柠檬酸发酵工艺新进展探究

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摘 要：柠檬酸是一种广泛分布于动、植物与微生物细胞中的有机酸，在食品、工业、医药等多个领域有着重要应用。柠檬酸的生产分为发酵和提取两部分，其中发酵又可分为固态发酵、液态浅盘发酵和深层发酵三类。在发酵过程中，菌种、原料以及环境温度等因素都会对柠檬酸的产量和质量造成影响，因此需要采用新型的发酵工艺，对发酵过程中的可变因素进行优化控制。

关键词：柠檬酸；发酵工艺；应用分析；进展

引言

为了满足各个行业对柠檬酸的使用需求，许多国家都在柠檬酸的制取方面展开了研究，发酵法生产柠檬酸最早出现在19世纪末期，该方法具有便于控制、省时省力、产量高等优势，成为当前制取柠檬酸的主要方法。随着现代生物技术的不断成熟，将高产菌株应用到柠檬酸发酵中，能够显著提高柠檬酸的发酵效率。文章首先指出了柠檬酸在各个行业的重要应用，随后对其发酵过程进行了具体分析，最后对发酵工艺取得的新进展进行了概述。

1 柠檬酸的应用

1.1 在食品行业的应用

柠檬酸具有温和的酸味，常常被用于各种饮料、糖果、罐头等食品的制作中。柠檬酸除了用作调味剂外，还具有一定的抗氧化性，也经常被用作密封食品的防腐剂。除了直接利用外，将柠檬酸进行深加工，还能将其制作成各种各样的产品。在早上空腹饮用一杯柠檬水，还能够刺激肠胃蠕动和消化，增强食欲。日常饮用柠檬水，还具有一定的美容功效。目前，在整个有机酸的市场中，柠檬酸的市场占有率超过一半。

1.2 在工业行业的应用

柠檬酸是一种常用的化学实验试剂，在软化水质、消除沉淀物等方面有较好的作用。利用柠檬酸的水溶液清洗化学实验设备，还能够避免实验设备表层附着各种灰尘和其他类型的悬浮物；柠檬酸-柠檬酸钠的缓冲液还是工业烟气脱硫的重要原料之一。将煤炭燃烧所产生的气体排放到柠檬酸-柠檬酸钠的缓冲液中，能够有效吸收气体中混杂的二氧化硫，从而降低了空气污染和酸雨的危害。

1.3 在医药方面的应用

柠檬酸在医药领域常被用作体外抗凝剂，起到伤口止血的作用。这是因为柠檬酸中的酸根离子和钙例子能够相互结合，生成一种难溶的胶凝状物质。由于血液中部分钙离子从游离态转化为固态，因此血液的流动受阻，从而起到了凝血止血的作用。

2 柠檬酸的发酵过程

2.1 柠檬酸发酵的方法

目前较为常用的柠檬酸发酵方法有三类，分别是固态发酵、液态浅盘发酵和深层发酵。其中，固态发酵的主要材料是含有淀粉的各种农副产品。在准备好原料之后，配制培养基，将材料放置于高温环境下蒸煮；将蒸煮后的材料放置与无菌环境下冷却，待温度降至接种温度后，将材料放入曲盘中，并给予特殊的温度和湿度，促进材料发酵。固态发酵的优势在于操作流程简单，对设备的要求也比较低，但是发酵质量不高；液态浅盘发酵的主要材料是糖蜜，利用糖蜜制作培养液，然后将配制好的培养液（无菌）放置于发酵盘中，在无菌环境下接入菌种，等待发酵完成。这种发育方法的优点是发酵质量好，且对设备要求低，但是需要严格控制发酵过程中的各种因素；深层发酵的原理与浅盘发酵类似，但是其流程较多，发酵质量较高，但是对设备、技术要求严格。例如，深层发酵中需要使用到搅拌器、冷却装置以及消泡器等。

2.2 柠檬酸发酵的工艺条件

柠檬酸发酵工艺对菌种、原料、环境等因素都有严格的要求，其中任何一项要求不达标，都会对柠檬酸发酵的产量和质量产生影响。通常情况下，优良的柠檬酸发酵菌种都是从腐烂水果中提取，并通过生物培养得到的。在获取优良的菌种后，还需要严格控制发酵过程中的温度、pH等可变因素，以确保柠檬酸发酵始终处于最佳的环境。本文以黑曲霉菌为例，对柠檬酸发酵工艺的条件控制进行说明。

首先，黑曲霉菌最佳的产酸温度约为（29±2）℃，温度过低则会影响黑曲霉菌的生物活性，发酵时间会大大延长；温度过高则会生成一些杂质，甚至会直接导致黑曲霉菌失活。因此，柠檬酸发酵要在恒温环境下进行。其次，黑曲霉菌产酸的适宜pH是2-4，这一酸性环境下能够产生大量柠檬酸，而不会生成草酸和葡萄糖酸。再次，随着发酵时间和菌体数量的不断增加，培养液中的氧含量会相应的减少，当氧含量低于一定数值后，黑曲霉菌的活性受到制约，产酸速率降低。针对这一问题，可以通过加快搅拌的方式，来增加培养液表面的空气流动速度，进而提升培养液的含氧量。最后，收集所得的柠檬酸发酵液，并采用物理或化学方法进行提纯，将发酵液中含有的草酸、大分子蛋白质等杂质分离出去，得到纯度较高的柠檬酸。

3 柠檬酸发酵工艺新进展

通过分析柠檬酸代谢途径，发现不同的二氧化碳浓度下，柠檬酸的合成速度也有一定差异，通过进一步实验证明，适当调控柠檬酸发酵过程中二氧化碳浓度，对其发酵速率和最终产量有重要影响。二氧化碳不仅是微生物的代谢产物，而且是多种微生物进行生物合成反应的必要原料。二氧化碳能够对微生物发酵产生刺激作用，实验数据表明，当柠檬酸发酵环境中二氧化碳浓度高于0.90mol/L时，微生物的生物活性开始降低。黑曲霉菌在柠檬酸发酵过程中充当催化剂，从而加速了培养液中丙酮酸和磷酸合成草酰乙酸（草酰乙酸进一步转化生产柠檬酸），而草酰乙酸的合成速率与二氧化碳的暗固定速率成正比关系。由此可知，要想加快柠檬酸的发酵产量和质量，需要将更多的二氧化碳固定反应生成草酰乙酸。在明确这一思路后，可以通过基因工程来提高丙酮酸的基因表达能力，进而达到预期的实验效果。

目前柠檬酸在微生物中代谢途径方面的研究，大多认为乙醇和甲醇是柠檬酸生成及积累的重要原料。其他柠檬酸循环酶的活动略有增加。通过添加乙醇导致柠檬酸积累增加可能是因为缓慢退化的柠檬酸随之减少顺乌头酸酶的活性。可能会被转换为乙醇的乙酰辅酶a柠檬酸形成所需。甲醇不是由黑曲霉同化，但不清楚它确切的作用在刺激柠檬酸生产的柠檬酸的哪个部位。甲醇的存在可能会增加细胞对柠檬酸的渗透性。已经研究甲醇在黑曲霉代谢中的那些方面的作用导致柠檬酸积累。实验发现，甲醇的加入没有抑制细胞对蛋白质合成和吸收，从而导致培养的菌丝体对形成氨基酸的肽和有蛋白质混合的低分子醛酮类化合物的合成增加，特别是在早期阶段。实验还发现，增加甲醇会使三羧酸循环中一些酶的活性变化，使它们适合柠檬酸积累。

4 柠檬酸发酵工艺的展望

科学技术是第一生产力，利用现代生物技术来提高柠檬酸发酵的产量和质量，从技术层面上来说具有较高的可行度。近年来，随着细胞工程、基因诱变技术的不断成熟，利用生物技术手段优化柠檬酸发酵工艺的成本也会越来越低，这也是当前柠檬酸发酵工艺不断优化和发展的方向之一。

除此之外，通过开展柠檬酸生物合成途径的研究，可以有效指导生物合成途径的遗传修饰从而调节微生物对柠檬酸的生产、增加柠檬酸产量和提高柠檬酸的积累。在较好理解柠檬酸生物合成途径的基础上，利用遗传工程和代谢工程对柠檬酸的代谢途径进行重新设计，建新型的产柠檬酸酸基因工程菌。深入开展柠檬酸生物合成代谢调控研究提高苹果酸产量，也可为提高其他有机酸产量的研究奠定基础。

参考文献

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[3]丁亚波，王志伟，刘杰，等.柠檬酸发酵废渣制备高纯度氨基葡萄糖盐酸盐的工艺研究[J].北方药学，2013（03）：41-42.

作者简介：王文华（1970，10-），男，汉族，藉贯：云南禄丰，职称：工程师。