低,可直接利用淀粉无须糖化;耐低pH值,产物为高光学纯度乳酸 ,菌体大,容易分离但是,米根霉菌的乳酸产率和转化率低于乳酸细菌,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;根霉菌在发酵过程中需要通气搅拌,使得动力消耗增加,生产成本上升 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,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90%以上但是乳酸菌属于化能异养微生物,营养条件复杂,需添加复合氮源,提高成本;一般的乳酸菌均不产淀粉酶,不能直接利用淀粉发酵生产乳酸,需糖化处理第四节 乳酸发酵原料一、主要原料 乳酸细菌能直接利用29己糖低聚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、米糠等己糖、低聚糖 蔗糖 糖蜜 淀粉水解糖 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 亚硫酸盐纸浆废液 戊糖乳杆菌30菌体 赖氏乳杆菌 德氏乳杆菌菌种 德氏乳杆菌 玉米、大米、红薯、马铃薯 水解方法 糖化剂31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 / 淀粉质原料二、辅助原料 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 营养盐添加量 亚适量水平32理论 氨基酸、维生素、核酸碱基天然 麸皮、米糠、玉米浆、麦根1、麸皮2、玉米浆玉米用亚硫酸盐溶液浸出和浓缩而成 是面粉工业的副产品，乳酸菌生长需要的许多生长因子麸皮中均有 如 镁、磷、铁、钙、生物素、维生素332、麦根 是啤酒工业制麦工段的副产物，含氮量高达30% 麦根中含有许多种游离的34氨基酸，碳水化物，维生素，叶酸，生物素大麦必须通过发芽过程将内含的难溶性淀料转变为用于酿造工序的可溶性糖类。

大麦在收获后先贮存2-3月，才能进入麦芽车间开始制造麦芽为了得到干净、一致的优良麦芽，制麦前，大麦需先经风选或筛选除杂，永磁筒去铁，比重去石机除石，精选机分级制麦的主要过程为：大麦进入浸麦槽洗麦、吸水后，进入发芽箱发芽，成为绿麦芽绿麦芽进入干燥塔/炉烘干，经除根机去根，制成成品麦芽从大麦到制成麦芽需要10天左右时间第五节 乳酸发酵工艺一、水解糖发酵工艺（一）原料的糖化1、淀粉水解原理 35淀 粉葡萄糖复合二糖5-羟基甲基糠醛有机物、有色物质水解反应复合反应分解反应复合低聚糖有色物质、龙胆二糖等为乳酸菌的非发酵性物质，会导致分离难产率下降产品质量差（1）酸法水解 酸法水解是以无机酸或有机酸为催化剂，在高温高压下水解淀粉的方法，其工艺流程如下36原料调浆糖化冷却中和脱色过滤糖液2、淀粉水解方法 淀粉乳浓度 180 -200 g / L 盐酸量占干淀粉的 0.5-0.8 % pH 值 1.5水解终点的判断方法 由图2-2可知，曲线为正弦抛物线 B点为最大点，过了B点，可发酵糖产率呈下降趋势 这是因副反应增加所引起 故要在最大值B点之前，即A点放料，到C点完成37ABC发酵糖产率 (%)水解时间（min）图2-2 酸法糖化曲线4030501009070602010（2）酶法水解 酶解法可分为两步 淀粉酶把淀粉转化成糊精、低聚糖，底物的粘度。