柠檬酸发酵机制

预备知识2　柠檬酸发酵机制

一、柠檬酸概述

柠檬酸是一种重要的有机酸，又名枸橼酸，为无色晶体，常含一分子结晶水，无臭，有很强的酸味，易溶于水。其钙盐在冷水中比在热水中更易溶解，此性质常用来鉴定和分离柠檬酸。结晶时控制适宜的温度可获得无水柠檬酸。

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状粉末，无臭，味极酸，在潮湿的空气中微有潮解性。可以以无水合物或者一水合物的形式存在，在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℃时，一水合物会分解得到无水合物。在15℃时，柠檬酸也可在无水乙醇中溶解。

柠檬酸结晶形态因结晶条件不同而不同，有无水柠檬酸C₆H₈O₇，也有含结晶水的柠檬酸2C₆H₈O₇·H₂O、C₆H₈O₇·H₂O或C₆H₈O₇·2H₂O。

化学性质：从结构上讲，柠檬酸是一种三羧酸类化合物，因此与其他羧酸有相似的物理和化学性质。加热至175℃时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；可与酸、碱、甘油等发生反应。

二、柠檬酸发酵机制

柠檬酸是将脂肪、蛋白质和糖转化为二氧化碳的过程中的重要化合物。这些化学反应是几乎所有代谢的核心反应，并且为高等生物提供能量。1940年，H．A．克雷伯斯提出三羧酸循环学说以来，柠檬酸的发酵机理逐渐被人们所认识。克雷伯斯因为发现这一系列反应获得了1953年诺贝尔生理学或医学奖。这一系列反应称作“柠檬酸循环”、“三羧酸循环”或“克氏循环”。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的相同，即通过E－M途径（双磷酸己糖途径）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酸循环途径。

柠檬酸是代谢过程的中间产物。在发酵过程中，当微生物的乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶活性很低，而柠檬酸合酶活性很高时，才有利于柠檬酸的大量积累。

1784年，C．W．舍勒首先从柑橘中提取柠檬酸。他是通过在水果榨汁中加入石灰乳以形成柠檬酸钙沉淀的方法制取柠檬酸的。天然柠檬酸最初产于美国加利福尼亚州、意大利和西印度群岛，以意大利的产量居首位。到1922年，世界柠檬酸的总销售额的90%由美国、英国、法国等垄断。发酵法制取柠檬酸始于19世纪末。1893年，C．韦默尔发现青霉（属）菌能积累柠檬酸。1913年，B．扎霍斯基报道黑曲霉能生成柠檬酸。1916年，汤姆和柯里以曲霉（属）菌进行试验，证实大多数曲霉菌（如泡盛曲霉、米曲霉、文氏曲霉、绿色木霉和黑曲霉）都具有产柠檬酸的能力，其中黑曲霉的产酸能力更强。柯里以黑曲霉为供试菌株，在15%蔗糖培养液中发酵，发现黑曲霉对糖的吸收率达55%。1923年，美国菲泽公司建造了世界上第一家以黑曲霉浅盘发酵法生产柠檬酸的工厂。随后，比利时、英国、德国等相继研究成功发酵法生产柠檬酸。由此，依靠从柑橘中提取天然柠檬酸的方法逐渐被发酵的方法所取代。1950年以前，柠檬酸采用浅盘发酵法生产。1952年，美国迈尔斯试验室采用深层发酵法大规模生产柠檬酸。此后，深层发酵法逐渐建立起来。深层发酵周期短，产率高，节省劳动力，占地面积小，便于实现仪表控制和连续化，现已成为柠檬酸生产的主要方法。

中国用发酵法制取柠檬酸以1942年汤腾汉等人的报告为最早。1952年，陈声等开始用黑曲霉浅盘发酵法制取柠檬酸。1959年，当时的轻工业部发酵工业科学研究所完成了200L规模深层发酵制柠檬酸试验，1965年进行了生产100t甜菜糖蜜原料浅盘发酵制取柠檬酸的中间试验，并于1968年投入生产。1966年后，天津市工业微生物研究所、上海市工业微生物研究所相继开展用黑曲霉进行薯干粉原料深层发酵来制取柠檬酸的试验研究，并获得成功，从而确定了中国柠檬酸生产的主要工艺路线。用薯干粉深层发酵来制取柠檬酸，原料丰富，工艺简单，不需添加营养盐，产率高，是中国独特的先进工艺。