FERMENTATIA LACTICA

în industria alimentară

Produse lactate fermentate

Produsele lactate fermentate reprezinta, fara indoiala cele mai vechi produse alimentare obtinute cu ajutorul microorganismelor (bacterii lactice endogene);

Laptele proaspat de vaca contine 5% lactoza, 3,3% proteine, are o activitate a apei de aprox.1 si un pH=6,6-6,7 – conditii perfecte pentru majoritatea microorganismelor.

Bacteriile lactice fiind saccharolitice si fermentative, sunt ideale pentru a se dezvolta in lapte, inlaturand alte microorganisme concurente atat datorita afinitatii lor mari fata de lactoza, cat si a acidularii mediului, care devine, astfel, inospitalier pentru alte specii.

Dintre produsele lactate fermentate cel mai consumat produs este iaurtul.

Consumul anual de iaurt/persoana

Printre factorii care au contribuit la cresterea consumului de iaurt se numara efectul nutritional benefic al culturilor starter specifice (Streptococcus thermophilus si Lactobacillus delbrueckii, subsp. bulgaricus, care contribuie la buna functionare a tractului gastrointestinal), dar si a altor microorganisme adaugate in iaurt, cunoscute sub denumirea de probiotice.

Termenul de “probiotic” - utilizat din 1965 se refera la factori promotori de crestere produse de microorganisme (in opozitie cu antibioticele).

In 1989 Fuller defineste probioticele ca “suplimente alimentare microbiene vii, care afecteaza benefic organismul gazda prin reglarea florei intestinale.”

Definitia OMS: “microorganisme vii, care administrate in cantitati adecvate confera beneficii de sanatate organismului gazda”.

Efecte benefice de sanatate conferite de bacteriile probiotice Reducerea colesterolului din sange; Reglarea florei intestinale; Reducerea incidentelelor infectiilor gastro-intestinale, urinare; Diminuarea intolerantei la lactoza; Anticarcinogene si antitumorale; Reduc incidenta bolilor diareice

Lactobacillus acidophilus Lactobacillus reuteri Lactobacillus casei Lactobacillus rhamnosus Lactobacillus fermentum Bifidobacterium longum Lactobacillus plantarum Bifidobacterium breve

Bacterii probiotice din iaurt sau alte produse alimentare

Prebioticele sunt ingrediente alimentare, nedigerabile, care afecteaza benefic organismul gazda prin stimularea selectiva a cresterii sau/si activitatea unuia sau a unui numar limitat de bacterii din colon. Cu alte cuvinte, conduc la cresterea populatiei de microorganisme benefice, cum ar fi lactobacilii sau bifidobacteriile, in detrimentul altor specii.

Prebioticele sunt carbohidrati care nu sunt digerate in stomac si

intestinul subtire, ajungand in colon, unde sunt metabolizati selectiv de anumite componente ale microflorei.

Majoritatea prebioticelor utilizate comercial sunt poli- sau

oligozaharide, care deriva din materialul vegetal sau sunt sintetizate din dizaharide naturale precursoare.

Exemple: fructo-oligozaharide (ex. Inulina) sau galacto-oligozaharidele.

Fructo-oligozaharide; ex. inulina

Galacto-oligozaharide

Rolul bacteriilor lactice in obtinerea produselor lactate fermentate este de a transforma lactoza in acid lactic, provocand acidularea mediului, atingand punctul izoelectric al cazeinei (pH=4,6), provocand coagularea acestuia si obtinerea de coagul. Alaturi de acidul lactic se obtin cantitati mici de acetaldehida, diacetil, acid acetic si alcool etilic, care contribuie la definitivarea aromei specifice produsului. Cultura starter poate produce si alti compusi, care sa contribuie la atingerea unor proprietati specifice produsului (viscozitate, consistenta, textura).

Principala problema in fabricarea produselor lactate fermentate, in special a iaurtului, este evitarea fenomenului de sinereza – separarea apei de laptele coagulat. Pentru evitarea acestui fenomen, producatorii parcurg cateva etape in scopul cresterii capacitatii de legarea apei de catre amestecul de lapte si anume:

1. cresterea continutului de solide, fie prin adaos de lapte praf fie de lapte concentrat;

2. incalzire in conditii de pasteurizare ordinara in vederea denaturarii proteinelor din zer;

3. incorporare de agenti de stabilizare si ingrosare.

Selectarea tulpinilor de microorganisme utilizate la obtinerea culturilor starter trebuie sa se faca tinand cont de cateva cerinte generale, dar si specifice, printre care:

crestere rapida si viguroasa pentru a realiza acidularea mediului la valoarea dorita in 4-6 ore;

rezistenta la bacteriofagi; producere de arome specifice, fara o acidulare excesiva sau aroma

amaruie; sa conduca la obtinerea unui produs cu consistenta si textura

corespunzatoare; sa nu conduca la fenomenul de sinereza; sa fie tolerante la conditiile de depozitare (inghetare, liofilizare) cu

mentinerea viabilitatii si evitarea unei etape de lag de lunga durata. Cele mai utilizate tulpini utilizate la fabricarea iaurtului sunt: Streptococcus

thermophilus si , Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, ambele microorganisme fiind homofermentative.

Schema bloc de fabricare a iaurtului

Fermentatia lactica in fabricarea branzeturilor

FAO a dat urmatoarea definitie pentru branza: “Brânza este produsul proaspat sau maturat obtinut prin indepartarea lichidului rezultat dupa coagularea laptelui integral, partial sau total desmântânit, a smântânii sau combinatii ale acestora.”

Prepararea branzei din lapte reprezinta cea mai eleganta solutie de conservare a proteinelor si grasimilor din lapte. Brânzeturile pot fi privite ca produse in care cei mai importanti constituenti ai laptelui au fost concentrati si care se pot depozita pe un termen considerabil de mare.

Brânza este o importanta sursa nutritiva, furnizând aprox. 5% din proteinele consumate.

Brânza reprezinta un aliment concentrat, care se obtine cel mai frecvent din lapte de vaca, dar si din lapte de capra, oaie sau bivolita, fiind format din: cazeina, grasimi in cantitati variabile, saruri minerale si o parte din “serul” din lapte, in care sunt dizolvate lactoza, proteinele de zer si vitaminele.

Consumul anual de branza, kg/persoana

Nutrientii importanti din brânza, /100g

Sortiment Cont. caloric,

kcal

Proteine, g

Grasimi, g

Ca, mg Vit.A, mg

Vit.B2, mg

Cedar 410 25 33 800 310 0.5

Camembert 300 20 25 150 150 0.4

Brânza de vaca

95 14 4 60 32 0.3

Clasificarea brânzeturilor - Functie de tipul de:

tipul de lapte: - vaca, oaie, capra, bivolita; continutul de grasime: - slabe (10%s.u.), semigrase

(min.20% s.u.), grase (min.40% s.u.), foarte grase (min.45% s.u.);

consistenta: - moi, semitari, tari; procesul de fabricatie: - proaspete, maturate (Olanda,

Tilsit, Sveiter etc), in saramura (feta, telemea), cu pasta oparita (Dalia, Rucar, Dobrogea), topite, framântate (brânza de burduf).

Principalele etape in fabricarea branzeturilor

Inainte de inoculare, materiei prime i se pot adauga CaCl2, care faciliteaza coagulare si NaNO3 cu rol in inhibarea bacteriilor butirice.

Inocularea se realizeaza fie la 2-30C/30-45 min, fie la 10-120C/10-12 h, sub agitare, prin adaugare de culturi pure de bacterii lactice, specifice fiecarui sortiment, la care se pot adauga microorganisme adjuvante.

Coagularea se realizeaza cu enzime coagulante de origine animala sau microbiana, la 25-350C/15-90 min. Se realizeaza in 2 etape:

faza enzimatica fara modificarea aspectului, cand au loc reactii de hidroliza enzimatica a cazeinei, distrugând miceliile si

faza neenzimatica, coagularea propriu-zisa, cu modificarea starii coloidale, rezultand o retea de gel, a carei formare este favorizata de prezenta ionilor de Ca (formare de paracazeinat de Ca).

Coagularea laptelui

Prelucrarea cheagului se refera la reducerea dimensiunilor la 5-30 mm, prin taiere si maruntire, pentru a favoriza eliminarea zerului, adica fenomenul de sinereza. Eliminarea zerului, concentrarea proteinelor si grasimilor are loc sub efectul combinat al unor procese biochimcie, biologice si fizico-chimice, multe având loc simultan, deseori având efecte complexe reciproce. De ex. expunerea cheagului la temperatura ridicata si pH scazut intensifica sinereza, dar daca temperatura este prea mare microorganismele acidulante se inactiveaza, rezultând o sinereza slaba – calitate slaba a produsului finit. Un pH prea acid conduce la o pierdere semnificativa de minerale, in special Ca, obtinându-se un produs sfarâmicios. O eliminarea excesiva de zer din cheag este insotita si de eliminarea de substante dizolvate, se reduce cantitatea de lactoza, substrat al culturilor starter, produsul obtinut fiind uscat si cu defecte de aroma.

Adaugarea de sare reduce acidularea, favorizând inchegarea prin solubilizarea proteinelor. Sarea actioneaza si ca intaritor de aroma.

Modelarea presupune formarea pastei de brânza pentru produsele semitari, respectiv turnarea in forme de diferite sectiuni, pentru produsele tari.

Presarea are drept scop indepartarea zerului rezidual si de control al texturii.

Maturarea reprezinta etapa de transformare a brânzei crude in produs finit, prin modificare compozitiei chimice, aspectului, texturii si aromei, ca urmarea a activitatii enzimelor din lapte, a culturilor starter, a enzimelor de coagulare, a microflorei ce poate infecta laptele sau cheagul si a microorganismelor utilizate in fabricarea unor produse (drojdii, mucegaiuri). Cuprinde trei etape:

- prematurarea (fermentare preliminara) cand are loc acidularea (fermentatia lactica), degradarea incipienta a cazeinei, formarea gaurior specifice;

- maturarea propriu-zisa (fermentatia principala) cand au loc transformari ale proteinelor si grasimilor si

- maturarea finala, in care au loc reactii biochimice cu viteza mica, cu rol in definitivarea aromei specifice.

Maturarea are loc la 15-200C pentru produsele cu format mic si 20-260C pentru cele cu format mare, iar definitivarea la 10-140C.

Fermentatia lactica in conservarea legumelor Legumele fermentate isi au originea in Asia si Orientul indepartat, datând

probabil de peste 2000 de ani, de unde au ajuns in Europa in anii 1500. Au constituit un component alimentar important nu numai datorita remarcabilei conservari, a texturii si aromei produselor, ci si datorita proprietatilor lor nutritionale. Cele mai utilizate legume conservate prin fermentatie sunt varza, castravetele si maslinele, in masura mai mica se folosesc gogonele, ardei, morcovi si alte legume specifice diferitelor zone geografice. Materia prima are un continut ridicat de umiditate, redus de proteine si grasimi (exceptie maslinele) si suficient de carbohidrati pentru a suporta fermentatia lactica.

Leguma Apa,% Hidrati C,% Proteine,% Grasimi,%

Varza

92-94 5-6 1 -

Castravete

95 2-3 1 -

Masline

78-80 2-4 1-2 12-14

Tehnologia de obtinere a legumelor fermentate se bazeaza pe aceleasi principii ca in cazul altor produse alimentare de fermentatie (lactate, carne), de transformare a hidratilor de carbon in acizi si obtinerea de produse cu proprietati organo-leptice diferite. Diferenta consta insa in faptul ca fermentatia nu se desfasoara sub actiunea unor culturi starter, ci se bazeaza pe microflora lactica naturala a produselor vegetale, care este extrem de variata, incluzând specii homo- si heterofermentative. Materialul vegetal contine insa o microflora complexa, ceea ce impune selectarea acelor conditii, factori care sa faciliteze activitatea bacteriilor lactice si sa fie ostile celorlalte specii. Acesti factori se rezuma la prezenta sarii, la temperatura si conditii anaerobe. In acest mediu, majoritatea microorganismelor nelactice vor creste foarte incet (daca supravietuiesc), in timp ce bacteriile lactice vor produce, prin fermentatie, acidularea mediului si eliminare de CO2, contribuind astfel la cresterea ostilitatii mediului pentru alte specii de microorganisme.

Microflora reprezentativa din legume Bacterii aerobe 4-6 log CFU/g Pseudomonas Flavobaterium Micrococcus Staphylococcus Bacillus

Enterobacterii 3-3.5 log CFU/g Enterococcus Enterobacter Klebsiella Escherichia

Bacterii lactice 0.7-4 log CFU/g Lactobacillus Pediococcus Streptococcus Tetragenococcus Leconostoc

Drojdii si fungi 0.3-4.6 log CFU/g Fusarium Ascochyta Aspergillus Penicillium Rhodotorula

Principalele bacterii lactice implicate in fermentatia legumelor

Microorganism Varza acra Muraturi in saramura Masline

Leuconostoc mesenteroides

X X X

Leuconostoc fallax

X

Lactobacillus plantarum

X X X

Lactobacillus brevis

X X X

Pediococcus pentosaceus

X X

Fermentatia depinde de cresterea succesiva a microorganismelor prezente natural in materialul vegetal. Unele apar in faza incipienta de fermentatie, jucând un rol particular, apoi dispar, in timp ce alte specii se dezvolta mai târziu, ramânând in concentratii de la medii la ridicate atât pe perioada fermentatiei cât si a postfermentatiei. Dezvoltarea acestora din urma este insa legata de cele din fazele incipiente. Activitatea microbiana incepe o data cu adaugarea saramurii. Initial mediul este aerob, dar datorita efectului combinat al dislocuirii fizice a aerului, cu respiratia reziduala si consumul de oxigen de catre celulele vegetale, treptat atmosfera va deveni anaeroba, oferind putine sanse de dezvoltare speciilor aerobe. Unele dintre acestea sunt sensibile si la sare, reducând sansele de crestere si supravietuire. In conditiile de temperatura (20-250C), unele specii facultativ aerobe (Enterobacter, Escherichia, Erwinia) si alti coliformi, pot supravietui, dar doar pentru o perioada scurta de timp, atât datorita competitiei cu bacteriile lactice cât si datorita acidularii mediului.

Fluxul tehnologic de

obtinere a verzei murate

Cresterea succesiva a bacteriilor lactice in fermentatia verzei – model

idealizat

In fermentatia verzei se disting urmatoarele faze:

- Faza heterolactica (faza gazoasa), marcata de cresterea de Leuconostoc mesenteroides, microorga-nism aerotolerant si tolerant la sare, având o perioada de lag scurta si viteza mare de crestere. Metabolizeaza zaharurile heterofermentativ, producand acid lactic, acetic, CO2, etanol. Mediul acid creat (0.6-0.8%) inhiba competitorii nelactici in favoarea bacteriilor lactice, iar producerea de CO2 conduce la anaerobizarea mediului. Pe masura ce aciditatea ajunge la 1% Leuconostoc mesenteroides se autoinhiba si devine nedetectabil in 4-6 zile.

- Faza homolactica (negazoasa), in care se dezvolta alte bacterii lactice L. plantarum si brevis, facultativ heterofermentative, metabolizând zaharurile pe diferite cai, provocând aproape dublarea aciditatii mediului, dominând fermentatia, chiar daca pot fi prezente si alte specii lactice.

In final aciditatea se apropie de 1.6%, pH= 4, conditii in care doar L. plantarum este capabil sa creasca. Fermentatia se considera terminata in cca o luna, când aciditatea mediului se apropie de 1.8% si pH=3.4-3.6.

In produsul finit predomina acidul lactic, dar sunt prezenti si alti metaboliti (acid acetic – 0.3%, etanol – 0.5%, cantitati mici de diacetil, acetaldehida, manitol), care contribuie la definirea aromei produsului. Acumularea de CO2 din etapa heterofermentativa contribuie la rândul sau la intensificarea gustului.

Principalele reactii biochimice

Fermentatia muraturilor in general, deci si a castravetilor decurge diferit de cea a verzei. Formarea de CO2 fiind nedorita, se evita etapa heterofermentativa prin utilizarea unor concentratii saline ridicate (5-8%), care inhiba cresterea de Leuconostoc, fermentatia homolactica fiind declansata de Pediococcus sp si Lactobacillus plantarum. Continutul ridicat de sare si aciditate a mediului (pH<4.5) inhiba cresterea coliformelor, bacteriilor ne-lactice si a altor micro-organisme.

ACIDUL LACTIC

descoperit de cercetătorul suedez C.W. Scheele în 1780, în laptele acru.

Pasteur, Lister si Delbrueck au fost cei care au identificat acidul lactic ca fiind un metabolit microbian.

există în două forme stereoizomere, optic active

Obţinerea industrială prin procese fermentative datează din 1881 şi a fost realizată de Avery în Littleton, MA, SUA. Începând cu 1990, producţia mondială de acid lactic a cunoscut o creştere semnificativă, printre cei mai mari producători de acid lactic prin fermentaţie numărându-se NatureWorks LLC (SUA), Purac (Olanda), Galactic (Belgia), Cargill (SUA) şi câteva companii din China.

Utilizări Producţia mondială de acid lactic era de 275.000 t la nivelul anului 2006, cu o rată de

creştere anuală de cca 10%, dar rata de creştere poate fi mult mai mare (14-19%) datorită polimerilor biodegradabili obţinuţi din acid lactic.

Industria alimentară 85% : - agent conservant, acidulant, aromatizant sau cu rol de tampon într-o mare varietate de produse alimentare cum ar fi dulciuri, pâine şi produse de panificaţie, băuturi răcoritoare (sucuri de fructe, siropuri, nectaruri), dulceţuri, produse lactate, condimente, maioneze, bere, la prepararea esenţelor, extractelor, precum şi la fabricarea conservelor de legume, fructe, peşte. Sărurile de calciu sau sodiu ale esterilor acidului lactic cu acizi graşi se utilizează drept conservanţi şi emulgatori în panificaţie.

Industria farmaceutică – solutie 90% – reglarea florei intestinale, ca aditiv la prepararea de loţiuni.

Industria cosmetică – la prepararea produselor hidratante, datorita caracterului higroscopic. Lactatul de etil este un important ingredient activ în produsele antiacnee.

în domeniul compuşilor macromoleculari, la obţinerea acidului polilactic (PLA) şi a unei game variate de copolimeri cu utilizări în medicină la proteze ortopedice, cardiovasculare, fire chirurgicale, sisteme de eliberare controlată a medicamentelor, respectiv în industria alimentară la obţinere de ambalaje alimentare sau sisteme de eliberare controlată a aromelor/aditivilor alimentari.

Alte domenii: tratarea apelor la dedurizare, ca adjuvant pentru detergenti, produse peliculogene şi

materiale plastice, respectiv în industria textilă şi pielărie. Este un potenţial intermediar pentru obţinerea unor compuşi oxigenaţi cum ar fi propilenglicol, propilenoxid, acid acrilic, acrilaţi etc.

-polimer termoplastic, biodegradabil; - utilizat ca atare sau în compozite

Utilizari ale acidului polilactic

Microorganisme producătoare Principalele clase de microorganisme producătoare de acid lactic sunt:

Lactococcus, Lactobacillus (cea mai bogată, cuprinzând peste 125 de specii şi subspecii), Streptococcus, Leuconostoc, Enterococcus, Pediococcus, Aerococcus, Oenococcus, Carnobacterium, Vagococcus, Tetragenococcus, şi Weisella.

Bacteriile lactice sunt heterotrofe, necesita medii nutritive complexe, cresc în condiţii anaerobe, dar pot supravieţui şi în prezenţa aerului, fiind aerotolerante. Pot creşte la temperaturi de la 5 la 450C şi sunt tolerante la medii acide, fiind capabile să crească şi la un pH = 4.4, chiar dacă domeniul optim de pH este cuprins între 5.5 şi 6.5. Se clasifică în homofermentative, care produc peste 85% acid lactic din glucoza şi heterofermentative, care pe lângă acid lactic, care reprezintă cca 50%, produc şi alţi compuşi precum etanol, diacetil, formiat, acetoina, acid acetic şi dioxid de carbon.

In procesele industriale de obţinere ale acidului lactic se utilizează doar bacterii lactice homofermentative, cu precădere Lactobacillus lactis, L. delbrueckii, L. helveticus, L. casei, L.bulgaricus, L.leichmanii, aparţinând Lactobacilaceaelor, bacterii Gram-pozitive, nesporulate, aero- şi acido-tolerante, al căror produs majoritar al fermentaţiei de carbohidraţi este acidul lactic.

unele specii de fungi, cum ar fi Mucor, Monilia sau Rhizopus, sunt la rândul lor producătoare de acid lactic, cel mai cunoscut fiind Rhizopus oryzae, care poate produce acid L-lactic cu un randament de peste 70%.

Biochimia acidului lactic

C6H12O6 + 2 ADP + Pa → glucoză 2 CH3CH(OH)COOH+2 ATP acid lactic

Izomerii acidului lactic produşi de cele mai utilizate bacterii lactice

Microorganism Acid D(-) lactic Acid L(+) lactic Amestec racemic

L. acidophilus nu nu da L. lactis da nu nu

L. bulgaricus da nu nu L. helveticus nu nu da

L. casei nu da nu L. tolerans nu da nu

L. paracasei nu da nu L. rhamnosus nu da nu L. plantarum nu nu da

Lacotococcus lactis nu da nu Streptococcus thermophilus nu da nu

Leuconostoc da nu nu

Materii prime Sursa de C - hidraţi de carbon în stare pură (glucoză, zaharoză, lactoză

etc.); - materiale cu conţinut de hidraţi de carbon cum ar fi: - melasele in prezenta de Enterococcus faecalis, - materiale cu conţinut de amidon din cartofi, tapioca, grâu, porumb,

orz, morcovi. - materialele ligno-celulozice, precum resturile de trestie de zahăr,

tărâţe de cereale, stiuleti/tulpini de porumb etc., pot constitui, de asemenea, atat materii prime dupa pretratare/hidroliza, cat si suporturi ideale pentru fermentaţii în fază solidă, atât în prezenţă de fungi, ca Rhizopus oryzae, dar şi de bacterii lactice, cum ar fi Lactobacillus delbrueckii .

- zer - disponibil in cantitati apreciabile, deoarece aprox. 85% din totalul cantitatii de lapte prelucrat pentru branzeturi se transforma in zer, care prezinta pentru mediu un important factor de poluare afectand structura fizico-chimica a solului (scaderea productiei agricole), sau reduce viata acvatica datorita consumului de oxigen. Aproximativ 50% din producţia mondială de zer se procesează: o parte (45%) se foloseşte ca atare, 30% sub formă de zer pulbere, din 15% se extrage lactoza, iar restul se foloseşte drept concentrat de proteine de zer. Datorita continutului de lactoza si a altor elemente nutritive esentiale cresterii microorganismelor, zerul devine o materie prima importanta in biotehnologie in special pentru obtinere de acid lactic.

-leşia sulfitică este o altă materie primă de viitor. Preocupări pentru obținerea de acid lactic din produse agricole sau materiale regenerabile, fără adaos de nutrienți respectiv de valorificare a unor deșeuri ale industriei alimentare (ex. deșeuri de struguri provenite de la fabricarea vinului în prezență de L plantarum, randament 97% din cel teoretic) Sursa de azot - hidrolizate proteice: extract sau hidrolizat de drojdie, peptone; extractul de porumb poate inlocui partial extractul de drojdie si peptonele; în completarea sursei organice de N în substrat pot fi adăugate săruri de amoniu. Vitamine acid folic, riboflavină, acid lipoic, acid nicotinic etc.

Procedee tehnologice

Tehnologiile tradiționale utilizează hidrolizate cu conținut limitat de hidrat de carbon în fermentații submerse sau de suprafață.

Fermentația directă a polizaharidelor este posibilă în prezența enzimelor hidrolizante sau în prezența microorganismelor amilolitice, tehnică ce conduce la limitarea efectului inhibitor al carbohidraților și scade consumul energetic integrat.

Fermentaţiile discontinue sunt superioare celor continue din toate punctele de vedere, mai puţin cel al productivităţii. Randamentul procesului poate fi mărit prin realizarea de procese discontinue repetate sau semicontinue, mai ales în cazul substraturilor scumpe. Operarea continuă oferă avantajul maximizării productivităţii.

O productivitate ridicată, fără reducerea randamentului, poate fi obţinută prin recircularea masei celulare;

Realizarea fermentaţiei cu celule imobilizate in matrici polimerice, naturale sau sintetice, comparativ cu utilizarea de celule libere, conduce la creşterea productivităţii; dezavantajul este cel de scădere a cantităţii de acid lactic datorită acumulărilor de produse secundare şi a stabilităţii reduse a capsulelor polimerice naturale datorită mediului acid.

Fermentaţia lactică anaerobă operează optim la un pH 5.5 – 6.0, in

unele cazuri 6.0-6.5, la care acidul se obţine sub formă de sare. Valori ale pH-ului sub 4.5 inhiba puternic cresterea celulara.

Asigurarea unei concentratii celulare ridicate este esentiala pentru

obtinerea unor productivitati ridicate. Producţiile tradiţionale realizează procesul fermentativ concomitent cu

neutralizarea acidului cu compuşi de calciu (hidroxid sau carbonat), realizând precipitarea lactatului de calciu, uşor de separat, iar acidul se pune în libertate ulterior prin acidulare cu acid sulfuric.

- Concentratia sursei de C in substrat - 5-18% - Temperatura se stabileste functie de microorganismul

producator, de ex. Lactobacillus delbrueckii şi L. leichmanii folosite pe substraturi de glucoză, maltoză sau zaharoză - 50-520C, Lactobacillus bulgaricus pe substrat de zer - 40-450C, L. casei şi Streptococcus lactis - 30-350C;

- pH = 5,5-6,0 mentinut prin adaos de CaCO3; - Fermentaţia se declanşează după cca 6 ore de la însămânţare; - Durata procesului, functie de materia prima, 2-8 zile; - Conditii anaerobe; - Conversia materiei prime în condiții optime de proces este de

cca 95%. - Fermentatoare cu capacitati de 20-110 m3, prevăzute cu sisteme

de agitare, încălzire şi răcire.

Parametri de proces:

Procedeu discontinuu pe substraturi de amidon sau glucoză

1. fermentator, 2. vas floculare, 3. decantor, 4,7,9 filtre rotative, 5. evaporator, 6. vas acidulare/precipitare, 8. vas decolorare, 10. Coloana de purificare cu schimbatoride ioni

Procedee de separare a acidului lactic din mediul de fermentatie

Procedeul clasic - separarea lactatului de calciu, acidulare cu acid sulfuric, concentrare, adsorbtie pe carbune activ / schimbatori de ioni a impuritatilor; dezavantaj: manipularea de solide şi nămoluri, consum de calcar sau lapte de var, respectiv acid sulfuric şi producere de gips (1 t/t de acid lactic produs), costul operaţiilor de separare şi purificare ridicându-se la cca. 50% din costul de producţie;

Procedee alternative transformarea acidului lactic într-un derivat uşor separabil şi purificabil,

spre exemplu într-un ester; eficienţa economică a procedeului propus fiind susţinut de posibilitatea recuperării şi recirculării alcoolului într-o proporţie de peste 85%. Prin acest procedeu se elimină formarea gipsului și se evită operarea în mediu corosiv prin eliminarea acidului sulfuric.

extracţia reactivă este o altă variantă de recuperare a acidului lactic din mediu de fermentaţie folosind amine terţiare în soluţii alcoolice; dezavantaj consumul relativ ridicat de solvenţi organici, al căror caracter toxic asupra celulelor microbiene nu este neglijabil.

separarea prin schimb ionic, utilizând anioniţi, în special în cazul proceselor care se desfăşoară într-o singură etapă (cu zaharificare şi fermentaţie simultană) în fază solidă, când în mediu se obţine preponderent acidul liber.

Dezavantaj, prezenţa în mediul de fermentaţie şi a altor specii de anioni (SO4

2-, Cl-), care intră în competiţie cu anionii de lactat, iar îndepărtarea acestora din mediu pe parcursul fermentaţiei este nedorită.

separarea acidului lactic din mediul de fermentaţie utilizând site moleculare de tip Silicalite (de tip zeolitic), care prezintă un diametru de pori adecvat pentru separare, prezintă afinitate scăzută pentru apă şi se caracterizează prin stabilitatea termică şi hidrotermică ridicată. Rezultatele obţinute relevă o capacitate de reţinere ceva mai mică decât pe alţi absorbanţi polimerici. Cu toate acestea simplitatea procedeului prezintă un mare avantaj.

Procedeele de separare prin adsorbție și extracție necesită etape de regenerare a sorbenților și recirculare a extractanților și nu pot asigura o recirculare a masei celulare fără o prealabilă separare.

Procedee membranare de separare – microfiltrare, ultrafiltrare, nanofiltrare, electrodializa, osmoza inversa.

Proces Factorii majori de cost Avantaje şi dezavantaje majore

Fermentaţie convenţională

Costuri de capital, operare, energie, reactivi chimici, mentenanţă; costurile de operare reprezintă 50% din totalul costurilor

Preţ scăzut al materiilor prime, obţinere de produs de înaltă puritate, dar printr-o tehnologie poluantă (generare de 1 t de deşeu/ t acid)

Fermentaţie integrată cu osmoză inversă

Costul membranei reprezintă 28% din costuri

Productivitate ridicată, obţinere de produs pur, tehnologie nepoluantă (ecologică)

Fermentaţie integrată cu electrodializă

Operaţii multiple, reprezentând 80% din costuri

Obţinere de produs pur, tehnologie nepoluantă (ecologică)

Fermentaţie integrată cu ultrafiltrare, osmoză inversă, schimb ionic

Concentrarea şi fermentaţia reprezintă 40%, respectiv 47% din costul total

Obţinere de produs pur, tehnologie nepoluantă

Fermentaţie integrată cu osmoză inversă, nanofiltrare

Exceptând costurile membranelor, celelalte costuri (energie, operare, echipamente) sunt scăzute

Productivitate ridicată, ibţinere de produs de înaltă puritate, tehnologie nepoluantă

Analiză comparativă a diferitelor procese de obţinere ale acidului lactic

Procedee de fermentaţie lactică a zerului Procedeu discontinuu

Materii prime: - zer, zer deproteinizat, zer hidrolizat, permeat de zer, lapte degresat

si fara cazeina; - mediul necesita suplimentare cu surse de azot: extract de drojdie,

autolizat de drojdie, extract de porumb sau peptone; - suplimentarea mediului cu Mn (MnSO4 ּ◌H2O) are un rol important

fiind un constituent al lactat-DH, de asemenea, prin adaos de Mn se reduce necesarul de extract de drojdie mentinand conversia ridicata a substratului.

Inoculul se obţine pe substrat de lapte, pentru a acomoda bacteria cu mediul de fermentaţie. Se utilizează diferite tulpini de lactobacili Lactobacillus bulgaricus, L. helveticus, L. casei, L. acidophilus. Pe substrat de lapte este utilizat de preferinţă L. helveticus deoarece este un microorganism homofermentativ, care produce de două ori mai mult acid lactic, amestec dextrogir comparativ cu alte bacterii lactice homofermentative.

Fermentaţia de regim se conduce anaerob, în fermentatoare confecţionate din lemn sau V2A, având capacităţi cuprinse între 20 şi 30 m3. Fermentatoarele sunt prevăzute pe lângă sistemele de agitare cu o conductă de abur, utilizată atât pentru încălzirea mediului de fermentaţie în faza iniţială, cât şi pentru coagularea microorganismelor lactice în faza finală. Instalaţiile moderne de fermentaţie sunt prevăzute cu sisteme automate de reglare a temperaturii.

- factori semnificativi: cantitatea de inocul şi mediul de precultură, care joacă un rol important în cantitatea de acid lactic produsă, temperatura şi pH-ul, specifice tulpinilor de microorganisme. De ex. productivitate maximă în culturi de L. helveticus se obţin la 420C şi un pH=5.5-5.8, în timp ce pentru L.casei productivitatea maximă se obţine la 370C şi un pH 5.5.

În vederea menţinerii acidităţii totale a mediului în jurul a 0,2% la fiecare 6 ore se adaugă o suspensie de lapte de var. Prin acest procedeu de neutralizare în timp, bacteriile se menţin pe toată durata procesului în activitate maximă. În final aciditatea se reduce la 0,1%. După coagularea bacteriilor lactice la o temperatură de 950C şi decantarea acestora, lichidul limpede, respectiv filtratul după separarea masei celulare, se decolorează în trepte prin tratare cu cărbune activ sau kieselgur. Produsul brut decolorat se concentrază în vid, iar lactatul de calciu va cristaliza la 10-150C în decurs de 10-12 ore. Lactatul de calciu se purifică prin cristalizări repetate.

Dezavantajul proceselor discontinue: - perioada de lag si de fermentatie indelungata, volum mare de utilaje, costuri ridicate de operare, consum de reactivi de neutralizare (saruri de Ca sau amoniu).

Procedeul continuu - cunoscut încă din 1931. Fermentatorul de regim, care este elementul central al instalaţiei, este prevăzut

cu sistem automat de reglare a temperaturii (43 ± 10C) şi sisteme de dozare automată a zerului sterilizat, respectiv a suspensiei de lapte de var. Debitul de zer se reglează funcţie de conţinutul de acid lactic al mediului, care se elimină continuu din fermentator. Mediul din fermentator se colectează într-un rezevor intermediar şi parcurge etapele de coagulare, decantare şi prelucrări ulterioare.

Reducerea perioadei de lag, viteze mari de creştere, consum rapid de lactoză şi obţinerea unor concentraţii mari de acid lactic s-au obţinut prin suplimentarea mediului cu extract de drojdie şi microaerarea mediului.

Principalul neajuns al procedeului continuu constă în scăderea randamentului datorită timpului redus de fermentaţie. Creşterea randamentului se poate obţine prin:

- recircularea biomasei, care permite realizarea unor concentratii celulare ridicate in fermentator, obtinerea unor cantitati sporite de acid lactic la un timp de stationare mic. In acest mod de operare productivitatea acidului lactic se poate dubla prin cresterea vitezei de dilutie;

- trecerea mediului din fermentator în celula catodică a unei unităţi de electrodializă, unde are loc separarea acidului lactic format şi recircularea mediului în fermentator;

- utilizarea ultrafiltrarii pentru separarea acidului lactic pe masura formarii.