第七章乳酸發酵與酸奶

乳酸簡介乳酸應用乳酸工藝酸奶乳酸簡介乳酸（Lacticacid）是一種古老而重要的天然有機酸，廣泛存在于人體、動物、植物和微生物中。廣泛存在于人體、動物、植物、微生物中，是食品工業中重要的酸味劑和防腐劑，也是醫藥、印刷、印染、制革工業的重要化工原料之一。

乳酸分子式：CH3CH(OH)COOH，即2-羥基丙酸（2-hydroxypionicacid）,依其旋光性不同可分為D-乳酸、L-乳酸、DL-乳酸三種。

乳酸的應用可生物降解材料的聚乳酸以L-乳酸為單體經化學合成的生物工程材料聚L-乳酸是一類高分子材料，無毒、無刺激性，可完全生物降解吸收，強度高，可塑性加工成型。它易被自然界中的各種微生物或動植物體內的酶分解，最終形成二氧化碳和水，不污染環境，而且分解過程中的中間體能促進植物的生長，對農業有利。目前，許多國家都在積極開發利用農副產品為原料發酵生產聚乳酸來生產各種塑料制品。食品工業乳酸及其衍生物已逐漸取代其它有機酸，作為酸味劑、殺菌劑、乳化劑、保鮮劑等廣泛應用于食品工業。在罐頭、醬菜、飲料生產中加入L-乳酸可以替代對人體健康有毒害作用的苯甲酸鈉；在調味品如醬油、醋、咸菜、色拉中用作防腐保鮮和調味劑,使酸味自然；在蛋糕、面包、肉制品、果凍、奶酪、果醬、冰淇淋、腌制品等食品中用乳酸來調節pH值可以抑菌,延長保質期,調味等；

在啤酒釀造過程中，加入乳酸能促進糖化完全，調節pH值，促進酵母菌發育，抑制雜菌感染，防止酒混濁，且乳酸酸性溫和，具有良好的食用安全性，能改善酒的風味，提高啤酒品級，提高酒的收率，延長保質期。在美國禁止使用磷酸調節pH值，而全部改用乳酸；醫藥行業乳酸用作消毒劑，還可以制成乳酸鈉，配成輸液，治療酸中毒及高鉀血癥聚乳酸制成的手術縫合線、生物植片等在臨床上都被廣泛應用化妝品行業：乳酸作為保濕劑，乳酸鹽可作為新一代皮膚增白劑。對改善皮膚組織結構，消除皺紋，色斑、治療皮膚干燥、痤瘡等有顯著療效其它行業在卷煙業中用乳酸能去除煙草中的雜質，清除苦辣味提高煙草檔次；在制革業中，用40％含量的乳酸能除去革鞣皮中的石灰，俗稱脫灰。用乳酸脫灰后皮革較用其它酸脫灰質量好。因此，高級皮革必須用乳酸處理。在毛紡工業中，乳酸可用于染料的預鉻媒染，以降低羊毛的鉻鹽含量和防止纖維氧化，在絲綢和人造絲的后處理中，用乳酸作pH調節劑，可用于增艷和增加紗的色澤。乳酸銨可作為反芻動物的飼料添加劑，乳酸銅可用于電鍍業。菌種篩選搖瓶試驗發酵罐試驗乳酸的生產工藝乳酸的生產方法乳酸的生產方法主要有化學合成法、酶法和發酵法三種。

化學合成法主要包括乳腈法和丙烯腈法兩種，其它一些可行的化學合成法包括糖的堿性催化水解、丙烯乙二醇氧化、乙二醇的硝酸氧化等。酶法1,2-氯丙酸酶法轉化丙酮酸酶法轉化發酵法發酵法生產乳酸的歷史悠久，因其沒有有害物質攝入、食用安全，而在世界范圍內廣泛采用。發酵法生產乳酸根霉菌屬(Rhizopes)菌種發酵溫度米根霉（R.oryzac）30℃黑根霉（R.nigricans）30℃甘薯根霉(R.batat)30℃小麥曲根霉(R.trtici)30℃日本根霉(R.Japonicus)30℃乳酸菌屬(Lactobaillus)菌種發酵溫度干酪乳桿菌（L.laci）28～32℃嗜熱乳桿菌(L.tyermophius)50～60℃嗜酸乳桿菌(L.acidophilus)35～38℃清酒乳桿菌(L.Sake)30～40℃唾液乳桿菌(L.Salivarius)35～40℃戊糖乳桿菌(L.pentosus)30～32℃木糖乳桿菌（L.bifidus）30～40℃鏈球菌屬(Strepoloccus)菌種發酵溫度嗜熱鏈球菌(S.thermophilus)40～45℃糞鏈球菌(S.faecalis)45～50℃乳鏈球菌(S.lactis)30℃芽孢桿菌屬(Bacillus)菌種發酵溫度嗜熱脂肪芽孢桿菌(B.stearathemophilus)50～60℃凝結芽孢桿菌(B.coaqulans)50～60℃菌種的優良直接關系到發酵過程的控制及其產量等，是發酵過程中的一個至關重要的影響因素。目前，國內外進行的L-乳酸發酵研究和生產主要以細菌為主，國內通常使用米根霉。細菌產酸率高，其厭氧發酵可以大規模降低能耗，減少乳酸的生產成本；根霉菌發酵快、菌體生長營養要求簡單、可以使用無機氮源、發酵液含雜質較少，菌絲體較大，易于分離，有利于制得高質量得產品，但是轉化率低；細菌發酵生產L-乳酸時，常因帶有消旋酶得其它產物，使所產L-乳酸消旋，使得L-乳酸純度不夠；根霉發酵很少發現消旋酶得逆轉作用，因此易制得高純度得L-乳酸。發酵工藝分批式發酵法

分批式發酵是從原料處理開始，經配料﹑滅菌（或不滅菌）﹑接種﹑發酵﹑提取﹑最后洗罐，再重復上述流程的操作。這種方法技術要求低，工藝操作相對簡單，但發酵周期較長，設備利用率不高。且由于發酵受產物抑制，使產率處于較低的水平。糖化發酵并行式并行發酵是在一個反應容器中同時進行幾個反應，通常是將酶解糖化過程與發酵過程結合起來進行，稱作SSF（simultaneousacchrificationandfermentation）工藝。并行發酵操作簡單，可克服產物抑制，充分利用設備，縮短發酵周期。半連續發酵半連續發酵又稱補料分批培養（FBC），是在分批培養過程中間歇或連續的補加一種或多種成分的新鮮培養基的培養方法。此方法可以解除產物抑制﹑底物抑制和分解產物阻遏，可避免因一次投料過多對細胞生長造成的影響。連續發酵連續發酵又稱恒濁﹑恒化連續培養，是指連續或定時以一定速度流加新鮮培養基，同時以同一速度等量排出發酵液，從而使培養物在近似恒定狀態下繼續不斷生長﹑發酵。乳酸的分離、純化鈣鹽法將成熟的發酵液經升溫、堿化處理后，除去菌體、蛋白質等膠體雜質。得到的乳酸鈣料液經適當濃縮，在一定條件下結晶。再用離心機分離除去母液，并洗去殘留的母液和一些蛋白質、糖類及色素，得到乳酸鈣的白色晶體。加熱溶解晶體。用硫酸進行酸解，加入適量的活性炭進行脫色，分離除去CaSO4及活性炭濾渣，得到粗乳酸溶液。再用陰陽離子交換樹脂處理濃縮后的粗乳酸液，除去Cl-、SO42-、Ca2+和Fe3+等陰陽離子，經離子交換處理過的乳酸溶液再經濃縮至濃度80%以上，即成為成品乳酸。

乳酸鈣結晶電滲析法利用陰、陽離子交換膜的選擇透過能力，在電場作用下，使電解質溶液中形成電位差，乳酸離子與雜質分別相對遷移，從而達到乳酸溶液的分離和提純。

電滲析方法有許多優點：(1)不用添加中和劑就可控制發酵液的pH值；(2)減輕產物抑制；(3)濃縮產物；(4)簡化后提取工藝。但是微生物細胞會逐漸附著到陰離子膜上，導致膜電阻增大，電滲析效率下降。因此，在乳酸的電滲析法連續生產中，此現象成為限制因素。離子交換法離子交換樹脂具有吸附選擇性強，易于工業化等特點，在乳酸發酵與原位分離耦合過程中倍受青睞。離子交換法應用于發酵體系中，不需加中和劑。酯化法

乳酸與乙醇反應生成乳酸乙酯將成熟的發酵液與乙醇（醇酸比4﹕1，帶酸比0.8﹕1）在2%催化劑、110℃下反應3h后即得乳酸乙酯。

乳酸乙酯的提取用碳酸鈣中和酯化液中的全部殘酸后進行常壓蒸餾除去乙醇、環乙烯和少量水，待常壓下無餾出物時，再在110℃下進行減壓蒸餾，收集餾出產物即為粗乳酸乙酯。

乳酸乙酯水解成乳酸利用高溫將乳酸乙酯水解成乳酸分子蒸餾法分子蒸餾(moleculardistillation)也稱短程蒸餾(shortpathdistillation),是在高真空度(系統絕壓約0．1Pa)條件下進行的非平衡連續蒸餾過程。利用分子蒸餾裝置，將成熟的發酵液輸入到儀器內，經過一系列的物理作用后收集剩余液體，即為成品乳酸。乳酸的測定

EDTA定鈣法測定

用高壓液相色譜儀（HPLC），以L-乳酸標樣為對照

酶膜生物傳感器

其基本原理是固定化酶能特異性的作用于L-乳酸：固定化L-乳酸氧化酶L-乳酸+O2+H2O———————→丙酮酸+H2O2

組裝流動注射酶生物傳感器酸奶

酸奶的定義國際乳業聯盟（IDF）對酸奶作出如下定義：酸奶是一種半固體的乳制品，由加熱處理的標準化乳的混合物，經嗜熱鏈球菌和德氏保加利亞乳桿菌的協同作用發酵而得到的乳制品，最終產品中必須含有大量的活菌。發酵乳的發展階段和特征第一代：公元前800年到1900年，由非固定菌種隨機作用得到的發酵產品，是當是某些國家的主食；第二代，1910年始，由固定菌定向發酵，發現了發酵乳的預防作用；第三代，1921-2000，從腸道中的活菌介入發酵乳生產，益生作用得到了確認；第四代，2000年后，強化發酵乳的營養保健作用，提高微生物生物合成能力、增加生物活性物質等，益生作用進一步發揮。發酵乳可以添加的成分（一）配料：乳制品（全脂乳、脫脂乳、乳清粉等；菌種（無毒、非致病）；糖（除多元醇以外的甜味劑）；增香食品（巧克力、可可粉）；增香劑（食品法規中第十四卷規定的自然增香或人工增香劑）；氯化鈉（二）添加劑：食用色素、穩定劑、防腐劑、甜味劑以上成分可以在發酵前后加入，由于產品保鮮產品，保存期有限，發酵后不允許進行熱處理。除生產濃縮發酵乳外，不允許除乳清。發酵乳的分類按照IDF分類，分為兩大類四小類（一）嗜熱菌發酵乳：分為單菌發酵如嗜酸乳桿菌發酵乳；復合發酵乳如酸乳；（二）嗜溫菌發酵乳：經過乳酸發酵而成如乳酸鏈球菌；經過乳酸和酒精發酵而成的產品如酸馬奶酒。酸乳的定義FAO、WHO、IDF在1977年定義如下：酸乳，即在添加（或不添加）乳粉（或脫脂乳粉）的乳中（殺菌乳或濃縮乳），由保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌作用而成的凝乳狀產品，含有大量的活菌。菌種種類有些國家明確規定只能采用上述菌發酵才能稱為酸乳，我國1998年提出酸乳也是由上述微生物發酵而成。二、種類有些國家對活性特征微生物數量進行了明確規定，法國等大于107CFU/ML，我國規定大于106CFU/ML。產品命名有不同規定，沒有熱處理必須有大量活菌存在，殺菌型必須標注UHT酸乳。分類組織狀態：凝固性，攪拌型成品口味：天然純酸乳、加糖酸乳（我國列入調味酸乳）、調味酸乳、果料酸乳、復合型或營養健康型按照原料脂肪含量不同：全脂（3.0%）脫脂（0.5%）、部分脫脂；酸乳非脂乳固體為8.2%。按照發酵后加工工藝：濃縮型、冷凍型、充氣型、酸乳粉按照菌種種類分：酸乳、雙歧桿菌酸乳、嗜酸乳桿菌酸乳等。酸乳生產的原料原料乳：不能含有抗生素甜味劑：消費者要求、特性、法規要求、成本要求菌種：果料：常用的添加劑：穩定劑、香料、色素四、酸奶的發酵劑發酵劑：指為生產酸奶而調制的特定微生物的培養物。1、制作方法：原種→一級菌種→中間發酵劑→生產發酵劑2、常用菌種嗜熱鏈球菌、保加利亞乳桿菌、嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌或明串珠菌、雙乙酰乳鏈球菌，等。菌種特性嗜熱鏈球菌：微好氧，G+，最適40~45oC，能發酵乳糖、蔗糖、果糖、葡萄糖，分解蛋白質弱，對抗生素敏感，細胞卵園形呈鏈條狀排列，產L（十）乳酸。保加利亞乳桿菌：微厭氧，細胞桿狀兩端鈍園、單個或成鏈狀排列，G+，最適40~43℃生長，能發酵乳糖、葡萄糖、果糖，但不能利用蔗糖，蛋白質分解力弱，對抗生素敏感，產D（一）乳酸。嗜酸乳桿菌：微厭氧，細胞桿狀、兩端鈍園、單個或成雙或成短鏈條狀排列，G+，最適35~38℃生長，能發酵乳糖、葡萄糖、果糖、蔗糖，分解蛋白質差，對抗生素敏感，產D、L-乳酸，較能耐酸（胃酸），能在腸道中存活。雙歧桿菌：專性厭氧，細胞呈棍棒狀、勺狀、彎曲狀、V狀、球桿狀、Y狀等多形態，G+或G-，最適37℃生長，能發酵乳糖、半乳糖、葡萄糖、果糖，分解蛋白質能力弱，抗生素敏感，發酵產L（+）-乳酸及乙酸、乙醇、CO2等，抗酸性差。乳酸發酵劑的主要作用分解乳糖產生乳酸；產生揮發性物質如丁二酮、乙醛等具有一定降解脂肪和蛋白質的能力；酸化過程抑制致病菌生長。發酵劑的選擇酸生成能力和后酸化滋氣味和芳香味的產生粘性物質的產生蛋白質的水解性發酵劑的物理狀態液態發酵劑：采用脫脂奶粉粉狀或顆粒狀發酵劑：最大乳酸菌數的液體發酵劑真空冷凍干燥而成冷凍發酵劑：通過冷凍濃縮乳酸菌生長活力最高點時的液態發酵劑包裝放入液氮罐中（-196度）酸奶的作用增加了乳的可消化性和營養價值；減少乳糖含量；增加鈣、鐵的吸收；控制腸道微生物菌群的生長；抑制某些類型的癌癥等。攪拌型酸奶和凝固型酸奶在貯存過程中常常會出現乳清析出、凝乳破裂、凝固性差、風味不良、表面霉菌生長、凝塊中含有氣體、口感差、后酸化嚴重等質量問題。乳清析出（Syneresis）是酸奶生產中最多見也是最易產生的現象。酸奶進入流通渠道后，因搬動、貯藏條件發生變化，有少量乳清析出是正常現象。但若未發酵好就有乳清析出或經過冷藏后熟后表面仍有大量乳清，就屬不正常現象。后酸化（Postacidification）也稱過酸化或后發酵，是指酸奶在正常發酵結束后，在工廠貯存、產品運輸、銷售、食用前這一過程中，菌體仍在生長繁殖，并存在β-半乳糖苷酶，要分解殘存的乳糖產生乳酸，使酸奶的pH值繼續下降，以至出現了消費者不可接受的過酸味及感官質量下降。一般采用的防治措施是：選擇產酸弱的菌種、培養溫度采用最下限、發酵好的酸奶迅速冷卻、控制好貯藏條件。延長酸奶保質期的方法

后殺菌技術后殺菌技術是指在酸奶發酵成熟后，通過選擇不同的溫度和時間，對酸奶進行第2次殺菌處理，通常為巴氏殺菌和超高溫殺菌。

后殺菌技術雖然延長了酸奶的貨架期，并且有效地控制了酸奶的后酸化程度，但無疑會使酸奶中的乳酸菌活菌數降低，這將直接與國際乳品聯合會，我國GB2746—1999《酸牛乳》和GB19302-2003《酸乳衛生標準》所規定的乳酸菌數不得低于1×106cfu/mL相矛盾，其營養價值和保健功能也受到質疑。

添加親水性穩定劑親水性膠是大分子，易溶于水的可分散物質，膨脹后形成粘稠溶液、假性凝膠或真性凝膠。食品膠一般常指食品加工中所使用的親水性膠，它在食品制造與開發中起到愈來愈重要