檸檬酸發酵工藝新進展探究

摘 要：檸檬酸是一種廣泛分布于動、植物與微生物細胞中的有機酸，在食品、工業、醫藥等多個領域有著重要應用。檸檬酸的生產分為發酵和提取兩部分，其中發酵又可分為固態發酵、液態淺盤發酵和深層發酵三類。在發酵過程中，菌種、原料以及環境溫度等因素都會對檸檬酸的產量和質量造成影響，因此需要采用新型的發酵工藝，對發酵過程中的可變因素進行優化控制。

關鍵詞：檸檬酸；發酵工藝；應用分析；進展

引言

為了滿足各個行業對檸檬酸的使用需求，許多國家都在檸檬酸的制取方面展開了研究，發酵法生產檸檬酸最早出現在19世紀末期，該方法具有便于控制、省時省力、產量高等優勢，成為當前制取檸檬酸的主要方法。隨著現代生物技術的不斷成熟，將高產菌株應用到檸檬酸發酵中，能夠顯著提高檸檬酸的發酵效率。文章首先指出了檸檬酸在各個行業的重要應用，隨后對其發酵過程進行了具體分析，最后對發酵工藝取得的新進展進行了概述。

1 檸檬酸的應用

1.1 在食品行業的應用

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。檸檬酸除了用作調味劑外，還具有一定的抗氧化性，也經常被用作密封食品的防腐劑。除了直接利用外，將檸檬酸進行深加工，還能將其制作成各種各樣的產品。在早上空腹飲用一杯檸檬水，還能夠刺激腸胃蠕動和消化，增強食欲。日常飲用檸檬水，還具有一定的美容功效。目前，在整個有機酸的市場中，檸檬酸的市場占有率超過一半。

1.2 在工業行業的應用

檸檬酸是一種常用的化學實驗試劑，在軟化水質、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實驗設備，還能夠避免實驗設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煙氣脫硫的重要原料之一。將煤炭燃燒所產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 在醫藥方面的應用

檸檬酸在醫藥領域常被用作體外抗凝劑，起到傷口止血的作用。這是因為檸檬酸中的酸根離子和鈣例子能夠相互結合，生成一種難溶的膠凝狀物質。由于血液中部分鈣離子從游離態轉化為固態，因此血液的流動受阻，從而起到了凝血止血的作用。

2 檸檬酸的發酵過程

2.1 檸檬酸發酵的方法

目前較為常用的檸檬酸發酵方法有三類，分別是固態發酵、液態淺盤發酵和深層發酵。其中，固態發酵的主要材料是含有淀粉的各種農副產品。在準備好原料之后，配制培養基，將材料放置于高溫環境下蒸煮；將蒸煮后的材料放置與無菌環境下冷卻，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，促進材料發酵。固態發酵的優勢在于操作流程簡單，對設備的要求也比較低，但是發酵質量不高；液態淺盤發酵的主要材料是糖蜜，利用糖蜜制作培養液，然后將配制好的培養液（無菌）放置于發酵盤中，在無菌環境下接入菌種，等待發酵完成。這種發育方法的優點是發酵質量好，且對設備要求低，但是需要嚴格控制發酵過程中的各種因素；深層發酵的原理與淺盤發酵類似，但是其流程較多，發酵質量較高，但是對設備、技術要求嚴格。例如，深層發酵中需要使用到攪拌器、冷卻裝置以及消泡器等。

2.2 檸檬酸發酵的工藝條件

檸檬酸發酵工藝對菌種、原料、環境等因素都有嚴格的要求，其中任何一項要求不達標，都會對檸檬酸發酵的產量和質量產生影響。通常情況下，優良的檸檬酸發酵菌種都是從腐爛水果中提取，并通過生物培養得到的。在獲取優良的菌種后，還需要嚴格控制發酵過程中的溫度、pH等可變因素，以確保檸檬酸發酵始終處于最佳的環境。本文以黑曲霉菌為例，對檸檬酸發酵工藝的條件控制進行說明。

首先，黑曲霉菌最佳的產酸溫度約為（29±2）℃，溫度過低則會影響黑曲霉菌的生物活性，發酵時間會大大延長；溫度過高則會生成一些雜質，甚至會直接導致黑曲霉菌失活。因此，檸檬酸發酵要在恒溫環境下進行。其次，黑曲霉菌產酸的適宜pH是2-4，這一酸性環境下能夠產生大量檸檬酸，而不會生成草酸和葡萄糖酸。再次，隨著發酵時間和菌體數量的不斷增加，培養液中的氧含量會相應的減少，當氧含量低于一定數值后，黑曲霉菌的活性受到制約，產酸速率降低。針對這一問題，可以通過加快攪拌的方式，來增加培養液表面的空氣流動速度，進而提升培養液的含氧量。最后，收集所得的檸檬酸發酵液，并采用物理或化學方法進行提純，將發酵液中含有的草酸、大分子蛋白質等雜質分離出去，得到純度較高的檸檬酸。

3 檸檬酸發酵工藝新進展

通過分析檸檬酸代謝途徑，發現不同的二氧化碳濃度下，檸檬酸的合成速度也有一定差異，通過進一步實驗證明，適當調控檸檬酸發酵過程中二氧化碳濃度，對其發酵速率和最終產量有重要影響。二氧化碳不僅是微生物的代謝產物，而且是多種微生物進行生物合成反應的必要原料。二氧化碳能夠對微生物發酵產生刺激作用，實驗數據表明，當檸檬酸發酵環境中二氧化碳濃度高于0.90mol/L時，微生物的生物活性開始降低。黑曲霉菌在檸檬酸發酵過程中充當催化劑，從而加速了培養液中丙酮酸和磷酸合成草酰乙酸（草酰乙酸進一步轉化生產檸檬酸），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系。由此可知，要想加快檸檬酸的發酵產量和質量，需要將更多的二氧化碳固定反應生成草酰乙酸。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能力，進而達到預期的實驗效果。

目前檸檬酸在微生物中代謝途徑方面的研究，大多認為乙醇和甲醇是檸檬酸生成及積累的重要原料。其他檸檬酸循環酶的活動略有增加。通過添加乙醇導致檸檬酸積累增加可能是因為緩慢退化的檸檬酸隨之減少順烏頭酸酶的活性。可能會被轉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的檸檬酸的哪個部位。甲醇的存在可能會增加細胞對檸檬酸的滲透性。已經研究甲醇在黑曲霉代謝中的那些方面的作用導致檸檬酸積累。實驗發現，甲醇的加入沒有抑制細胞對蛋白質合成和吸收，從而導致培養的菌絲體對形成氨基酸的肽和有蛋白質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。實驗還發現，增加甲醇會使三羧酸循環中一些酶的活性變化，使它們適合檸檬酸積累。

4 檸檬酸發酵工藝的展望

科學技術是第一生產力，利用現代生物技術來提高檸檬酸發酵的產量和質量，從技術層面上來說具有較高的可行度。近年來，隨著細胞工程、基因誘變技術的不斷成熟，利用生物技術手段優化檸檬酸發酵工藝的成本也會越來越低，這也是當前檸檬酸發酵工藝不斷優化和發展的方向之一。

除此之外，通過開展檸檬酸生物合成途徑的研究，可以有效指導生物合成途徑的遺傳修飾從而調節微生物對檸檬酸的生產、增加檸檬酸產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上，利用遺傳工程和代謝工程對檸檬酸的代謝途徑進行重新設計，構建新型的產檸檬酸酸基因工程菌。深入開展檸檬酸生物合成代謝調控研究提高蘋果酸產量，也可為提高其他有機酸產量的研究奠定基礎。

參考文獻

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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。