以木薯为原料柠檬酸发酵原理综述

1、摘要摘要 本工艺采用黑曲霉在好氧条件下发酵生产柠檬酸。文章阐本工艺采用黑曲霉在好氧条件下发酵生产柠檬酸。文章阐述了利用木薯粉进行柠檬酸发酵，及其发酵机制、发酵过程述了利用木薯粉进行柠檬酸发酵，及其发酵机制、发酵过程控制、和产品的分离纯化等。控制、和产品的分离纯化等。 黑曲霉利用糖类发酵生成柠檬酸其生物合成途径是，葡黑曲霉利用糖类发酵生成柠檬酸其生物合成途径是，葡萄糖经萄糖经EMP、HMP途径降解生成丙酮酸，丙酮酸一方面氧化途径降解生成丙酮酸，丙酮酸一方面氧化脱羧生成乙酰脱羧生成乙酰CoA，另一方面经，另一方面经CO2固定化反应生成草酰乙酸，固定化反应生成草酰乙酸，草酰乙酸与乙酰草酰乙酸与乙酰C

2、oA缩合生成缩合生成柠檬酸柠檬酸。 关键词：关键词： 木薯粉、柠檬酸、发酵机制、分离纯化木薯粉、柠檬酸、发酵机制、分离纯化Abstract This process utilizes Aspergillus niger to fermentate production of citric acid under aerobic conditions. This artiele expounds the manioc flour was fermented to produce citric acid，fermentation mechanism, control of the fermentat

3、ion process, and product separation and purification. Aspergillus carbohydrate fermentation to generate citric acid biosynthetic pathway, glucose degradation of pyruvate by the EMP, the HMP pathway, pyruvate, on the one hand oxidative decarboxylation to generate the acetyl - CoA generated grass, on

4、the other hand by the CO2 fixation reaction . Keyword manioc flour; citric acid ; fermentation mechanism ; separation and purification.前言前言柠檬酸柠檬酸(citric acid)，学名，学名2-羟基丙烷三羧酸，分子式羟基丙烷三羧酸，分子式C6H8O7。为无色透明斜方晶系晶体颗粒，或白色结晶性粉末。无臭，有很为无色透明斜方晶系晶体颗粒，或白色结晶性粉末。无臭，有很强的酸味，味阈值为强的酸味，味阈值为0.0025%。在温暖的空气中渐渐风化，在。在温暖的空气中渐渐

5、风化，在潮湿空气中微有潮解性。柠檬酸易溶于水，能溶于乙醇，而不溶潮湿空气中微有潮解性。柠檬酸易溶于水，能溶于乙醇，而不溶于乙醚、氯仿、苯、于乙醚、氯仿、苯、CS2、CCl4及脂肪酸。及脂肪酸。采用木薯生产柠檬酸，既克服了薯干原料的质量问题，同时也减采用木薯生产柠檬酸，既克服了薯干原料的质量问题，同时也减少了用玉米粉生产柠檬酸时糖化、过滤等环节，缩短了辅助时间，少了用玉米粉生产柠檬酸时糖化、过滤等环节，缩短了辅助时间，节约了能源。发酵产酸可达节约了能源。发酵产酸可达14%以上，转化率、发酵周期等都比以上，转化率、发酵周期等都比薯干原料要强。因此已被广泛采用。薯干原料要强。因此已被广泛采用。 1.

6、 发酵机制发酵机制v1.1 生产菌种生产菌种v1.2 生物合成途径生物合成途径v1.3 代谢调节机制代谢调节机制v1.4 产物积累机制产物积累机制1.1 生产菌种生产菌种黑曲霉黑曲霉(Aspergillus niger)Wml-016,经经激光复合诱变选育激光复合诱变选育的木薯原料柠檬酸的木薯原料柠檬酸生产菌生产菌,该菌种由南该菌种由南通华泽生物化学有通华泽生物化学有限公司保藏。限公司保藏。黑曲霉的形态特征黑曲霉的形态特征在固体培养基上，菌落在固体培养基上，菌落由白由白色逐渐变至棕色色逐渐变至棕色。孢子区域。孢子区域为黑色，菌落呈绒毛状，边为黑色，菌落呈绒毛状，边缘不整齐。缘不整齐。菌丝有隔膜

7、和分枝，是多细菌丝有隔膜和分枝，是多细胞的菌丝体，无色或有色，胞的菌丝体，无色或有色，有足细胞，顶囊生成一层或有足细胞，顶囊生成一层或两层小梗，小梗顶端产生一两层小梗，小梗顶端产生一串串分生孢子。串串分生孢子。 黑曲霉的生理特征黑曲霉的生理特征 黑曲霉可利用淀粉，黑曲霉可利用淀粉，生长最适生长最适pH3-7pH3-7，产酸最适，产酸最适pH1.8-2.5pH1.8-2.5。 生长最适温度生长最适温度33-3733-37，产酸最适温度，产酸最适温度28-28-3737，温度过高易形成杂酸。，温度过高易形成杂酸。1.2生物合成途径生物合成途径 柠檬酸是葡萄糖经柠檬酸是葡萄糖经EMP或或HMP途径生

8、产丙酮酸，途径生产丙酮酸，丙酮酸再在有氧条件下，丙酮酸再在有氧条件下，一方面氧化脱羧生成乙一方面氧化脱羧生成乙酰酰CoA，另一方面丙酮酸，另一方面丙酮酸羧化生成草酰乙酸，草羧化生成草酰乙酸，草酰乙酸和乙酰酰乙酸和乙酰CoA在柠檬在柠檬酸合成酶的作用下缩合酸合成酶的作用下缩合生成柠檬酸。生成柠檬酸。1.3 代谢调节机制代谢调节机制糖酵解途径与有氧呼吸途径的调节糖酵解途径与有氧呼吸途径的调节（）激活（）激活 （）抑制（）抑制1.4 产物积累机制产物积累机制 由锰缺乏抑制了蛋白由锰缺乏抑制了蛋白质的合成，而导致细胞质的合成，而导致细胞内的内的 NH4+浓度升高和浓度升高和一条呼吸活性强的侧系一条呼吸

9、活性强的侧系呼吸链不产生呼吸链不产生ATP ，这，这两方面的因素分别解除两方面的因素分别解除了对磷酸果糖激酶的代了对磷酸果糖激酶的代谢调节，促进了谢调节，促进了EMP 途途径畅通。径畅通。 由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草酰乙由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草酰乙酸。酸。 在控制在控制Fe2+含量的情况下，顺乌头酸水合酶活含量的情况下，顺乌头酸水合酶活性低，从而使柠檬酸积累，顺乌头酸水合酶在催性低，从而使柠檬酸积累，顺乌头酸水合酶在催化时建立如下平衡，柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬化时建立如下平衡，柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸酸=90:3:7。（4）丙酮酸氧化脱羧生成乙酰）丙酮酸氧化脱羧生成乙酰

10、CoA和固定两个反应和固定两个反应平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节增强了合成柠平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节增强了合成柠檬酸能力。檬酸能力。（5）柠檬酸积累增多，）柠檬酸积累增多，pH低，在低低，在低pH时，顺乌头时，顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活，从而进一步促酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活，从而进一步促进了柠檬酸自身的积累。进了柠檬酸自身的积累。2. 发酵过程控制发酵过程控制v2.1 发酵工艺流程发酵工艺流程v2.2 发酵控制要点发酵控制要点2.1 发酵工艺流程发酵工艺流程2.2 发酵控制要点发酵控制要点（1）控制控制Mn2+、NH4+浓度浓度，解除柠檬酸对磷酸果糖激酶的抑制，解除柠檬酸对磷

11、酸果糖激酶的抑制，使使EMP畅通无阻。畅通无阻。 Mn2+浓度高时，柠檬酸合成明显受影响，浓度高时，柠檬酸合成明显受影响，其作用远甚于其作用远甚于Fe2+ 。Mn2+的不足可使细胞内的不足可使细胞内NH4+浓度升高，浓度升高，从而解除柠檬酸对酵解途径的抑制作用。从而解除柠檬酸对酵解途径的抑制作用。（2） 发酵发酵15h30h阶段，菌体大量生长繁殖耗氧量最大，阶段，菌体大量生长繁殖耗氧量最大，控制控制溶氧溶氧，防止侧系呼吸链失活。，防止侧系呼吸链失活。（3） pH偏碱性，则草酸增加偏碱性，则草酸增加；pH偏向中性，则葡萄糖酸增加偏向中性，则葡萄糖酸增加。在柠檬酸发酵时应将在柠檬酸发酵时应将pH降

12、到降到3.0以下，以控制草酸的产生。以下，以控制草酸的产生。（4）不同的发酵阶段一般采用不同的温度不同的发酵阶段一般采用不同的温度。较高的温度（。较高的温度（36-38）对黑曲霉生长有利。我国柠檬酸发酵产酸温度为）对黑曲霉生长有利。我国柠檬酸发酵产酸温度为34-36，与国外，与国外28-32的发酵温度相比，称为较高温度。的发酵温度相比，称为较高温度。3. 产物分离纯化产物分离纯化v3.1 工艺流程工艺流程v3.2 工艺要点说明工艺要点说明3.1.1 柠檬酸的分离提纯方法柠檬酸的分离提纯方法 柠檬酸的分离提纯方法有柠檬酸的分离提纯方法有钙盐法钙盐法、直接提取法直接提取法、溶溶媒萃取法媒萃取法、离

13、子交换法离子交换法和和渗析法渗析法等。等。 （1） 钙盐法钙盐法 即是将发酵液中的柠檬酸变成钙盐沉淀，然后用硫即是将发酵液中的柠檬酸变成钙盐沉淀，然后用硫酸将柠檬酸钙置换出游离的柠檬酸，生成的酸将柠檬酸钙置换出游离的柠檬酸，生成的硫酸钙硫酸钙沉淀沉淀出来，然后将柠檬酸进一步纯化结晶。出来，然后将柠檬酸进一步纯化结晶。（2）直接提取法）直接提取法 本法适用于本法适用于柠檬酸含量高柠檬酸含量高、杂质少杂质少的发酵滤液。可以用的发酵滤液。可以用以下几种方法得到柠檬酸结晶。以下几种方法得到柠檬酸结晶。 过滤清液先用过滤清液先用活性炭脱色活性炭脱色去除杂质，浓缩结晶。去除杂质，浓缩结晶。 用用CFCl-

14、CFCl（一氟二氯甲烷）（一氟二氯甲烷）抽提除去蛋白质及其抽提除去蛋白质及其他杂质，将滤液分离出来浓缩结晶。他杂质，将滤液分离出来浓缩结晶。 以以甲醇甲醇沉淀滤液中的蛋白质，洗涤沉淀，回收甲醇后沉淀滤液中的蛋白质，洗涤沉淀，回收甲醇后浓缩结晶。浓缩结晶。 用用活性炭活性炭将滤液脱色，浓缩，再将将滤液脱色，浓缩，再将3倍量丙酮沉淀蛋倍量丙酮沉淀蛋白质，分离、回收丙酮，然后再浓缩结晶。白质，分离、回收丙酮，然后再浓缩结晶。（3）萃取法）萃取法 即用即用溶媒溶媒将柠檬酸从发酵液中分离出来，常用的萃取溶将柠檬酸从发酵液中分离出来，常用的萃取溶剂有剂有4类：类： 仅含碳、氢、氧的乙酸乙酯、二乙醚、甲基异

15、丁酮；仅含碳、氢、氧的乙酸乙酯、二乙醚、甲基异丁酮； 含磷氧键的磷酸三丁脂；含磷氧键的磷酸三丁脂； 含硫氧键的亚砜；含硫氧键的亚砜； 有机胺如三辛胺。使用时可用正己烷、甲苯、乙酸乙有机胺如三辛胺。使用时可用正己烷、甲苯、乙酸乙酯、正丁醇等对某些黏度大的萃取剂进行稀释。酯、正丁醇等对某些黏度大的萃取剂进行稀释。（4）离子交换和渗析法）离子交换和渗析法 用用弱碱性弱碱性OH-型型701阴离子树脂阴离子树脂吸附，用吸附，用5%氢氧化铵氢氧化铵洗脱，得到柠檬酸胺溶液，然后通过强酸性洗脱，得到柠檬酸胺溶液，然后通过强酸性H+型型732树脂交换，柠檬酸游离出来。树脂交换，柠檬酸游离出来。 目前，德国和日本

16、的专利采用一种新的目前，德国和日本的专利采用一种新的CI-型阴离子型阴离子树脂树脂，直接用盐酸洗脱，简化了操作步骤，直接用盐酸洗脱，简化了操作步骤。3.1.2 工艺流程工艺流程 钙盐法提取工艺流程图钙盐法提取工艺流程图:离心离心干燥干燥包装包装成品成品净化净化浓缩浓缩结晶结晶发酵液发酵液过过 滤滤中和、过滤中和、过滤酸解、过滤酸解、过滤 石灰石石灰石 CaCO3钙盐钙盐H2SO4石膏渣石膏渣母液母液主要步骤主要步骤（1）柠檬酸钙的生成柠檬酸钙的生成 70%碳酸钙粉中和，柠檬酸钙碳酸钙粉中和，柠檬酸钙沉淀，在沉淀，在9095热水洗涤热水洗涤（2）硫酸置换反应硫酸置换反应 搅拌加入搅拌加入80%9

17、0%的浓硫酸，温的浓硫酸，温度在度在80 以上以上（3）脱色脱色 活性炭脱色和大孔树脂脱色等活性炭脱色和大孔树脂脱色等（4）去除阳离子杂质去除阳离子杂质 阳离子树脂进行离子交换阳离子树脂进行离子交换（5）浓缩浓缩 减压浓缩减压浓缩（6）结晶结晶 缓慢搅拌，冷却结晶缓慢搅拌，冷却结晶3.2 工艺要点说明工艺要点说明 发酵液经加热处理后，滤去菌体等残渣，在中和桶中加发酵液经加热处理后，滤去菌体等残渣，在中和桶中加入入CaCO3 或石灰乳中和，使柠檬酸以盐的形式沉淀下来，或石灰乳中和，使柠檬酸以盐的形式沉淀下来，废糖水和可溶性杂质则过滤除去。废糖水和可溶性杂质则过滤除去。 柠檬酸钙在酸解槽中加入柠檬

18、酸钙在酸解槽中加入H2SO4 酸解使柠檬酸分离出来，酸解使柠檬酸分离出来，形成的硫酸钙被滤除，作为副产品利用，这时得到的粗形成的硫酸钙被滤除，作为副产品利用，这时得到的粗柠檬酸溶液通过脱色和离子交换净化，除去色素和胶体柠檬酸溶液通过脱色和离子交换净化，除去色素和胶体杂质以及无机杂质离子。杂质以及无机杂质离子。 净化后的柠檬酸溶液浓缩后结晶出来，离心分离晶体，净化后的柠檬酸溶液浓缩后结晶出来，离心分离晶体，母液则重新净化后浓缩，结晶。柠檬酸晶体经干燥和检母液则重新净化后浓缩，结晶。柠檬酸晶体经干燥和检验后出厂。验后出厂。小结小结 以上对黑曲霉好氧发酵生产柠檬酸的菌种、代谢途径、以上对黑曲霉好氧发酵生产柠檬酸的菌种、代谢途径、发酵机理及流程和发酵结束后对产品的分离纯化过程发酵机理及流程和发酵结束后对产品的分离纯化过程进行了简单描述。很多内容没有详细写，如菌种的筛进行了简单