乳清兩步發(fā)酵法制取環(huán)保型融雪劑醋酸鈣鎂鹽*

韓愛霞，呂海棠，王兆謙，任彥蓉，王海鵬，郗怡佳，黃 靖，李春花

（青海大學(xué)化工學(xué)院，青海西寧810016）

乳清兩步發(fā)酵法制取環(huán)保型融雪劑醋酸鈣鎂鹽*

韓愛霞，呂海棠，王兆謙，任彥蓉，王海鵬，郗怡佳，黃 靖，李春花

（青海大學(xué)化工學(xué)院，青海西寧810016）

摘 要：為合理利用乳酪和乳酪素的副產(chǎn)品乳清，研究了一種新的厭氧發(fā)酵方法將乳清中的乳糖發(fā)酵成醋酸，以此醋酸與CaO/MgO反應(yīng)制備得到環(huán)保型融雪劑醋酸鈣鎂鹽（CMA）。第一步用植物乳桿菌將乳清中的乳糖發(fā)酵成乳酸，乳酸的轉(zhuǎn)化率是47.47%；第二步用丙酸桿菌將乳酸發(fā)酵成醋酸與丙酸，用氣相色譜法將二者分離，得到醋酸的轉(zhuǎn)化率為5.643%；用紅外光譜法驗證了此醋酸與CaO/MgO反應(yīng)制備得到的CMA的結(jié)構(gòu)。該法既有效地利用了乳酪和乳酪素的副產(chǎn)品乳清，又降低了環(huán)保型融雪劑醋酸鈣鎂鹽的生產(chǎn)成本，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：乳清；發(fā)酵；醋酸鈣鎂鹽；環(huán)保型融雪劑

乳清是工業(yè)生產(chǎn)干酪、干酪素等的副產(chǎn)品，一般每生產(chǎn)1 kg干酪可得9 kg乳清，每生產(chǎn)1 kg干酪素可得27 kg乳清［1］。隨著中國干酪產(chǎn)量的不斷增加，乳清的排放量相當(dāng)可觀，大量的乳清排放不僅是資源的浪費(fèi)，而且對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染［2］。所以，合理開發(fā)利用乳清已迫在眉睫。

醋酸鈣鎂鹽（CMA）是醋酸鈣和醋酸鎂的混合物，是美國在20世紀(jì)80年代為替代高速公路的除冰劑（氯化鈉）而開發(fā)的一種化學(xué)品。與氯化鈉相比，CMA具有水溶性較好、熔點低、環(huán)保等優(yōu)點，但相對較高的價格限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。醋酸是影響CMA價格的主要因素，因而使用價格低廉的醋酸是降低其成本的關(guān)鍵［3-4］。

筆者利用工業(yè)生產(chǎn)干酪、干酪素等的副產(chǎn)品乳清為原料，通過兩步發(fā)酵法生產(chǎn)出廉價的醋酸［5］。第一步用植物乳桿菌將乳清中乳糖厭氧發(fā)酵成乳酸，植物乳桿菌的優(yōu)勢在于對厭氧條件的控制簡單；第二步用丙酸桿菌將乳酸發(fā)酵成醋酸和丙酸，用氣相色譜法將醋酸和丙酸分離后，用分離得到的醋酸與CaO/MgO反應(yīng)制取CMA。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：Perin Elmer Spectrum BXⅡ型紅外光譜儀；Agilent7890型氣相色譜儀；生化培養(yǎng)箱；恒溫水浴鍋；LG10-2.4A型高速離心機(jī)等。

試劑：乳清粉（美國產(chǎn)，乳糖含量80%）；植物乳桿菌、丙酸桿菌 （中國普通微生物菌種保藏管理中心）；氧化鈣、氧化鎂（天津市大茂化學(xué)試劑廠，AR）；蒸餾水等。

1.2 實驗方法

1.2.1 菌種擴(kuò)培

植物乳桿菌（1.2158）用0006號MRS培養(yǎng)基（中國普通微生物菌種保藏管理中心提供，下同）在30℃生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2 d，鏡檢后冷藏備用。

丙酸桿菌（1.2130）用 000號 MRS培養(yǎng)基在30℃生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)6 d，鏡檢后冷藏備用。

1.2.2 乳清發(fā)酵制乳酸實驗

分別稱取5.981 6、6.378 2、6.029 5 g乳清，加入一定量的酪蛋白胨、酵母膏、吐溫80、NH4HCO3、MgSO4、MnSO4、K2HPO4，用 150 mL蒸餾水溶解到250mL錐形瓶中，然后加入10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）植物乳桿菌，在30℃下厭氧發(fā)酵40 h得到乳酸。

1.2.3 乳酸的定性分析

由乳清發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸采用紅外光譜法進(jìn)行定性分析，將1.2.2節(jié)中的發(fā)酵液加熱濃縮后取干燥物1～2mg用KBr壓片法進(jìn)行FT-IR測試（掃描次數(shù)16，分辨率4 cm-1）。

1.2.4 乳酸的定量分析

發(fā)酵得到的乳酸定量分析采用總酸的測定方法［9］，吸取1.2.2節(jié)中發(fā)酵液5mL于150mL三角瓶中加入20mL蒸餾水，加入2滴酚酞指示劑，用0.088 47mol/L的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至微紅色，30 s不褪色即為終點。計算方法如下式：

產(chǎn)酸量（以乳酸計）m=（C×V×K）/M×100% （1）

式中：C為標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的濃度，mol/L；V為滴定待測樣消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；K為換算為酸的主要系數(shù)，即1molNaOH相當(dāng)于主要酸的質(zhì)量（g），用乳酸表示K=0.090；M乳酸為乳酸的相對分子質(zhì)量，90 g/mol。

乳酸的轉(zhuǎn)化率=m乳酸/［（4M乳酸×m×x）/M乳酸］×100% （2）

式中：m乳酸為乳酸產(chǎn)酸量，g；m為稱取乳清的質(zhì)量，g；x為乳清中乳糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，80%；M乳糖為乳糖的相對分子質(zhì)量，342 g/mol；M乳酸為乳酸的相對分子質(zhì)量，90 g/mol。

1.2.5 乳酸發(fā)酵制醋酸實驗

將1.2.2得到的發(fā)酵液繼續(xù)用丙酸桿菌厭氧發(fā)酵，在37℃并培養(yǎng)45 h，得到醋酸產(chǎn)品。

1.2.6 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

1）精確量取醋酸1、2、3、4mL，分別移入4個容量瓶中，用純凈水定容至50mL，搖勻備用。2）丙酸的配制與醋酸相同。3）精確量取丙酸2mL、醋酸1mL移入50mL容量瓶中，用純凈水定容，搖勻備用。

1.2.7 醋酸的定性、定量分析

采用氣相色譜法進(jìn)行分析［6］。色譜條件：FID檢測器；色譜柱：AT FFAP，100 m×0.25mm，0.25μm；進(jìn)樣口溫度200℃；不分流；載氣：He，流速4mL/min；柱溫：150℃恒溫；檢測器溫度：200℃。計算方法如下式所示：

醋酸的轉(zhuǎn)化率=m醋酸/［（m乳酸×M醋酸×2）/M乳酸］×100% （3）

式中：m醋酸為發(fā)酵液中醋酸產(chǎn)酸質(zhì)量，g；m乳酸為乳酸產(chǎn)酸質(zhì)量，g；M醋酸為醋酸的相對分子質(zhì)量，60 g/mol；M乳酸為乳酸的相對分子質(zhì)量，90 g/mol。

1.2.8 醋酸與氧化鈣、氧化鎂反應(yīng)制取CMA［7-8］

制備條件：反應(yīng)溫度70℃，水、醋酸、CaO、MgO的物質(zhì)的量比為7∶1∶1∶1，反應(yīng)時間為1 h。

1.2.9 CMA的定性分析

用溴化鉀壓片法進(jìn)行CMA的紅外光譜測定，測定條件：掃描次數(shù)16，分辨率4 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳酸的定性分析結(jié)果

圖1為乳清發(fā)酵液及分析純?nèi)樗岬募t外光譜圖。由圖1可見，乳清發(fā)酵液和分析純?nèi)樗岬募t外譜圖基本一致，證明乳清發(fā)酵液中有乳酸生成。

圖1 分析純?nèi)樗岷腿榍灏l(fā)酵液的紅外光譜圖

2.2 乳酸的定量分析結(jié)果

按1.2.4中乳酸的定量分析方法對1.2.2中得到的發(fā)酵液進(jìn)行定量計算，得到3份發(fā)酵液中乳酸的質(zhì)量及轉(zhuǎn)化率如表1所示。由表1可見，由乳清發(fā)酵得到乳酸的平均轉(zhuǎn)化率為47.47%，為工業(yè)上有效利用廢棄的乳酸起到了指導(dǎo)作用。

表1 發(fā)酵液中乳酸的質(zhì)量和轉(zhuǎn)化率

2.3 醋酸的定性定量分析結(jié)果

2.3.1 定性分析結(jié)果

將1.2.2得到的乳酸液滅菌后接入丙酸桿菌按1.2.5方法進(jìn)行發(fā)酵，得到醋酸和丙酸的混合發(fā)酵液，需用氣相色譜法將二者分離，分離色譜條件如1.2.7所示。圖2為醋酸、丙酸混合液對照品的積分色譜圖。由圖2可見，醋酸的保留時間為14.28min，丙酸的保留時間為16.27min。圖3為發(fā)酵液樣品的積分色譜圖。由圖3可以看出，經(jīng)過1.2.2與1.2.5兩步發(fā)酵，乳清轉(zhuǎn)化為醋酸和丙酸。

圖2 醋酸與丙酸混合液對照品的積分色譜圖

圖3 發(fā)酵液的積分色譜圖

2.3.2 定量分析結(jié)果

醋酸的定量檢測按1.2.7方法進(jìn)行，結(jié)果如表2所示。由表2可見，該法中醋酸的平均轉(zhuǎn)化率為5.643%，轉(zhuǎn)化率雖然不高，但畢竟是一種有效利用工業(yè)生產(chǎn)干酪、干酪素等的副產(chǎn)品乳清的新方法，優(yōu)化發(fā)酵條件后必將提高醋酸的轉(zhuǎn)化率。

表2 醋酸的檢測結(jié)果

2.4 CMA的定性分析結(jié)果

圖4為CMA的紅外光譜圖。由圖4可見，1 608.39 cm-1處的強(qiáng)吸收峰和1 415.77 cm-1處的中強(qiáng)吸收峰表征了產(chǎn)物中羧酸鹽的存在［9］。

3 結(jié)論

介紹了一種從乳清制備環(huán)保型融雪劑醋酸鈣鎂鹽CMA的新型兩步厭氧發(fā)酵法，采用該方法不但合理開發(fā)利用了工業(yè)生產(chǎn)干酪、干酪素等的副產(chǎn)品乳清，還能降低醋酸以及CMA的生產(chǎn)成本，具有良好的開發(fā)前景和應(yīng)用價值。

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聯(lián) 系 人：呂海棠

聯(lián)系方式：550538500@qq.com

中圖分類號：TQ132.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-4990(2012)02-0048-03

收稿日期：2011-08-30

作者簡介：韓愛霞（1970— ），女，教授，碩士，主要從事分析化學(xué)的教學(xué)與研究工作，已公開發(fā)表論文10余篇。

*基金項目：青海大學(xué)2009年度中青年科研基金項目（2009-QG-15）；青海大學(xué)“211工程”重點學(xué)科建設(shè)項目。

Production of environment friendly deicer calcium magnesium acetateby two-stage fermentation process from cheesewhey

Han Aixia，LüHaitang，Wang Zhaoqian，Ren Yanrong，Wang Haipeng，XiYijia，Huang Jing，LiChunhua
（SchoolofChemical Engineering，QinghaiUniversity，Xining810016，China）

Abstract：To reasonably utilize cheesewhey which was a by-product from themanufacture of cheese and casein，the anaerobic fermentation processwas developed to produce acetic acid from lactose in cheesewhey.Then environment friendly deicers calciummagnesium acetate（CMA）can be producedwith the acetic acid and CaO/MgO.A lactobacillus plantarum wasused to convert lactose in cheesewhey to lactic acid in the first stage，the conversion rate of lactic acid was 47.47%。Propionibacterium was used to convert lactic acid to acetic acid and propionic acid which could be separated by gas chromatography method in the second stage，and the conversion rate of acetic acid was 5.643%.Structure of CMA was verified by IR.This method effectively utilized cheesewhey and reduced production costsof calciummagnesium acetate，willhavea bright future. Key words：cheesewhey；fermentation；calciummagnesium acetate；environment friendly deicer