摘 要：檸檬酸是一種廣泛分布于動(dòng)、植物與微生物細(xì)胞中的有機(jī)酸，在食品、工業(yè)、醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。檸檬酸的生產(chǎn)分為發(fā)酵和提取兩部分，其中發(fā)酵又可分為固態(tài)發(fā)酵、液態(tài)淺盤發(fā)酵和深層發(fā)酵三類。在發(fā)酵過程中，菌種、原料以及環(huán)境溫度等因素都會(huì)對(duì)檸檬酸的產(chǎn)量和質(zhì)量造成影響，因此需要采用新型的發(fā)酵工藝，對(duì)發(fā)酵過程中的可變因素進(jìn)行優(yōu)化控制。

關(guān)鍵詞：檸檬酸；發(fā)酵工藝；應(yīng)用分析；進(jìn)展

引言

為了滿足各個(gè)行業(yè)對(duì)檸檬酸的使用需求，許多國家都在檸檬酸的制取方面展開了研究，發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸最早出現(xiàn)在19世紀(jì)末期，該方法具有便于控制、省時(shí)省力、產(chǎn)量高等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前制取檸檬酸的主要方法。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的不斷成熟，將高產(chǎn)菌株應(yīng)用到檸檬酸發(fā)酵中，能夠顯著提高檸檬酸的發(fā)酵效率。文章首先指出了檸檬酸在各個(gè)行業(yè)的重要應(yīng)用，隨后對(duì)其發(fā)酵過程進(jìn)行了具體分析，最后對(duì)發(fā)酵工藝取得的新進(jìn)展進(jìn)行了概述。

1 檸檬酸的應(yīng)用

1.1 在食品行業(yè)的應(yīng)用

檸檬酸具有溫和的酸味，常常被用于各種飲料、糖果、罐頭等食品的制作中。檸檬酸除了用作調(diào)味劑外，還具有一定的抗氧化性，也經(jīng)常被用作密封食品的防腐劑。除了直接利用外，將檸檬酸進(jìn)行深加工，還能將其制作成各種各樣的產(chǎn)品。在早上空腹飲用一杯檸檬水，還能夠刺激腸胃蠕動(dòng)和消化，增強(qiáng)食欲。日常飲用檸檬水，還具有一定的美容功效。目前，在整個(gè)有機(jī)酸的市場(chǎng)中，檸檬酸的市場(chǎng)占有率超過一半。

1.2 在工業(yè)行業(yè)的應(yīng)用

檸檬酸是一種常用的化學(xué)實(shí)驗(yàn)試劑，在軟化水質(zhì)、消除沉淀物等方面有較好的作用。利用檸檬酸的水溶液清洗化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還能夠避免實(shí)驗(yàn)設(shè)備表層附著各種灰塵和其他類型的懸浮物；檸檬酸-檸檬酸鈉的緩沖液還是工業(yè)煙氣脫硫的重要原料之一。將煤炭燃燒所產(chǎn)生的氣體排放到檸檬酸-檸檬酸鈉的緩沖液中，能夠有效吸收氣體中混雜的二氧化硫，從而降低了空氣污染和酸雨的危害。

1.3 在醫(yī)藥方面的應(yīng)用

檸檬酸在醫(yī)藥領(lǐng)域常被用作體外抗凝劑，起到傷口止血的作用。這是因?yàn)闄幟仕嶂械乃岣x子和鈣例子能夠相互結(jié)合，生成一種難溶的膠凝狀物質(zhì)。由于血液中部分鈣離子從游離態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)，因此血液的流動(dòng)受阻，從而起到了凝血止血的作用。

2 檸檬酸的發(fā)酵過程

2.1 檸檬酸發(fā)酵的方法

目前較為常用的檸檬酸發(fā)酵方法有三類，分別是固態(tài)發(fā)酵、液態(tài)淺盤發(fā)酵和深層發(fā)酵。其中，固態(tài)發(fā)酵的主要材料是含有淀粉的各種農(nóng)副產(chǎn)品。在準(zhǔn)備好原料之后，配制培養(yǎng)基，將材料放置于高溫環(huán)境下蒸煮；將蒸煮后的材料放置與無菌環(huán)境下冷卻，待溫度降至接種溫度后，將材料放入曲盤中，并給予特殊的溫度和濕度，促進(jìn)材料發(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)在于操作流程簡單，對(duì)設(shè)備的要求也比較低，但是發(fā)酵質(zhì)量不高；液態(tài)淺盤發(fā)酵的主要材料是糖蜜，利用糖蜜制作培養(yǎng)液，然后將配制好的培養(yǎng)液（無菌）放置于發(fā)酵盤中，在無菌環(huán)境下接入菌種，等待發(fā)酵完成。這種發(fā)育方法的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)酵質(zhì)量好，且對(duì)設(shè)備要求低，但是需要嚴(yán)格控制發(fā)酵過程中的各種因素；深層發(fā)酵的原理與淺盤發(fā)酵類似，但是其流程較多，發(fā)酵質(zhì)量較高，但是對(duì)設(shè)備、技術(shù)要求嚴(yán)格。例如，深層發(fā)酵中需要使用到攪拌器、冷卻裝置以及消泡器等。

2.2 檸檬酸發(fā)酵的工藝條件

檸檬酸發(fā)酵工藝對(duì)菌種、原料、環(huán)境等因素都有嚴(yán)格的要求，其中任何一項(xiàng)要求不達(dá)標(biāo)，都會(huì)對(duì)檸檬酸發(fā)酵的產(chǎn)量和質(zhì)量產(chǎn)生影響。通常情況下，優(yōu)良的檸檬酸發(fā)酵菌種都是從腐爛水果中提取，并通過生物培養(yǎng)得到的。在獲取優(yōu)良的菌種后，還需要嚴(yán)格控制發(fā)酵過程中的溫度、pH等可變因素，以確保檸檬酸發(fā)酵始終處于最佳的環(huán)境。本文以黑曲霉菌為例，對(duì)檸檬酸發(fā)酵工藝的條件控制進(jìn)行說明。

首先，黑曲霉菌最佳的產(chǎn)酸溫度約為（29±2）℃，溫度過低則會(huì)影響黑曲霉菌的生物活性，發(fā)酵時(shí)間會(huì)大大延長；溫度過高則會(huì)生成一些雜質(zhì)，甚至?xí)苯訉?dǎo)致黑曲霉菌失活。因此，檸檬酸發(fā)酵要在恒溫環(huán)境下進(jìn)行。其次，黑曲霉菌產(chǎn)酸的適宜pH是2-4，這一酸性環(huán)境下能夠產(chǎn)生大量檸檬酸，而不會(huì)生成草酸和葡萄糖酸。再次，隨著發(fā)酵時(shí)間和菌體數(shù)量的不斷增加，培養(yǎng)液中的氧含量會(huì)相應(yīng)的減少，當(dāng)氧含量低于一定數(shù)值后，黑曲霉菌的活性受到制約，產(chǎn)酸速率降低。針對(duì)這一問題，可以通過加快攪拌的方式，來增加培養(yǎng)液表面的空氣流動(dòng)速度，進(jìn)而提升培養(yǎng)液的含氧量。最后，收集所得的檸檬酸發(fā)酵液，并采用物理或化學(xué)方法進(jìn)行提純，將發(fā)酵液中含有的草酸、大分子蛋白質(zhì)等雜質(zhì)分離出去，得到純度較高的檸檬酸。

3 檸檬酸發(fā)酵工藝新進(jìn)展

通過分析檸檬酸代謝途徑，發(fā)現(xiàn)不同的二氧化碳濃度下，檸檬酸的合成速度也有一定差異，通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明，適當(dāng)調(diào)控檸檬酸發(fā)酵過程中二氧化碳濃度，對(duì)其發(fā)酵速率和最終產(chǎn)量有重要影響。二氧化碳不僅是微生物的代謝產(chǎn)物，而且是多種微生物進(jìn)行生物合成反應(yīng)的必要原料。二氧化碳能夠?qū)ξ⑸锇l(fā)酵產(chǎn)生刺激作用，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)檸檬酸發(fā)酵環(huán)境中二氧化碳濃度高于0.90mol/L時(shí)，微生物的生物活性開始降低。黑曲霉菌在檸檬酸發(fā)酵過程中充當(dāng)催化劑，從而加速了培養(yǎng)液中丙酮酸和磷酸合成草酰乙酸（草酰乙酸進(jìn)一步轉(zhuǎn)化生產(chǎn)檸檬酸），而草酰乙酸的合成速率與二氧化碳的暗固定速率成正比關(guān)系。由此可知，要想加快檸檬酸的發(fā)酵產(chǎn)量和質(zhì)量，需要將更多的二氧化碳固定反應(yīng)生成草酰乙酸。在明確這一思路后，可以通過基因工程來提高丙酮酸的基因表達(dá)能力，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。

目前檸檬酸在微生物中代謝途徑方面的研究，大多認(rèn)為乙醇和甲醇是檸檬酸生成及積累的重要原料。其他檸檬酸循環(huán)酶的活動(dòng)略有增加。通過添加乙醇導(dǎo)致檸檬酸積累增加可能是因?yàn)榫徛嘶臋幟仕犭S之減少順烏頭酸酶的活性?？赡軙?huì)被轉(zhuǎn)換為乙醇的乙酰輔酶a檸檬酸形成所需。甲醇不是由黑曲霉同化，但不清楚它確切的作用在刺激檸檬酸生產(chǎn)的檸檬酸的哪個(gè)部位。甲醇的存在可能會(huì)增加細(xì)胞對(duì)檸檬酸的滲透性。已經(jīng)研究甲醇在黑曲霉代謝中的那些方面的作用導(dǎo)致檸檬酸積累。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，甲醇的加入沒有抑制細(xì)胞對(duì)蛋白質(zhì)合成和吸收，從而導(dǎo)致培養(yǎng)的菌絲體對(duì)形成氨基酸的肽和有蛋白質(zhì)混合的低分子醛酮類化合物的合成增加，特別是在早期階段。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，增加甲醇會(huì)使三羧酸循環(huán)中一些酶的活性變化，使它們適合檸檬酸積累。

4 檸檬酸發(fā)酵工藝的展望

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，利用現(xiàn)代生物技術(shù)來提高檸檬酸發(fā)酵的產(chǎn)量和質(zhì)量，從技術(shù)層面上來說具有較高的可行度。近年來，隨著細(xì)胞工程、基因誘變技術(shù)的不斷成熟，利用生物技術(shù)手段優(yōu)化檸檬酸發(fā)酵工藝的成本也會(huì)越來越低，這也是當(dāng)前檸檬酸發(fā)酵工藝不斷優(yōu)化和發(fā)展的方向之一。

除此之外，通過開展檸檬酸生物合成途徑的研究，可以有效指導(dǎo)生物合成途徑的遺傳修飾從而調(diào)節(jié)微生物對(duì)檸檬酸的生產(chǎn)、增加檸檬酸產(chǎn)量和提高檸檬酸的積累。在較好理解檸檬酸生物合成途徑的基礎(chǔ)上，利用遺傳工程和代謝工程對(duì)檸檬酸的代謝途徑進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，構(gòu)建新型的產(chǎn)檸檬酸酸基因工程菌。深入開展檸檬酸生物合成代謝調(diào)控研究提高蘋果酸產(chǎn)量，也可為提高其他有機(jī)酸產(chǎn)量的研究奠定基礎(chǔ)。

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作者簡介：王文華（1970，10-），男，漢族，藉貫：云南祿豐，職稱：工程師。