乳酸杆菌代谢产物用于水泥基材料外加剂的研究

徐世君　张瑞　张明康　崔玉理　陈怀成

摘 要：为了开发一种生物型水泥基材料外加剂，本文首先通过培养乳酸菌，分离出代谢产物，测定乳酸含量，并测试了代谢产物的理化性能。最后，将代谢产物作为外加剂应用到水泥基材料中，测试了水泥净浆流动度、减水率以及砂浆抗压抗折强度。结果表明，乳酸含量为28.53g/L，固含量为3.85%，表面张力为50.4mN·m-1。代谢产物减水率达到21.9%，养护至28天时，发现代谢产物对拌合物性能和力学性能的影响与萘系减水剂效果相近。表明该代谢产物经处理后具有用作水泥基材料外加剂的潜力。

关键词：乳酸杆菌;外加剂;水泥基材料

随着当前发展环境友好型社会的趋势，传统化学合成的水泥基材料外加剂的缺点日益明显，如能耗高、污染重等。开发一种绿色环保的生物型外加剂，成为目前水泥基材料外加剂研究的新途径。生物表面活性剂是由微生物所产生的具有表面活性的生物大分子物质[1]。这种表面活性剂可能作为水泥基材料外加剂的主要成分，而乳酸菌的代谢产物属于便生物表面活性剂范畴。与化学合成的表面活性剂相比，生物表面活性剂具有降低表面张力、稳定乳化液、无毒和可降解等优点[2]。随着发展要求和环保要求的提高，生物表面活性剂将有更广阔的应用前景，有可能成为化学合成表面活性剂的替代品。

1 乳酸杆菌代谢产物的分离、含量及理化性能

1.1 实验材料与仪器

乳酸，分析纯，购自上海凌峰化学试剂有限公司。高速冷冻离心机，购自日本日立集团;超声波细胞粉碎机，购自宁波新芝生物科技股份有限公司;恒温振荡培养箱，购自太仓市华美生化仪器厂;雷磁PHS-25精密pH计，购自上海仪电科学仪器公司。

1.2 代谢产物的分离

本文参考文献[3，4]进行乳酸杆菌的发酵培养，此处不再赘述。乳酸杆菌发酵液中含有大量菌体和代谢产物，将发酵原液直接作为外加剂加入混凝土中，会造成混凝土增稠、强度降低等不利影响。因此，首先需要将代谢产物与菌体分离。试验过程为：将发酵液用超声波粉碎仪，在300W条件下，每间隔5s处理5s，超声粉碎30min，显微镜下检查没无完整菌体，然后以4℃，6000r/min离心10min，收集上清液，即为代谢产物提取物。

1.3 乳酸含量测定

乳酸杆菌代谢产物复杂，发酵后的培养基中，除了残余培养基外，含有多种代谢成分。除乳酸外，还有微量的苹果酸、富马酸等，以及少量葡萄糖等物质。这些物质会不同程度影响代谢产物的减水效果，进而影响混凝土的各项性能。因此，需要对乳酸含量进行测定、处理。乳酸含量的测定可采用滴定法高效液相色谱法和酶法等[5]。本研究采用酸碱滴定法，以酚酞为指示剂，用1mol/L的NaOH标准溶液滴定发酵液，计算发酵液中乳酸含量。

用分析天平称取NaOH固体20g，用去离子水溶解后，冷却到室温，转移至容量瓶中，定容至500mL，备用。用移液管量取4mL发酵液，移入100mL锥形瓶中，量取36mL去离子水，倒入锥形瓶后摇匀。向锥形瓶中滴加2～3滴酚酞指示剂，用NaOH标准溶液滴定，记下液面初始高度V0和滴定终点V1。

发酵液中乳酸含量按式（1）计算：

经过六次平行测量，测得发酵液中平均乳酸含量为28.53g/L。

1.4 理化性能测试

本文以萘系减水剂和通用培养基作对比，考查代谢产物、萘系减水剂和通用培养基的pH值、固含量和表面张力等理化性能。

（1）pH值测定。外加剂的酸碱性会影响混凝土拌合物的性能，必須测定并调整代谢产物的pH值。首先采用标准溶液校准pH计，然后取25mL发酵液于50mL的小烧杯中，采用pH计平行测定三次pH值，取平均值作为最终测定结果。

（2）固含量测定。将菌液用超声破碎仪破碎后，在4℃，6000r/min的条件下离心30分钟，取上清液作为代谢产物。取一定质量代谢产物W1，置于干燥的表面皿中，覆盖其底部，放于60℃恒温干燥箱中干燥24h后取出称重，记为W2。

固含量按式（2）计算：

（3）表面张力测定。在去离子水中分别加入一定量的外加剂，按固含量计，萘系减水剂为4g，代谢产物和培养基均为5g，采用全自动表面张力仪测定表面张力。

（4）测定结果与分析。测定各组外加剂的pH值、固含量及其表面张力如表1所示。空白对照组为去离子水，pH值为6～7，表面张力为75.2mN/m。

由表1可知，萘系减水剂为弱碱性，其对水泥拌合物的表面张力几乎可以忽略;代谢产物呈酸性，可以大幅降低混凝土孔溶液的表面张力;培养基为中性，其降低表面张力的能力略低于代谢产物，但两者均强于萘系减水剂。

2 乳酸杆菌代谢产物在水泥基材料中的应用

将酸性的代谢产物用氢氧化钠调节至6.5-7.0，然后作为外加剂应用到水泥基材料中。按照JGJ56-1984《混凝土减水剂质量标准和试验方法》对净浆流动度、减水率以及砂浆抗压抗折强度进行测试，并将代谢产物的减水、增强效果同萘系减水剂、纯乳酸以及培养基对比。

2.1 水泥净浆试验

本文以南京江南小野田公司生产的PⅡ·52.5型水泥为胶凝材料，分别测定空白、萘系、纯乳酸、培养基和代谢产物的水泥净浆流动度。

（1）流动度测定。用水泥净浆流动度作为评价外加剂对水泥分散效果的宏观指标，试验按GB/T-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》中规定的水泥净浆流动度试验方法进行。

（2）减水率测定。通过测定水泥净浆的流动度，来计算各减水剂在水泥净浆中的减水率。试验方法如下：

①测定掺减水剂的净浆流动度的步骤同上，控制减水剂掺量均为0.5%，记下达到同一流动度H时各组的用水量W1;②测定要达到流动度H，不掺外加剂时净浆所需的用水量。试验步骤与上述基本相同，区别在于不加外加剂，加入的水量为估计用水量。采用逐步逼近，使加入重量为W0的水时，净浆流动度达到（H±5）mm;③减水率WR按式（3）计算：

（3）测定结果与分析。添加各外加剂的净浆流动度测试结果和净浆减水率测定结果如表2所示。

由表2可知，萘系减水剂的减水效果较好，代谢产物比培养基的减水效果略高，略低于萘系减水剂的减水效果，和乳酸的减水效果相近。这种原因可能是代谢产物作为生物表面活性剂在水泥颗粒表面吸附水分子形成一层润滑作用的稳定水膜，能有效地增加混凝土拌合物的流动性。表面张力越小，润滑作用越强。

2.2 水泥砂浆试验

以水为空白，分别添加萘系、纯乳酸、培养基和代谢产物作为外加剂，成型五种水泥砂浆试件，测定不同养护龄期时的抗压抗折强度。将萘系减水剂、纯乳酸、培养基及代谢产物掺入水泥及标准砂中，搅拌5min，成型水泥砂浆试块。外加剂掺量（按固含量计）均为1%。砂浆配比如表3所示。

水泥砂浆试件成型和强度测定方法按照GB/T50081-2002要求进行。试块成型后在标准养护条件下养护3d、7d和28d，取出分别测定砂浆试件的抗压抗折强度。五种水泥砂浆试件分别养护3d、7d和28d抗压抗折强度对比如图1和图2所示。

由图1和图2的结果可知，萘系减水剂对砂浆抗压抗折性能的增强作用最明显，而培养基对砂浆力学性能具有降低作用。原因可能是因为培养基中含有大量的葡萄糖溶液，对水泥砂浆造成严重的缓凝作用，最终影响强度形成[6]。代谢产物的增强效果略高于乳酸，与萘系减水剂效果接近。研究结果表明，代谢产物中的生物活性剂具有一定的减水效果，可以作为外加剂用于水泥基材料中，从而改善其物理力学性能。

3 结论

（1）本研究分离了乳酸菌的代谢产物，并测定其中的乳酸含量，测试了代谢产物的理化性能。发酵液中平均乳酸含量为28.53g/L，代谢产物pH值为4.97，固含量为3.85%，表面张力为50.4mN·m-1。

（2）将代谢产物作为外加剂应用到水泥基材料中，测试了水泥净浆流动度、减水率以及砂浆抗压抗折强度。代谢产物减水率达到21.9%，养护28天时，添加代谢产物的砂浆抗折强度为11.9MPa，抗压强度为63.2MPa，其对拌合物性能和力学性能影响与萘系减水剂效果相近。这表明该代谢产物经处理后具有用于水泥基材料外加剂的良好前景。

参考文献：

[1]Cooper D G，Zajic J E.Surface-Active Compounds from Microorganisms[J].Advances in applied microbiology，1980，26：229-253.

[2]Rita de Cássia Freire Soares da Silva，Almeida D G D，Brasileiro P P F，et al.Production，formulation and cost estimation of a commercial biosurfactant[J].Biodegradation，2019，30：191-201.

[3]周家春.乳酸菌菌种的简便分离和培养[J].食品科学，1998，19，（01）：39-41.

[4]杨云喜，李佩，徐岳松，等.产抗菌肽乳酸菌的分离、鉴定及培养条件优化[J].应用与环境生物学报，2014，20，（05）：817-824.

[5]姜吉刚.气相色谱法测定小鼠血清中乳酸的含量[J].广东化工，2018，045，（022）：105-106.

[6]程连勇，龚建贵，曾艳，等.不同缓凝剂对水泥凝结时间的影响[J].混凝土世界，2017，97，（7）：86-93.

*通訊作者：徐世君（1971-），男，汉族，山东沂水人，硕士研究生，副教授，研究方向：高性能混凝土材料。