第五章柠檬酸发酵工艺

几乎所有含淀粉和可发酵性糖类的农副产品，都可作为柠檬酸发酵原料。由于各种原料中非糖类杂质的组分和量的不同，因此需要采用不同的理化方法进行预处理，以适应柠檬酸生产菌的发酵条件。第一节发酵原料的预处理所谓预处理，主要是指除杂、粉碎、液化、过滤等处理程序。至于采用何种程序和方法则取决于选用的原料品种及其内在质量。例如:薯类和谷类原料的除杂是利用机械或人工除去混入其中的固体杂质，如金属物、土、石、皮、芯、粒、霉变块等杂物。而糖蜜的除杂则是利用化学方法除去溶解于糖蜜中的杂质。又如，粉碎和过滤是根据原料的特性来选择适用的机械设备即可解决。淀粉的液化和糖蜜的除杂则是讨论的重点。一、淀粉质原料的液化（一）液化的基本概念（二）酶法液化淀粉的方法（三）柠檬酸工业用的喷射液化工艺（四）液化方法比较（一）液化的基本概念利用化学催化剂或生物催化剂，在具有一定量的水和一定的温度条件下，使淀粉分子断裂而变成较小分子，使淀粉糊的黏度显著下降而成为流动性较好的流体，工业上称为“淀粉液化”。淀粉液化的方法1、酸法：以强酸为催化剂，高温、高压条件下进行，液化程度较难掌握2、酶法：采用α-淀粉酶，在中性溶液中，常温、常压条件下进行，液化程度容易掌握。此法适应于柠檬酸工业。3、机械液化：不使用催化剂，使淀粉浆喷射入一个旋转的蒸汽加热器中，受热淀粉立即糊化，在强烈的机械剪力的作用下，使淀粉分散。不破坏淀粉颗粒表面和结晶结构。淀粉的液化实质上是在淀粉颗粒因受热吸水膨胀、糊化破坏了其结晶结构之后进行的，这是因为淀粉颗粒对于酶作用的抵抗力较强，很难直接液化。例如：细菌α-淀粉酶水解淀粉和水解糊化淀粉速度比为1：20000，因此淀粉乳糊化是酶法液化的第一个重要的步骤。淀粉在常温下不溶于水，但当水温至53℃以上，淀粉的物理性能发生明显变化。淀粉在高温下溶胀、分裂形成均匀糊状溶液的特性，称为淀粉的糊化。生淀粉在水中加热至胶束结构全部崩溃，淀粉分子形成单分子，并为水所包围而成为溶液状态。淀粉糊化温度必须达到一定程度，不同淀粉的糊化温度不一样，同一种淀粉，颗粒大小不一样，糊化温度也不一样，颗粒大的先糊化，颗粒小的后糊化。淀粉被糊化后，体积膨胀很多，粘度增强、流动性很差、搅拌困难、影响传热，难以糊化均匀。因此淀粉质的柠檬酸发酵培养基在灭菌前必须先进行液化，使料液的流动性好，有利于料液的输送、灭菌完全、发酵初期的生长、易于糖化、提高产酸率和淀粉的利用率。发酵成熟醪过滤性好、也有利于发酵罐搅拌功率的下降。α-淀粉酶是一种金属酶，Ca2+使α-淀粉酶保持适当的构象，从而维持其最大的活性和稳定性．除Ca2+外，其它二价碱金属离子Ba2+、Mg2+等也有维持α-淀粉酶活性的作用．但耐高温α-淀粉酶在Ca2+浓度很低时，稳定性就很好。在实际使用时，不需添加Ca2+等稳定剂。（二）酶法液化淀粉的方法按工艺条件分类：间歇液化法、半连续液化法、连续液化法；按设备条件分：罐式、管式、喷射式；按加酶方式分：一次、二次、三次加酶多段液化工艺。间歇液化法又称为直接升温液化法。此法最为简单，但是液化效果最差。具体操作如下：在淀粉浆罐中将物料调成浆乳，调节pH和加钙离子，搅拌升温到50℃左右，加入需要量的α-淀粉酶，继续升温到80-85℃，恒温保持30-60min，至碘不显蓝色为止，然后升温至沸腾。使蛋白质凝固，酶完全失活，移后续工段处理。此法与柠檬酸行业常用的罐内液化、灭菌合一的工艺相类似。由于柠檬酸生产没有深入研究液化对糖酸转化率的影响，因而操作更加粗放，但此法对淀粉的液化不均匀完全。半连续液化又称高温液化法，是针对间歇液化法存在的缺陷而进行改进的工艺。操作是在一只装有中间套筒的锥底液化罐中进行，其目的是控制液化料液先进先出，力求淀粉受热和酶作用时间一致。实践证明，虽然液化效果明显优于直接升温法，但仍有液化不均现象。连续液化法又称喷射液化法。此法被认为是最好的淀粉液化工艺。喷射液化法可以一次加酶一次喷射，也可以二次加酶二次喷射，主要取决于所用原料性质和要求液化程度。柠檬酸工业用于玉米粉的液化是采用二次加酶二次喷射工艺。喷射液化是在喷射器中进行瞬间液化，喷射液化器有高压蒸汽喷射器，其结构是根据文丘里管的原理设计的。文丘里管，是新一代差压式流量测量仪表，其截面起初逐渐缩小而后逐渐扩大到原来尺寸的缩放管。以能量守恒定律——伯努力方程和流动连续性方程为基础的流量测量方法。喷射液化的过程当高压蒸汽通过喷嘴，使喷射器的内腔形成真空，混有α-淀粉酶的淀粉乳，在此力的引吸和泵的推动力作用下，呈薄膜状进入喷射器内腔，随即与蒸汽混合形成湍流，料温骤升至100-120℃，瞬间完成了糊化、液化，淀粉糊粘度迅速下降，形成流体从喷射器下部出料口排至保温系统，恒温90℃维持30-60分钟，达到需要的液化程度。喷射液化设备流程图喷射液化的优点：液化均匀完全、已切断的淀粉连不易重新聚合、蛋白质类杂质凝固好，过滤性能佳、设备体积小、可连续化操作。喷射液化最适合用耐高温α-淀粉酶。但这类喷射器，要求在稳定的0.4—0.6MPa的饱和蒸汽条件下操作。HYW型低压蒸汽喷射液化器，其特点是提高料液的输送压力作为推动力，替代了蒸汽压力。因此，可以在较低的蒸汽压力下液化，也可用过热蒸汽液化，因而减少了喷射器的振动和噪声。第一次喷射温度为105℃，但若用二次喷射液化工艺，则第二次喷射的温度要求达到120-145℃，因此供气压力不能低于0.5MPa(表压）。（三）柠檬酸工业用的喷射液化工艺玉米→浸泡→粉碎脱胚→原浆→调浆PH值6.4～7.0→一次喷射液化温度为95℃～97℃→层流罐→二次喷射液化温度为140℃～145℃→闪冷→中温液化温度在90℃左右→调节PH4.8～5.2→过滤去渣稀石灰水稀HCl或稀H2SO4用玉米发酵柠檬酸，采用HYW喷射液化器，二次加酶液化工艺：具体操作：用温水将玉米粉调成浆乳，加稀石灰水调整pH至6.4-7.0，加需要酶量的2/3，备用；通蒸汽进喷射器、保温系统，待出口温度达90℃以上时，打开浆料回流阀，开始将浆料泵入喷射器进行液化，出料口温度达到95-97℃时，关小回流阀，料液进入层流罐，在90-95℃条件下，维持30-60分钟；然后进行二次喷射，料温达到140-145℃，进入维持罐维持3-5分钟后，经闪冷器迅速降温后落入二次液化罐中，加余下的1/3淀粉酶，在90℃左右维持30分钟，碘检查无蓝色反应，然后用稀酸调pH至4.8-5.2，趁热过滤去渣。调整好氮源之后，经连消或实消后发酵。玉米粉发酵柠檬酸二次喷射液化工艺流程图二次加酶二次高温喷射工艺有利于蛋白质类杂质进一步凝固，并可使玉米皮松软，附着其中的淀粉大部分可在二次液化时被利用。喷射液化料液中不溶性淀粉颗粒和过滤性能优于升温法。喷射和升温液化法过滤性质比较项目喷射液化升温液化滤液葡萄糖值/%97.196.9滤液比旋光度[α]D2056.757.2滤饼不容物含量/%0.72.67过滤速度/[/(m2•h)]630183（四）各种液化方法比较液化方法基本条件优点缺点酸法液化淀粉乳浓度30%，pH1.8~2.0，液化温度135℃。10min液化DE值15~18%适合任何精制淀粉，所得的糖化液过滤性能好有副反应生成有色物及复合糖类，淀粉转化率低，糖液质量差，糖化液中含有微量醇和不溶性糊精酶法液化1、间歇液化法（直接升温液化法）淀粉乳浓度30%，pH6.5，Ca2+0.01mol/L,液化温度85~90℃，30~60min液化DE值15~18%设备要求低，操作容易液化效果一般，经糖化后的糖化液过滤性差，糖浓度低2、半连续液化法（高温液化法）3、连续液化法（喷射液化法）淀粉乳浓度30%，pH1.8~2.0，液化温度90℃。30~60min液化DE值15~18%淀粉乳浓度30%，pH6.5，液化温度95~140℃，10~120min液化DE值15~17%设备要求低，操作容易，效果比直接升温好液化效果好，液化液清亮、透明，质量好，葡萄糖的收率高料液容易溅出，操作安全性差，蒸汽用量大，液化温度未达到高温酶的最适温度，液化效果一般，糖化液过滤性能差机械法旋转蒸汽加热器，喷射温度大于160℃，糊精的聚合度200~300液化液较有利于糖化酶结合，糖化后的糖化液DE值可达99%，适合于各类淀粉工艺过程有待于进一步完善二、糖蜜原料的预处理1·黄血盐法2·离子交换法3·其他处理方法（一）黄血盐法黄血盐性质黄血盐化学名称为亚铁氰化钾K4Fe(CN)6，浅黄色，片状八面晶体。黄血盐作用（1）与Fe3+反应形成普鲁士蓝沉淀，可除去糖蜜中的Fe3+等离子。黄血盐还可与其他金属离子如Cu2+、Zn2+、Mn2+等形成沉淀而除去之。故用黄血盐处理过的糖蜜中的灰分及磷的含量均有明显的降低。这是黄血盐处理糖蜜所起的主要作用。（2）黄血盐在弱酸性培养基中能与蛋白质形成不容性化合物。故黄血盐也能除去少量蛋白质，但此反应是在弱酸性条件下进行的，如果酸性太强，特别是受热后黄血盐会分解。（3）黄血盐在水中可能发生部分水解，使溶液呈碱性。（4）在中性和碱性条件下，有氧存在时，黄血盐的水解产物〔Fe(CN)6〕4-会形成Fe(OH)3沉淀。因此，用黄血盐处理糖蜜时，必须注意控制pH，一般认为在6.5-6.8微酸性条件下，更有利于除去糖蜜中对柠檬酸发酵有害成分。关于黄血盐处理糖蜜后能促进柠檬酸的产酸问题，过去认为Fe2+是黑曲霉三羧酸循环中乌头酸酶的激活剂，乌头酸酶活力高不利于柠檬酸积累，因此要除去Fe2+，故黄血盐能促进产酸。现在看来其作用机理并非如此简单，在有些不受Fe2+影响的菌株，黄血盐也同样有利于柠檬酸积累，所以在柠檬酸发酵过程中，黄血盐对糖蜜所起的作用可能是多方面的。（二）离子交换法离子交换树脂可以除去糖蜜中对柠檬酸发酵有害的金属离子。稀释后的糖蜜可通过强酸性阳离子交换树脂处理，使糖蜜中含铁量下降。其他金属离子也会被除去。必要时也可再经过一次阴离子交换树脂处理。离子交换法处理过的糖蜜，在配制发酵培养基时应添加黑曲霉生长所必需的无机盐类。通过阳离子交换树脂处理的糖蜜PH偏酸性，需加碱调整。（三）其他处理法先用含盐酸的磷酸三钙处理，再用葡聚糖处理甘蔗糖蜜，能获得很好的效果。用酸（硫酸或磷酸）和碱（石灰乳）交替处理，可以除去糖蜜中可沉淀物质。这些方法都有利于提高柠檬酸的产酸水平。第二节柠檬酸深层发酵工艺一、黑曲霉柠檬酸发酵条件控制1·营养要求2·温度控制3·PH控制4·接种量和方式5·溶氧量的控制(一)营养要求黑曲霉柠檬酸生产菌是化能异养微生物，只能利用有机碳源；要使黑曲霉柠檬酸产生菌大量生成和积累柠檬酸，必须控制营养物质的供给，使菌体生长受限制，处于半“饥饿”和代谢失调状态。依据柠檬酸发酵机制，黑曲霉大量生成和积累柠檬酸的基本条件，是提供高浓度的葡萄糖和充足的氧。碳源碳源除了合成细胞物质和提供维持生命活动的能量外，主要用于合成代谢产物。从柠檬酸生产角度看，葡萄糖、蔗糖、糊精是良好的碳源，高糖浓度是柠檬酸发酵的一大特征。工业上为降低生产成本，多采用廉价的甘薯、玉米、小麦及其淀粉、糖蜜等。氮源氮源的作用是合成细胞物质和代谢调节，这是因为细胞中铵离子浓度的升高，能解除ATP和柠檬酸对关键酶磷酸果糖激酶的反馈抑制，使EMP代谢流增强，有利于柠檬酸生成与积累。一般柠檬酸发酵采用的氮源有：（1）生理酸性氮：（NH4)2SO4、（NH4)3PO4、NH4Cl、（NH4)2CO3等；（2）生理碱性氮：Ca（NO3）2、Mg（NO3）2、NaNO3、KNO3等；（3）两性氮：NH4NO3;(4)有机氮：麸皮、米糠、蛋白胨、氨基酸、尿素等。当有机氮和无机氮同时存在时，黑曲霉首先利用无机氮；在无机氮中，黑曲霉偏好生理酸性无机氮，这是因为生理酸性氮中的铵离子被利用后，使培养基变酸，可以使发酵中的黑曲霉生长阶段结束，进入产酸阶段，PH下降到较低水平有利于柠檬酸的积累；所以铵盐既可以调节代谢，也可以控制pH。如果原料中有机氮含量过分丰富，菌生长代谢加快，对缩短发酵周期