细菌发酵生产乳酸的优化

细菌发酵生产乳酸的优化

全球乳酸市场显示出巨大的增长潜力，预计市场价值将达到9.8的2025十亿美元每年以每年的速度增长超过 10%。这一扩张主要受三个关键因素推动：包装、纺织品和生物医学应用对聚乳酸 (PLA) 的需求不断增加；发酵工艺的技术进步包括元发酵和生物强化策略；可持续性和绿色化学举措日益受到重视。

然而，该行业在生产效率和净化工艺方面面临着显著的挑战，特别是在从多组分混合物中分离乳酸方面。此外，木质纤维素生物质的利用仍然因昂贵的水解要求而变得复杂。尽管面临这些挑战，但市场仍保持乐观前景，这得益于食品、制药和聚合物生产等各个行业对可生物降解材料和可持续实践的需求不断增长。该行业的持续增长轨迹反映了向环保生产方法的广泛转变以及乳酸在不同领域的应用不断扩大。

关键精华

• 预计到 9.8 年，全球乳酸市场规模将达到 2025 亿美元，年增长率为 16.2%。
• 乳酸发酵是一种经济有效的方法，约占全球乳酸产量的90%。
• 乳酸杆菌菌株由于其高耐酸性、高产量和高生产率，具有重要的商业价值。
• 甘蔗糖蜜是一种未充分利用的工业副产品，显示出作为乳酸生产合适原料的潜力。
• 优化使用混合发酵剂和正交测试等策略可以提高发酵过程的效率。

了解细菌发酵的基本原理

细菌发酵是制作许多食品和产品的关键。这一切都是关于乳酸菌将葡萄糖等碳水化合物转化为乳酸。这就是我们获取酸奶、奶酪和泡菜等食物的方式。

发酵中的生化途径

葡萄糖到乳酸的转变过程很复杂。它发生在无氧代谢，细菌利用酶分解葡萄糖。它们产生乳酸，这是它们的主要产物。这样，它们就不需要氧气就能获得能量。

细菌在乳酸生产中的作用

• 乳酸菌， 喜欢乳酸菌和链球菌，对于制造乳酸至关重要。
• 它们栖息在食物中，使食物呈酸性。这可以阻止其他有害细菌生长。
• 有些人喜欢亮粘菌并确定乳酸菌，还能制造杀死细菌的化合物。这有助于保持食物新鲜。

关键环境因素

为了使发酵顺利进行，必须满足某些条件。温度、pH 值和氧气水平必须恰到好处。控制这些因素对于制作优质的发酵食品至关重要。

“乳酸发酵是一个基本过程，几个世纪以来一直被用来保存和转化各种各样的食品。”

乳酸发酵的历史发展

乳酸发酵有着悠久而有趣的历史。它可以追溯到几千年前。从早期的食品制作到今天的工业用途，这一工艺在人类历史上一直发挥着关键作用。

1857年，路易斯·巴斯德发现了乳酸在发酵中的作用。他的工作改变了我们对发酵的看法。他表明乳酸和酒精发酵来自不同的微生物。

但乳酸发酵的起源可以追溯到更早。苏美尔人和埃及人等古代文明都使用过它。他们通过发酵制作面包、葡萄酒和啤酒等食物。

许多科学家帮助我们了解乳酸发酵。1877 年，莫里茨·特劳贝所述发酵是一系列的化学反应。爱德华·布赫纳1897年证明酵母能将蔗糖转化为酒精，他因此获得了1907年的诺贝尔化学奖。

如今，乳酸发酵在食品工业中至关重要。它有助于生产酸奶等食品，泡菜和酸菜。它还导致了益生菌补充剂和生物燃料的诞生。乳酸发酵的故事展示了人类的创造力和微生物的力量。

“发酵是将糖转化为酸、气体或酒精的代谢过程。它发生在酵母和细菌中，也发生在动物和人类的肌肉中。”

无氧代谢背后的科学

潜入世界无氧代谢。在这里，葡萄糖变成丙酮酸. NAD 的过程+再生和ATP的产生是关键。您将了解细胞在没有太多氧气的情况下如何工作以及乳酸发酵在能量产生中的作用。

葡萄糖转化为丙酮酸

第一步是将葡萄糖转化为丙酮酸，被称为糖酵解. 葡萄糖分解成两种丙酮酸分子。这产生了两个 ATP 和两个NADH分子。

NAD+再生过程

在低氧条件下，丙酮酸会转变为乳酸。这个过程会再生 NAD+。 它让糖酵解不断运转，为细胞提供能量。

ATP 产生机制

最后一步是制造 ATP。糖酵解只产生两个ATP，但效率很高。它帮助细胞在没有氧气的情况下获得能量。丙酮酸转化为乳酸，NAD+再生对此至关重要。

“乳酸发酵是酸奶细菌和肌肉细胞在剧烈体力活动过程中进行的一种无氧呼吸。”

无氧代谢对许多过程至关重要。它有助于酸奶细菌和人体肌肉在剧烈运动中保持活力。这一切都是为了糖酵解、丙酮酸转化和ATP的产生.

工业应用和商业生产

乳酸菌，特别是乳酸菌，是食品制作的关键。它们有助于制作酸菜、泡菜、酸奶、奶酪等。这个过程很便宜，而且消耗的能量很少。

这些细菌可以让食物保存更久、味道更好、更健康。它们将碳水化合物转化为乳酸，这是它们的主要食物。这个过程还会产生乙酸和乙醇等其他化合物。

这些细菌对于制作和保持食物新鲜至关重要。它们制造阻止其他细菌生长的化合物。有超过 30 种乳酸菌找到。

乳酸生产关键统计数据 价值观
全球乳酸需求量（2013年） 714.2千吨
乳酸需求量预计年增长率（2013-2020） 15.5%
美国乳酸需求量（2013年） 占全球总量的31%
前三大乳酸生产商合计产能（3年） 505,000吨

乳酸在食品领域用途广泛，35% 的食品中都用到乳酸。它还用于制造可生物降解的塑料，占其用量的 39%。乳酸降低pH值可抑制细菌、酵母和真菌，尤其是革兰氏阳性菌。

链球菌、乳酸杆菌、双歧杆菌、四联球菌和德氏乳杆菌都用于食品生产。科学家正在努力通过基因和代谢工程来提高乳酸的生产效率。

乳酸发酵在食品保鲜中的应用

乳酸发酵已经用于保存食物数百年。它利用乳酸菌将简单的碳水化合物变成酸味、咸味和富含益生菌的食物。这种方法落后于酸菜发酵， 韩国人泡菜及雪菜，至今仍受到许多人的喜爱。

传统发酵食品

酸菜是乳酸发酵的典型例子。它始于肠膜明串珠菌， 然后短乳杆菌和植物乳杆菌，将卷心菜变成一道酸辣美食。泡菜另一方面，使用卷心菜或萝卜与多种配料混合，可以制作出酸性较低的菜肴。

现代保存技术

如今，乳酸发酵也有了新用途。用5%盐水腌制黄瓜很常见，黄瓜脆嫩可口。就连马来西亚和埃及等地也有自己的发酵蔬菜菜肴，可见其在全球的吸引力。

安全和质量控制

随着发酵食品越来越受欢迎，确保其安全和高品质是关键。选择合适的发酵剂和测试至关重要。发酵过程不仅可以改善口感，还可以延长食物的保质期。

发酵食品 关键底物 发酵特性
酸菜 甘蓝/卷心菜 肠膜明串珠菌、短乳杆菌、植物乳杆菌
泡菜 白菜、萝卜 酸性较低，碳酸化
雪菜 黄瓜、各种蔬菜 5%盐水

“发酵是最古老的食品加工方法之一，乳酸发酵仍然是保存和提高各种食品营养和感官品质的关键技术。”

提高产量的优化策略

提高乳酸发酵水平是提高生产率和效率的关键。通过仔细管理温度、盐含量和发酵时间，可以大大提高乳酸产量。例如，将酸菜保持在 18°C 的温度下，20 天内即可达到合适的酸度。但在 32°C 的温度下，则需要 8-10 天才能达到。

盐的含量也很重要。它会影响微生物的生长和酸的产生量。对于泡菜，盐分含量最好在 3% 左右，温度最好在 10°C 左右。这样可以产生合适的酸度和 pH 值。

研究人员已经研究了许多增加乳酸的方法产量和生产效率。他们发现控制温度、pH 值和底物浓度有很大帮助。通过实时监控和自动化pH值控制科学家们找到了生产更多乳酸的最佳条件。这使得工业生产更加高效。

“下游工艺占乳酸生产总运营成本的20-50％，凸显了优化整个发酵工作流程的重要性。”

此外，正在测试新的喂养策略以增加乳酸产量。这些努力有望实现工业发酵的更好控制和更高的生产率。这导致更高的生产效率和利润。

环境条件对发酵的影响

乳酸发酵的成功取决于对环境的控制。温度、pH 值和氧气水平是关键。它们极大地影响乳酸菌 (LAB) 的生长和抗菌特性。

温度控制方法

保持发酵温度温度对乳酸菌的生长至关重要。大多数乳酸菌在 30-45°C 之间生长最好。有些甚至可以承受高达 60°C 的温度。

嗜酸乳杆菌和嗜热链球菌45°C 时生长良好。它们更喜欢 40-45°C 之间的温度。

pH 调节技术

保持pH 值正确是发酵过程中的关键。乳酸菌会产生乳酸，从而降低 pH 值并阻止其他细菌生长。监测和调节 pH 值有助于乳酸菌良好生长。

氧气水平管理

LAB 需要厌氧条件用于发酵。氧气可使腐败菌生长，损坏产品。乳酸菌产生的二氧化碳有助于保持厌氧状态。

通过管理这些因素，制造商可以提高乳酸产量。这确保了最终产品的一致性和安全性。

环境因素 最佳范围 重要性
发酵温度 30-45°C（嗜热菌株最高可达 60°C） 对乳酸菌的生长和代谢活动至关重要
pH 维护通过pH值控制技术 调节竞争微生物的抑制
氧气水平 厌氧或兼氧厌氧条件 防止腐败微生物的生长

细菌菌株及其选择标准

选择正确的细菌菌株是通过发酵生产乳酸的关键。主要参与者包括大肠杆菌、柠檬酸杆菌、肠杆菌和克雷伯氏菌.这些可以通过生化测试来识别。

在挑选乳酸菌 (LAB) 时，我们会考虑它们的风味形成能力、酸度控制能力和抗菌能力。肠膜明串珠菌、短乳杆菌、植物乳酸菌和酿酒小球菌等菌株是许多发酵食品中的最爱。它们为每种产品增添了特别的风味。

测试乳酸菌需要检查它们在发酵过程中的产酸能力。这是用鹰嘴豆、藜麦和荞麦粉等植物材料进行的。同样重要的是看它们抵抗霉菌和细菌的能力。此外，它们在无麸质面粉中耐受高温和酸性的能力对于产品安全和质量至关重要。

常见问题

什么是乳酸发酵以及它是如何发生的？

乳酸发酵是细胞从葡萄糖中获取能量的一种方式。它发生在一些细菌和动物细胞中，比如肌肉细胞。这个过程使用一种叫做乳酸脱氢酶的酶将丙酮酸转化为乳酸。

乳酸菌在食品生产和保存中起什么作用？

乳酸菌有助于保存和制作食物。它们在食物中生长，使食物的酸性降低。这可以阻止其他有害细菌的生长。一些细菌甚至会产生杀死有害细菌的化合物。

路易斯·巴斯德对乳酸发酵的理解有何贡献？

路易斯·巴斯德于 1857 年发现了乳酸。他发现微生物而非化学物质能够引发发酵。他认为发酵是一种不需要空气的生命形式。

乳酸发酵在细胞水平上是如何发生的？

细胞通过发酵将葡萄糖转化为能量和乳酸。这个过程发生在氧气稀薄的时候。这就是酸奶细菌和人体肌肉在剧烈运动时产生能量的方式。

乳酸菌在食品生产中有哪些商业应用？

乳酸菌是制作食物的关键。它们发酵蔬菜、谷物、牛奶和肉类。这种方法成本低廉，不需要太多热量。它可以让食物保存更久、味道更好，也更健康。

酸菜、泡菜等传统发酵食品的制作工艺有何不同？

酸菜以肠膜明串珠菌开始，然后是短乳杆菌和植物乳杆菌。韩国泡菜酸度较低，泡沫丰富。泡菜使用卷心菜和萝卜，以及其他配料。腌制黄瓜和蔬菜也很常见，通常用盐水。

优化乳酸发酵的关键因素是什么？

为了提高发酵效果，控制温度、盐和时间。酸菜在 18°C 的温度下发酵 20 天效果最佳。泡菜需要约 3% 的盐和 10°C 的温度下才能产生 0.4-0.8% 的乳酸。

环境条件如何影响乳酸发酵？

温度和 pH 值对发酵至关重要。合适的温度和 pH 值有助于细菌生长。保持厌氧可阻止有害细菌生长。发酵产生的二氧化碳也有助于保存食物。

乳酸发酵中的关键菌株有哪些？如何筛选？

发酵的重要细菌包括大肠杆菌、柠檬酸杆菌和克雷伯氏菌。它们因其风味、酸度和抗菌特性而被选中。肠膜明串珠菌和植物乳杆菌等菌株为食物增添了独特的品质。