柠檬酸研究概况[摘要]：全文介绍了柠檬酸的性能，发展概况，生产过程及方式，影响因素等。

对现工业化运行的柠檬酸主要生产工艺的技术特点进行了具体的分析，阐述了国内外研究开发的现状与发展趋势。

[关键词]：柠檬酸；发酵；发酵影响因子引言柠檬酸(也称构椽酸)是重要的有机酸, 是柠檬、袖子、柑橘、葡萄等水果天然酸味的主要成分。

天然柠檬酸在自然界中分布很广，天然的柠檬酸存在于植物如柠檬、柑橘、菠萝等果实和动物的骨骼、肌肉、血液中。

1 柠檬酸的性质柠檬酸结构式：化学名称：2-羟基-1,2,3-三羧基丙烷英文名称2：2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acidCAS No.：77-92-9EINECS号：201-069-1[1]柠檬酸分子式：C6H8O71.1柠檬酸的物理性质在室温下，柠檬酸为无色半透明晶体或白色颗粒或白色结晶性粉末，无臭、味极酸，在潮湿的空气中微有潮解性。

它可以以无水合物或者一水合物的形式存在：柠檬酸从热水中结晶时，生成无水合物；在冷水中结晶则生成一水合物。

加热到78 °C时一水合物会分解得到无水合物。

在15摄氏度时，柠檬酸也可在无水乙醇中溶解。

1.2柠檬酸的化学性质从结构上讲柠檬酸是一种三羧酸类化合物，并因此而与其他羧酸有相似的物理和化学性质。

加热至175°C时它会分解产生二氧化碳和水，剩余一些白色晶体。

柠檬酸是一种较强的有机酸，有3个H+可以电离；加热可以分解成多种产物，与酸、碱、甘油等发生反应。

天然柠檬酸在自然界中分布很广，天然的柠檬酸存在于植物如柠檬、柑橘、菠萝等果实和动物的骨骼、肌肉、血液中。

人工合成的柠檬酸是用砂糖、糖蜜、淀粉、葡萄等含糖物质发酵而制得的，可分为无水和水合物两种。

柠檬酸是世界上以生物化学方法生产量最大的有机酸, 酸味柔和爽快, 人口即达到最高酸感,后味延续时间较短，柠檬酸钠则是柠檬酸的钠盐, 水解后生成起主要作用的柠檬酸，所以柠檬酸(钠) 是重要的食品添加剂, 广泛用于食品工业, 可调节食品酸度, 增强食品感，在我国允许果酱、饮料、罐头、调味料和糖果等使用，国家标准没有明确规定使用限量。

柠檬酸不仅用于食品工业, 如酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂、除腥脱臭剂、风味增进剂、胶凝剂、调色剂等, 而且医药、饲料、化工、电子、纺织、石油、皮革、建筑、摄影、塑料、铸造和陶瓷等工业领域都有十分广阔的应用[2]。

2 柠檬酸发展概况2.1世界柠檬酸生产概况[ 3,4]据美国SRI统计，1999年全球柠檬酸的生产能力为8719万t/ a。

美国和西欧柠檬酸装置开工率在85%以上。

世界柠檬酸有五大生产商, 分别是ADM公司、Junbunzlauer公司、Tate & Lyle公司、Cargill 公司、Hoffmamn-La Roche公司, 包括中国生产厂家在内, 共占全球柠檬酸生产能力的85%, 由此可见，柠檬酸行业具有很强的垄断性。

1998年Tate&Lyle公司收购了Bayer子公司Haarmann&Reimer公司的柠檬酸装置，其柠檬酸生产能力提高到17%，生产能力达到1615万t/a, 跃居世界第一。

全球柠檬酸单套生产能力最大的装置是奥地Junbunzlauer公司, 装置能力为1316万t/a。

2.2我国柠檬酸行业概况我国柠檬酸生产企业众多，厂家遍布全国各地，90年代初，柠檬酸企业的数量达到了最多，有120多家，厂家规模、生产能力、产品质量等参差不齐。

经过数年市场调整，从2003年开始，企业的产能不断向大规模集中，企业数量到目前锐减了80%以上，经过多年的竞争与发展，优胜劣汰，柠檬酸企业数量逐年减少，而规模迅速扩大, 20世纪末，使我国成为柠檬酸生产大国。

进入21世纪以来，经过数年的整合与发展，特别是2004年以来，我国柠檬酸工业取得了巨大的发展与进步，今天可以自豪地说：我国已经进入世界柠檬酸生产强国行列。

3柠檬酸的生产方式工业上，柠檬酸的生产方法主要有2种：一种是从天然含柠檬酸的果汁中提取；另一种是用发酵法进行生产。

目前世界上几乎都是用发酵法生产柠檬酸。

发酵法生产柠檬酸是以糖蜜、淀粉质、废果渣为原料，利用霉菌和酵母菌进行发酵，经提取、精制后而获得的高纯度产品。

发酵法又可分为表层发酵法、固体培养法和深层发酵法，其中深层发酵法占80%以上。

我国柠檬酸生产的主要原料包括淀粉、葡萄糖、玉米粉、稻米粉、木薯粉等，现在工业化生产大都选用薯干，玉米粉为原料，而欧美等国家则采用葡萄糖，淀粉等精料进行发酵。

在我国20世纪90年代以前柠檬酸行业还主要是以薯干粉为原料发酵柠檬酸，但由于薯干粉属粗料发酵，带有一定的固有弊端，如培养基营养波动，大量不参与生化反应的杂质空耗能源，并给提取增加负担，发酵总糖浓度偏低，影响发酵指数和设备利用率，发酵滤渣价值很低，难以综合利用等等。

20世纪90年代初期天津工业微生物研究所开始研究以玉米粉为原料的生产工艺，并得到广泛的应用。

4 柠檬酸发酵机理1940年H.A.克雷伯斯提出三羧循环学说以来，柠檬酸的发酵机理逐渐被人们所认识。

已经证明，糖质原料生成柠檬酸的生化过程中，由糖变成丙酮酸的过程与酒精发酵相同，亦即通过E-M途径(二磷酸己糖途径)进行酵解。

然后丙酮酸进一步氧化脱羧生成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A和丙酮酸羧化所生成的草酰乙酸缩合成为柠檬酸并进入三羧循环途径。

柠檬酸是代谢过程中的中间产物。

在发酵过程中，当微生物体内的乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶活性很低、而柠檬酸合成酶活性很高时，才有利于柠檬酸的大量积累。

5发酵生产过程柠檬酸生产分发酵和提取两部分5.1发酵发酵有固态发酵、液态浅盘发酵和深层发酵3种方法。

固态发酵是以薯干粉、淀粉粕以及含淀粉的农副产品为原料，配好培养基后，在常压下蒸煮，冷却至接种温度，接入种曲，装入曲盘，在一定温度和湿度条件下发酵。

采用固态发酵生产柠檬酸，设备简单，操作容易。

液态浅盘发酵多以糖蜜为原料，其生产方法是将灭菌的培养液通过管道转入一个个发酵盘中，接入菌种，待菌体繁殖形成菌膜后添加糖液发酵。

发酵时要求在发酵室内通入无菌空气。

深层发酵生产柠檬酸的主体设备是发酵罐。

微生物在这个密闭容器内繁殖与发酵。

现多采用通用发酵罐。

为了得到产柠檬酸的优良菌种，通常是从不同地区采集的土壤或从腐烂的水果中分离筛选，然后通过物理和化学方法进行菌种选育。

例如薯干粉深层发酵柠檬酸的菌种就是通过柠檬酸不断变异和选育得到的。

菌种适合在高浓度下发酵，产酸水平较高。

5.2提取在柠檬酸发酵液中，除了主要产物外，还含有其他代谢产物和一些杂质，如草酸、葡萄糖酸、蛋白质、胶体物质等，成分十分复杂，必须通过物理和化学方法将柠檬酸提取出来。

大多数工厂仍是采用碳酸钙中和及硫酸酸解的工艺提取柠檬酸。

除此之外，还研究成功用萃取法、电渗析法和离子交换法提取柠檬酸。

6柠檬酸发酵影响因子6.1氮源对柠檬酸发酵的影响氮源分为有机氮源和无机氮源两种，能作为黑曲霉发酵柠檬酸氮源的原料很多，黑曲霉可以利用很多无机和有机氮源，尤其偏好于无机氮源，并且在发酵柠檬酸中途添加NH4+盐也有优越性。

从NH4+的代谢调节作用考虑，黑曲霉柠檬酸生产菌的PFK酶是酵解途径中第一个调节酶，也是决定EMP 途径代谢流量的最重要的关键酶。

此酶受正常的生理浓度范围的柠檬酸和ATP的抑制，为AMP、Pi、NH4+所激活，NH4+还能有效地解除柠檬酸和ATP对PFK酶的抑制。

NH4+在细胞内的生理浓度水平下，PFK酶对柠檬酸不敏感，考察柠檬酸发酵时，PFK酶的这些效应物在细胞内的浓度表明，NH4+浓度与柠檬酸生产率有密切的关系。

所以NH4+在发酵过程中，尤其在产酸阶段不应受限[5]。

在考虑氮源用量时，应考虑原料中的含氮量和养基的碳氮比以控制霉菌的长势。

氮源不足长菌弱,发酵期延长，且易染杂菌。

而氮源过足则黑曲霉曲霉长势过旺，产酸率显著下降。

6.2pH值对柠檬酸发酵的影响柠檬酸主要发酵菌黑曲霉是嗜酸性微生物，黑曲霉在生长和发酵柠檬酸不同阶段需要不同的pH 值条件。

黑曲霉生长的最适pH值在3~7之间。

黑曲霉发育的最适pH值与培养基中的氮源有关，在糖合成培养基中，黑曲霉的分生孢子在pH值6.2~ 7.2之间发芽良好，如果pH < 4.5会抑制分生孢子的发育，在pH<2.5时孢子甚至不能发育。

但是如果pH>7.5，分生孢子会剧烈膨胀甚至破裂[6]。

6.3温度及原料粉碎度对柠檬酸发酵的影响一般微生物菌体生产所需最适温与产物形成最适温度不完全相同。

柠檬酸发酵前期菌体生长所需温度较高一些，产酸期稍低一些。

但由于生产中控制变温发酵比较困难，一般发酵罐内温度控制在36℃左右，此温度即适于菌体生长，又有利于柠檬酸合成。

低于此温度菌体生长缓慢，周期长。

而高于此温度，虽然可以促使产酸速度加快，周期缩短，但由于菌体早衰，由糖生成酸的转化率偏低。

7 柠檬酸行业待解决的课题7.1原料我们目前主要的原料是木薯和玉米。

前者仍是粗料发酵，它带来了一系列固有的缺陷，如培养基营养成分的波动；大量不参与生化反应的杂质空耗能源，并给提取增加诸多负担；发酵液总糖浓度偏低，影响了发酵指数和设备利用率；发酵液滤渣价值很低，难以综合利用等等。

玉米原料也只能算是半精料发酵，为了调整氮源，还要将一定比例的玉米粉直接进罐。

由于要追求尽可能高的液化收率，总糖浓度也无法调高，致使我们的发酵产酸，至今停留在12%～13%的水平。

玉米原料的综合利用也是个大问题，我们除利用了淀粉之外，将其余部分都制成了廉价的饲料，太可惜了。

所以，根据各厂实际，选用更适合的原料，提高资源利用率，是很迫切的问题。

7.2菌种近年来进展不大。

随着分子生物工程的发展，为优良菌种的选育提供了更为广阔的天地，用基因重组菌种取代，改良原有的柠檬酸、青霉素菌种已见诸报道。

以基因工程手段改造传统的发酵工业，已经不是遥遥无期的事，如果我们不努力攻关，今天的技术优势很可能在新一轮的竞争中失去。

随着发酵罐的日益大型化，它与手工麸曲制备的矛盾越来越突出，如何实现麸曲制备的工业化，或代之以孢子粉，是多年未能突破的难题。

自然，最为理想的是制成孢子粉或采用固定化技术，只是技术难度很高。

复旦大学郭杰炎教授提出，目前更为现实的，是以固态发酵改变落后的麸曲制备工艺。

现在固体培养基发酵罐早已问世，已有应用生物制药、酶制剂、制曲等工业的报道。

如一种立式多层固态发酵罐，投料前进行空罐灭菌。

物料从顶部加料孔进入，然后进行蒸煮、灭菌，物料降温通过内蛇管、外夹套冷却，罐底进入无菌空气，从罐顶排出，达到通气、恒温要求，采用轴向搅拌翻料，发酵罐容积范围为0.5～10m。

另一种华东理工大学的智能生物发酵罐，全容量为50L～5000L，采用外罐体转动的搅拌方式，物料在罐体内边翻滚边进行蒸汽灭菌，通过进气调节罐内温度和湿度，转速为0～30rmp，均为不锈钢结构。