項目描述：
檸檬酸是一種重要的有機酸，又名枸櫞酸，無色晶體，常含一分子結晶水，無臭，有很強的酸味，易溶於水。結晶時控製適宜的溫度可獲得無水檸檬酸。檸檬酸是當今利用微生物生產的一種極為重要的有機酸，廣泛應用於食品、飲料、醫藥、化工、冶金等領域。檸檬酸的用途主要分為食品工業、醫藥工業和化學工業3個方麵。本項目主要介紹檸檬酸生產的菌種、原料及發酵過程和提取精製工藝。
學習目標：
了解黑曲黴檸檬酸生產菌的選育及保藏方法。
理解黑曲黴檸檬酸生物合成的發酵機理。
掌握黑曲黴的檸檬酸發酵工藝流程及影響因素。
能力目標：
能熟練掌握黑曲黴檸檬酸發酵培養基的配置和菌種分離技術。
掌握黑曲黴發酵檸檬酸的發酵工藝流程和提取精製工藝。
自然界中許多微生物能向體外分泌或在環境中積累產生檸檬酸。工業生產領域中最有競爭力的微生物是黑曲黴。1913年Zahorski首先利用黑曲黴生產檸檬酸。1917年柯裏（Currie）初步奠定了發酵法生產檸檬酸的科學基礎。檸檬酸作為一種重要的有機酸，自1923年美國輝瑞（Pfizer）公司建立了第一個以黑曲黴淺盤發酵法生產檸檬酸的工廠以來，由於菌種選育和生產工藝的不斷改進，生產率不斷提高。1952年美國Miles實驗室采用較為先進的深層發酵工藝實現了工業化大生產。
中國用發酵法製取檸檬酸以1942年湯騰漢等報告為最早。1952年陳聲等開始用黑曲黴淺盤發酵製取檸檬酸。輕工業部發酵工業科學研究所於1959年完成了200L規模深層發酵製檸檬酸試驗，1965年進行了生產100t甜菜糖蜜原料淺盤發酵製取檸檬酸的中間試驗，並於1968年投入生產。1966年後，天津市工業微生物研究所、上海市工業微生物研究所相繼開展用黑曲黴進行薯幹粉原料深層發酵檸檬酸的試驗研究，並獲得成功，從而確定了中國檸檬酸生產的這一主要工藝路線。薯幹粉深層發酵檸檬酸，原料豐富，工藝簡單，無須添加營養鹽，產率高，是中國獨特的先進工藝。
我國現已成為世界主要檸檬酸生產國與出口國，2009年檸檬酸出口量高達15萬t以上。國內主要生產商有蚌埠豐源集團、無錫中亞羅氏公司以及青島扶桑化學公司等。
一、概述
有機酸是指一些具有酸性的有機化合物。最常見的有機酸是羧酸，其酸性源於羧基（COOH）。含有一個或多個羧基的有機酸廣泛存在於自然界中，在動物、植物、微生物體內均有發現。
有機酸發酵工業是生物工程領域中的一個重要並較成熟的分支。有機酸在傳統發酵食品中早已得到廣泛應用。用微生物發酵生產有機酸以替代從水果和蔬菜等植物中提取有機酸是近年來由於社會及市場的需要而開發出來的方法。由於食品、醫藥、化學合成等工業的發展，有機酸需求急劇增高，發酵生產有機酸逐漸發展成為近代重要的工業領域。目前廣泛用於食品工業與化工原料的具代表性的有機酸主要有檸檬酸、乳酸、葡萄糖酸、蘋果酸、衣康酸、酒石酸、琥珀酸、醋酸等。而發酵過程在這類酸的生產過程中起到了很重要的作用。
對於發酵法生產有機酸的代謝途徑，各國研究頗多，目前普遍認為是通過糖酵解途徑（EmbdenMeyerhofParnaspathway）進入三核酸循環（tricarboxylicacidcycle）。
（1）檸檬酸
檸檬酸是當今世界第一有機酸。2009年全球檸檬酸總銷量高達115萬t，其中食品用途約占6成，醫藥和其他工業用途（如作為工業洗滌劑）約占4成。我國現已成為世界主要檸檬酸生產國與出口國，2009年檸檬酸出口量高達15萬t以上。國內主要生產商有蚌埠豐源集團、無錫中亞羅氏公司以及青島扶桑化學公司等。僅這3家企業的檸檬酸總產量即達20萬t左右。隨著墨西哥、日本和美國的不少生產企業相繼關閉其檸檬酸生產線，今後我國檸檬酸將在國際市場上占主導地位，出口前景看好。目前，由於受到原料、人力等費用高漲的影響，以及我國質優價廉產品的衝擊，歐洲檸檬酸生產萎靡不振，這給我國檸檬酸產業發展提供了極好的機會。
（2）L乳酸
乳酸發酵的菌種在工業上主要有乳酸菌和根黴兩類，前者產酸高，發酵溫度高，發酵速度快，但產物一般為DL型；後者產L乳酸純度高，且菌體分離容易。發酵方式除傳統的批式發酵外，采用細胞循環發酵、超濾和電滲析與發酵罐組合的循環發酵以及各種不同載體的固定化細胞連續發酵等多種工藝。
乳酸工業發展很快，效益也不錯。特別是L乳酸，越來越引起大家的關注。這不僅是它廣泛用於食品工業，更因為它是可降解塑料的原料，潛伏著巨大的商機。
近年來，國際上許多研究表明，聚乳酸在空氣、水和普通細菌存在下，可完全分解為水和二氧化碳，形成良好的生態循環，是一種很好的綠色材料。聚乳酸的出現，為目前規模巨大的塑料工業難以克服的資源不可再生性和日益嚴重的白色汙染問題，提供了一條較為圓滿的解決途徑。以聚乳酸塑料逐步取代石油為原料的塑料製品，是一舉三得的事，其前景不可限量，很可能超過檸檬酸，成為產量最大的發酵有機酸。
（3）蘋果酸
蘋果酸學名為羥基丁二酸，是一種較強的有機酸，它的性質與檸檬酸大致相同，作為酸味劑，酸度略高於檸檬酸，具有較強的令人愉快的味覺，產生熱量更低，是一種低熱量的理想食品添加劑。因此在食品工業上的應用大有取代檸檬酸的趨勢。
蘋果酸發酵生產主要有3條路線：發酵法；二步法或酶轉化法；合成法，合成法產物為DL型。在食品、醫藥工業的應用主要為L型蘋果酸。發酵法和酶轉化法可利用酶的專一性，特定地生產人體能利用的L型。一步發酵工藝菌種主要有曲黴屬和假絲酵母，兩步發酵工藝的菌種多數為根黴菌屬或畢赤酵母等。
二、檸檬酸的生產工藝實例
檸檬酸又名枸櫞酸，化學名稱3羥基3羧基戊二酸，是三羧酸循環中的主要中間產物，是食品和飲料行業最廣泛使用的酸化劑。它在工業、醫藥等行業也有著廣泛的用途。
（一）檸檬酸生產工藝簡介
19世紀末之前，檸檬酸主要是從柑橘中提取的，1923年美國菲澤公司建造了世界上第一家以黑曲黴淺盤發酵法生產檸檬酸的工廠，開始了檸檬酸的發酵係統生產。這樣，依靠提取天然檸檬酸的方法逐漸被發酵檸檬酸所取代。
檸檬酸發酵在1950年以前都是采用以蔗糖或糖蜜為原料的淺盤法發酵，菌種以黑曲黴為主。1950年以後，以糖蜜、澱粉水解液為原料的黑曲黴深層發酵相繼投產。深層發酵通過在培養基中使用低價離子和絡合亞鐵，使得發酵過程在pH5.0進行發酵，有效地抑製了草酸的產生。淺層發酵周期為6～11d，所需能耗小，但勞動力多；深層發酵周期為4～7d，所需能耗大，但勞動力少。對於大規模生產多傾向於選擇深層發酵。國內深層發酵法約占發酵法產量的80％。
我國以薯幹等為原料的深層發酵技術具有獨創性，發酵指數居世界前列，自行開發的黑曲黴菌產酸效率也與國外接近。隨著生物技術的進步，檸檬酸工業有了突飛猛進的發展，全世界檸檬酸產量已達160萬t。在檸檬酸發酵技術領域，由於高產菌株的應用和新技術的不斷開拓，檸檬酸發酵和提取收率都有明顯提高，每生產1t檸檬酸分別消耗2.5～2.8t糖蜜，2.2～2.3t薯幹粉或1.2～1.3t蔗糖。人們正在大力開發固定化細胞循環生物反應器發酵技術。
（二）檸檬酸發酵工藝流程
檸檬酸廣泛應用於食品工業、醫藥工業和化學工業等方麵。它可利用糖質原料如土豆、地瓜中的澱粉等，在多種黴菌及黑曲菌的作用下，控製較低的溫度和pH值、較高的通氣量和糖濃度，用發酵法製得。
1）檸檬酸生產菌種
黑曲黴是重要的發酵工業菌種，可生產澱粉酶、酸性蛋白酶、纖維素酶、果膠酶、葡萄糖氧化酶、檸檬酸、葡萄糖酸和沒食子酸等。黑曲黴生長最適pH值因菌種而異，一般為pH3～7，產酸最適pH1.8～2.5。生長最適溫度為33～37℃，產酸最適溫度為28～37℃。黑曲黴在pH為2～3的環境中發酵蔗糖，產物以檸檬酸為主，隻產極少量的草酸；當pH接近中性時，則大量產生草酸，而檸檬酸產量降低。
黑曲黴以無性繁殖的方式繁殖，具有多種活力較強的酶，能夠利用澱粉類物質，並且對蛋白質、維生素、果膠等物質具有一定的分解能力。黑曲黴可以邊長菌、邊糖化、邊發酵產酸的方式生產檸檬酸。
2）生產原料
檸檬酸發酵的原料有糖質原料（甘蔗廢糖蜜、甜菜廢糖蜜）、澱粉質原料（主要是番薯、馬鈴薯、木薯等）和正烷烴類原料3大類。用含澱粉原料生產時，最好在發酵前先用澱粉酶及糖化酶進行適當的糖化。
3）培養基的製備
檸檬酸發酵培養基組成主要包括碳源、氮源、金屬離子和表麵活化劑等。工業生產上主要考慮因素有經濟、技術、運輸、貨源、無害、安全等。