从大曲酒副产物黄水中提取乳酸的研究

梁艳玲，苏芬芬，伍彦华，林一雄

（1.广西轻工业科学技术研究院，广西南宁530031；2.广西大学，广西南宁530003）

从大曲酒副产物黄水中提取乳酸的研究

梁艳玲1，苏芬芬2，伍彦华1，林一雄1

（1.广西轻工业科学技术研究院，广西南宁530031；2.广西大学，广西南宁530003）

大曲酒是以大曲作为糖化发酵剂，以高粱、小麦为主要原料，经蒸煮、糖化、发酵、蒸馏、贮存、勾兑而制成的蒸馏酒。大曲酒生产过程产生的副产物黄水中含有大量的乳酸。本研究采用大孔弱碱性阴离子交换树脂对黄水中的乳酸进行提取，得到了较好的提取效果。经实验分析，树脂对乳酸的动态吸附过程的最佳条件为：样品上柱流速为1.5 BV/h、洗脱液为5%（v/v）的硫酸溶液、洗脱流速为3.5 BV/h，乳酸回收率可达75%以上。

大曲酒；黄水；大孔弱碱性阴离子交换树脂；乳酸

大曲酒是以大曲作为糖化发酵剂，以高粱、小麦为主要原料，经蒸煮、糖化、发酵、蒸馏、贮存、勾兑而制成的蒸馏酒[1]。窖池中酒醅发酵过程产生的有机酸是生香前体物质，其适当的含量也是白酒呈味物质的来源之一。黄水中所含的有机酸有乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、己酸、庚酸、辛酸、癸酸、十五酸、十六酸、十七酸、十八酸、二十酸、油酸、亚油酸、7-烯十六酸等，其中含量最高的是乳酸，在窖池中占总酸的含量最高可达91%[2，3]。乳酸是世界公认的三大有机酸之一，是食品、医药、化妆品、农业、环保等行业的重要原料或添加剂，乳酸可以生成多种衍生物，具有十分广泛的用途。大曲酒黄水的COD值可达100000 mg/L，即使经厌氧-好氧处理也较难达标排放[4-5]，因废水中有较高含量的乳酸，提取乳酸后，不但获得有经济价值的乳酸，还可使其COD值大幅度降低，减轻了废水处理的负荷。

目前提取乳酸的方法有[2，6-9]：钙盐法、离子交换树脂吸附法、双极膜分离法、蒸馏法、溶剂萃取法、超临界CO2萃取法等。钙盐法提取步骤繁多，产生较多的废酸废碱等腐蚀性溶液且产品质量不佳。蒸馏法有直接蒸馏及分子蒸馏法，直接蒸馏提取乳酸对温度的要求较高且耗能较高；而分子蒸馏法简化了乳酸提取的步骤，但比较适用于乳酸纯度较高的发酵液。溶剂萃取法中涉及到的某些溶剂往往带有一定的毒性，对人体健康及乳酸成品（食品用）都不太有利。双极膜分离法从发酵液中提取乳酸也是近几年研究较多的方法之一，但因其专一性不强，较适用于产物组成简单的发酵液中有机酸的提取，对于成分较为复杂的黄水易造成膜堵塞和膜污染，增加提取成本，尚未发现该技术用于黄水的综合利用研究。离子交换树脂法在物质提取方面的技术已经相对成熟，且离子交换树脂的种类非常多，可根据所提取物质的性质进行选择，因此，该法用于提取黄水中的有机酸更具专一性，在乳酸提取方面的研究较多，并且较容易实现产业化。本研究通过利用大孔弱碱性阴离子交换树脂对黄水中的乳酸进行提取，研究其提取过程中影响较大的参数，进一步提高乳酸的回收率。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂及仪器

树脂：D315大孔弱碱性丙烯酸系阴离子交换树脂，D301-R大孔弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，D201大孔强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，X-5大孔吸附树脂和S-8大孔吸附树脂，其中D315树脂购于上海金开树脂科技有限公司，其他树脂均购于天津市光复精细化工研究所。

黄水：黄水样品来自广西某浓香型白酒生产企业。

试剂：甲醇，色谱纯；乳酸、磷酸二氢铵、磷酸、氢氧化钠、盐酸、硫酸、氯化钠、邻苯二甲酸氢钾、重铬酸钾、硫酸银、高锰酸钾，均为分析纯。

仪器设备：离心机，安科生物工程（集团）股份有限公司；化学需氧量（COD）测定仪、数显恒温水浴锅，上海精密科学仪器有限公司；循环水式真空泵，巩义市予华仪器厂；紫外-可见分光光度计，上海尤尼柯有限公司；高效液相色谱仪，沃特世科技（上海）有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 黄水预处理

将黄水样品在4500 r/min条件下离心10 min，去掉沉淀，收集上清液备用。

1.2.2 活性炭吸附

按照前期优化的活性炭吸附条件对黄水进行处理。1.2.3离子交换树脂提取黄水中乳酸的工艺研究

1.2.3.1 树脂预处理

按照各树脂的使用说明书进行处理。

1.2.3.2 树脂的筛选

准确称取经预处理的湿树脂各1 g，分别放入150 mL锥形瓶中，并加入浓度为20 g/L的乳酸溶液各20 mL，置于摇床中，在室温（27℃左右）、转速为120 r/min条件下振荡24 h。采用高效液相色谱仪检测乳酸含量。按下式计算体系平衡后各类树脂对乳酸的吸附量。

式中：Q为树脂对乳酸的平衡吸附量（mg/g）；C0为乳酸溶液的初始浓度（g/L）；C1为树脂处理后溶液中的乳酸浓度（g/L）；V为吸附体系中乳酸液体的体积（mL）；W为吸附体系中湿树脂的质量（g）。

1.2.3.3 静态吸附等温线测定

准确称取经预处理好的D315树脂1.0 g（湿重）分别放入15个100 mL锥形瓶中，各加入15 mL不同浓度的乳酸溶液，置于恒温振荡器上分别于室温（27℃左右）、40℃和50℃，转速120 r/min的条件下振荡吸附24 h。吸附平衡后用高效液相色谱法测定吸附前后溶液中乳酸的浓度，根据式（1）计算D315树脂在不同乳酸浓度下的平衡吸附量Q，绘制吸附等温线。

1.2.3.4 静态吸附动力学

准确称取经预处理好的D315树脂2.0 g（湿重）放入100 mL锥形瓶中，加入浓度为20 g/L的乳酸溶液30 mL，在室温（27℃左右），转速为120 r/min的恒温振荡器中吸附，每隔20 min取样测定乳酸浓度，直至吸附平衡，计算t时刻的吸附量Qt，并绘制吸附曲线。

式中：Qt为树脂对乳酸的平衡吸附量（mg/g）；C0为乳酸溶液的初始浓度（g/L）；Ct为树脂处理后溶液中的乳酸浓度（g/L）；V为吸附体系中乳酸液体的体积（mL）；W为吸附体系中湿树脂的质量（g）。

1.2.3.5 D315树脂的动态吸附洗脱实验

D315树脂为大孔弱碱性阴离子交换树脂，动态吸附洗脱实验所用的玻璃层析柱参数如下：内径D为45 mm，柱长L=400 mm，以下动态实验均使用此玻璃层析柱。

按照径高比为1∶4的比例在玻璃层析柱中湿法装入D315型阴离子交换树脂，将预处理后的黄水上柱，再用一定浓度的硫酸进行洗脱。实验考察了黄水上柱流速（BV/h）、洗脱液的选择、洗脱液浓度（v/v，%）及洗脱流速（BV/h）4个因素对乳酸的提取分离效果的影响，确定最佳的提取工艺条件。

2 结果与讨论

2.1 树脂的筛选

选择了5种不同的树脂对乳酸进行吸附，根据静态吸附下乳酸的交换容量，进一步选出最佳树脂，室温下（27℃）不同树脂对乳酸的吸附结果见表1。

各种树脂对乳酸的吸附能力比较，大孔碱性阴离子交换树脂（D201、D301-R、D315）比大孔吸附树脂强（S-8、X-5），源于大孔吸附树脂不具备高度专一性；大孔弱碱性阴离子交换树脂比大孔强碱性阴离子交换树脂强，是因为弱碱性阴离子交换树脂交换基团为弱碱性，易于与乳酸根交换，使得其对乳酸的吸附更具选择性。5种树脂中，D315树脂对乳酸的静态交换容量较其他树脂的大，因此，D315树脂更适用于黄水中乳酸的提取。

2.2 吸附等温曲线

在不同温度下D315树脂对乳酸的吸附等温曲线见图1。由图1可知，随着乳酸质量浓度的增加，D315树脂对乳酸的吸附量逐渐增大；而随着吸附温度的上升，其吸附量减小。由此说明，乳酸在D315树脂上的吸附过程为放热反应，低温有利于其进行，故树脂吸附乳酸的过程在室温下进行即可。

据此，采用经典的Freundhch经验等温式对上述实验数据进行拟合。Freundlich经验等温式的表达式如下：

国内外学者流行病学调查显示人体血清HCY水平与人种、地域、年龄、性别等多种因素有关,中国人平均HCY水平高于西方国家人;国内北方人高于南方人、农村人群高于城市人群,男性高于女性,随年龄增加HCY水平升高。同型半光氨酸水平与心脑血管疾病的发生和发展密切相关,可使高血压患者发生冠心病心肌梗塞和脑血管疾病的几率更大(3),因此更应该引起重视,基层医师应该注意对当地高血压患者控制的同时注重HCY水平。

式中：Qe为平衡吸附量（mg/g）；Ce为体系中吸附平衡后的上清液乳酸的质量浓度（g/L）；k为吸附平衡常数；n为特征常数。

通过Freundlich经验方程的拟合，得其各参数值，见表2。

由表2可以看出，D315树脂对乳酸的吸附等温线符合Freundlich方程，一般情况下，n代表吸附过程的难易程度，k代表吸附能力的相对大小，若1/n=0.1～0.5之间，表示吸附容易进行；1/n＞2时，则表示吸附很难进行。实验中，乳酸1/n在0.1～0.3之间，说明吸附反应容易进行，且在实验所涉及的3个温度下方程的特征参数n均大于1，表明D315树脂对乳酸的吸附属于优惠吸附[10]。吸附平衡常数k的值随温度的升高而降低，可知低温有利于D315树脂对乳酸的吸附。

2.3 D315树脂吸附乳酸的静态吸附动力学

在室温（27℃）下，乳酸在D315树脂上的吸附量Qt随吸附时间t的变化曲线见图2。由图2可知，D315树脂对乳酸的吸附速率较慢，在60 min时的吸附量为平衡吸附量的90%，达到平衡吸附所需要的时间为120 min。

固液吸附过程一般由3个基本步骤组成：吸附质在吸附剂粒子表面液膜内扩散、粒子内的细孔扩散和表面扩散、在细孔表面的吸附，其中，速率较慢者为吸附速率的控制步骤。在吸附的初期由于内外浓度差大，吸附过程进行的推动力大，所以吸附速率也大，反之吸附后期的吸附速率就慢。此处分别采用Boyd液膜扩散方程[11]和Kannan-Sundaram粒内扩散模型[12]来讨论D315树脂对乳酸的吸附过程。

Boyd液膜扩散方程：

式中：F=Qt/Qe表示吸附剂的吸附交换率，k′表示膜扩散速率常数，kp为粒内扩散速率常数，C表示方程的截距。

把图2中的实验数据分别以-ln（1-F）对t作图和以Qt对t0.5作图，对应关系见图3和图4。

图3和图4拟合得到的方程及相关参数见表3。

由表3可知，-ln（1-F）对t拟合方程的相关系数R2= 0.992大于Qt对t0.5拟合方程的相关系数R2=0.924，前者的线性关系相关性要优于后者，说明D315树脂对乳酸吸附的主要控制步骤是液膜扩散，其吸附动力学符合Boyd液膜扩散模型。此外，图3的直线不经过原点，表明颗粒内扩散过程对D315树脂吸附乳酸有一定的影响，但液膜扩散过程并不是该过程的唯一控制步骤。

综上所述，在黄水中乳酸的分离提取过程中，与液膜扩散相关的参数将在很大程度上影响乳酸在D315树脂上的吸附与解吸。

2.4 D315树脂对乳酸动态吸附及洗脱过程的研究

2.4.1 不同上柱流速对树脂吸附乳酸的影响

采用湿法装柱将D315树脂放入玻璃层析柱中，黄水样品按照不同的上柱流速通过树脂，每隔50 mL收集流出液，测定流出液乳酸的浓度。将流出液中乳酸浓度为原液乳酸浓度的5%时的流出液体积定为穿透体积。由图5可知，随着流速的增加乳酸穿透体积不断减小。流速太快造成穿透体积过小，即样品上样量过少，降低提取效率；而流速过慢，延长提取时间，不利于实际生产。

经分析，最终选取黄水样品上柱流速为1.5 BV/h，上样量为325 mL。

2.4.2 洗脱液的选择及洗脱液浓度对乳酸洗脱过程的影响

分别选用一定浓度的盐酸、硫酸、氢氧化钠、氯化钠及去离子水作为洗脱液进行试验，盐酸及硫酸洗脱效果最好，因考虑后续分离过程，最终选用硫酸溶液。黄水以最佳上柱流速1.5 BV/h、最佳上样量325 mL上柱进行吸附，吸附结束后用去离子水快速淋洗树脂层去除未被吸附的杂质，再分别用不同浓度的硫酸溶液按洗脱流速为3.0 BV/h对吸附的乳酸进行洗脱，收集洗脱流出液1500 mL，测定不同硫酸浓度下洗脱得到的流出液中乳酸的浓度。通过计算分析发现，在硫酸溶液浓度低于5%时，洗脱率随硫酸溶液浓度的增大不断升高，当硫酸溶液浓度达到5%后继续增加浓度，洗脱率变化不大，见图6。考虑到后续提取液的除杂处理，避免引入过多SO42-，最终选择浓度为5%的硫酸溶液作为洗脱液。

2.4.3 洗脱流速对乳酸洗脱过程的影响

按最佳上柱流速、上样量将黄水上柱吸附后，选取5%硫酸溶液分别以不同洗脱流速对样品进行洗脱，根据流出液中乳酸的浓度绘制不同流速下的洗脱曲线。

由图7可知，对比不同流速下的乳酸流出曲线，当洗脱流速在2.5 BV/h以下时，乳酸流出曲线存在较严重的拖尾，延长提取时间，且不利于流出液的收集；当流速大于3.5 BV/h后，流出液中乳酸峰值浓度有所下降，流速在4.0 BV/h时下降明显，可能是由于流速过快造成洗脱液中的SO42-不能完全与树脂中的乳酸根离子进行置换；当流速为3.0 BV/h及3.5 BV/h时，流出液中乳酸峰值浓度近似，因在3.0 BV/h洗脱流速下得到的洗脱曲线仍存在一定程度的拖尾，降低提取效率，同时对后续流出液的处理带来不便，最终洗脱流速选定为3.5 BV/h。在此条件下，流出液收集至1000 mL时，树脂中的乳酸能够较彻底地被洗脱下来。

4 展望

通过选用不同类型的离子交换树脂对乳酸进行吸附，结果发现D315大孔弱碱性阴离子交换树脂作用最佳。对其静态吸附动力学进行研究，D315树脂对乳酸常温条件下吸附效果好，属于优惠吸附；吸附动力学符合Boyd液膜扩散模型，即与液膜扩散相关的参数将在很大程度上影响乳酸在D315树脂上的吸附与解吸。动态吸附过程中，研究了黄水样品上柱流速、洗脱液种类和浓度、洗脱流速对树脂吸附乳酸的影响，得到的最佳条件分别为1.5 BV/h、5%（v/v）、3.5 BV/h。在此条件下，从黄水中提取到的乳酸回收率可达75%以上。

常见的乳酸发酵液中主要成分为乳酸，杂质较少，乳酸提取过程简单、方便，而大曲酒酿造副产物黄水中的成分是极为复杂的。在本研究中，黄水样品需经离心除去大颗粒杂质，而后通过活性炭吸附进行脱色除臭，再利用大孔弱碱性阴离子交换树脂处理，最终所得提取液中主要成分为乳酸，同时含有其他未知成分，但占比很小。因此，本研究找到了较好的分离黄水中乳酸的方法，对于乳酸提取液进一步提纯仍有待研究。

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Extraction of Lactic Acid from Yellow Water

LIANG Yanling1,SU Fenfen2,WU Yanhua1and LIN Yixiong1
(1.Guangxi Light Industry Research Institute,Nanning,Guangxi 530031;2.Guangxi University,Nanning,Guangxi 530003,China)

Daqu used as the saccharifying and fermenting agent,sorghum and wheat used as main raw materials,after cooking,saccharifying, fermentation,distillation,storage and blending,product Daqu Baijiu was finally produced.Yellow water,the by-product in the production of Daqu Baijiu,contained large amount of lactic acid.In this study,lactic acid was extracted from yellow water by macroporous weakly basic anion exchange resin,and the extraction effects were satisfactory.Through the analysis of the experimental data,the best extraction conditions were summed up as follows:the flowing rate of yellow water into the column was 1.5 BV/h,the eluent was 5%(v/v)H2SO4,and the flowing rate of elution was 3.5 BV/h.As a result,the recovery rate of lactic acid could reach up to above 75%.

Daqu Baijiu;yellow water;macroporous weakly basic anion exchange resin;lactic acid

TS262.3；X797；TS261.4；TS261.9

A

1001-9286（2017）03-0095-05

10.13746/j.njkj.2016356

广西壮族自治区科学研究与技术开发计划项目（桂科攻14124004-5-6）。

2016-12-01

梁艳玲（1989-），女，壮族，广西南宁人，硕士研究生，助理工程师，主要从事食品发酵工程相关工作，E-mail：elian.12@163.com。

优先数字出版时间：2017-02-13；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20170213.1119.005.html。