Значение биотехнологий для различных отраслей народного хозяйства. Молочная кислота. Лимонная кислота. Уксусная кислота

Биотехнология —  типичное порождение нашего бурного, динамичного XXI века. Она открывает новые горизонты перед человеческим разумом.

 

2. Молочная  кислота, её производство и применение

 

Молочная кислота  — α-оксипропионовая (2-гидроксипропановая) кислота, химическая формула: C3H6O3 / CH3CH(OH)COOH. Молекулярная масса: 90.1. Физические свойства: температура плавления: 17°C,  относительная плотность (вода = 1): 1.2, растворимость в воде: смешивается, температура вспышки: 110°C c.c., кoэффициент распределения октанол/вода как lg Pow: -0.6 Молочная кислота образуется при молочнокислом брожении сахаров, в частности в прокисшем молоке, при брожении вина и пива. Была открыта шведским химиком Карлом Шееле в 1780 году.

Молочная кислота  в промышленности производится химическим (50%) и ферментативным (50 %) синтезами.

Химический синтез основан на реакции ацетальдегида с цианистым водородом, приводящим к получению лактонитрила, гидролиз которого дает молочную кислоту.

Возбудителем  молочнокислого брожения в производстве молочной кислоты является культура Lactobacillus delbrukii. - термофильная зерносусловая бактерия. Эти бактерии хорошо сбраживают глюкозу, мальтозу, фруктозу, галактозу и сахарозу.

Молочнокислые бактерии являются грамположительными, неподвижными, факультативными анаэробами. Они  имеют форму крупных палочек  длиной  7–8 мкм., толщиной 0,5–0,8 мкм. и образуют, как правило, короткие цепочки из 2–4 клеток. Молочнокислым бактериям необходимы следующие аминокислоты: аргинин, цистеин, глутаминовая кислота, лейцин, фенилаланин, триптофан, тирозин, лизин и, возможно, некоторые другие. Из минерального питания для молочнокислых бактерий нужны: натрий, калий, фосфор, медь, железо, сера, магний и, особенно, марганец. Поэтому к сахаросодержащим средам необходимо добавлять сухие ростки ячменного, ржаного или пшеничного солода, солодовый экстракт, осадочные винные или спиртовые дрожжи, дрожжевой автолизат, пшеничные зародыши. Оптимальной температурой для развития продуцента является 48–50 °С; брожение осуществляется в слабокислой среде (рН>5,5), но при рН = 3,0 развитие бактерий прекращается. При рН>7 питательная среда легко инфицируется. Вследствие чувствительности к кислотности среды образующуюся молочную кислоту нейтрализуют мелом, поддерживая кислотность на уровне 0,3–0,4 %:

 

                 2С3Н6О3 + СаСО3 = Са(С3Н5О3)2 + СО2 + Н2О                       (1)  

 

В отечественном  производстве молочной кислоты сырьем служит смесь тростникового сахара-сырца, рафинадной патоки и свекловичной мелассы. Источником необходимых органических и минеральных веществ служат солодовые ростки. Для получения молочной кислоты можно использовать ультрафильтраты молока и сыворотки, отходы производства фруктового сока.

Однако лучшим субстратом является D-глюкоза (выход молочной кислоты 86 %), которую можно заменить, например, гидролизатами древесины, осуществляя  конверсию с помощью иммобилизованных в альгинате кальция клеток Lb. plantarum ETH B-4258.

Технология производства молочной кислоты. На приведенном ниже рисунке показана технология производства молочной кислоты, приведены основные стадии процесса производства (рис.2.1).

Получение посевного материала производится также в несколько стадий. Чистую культуру рассевают в три пробирки со свежеприготовленной питательной средой. Культуру из одной пробирки  пересевают в колбу (500 мл), а затем в бутыль (10 л.) и наконец — в культиватор. Объем засевной культуры должен быть до 30 об. % от вместимости бродильного аппарата.

Первые две  стадии проводят на питательной среде  из солодового сусла, третью — на среде  из сусла и производственной среды (1:1) и последнюю — на производственной среде. Продолжительность каждой стадии — 20–24 ч. (48–50°С). Показателем зрелости и активности культуры бактерий в каждой стадии размножения является плотность популяции, которая должна составлять  700–800 клеток/мл. Активная культура через 10–15 ч. накапливает до 0,5% молочной кислоты. При подготовке инокулята бактерии пассируют несколько раз в среде с небольшим избытком мела, выдерживая при 45–55°С; каждая стадия длится 16–18 ч.

 

Рис. 2.1. Технологическая схема производства  молочной кислоты.

Питательную среду готовят непосредственно  в бродильном аппарате. Бродильный аппарат наполняют водой и промывными водами на 2/3 вместимости, нагревают до 70°С, подают в него мелассу, рафинадную патоку и растворенный сахар-сырец. В среду вносят (NH4)2SO4 и NH4HPO4, а также солод или кукурузный экстракт. Массовая доля сахара в растворе должна быть 3–4 масс. %. Раствор нагревают до 70°С и пастеризуют при этой температуре в течение 1 ч. После охлаждения до температуры 48–50 °С в раствор добавляют 15 масс. % от массы сахара солодовых ростков.

 

Молочнокислое брожение — образование  молочной кислоты — может быть описано уравнением:

 

                                               С6Н12О6 → 2С3Н6О3                                       (2)

 

В соответствии с уравнением из 100 г глюкозы получается 100 г молочной кислоты; практический выход составляет 90–91 масс. % от массы  сахара. Поскольку при температуре ниже 45°С развивается посторонняя микрофлора, брожение проводят при температуре 48–50°С. Повышение температуры выше 55°С снижает активность молочнокислых бактерий.

Сбраживание ведут  в аппаратах (чанах) вместимостью 25–45 м³. После приготовления питательной среды в аппарат вносят молочнокислые бактерии. Через 6 ч. начинают перемешивание смеси барботированием воздуха. По достижении массовой доли молочной кислоты 0,5–0,6 масс.% начинают добавлять меловое молоко, поддерживая массовую долю кислоты в растворе на уровне 0,3–0,4 масс. %. Брожение осуществляют до концентрации лактата кальция около 15 % (6–8 суток). Для очистки культуральную жидкость, в которой находятся твердые примеси — мел, солодовые ростки, а также коллоидные частицы, обрабатывают известковым молоком температурой 70–80°С, при этом осаждаются ионы железа, коагулируют белки, разрушается несброженный сахар. Для отделения взвешенных частиц культуральную жидкость отстаивают в течение  6–12 ч. при температуре выше 48°С. После отстаивания (6–12 ч.) смесь фильтруют, и фильтрат с первой порцией промывной воды направляют на кристаллизацию лактата. Из маточного раствора после разложения лактата, отделения гипса и осветления раствора активным углем получают молочную кислоту второго сорта.

Пищевая молочная кислота выпускается  в виде водного раствора концентрацией 40 %, качество которой регламентируется ГОСТ 490–79

Осветление и  упаривание раствора молочной кислоты  проводят с помощью активного  угля. Осветленный раствор подвергают концентрированию до массовой доли молочной кислоты 40 масс. % на выпарных вакуумных аппаратах (80 кПа). После выпаривания раствор снова обрабатывают активным углем (исправление) и после фильтрования разливают в тару.

Молочную кислоту  получают также и 70% концентрации, для  чего проводят вторичное упаривание в вакуум-аппаратах с последующим  фильтрованием на фильтр-прессах. Продукт выпускается в жидком виде или в виде пасты, которую получают добавлением  к концентрированной кислоте небольшого количества мела.

В России потребность в молочной кислоте - около 5 тысяч тонн в год. В настоящее время в России молочная кислота как пищевая добавка используется для подкисления, консервирования, регулирования рН, улучшения вкуса, запаха, структуры продуктов и предотвращения развития болезней, вызываемых бактериями.

Молочная кислота  используется в производстве кондитерских изделий, алкогольной продукции, пива, безалкогольных напитков, хлеба и мучных изделий, продуктов переработки плодов и овощей, дрожжей и др. Вкусовая характеристика молочной кислоты описывается как мягкая и длительная.В пищевой промышленности используется как консервант, пищевая добавка E270.

В масложировой промышленности молочная кислота применяется в производстве майонезов, соусов, приправ, маргарина  и сливочного масла. Молочная кислота  добавляется при приготовлении  пастообразного продукта после смешения жировой и водной фаз до установления рН 4,4, после чего получают эмульгированный продукт, содержащий 19% жира, калорийностью менее 200кал/100г. Известно, что более сильное антимикробное действие при меньшей кислотности достигается при совместном воздействии молочной кислоты и уксусной кислоты, при этом продукт приобретает более нежный аромат и мягкий кислый вкус. 

Молочная кислота  сдерживает развитие гнилостных бактерий, но не действует на микроскопические грибы и дрожжи. Молочная кислота  и ее соли в присутствии воды являются сильными пластификаторами почти всех белков. В хлебопечении молочная кислота и лактаты увеличивают объем мякиша и улучшают корочку хлеба.

Для использования  в пищевых продуктах разрешены  лактаты натрия (Е325), калия (Е326), кальция (Е327), аммония (Е328) и магния (Е329). Используются они в производстве безалкогольных напитков, карамельных масс, кисломолочных продуктов.

В ветеринарии  молочную кислоту используют при  воспалении желудка, кишечника; при  язвенных поражениях кожи.

Добавление 1% раствора лактата кальция в корм кур повышает яйценоскость на 15%.

Молочная кислота  находит применение в кожевенной промышленности для декальцинации  голья и пушнины; в текстильной  промышленности молочная кислота и  ее сурьмяная соль применяются в  протравном крашении и отделке тканей (аппретуре). Лактаты используют в качестве антикоррозионных агентов в растворах антифризов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Лимонная кислота, её производство и применение

 

Лимо́нная кислота́ (2-гидрокси-1,2,3-пропантрикарбоновая  кислота, 3-гидрокси-3-карбоксипентандиовая) - кристаллическое вещество белого цвета, температура плавления 153 °C, хорошо растворима в воде, растворима в этиловом спирте, малорастворима в диэтиловом эфире. Слабая трёхосновная кислота. Соли и эфиры лимонной кислоты называются цитратами. Химическая формула- C6H8O7.

В природе это  вещество встречается довольно часто, главным образом в незрелых плодах цитрусовых, ананасов, груш, инжира, брусники, клюквы и др. Лимоны и апельсины  были главными источниками естественной (растительной) лимонной кислоты, которую производили преимущественно в Италии, где в середине XIX века начали действовать первые заводы по произ­водству кристаллической лимонной кислоты.

В качестве сырья  для ферментативного получения  лимонной кислоты в большинстве  стран используют мелассу – побочный продукт производства сахара из сахарной свеклы или сахарного тростника.

Процесс производства лимонной кислоты включает следующиеоперации: получение посевного материала; подготовка сырья-мелассы к ферментации; подготовка и стерилизация воздуха; ферментация; отделение биомассы продуцента — мицелия; выделение из культурной жидкости лимонной кислоты и получение ее в кристаллическом виде (см. приложение 1). Для начала приготавливают питательную среду, стерилизуют воздух, получают посевной материал, т.е. совершается подготовка сырья-мелассы к ферментации.

В промышленном производстве лимонной кислоты применяется несколько  вариантов процесса - поверхностный  способ и глубинная ферментация. Глубинный способ позволяет перерабатывать широкий набор углеродсодержащего сырья, он не так требователен к качеству мелассы, что является важным достоинством. Скорость ферментации по этому способу выше, в одном аппарате сразу получается большое количество культуральной жидкости и она не собирается по многочисленным кюветам, что упрощает технологию. Ферментация ведется в стерильных условиях, являющихся необходимой предпосылкой для перехода на непрерывный, полностью механизированный процесс, устраняющий ручной труд. Если поверхностный способ исчерпал свои потенциальные возможности, устарел, то глубинный отвечает всем требованиям современной биотехнологии находится в стадии развития. Освоение непрерывной ферментации повысит производительность и экономичность процесса.

Затем идет фильтрование (выделяется мицелий - хлопьевидный, диффузный, содержащий немного мелких шарообразных комочков), нейтрализация культуральной жидкости и снова фильтрование. Отделение мицелия и отмывку от него лимонной кислоты проводят на барабанных вакуум-фильтрах непрерывного действия. Культуральную жидкость из приемного сборника насосом  передают в корыто вакуум-фильтра, где мицелий отделяют. Фильтрат из сборника  подают на химическую обработку, а промытый мицелий удаляют. В собранной культуральной жидкости содержится смесь органических кислот, лимонную кислоту выделяют химическим путем – добавляют к нагретой до 100⁰С культуральной жидкости известковое молоко. В среду добавляется горячая вода для промывки кристаллов цитрата и оксалата кальция. осадок отфильтровывают, промывают горячей водой и гидролизуют серной кислотой. Свободная лимонная кислота остается в растворе, а негидролизованный оксалат кальция и образовавшийся гипс – CaSO4 остаются в осадке. Раствор лимонной кислоты очищают, подвергают вакуум-упариванию и кристаллизуют. Кристаллы кислоты высушивают и фасуют (см. приложение 1).

Лимонная кислота  должна соответствовать показателям, предусмотренным ГОСТ 908 – 2004 (взамен ГОСТ 908 – 79). Это должны быть бесцветные кристаллы или белый порошок, без комков, для кислоты I сорта  допускается желтоватый оттенок, вкус кислый, без постороннего привкуса, 2%-ный раствор кислоты в дистиллированной воде должен не иметь запаха, быть прозрачным и не содержать механических примесей, структура – сыпучая, сухая, на ощупь не липкая, без посторонних примесей.

Лимонную кислоту  широко используют в пищевой, медицинской, фармацевтической, лакокрасочной промышленности и в некоторых других отраслях народного хозяйства.

Лимонную кислоту широко используют в кулинарии и в пищевой  промышленности для приготовления безалкогольных напитков, мармелада, вафель, пастилы и др. Лимонная кислота включена в рецептуры некоторых сортов колбас и сыра, ее применяют в виноделии, для рафинирования растительных масел, для производства сгущенного молока. С помощью лимонной кислоты сохраняются естественные вкус и аромат при длительном хранении в замороженном состоянии мяса и рыбы.

При умеренном  употреблении лимонная кислота стимулирует  деятельность поджелудочной железы, возбуждает аппетит, способствует усвоению пищи.

Натриевые соли лимонной кислоты стимулируют вспенивание и механическую устойчивость пен, поэтому лимонную кислоту ценят кулинары, ее также применяют для изготовления шампуней и моющих средств. Последнее имеет важное экологическое значение, так как лимонная кислота и ее соли легко поддаются микробиологической деградации при очистке канализационных вод.