Молочная кислота

Молочная кислота СН3СНОНСООН образуется в результате анаэробного превращения углеводов молочнокислыми бактериями. Молочная кислота представляет собой органическую одноосновную оксикислоту. Гидроксильная группа этой кислоты может находиться в двух (а и B) положениях углеродной цепи. Поэтому различают два вида молочной кислоты: а-оксипропионовая СН3СНОНСООН и B-оксипропионовая СН2ОНСН2СООН. Промышленное значение имеет а-оксипропионовая кислота, продуцируемая в процессе молочнокислого брожения.

Молочная кислота находит широкое применение в химической, пищевой, фармацевтической промышленности. В СССР в промышленных условиях пищевую молочную кислоту получают методом глубинного культивирования с помощью бактерий Bacterium delbruckii (синоним Lactobacillus delbruckii), которые относятся к гомоферментативным термофильным бактериям с оптимумом развития 48-50 °С. Производственная ценность этих микроорганизмов заключается еще в том, что температурный максимум для их развития находится в интервале 54-56°С, а интенсивное кислотообразование обеспечивается при относительно высокой температуре - 50 °С. Такая температура создает элективные условия. Большинство микроорганизмов при этом не развиваются, так как указанные температуры находятся далеко за пределами оптимума и максимума для их развития. Производство молочной кислоты включает следующие основные технологические стадии: молочнокислое брожение, обработка сброженного раствора и фильтрование, расщепление лактата кальция, упаривание молочной кислоты.

Образование молочной кислоты из глюкозы при сбраживании гомоферментативными молочнокислыми бактериями происходит согласно уравнению

Суммарное уравнение превращения глюкозы в молочную кислоту с помощью ферментной системы молочнокислых бактерий можно представить в таком виде:

Расщепление глюкозы происходит по ФДФ-пути, бактерии имеет для этого все необходимые ферменты, включая альдолазу. Водород, отщепляющийся при дегидрировании триозофосфата, передается к пирувату. Схема биосинтеза молочной кислоты представлена ниже.

Другой вариант схемы молочнокислого брожения включает распад глюкозы до пировиноградной кислоты и восстановление пировиноградной кислоты до молочной

Молочная кислота - нестойкое химическое соединение, и в зависимости от условий производства и хранения она легко образует продукты дегидратации, называемые ангидридами молочной кислоты.

Кристаллы молочной кислоты при атмосферном давлении быстро плавятся с образованием бесцветной сиропообразной жидкости удельного веса 1,21 без запаха с резко кислым вкусом.

Молочнокислое брожение

Для производства молочной кислоты используют самые различные углеводы. В промышленности кислоту обычно получают из таких видов сырья, в которых содержатся глюкоза, сахароза и мальтоза. Таким сырьем может служить рафинадная патока, меласса, крахмал (кукурузный, картофельный), предварительно осахаренный солодом. Концентрация сахара в сбраживаемой среде в зависимости от вида сырья и условий брожения может колебаться от 5 до 18%. Для сбраживания сульфитных щелоков можно использовать молочнокислые бактерии вида L. plantarum. Они сбраживают гидролизаты, содержащие пентозы (ксилозу, арабинозу) с примерно одинаковым выходом уксусной и молочной кислот. Разделение этих образовавшихся кислот осуществляют способом отгонки из сброженных растворов.

В промышленных условиях молочную кислоту получают глубинным способом с помощью культуры L. delbruckii. В качестве основного сырья используют мелассу, сахарозу, гидролизаты крахмала. Концентрация сахара в среде составляет 5-20%, pH 6,3-6,5. Во время ферментации pH среды поддерживают при помощи мела, который добавляют 3-4 раза в сутки. Молочнокислое брожение проводят при строго постоянной температуре 50 °С. Снижение температуры до 46-48 °С вызывает резкое ослабление биохимической активности культуры и способствует развитию посторонней микрофлоры. Повышение температуры, например до 53-55 °С, также вызывает инактивацию культуры и замедление брожения.

Положительное влияние на молочнокислое брожение оказывают биологически активные вещества. С этой целью к питательной среде добавляют вытяжку из солодовых ростков. При нормальном брожении за сутки бактериями сбраживается 1-1,5% сахара, и весь цикл брожения заканчивается за 7-11 сут. При этом количество несброженного сахара составляет 0,5-0,7%, а концентрация лактата кальция - 10-15%.

Обработка сброженного раствора и фильтрование

Для отделения мела и коллоидов сброженный раствор нагревают до 80-90 °С, а затем обрабатывают гашеной известью до слабощелочной реакции и отстаивают в течение 3-5 ч. Для удаления грубой взвеси и твердых частиц декантируют отстоявшийся слой раствора лактата кальция. Раствор насосом перекачивают на фильтр-пресс. Фильтрацию проводят при температуре раствора лактата кальция 70-80°С через предварительно прогретый фильтр-пресс. Полученный фильтрат упаривают до концентрации 27-30 %, затем охлаждают до температуры 25-30 °С и выдерживают 36-48 ч в кристаллизаторе. Кристаллизация считается законченной, если в маточном: растворе остается не более 5-6% растворенного лактата кальция.

Расщепление лактата кальция

Промытый холодной водой лактат кальция отделяют на центрифуге и расплавляют. С целью предохранения лактата от обугливания расщепление лактата кальция серной кислотой с выделением свободной молочной кислоты проводят при 60-70 °С. Эта реакция проходит в соответствии с уравнением

Для отделения ионов железа полученную сырую молочную кислоту при температуре 65 °С обрабатывают желтой кровяной солью. В осадок выпадает берлинская лазурь. Тяжелые металлы и мышьяк осаждают сульфатом натрия и сернистым барием. С целью освобождения молочной кислоты от красящих веществ используют активный уголь. После обработки полученную смесь фильтруют, а осадок гипса промывают для извлечения оставшейся молочной кислоты.

Упаривание молочной кислоты

После расщепления кристаллического лактата кальция и последующей обработки получают сырую молочную кислоту 18-20%-ной концентрации, которую для достижения 40%-ной концентрации упаривают. Упаривание кислоты производят в вакуум-аппаратах при остаточном давлении 10-15 кПа и давлении пара 0,2 МПа. Упаренную до 40% молочную кислоту осветляют активным углем и обрабатывают желтой кровяной солью. После осветления молочной кислоты активный уголь отделяют на фильтр-прессе. Отфильтрованную 40%-ную молочную кислоту сливают в сборник готовой продукции, а из него подают на фасовку.

Для получения 70%-ной кислоты 40%-ную молочную кислоту вторично упаривают при большом разрежении в вакуум-аппаратах. 70%-ную молочную кислоту сливают в емкость, а затем подают на фильтр-пресс для окончательного фильтрования. Отфильтрованную кислоту сливают в сборник, откуда подают на розлив или на приготовление 70%-ной пастообразной кислоты, которую получают внесением в нее небольших количеств мела (4% к массе кислоты). При этом происходит частичное замещение ионов Н+ молочной кислоты ионом Са2+ и около 10% кислоты превращается в кристаллический лактат, который связывает молочную кислоту.