微量元素對(duì)檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

佟立峰 劉陽(yáng)陽(yáng) 商談 李躍龍

摘 要：檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)酸是一項(xiàng)重要的生產(chǎn)工藝，可以滿足許多需求大的酸的生產(chǎn)。過(guò)程中所產(chǎn)生的各種高品質(zhì)的酸可以滿足人們對(duì)各種有機(jī)酸以及無(wú)機(jī)酸的需求。而且一般利用檸檬酸發(fā)酵的工廠還可以用檸檬酸中和廢水，這項(xiàng)技術(shù)稱作生產(chǎn)檸檬酸的回用技術(shù)。鑒于檸檬酸可以給人們帶來(lái)愉悅的口感，而且可以給人體補(bǔ)充大量的微量元素CU2+、FE2+、ZN2+、MN2+、MG2+和PO3-4，以及維生素。由于檸檬酸在諸多領(lǐng)域中受到廣泛的應(yīng)用，使得人們利用檸檬酸已經(jīng)不僅僅局限在檸檬酸自身的高效利用上，現(xiàn)在廣泛的生產(chǎn)工藝是不斷地提高正常檸檬酸發(fā)酵效率，這對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝來(lái)說(shuō)具有重要的具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：微量元素;檸檬酸發(fā)酵;發(fā)酵產(chǎn)酸;發(fā)酵工藝流程

玉米作為一種常見的食品，受到大眾的廣泛喜愛。目前玉米已經(jīng)不僅僅局限在直接食用，利用玉米所產(chǎn)出的深加工產(chǎn)品，在不斷地走進(jìn)人們的生活中，以它作為原料，經(jīng)過(guò)深加工，也可以作為一種調(diào)味劑，用來(lái)調(diào)節(jié)口味等，比如檸檬酸。目前最先進(jìn)的檸檬酸發(fā)酵工藝是以淀粉乳作為原料進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵的過(guò)程中容易代謝，而且它的性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)于一些溶液來(lái)說(shuō)，檸檬酸具有緩沖作用。隨著外界對(duì)檸檬酸的需求越來(lái)越多，對(duì)于一些生產(chǎn)檸檬酸的工廠急需一種高效的方式來(lái)提高檸檬酸轉(zhuǎn)化技術(shù)水平，探究一些微量的元素含量對(duì)整個(gè)生產(chǎn)以及整個(gè)效益的提升度，而且必須做到產(chǎn)品全無(wú)毒，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特性。然而由于自產(chǎn)自銷的局限性，當(dāng)大量調(diào)味劑出現(xiàn)在市面上的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致檸檬酸的價(jià)格一路震蕩，如何將廉價(jià)的檸檬酸高效的利用，是否可以借鑒糧食或者葡萄釀酒一樣來(lái)進(jìn)一步地提高利用率。

一、微量元素以及檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)酸的概論

（一）檸檬酸的性質(zhì)

最早開始將檸檬酸進(jìn)行進(jìn)一步深加工的地區(qū)是北美和西歐，這些國(guó)家可以產(chǎn)出大量的產(chǎn)物。淀粉中含有大量的無(wú)機(jī)物、有機(jī)物，這些物質(zhì)對(duì)人體的健康發(fā)展有著重要的作用。據(jù)報(bào)道，檸檬酸具有延緩衰老的功效，這與里面富含的多種維生素以及豐富的微量元素有關(guān)。

（二）檸檬酸的生物合成的途徑

對(duì)于中國(guó)目前市場(chǎng)上的各類檸檬酸的銷售品來(lái)說(shuō)，主要的是來(lái)自于中國(guó)山東、安徽的一些檸檬酸生產(chǎn)公司，這些公司主要專研檸檬酸一系列的生產(chǎn)的以及加工的工藝流程，這種大型廠家的快速發(fā)展源自于一些小的檸檬酸生產(chǎn)廠商相繼退出市場(chǎng)，導(dǎo)致最后存留下來(lái)的產(chǎn)商可以根據(jù)市場(chǎng)的需求來(lái)確定公司的產(chǎn)量問(wèn)題?，F(xiàn)在市場(chǎng)上通用的是利用黑曲霉將檸檬酸轉(zhuǎn)化生產(chǎn)，具體的原理是利用微生物分解有機(jī)物，在微生物的一系列的呼吸作用以及自生的代謝中可以產(chǎn)生檸檬酸。最后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，將培養(yǎng)微生物的產(chǎn)物進(jìn)行分離以及高溫滅菌處理最后得到需要的產(chǎn)品，而且經(jīng)過(guò)深加工可以繼續(xù)產(chǎn)生一系列的其他的高純度的物質(zhì)。

二、檸檬酸的工業(yè)生產(chǎn)

（一）檸檬酸的工業(yè)生產(chǎn)及市場(chǎng)現(xiàn)狀

檸檬酸生產(chǎn)廠家增加的速度發(fā)展迅猛，導(dǎo)致產(chǎn)量遞增，檸檬酸的年產(chǎn)量在指數(shù)式的增長(zhǎng)。隨著競(jìng)爭(zhēng)的強(qiáng)度不斷增加，產(chǎn)商趨于壓低檸檬酸成品價(jià)格，導(dǎo)致很多檸檬酸生產(chǎn)企業(yè)有些沒(méi)有達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，過(guò)度的競(jìng)爭(zhēng)使得檸檬酸的需求增長(zhǎng)幅度逐漸地變得緩慢。

（二）發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸的菌種

目前工廠作業(yè)中使用的檸檬酸發(fā)酵菌種主要為黑曲霉，另外也有利用青霉菌進(jìn)行發(fā)酵的。相對(duì)而言，青霉菌（PENICILLIUM）不僅可以積累檸檬酸，還可以根據(jù)實(shí)際的需要以及不同的產(chǎn)酸菌株而進(jìn)行評(píng)估。在實(shí)際的產(chǎn)生檸檬酸的工藝中，最重要的步驟就是在檸檬酸合成酶作用下兩種產(chǎn)物生成檸檬酸。每種不同的發(fā)酵工藝雖然在細(xì)微的方面有差別，但是產(chǎn)酸的結(jié)果相同，都會(huì)產(chǎn)生異檸檬酸等副產(chǎn)物，在以糖質(zhì)原料為發(fā)酵底物生產(chǎn)檸檬酸時(shí)，所有的生產(chǎn)工藝都是檸檬酸菌株利用不同的發(fā)酵方式進(jìn)行高效的發(fā)酵產(chǎn)酸，雖然菌株有差異，但是具體的影響幾乎沒(méi)有。

（三）檸檬酸的工業(yè)生產(chǎn)方式

目前檸檬酸的工業(yè)化生產(chǎn)方式多種多樣，具有耐高滲透性的檸檬酸物種生命力十分的頑強(qiáng)，這為檸檬酸的大批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于人口分散或是對(duì)檸檬酸需求量大的地區(qū)，大力發(fā)展檸檬酸工業(yè)生產(chǎn)方面具有巨大的潛力。在具體生產(chǎn)的工藝過(guò)程中，其中使用固態(tài)發(fā)酵的設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易;相比來(lái)說(shuō)淺盤發(fā)酵（SF），需要更低的人工成本，而且會(huì)造成更低的污染風(fēng)險(xiǎn)，另外淺盤發(fā)酵有著較低的能量需求，會(huì)有著更高的轉(zhuǎn)化率;第三種的發(fā)酵的方式是深層發(fā)酵（SM F），這種發(fā)酵的方式的優(yōu)點(diǎn)是有更高的檸檬酸生產(chǎn)率。

三、不同種類的微量元素等化學(xué)因素對(duì)檸檬酸的生產(chǎn)的影響

如何實(shí)現(xiàn)多種微量元素的充分供給，以及通過(guò)調(diào)節(jié)含量進(jìn)一步地控制培養(yǎng)基中金屬元素的含量，可以在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中分別加入優(yōu)化的各種濃度金屬離子，以及多種以微量、痕量存在的非金屬離子使得檸檬酸發(fā)酵的工藝產(chǎn)量達(dá)到最佳的水平。

（一）CU2+對(duì)檸檬酸的生產(chǎn)的影響

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證加入不同濃度的CU2+時(shí)，測(cè)量其在不同濃度下的產(chǎn)酸量。當(dāng)CU2+超過(guò)1×10-5G/ML時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)相同的條件控制下，檸檬酸的產(chǎn)量隨著離子濃度的增加略有減少;當(dāng)CU2+低于1×10-5G/ML時(shí)，檸檬酸產(chǎn)酸隨之降低;由此可知CU2+達(dá)到1×10-5G/ML的CU2+時(shí)，產(chǎn)酸達(dá)到最高。

這具體的原因可能是，隨著CU2+加入量的增加，對(duì)黑曲霉產(chǎn)生毒害作用;當(dāng)CU2+缺乏時(shí)會(huì)影響黑曲霉的發(fā)育，同時(shí)也有可能是CU2+缺乏時(shí)會(huì)影響色素形成。在具體的檸檬酸的發(fā)酵過(guò)程中，必須加入適宜的濃度的CU2+，最終達(dá)到檸檬酸產(chǎn)量最高的情況。黑曲霉生長(zhǎng)代謝必不可少的因素，這里考慮的CU2+主要考慮到微生物的相關(guān)的黑曲霉發(fā)酵對(duì)檸檬酸合成的影響。

（二）FE2+對(duì)檸檬酸的生產(chǎn)的影響

在檸檬酸發(fā)酵的工藝中，常常采用控制培養(yǎng)基中金屬元素的含量進(jìn)而來(lái)探討對(duì)生產(chǎn)酸的含量的影響作用。長(zhǎng)期培養(yǎng)微生物后，廢水培養(yǎng)基往往對(duì)發(fā)酵帶來(lái)困難。在具體的培養(yǎng)中也得考慮多種金屬離子的混合作用，這樣可達(dá)到優(yōu)化培養(yǎng)基成分的功能。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探究得到，F(xiàn)E2+對(duì)檸檬酸的生產(chǎn)的影響主要影響培養(yǎng)基的酸堿性以及進(jìn)一步影響到其他離子，通過(guò)間接的作用影響工藝生產(chǎn)。

（三）ZN2+對(duì)檸檬酸的生產(chǎn)的影響

在實(shí)驗(yàn)論證的過(guò)程中，一般加入ZN2+時(shí)產(chǎn)酸反而下降。這種反常的現(xiàn)象與其他離子產(chǎn)生的作用大不同。另外就這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)同時(shí)加入MG2+、ZN2+時(shí)產(chǎn)酸又出現(xiàn)升高趨勢(shì)，具體的解釋，目前推測(cè)可能是ZN2+會(huì)使檸檬酸產(chǎn)量低于某一優(yōu)化濃度，濃度很低時(shí)微量元素的代謝失常，但是并非就意味沒(méi)有ZN2+時(shí)，檸檬酸的產(chǎn)量會(huì)提高。

（四）MN2+對(duì)檸檬酸的生產(chǎn)的影響

對(duì)于大多數(shù)原料來(lái)說(shuō)，MN2+往往是含量及其微少的。MN2+缺乏對(duì)發(fā)酵有害而無(wú)利，最直接的影響就是導(dǎo)致產(chǎn)酸減少，檸檬酸樣品的提取及精制過(guò)程都需要MN2+，添加適量的濃度，可以降低檸檬酸的發(fā)酵生產(chǎn)成本。

（五）MG2+對(duì)檸檬酸的生產(chǎn)的影響

實(shí)驗(yàn)中還有一個(gè)反常的現(xiàn)象是加入MG2+時(shí)產(chǎn)酸反而下降，然而若同時(shí)加入MG2+、ZN2+時(shí)產(chǎn)酸又出現(xiàn)升高趨勢(shì)。兩種或者兩種以上的金屬離子的混合作用會(huì)起到加倍的效果。具體的單獨(dú)加MG2+，導(dǎo)致的產(chǎn)量的減少，可能是由于添加的MG2+限制黑曲霉的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)酸的量直線的下降。

（六）PO3-4對(duì)檸檬酸的生產(chǎn)的影響

在探究的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)PO3-4與培養(yǎng)基中某些元素的比例適合時(shí)才會(huì)有利于檸檬酸的過(guò)量積累。添加優(yōu)化濃度的PO3-4后，檸檬酸產(chǎn)量與空白值接近，這就意味著PO3-4的影響不是單獨(dú)作用的，同時(shí)并非就意味著檸檬酸產(chǎn)量的提高與PO3-4無(wú)關(guān)，PO3-4濃度對(duì)檸檬酸產(chǎn)量也有重要的影響。

四、檸檬酸的提取以及主要的用途

檸檬酸的提取量從全年的統(tǒng)計(jì)來(lái)算，檸檬酸人均年消耗量約僅為0.1公斤，但是實(shí)際的消耗量遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于這個(gè)水平。具體的原因是，檸檬酸的用途比較廣泛，可以在醫(yī)藥、市場(chǎng)、農(nóng)業(yè)、以及其他行業(yè)都可以用到。但在生產(chǎn)的過(guò)程中會(huì)受到各種實(shí)際問(wèn)題所限制，而且根據(jù)每種不同的發(fā)酵工藝產(chǎn)生出來(lái)的產(chǎn)品以及產(chǎn)量均千差萬(wàn)別，這與檸檬酸發(fā)酵液成分復(fù)雜也有關(guān)系。究竟采用原始的檸檬酸進(jìn)行生產(chǎn)一系列的副產(chǎn)物，還是采用一些微生物的發(fā)酵工程來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)需要的產(chǎn)品。這就需要具體的問(wèn)題具體的分析，還需要根據(jù)不同的產(chǎn)酸菌株而進(jìn)行評(píng)估。在實(shí)際的生產(chǎn)的過(guò)程中，生產(chǎn)商可以根據(jù)每種產(chǎn)物從而制定不同的發(fā)酵工藝。在實(shí)際的檸檬酸的發(fā)酵的過(guò)程中，往往在最后發(fā)酵完之后還會(huì)有剩余的未消耗的營(yíng)養(yǎng)鹽，這里面含有多種成分，有不溶于水的檸檬酸鈣還有發(fā)酵過(guò)程中的副產(chǎn)物。對(duì)于產(chǎn)生的一些無(wú)用的雜質(zhì)往往采用鈣鹽法、萃取法來(lái)進(jìn)行提純產(chǎn)物。這里有一種傳統(tǒng)的檸檬酸提取方法，就是可以添加用途廣泛的添加劑，最后再用萃取液體以及分離的方法提取檸檬酸。

雖然目前國(guó)內(nèi)的檸檬酸市場(chǎng)尚未成熟，但是檸檬酸的主要的用途十分廣泛，尤其在飲料中的應(yīng)用前景十分廣闊，因此檸檬酸不斷地開發(fā)新工藝十分重要。檸檬酸的用途可以應(yīng)用在食品，農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計(jì)有64%應(yīng)用在食品和飲料，有22%應(yīng)用在洗滌產(chǎn)品，還有10%應(yīng)用在醫(yī)藥方面，這與檸檬酸有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和抗病能有關(guān);最后，還有2%應(yīng)用在化妝和美容方面，這部分占比最小，但卻是盈利最好的部分。

五、結(jié)語(yǔ)

不同的微量元素究竟會(huì)對(duì)檸檬酸發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生正面的影響還是負(fù)面的影響，與其添加量有緊密的關(guān)系。只要加入適量的各種離子就可以將發(fā)酵的產(chǎn)量提高到最佳的程度。若在實(shí)際的工藝生產(chǎn)過(guò)程中，改變微量元素的添加量可以改變檸檬酸產(chǎn)量，這就為工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了極大便利。除了上面用到的淀粉乳這種原料，是否可以將工藝應(yīng)用到脫胚玉米粉或土豆為原料領(lǐng)域，一旦原料廣泛起來(lái)，這一領(lǐng)域會(huì)變的潛力巨大。常探討的微量元素有CU2+、FE2+、ZN2+、MN2+、MG2+、PO3-4，微量的添加量就可以引起巨大的不同作用，這些催化作用的微量元素應(yīng)用前景十分廣闊。

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