玉米淀粉制糖发酵生产乳酸主要工艺技术分析

顾永华

(河南金丹乳酸科技股份有限公司，河南 郸城 477150)

乳酸又名2-羟基丙酸(α-羟基丙酸，丙醇酸)，是采用微生物发酵精制而成的一种重要有机酸，广泛应用于食品、医药、化工、新材料等许多重要产业领域。如在食品工业中作为风味剂、保鲜剂、防腐剂等，在医药工业中作为助溶剂、前体药物制剂、载体剂等[1]。目前我国乳酸工业化生产主要采用玉米为原料，经粉碎、液化、糖化、发酵生产乳酸，玉米渣在液化结束后分离出来用作饲料。该工艺过程简单，生产成本低，但因液化过程中物料成分复杂，制得的糖液中会残留不定量的蛋白质、脂类物质、灰分等成分，造成发酵培养基成分不明确，发酵过程难控制，影响乳酸发酵的稳定性，不利于发酵过程自控，并增加了提取分离工艺难度[2]。研究直接以玉米淀粉为原料，经液化、糖化、发酵生产乳酸的工艺技术，可有效减少乳酸发酵过程中的不明杂质进入，有利于精细化发酵调控，使发酵过程可控，从而可提高乳酸发酵的稳定性，提升产品质量。

1 材料和方法

1.1 菌种

凝结芽孢杆菌JD-24625，河南省乳酸工程技术研究中心分离和保藏。

1.2 培养基

1.2.1斜面固体培养基(乳酸细菌培养基MRS)

蛋白胨，10.0 g；牛肉浸膏，10.0 g；酵母浸提物，5.0 g；葡萄糖，20.0 g；三水醋酸钠，5.0 g；柠檬酸二铵，2.0 g；K2HPO4，2.0 g；MgSO4·7H2O，0.2 g；MnSO4·H2O，0.04 g；琼脂，18.0 g；Tween-80，1.0 mL；CaCO3，5.0 g；蒸馏水，1 000 mL；pH值调至6.0。115 ℃高压灭菌15 min。

1.2.2种子培养基

蛋白胨为20.0 g，酵母抽提物为10 g，葡萄糖为40.0 g，CaCO3为10.0 g，不加琼脂和牛肉浸膏，其它成分同上。115 ℃高压灭菌15 min。

1.2.3发酵培养基

玉米淀粉糖清液160 g/L，酵母抽提物为15.0 g/L，蛋白胨1.5 g/L，柠檬酸二铵2.0 g/L，K2HPO4为2.0 g/L，MgSO4·7H2O为0.2 g/L，MnSO4·H2O为0.05 g/L，NaCl为0.03 g/L，FeSO4·7H2O为0.01 g/L，三水醋酸钠为5.0 g/L，吐温1.0 mL/L。0.1 MPa蒸汽灭菌30 min。

1.3 培养方法

①斜面固体培养：温度(45±1)℃，培养24 h。②种子液体培养：温度(45±1)℃，100 r/min速度振荡培养12 h。③发酵培养：温度(50±1)℃，接种量10%，搅拌转速75 r/min，通气量0.5 m3/(m3·min)。

1.4 分析方法

糖成分、光学纯度和发酵液中乳酸，高压液相色谱法；总糖和还原糖，费林试剂热滴定法；发酵液中葡萄糖，生物传感分析仪；氨基氮，甲醛法。

2 结果和讨论

2.1 玉米制糖与玉米淀粉制糖所得糖清液成分对比

玉米制糖的工艺：玉米经粉碎后，玉米粉经调浆、0.1%(酶与淀粉量百分比)淀粉酶加量，90 min液化，过滤，在复合酶制剂用量0.15%、pH 值4.8、温度60 ℃的条件下糖化24 h，制得乳酸发酵所需的玉米糖清液[3]。玉米淀粉制糖的液化和糖化与玉米制糖采用相同条件，制得玉米淀粉糖清液，经检测，主要成分对比见表1。

表1 玉米糖清液与玉米淀粉糖清液主要成分对比 %

由表1可知，玉米糖清液中葡萄糖含量较淀粉糖清液偏低，麦芽酮糖、二糖以及四糖以上的糖分含量较高。在乳酸发酵过程中，乳酸菌能直接利用的碳源主要是葡萄糖。因此，玉米淀粉糖清液比玉米糖清液更适合乳酸菌发酵生产乳酸。

2.2 玉米糖清液与玉米淀粉糖清液对乳酸发酵的影响

在1 t发酵罐中，玉米糖清液与玉米淀粉糖清液分别配制600 L，含糖量160 g/L的发酵培养基，进行乳酸发酵，结果见表2。

表2 玉米糖清液与玉米淀粉糖清液对乳酸发酵的影响

由表2可知，玉米糖清液与玉米淀粉糖清液作为碳源发酵生产乳酸时，玉米淀粉糖清液具有更高的糖酸转化率和更低的发酵残糖，且L-乳酸光学纯度提高显著。因此，采用玉米淀粉为碳源发酵生产乳酸具有明显优势。

2.3 不同氮源对玉米淀粉糖清液发酵产酸的影响

目前乳酸生产中，乳酸细菌发酵所用氮源主要为有机氮源，这是由于有机氮中含有丰富的蛋白质、多肽、游离氨基酸等，有利于乳酸细菌吸收利用[4]。以发酵培养基中15.0 g/L的酵母抽提物按照同样含氮量分别替换成酵母粉、蛋白胨、牛肉膏、玉米浆和大豆水解液，其它条件相同的情况下进行发酵培养。研究这几种常用有机氮源对玉米淀粉糖清液发酵产乳酸的影响，结果见图1。

图1 不同氮源对乳酸产量的影响

由图1可知，以酵母粉为氮源玉米淀粉糖清液发酵生产乳酸，产乳酸量最高，玉米浆和大豆水解液次之，蛋白胨和牛肉膏偏低，可能是酵母粉含有可促进乳酸菌生长需要的维生素较多。因此，玉米淀粉糖清液发酵生产乳酸，选择酵母粉作为氮源较好。

2.4 中和剂对玉米淀粉糖清液发酵产酸的影响

乳酸发酵过程中，随着发酵时间的增加，产生乳酸量逐渐增加，发酵pH值逐渐变低，过低的pH值对菌体生长和产酸具有抑制作用。控制一个合适范围的发酵pH值，比无pH值调控的过程，会得到更高的乳酸得率和生产能力。目前乳酸发酵过程中，pH值调控采用的中和剂被报道较多的氨水和NaOH，因后提取困难，在现有乳酸生产企业中较少被使用[5]。乳酸工业化生产中仍以钙中和剂为主流，主要有Ca(OH)2、CaCO3和CaO。采用Ca(OH)2、CaCO3、CaO三种不同中和剂进行玉米淀粉糖清液发酵生产乳酸试验，三种不同中和剂均制作成悬浊液，试验结果见图2。

图2 不同中和剂对发酵产酸的影响

从图2可以看出，在使用Ca(OH)2作为中和剂时，玉米淀粉糖清液发酵产酸达到最大。

2.5 不同中和剂浓度对玉米淀粉糖清液发酵产酸和周期的影响

在乳酸工业化生产过程中，过高或过低的中和剂浓度均不利于乳酸发酵进行。过高的中和剂浓度,在流加进发酵培养基过程中，因扩散需要一定时间，会在发酵罐局部造成碱性过高，从而抑制菌体的生长和产酸。而过低的中和剂浓度，会造成调节发酵培养基pH值过慢而影响发酵效率。在5 t容积的发酵罐中，试验不同中和剂浓度对玉米淀粉糖清液发酵产酸和发酵周期(以发酵培养基中葡萄糖为0且不再产酸判定发酵结束)的影响，结果见图3。

由图3可知，中和剂氢氧化钙浓度<12%时，乳酸单位产量随着中和剂浓度减小而减少，发酵周期增长。这是由于过低的中和剂浓度，造成发酵培养基体积增加，乳酸和菌体浓度被稀释，发酵效率降低。中和剂氢氧化钙浓度>14%时，乳酸单位产量随着中和剂浓度增大而减小，发酵周期较短。中和剂浓度在12%～14%，乳酸产量较大且发酵周期短，因此，玉米淀粉糖清液发酵生产乳酸选用中和剂浓度12%～14%较好。

图3 不同中和剂对发酵产酸的影响

3 结论

玉米淀粉糖液比玉米糖液作为原料更适合乳酸菌发酵生产乳酸，其糖酸转化率和光学纯度高，发酵残糖低。乳酸具有更高的糖酸转化率，产品纯度高、质量好，玉米加工淀粉的副产物也将为企业带来一定的收入，综合计算成本并未增加。因此，以玉米淀粉为原料通过制糖、发酵生产乳酸，可以成为我国乳酸行业提升产品纯度和质量的一种有效途径。目前我国乳酸工业化生产中，以玉米为直接原料的发酵工艺已较为成熟，以玉米淀粉为原料，其发酵工艺也要有对应的调整才能获得最佳工艺技术。对玉米淀粉糖液发酵的影响因素(氮源、中和剂、中和剂浓度)进行了详细的试验和分析，可为玉米淀粉制糖发酵生产乳酸工业化生产提供相关参考。