徐世君　張瑞　張明康　崔玉理　陳懷成

摘 要：為了開發(fā)一種生物型水泥基材料外加劑，本文首先通過培養(yǎng)乳酸菌，分離出代謝產(chǎn)物，測定乳酸含量，并測試了代謝產(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，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，購自上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。高速冷凍離心機(jī)，購自日本日立集團(tuán);超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，購自寧波新芝生物科技股份有限公司;恒溫振蕩培養(yǎng)箱，購自太倉市華美生化儀器廠;雷磁PHS-25精密pH計(jì)，購自上海儀電科學(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，顯微鏡下檢查沒無完整菌體，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，需要對乳酸含量進(jìn)行測定、處理。乳酸含量的測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)過六次平行測量，測得發(fā)酵液中平均乳酸含量為28.53g/L。

1.4 理化性能測試

本文以萘系減水劑和通用培養(yǎng)基作對比，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值測定。外加劑的酸堿性會(huì)影響混凝土拌合物的性能，必須測定并調(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)平行測定三次pH值，取平均值作為最終測定結(jié)果。

（2）固含量測定。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)表面張力儀測定表面張力。

（4）測定結(jié)果與分析。測定各組外加劑的pH值、固含量及其表面張力如表1所示?？瞻讓φ战M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》對凈漿流動(dòng)度、減水率以及砂漿抗壓抗折強(qiáng)度進(jìn)行測試，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，分別測定空白、萘系、純?nèi)樗帷⑴囵B(yǎng)基和代謝產(chǎn)物的水泥凈漿流動(dòng)度。

（1）流動(dòng)度測定。用水泥凈漿流動(dòng)度作為評價(jià)外加劑對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）減水率測定。通過測定水泥凈漿的流動(dòng)度，來計(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）測定結(jié)果與分析。添加各外加劑的凈漿流動(dòng)度測試結(jié)果和凈漿減水率測定結(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，萘系減水劑對砂漿抗壓抗折性能的增強(qiáng)作用最明顯，而培養(yǎng)基對砂漿力學(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，并測定其中的乳酸含量，測試了代謝產(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)：

[1]Cooper D G，Zajic J E.Surface-Active Compounds from Microorganisms[J].Advances in applied microbiology，1980，26：229-253.

[2]Rita de Cássia Freire Soares da Silva，Almeida D G D，Brasileiro P P F，et al.Production，formulation and cost estimation of a commercial biosurfactant[J].Biodegradation，2019，30：191-201.

[3]周家春.乳酸菌菌種的簡便分離和培養(yǎng)[J].食品科學(xué)，1998，19，（01）：39-41.

[4]楊云喜，李佩，徐岳松，等.產(chǎn)抗菌肽乳酸菌的分離、鑒定及培養(yǎng)條件優(yōu)化[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2014，20，（05）：817-824.

[5]姜吉?jiǎng)?氣相色譜法測定小鼠血清中乳酸的含量[J].廣東化工，2018，045，（022）：105-106.

[6]程連勇，龔建貴，曾艷，等.不同緩凝劑對水泥凝結(jié)時(shí)間的影響[J].混凝土世界，2017，97，（7）：86-93.

*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。