18.3. Молочная кислота

В настоящее время около половины мирового производства молочной кислоты (СН₃СНОНСООН) осуществляется мик­робиологическим методом, основанным на сбраживании таких ценных углеводсодержащих субстратов, как сахар, рафинадная па­тока, меласса, сахарный сироп и др., что существенно увеличивает себестоимость конечного продукта. Относительно высокая сто­имость молочной кислоты — основной фактор, ограничивающий ее широкое применение в качестве подкислителя, консерванта, регулятора рН, улучшителя вкуса, запаха и структуры пищевых продуктов.

Для получения молочной кислоты микробиологическим мето­дом используют анаэробное превращение углеводов молочнокис­лыми бактериями. Гидроксильная группа этой кислоты может находиться в двух (α и β) положениях углеродной цепи. Промыш­ленное значение имеет α-оксипропионовая кислота, продуцируе­мая в процессе молочнокислого брожения.

В промышленных условиях обычно применяют штаммы: Lacto-bacillus delbrueckii, L. leichmannii, L. bulgaricus, Streptococcus lactis.

Различают гомо- и гетероферментативное молочнокислое броже­ние. В первом случае образуется почти исключительно молочная кислота; во втором — и другие продукты брожения.

Образование молочной кислоты из глюкозы при сбраживании гомоферментативными молочнокислыми бактериями (Lactobacillus) происходит согласно уравнениям:

С₆Н₁₂О₆ → СН₂ОНСНОНСНО → 2СН₃СОСНО + 2Н₂О

Глицеральдегид Метилглиоксаль

СН₃СОСНО + Н₂О ^{Глиоксалаза} СН₃СНОНСООН

Метилглиоксаль Молочная кислота

Расщепление глюкозы происходит по ФДФ-пути, бактерии имеют для этого все необходимые ферменты, включая альдолазу.

Другой вариант схемы молочнокислого брожения включает распад глюкозы до пировиноградной кислоты и восстановление пировиноградной кислоты до молочной:

СН₃СОСООН + 2Н⁺ → СН₃СНОНСООН

Пировиноградная кислота Молочная кислота

Кристаллы молочной кислоты при атмосферном давлении бы­стро плавятся с образованием бесцветной сиропообразной жидко­сти без запаха с резко кислым вкусом.

В промышленных условиях молочную кислоту получают глу­бинным способом с помощью культуры L. delbrueckii (рис. 18.4). В качестве основного сырья используют мелассу, сахарозу, гидролизаты крахмала, кукурузный сироп. Концентрация сахара в среде составляет 5—20 %, рН 6,3—6,5. Во время ферментации рН среды поддерживают при помощи СаСО₃, который добавляют 3—4 раза в сутки. Молочнокислое брожение проводят при строго постоян­ной температуре 50 °С. Снижение температуры до 46...48 °С вызы­вает резкое ослабление биохимической активности культуры и способствует развитию посторонней микрофлоры. Повышение температуры, например до 53...55°С, также вызывает инактива­цию культуры и замедление брожения.

При нормальном брожении бактерии сбраживают за сутки 1—1,5 % сахара, и весь цикл брожения заканчивается за 7—11 сут. При этом количество несброженного сахара составляет 0,5—0,7 %, а концентрация лактата кальция — 10—15%. Для отделения СаСО₃ и коллоидов сброженный раствор нагревают до 80...90 ºC, a затем обрабатывают гашеной известью до слабощелочной реакции и отстаивают в течение 3—5 ч.

Фильтрацию проводят при температуре раствора лактата каль­ция 70...80 °С. Полученный фильтрат упаривают до концентрации 27—30 %, затем охлаждают до температуры 25...30 °С и выдержи­вают 36—48 ч в кристаллизаторе. Кристаллизация считается за­конченной, если в маточном растворе остается не более 5—6% растворенного лактата кальция.

Промытый холодной водой лактат кальция отделяют на цент­рифуге и расплавляют. С целью предохранения лактата от обугли­вания расщепление лактата кальция серной кислотой с выделени­ем свободной молочной кислоты проводят при 60...70 °С.

Для отделения ионов железа полученную сырую молочную кислоту при температуре 65 °С обрабатывают K₄[Fe(CN)₆] (желтой кровяной солью). В осадок выпадает берлинская лазурь. Тяжелые металлы и мышьяк осаждают Na₂SO₄ и Ba₂S. Для освобождения молочной кислоты от красящих веществ используют активиро­ванный уголь. После обработки полученную смесь фильтруют, а осадок гипса промывают для извлечения оставшейся молочной кислоты.

После расщепления кристаллического лактата кальция и по­следующей обработки получают 18—20%-ю молочную кислоту, которую упаривают до 50%-й и осветляют активированным углем, затем обрабатывают желтой кровяной солью. Отфильтрованную 50%-ю молочную кислоту сливают в сборник готовой продукции, а из него подают на фасовку.

Для получения 80%-й кислоты 50%-ю молочную кислоту вто­рично упаривают при большом разрежении в вакуум-аппаратах. 80%-ю молочную кислоту фильтруют на фильтре-прессе и подают на розлив или на приготовление 80%-й пастообразной кислоты, которую получают внесением в нее небольших количеств мела (4 % массы кислоты).

Один из возможных путей создания высокоэффективных и ре­сурсосберегающих технологий производства молочной кислоты — расширение сырьевой базы для культивирования молочнокислых бактерий для замены дорогостоящих и дефицитных источников углеводов более дешевым и доступным сырьем, например разно­образными отходами перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства.

В качестве основных углеводсодержащих субстратов для мо­лочнокислого брожения возможно использование молочной сы­воротки, а также яблочных выжимок и нестандартного, дефектно­го яблочного сырья.

Для ферментации молочной сыворотки оптимально использо­вание культуры Lactobacillus acidophillus BKM 1660 (Т), для фер­ментации плодового сырья и отходов переработки сельскохозяй­ственного сырья — культуры Lactobacillus plantarum BKM 578, как обеспечивающих высокий выход молочной кислоты и высокую бродильную активность.

В качестве питательной среды для культивирования кислото­образующих бактерий могут быть использованы заводская не­фильтрованная сыворотка и осветленная сыворотка (полученная при сепарировании и ультрафильтрации). Активнее процесс накопления молочной кислоты происходит на осветленной молочной сыворотке. В этом случае выход молочной кислоты в 1,5—1,7 раз выше, чем на неосветленных образцах сыворотки, и в 1,1—1,2 раза больше, чем на ультрафильтрате.

Ферментацию молочной сыворотки с применением культуры L. acidophillus BKM 1660 (Т) осуществляют анаэробно, при тем­пературе 30 °С, рН 6—6,5. Посевной материал, выращенный в течение 48 ч и содержащий не менее 10⁹ клеток/см³, вносят в фер­ментационную среду в дозировке 20 % общего объема. Начальная концентрация лактозы составляет 5—10 %.

При сбраживании молочной сыворотки без проведения подтитровки молочнокислые бактерии могут накапливать до 2,2 % молочной кислоты. Содержание в растворе более 2,5 % молочной кислоты подавляет развитие бактерий, поэтому образующуюся в процессе ферментации молочную кислоту периодически нейтра­лизуют СаСО₃. Это позволяет добиться увеличения выхода молоч­ной кислоты.

По отношению к различным титрантам (20%-й КОН, NaOH, NH₄OH, CaCO₃, MgCO₃, CaO) молочнокислые бактерии ведут себя практически одинаково. Установлено, что подтитровку нуж­но проводить до содержания свободной кислоты в среде 0,2— 0,5 %, рН 5—5,5. При этом процесс накопления молочной кисло­ты продолжается до 6 сут.

Получаемая молочная кислота обогащена аминокислотами и микроэлементами, нетоксична, а осадок, получаемый при произ­водстве молочной кислоты, можно использовать в качестве пол­ноценной кормовой добавки.

На основе подробного химического анализа, а также микробио­логической оценки установлено, что яблочное сырье (яблочные выжимки, смесь кожуры и семян, а также дефектное и нестан­дартное сырье) может служить полноценной питательной средой для молочнокислых бактерий.

Содержащиеся в яблочном сырье макро- и микроэлементы, ви­тамины оказывают положительное влияние на биосинтез молоч­ной кислоты.

Подготовка яблочного сырья к сбраживанию включает стадию измельчения и резки. Размеры частиц яблочной мезги должны составлять от 2 до 5 мм. Оптимальным является режим разва­ривания яблочного сырья при гидромодуле 2,5 в течение 30 мин при 120 °С.

Эффективное расщепление полисахаридов яблочного сырья возможно с помощью ферментных препаратов пекто- и целлюлолитического действия. После проведения ферментативной обра­ботки и последующего брожения среда лучше подвергается фильтрации и дальнейшим конечным производственным операциям, что является положительным фактором при промышлен­ном производстве.

Возможно использование ферментных препаратов в концент­рациях: Пектофоетидина П10Х — 0,03%, Целлюлазы — 0,06% массы сырья. Режим обработки ферментами — 1 ч при температу­ре 32... 35 °С.

При ферментации полисахаридов яблочного сырья можно тех­нологически совместить стадии ферментативной обработки сырья и культивирования бактериальной культуры.

Культура Lactobacillus plantarum BKM 578 обеспечивает на яб­лочном сырье достаточно продолжительный и стабильный син­тез молочной кислоты при начальной концентрации углеводов 4,5—5%. Наилучшие показатели достигаются в случае дробной подачи сгущенного яблочного сока до содержания в среде СВ 15 %.

Раствор молочной кислоты, полученный на яблочном сырье, представляет собой коричневую или темно-коричневую жидкость.

Очистка получаемой молочной кислоты от примесей осуществ­ляется активированным углем марки БАУ А, наилучший режим осветления: температура 50 °С, дозировка активированного угля 4 %, время экспозиции 30 мин.

Принципиальная технологическая схема представлена на ри­сунке 18.5.

Возможно получение молочной кислоты из пшеничной муки II сорта (сырья с невысокой стоимостью) с использованием в ка­честве продуцента бактерий вида Streptococcus bovis.

Str. bovis обладает способностью гидролизовать сырой зерновой крахмал, поэтому для организации производства молочной кисло­ты не требуется сложного оборудования.

Осуществляют ферментацию сред с мукой II сорта, содержа­щих 5—20 % Сахаров, концентрация посевного материала состав­ляла 5—20%.

Молочную кислоту выпускают в виде 40%-го раствора и концен­трата, содержащего не менее 70 % кислоты. В пищевых продуктах разрешено использование ее солей: лактатов натрия, калия, кальция, аммония и магния, которые вводят в пищевую систему отдельно или в комбинации. Молочная кислота используется в производстве пива, кваса, безалкогольных напитков, карамельных масс, кисло­молочных продуктов, ограниченно — в продуктах детского питания.