乳酸桿菌代謝產(chǎn)物用于水泥基材料外加劑的研究

徐世君　張瑞　張明康　崔玉理　陳懷成

摘 要：為了開(kāi)發(fā)一種生物型水泥基材料外加劑，本文首先通過(guò)培養(yǎng)乳酸菌，分離出代謝產(chǎn)物，測(cè)定乳酸含量，并測(cè)試了代謝產(chǎn)物的理化性能。最后，將代謝產(chǎn)物作為外加劑應(yīng)用到水泥基材料中，測(cè)試了水泥凈漿流動(dòng)度、減水率以及砂漿抗壓抗折強(qiáng)度。結(jié)果表明，乳酸含量為28.53g/L，固含量為3.85%，表面張力為50.4mN·m-1。代謝產(chǎn)物減水率達(dá)到21.9%，養(yǎng)護(hù)至28天時(shí)，發(fā)現(xiàn)代謝產(chǎn)物對(duì)拌合物性能和力學(xué)性能的影響與萘系減水劑效果相近。表明該代謝產(chǎn)物經(jīng)處理后具有用作水泥基材料外加劑的潛力。

關(guān)鍵詞：乳酸桿菌;外加劑;水泥基材料

隨著當(dāng)前發(fā)展環(huán)境友好型社會(huì)的趨勢(shì)，傳統(tǒng)化學(xué)合成的水泥基材料外加劑的缺點(diǎn)日益明顯，如能耗高、污染重等。開(kāi)發(fā)一種綠色環(huán)保的生物型外加劑，成為目前水泥基材料外加劑研究的新途徑。生物表面活性劑是由微生物所產(chǎn)生的具有表面活性的生物大分子物質(zhì)[1]。這種表面活性劑可能作為水泥基材料外加劑的主要成分，而乳酸菌的代謝產(chǎn)物屬于便生物表面活性劑范疇。與化學(xué)合成的表面活性劑相比，生物表面活性劑具有降低表面張力、穩(wěn)定乳化液、無(wú)毒和可降解等優(yōu)點(diǎn)[2]。隨著發(fā)展要求和環(huán)保要求的提高，生物表面活性劑將有更廣闊的應(yīng)用前景，有可能成為化學(xué)合成表面活性劑的替代品。

1 乳酸桿菌代謝產(chǎn)物的分離、含量及理化性能

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

乳酸，分析純，購(gòu)自上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。高速冷凍離心機(jī)，購(gòu)自日本日立集團(tuán);超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，購(gòu)自寧波新芝生物科技股份有限公司;恒溫振蕩培養(yǎng)箱，購(gòu)自太倉(cāng)市華美生化儀器廠;雷磁PHS-25精密pH計(jì)，購(gòu)自上海儀電科學(xué)儀器公司。

1.2 代謝產(chǎn)物的分離

本文參考文獻(xiàn)[3，4]進(jìn)行乳酸桿菌的發(fā)酵培養(yǎng)，此處不再贅述。乳酸桿菌發(fā)酵液中含有大量菌體和代謝產(chǎn)物，將發(fā)酵原液直接作為外加劑加入混凝土中，會(huì)造成混凝土增稠、強(qiáng)度降低等不利影響。因此，首先需要將代謝產(chǎn)物與菌體分離。試驗(yàn)過(guò)程為：將發(fā)酵液用超聲波粉碎儀，在300W條件下，每間隔5s處理5s，超聲粉碎30min，顯微鏡下檢查沒(méi)無(wú)完整菌體，然后以4℃，6000r/min離心10min，收集上清液，即為代謝產(chǎn)物提取物。

1.3 乳酸含量測(cè)定

乳酸桿菌代謝產(chǎn)物復(fù)雜，發(fā)酵后的培養(yǎng)基中，除了殘余培養(yǎng)基外，含有多種代謝成分。除乳酸外，還有微量的蘋(píng)果酸、富馬酸等，以及少量葡萄糖等物質(zhì)。這些物質(zhì)會(huì)不同程度影響代謝產(chǎn)物的減水效果，進(jìn)而影響混凝土的各項(xiàng)性能。因此，需要對(duì)乳酸含量進(jìn)行測(cè)定、處理。乳酸含量的測(cè)定可采用滴定法高效液相色譜法和酶法等[5]。本研究采用酸堿滴定法，以酚酞為指示劑，用1mol/L的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定發(fā)酵液，計(jì)算發(fā)酵液中乳酸含量。

用分析天平稱取NaOH固體20g，用去離子水溶解后，冷卻到室溫，轉(zhuǎn)移至容量瓶中，定容至500mL，備用。用移液管量取4mL發(fā)酵液，移入100mL錐形瓶中，量取36mL去離子水，倒入錐形瓶后搖勻。向錐形瓶中滴加2～3滴酚酞指示劑，用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，記下液面初始高度V0和滴定終點(diǎn)V1。

發(fā)酵液中乳酸含量按式（1）計(jì)算：

經(jīng)過(guò)六次平行測(cè)量，測(cè)得發(fā)酵液中平均乳酸含量為28.53g/L。

1.4 理化性能測(cè)試

本文以萘系減水劑和通用培養(yǎng)基作對(duì)比，考查代謝產(chǎn)物、萘系減水劑和通用培養(yǎng)基的pH值、固含量和表面張力等理化性能。

（1）pH值測(cè)定。外加劑的酸堿性會(huì)影響混凝土拌合物的性能，必須測(cè)定并調(diào)整代謝產(chǎn)物的pH值。首先采用標(biāo)準(zhǔn)溶液校準(zhǔn)pH計(jì)，然后取25mL發(fā)酵液于50mL的小燒杯中，采用pH計(jì)平行測(cè)定三次pH值，取平均值作為最終測(cè)定結(jié)果。

（2）固含量測(cè)定。將菌液用超聲破碎儀破碎后，在4℃，6000r/min的條件下離心30分鐘，取上清液作為代謝產(chǎn)物。取一定質(zhì)量代謝產(chǎn)物W1，置于干燥的表面皿中，覆蓋其底部，放于60℃恒溫干燥箱中干燥24h后取出稱重，記為W2。

固含量按式（2）計(jì)算：

（3）表面張力測(cè)定。在去離子水中分別加入一定量的外加劑，按固含量計(jì)，萘系減水劑為4g，代謝產(chǎn)物和培養(yǎng)基均為5g，采用全自動(dòng)表面張力儀測(cè)定表面張力。

（4）測(cè)定結(jié)果與分析。測(cè)定各組外加劑的pH值、固含量及其表面張力如表1所示?？瞻讓?duì)照組為去離子水，pH值為6～7，表面張力為75.2mN/m。

由表1可知，萘系減水劑為弱堿性，其對(duì)水泥拌合物的表面張力幾乎可以忽略;代謝產(chǎn)物呈酸性，可以大幅降低混凝土孔溶液的表面張力;培養(yǎng)基為中性，其降低表面張力的能力略低于代謝產(chǎn)物，但兩者均強(qiáng)于萘系減水劑。

2 乳酸桿菌代謝產(chǎn)物在水泥基材料中的應(yīng)用

將酸性的代謝產(chǎn)物用氫氧化鈉調(diào)節(jié)至6.5-7.0，然后作為外加劑應(yīng)用到水泥基材料中。按照J(rèn)GJ56-1984《混凝土減水劑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法》對(duì)凈漿流動(dòng)度、減水率以及砂漿抗壓抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，并將代謝產(chǎn)物的減水、增強(qiáng)效果同萘系減水劑、純?nèi)樗嵋约芭囵B(yǎng)基對(duì)比。

2.1 水泥凈漿試驗(yàn)

本文以南京江南小野田公司生產(chǎn)的PⅡ·52.5型水泥為膠凝材料，分別測(cè)定空白、萘系、純?nèi)樗?、培養(yǎng)基和代謝產(chǎn)物的水泥凈漿流動(dòng)度。

（1）流動(dòng)度測(cè)定。用水泥凈漿流動(dòng)度作為評(píng)價(jià)外加劑對(duì)水泥分散效果的宏觀指標(biāo)，試驗(yàn)按GB/T-2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》中規(guī)定的水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行。

（2）減水率測(cè)定。通過(guò)測(cè)定水泥凈漿的流動(dòng)度，來(lái)計(jì)算各減水劑在水泥凈漿中的減水率。試驗(yàn)方法如下：

①測(cè)定摻減水劑的凈漿流動(dòng)度的步驟同上，控制減水劑摻量均為0.5%，記下達(dá)到同一流動(dòng)度H時(shí)各組的用水量W1;②測(cè)定要達(dá)到流動(dòng)度H，不摻外加劑時(shí)凈漿所需的用水量。試驗(yàn)步驟與上述基本相同，區(qū)別在于不加外加劑，加入的水量為估計(jì)用水量。采用逐步逼近，使加入重量為W0的水時(shí)，凈漿流動(dòng)度達(dá)到（H±5）mm;③減水率WR按式（3）計(jì)算：

（3）測(cè)定結(jié)果與分析。添加各外加劑的凈漿流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果和凈漿減水率測(cè)定結(jié)果如表2所示。

由表2可知，萘系減水劑的減水效果較好，代謝產(chǎn)物比培養(yǎng)基的減水效果略高，略低于萘系減水劑的減水效果，和乳酸的減水效果相近。這種原因可能是代謝產(chǎn)物作為生物表面活性劑在水泥顆粒表面吸附水分子形成一層潤(rùn)滑作用的穩(wěn)定水膜，能有效地增加混凝土拌合物的流動(dòng)性。表面張力越小，潤(rùn)滑作用越強(qiáng)。

2.2 水泥砂漿試驗(yàn)

以水為空白，分別添加萘系、純?nèi)樗?、培養(yǎng)基和代謝產(chǎn)物作為外加劑，成型五種水泥砂漿試件，測(cè)定不同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)的抗壓抗折強(qiáng)度。將萘系減水劑、純?nèi)樗?、培養(yǎng)基及代謝產(chǎn)物摻入水泥及標(biāo)準(zhǔn)砂中，攪拌5min，成型水泥砂漿試塊。外加劑摻量（按固含量計(jì)）均為1%。砂漿配比如表3所示。

水泥砂漿試件成型和強(qiáng)度測(cè)定方法按照GB/T50081-2002要求進(jìn)行。試塊成型后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)3d、7d和28d，取出分別測(cè)定砂漿試件的抗壓抗折強(qiáng)度。五種水泥砂漿試件分別養(yǎng)護(hù)3d、7d和28d抗壓抗折強(qiáng)度對(duì)比如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2的結(jié)果可知，萘系減水劑對(duì)砂漿抗壓抗折性能的增強(qiáng)作用最明顯，而培養(yǎng)基對(duì)砂漿力學(xué)性能具有降低作用。原因可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)基中含有大量的葡萄糖溶液，對(duì)水泥砂漿造成嚴(yán)重的緩凝作用，最終影響強(qiáng)度形成[6]。代謝產(chǎn)物的增強(qiáng)效果略高于乳酸，與萘系減水劑效果接近。研究結(jié)果表明，代謝產(chǎn)物中的生物活性劑具有一定的減水效果，可以作為外加劑用于水泥基材料中，從而改善其物理力學(xué)性能。

3 結(jié)論

（1）本研究分離了乳酸菌的代謝產(chǎn)物，并測(cè)定其中的乳酸含量，測(cè)試了代謝產(chǎn)物的理化性能。發(fā)酵液中平均乳酸含量為28.53g/L，代謝產(chǎn)物pH值為4.97，固含量為3.85%，表面張力為50.4mN·m-1。

（2）將代謝產(chǎn)物作為外加劑應(yīng)用到水泥基材料中，測(cè)試了水泥凈漿流動(dòng)度、減水率以及砂漿抗壓抗折強(qiáng)度。代謝產(chǎn)物減水率達(dá)到21.9%，養(yǎng)護(hù)28天時(shí)，添加代謝產(chǎn)物的砂漿抗折強(qiáng)度為11.9MPa，抗壓強(qiáng)度為63.2MPa，其對(duì)拌合物性能和力學(xué)性能影響與萘系減水劑效果相近。這表明該代謝產(chǎn)物經(jīng)處理后具有用于水泥基材料外加劑的良好前景。

參考文獻(xiàn)：

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*通訊作者：徐世君（1971-），男，漢族，山東沂水人，碩士研究生，副教授，研究方向：高性能混凝土材料。