1.1　乳酸

1.1.1　乳酸的來源

PLA的合成最早是通過乳酸（C₃H₆O₃）分子鏈間縮聚得到的，目前生產PLA的單體乳酸主要以可再生植物資源（玉米、馬鈴薯、甜菜、木薯等植物根莖葉）中的淀粉、蔗糖、纖維素等為原料，經糖化、微生物發酵得到乳酸，再經提取和純化得到高純度乳酸^{［17～20］}。乳酸的基本性質見表1-1。

1.1.2　乳酸的合成

乳酸可由化學途徑^［27］或微生物發酵^{［27～32］}生產。1950年，第一個化學合成的商品化乳酸產品在日本出現。首先通過乙醛和氫氰化物制備乳腈，再經二級水解得到乳酸。微生物發酵是將碳水化合物轉化為乳酸，其生產工藝主要包括植物類原料的糖化、發酵、提取和純化等步驟^{［33～37］}。

發酵法生產的乳酸具有高光學純度的特點，保證了在食品、醫藥領域的安全應用。淀粉類植物主要是玉米、馬鈴薯等^{［20，21］}，糖類材料如乳清、糖漿等^{［34，38，39］}，纖維素如農作物秸稈等^{［35，40］}，經過糖化過程生成葡萄糖等產物，再經發酵處理得到乳酸（見圖1-1）。其中，葡萄糖和菌種的濃度、發酵溫度、體系的pH值等工藝參數的控制是得到高轉化率乳酸的關鍵^{［41～46］}。制備結晶、高熔點PLA需要高光學純度的乳酸。并不是所有的微生物發酵法都可以生產高光學純度的乳酸，一部分微生物發酵可以生成外消旋混合物^［47］。因此，必須選擇適當的菌種以滿足質量要求。

提取和純化工藝是獲得高純度乳酸的關鍵^{［48～53］}。在微生物發酵過程中也可能產生其他的代謝產物，例如酸類（乙酸、甲酸）、醇類（乙醇）、酯類、殘留糖、含氮化合物等，影響到乳酸的質量。傳統的乳酸提取工藝方法是向發酵液中加入碳酸鈣以中和乳酸生成乳酸鈣，再加入硫酸等強酸與乳酸鈣反應得到乳酸；工業上一種提取乳酸的方法是通過萃取技術在發酵液中提取乳酸；近年來，電滲析方法也被用于提取乳酸，這種方法不僅避免了硫酸鈣副產物生成，而且可以降低生產成本，是代替傳統的提取工藝的一種理想方法；此外，制備純度更高的乳酸產品常采用乳酸酯化的方法。乳酸的提取和純化工藝方法及優缺點見表1-2。

1.1.3　乳酸的結構

乳酸的化學結構名稱是2-羥基丙酸，乳酸的結構式如圖1-2所示。其中包含一個羥基和一個羧酸基團，二者可以發生分子間和分子內的綜合反應，前者生成線形的二聚體乳酰乳酸（lactoyl lactic acid）；后者可能生成環狀二聚體丙交酯（lactide）；通常丙交酯的制備方法是乳酸的分子內酯化或乳酸低聚物的裂解。這一系列反應均為平衡反應，反應過程見圖1-3。

乳酸分子中有一個手性碳原子，具有旋光性，存在兩種旋光異構體，即L-乳酸或S-乳酸（左旋乳酸）、D-乳酸或R-乳酸（右旋乳酸），分子結構如圖1-4所示。微生物發酵法是生產乳酸的主要方法，所制備的乳酸為L-乳酸，特殊的菌種可制備D-乳酸。采取化學合成法得到的乳酸是L-乳酸和D-乳酸的混合物，記作DL-乳酸，又被稱為外消旋乳酸。