第五章 柠檬酸发酵工艺

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。
（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
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
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。
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120145℃，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
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。
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。
用玉米发酵柠檬酸，采用HYW喷射液化器，二次加 酶液化工艺： 稀石灰水
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PH 4.8～5.2 →过滤去渣
稀HCl或 稀H2SO4
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
（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。
喷射液化 97.1 56.7 0.7 630
升温液化 96.9 57.2 2.67 183
（四）各种液化方法比较
液化方法
酸法液化
基本条件
优点
缺点
淀粉乳浓度30%， 适合任何精制淀粉， pH 1.8~2.0，液化温 所得的糖化液过滤性 度135℃。10min液化 能好 DE值15~18% 淀粉乳浓度30%， pH6.5，Ca2+ 0.01 mol /L,液化温度85~ 90℃，30~60min液 化DE值15~18%
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。
第一节 发酵原料的预处理

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。

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。
2、半连续液化法 （高温液化法）
3、连续液化法（喷 射液化法）
机械法
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 料液容易溅出，操作 易，效果比直接升温 安全性差，蒸汽用量 好 大，液化温度未达到 液化效果好，液化液 高温酶的最适温度， 清亮、透明，质量好，液化效果一般，糖化 葡萄糖的收率高 液过滤性能差 液化液较有利于糖化 工艺过程有待于进一 酶结合，糖化后的糖 步完善 化液DE值可达99%， 适合于各类淀粉
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。

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
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”。
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
滤液葡萄糖值/% 滤液比旋光度[α]D20 滤饼不容物含量/% 过滤速度/[/(m2•h)]
（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。
淀粉液化的方法
1、酸法：以强பைடு நூலகம்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。
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。