文 献 综 述

1.1乳酸简介

乳酸（Lactic acid）又名α-羟基丙酸（α-hydroxypropionic acid）,1780年由Scheele从酸牛奶中提取出来而得名，其分子式为：C2H5OCOOH，分子量90.08，是世界公认的三大有机酸之一，广泛存在于人体、动物、植物和微生物中，是生物的代谢中间体及代谢产物。乳酸的分子量为90.08，分子中有一个不对称碳原子，因此有旋光性，分为D(-)-乳酸和L(-)-乳酸 [1]。分子式见图1。

D-乳酸和L-乳酸彼此互为镜像、不能叠合，均属手性化合物，除旋光性外，其它理化性质几乎完全相同，见表1。

表1 乳酸的物理常数[2]

1.2 D-乳酸的应用

D-乳酸（D-lactic acid）是重要的手性中间体与有机合成原料[2,3]。D-乳酸是多种手性物质的前体，广泛应用于制药、高效低毒农药及除草剂、化妆品等领域的手性合成。日本タイセル化学工业公司1997年已拥有10t/a光学纯度97%以上的D-乳酸生产能力，用于制造优良除草剂#8212;#8212;骠马（Puma Super）[4]。农药骠马为九十年代新近进口的一种新型低毒除草剂，该种农药的活性成分是一种含一个手型碳原子的手性化合物，化学名称：（D ）-2[4-(6-氯-苯丙恶唑-2-氧基)苯氧基]-丙酸乙酯。这种除草剂在土壤中降解，在土壤中微生物正常活动之下，该化合物矿物化并形成CO2的过程相对较快，它被绿色植物组织吸收后水解为游离的苯氧基丙酸，然后这种游离酸大多数转变为苯并恶唑酮及羟基苯氧基丙酸，这两种降解物还会在植物中进一步代谢。作物水解时谷粒中未检出到残留物，经动物试验，大鼠口服乙基苯氧丙酸后经粪便及尿液迅速排出，排出时为游离酸或进一步降解物结合形式，它不会在动物组织内积累。此除草剂已经在我国大量使用。德国Hoechst公司也开发了以D-乳酸为原料的新型高效除草剂#8212;#8212;威霸（Whip Super）[5]。钙拮抗剂降压药、皮考啉酸衍生物以及二甲四氯丙酸、氟系除草剂等也以高光学纯度D-乳酸作为原料。另外乳酸还可以作为聚乳酸类高分子材料的原料[6,7]。

近年来乳酸有了一个重要的新用途,即聚乳酸类生物降解塑料。聚乳酸(PLA)是一种无毒的高分子化合物,具有与聚苯乙烯相似的光泽度和加工性能，但具有更合适的生物降解性和更优良的生物相溶性，常用作医用缝合线、外科矫正材料和药物控释载体。但是PLLA降解吸收速度较慢，在体内的完全降解吸收时间可达2-8a，因而又是无菌性炎症反应的主要诱因，因此，在保证力学性能的基础上，适当降低其结晶度的材料对医学应用来说是可取的，所以目前用PLLA和PDLA共混复合来调控最终材料的降解速度是研制开发降解性能可调的材料的重要途径[8,9,10]。

1.3 D-乳酸发酵机理及发酵研究

乳酸的制备方法有发酵法、化学合成法和酶法[11]。化学合成法采用石油裂解来源的剧毒原料进行生产，生产过程存在严重的环境污染问题，并且合成的乳酸均为外消旋D,L-乳酸，不能适应市场对光学纯乳酸的需求；酶法虽可制备光学纯乳酸，但成本较高，无实际应用价值。

根据现有研究的乳酸发酵代谢形式的不同，可将乳酸发酵分为同型发酵和异型发酵两类[11-12]。

（1）同型发酵

同型乳酸发酵是乳酸菌利用碳源（葡萄糖、蔗糖、淀粉水解物等）经过糖酵解（EMP）产生丙酮酸，然后在乳酸脱氢酶的催化作用下生成乳酸（图2）。该途径中，1mol葡萄糖可生成2mol乳酸，理论转化率为100%。但由于微生物生理活动的存在，一般认为转化率在80%以上者即为同型发酵。同型乳酸发酵是工业用菌种理想的发酵类型

图2 乳酸同型发酵途径

Fig.2 Homofermentation of lactic acid

（2）异型发酵

异型乳酸发酵是乳酸菌将葡萄糖转化为5-磷酸木酮糖中间体，然后代谢产生丙酮酸和乙醇，再经乳酸脱氢酶生成乳酸和一定比例的乙醇、乙醛和CO2（图3）。该途径中，1mol葡萄糖只生成1mol乳酸，理论转化率仅为50%，当一些发酵菌同时存在两种途径，或异型发酵途径占有较大比例时，乳酸转化率在80%以下者称为异型发酵。

图3 乳酸异型发酵途径

Fig.3 Heterofermentation of lactic acid

1.4 D-乳酸生产菌种

具有较高光学纯D-乳酸的乳酸细菌主要分布在乳杆菌属（Lactobacillus）、芽孢杆菌属（Bacillus）、芽孢乳杆菌属（Sporolactobacillus）和明串珠菌属（Leuconostoc）四个属（表2）。

表2 D-乳酸主要生产菌种[13]

目前国内外研究较多的D-乳酸生产菌主要集中在乳杆菌属和芽孢乳杆菌属。这两类菌都是同型发酵菌，专性或兼性厌氧，发酵耗能少，产量高，适合大规模化发酵生产D-乳酸。

1.5中和剂对发酵产酸过程调节研究

随着发酵过程的进行，发酵液的pH越来越低，不利于菌体的生长和发酵的继续进行。使用酸中和剂中和发酵过程中产生的乳酸，保持发酵过程pH的稳定，对发酵有着重要意义。查阅文献，可知用于中和乳酸的中和剂有很多。徐国谦等[14]研究了CaCO3、6mol/L氨水和6mol/L NaOH分别作为中和剂对L-乳酸发酵的影响，发酵终点时，无论是乳酸浓度还是菌体数量都是无pH调节发酵过程的数倍；Kata Hetenyi 等[15]较为详细的研究了CaCO3、NH4OH、 NaOH、二甲胺和三甲胺作为中和剂对乳酸发酵过程的影响。目前，工业上国内最常用的乳酸中和剂是CaCO3。但CaCO3作为中和剂有一定的缺陷，当发酵液初糖浓度较高时，发酵后期发酵液絮凝，造成不完全发酵，且Ca离子在后续的乳酸分离中对离子交换柱有损伤。故我们想探讨一种新的中和剂#8212;#8212;Na2CO3 ,Na2CO3 作为乳酸中和剂，是否行得通，我们将在前辈们的基础上做一些摸索。

1.6 本课题研究目的及意义

D-乳酸作为一个重要的手性中间体，已被用于多种手性物质的合成。近年来高光学纯度的D-乳酸因为在提高聚乳酸材料性能方面的实际应用而得到了更多的关注。在D-乳酸生产中，随着发酵过程的进行，发酵液的pH越来越低，不利于菌体的生长和发酵的继续进行。使用酸中和剂中和发酵过程中产生的乳酸，保持发酵过程pH的稳定，对发酵有着重要意义。本课题通过对多种中和剂的中和效果进行比较，找到最佳中和剂，缩短发酵周期，提高产物转化率，为后续的膜分离过程带来方便，具有一定的实际应用价值。

文 献 综 述

1.1乳酸简介

乳酸（Lactic acid）又名α-羟基丙酸（α-hydroxypropionic acid）,1780年由Scheele从酸牛奶中提取出来而得名，其分子式为：C2H5OCOOH，分子量90.08，是世界公认的三大有机酸之一，广泛存在于人体、动物、植物和微生物中，是生物的代谢中间体及代谢产物。乳酸的分子量为90.08，分子中有一个不对称碳原子，因此有旋光性，分为D(-)-乳酸和L(-)-乳酸 [1]。分子式见图1。