有机酸发酵工业中的发酵原料和发酵工艺

有机酸发酵工业中的发酵原料和发酵工艺

—————以食醋及柠檬酸的发酵生产为例

摘要：食醋是我国劳动人民在长期的生产实践中制造出来的一种酸味调味品，它能增进食欲，帮助消化。食醋按加工方法可分为合成醋、酿造醋和再制醋3大类。其中产量最大且与我们关系最为密切的是酿造醋，它是用粮食等淀粉质为原料，经微生物制曲糖化、酒精发酵和醋酸发酵等阶段酿制而成，其主要成分除醋酸外，还含有各种氨基酸、有机酸、糖类、维生素、醇和酯等营养成分及风味成分，具有独特的色、香、味。它不仅是调味佳品，而且长期食用对人体健康十分有益[1]。

我国食醋的发酵可分为糖化、酒精发酵及醋酸发酵三大生物化学工程，这三大工程即可为液态，也可为固态[2]。这3个过程都离不开不同种类微生物所产生的酶的作用[3-7]，即由曲霉产生的糖化型淀粉酶使淀粉水解为糖类，蛋白酶使蛋白质分解为各种氨基酸；酵母菌分泌的各种酒化酶使糖分子分解为酒精；由醋酸菌产生的氧化酶将酒精氧化成醋酸。整个食醋的发酵过程就是这些微生物产生的酶的互相协同作用，从而产生一系列的生物化学变化的过程。

柠檬酸又称枸橼酸(Citric acid)，为一般生物代谢产物，在自然界中分布极广。它不仅存在于柠檬、柑桔等植物果实的汁液中，也广泛存在于动物及人的器官中[8]。柠檬酸的制取可由柠檬汁、柑桔汁等分离制取。柠檬酸主要应用于食品工业，约占总产量的60 ％[9]。作为食品添加剂中的调味剂、酸化剂、和防腐剂，用于饮料、果酱、水果酒、水果糖、冰琪琳等品种中。拧檬酸工业生产采用以微生物在代谢过程中积累中间体的方式，拧檬酸发酵技术目前已较成熟[10]。

关键词：食醋；柠檬酸；发酵工艺

1食醋的生产原料

1.1原料的分类

目前酿醋生产所用的主要原料可分为：薯类如甘薯和马铃薯等；粮谷类如玉米和大米等；粮食加工下脚料如碎米、麸皮及谷糠等；果蔬类如黑醋栗、葡萄及胡萝卜等；野生植物如橡子和菊芋等；其它如酸果酒、酸啤酒及糖蜜等。生产食醋除了上述主要原料外，还需要疏松材料如谷壳及玉米芯等，使发酵料通透性好，好氧微生物能良好生长。

1.2主要原料的成分

1.2.1 淀粉

淀粉分直链淀粉和支链淀粉2种。直链淀粉是葡萄糖单体通过α一1，4一糖苷键连接成一条直线状，可多达数千个葡萄糖单体。支链淀粉是葡萄糖单体除通过α一1，4一糖苷键相连外，还通过α一1，6一糖苷键相连，形成分枝。在植物淀粉中，直链淀粉和支链淀粉的比例是不同的。

1.2.2蛋白质

制醋常用原料中都含有蛋白质，但含量都比较少，蛋白质经蛋白酶分解后可作为微生物的重要养分，也是食醋中氨基酸的来源，能增进食醋的色泽和风味。

1.2.3脂肪

脂肪对食醋酿造有影响，含脂肪高的原料，进行酒精发酵时，易产酸，故一般均选用脂肪含量少的原料酿醋。

1.2.4无机盐

无机盐是微生物生长代谢活动中不可缺少的一类物质，有调节渗透压的作用，原料中所含无机盐已足够。

1.2.5果胶

果胶在块根或块茎作物中含量较多，由多聚半乳糖醛酸或半乳糖醛酸甲酯组成，由于有甲氧基的存在，故在蒸煮时，可生成甲醇，对发酵及产品质量有不利的影响。

1.2.6纤维素

纤维素是葡萄糖通过β一1，4一糖苷键相连，不能被淀粉酶所分解，故不能被微生物所利用。

1.3酿造微生物

传统酿醋是利用自然界中的野生菌制曲、发酵，因此涉及的微生物种类繁多。新法制醋均采用人工选育的纯培养菌株进行制曲、酒精发酵和醋酸发酵，因而发酵周期短、原料利用率高[11]。

主要分为：淀粉水解微生物酒精发酵微生物醋酸发酵微生物。淀粉水解微生物能够产生淀粉酶、糖化酶。使淀粉水解的微生物很多，而适合于酿醋的主要是曲霉菌。酒精发酵微生物生产上一般采用子囊菌亚门酵母属中的酵母，但不同的酵母菌株，其发酵能力不同，产生的滋味和香气也不同。醋酸菌是醋酸发酵的主要菌种。醋酸菌具有氧化酒精生成醋酸的能力。

2 食醋的生产工艺流程

糖化、酒精发酵

打耙

酒醪

以上生产工艺流程参考自文献[2]。

糖化：糯米经粉碎后，加水和耐高温淀粉酶，打进蒸煮器进行连续蒸煮，冷却，加糖化酶进行糖化。酒精发酵：淀粉经过糖化后可得到葡萄糖，将糖化30min后的醪液打人

发酵罐，再把酵母罐内培养好的酵母接入。酵母菌将葡萄糖经过细胞内一系列酶的作用，生成酒精和二氧化碳。在发酵罐里酒精发酵分3个时期：前发酵期，主发酵期，后发酵期。

醋酸发酵：酒精在醋酸菌的作用下，氧化为乙醛，继续氧化为醋酸，这个过程称为醋酸发酵，在食醋生产中醋酸发酵大多数是敞口操作，是多菌种的混合发酵，整个过程错综复杂，醋酸发酵是食醋生产中的主要环节。

提热过杓：将麸皮和酒醅混和，要求无干麸，酒精浓度控制在5％一7％为好，再取当日已翻过的醋醅做种子，放于拌好麸的酒麸上，用大糠覆盖，第2 d开始，将大糠、上层发热的醅与下面一层未发热的醅充分拌匀后，再盖一层大糠，此操作过程称为“过杓”。露底：“过杓”结束，醋酸发酵已达旺盛期。这时应每天将底部的潮醅翻上来，面的热醋醅翻下去，见底，这一操作过程称为“露底”。封酪：封醅前取样化验，称重下醋，耙平压实，用塑料或尼龙油布盖好，四边用食盐封住，不要留空隙和细缝，防止变质。淋醋：淋醋采用3套循环法。最后浓缩、储存。

3柠檬酸的生产原料

柠檬酸发酵所用微生物及原料：

可形成柠檬酸的微生物种类很多，如真菌类有：梨形毛霉、平滑青霉菌、桔青霉、二歧拟青霉、黑曲霉、棒曲霉、温氏曲霉、泡盛曲霉、芬曲霉、丁烯二酸曲霉、斋藤曲霉及宇佐美曲霉、还有绿色木霉及普通黑粉菌等品种。然而真正具有工业生产价值，即产酸率较高并且能够利用多种糖类作为霉菌生长时所需碳源的品种只有黑曲霉，泡盛曲霉，斋藤曲霉。我国目前柠檬酸生产厂家所用的菌株均为黑曲霉，都经过诱变育处理，已不是野生菌株，但产酸能力强，而且适应用粗放发酵原料及生产条件．有刺干降低成本。

柠檬酸发酵生产可使用的原料品种很多。但共可划分为二类。即糖质原料和石油原料。糖质原料包括薯干、薯渣、淀粉、淀粉渣及玉米粉，各种粗制糖(粗蔗糖．饴糖等)、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜，葡萄糖母液等。石油原料主要包括C10-C2O的正烷烃。虽然用于柠檬酸生产的菌种可采用多种碳源，但以蔗糖和葡萄糖为佳，许多原料需进行纯化，因为有些微量元素会影响柠檬酸的产生[12]。

4柠檬酸发酵生产方法

柠檬酸的生产方法主要是从天然植物中提取和生物发酵法两种，目前以发酵法生产柠檬酸为主[13]。柠檬酸发酵生产方法有三种即：传统的固态发酵法、液态浅盘发酵法和深层通风发酵法，现代工业化大生产主要采用深层通风发酵法。

深层液体通风发酵的特点是：微生物菌体均匀分散在液相中，均匀利用溶解氧，发酵时不产生分生孢子，全部菌体细胞都参与合成柠檬酸的代谢，发酵速度高，设备占地面积小，生产规模大，完全实现机械自动化操作和控制，劳动强度低，生产率高，菌体生成量少，原料消耗低，产酸率几乎接近理论产率，但要求技术水平高，整个生产过程衔接紧凑，如果某一生产环节出了差错，往往会给整个生产带来重大损失。柠檬酸深层发酵工艺流程如下图所示。