在食品工业生产中，发酵工业占据重要地位，其既是食品工业的重要构成，又归属国家高新生物技术产业范畴。食品发酵工业是通过采用微生物发酵技术，以农副产品作为原料，研制出可供人们食用及使用的各类发酵制品。据报道，由发酵工程贡献的产品可占食品工业总销售额15%以上，如氨基酸可用作食品、饲料添加剂和药物。目前利用微生物发酵法可以生产近20种氨基酸。......
2023-11-18
有机酸发酵原理及应用-食品生物技术
【摘要】：有机酸发酵的原理是微生物在碳水化合物代谢过程中，有氧降解被中断而积累多种有机酸，现已确定的有60余种，但目前工业化生产的不过10余种。柠檬酸发酵的机制普遍认为与三羧酸循环有密切的关系，见图6-11。目前一般采用以天然糖质为原料利用霉菌进行发酵生产L-苹果酸或者利用霉菌加细菌或酵母进行混合发酵生产L-苹果酸。前一步称富马酸发酵，后一步称转化发酵。
有机酸发酵的原理是微生物在碳水化合物代谢过程中，有氧降解被中断而积累多种有机酸，现已确定的有60余种，但目前工业化生产的不过10余种。有机酸在食品、医药、化工、轻工等方面有着广泛的用途。
我国目前发酵法生产的有机酸仅柠檬酸、乳酸、苹果酸等几个品种。从消费量上看，美国人均年消费量为150g，日本为30g，我国仅有3～5g。随着生活水平的不断提高，特别是无醇饮料、碳酸饮料、果汁饮料的大幅度增长，有机酸的用量将明显增加。在大力发展现有品种的基础上，近年来我国已开发葡萄糖酸、富马酸、曲酸等有机酸的研制和生产。
（一）柠檬酸发酵
柠檬酸（citric acid）又称枸橼酸，学名2-羟基丙烷-1，2，3-三羧酸，分子式为C6H8O7，为无色、无臭、半透明结晶或白色粉末，密度为1.542g/cm3（18℃），易溶于水及酒精等有机溶剂，是生物体主要的代谢产物之一。20世纪70年代中期，柠檬酸工业已初步形成生产体系。目前我国柠檬酸产量居世界第一位，主要应用于食品工业，作为食品的酸味料和油脂的抗氧化剂，其次用于医药工业、塑料工业等。
1.生产原料及发酵机制
柠檬酸发酵的原料有糖质原料（甘蔗废糖蜜、甜菜废糖蜜）、淀粉质原料（主要是甘蔗、马铃薯、木薯等）和正烷烃类原料三大类，以及一些新原料（如稻米等）。
柠檬酸发酵的机制普遍认为与三羧酸循环有密切的关系，见图6-11。糖经糖酵解途径（EMP途径），形成丙酮酸，丙酮酸羧化形成C4化合物，氧化脱羧形成C2化合物，两者缩合形成柠檬酸。
图6-11 柠檬酸的合成途径
2.菌种
很多微生物可以产生柠檬酸，目前生产商用柠檬酸常用产酸能力强的黑曲霉作为生产菌，因为其产量最高，且利用多样化的碳源。无论采用何种微生物都是典型的好氧发酵。
3.生产工艺
工业上发酵的方法有三种，即表面发酵、固体发酵、液体深层发酵。液体深层发酵工艺设备占地少，发酵周期短，产酸高，原料消耗低，可发酵蔗糖、淀粉水解液、糖蜜、薯干粉等。目前多采用薯干粉为原料生产，发酵周期为4d左右。以甘薯（红薯）粉渣作原料为例，利用发酵法制取柠檬酸（见图6-12）。
图6-12 采用甘薯粉渣作原料生产柠檬酸的工艺流程(www.chuimin.cn)
（二）苹果酸生产
发酵法生产的L-苹果酸是国际上公认的安全性食品添加剂，在各种饮料、罐头、糖果、果冻、果酱、糕点等加工中用作酸味剂，如与柠檬酸配合使用，其果香更加浓郁。在欧美和日本等国生产的果汁速溶饮料、果酒、人造奶油等产品中，它成为不可缺少的酸味剂，在葡萄酒酿造过程中加入少量L-苹果酸可使酒陈化。
L-苹果酸广泛存在于水果和蔬菜中，在未成熟的水果中含量特别丰富，以前制取苹果酸是采用压榨水果提取的，20世纪初发现酵母、曲霉能形成L-苹果酸。目前一般采用以天然糖质为原料利用霉菌进行发酵生产L-苹果酸或者利用霉菌加细菌或酵母进行混合发酵生产L-苹果酸。
1.苹果酸产生菌
不同的苹果酸发酵工艺所采用的微生物也不同。一步发酵法采用黄曲霉、米曲霉、出芽短梗霉等；两步法采用华根霉、无根根霉、短乳杆菌、膜醭毕赤酵母等；酶法转化用短乳杆菌、大肠杆菌、产氨短杆菌、黄色短杆菌等。
2.苹果酸发酵工艺
一步发酵法是以糖质为原料，黄曲霉、米曲霉等直接发酵生产苹果酸。培养基组成：葡萄糖7%～8%，豆饼粉1%，FeSO40.05%，NaCl 0.001%，K2HPO40.02%，MgSO40.01%，CaCO36%（单独灭菌）。温度33～34℃，发酵40h，当残糖降到0.1%以下时放罐。
两步发酵法也称混合发酵工艺，是先用根霉将糖类发酵成富马酸（或富马酸与苹果酸的混合物），再由酵母或细菌发酵成L-苹果酸。前一步称富马酸发酵，后一步称转化发酵。当华根霉6508发酵4～5d后，再接入膜醭毕赤酵母3130培养5d，苹果酸对糖的产率可达62.5%。
酶转化法工艺相当于两步法发酵工艺中的转化发酵。酶法转化是以富马酸盐为原料，利用微生物的富马酸酶转化成苹果酸（盐）。酶法转化是目前国内外生产L-苹果酸的主要方法，应用固定化酶或细胞技术连续生产L-苹果酸是其发展趋势。
3.苹果酸的提取
苹果酸的提取方法与柠檬酸类似，主要过程也是加入CaCO3或Ca（OH）2，滤出生成的苹果酸钙，滤饼用硫酸处理，析出CaSO4，含苹果酸的滤液经精制、真空浓缩后获得苹果酸结晶。
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