乳清两步发酵法制取环保型融雪剂醋酸钙镁盐*

韩爱霞，吕海棠，王兆谦，任彦蓉，王海鹏，郗怡佳，黄 靖，李春花

（青海大学化工学院，青海西宁810016）

乳清两步发酵法制取环保型融雪剂醋酸钙镁盐*

韩爱霞，吕海棠，王兆谦，任彦蓉，王海鹏，郗怡佳，黄 靖，李春花

（青海大学化工学院，青海西宁810016）

摘 要：为合理利用乳酪和乳酪素的副产品乳清，研究了一种新的厌氧发酵方法将乳清中的乳糖发酵成醋酸，以此醋酸与CaO/MgO反应制备得到环保型融雪剂醋酸钙镁盐（CMA）。第一步用植物乳杆菌将乳清中的乳糖发酵成乳酸，乳酸的转化率是47.47%；第二步用丙酸杆菌将乳酸发酵成醋酸与丙酸，用气相色谱法将二者分离，得到醋酸的转化率为5.643%；用红外光谱法验证了此醋酸与CaO/MgO反应制备得到的CMA的结构。该法既有效地利用了乳酪和乳酪素的副产品乳清，又降低了环保型融雪剂醋酸钙镁盐的生产成本，具有很好的应用前景。

关键词：乳清；发酵；醋酸钙镁盐；环保型融雪剂

乳清是工业生产干酪、干酪素等的副产品，一般每生产1 kg干酪可得9 kg乳清，每生产1 kg干酪素可得27 kg乳清［1］。随着中国干酪产量的不断增加，乳清的排放量相当可观，大量的乳清排放不仅是资源的浪费，而且对环境造成了严重的污染［2］。所以，合理开发利用乳清已迫在眉睫。

醋酸钙镁盐（CMA）是醋酸钙和醋酸镁的混合物，是美国在20世纪80年代为替代高速公路的除冰剂（氯化钠）而开发的一种化学品。与氯化钠相比，CMA具有水溶性较好、熔点低、环保等优点，但相对较高的价格限制了其进一步的应用。醋酸是影响CMA价格的主要因素，因而使用价格低廉的醋酸是降低其成本的关键［3-4］。

笔者利用工业生产干酪、干酪素等的副产品乳清为原料，通过两步发酵法生产出廉价的醋酸［5］。第一步用植物乳杆菌将乳清中乳糖厌氧发酵成乳酸，植物乳杆菌的优势在于对厌氧条件的控制简单；第二步用丙酸杆菌将乳酸发酵成醋酸和丙酸，用气相色谱法将醋酸和丙酸分离后，用分离得到的醋酸与CaO/MgO反应制取CMA。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：Perin Elmer Spectrum BXⅡ型红外光谱仪；Agilent7890型气相色谱仪；生化培养箱；恒温水浴锅；LG10-2.4A型高速离心机等。

试剂：乳清粉（美国产，乳糖含量80%）；植物乳杆菌、丙酸杆菌 （中国普通微生物菌种保藏管理中心）；氧化钙、氧化镁（天津市大茂化学试剂厂，AR）；蒸馏水等。

1.2 实验方法

1.2.1 菌种扩培

植物乳杆菌（1.2158）用0006号MRS培养基（中国普通微生物菌种保藏管理中心提供，下同）在30℃生化培养箱中培养2 d，镜检后冷藏备用。

丙酸杆菌（1.2130）用 000号 MRS培养基在30℃生化培养箱中培养6 d，镜检后冷藏备用。

1.2.2 乳清发酵制乳酸实验

分别称取5.981 6、6.378 2、6.029 5 g乳清，加入一定量的酪蛋白胨、酵母膏、吐温80、NH4HCO3、MgSO4、MnSO4、K2HPO4，用 150 mL蒸馏水溶解到250mL锥形瓶中，然后加入10%（质量分数）植物乳杆菌，在30℃下厌氧发酵40 h得到乳酸。

1.2.3 乳酸的定性分析

由乳清发酵产生的乳酸采用红外光谱法进行定性分析，将1.2.2节中的发酵液加热浓缩后取干燥物1～2mg用KBr压片法进行FT-IR测试（扫描次数16，分辨率4 cm-1）。

1.2.4 乳酸的定量分析

发酵得到的乳酸定量分析采用总酸的测定方法［9］，吸取1.2.2节中发酵液5mL于150mL三角瓶中加入20mL蒸馏水，加入2滴酚酞指示剂，用0.088 47mol/L的NaOH标准溶液滴定至微红色，30 s不褪色即为终点。计算方法如下式：

产酸量（以乳酸计）m=（C×V×K）/M×100% （1）

式中：C为标准NaOH溶液的浓度，mol/L；V为滴定待测样消耗NaOH标准溶液体积，mL；K为换算为酸的主要系数，即1molNaOH相当于主要酸的质量（g），用乳酸表示K=0.090；M乳酸为乳酸的相对分子质量，90 g/mol。

乳酸的转化率=m乳酸/［（4M乳酸×m×x）/M乳酸］×100% （2）

式中：m乳酸为乳酸产酸量，g；m为称取乳清的质量，g；x为乳清中乳糖的质量分数，80%；M乳糖为乳糖的相对分子质量，342 g/mol；M乳酸为乳酸的相对分子质量，90 g/mol。

1.2.5 乳酸发酵制醋酸实验

将1.2.2得到的发酵液继续用丙酸杆菌厌氧发酵，在37℃并培养45 h，得到醋酸产品。

1.2.6 标准溶液的配制

1）精确量取醋酸1、2、3、4mL，分别移入4个容量瓶中，用纯净水定容至50mL，摇匀备用。2）丙酸的配制与醋酸相同。3）精确量取丙酸2mL、醋酸1mL移入50mL容量瓶中，用纯净水定容，摇匀备用。

1.2.7 醋酸的定性、定量分析

采用气相色谱法进行分析［6］。色谱条件：FID检测器；色谱柱：AT FFAP，100 m×0.25mm，0.25μm；进样口温度200℃；不分流；载气：He，流速4mL/min；柱温：150℃恒温；检测器温度：200℃。计算方法如下式所示：

醋酸的转化率=m醋酸/［（m乳酸×M醋酸×2）/M乳酸］×100% （3）

式中：m醋酸为发酵液中醋酸产酸质量，g；m乳酸为乳酸产酸质量，g；M醋酸为醋酸的相对分子质量，60 g/mol；M乳酸为乳酸的相对分子质量，90 g/mol。

1.2.8 醋酸与氧化钙、氧化镁反应制取CMA［7-8］

制备条件：反应温度70℃，水、醋酸、CaO、MgO的物质的量比为7∶1∶1∶1，反应时间为1 h。

1.2.9 CMA的定性分析

用溴化钾压片法进行CMA的红外光谱测定，测定条件：扫描次数16，分辨率4 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 乳酸的定性分析结果

图1为乳清发酵液及分析纯乳酸的红外光谱图。由图1可见，乳清发酵液和分析纯乳酸的红外谱图基本一致，证明乳清发酵液中有乳酸生成。

图1 分析纯乳酸和乳清发酵液的红外光谱图

2.2 乳酸的定量分析结果

按1.2.4中乳酸的定量分析方法对1.2.2中得到的发酵液进行定量计算，得到3份发酵液中乳酸的质量及转化率如表1所示。由表1可见，由乳清发酵得到乳酸的平均转化率为47.47%，为工业上有效利用废弃的乳酸起到了指导作用。

表1 发酵液中乳酸的质量和转化率

2.3 醋酸的定性定量分析结果

2.3.1 定性分析结果

将1.2.2得到的乳酸液灭菌后接入丙酸杆菌按1.2.5方法进行发酵，得到醋酸和丙酸的混合发酵液，需用气相色谱法将二者分离，分离色谱条件如1.2.7所示。图2为醋酸、丙酸混合液对照品的积分色谱图。由图2可见，醋酸的保留时间为14.28min，丙酸的保留时间为16.27min。图3为发酵液样品的积分色谱图。由图3可以看出，经过1.2.2与1.2.5两步发酵，乳清转化为醋酸和丙酸。

图2 醋酸与丙酸混合液对照品的积分色谱图

图3 发酵液的积分色谱图

2.3.2 定量分析结果

醋酸的定量检测按1.2.7方法进行，结果如表2所示。由表2可见，该法中醋酸的平均转化率为5.643%，转化率虽然不高，但毕竟是一种有效利用工业生产干酪、干酪素等的副产品乳清的新方法，优化发酵条件后必将提高醋酸的转化率。

表2 醋酸的检测结果

2.4 CMA的定性分析结果

图4为CMA的红外光谱图。由图4可见，1 608.39 cm-1处的强吸收峰和1 415.77 cm-1处的中强吸收峰表征了产物中羧酸盐的存在［9］。

3 结论

介绍了一种从乳清制备环保型融雪剂醋酸钙镁盐CMA的新型两步厌氧发酵法，采用该方法不但合理开发利用了工业生产干酪、干酪素等的副产品乳清，还能降低醋酸以及CMA的生产成本，具有良好的开发前景和应用价值。

参考文献：

［1］ 赵海智，韩建春，董和亮.乳清多肽发酵饮料的研究［J］.食品研究与开发，2004，25（1）：47-49.

［2］ 包怡红.功能性乳清的综合利用［J］.食品与机械，2001，（1）：9-11.

［3］ 王小光，章亚东.融雪剂的研究进展及发展方向［J］.无机盐工业，2007，39（3）：8-10.

［4］ 秦炜，赵音延，戴猷元.醋酸钙镁盐的应用及开发［J］.现代化工，2000，20（9）：61-63.

［5］ FuW G，Mathews A P.Two-stage fermentation process for the productionofcalciummagnesiumacetateandpropionateroaddeicers［J］. Enzymeand Microbial Technology，2005（36）：953-959.

［6］ 马蕙，仪宏，王丽丽.气相色谱法测定发酵液中丙酸和醋酸的含量［J］.饲料工业，2008，29（9）：48-50.

［7］ 肖进兵，邢军，孙永正，等.醋酸钙镁冰雪融化剂的制备及融冰效果小试［J］.大连大学学报，2003，24（4）：32-34.

［8］ 张良佺，姜华昌，李菊清，等.醋酸钙镁盐的制备新工艺及产品性能研究［J］.现代化工，2007，27（z1）：212-215，217.

［9］ 许英梅，张秋民，姜慧明，等.由木醋液制醋酸钙镁盐类环保型融雪剂研究［J］.大连理工大学学报，2007，47（4）：494-496.

联 系 人：吕海棠

联系方式：550538500@qq.com

中图分类号：TQ132.2

文献标识码：A

文章编号：1006-4990(2012)02-0048-03

收稿日期：2011-08-30

作者简介：韩爱霞（1970— ），女，教授，硕士，主要从事分析化学的教学与研究工作，已公开发表论文10余篇。

*基金项目：青海大学2009年度中青年科研基金项目（2009-QG-15）；青海大学“211工程”重点学科建设项目。

Production of environment friendly deicer calcium magnesium acetateby two-stage fermentation process from cheesewhey

Han Aixia，LüHaitang，Wang Zhaoqian，Ren Yanrong，Wang Haipeng，XiYijia，Huang Jing，LiChunhua
（SchoolofChemical Engineering，QinghaiUniversity，Xining810016，China）

Abstract：To reasonably utilize cheesewhey which was a by-product from themanufacture of cheese and casein，the anaerobic fermentation processwas developed to produce acetic acid from lactose in cheesewhey.Then environment friendly deicers calciummagnesium acetate（CMA）can be producedwith the acetic acid and CaO/MgO.A lactobacillus plantarum wasused to convert lactose in cheesewhey to lactic acid in the first stage，the conversion rate of lactic acid was 47.47%。Propionibacterium was used to convert lactic acid to acetic acid and propionic acid which could be separated by gas chromatography method in the second stage，and the conversion rate of acetic acid was 5.643%.Structure of CMA was verified by IR.This method effectively utilized cheesewhey and reduced production costsof calciummagnesium acetate，willhavea bright future. Key words：cheesewhey；fermentation；calciummagnesium acetate；environment friendly deicer