王 浩 , 郭 廷 , 張國(guó)宣 , 侯玉梅

(河南金丹乳酸科技股份有限公司，河南 鄲城 477150)

乳酸(HLAC)是三大有機(jī)酸之一，未來的發(fā)酵有機(jī)酸市場(chǎng)中乳酸的需求量將超過現(xiàn)有的檸檬酸，而躍居第一位[1]。乳酸發(fā)酵液的成分復(fù)雜，并且因原料和發(fā)酵工藝的不同而各不相同。除乳酸外，發(fā)酵液中還包括菌體、殘?zhí)?、蛋白質(zhì)、色素、膠體、有機(jī)雜酸、無機(jī)鹽等多種雜質(zhì)[2]?？偟膩碚f，它們來源于原材料、未消耗的營(yíng)養(yǎng)鹽或發(fā)酵的中間副產(chǎn)物，難度比較大，從乳酸銨發(fā)酵液中提取乳酸更是比較困難。從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)物的“下游工程”，即乳酸提取技術(shù)的現(xiàn)狀來看，難以跟上當(dāng)今乳酸生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展步伐[3]。因此，如何完善和改進(jìn)現(xiàn)有的乳酸發(fā)酵以及發(fā)酵后提取和精制工藝，尋求更為經(jīng)濟(jì)、有效的分離提取方法，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)品的收率，降低生產(chǎn)成本，適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需要，已成為一個(gè)重要的課題。國(guó)內(nèi)外萃取技術(shù)研究成效顯著，通過萃取分離技術(shù)應(yīng)用可以提高產(chǎn)品純度，降低產(chǎn)品色度、還原糖、醚不溶物[4]。國(guó)內(nèi)報(bào)道乳酸銨發(fā)酵液提純采取脫色、超濾除蛋白、強(qiáng)酸性陽樹脂和強(qiáng)堿性陰樹脂進(jìn)行脫鹽轉(zhuǎn)酸，收率偏低，僅65.8%[5]。本文就乳酸銨發(fā)酵液提取乳酸的方法作了深入探討，開拓了非鈣鹽法發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的新思路，具有高效、處理量大、操作簡(jiǎn)單、易于放大等優(yōu)點(diǎn)，為銨鹽法發(fā)酵生產(chǎn)乳酸產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支撐[6]。

1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

發(fā)酵液(乳酸銨溶液)，由發(fā)酵實(shí)驗(yàn)室提供，乳酸濃度22%，殘還原糖0.4%，過50 nm陶瓷膜除去菌體及固形物；萃取劑；生物傳感分析儀；紫外分光光度儀 TU-1810；ICP-AES(電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜)；125 mL分液漏斗，500 mL分液漏斗、分液漏斗架；數(shù)顯恒溫水浴鍋(帶磁力攪拌器)；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；循環(huán)水真空泵；層析柱。

2 萃取工藝基本流程

本實(shí)驗(yàn)萃取工藝基本流程：①通過逆流萃取將乳酸從酸化料中萃取進(jìn)入有機(jī)相，用純水在常溫下進(jìn)行小相比逆流水洗；②用純水逆流反萃，使有機(jī)相中的乳酸再次進(jìn)入到水相中，得到乳酸溶液；③進(jìn)行脫脂棉脫油，活性炭脫色，濃縮得到產(chǎn)品。將得到的產(chǎn)品乳酸按GB 1886.173—2016食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑乳酸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)由以下5部分組成：①萃取劑選擇，萃取工藝條件的確定；②乳酸的萃取提取，形成含有乳酸的負(fù)載有機(jī)相和帶有很多雜質(zhì)的萃余液；③水洗，用去離子水洗滌負(fù)載有機(jī)相，去除色素和其他離子；④反萃，將乳酸從負(fù)載有機(jī)相中分離出來形成乳酸溶液和空白有機(jī)相；⑤將反萃出來的乳酸溶液通過脫脂棉脫除乳酸稀溶液中殘余的油脂。流程圖見圖1。

圖1 多級(jí)逆流萃取示意圖

2.1 基本原理

在溶劑萃取中，被萃取物質(zhì)乳酸在水相和有機(jī)相中進(jìn)行分配，其行為與有機(jī)相的性質(zhì)相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)用到的萃取劑為物理性萃取劑，是相似相溶的原理，有機(jī)相物質(zhì)對(duì)有機(jī)物分子態(tài)乳酸有一定的溶解度，對(duì)鹽類這些極性物質(zhì)溶解性較小，因此在萃取過程中水相中的分子態(tài)乳酸會(huì)進(jìn)入到有機(jī)相中，而水相中的硫酸銨、硫酸氫銨、硫酸鈣等極性物質(zhì)則保留在水相中。同理，可用純水再次將有機(jī)相中的乳酸反萃到水相中，然后將得到的反萃液進(jìn)行后續(xù)處理得到乳酸成品。

2.2 發(fā)酵液酸化終點(diǎn)確定

由于乳酸發(fā)酵后以乳酸銨鹽類的形式存在于發(fā)酵液中，而萃取劑對(duì)乳酸的萃取是以分子態(tài)的方式進(jìn)行，因此必須將發(fā)酵液中的乳酸根離子轉(zhuǎn)化為乳酸分子，才能進(jìn)行下一步的反應(yīng)，所以萃取前必須對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行酸化處理。

酸化的終點(diǎn)控制：根據(jù)乳酸的電離常數(shù)為1.4×10-4，根據(jù)以下公式：

[H+]×[LAC-]÷[HLAC]=1.4×10-4

[LAC-]÷[HLAC]≈1∶100 (使分子態(tài)乳酸比例為99%)

則

[H+]=1.4×10-2

則酸解終點(diǎn)pH值可計(jì)算為：

pH值=-lg[H+]=-lg[1.4×10-2]=1.85

酸解料的pH值應(yīng)控制在1.85以下，酸化終點(diǎn)可控制在1.5～1.8。

2.3 萃取、反萃取溫度

根據(jù)乳酸的特點(diǎn)和萃取劑的性質(zhì)選擇了萃取和反萃取的溫度。高的萃取溫度會(huì)帶來更快的傳質(zhì)速度，可以更快地達(dá)到萃取平衡，也可以帶來更高的分配比；但高的溫度會(huì)有更多的能源消耗，更多的萃取劑揮發(fā)性損失，因此需要選擇一個(gè)折中的溫度，實(shí)驗(yàn)中選擇了60 ℃。

乳酸隨溫度的降低在有機(jī)相中的溶解度減小，因此選擇低溫反萃，溫度越低則一次反萃率越高，但是低溫降低了傳質(zhì)速度，在冷卻過程中也會(huì)帶來大量能耗，因此沒有必要將溫度設(shè)定在常溫以下，實(shí)驗(yàn)選擇常溫25 ℃進(jìn)行反萃。

2.4 萃取劑飽和容量與分配比

根據(jù)萃取劑的性質(zhì)，萃取劑的飽和容量與乳酸在萃取劑中溶解度密切相關(guān)，萃取劑的分配比與相比關(guān)系不大。在飽和容量與分配比的測(cè)試中采取的有機(jī)相與水相的比例為3∶1，在60 ℃下，采用單級(jí)錯(cuò)流萃取的方式，每次將水相移除，換上新的水相，直至從分液漏斗中流出的水相濃度與酸化料液濃度相同或接近為止。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 萃取劑飽和容量與分配比測(cè)試結(jié)果 %

飽和容量用X(g/L)表示：

分配比用D表示：

式中：n為萃取次數(shù)；c為酸化料濃度；cn為n次萃余液濃度；經(jīng)過計(jì)算此萃取劑的飽和容量X=9.37 g/L，分配比D=0.45。

2.5 酸化料的濃度

酸化料的濃度可根據(jù)萃取劑的分配比、有機(jī)相飽和容量、有機(jī)相飽和時(shí)水相乳酸的濃度確定。

在60 ℃下萃取劑的分配比為0.45，飽和容量為9.37 g/L，萃取過程中在有機(jī)相飽和時(shí)，水相質(zhì)量百分比為9.37/0.45=20.8，因此酸化過濾液中乳酸質(zhì)量百分比不應(yīng)低于20.8%，酸化料的乳酸質(zhì)量百分比控制在25%左右，以避免由酸化料中乳酸質(zhì)量百分比不足造成的萃取劑利用率低的問題，質(zhì)量百分比過高會(huì)使溶液黏度過大不利于萃取。

2.6 萃取劑相比確定

萃取劑相比可根據(jù)酸化料的乳酸質(zhì)量百分比和有機(jī)相的飽和溶液濃度來確定。

實(shí)驗(yàn)酸化料的乳酸質(zhì)量百分比為22%，則萃取的相比應(yīng)大于22/9.37=2.34，以避免由于相比過小造成有機(jī)相飽和，水相中乳酸萃取不完全造成萃余液殘余乳酸濃度過高的問題，試驗(yàn)采用2.5的相比是合適的。

2.7 萃取級(jí)數(shù)確定

萃取級(jí)數(shù)按以下公式計(jì)算：

n+1=[lg(EA+qA-1)-lgqA]÷lgEA

式中：n，萃取級(jí)數(shù)；EA，相比×分配比；qA，逆流萃取后乳酸殘留率。

實(shí)驗(yàn)中相比為2.5，分配比為0.45，要求乳酸殘留率在1%以下，qA=0.01，經(jīng)計(jì)算取n=10，即采取10級(jí)逆流萃取。

反萃采用負(fù)載有機(jī)相與水相比例為2.5∶1，由于反萃在常溫下進(jìn)行，其在水中與有機(jī)相中分配比高于1/0.45，其分配比在2.5左右，因此相比于逆流萃取可適當(dāng)減少級(jí)數(shù)，實(shí)驗(yàn)采取的是6級(jí)常溫逆流反萃。

表2 10級(jí)逆流萃取平衡后各級(jí)參數(shù)分析

表3 6級(jí)逆流反萃平衡后各級(jí)參數(shù)分析 %

2.8 脫油

反萃得到的稀乳酸中存在少量的萃取劑，既影響后續(xù)處理工藝，也影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，因此必須對(duì)反萃得到的稀乳酸溶液進(jìn)行脫油處理。方法如下：將剪碎的脫脂棉裝一個(gè)6 cm×100 cm的層析柱，徑高比為10，然后將反萃液加入層析柱中以一定的線速度(1.67 m/s)流出。結(jié)果表明經(jīng)過脫油處理，殘余在反萃得到的稀乳酸中的油脂可基本被完全脫除。

2.9 脫色

反萃得到的稀乳酸經(jīng)過脫油后含有大量酸性色素，呈亮黃色，因此需要活性炭脫色。本實(shí)驗(yàn)采用顆粒活性炭固定床來進(jìn)行，試驗(yàn)過程如下：

2.9.1活性炭的預(yù)處理

顆粒活性炭→純水浸泡4 h→5%燒堿溶液浸泡12 h→純水洗pH值接近中性→5%鹽酸溶液浸泡12 h→用水洗至甲基橙試劑變黃。

2.9.2脫色

將處理好的顆?；钚蕴垦b一個(gè)6 cm×100 cm的層析柱，徑高比為10，然后將反萃得到的脫油后的稀乳酸加入層析柱中以一定的線速度(1.67m/s)流出。

2.9.3脫色結(jié)果

反萃液在脫色后溶液透亮，經(jīng)紫外分光光度計(jì)測(cè)其透光率顯示其在可見光區(qū)全波段透光率在99%以上。如圖2所示。

圖2 反萃液脫色前后透光率全譜掃描圖

2.10 濃縮

濃縮采用減壓蒸餾法，控制溫度在70 ℃，真空度-0.99 MPa，時(shí)間1 h，得到樣品乳酸濃度約90%。

2.11 水洗

由萃取法從乳酸銨經(jīng)過萃取反萃得到的成品中，還有一定的銨離子及其它非乳酸離子存在，影響了所制得的乳酸成品的質(zhì)量。通過離子交換樹脂可以去除離子，但樹脂對(duì)銨離子的脫除效率較低，增加了樹脂的負(fù)荷，不經(jīng)濟(jì)。因此，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，利用物質(zhì)的極性不同在萃取和反萃之間多級(jí)水洗，將銨及其它離子洗脫，以達(dá)到去除雜質(zhì)離子的目的。

水洗相的加入也是存在弊端的，它降低了負(fù)載有機(jī)相的質(zhì)量百分比(在負(fù)載有機(jī)相與水相比為9∶1時(shí)，降低2個(gè)濃度左右)，從而降低了反萃液的質(zhì)量百分比，使有機(jī)相的運(yùn)行效率下降約22%。

水洗共做了2組，一組是5級(jí)的水洗，一組是8級(jí)的水洗。其中5級(jí)水洗最后得到成品分析不合格，8級(jí)水洗得到的成品分析合格，并且反萃液加堿調(diào)pH值=12，已經(jīng)聞不到氨味。

2.12 指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

樣品按GB 1886.173—2016食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑乳酸標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，通過以上工藝條件10批次實(shí)現(xiàn)，所得乳酸產(chǎn)品主要指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 乳酸產(chǎn)品指標(biāo)

樣品經(jīng)ICP-AES檢測(cè)其金屬離子含量如表5所示。

表5 產(chǎn)品金屬離子含量

從表5可以看出，利用萃取與反萃技術(shù)從復(fù)雜體系中提取乳酸是可行的，是一種提取乳酸的新方法。

3 試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)的工藝參數(shù)得到優(yōu)化確定：酸化終點(diǎn)可控制在pH值1.5～1.8，萃取溫度60 ℃，反萃取溫度25 ℃；有機(jī)相與水相的比例為3∶1，萃取劑的飽和容量X=9.37 g/L，分配比D=0.45，酸化料的乳酸濃度控制在25%左右；萃取劑相比2.5；10級(jí)逆流萃取，6級(jí)逆流反萃；經(jīng)脫油、脫色、水洗，濃縮等工序得到合格乳酸產(chǎn)品，用萃取與反萃技術(shù)從復(fù)雜體系中提取乳酸是可行的。