微量元素对柠檬酸发酵产酸的影响

    佟立峰 刘阳阳 商谈 李跃龙

    摘 要：柠檬酸发酵产酸是一项重要的生产工艺，可以满足许多需求大的酸的生产。过程中所产生的各种高品质的酸可以满足人们对各种有机酸以及无机酸的需求。而且一般利用柠檬酸发酵的工厂还可以用柠檬酸中和废水，这项技术称作生产柠檬酸的回用技术。鉴于柠檬酸可以给人们带来愉悦的口感，而且可以给人体补充大量的微量元素CU2+、FE2+、ZN2+、MN2+、MG2+和PO3-4，以及维生素。由于柠檬酸在诸多领域中受到广泛的应用，使得人们利用柠檬酸已经不仅仅局限在柠檬酸自身的高效利用上，现在广泛的生产工艺是不断地提高正常柠檬酸发酵效率，这对整个生产工艺来说具有重要的具有参考价值。

    关键词：微量元素;柠檬酸发酵;发酵产酸;发酵工艺流程

    玉米作为一种常见的食品，受到大众的广泛喜爱。目前玉米已经不仅仅局限在直接食用，利用玉米所产出的深加工产品，在不断地走进人们的生活中，以它作为原料，经过深加工，也可以作为一种调味剂，用来调节口味等，比如柠檬酸。目前最先进的柠檬酸发酵工艺是以淀粉乳作为原料进行发酵，在发酵的过程中容易代谢，而且它的性质稳定，对于一些溶液来说，柠檬酸具有缓冲作用。随着外界对柠檬酸的需求越来越多，对于一些生产柠檬酸的工厂急需一种高效的方式来提高柠檬酸转化技术水平，探究一些微量的元素含量对整个生产以及整个效益的提升度，而且必须做到产品全无毒，经济实惠等特性。然而由于自产自销的局限性，当大量调味剂出现在市面上的时候，就会导致柠檬酸的价格一路震荡，如何将廉价的柠檬酸高效的利用，是否可以借鉴粮食或者葡萄酿酒一样来进一步地提高利用率。

    一、微量元素以及柠檬酸发酵产酸的概论

    （一）柠檬酸的性质

    最早开始将柠檬酸进行进一步深加工的地区是北美和西欧，这些国家可以产出大量的产物。淀粉中含有大量的无机物、有机物，这些物质对人体的健康发展有着重要的作用。据报道，柠檬酸具有延缓衰老的功效，这与里面富含的多种维生素以及丰富的微量元素有关。

    （二）柠檬酸的生物合成的途径

    对于中国目前市场上的各类柠檬酸的销售品来说，主要的是来自于中国山东、安徽的一些柠檬酸生产公司，这些公司主要专研柠檬酸一系列的生产的以及加工的工艺流程，这种大型厂家的快速发展源自于一些小的柠檬酸生产厂商相继退出市场，导致最后存留下来的产商可以根据市场的需求来确定公司的产量问题。现在市场上通用的是利用黑曲霉将柠檬酸转化生产，具体的原理是利用微生物分解有机物，在微生物的一系列的呼吸作用以及自生的代谢中可以产生柠檬酸。最后经过一段时间后，将培养微生物的产物进行分离以及高温灭菌处理最后得到需要的产品，而且经过深加工可以继续产生一系列的其他的高纯度的物质。

    二、柠檬酸的工业生产

    （一）柠檬酸的工业生产及市场现状

    柠檬酸生产厂家增加的速度发展迅猛，导致产量递增，柠檬酸的年产量在指数式的增长。随着竞争的强度不断增加，产商趋于压低柠檬酸成品价格，导致很多柠檬酸生产企业有些没有达到环保标准，过度的竞争使得柠檬酸的需求增长幅度逐渐地变得缓慢。

    （二）发酵生产柠檬酸的菌种

    目前工厂作业中使用的柠檬酸发酵菌种主要为黑曲霉，另外也有利用青霉菌进行发酵的。相对而言，青霉菌（PENICILLIUM）不仅可以积累柠檬酸，还可以根据实际的需要以及不同的产酸菌株而进行评估。在实际的产生柠檬酸的工艺中，最重要的步骤就是在柠檬酸合成酶作用下两种产物生成柠檬酸。每种不同的发酵工艺虽然在细微的方面有差别，但是产酸的结果相同，都会产生异柠檬酸等副产物，在以糖质原料为发酵底物生产柠檬酸时，所有的生产工艺都是柠檬酸菌株利用不同的发酵方式进行高效的发酵产酸，虽然菌株有差异，但是具体的影响几乎没有。

    （三）柠檬酸的工业生产方式

    目前柠檬酸的工业化生产方式多种多样，具有耐高渗透性的柠檬酸物种生命力十分的顽强，这为柠檬酸的大批量生产奠定了基础。对于人口分散或是对柠檬酸需求量大的地区，大力发展柠檬酸工业生产方面具有巨大的潜力。在具体生产的工艺过程中，其中使用固态发酵的设备简单、操作容易;相比来说浅盘发酵（SF），需要更低的人工成本，而且会造成更低的污染风险，另外浅盘发酵有着较低的能量需求，会有着更高的转化率;第三种的发酵的方式是深层发酵（SM F），这种发酵的方式的优点是有更高的柠檬酸生产率。

    三、不同种类的微量元素等化学因素对柠檬酸的生产的影响

    如何实现多种微量元素的充分供给，以及通过调节含量进一步地控制培养基中金属元素的含量，可以在实验的过程中分别加入优化的各種浓度金属离子，以及多种以微量、痕量存在的非金属离子使得柠檬酸发酵的工艺产量达到最佳的水平。

    （一）CU2+对柠檬酸的生产的影响

    在实验验证加入不同浓度的CU2+时，测量其在不同浓度下的产酸量。当CU2+超过1×10-5G/ML时，会发现相同的条件控制下，柠檬酸的产量随着离子浓度的增加略有减少;当CU2+低于1×10-5G/ML时，柠檬酸产酸随之降低;由此可知CU2+达到1×10-5G/ML的CU2+时，产酸达到最高。

    这具体的原因可能是，随着CU2+加入量的增加，对黑曲霉产生毒害作用;当CU2+缺乏时会影响黑曲霉的发育，同时也有可能是CU2+缺乏时会影响色素形成。在具体的柠檬酸的发酵过程中，必须加入适宜的浓度的CU2+，最终达到柠檬酸产量最高的情况。黑曲霉生长代谢必不可少的因素，这里考虑的CU2+主要考虑到微生物的相关的黑曲霉发酵对柠檬酸合成的影响。

    （二）FE2+对柠檬酸的生产的影响

    在柠檬酸发酵的工艺中，常常采用控制培养基中金属元素的含量进而来探讨对生产酸的含量的影响作用。长期培养微生物后，废水培养基往往对发酵带来困难。在具体的培养中也得考虑多种金属离子的混合作用，这样可达到优化培养基成分的功能。经过实验探究得到，FE2+对柠檬酸的生产的影响主要影响培养基的酸碱性以及进一步影响到其他离子，通过间接的作用影响工艺生产。

    （三）ZN2+对柠檬酸的生产的影响

    在实验论证的过程中，一般加入ZN2+时产酸反而下降。这种反常的现象与其他离子产生的作用大不同。另外就这个问题进行实验，发现同时加入MG2+、ZN2+时产酸又出现升高趋势，具体的解释，目前推测可能是ZN2+会使柠檬酸产量低于某一优化浓度，浓度很低时微量元素的代谢失常，但是并非就意味没有ZN2+时，柠檬酸的产量会提高。

    （四）MN2+对柠檬酸的生产的影响

    对于大多数原料来说，MN2+往往是含量及其微少的。MN2+缺乏对发酵有害而无利，最直接的影响就是导致产酸减少，柠檬酸样品的提取及精制过程都需要MN2+，添加适量的浓度，可以降低柠檬酸的发酵生产成本。

    （五）MG2+对柠檬酸的生产的影响

    实验中还有一个反常的现象是加入MG2+时产酸反而下降，然而若同时加入MG2+、ZN2+时产酸又出现升高趋势。两种或者两种以上的金属离子的混合作用会起到加倍的效果。具体的单独加MG2+，导致的产量的减少，可能是由于添加的MG2+限制黑曲霉的生长，从而导致柠檬酸发酵产酸的量直线的下降。

    （六）PO3-4对柠檬酸的生产的影响

    在探究的实验中，当PO3-4与培养基中某些元素的比例适合时才会有利于柠檬酸的过量积累。添加优化浓度的PO3-4后，柠檬酸产量与空白值接近，这就意味着PO3-4的影响不是单独作用的，同时并非就意味着柠檬酸产量的提高与PO3-4无关，PO3-4浓度对柠檬酸产量也有重要的影响。

    四、柠檬酸的提取以及主要的用途

    柠檬酸的提取量从全年的统计来算，柠檬酸人均年消耗量约仅为0.1公斤，但是實际的消耗量远远的高于这个水平。具体的原因是，柠檬酸的用途比较广泛，可以在医药、市场、农业、以及其他行业都可以用到。但在生产的过程中会受到各种实际问题所限制，而且根据每种不同的发酵工艺产生出来的产品以及产量均千差万别，这与柠檬酸发酵液成分复杂也有关系。究竟采用原始的柠檬酸进行生产一系列的副产物，还是采用一些微生物的发酵工程来进行生产需要的产品。这就需要具体的问题具体的分析，还需要根据不同的产酸菌株而进行评估。在实际的生产的过程中，生产商可以根据每种产物从而制定不同的发酵工艺。在实际的柠檬酸的发酵的过程中，往往在最后发酵完之后还会有剩余的未消耗的营养盐，这里面含有多种成分，有不溶于水的柠檬酸钙还有发酵过程中的副产物。对于产生的一些无用的杂质往往采用钙盐法、萃取法来进行提纯产物。这里有一种传统的柠檬酸提取方法，就是可以添加用途广泛的添加剂，最后再用萃取液体以及分离的方法提取柠檬酸。

    虽然目前国内的柠檬酸市场尚未成熟，但是柠檬酸的主要的用途十分广泛，尤其在饮料中的应用前景十分广阔，因此柠檬酸不断地开发新工艺十分重要。柠檬酸的用途可以应用在食品，农业等诸多领域，据统计有64%应用在食品和饮料，有22%应用在洗涤产品，还有10%应用在医药方面，这与柠檬酸有较强的环境适应性和抗病能有关;最后，还有2%应用在化妆和美容方面，这部分占比最小，但却是盈利最好的部分。

    五、结语

    不同的微量元素究竟会对柠檬酸发酵过程产生正面的影响还是负面的影响，与其添加量有紧密的关系。只要加入适量的各种离子就可以将发酵的产量提高到最佳的程度。若在实际的工艺生产过程中，改变微量元素的添加量可以改变柠檬酸产量，这就为工业生产带来了极大便利。除了上面用到的淀粉乳这种原料，是否可以将工艺应用到脱胚玉米粉或土豆为原料领域，一旦原料广泛起来，这一领域会变的潜力巨大。常探讨的微量元素有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，这些催化作用的微量元素应用前景十分广阔。

    参考文献：

    [1]程芳，齐鸿雁，杨建州，张洪勋.微量元素对柠檬酸废水发酵回用的影响[J].环境污染治理技术与设备，2000（01）：20-26.

    [2]王凌飞.基因工程菌株Yarrowia lipolytica30利用菊芋提取液产柠檬酸的研究[D].中国海洋大学，2013.

    [3]代真真.黑曲霉柠檬酸发酵过程研究及其优化[D].华东理工大学，2011.