Молочная кислота (LAB) имеет долгую историю использования для ферментации и сохранения пищевых продуктов человека.
Впервые она была обнаружена в кислом молоке Шееле в 1780 году, который первоначально считал его компонентом молока. Однако в 1857 году Пастер обнаружил, что это был не молочный компонент, а метаболит, образующийся в результате брожения некоторых микроорганизмов.
Существует два вида оптических изомеров молочной кислоты: L(+) и D(-). L(+)-молочная кислота классифицируется как GRAS (общепризнанная безопасная) для использования в качестве пищевой добавки, но D(-)-молочная кислота вредит метаболизму человека и может привести к ацидозу и декальцинации.
Оптическая чистота молочной кислоты имеет решающее значение для физических свойств полимера (PLA), и оптически чистая L(+)- или D(-)-молочная кислота может быть полимеризована до высокой кристаллической PLA, которая подходит для промышленного использования.
Хотя рацемическая DL-молочная кислота всегда производится только химическим синтезом из нефтехимических ресурсов.
Поэтому в последнее время биотехнологическое производство молочной кислоты вызвало большой интерес, поскольку оно представляет собой альтернативу загрязнению окружающей среды, вызванному нефтехимической промышленностью и ограниченным поставкам нефтехимических ресурсов.
Чем полезна молочная кислота?
Молочная кислота в настоящее время считается одним из наиболее полезных химических веществ, используемых в пищевой промышленности в качестве консерванта, подкислителя и ароматизатора, в текстильной и фармацевтической промышленности, а также в химической промышленности в качестве сырья для производства лактата, пропиленгликоля, 2,3-пентандиона, пропаной кислоты, акриловой кислоты, ацетальдегида, и дилактида.
В последнее время потребление молочной кислоты значительно возросло в связи с ее ролью мономера в производстве биоразлагаемого полиамида, который хорошо известен, как экологически чистый биопластиковый материал.
Биотехнологические процессы производства LAB обычно включают два этапа:
1. ферментацию молочной кислоты
2. восстановление или очистку продуктов.
Было проведено множество исследований по разработке биотехнологических процессов производства LAB, конечная цель которых – сделать этот процесс более эффективным и экономичным.
Микроорганизмы, вырабатывающие молочную кислоту
Микроорганизмы, которые могут продуцировать молочную кислоту, можно разделить на две группы: бактерии и грибы. Хотя большинство исследований по производству молочной кислоты были проведены с молочнокислыми бактериями (LAB), нитчатые грибы, такие как Rhizopus, используют глюкозу аэробно для производства молочной кислоты. Виды Rhizopus, такие как R. oryzae и R. arrhizus, обладают активностью амилолитического фермента, что позволяет им непосредственно превращать крахмал в L (+) - молочную кислоту.
Ферментация грибов имеет некоторые преимущества в том, что для R. oryzae требуется только простая среда для продуцирования L (+) - молочной кислоты, но также требуется интенсивная аэрация, поскольку R. oryzae является облигатным аэробом. Однако, при грибковой ферментации частично наблюдается снижение выхода продукта из-за образования побочных продуктов, таких как фумаровая кислота и этанол.
Молочнокислые бактерии делятся на две группы организмов:
- Гомоферментативные – превращают глюкозу только в молочную кислоту
- Гетероферментативные – катаболизируют глюкозу в этанол и CO2, а также молочную кислоту.
В последнее время штаммы, используемые в промышленном производстве молочной кислоты, стали почти проприетарными, и считается, что большая часть произведенной молочной кислоты (LAB) принадлежит к роду Lactobacillus.
Сырье для биотехнологического производства LAB
Для того, чтобы биотехнологическое производство молочной кислоты было осуществимым, необходимо дешевое сырье, поскольку производителям полимеров и другим промышленным пользователям обычно требуется большое количество молочной кислоты по относительно низкой цене.
Сырье должно обладать следующими характеристиками:
- дешевизна,
- низкий уровень загрязнения,
- быстрый темп производства,
- высокая производительность,
- низкий уровень образования побочных продуктов или их полное отсутствие,
- способность к ферментации при незначительной предварительной обработке или ее отсутствие,
- круглогодичная доступность.
При использовании в производстве нефтепродуктов затраты на их очистку должны быть значительно снижены. Однако это все еще экономически невыгодно, поскольку переработанные углеводы настолько дороги, что в конечном итоге приводят к увеличению производственных затрат.
Поэтому было предпринято множество попыток поиска дешевого сырья для экономичного производства LAB в промышленности.
Дешевое сырье, такое как крахмал и целлюлозные материалы, сыворотка и меласса, использовалось для производства LAB. Среди них большое внимание уделяется крахмалу и целлюлозным материалам, так как они дешевы, изобилуют и возобновляемы.
Для производства LAB используются следующие крахмальные материалы:
- сладкий сорго, пшеница,
- кукуруза,
- маниока,
- картофель,
- рис,
- рожь
- ячмень.
Однако, эти материалы должны быть гидролизованы до сбраживаемых сахаров перед брожением, потому что они состоят в основном из (1,4) - и (1,6) -связанной глюкозы
Также для производства молочной кислоты используются аналогичным образом целлюлозные материалы. Эти материалы состоят в основном из (1,4)-глюкана и часто содержат ксилан, арабинан, галактан и лигнин.
Поэтому, каждый завод по производству молочной кислоты выбирает для себя приемлемый способ извлечения LAB из сырья
