微量元素對檸檬酸發酵產酸的影響

佟立峰 劉陽陽 商談 李躍龍

摘 要：檸檬酸發酵產酸是一項重要的生產工藝，可以滿足許多需求大的酸的生產。過程中所產生的各種高品質的酸可以滿足人們對各種有機酸以及無機酸的需求。而且一般利用檸檬酸發酵的工廠還可以用檸檬酸中和廢水，這項技術稱作生產檸檬酸的回用技術。鑒于檸檬酸可以給人們帶來愉悅的口感，而且可以給人體補充大量的微量元素CU2+、FE2+、ZN2+、MN2+、MG2+和PO3-4，以及維生素。由于檸檬酸在諸多領域中受到廣泛的應用，使得人們利用檸檬酸已經不僅僅局限在檸檬酸自身的高效利用上，現在廣泛的生產工藝是不斷地提高正常檸檬酸發酵效率，這對整個生產工藝來說具有重要的具有參考價值。

關鍵詞：微量元素;檸檬酸發酵;發酵產酸;發酵工藝流程

玉米作為一種常見的食品，受到大眾的廣泛喜愛。目前玉米已經不僅僅局限在直接食用，利用玉米所產出的深加工產品，在不斷地走進人們的生活中，以它作為原料，經過深加工，也可以作為一種調味劑，用來調節口味等，比如檸檬酸。目前最先進的檸檬酸發酵工藝是以淀粉乳作為原料進行發酵，在發酵的過程中容易代謝，而且它的性質穩定，對于一些溶液來說，檸檬酸具有緩沖作用。隨著外界對檸檬酸的需求越來越多，對于一些生產檸檬酸的工廠急需一種高效的方式來提高檸檬酸轉化技術水平，探究一些微量的元素含量對整個生產以及整個效益的提升度，而且必須做到產品全無毒，經濟實惠等特性。然而由于自產自銷的局限性，當大量調味劑出現在市面上的時候，就會導致檸檬酸的價格一路震蕩，如何將廉價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進一步地提高利用率。

一、微量元素以及檸檬酸發酵產酸的概論

（一）檸檬酸的性質

最早開始將檸檬酸進行進一步深加工的地區是北美和西歐，這些國家可以產出大量的產物。淀粉中含有大量的無機物、有機物，這些物質對人體的健康發展有著重要的作用。據報道，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。

（二）檸檬酸的生物合成的途徑

對于中國目前市場上的各類檸檬酸的銷售品來說，主要的是來自于中國山東、安徽的一些檸檬酸生產公司，這些公司主要專研檸檬酸一系列的生產的以及加工的工藝流程，這種大型廠家的快速發展源自于一些小的檸檬酸生產廠商相繼退出市場，導致最后存留下來的產商可以根據市場的需求來確定公司的產量問題。現在市場上通用的是利用黑曲霉將檸檬酸轉化生產，具體的原理是利用微生物分解有機物，在微生物的一系列的呼吸作用以及自生的代謝中可以產生檸檬酸。最后經過一段時間后，將培養微生物的產物進行分離以及高溫滅菌處理最后得到需要的產品，而且經過深加工可以繼續產生一系列的其他的高純度的物質。

二、檸檬酸的工業生產

（一）檸檬酸的工業生產及市場現狀

檸檬酸生產廠家增加的速度發展迅猛，導致產量遞增，檸檬酸的年產量在指數式的增長。隨著競爭的強度不斷增加，產商趨于壓低檸檬酸成品價格，導致很多檸檬酸生產企業有些沒有達到環保標準，過度的競爭使得檸檬酸的需求增長幅度逐漸地變得緩慢。

（二）發酵生產檸檬酸的菌種

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

（三）檸檬酸的工業生產方式

目前檸檬酸的工業化生產方式多種多樣，具有耐高滲透性的檸檬酸物種生命力十分的頑強，這為檸檬酸的大批量生產奠定了基礎。對于人口分散或是對檸檬酸需求量大的地區，大力發展檸檬酸工業生產方面具有巨大的潛力。在具體生產的工藝過程中，其中使用固態發酵的設備簡單、操作容易;相比來說淺盤發酵（SF），需要更低的人工成本，而且會造成更低的污染風險，另外淺盤發酵有著較低的能量需求，會有著更高的轉化率;第三種的發酵的方式是深層發酵（SM F），這種發酵的方式的優點是有更高的檸檬酸生產率。

三、不同種類的微量元素等化學因素對檸檬酸的生產的影響

如何實現多種微量元素的充分供給，以及通過調節含量進一步地控制培養基中金屬元素的含量，可以在實驗的過程中分別加入優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酵的工藝產量達到最佳的水平。

（一）CU2+對檸檬酸的生產的影響

在實驗驗證加入不同濃度的CU2+時，測量其在不同濃度下的產酸量。當CU2+超過1×10-5G/ML時，會發現相同的條件控制下，檸檬酸的產量隨著離子濃度的增加略有減少;當CU2+低于1×10-5G/ML時，檸檬酸產酸隨之降低;由此可知CU2+達到1×10-5G/ML的CU2+時，產酸達到最高。

這具體的原因可能是，隨著CU2+加入量的增加，對黑曲霉產生毒害作用;當CU2+缺乏時會影響黑曲霉的發育，同時也有可能是CU2+缺乏時會影響色素形成。在具體的檸檬酸的發酵過程中，必須加入適宜的濃度的CU2+，最終達到檸檬酸產量最高的情況。黑曲霉生長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的黑曲霉發酵對檸檬酸合成的影響。

（二）FE2+對檸檬酸的生產的影響

在檸檬酸發酵的工藝中，常常采用控制培養基中金屬元素的含量進而來探討對生產酸的含量的影響作用。長期培養微生物后，廢水培養基往往對發酵帶來困難。在具體的培養中也得考慮多種金屬離子的混合作用，這樣可達到優化培養基成分的功能。經過實驗探究得到，FE2+對檸檬酸的生產的影響主要影響培養基的酸堿性以及進一步影響到其他離子，通過間接的作用影響工藝生產。

（三）ZN2+對檸檬酸的生產的影響

在實驗論證的過程中，一般加入ZN2+時產酸反而下降。這種反常的現象與其他離子產生的作用大不同。另外就這個問題進行實驗，發現同時加入MG2+、ZN2+時產酸又出現升高趨勢，具體的解釋，目前推測可能是ZN2+會使檸檬酸產量低于某一優化濃度，濃度很低時微量元素的代謝失常，但是并非就意味沒有ZN2+時，檸檬酸的產量會提高。

（四）MN2+對檸檬酸的生產的影響

對于大多數原料來說，MN2+往往是含量及其微少的。MN2+缺乏對發酵有害而無利，最直接的影響就是導致產酸減少，檸檬酸樣品的提取及精制過程都需要MN2+，添加適量的濃度，可以降低檸檬酸的發酵生產成本。

（五）MG2+對檸檬酸的生產的影響

實驗中還有一個反常的現象是加入MG2+時產酸反而下降，然而若同時加入MG2+、ZN2+時產酸又出現升高趨勢。兩種或者兩種以上的金屬離子的混合作用會起到加倍的效果。具體的單獨加MG2+，導致的產量的減少，可能是由于添加的MG2+限制黑曲霉的生長，從而導致檸檬酸發酵產酸的量直線的下降。

（六）PO3-4對檸檬酸的生產的影響

在探究的實驗中，當PO3-4與培養基中某些元素的比例適合時才會有利于檸檬酸的過量積累。添加優化濃度的PO3-4后，檸檬酸產量與空白值接近，這就意味著PO3-4的影響不是單獨作用的，同時并非就意味著檸檬酸產量的提高與PO3-4無關，PO3-4濃度對檸檬酸產量也有重要的影響。

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計來算，檸檬酸人均年消耗量約僅為0.1公斤，但是實際的消耗量遠遠的高于這個水平。具體的原因是，檸檬酸的用途比較廣泛，可以在醫藥、市場、農業、以及其他行業都可以用到。但在生產的過程中會受到各種實際問題所限制，而且根據每種不同的發酵工藝產生出來的產品以及產量均千差萬別，這與檸檬酸發酵液成分復雜也有關系。究竟采用原始的檸檬酸進行生產一系列的副產物，還是采用一些微生物的發酵工程來進行生產需要的產品。這就需要具體的問題具體的分析，還需要根據不同的產酸菌株而進行評估。在實際的生產的過程中，生產商可以根據每種產物從而制定不同的發酵工藝。在實際的檸檬酸的發酵的過程中，往往在最后發酵完之后還會有剩余的未消耗的營養鹽，這里面含有多種成分，有不溶于水的檸檬酸鈣還有發酵過程中的副產物。對于產生的一些無用的雜質往往采用鈣鹽法、萃取法來進行提純產物。這里有一種傳統的檸檬酸提取方法，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。

雖然目前國內的檸檬酸市場尚未成熟，但是檸檬酸的主要的用途十分廣泛，尤其在飲料中的應用前景十分廣闊，因此檸檬酸不斷地開發新工藝十分重要。檸檬酸的用途可以應用在食品，農業等諸多領域，據統計有64%應用在食品和飲料，有22%應用在洗滌產品，還有10%應用在醫藥方面，這與檸檬酸有較強的環境適應性和抗病能有關;最后，還有2%應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、結語

不同的微量元素究竟會對檸檬酸發酵過程產生正面的影響還是負面的影響，與其添加量有緊密的關系。只要加入適量的各種離子就可以將發酵的產量提高到最佳的程度。若在實際的工藝生產過程中，改變微量元素的添加量可以改變檸檬酸產量，這就為工業生產帶來了極大便利。除了上面用到的淀粉乳這種原料，是否可以將工藝應用到脫胚玉米粉或土豆為原料領域，一旦原料廣泛起來，這一領域會變的潛力巨大。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用前景十分廣闊。

參考文獻：

[1]程芳，齊鴻雁，楊建州，張洪勛.微量元素對檸檬酸廢水發酵回用的影響[J].環境污染治理技術與設備，2000（01）：20-26.

[2]王凌飛.基因工程菌株Yarrowia lipolytica30利用菊芋提取液產檸檬酸的研究[D].中國海洋大學，2013.

[3]代真真.黑曲霉檸檬酸發酵過程研究及其優化[D].華東理工大學，2011.