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(yè)、醫(yī)藥等多個領域有著重要應用。檸檬酸的生產(chǎn)分為發(fā)酵和提取兩部分，其中發(fā)酵又可分為固態(tài)發(fā)酵、液態(tài)淺盤發(fā)酵和深層發(fā)酵三類。在發(fā)酵過程中，菌種、原料以及環(huán)境溫度等因素都會對檸檬酸的產(chǎn)量和質(zhì)量造成影響，因此需要采用新型的發(fā)酵工藝，對發(fā)酵過程中的可變因素進行優(yōu)化控制。

關鍵詞：檸檬酸；發(fā)酵工藝；應用分析；進展

引言

為了滿足各個行業(yè)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(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸最早出現(xiàn)在19世紀末期，該方法具有便于控制、省時省力、產(chǎn)量高等優(yōu)勢，成為當前制取檸檬酸的主要方法。隨著現(xiàn)代生物技術的不斷成熟，將高產(chǎn)菌株應用到檸檬酸發(fā)酵中，能夠顯著提高檸檬酸的發(fā)酵效率。文章首先指出了檸檬酸在各個行業(yè)的重要應用，隨后對其發(fā)酵過程進行了具體分析，最后對發(fā)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(yè)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(diào)味劑外，還具有一定的抗氧化性，也經(jīng)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(chǎn)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(yè)行業(yè)的應用

檸檬酸是一種常用的化學實驗試劑，在軟化水質(zhì)、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(yè)煙氣脫硫的重要原料之一。將煤炭燃燒所產(chǎn)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(yī)藥方面的應用

檸檬酸在醫(yī)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(zhì)。由于血液中部分鈣離子從游離態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)，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(fā)酵過程

2.1 檸檬酸發(fā)酵的方法

目前較為常用的檸檬酸發(fā)酵方法有三類，分別是固態(tài)發(fā)酵、液態(tài)淺盤發(fā)酵和深層發(fā)酵。其中，固態(tài)發(fā)酵的主要材料是含有淀粉的各種農(nóng)副產(chǎn)品。在準備好原料之后，配制培養(yǎng)基，將材料放置于高溫環(huán)境下蒸煮；將蒸煮后的材料放置與無菌環(huán)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(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵的優(yōu)勢在于操作流程簡單，對設備的要求也比較低，但是發(fā)酵質(zhì)量不高；液態(tài)淺盤發(fā)酵的主要材料是糖蜜，利用糖蜜制作培養(yǎng)液，然后將配制好的培養(yǎng)液（無菌）放置于發(fā)酵盤中，在無菌環(huán)境下接入菌種，等待發(fā)酵完成。這種發(fā)育方法的優(yōu)點是發(fā)酵質(zhì)量好，且對設備要求低，但是需要嚴格控制發(fā)酵過程中的各種因素；深層發(fā)酵的原理與淺盤發(fā)酵類似，但是其流程較多，發(fā)酵質(zhì)量較高，但是對設備、技術要求嚴格。例如，深層發(fā)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(fā)酵的工藝條件

檸檬酸發(fā)酵工藝對菌種、原料、環(huán)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(fā)酵的產(chǎn)量和質(zhì)量產(chǎn)生影響。通常情況下，優(yōu)良的檸檬酸發(fā)酵菌種都是從腐爛水果中提取，并通過生物培養(yǎng)得到的。在獲取優(yōu)良的菌種后，還需要嚴格控制發(fā)酵過程中的溫度、pH等可變因素，以確保檸檬酸發(fā)酵始終處于最佳的環(huán)境。本文以黑曲霉菌為例，對檸檬酸發(fā)酵工藝的條件控制進行說明。

首先，黑曲霉菌最佳的產(chǎn)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(fā)酵時間會大大延長；溫度過高則會生成一些雜質(zhì)，甚至會直接導致黑曲霉菌失活。因此，檸檬酸發(fā)酵要在恒溫環(huán)境下進行。其次，黑曲霉菌產(chǎn)酸的適宜pH是2-4，這一酸性環(huán)境下能夠產(chǎn)生大量檸檬酸，而不會生成草酸和葡萄糖酸。再次，隨著發(fā)酵時間和菌體數(shù)量的不斷增加，培養(yǎng)液中的氧含量會相應的減少，當氧含量低于一定數(shù)值后，黑曲霉菌的活性受到制約，產(chǎn)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(yǎng)液表面的空氣流動速度，進而提升培養(yǎng)液的含氧量。最后，收集所得的檸檬酸發(fā)酵液，并采用物理或化學方法進行提純，將發(fā)酵液中含有的草酸、大分子蛋白質(zhì)等雜質(zhì)分離出去，得到純度較高的檸檬酸。

3 檸檬酸發(fā)酵工藝新進展

通過分析檸檬酸代謝途徑，發(fā)現(xiàn)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(diào)控檸檬酸發(fā)酵過程中二氧化碳濃度，對其發(fā)酵速率和最終產(chǎn)量有重要影響。二氧化碳不僅是微生物的代謝產(chǎn)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?qū)ξ⑸锇l(fā)酵產(chǎn)生刺激作用，實驗數(shù)據(jù)表明，當檸檬酸發(fā)酵環(huán)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(fā)酵過程中充當催化劑，從而加速了培養(yǎng)液中丙酮酸和磷酸合成草酰乙酸（草酰乙酸進一步轉(zhuǎn)化生產(chǎn)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(fā)酵產(chǎn)量和質(zhì)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(huán)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?？赡軙晦D(zhuǎn)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(chǎn)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(jīng)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(fā)現(xiàn)，甲醇的加入沒有抑制細胞對蛋白質(zhì)合成和吸收，從而導致培養(yǎng)的菌絲體對形成氨基酸的肽和有蛋白質(zhì)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(fā)現(xiàn)，增加甲醇會使三羧酸循環(huán)中一些酶的活性變化，使它們適合檸檬酸積累。

4 檸檬酸發(fā)酵工藝的展望

科學技術是第一生產(chǎn)力，利用現(xiàn)代生物技術來提高檸檬酸發(fā)酵的產(chǎn)量和質(zhì)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(yōu)化檸檬酸發(fā)酵工藝的成本也會越來越低，這也是當前檸檬酸發(fā)酵工藝不斷優(yōu)化和發(fā)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(diào)節(jié)微生物對檸檬酸的生產(chǎn)、增加檸檬酸產(chǎn)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(chǎn)檸檬酸酸基因工程菌。深入開展檸檬酸生物合成代謝調(diào)控研究提高蘋果酸產(chǎn)量，也可為提高其他有機酸產(chǎn)量的研究奠定基礎。

參考文獻

[1]孫科，周鳳俠.以纖維素為原料生產(chǎn)檸檬酸的發(fā)酵工藝研究[J].中國食品添加劑，2014（09）：133-139.

[2]曾依云，勾洵.不同初始食鹽濃度和pH值對泡菜（蘿卜）中亞硝酸鹽含量的影響[J].蘇鹽科技，2016，43（04）：8-10.

[3]丁亞波，王志偉，劉杰，等.檸檬酸發(fā)酵廢渣制備高純度氨基葡萄糖鹽酸鹽的工藝研究[J].北方藥學，2013（03）：41-42.

作者簡介：王文華（1970，10-），男，漢族，藉貫：云南祿豐，職稱：工程師。