乳酸分子式为C3H6O3[1]，又被称作2-羟基丙酸、丙醇酸等，可以利用富含淀粉、葡萄糖的原料通过化学合成制备乳酸。乳酸可以作为添加剂，几乎无毒副作用和抗药性、不易残留。乳酸理化性质稳定，可以与日粮混合均匀。乳酸作为浓度指示剂可以改善机体生理功能，预防疾病。乳酸在养殖业具有重要作用[2]，但存在生产成本过高、产量低、工艺复杂及难以大规模生产等问题[3]。低成本的原料、新的制备方法以及制备方法优化是现阶段研究的热点问题。目前，已发现多种低成本原料可以用于乳酸的制备，但仍需探索更多可以显著降低乳酸生产成本，提升大规模化生产的方法。1乳酸的生理生化性质乳酸具有一个手性碳原子，具有2种旋光异构体L-乳酸和D-乳酸，L-乳酸的结构式、D-乳酸的结构式见图1、图2[4]。2种旋光异构体等比例作用可合成DL-乳酸[5]。乳酸纯品为无色液体，具有吸湿性，易与水、酒精和乙醚等溶剂互溶，与氯仿、二硫化碳、石油醚和苯等溶剂很难互溶。乳酸熔点18 ℃、沸点122 ℃、解离常数1.37×10-4（25 ℃）、水溶液显酸性[6]。乳酸具有羟基和羧基官能团，可以通过氧化、脱水、还原和缩合等反应，生成丙酮酸、丙烯酸、乙酸、丙酸和聚乳酸等。乳酸的酸根离子聚集具有杀菌、抑菌等性质，将乳酸添加到饲料中可以抑制有害菌繁殖。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.10.033.F001图1L-乳酸的结构式10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.10.033.F002图2D-乳酸的结构式2乳酸的制备方法乳酸的制备方法有化学合成法[7]、酶化法[8]和微生物发酵法[9]等。化学合成法制备乳酸具有反应速度快、工艺简单等优点。具体包括乳腈法、丙酸法和丙烯-N2O4法等。目前，工业生产中大多采用乳腈法和丙酸法制备乳酸。但化学合成法存在污染环境、原料有毒等问题，应避免在食品中使用化学合成法制备的乳酸[7]。酶化法包括氯丙酸酶法转化和丙酮酸酶法转化。酶化法生产工艺复杂、生产成本高，使用酶化法难以大面积生产，已逐渐被微生物发酵法所取代[8]。微生物发酵法包括单批发酵、分批发酵以及基因突变等。微生物发酵法产物安全性高、发酵条件温和、产品专一，被广泛应用于乳酸的制备。该方法生产的乳酸具有产物光学纯度高、能耗小、副产物少、生产成本低等优点[10]。3乳酸的制备原料目前，制备乳酸的原料有粮食、农业废弃物、食品工业废弃物和有机固体废料等。粮食中含有丰富的葡萄糖和淀粉等物质，可以作为生产乳酸的原料。Oh等[11]以大麦、小麦为原料，利用淀粉酶水解，粪肠球菌发酵制备乳酸，得到乳酸产量为0.8 g/(L·h)。Manandhar等[12]分别利用细菌、真菌和酵母菌发酵玉米生产乳酸，发现原料成本分别占乳酸总生产成本的44%、44%和39%。这说明使用粮食为乳酸的生产原料成本较高，需要寻找成本低的替代原料用以制备乳酸。3.1农业废弃物我国是农业大国，每年有大量农业废弃物产生。利用农业废弃物为原料生产乳酸，可以有效减少资源浪费，显著降低乳酸生产成本。Ahring等[13]利用凝固芽孢杆菌发酵玉米秸秆制备乳酸，探索乳酸制备的最佳pH值和停留时间，发现pH值6.0、停留时间50 ℃时，乳酸最大产量为3.69 g/(L·h)。Xu等[14]利用凝固芽孢杆菌h-1进行分批补料发酵甘蔗糖蜜制备乳酸，发现在最佳工艺条件下，乳酸浓度达168.3 g/L。3.2食品工业废弃物食品工业废弃物在食品加工过程中产生，含有丰富的碳水化合物、蛋白质、微量元素等营养物质。利用食品工业废弃物制备乳酸，可以避免直接丢弃所造成环境污染，增加乳酸的原料的种类，显著降低乳酸生产成本。Caballero等[15]利用鼠李糖乳杆菌发酵乳清制备乳酸。发现在温度40 ℃、pH值5.5、曝气率0.1 m3/(m3·min)、蛋白酶0.5% v/v条件下，乳酸浓度为42.0 g/L。Pejin等[16]使用乳杆菌Lactobacillus rhamnosus ATCC7469发酵啤酒酵母粉，通过优化啤酒酵母粉的添加量来增加乳酸产率，发现酵母粉添加量在50 g/L时，乳酸产量为0.89 g/（L·h）。3.3有机固体废料有机固体废料包括食品垃圾、厨房或花园等地中的有机弃物等[17]。有机固体废料难以降解，会破坏环境，散发难闻的气味。Kwan等[18]分别以混合食物废物水解物、混合食物废物粉、烘焙废液3种水解液为原料，利用干酪乳杆菌发酵制备乳酸，最终乳酸转化率分别为0.27、0.25及0.23 g/g。Bustamante等[19]利用乳酸菌发酵柑橘皮废水解液，发现发酵工艺为pH值5.7，温度44 ℃时，D-乳酸产量高达90%。我国是人口大国，垃圾产生量巨大，利用有机固体废料为原料生产乳酸，可以解决废料堆放的空间不足问题，减少环境污染。4乳酸在养殖业中的应用乳酸及其聚合物具有预防疾病、提高免疫力、调节pH值、促进动物生长繁殖、增加动物肠道有益菌群和减少病死率的发生等功能，可以促进养殖业发展。乳酸是机体内部的中间代谢产物，其浓度可作为动物健康指标[20]。食用大量高精饲料会导致动物乳酸中毒，削弱动物消化能力，降低采食量，降低肉品质[21]。动物体内乳酸浓度过高会诱发养殖动物体内疾病。通过接种乳酸利用菌调节动物体内乳酸浓度或向饲料中添加离子载体类抗生素制备乳酸复合型饲料等方法可以减轻动物疾病的发生[22]。4.1乳酸在饲料工业中的应用4.1.1用作添加剂乳酸具有系酸力，可以中和动物胃中的盐酸。但幼龄动物胃中的胃酸较少，食用正常的日粮会造成胃酸匮乏。在饲料中添加酸化剂可以降低饲料pH值和系酸力，减轻幼龄动物发生消化道疾病的概率[23]。徐青青等[24]将乳酸型复合酸化剂添加到白羽肉鸡日常饮水中，探究其对肉鸡生长性能、养分利用率、肠道指标和鸡舍空气质量的影响，发现该饮用水可以显著提高肉鸡平均日增重，降低大肠杆菌数量，提高小肠消化酶活性，增加小肠吸收面积，降低鸡舍氨气和硫化氢浓度。郑文才等[25]向饲粮中添加有机复合酸化剂富乳酸，探究其对肉鸡生产性能和消化功能的影响，发现饲粮中添加富乳酸能够促进肉鸡消化系统的发育和消化酶的分泌，提高肉鸡饲料转化率，促进肉鸡的生长。王树艳等[26]将乳酸作为pH值调节剂添加进三黄鸡的日常饮水中，使用方差分析法确定最佳的乳酸pH值，发现pH值4.0时，三黄鸡的采食量增加，饲料转化率显著提高0.65%，重量显著提高3.33%，病死率显著降低4.7%。Hu等[27]从含有4%乳酸的猪饲料中分离得到菌株C.Butyricum LY33，并证明该菌株可以利用乳酸改善猪的肠道功能，显著降低猪肠道中氨氮浓度和pH值。张婧婧等[28]向日粮中添加以乳酸为主要原料的微囊型酸化剂和吸附型酸化剂，探究其对哺乳母猪生产性能、初乳成分和肠道菌群结构的影响，发现乳酸微囊型酸化剂可以增加仔猪体重，提高营养物质的消化率，增强仔猪产率，降低大肠杆菌数量，改善肠道菌群结构。上述研究表明，乳酸具有降低动物胃肠道pH值，促进动物生长等优点，可作为酸化剂代替抗生素应用于饲料工业。将乳酸直接添加到饲料中可以增加动物胃肠道内的有益菌活性，抑制腐败菌的生长，增强动物的抗病能力。蒋俊劼[29]使用含有2%的乳酸和1%的谷氨酰胺液态饲料喂养断奶的猪仔，发现添加乳酸的饲料具有改善猪仔肠道屏障功能和消化功能，减少腹泻，提高生长率和饲料转化率等优点。Vtterl等[30]给猪饲喂2.5%的乳酸溶液浸泡的谷物饲料，发现该饲料可以增加盲肠短链脂肪酸浓度，增强日粮猪矿物质和磷酸盐的吸收量。张婷婷[31]将乳酸改性沸石作为饲料添加剂添加到日粮中，发现该日粮可使患病鸡重量显著提高13.84%，肉鸡脾脏指数降低55.8%，肠道内乳酸杆菌数显著增加，沙门氏菌数显著降低。冯尚连等[32]将6 g/kg乳酸添加到仔猪饲料中，发现添加乳酸可以降低饲料和动物胃内pH值，显著提高仔猪胃蛋白酶活性，提高仔猪消化能力。非伤寒沙门氏菌定植在动物肠道内，可以产生大量内毒素和肠毒素，诱发疾病。Willamil等[33]将0.4%的乳酸溶液作为添加剂添加到猪饲料中，发现该饲料可以显著降低猪体内沙门氏菌的数量，促使其正常生长繁殖。Martín-Peláez等[34]在猪饲料中添加0.4%甲酸和乳酸混合物，发现该饲料可以显著影响沙门氏菌在猪体内定值，促使双歧杆菌和乳酸菌等有益菌数量增加。上述试验表明，乳酸作为添加剂应用于饲料行业，可以促进动物生长，是一种安全、无污染的添加剂。4.1.2制备乳酸复合型饲料乳酸复合型饲料具有增强食欲，促进营养成分转化，提高增重率等作用，可以通过微生物发酵法制备，经工艺优化后可以饲喂动物。Ma等[35]利用米根霉发酵中药残渣制备乳酸，在米根霉的添加量为10%、pH值为6.5的条件下，乳酸浓度和产率分别为46.78 g/L和0.97 g/(L·h)。项娟等[36]利用正交试验优化乳酸菌发酵酒糟生产乳酸化饲料的条件，发现在温度50 ℃、乳酸菌接种量2.5%、发酵时间12 h时，饲料中乳酸含量达3.6%，饲料中粗蛋白、氨基酸含量和乳酸菌活菌数均明显升高。王赫等[37]利用植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌发酵乳酸混合饲料，发现发酵5 d时，乳酸含量及乳酸菌数最适，分别为137.15 mmol/kg和19.0×107 g。Mladenovi等[38]利用副干酪乳杆菌发酵糖蜜和马铃薯等原料制备乳酸复合型饲料，通过模拟反刍动物的消化道探究该饲料对动物的影响。结果显示，该饲料具有抗氧化和抗菌活性，且具有较高的营养价值，饲喂该饲料可以提高畜禽抗病能力，为后续饲料工业化生产提供依据。4.2乳酸在动物养殖中的应用4.2.1乳酸在动物饲养中的应用乳酸可以作为生长促进剂添加到饲料中，具有促进营养物质消化吸收、增强免疫力等优点，也可以应用于动物的饲养。王四新等[39]向猪饲粮中添加干酪乳杆菌，发现添加乳酸可以促进肠道菌群对饲料中营养物质的消化、吸收，有利于猪健康生长。向枭等[40]利用单因素试验确定鲫鱼饲料中乳酸的最佳添加量，发现当乳酸添加量为0.2%时，鲫鱼的生长率和蛋白吸收效率均达到最大值，分别为2.31%和2.06%。Javid等[41]向罗氏唇鱼饲料中添加乳酸等有机酸，发现该有机酸可以提高营养物质的消化率，增强消化酶活性，促进鱼类生长繁殖。Thomas等[42]将乳酸、中链脂肪酸等有机酸加入猪饲料中，发现饲料中添加有机酸可以减少动物肠道内细菌数量，增强小肠对营养物质的吸收，提高猪的生长性能。王丽娜等[43]取仔猪屠宰后的空肠和回肠混合食糜，建立其肠道菌群离体模型，并探究不同有机酸对肠道微生物菌群的影响。结果显示，当乙酸的浓度为15 mmol/L时，可以促进双歧杆菌属的增值；乳酸的浓度为10 mmol/L时，可以显著促进乳杆菌属和双歧杆菌属等有益菌的增殖。大部分有机酸浓度达到10~15 mmol/L时，均可以抑制沙门菌和大肠埃希菌等病原菌的增殖。乳酸应用于动物饲养方向，可抑制病原菌、促进动物健康生长。4.2.2乳酸在动物医学中的应用乳酸具有杀菌、抑制细菌的生长繁殖等优点，可用于治疗疾病[44]。乳酸的代谢反应已成为医学领域重要的研究课题。栾海云等[45]采用液相色谱法测定小鼠中血乳酸含量，探究注射药物是否会改变其体内乳酸含量从而延缓疲劳。研究显示，注射药物可以显著降低血乳酸含量，加快乳酸代谢，具有明显抗疲劳作用。苏惠冰等[46]利用单因素方差分析确定乳酸的含量，探究其对中华绒螯蟹组织体内残留的恩诺沙星的影响，研究表明，0.3%乳酸有助于消除动物血淋巴、肝胰腺和肌肉组织中的药物。Lawson等[47]利用阻抗聚集测量法探究由乳酸积累引起的酸血症对动物血液中血小板的影响，发现酸血症可以使动物血液中血小板聚集显著减少，且免疫力下降。Qian等[48]发现，将乳酸作为新型杀菌剂可以降低鸡腿pH值，降低脂质氧化的现象，增加亚硝酸盐含量，但含量仍在安全范围之内。上述试验表明，乳酸可预防和治疗疾病，对动物养殖领域有重大研究意义。4.2.3乳酸聚合物在动物医学中的应用乳酸的羧基和羟基官能团经化学反应可以制成乳酸聚合物——聚乳酸[49]。聚乳酸具有良好的延展性和相容性，且可降解。Ali等[50]向聚乳酸中添加玻璃纤维和镁丝等生物活性物质，将其作为可降解聚合物应用于医学治疗中。结果表明，该聚合物具有较高的力学性能和生物相容性，可应用于手术缝合线中。程磊等[51]将聚乳酸肋骨钉和纯钛环抱器植入兔子体内，以乳酸浓度与炎性反应为指标，探究两者对于兔子的影响。结果表明，聚乳酸肋骨钉与纯钛环抱器在兔体内的炎性反应相当，无明显差异，将聚乳酸肋骨钉植入后未增加兔体内的乳酸浓度。杨顺燚[52]将聚乳酸口腔隔离膜应用于犬牙槽骨缺损修复中，利用X线检查组织病理学检查探究其对犬的影响。研究表明，缺损区可见新生骨小梁，膜可降解且未见明显炎症反应。聚乳酸口腔隔离膜在犬牙槽骨缺损修复中有较可靠的引导骨再生效果。Ensari等[53]利用聚乳酸作为白化豚鼠的中耳保护膜，探究其对白化豚鼠中耳黏膜和耳蜗的影响。研究显示，该膜可以防止耳膜和中耳黏膜之间的粘连，且无毒性副作用。可见，聚乳酸可以作为缝合材料、假体、植入物和黏附屏障膜等，应用于动物治疗，提高动物治愈率。5展望乳酸具有刺激味蕾细胞增殖，增加动物食欲，提高采食量等功能，目前在饲料领域和养殖领域扮演重要的角色。可以通过合理饲喂乳酸添加剂，优化日粮配方、改进饲喂模式等方法，促进反刍动物生长繁殖。利用微生物发酵废弃物生产乳酸可以节约成本，避免导致疾病。近年来，对微生物发酵技术的研究越来越多，主要包括共培养细胞菌群、代谢工程、基因工程以及固定化技术等。代谢工程可以通过通路重定向、异源基因表达和鸟枪法突变等方法，增强发酵菌株的耐酸性，增加乳酸产量并减少副产物的生成。除了利用传统的发酵技术，还可以对菌株进行基因组进行诱变处理，使其具有新的突变菌株，扩大乳酸产量并在饲料生产中得到应用。但目前还存在技术复杂以及乳酸产量较低等问题。未来的研究中可以从以下几个方面着手：在自然界或通过基因工程技术筛选出更多可生产乳酸的菌株；探索更多可生产乳酸的废弃物原料以降低生产成本；优化现有乳酸复合型饲料的生产工艺或研发出新的饲料制备方法，使其更利于工业大规模生产，增加饲料产量；探索乳酸在饲料领域的更多应用，强化乳酸的综合利用率。