摘 要:近年来,随着农业的发展和生化发酵工艺研究的深入,以玉米作为新兴原料生产柠檬酸的工艺受到柠檬酸生产企业的青睐。与以薯干为原料的传统的柠檬酸生产工艺相比,以玉米为原料除了能产出高质量的柠檬酸,还具有减少有害物的排放和大大降低柠檬酸的生产成本等诸多优点。所以,研究和改进以玉米为原料的柠檬酸生产工艺是有重要意义的。
关键词:玉米 柠檬酸 发酵 黑曲霉
中图分类号:TQ921.1文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)10(c)-0133-01
1 玉米生产柠檬酸工艺介绍
柠檬酸是世界上产量较大的一种有机酸,且是一种无水物,柠檬酸的生产工艺主要有生物发酵法、水果提取法和化学合成法这三种。
采用玉米粉为原料生产柠檬酸利于实现低能耗、低污染、高效益的目标。过滤玉米渣和过剩的蛋白质后转向发酵程序,将菌种和糖液混合通入无菌空气进行深层发酵,发酵罐保持适宜的温度35～37℃环境下生长,相对于传统以薯干为原料而言,以玉米作为新兴原料生产柠檬酸具有产酸快、发酵周期短、成本低、溶氧能力强等优点。一般来说,产酸收益整体上能提高10%左右。
2 玉米粉发酵生产工艺的改进
传统的柠檬酸生产都是以薯干作为原材料,经过生物发酵和钙盐提取工艺制作的,这种方法生产的产品质量差而且成本高,环境污染严重,为了进一步扩大经济效益,提高生产效率,实现清洁无污染的生产,需要对柠檬酸生产提取工艺加以改进。在原料方面,目前研究出了玉米粉、稻米以及秸秆等,工艺上采用工业离子色谱法、母液净化处理以及循环利用废糖液技术,这样不仅有效地降低了成本,而且对于柠檬酸生产剩余的副产物,要通过优化工艺的方式加以合理的利用,废物排放量少有利于环境保护。
2.1 对玉米中的其他营养物质的开发
玉米生产柠檬酸时,用到的只是玉米中的淀粉。可以在生产过程中对玉米中的其他营养物质进行回收、提纯和开发,生产出玉米蛋白粉、纤维饲料和高附加值的玉米油等副产品,这样的“吃干榨尽”的生产思想有效提高了经济效益。
2.2 清液发酵和培养基的调整
为了提高培养基的溶氧效果,在生产过程中适时除去培养基中的杂质(固形物)和过剩的营养物,这样培养基会呈现一种清液状态,溶氧能力增强,同时也缩短了发酵周期。另外,天然培养基经过合理调整后无须加入微量元素、生长素、氮源、无机盐等成分,这样各种成分比例合适的培养基大大提高了转化率和产酸率。
2.3 低温液化技术
在常压的条件下,采用低温液化技术,不仅能保证培养基的质量,还能达到彻底液化的工艺要求。
2.4 利用高科技的生产工艺
在培育玉米时,采用诱变育种的方式,从中选择适宜生产柠檬酸(比如淀粉含量较高的诱变品种)的玉米品种和进行大量培育,采用高浓度玉米粉柠檬酸性平板驯化的高新技术,培育和选择具有高转化率、发酵周期短和高产酸率的优质菌株。将高科技手段运用到大规模的发酵生产工艺中,实现经济效益和环境效益的双重收获。
2.5 母液的净化
柠檬酸母液净化的一种改进工艺是先用浓硫酸净化母液(除去母液中的易碳物质),除去杂质后,再通入酸解工序中进行酸解(除去酸解液中的钙离子),这样提高了硫酸的利用率。这样的工艺改进能有效降低硫酸的消耗量和排放量。
2.6 柠檬酸提取工艺改进
目前国内柠檬酸生产厂家大部分采用钙盐法。主要有两种改进方法,一是把过滤后的柠檬酸液和碳酸钙反应生成柠檬酸氢钙再用硫酸进行复分解反应得到高浓度的柠檬酸液;二是,在浓缩完成之后需加一个过滤装置,除去浓缩过程中析出的碳酸钙微粒,有效提高离子交换树脂的利用率,减轻离子交换的负担,提升柠檬酸产品质量。
2.7 对废糖液的循环利用
柠檬酸生产中是将柠檬酸先转化为废糖液,然后进行发酵工序,在这里,介绍一种废糖液的利用方法,即是将废糖液重新用于原料的调浆,这样做大大减少了废糖液的排放量,使得污水处理成本大大降低,节约用水的同时还能保证柠檬酸的收益率、质量和提取进度。
2.8 钙盐离子交换法
钙盐法是我国生产柠檬酸的一种传统方法随着今年的科技进步,在工艺和设备方面得到优化和改进,基本上实现了生产自动化。
工艺流程如图1所示。
2.9 电渗析技术
电渗析是一种高效的膜分离技术,其原理是利用阴阳离子交换膜的选择透过性的电场力的作用下,使柠檬酸根和氢离子结合为柠檬酸,整个过程中柠檬酸的损失少,平均收率达到92.7%。相对于传统柠檬酸提取工序中酸化沉淀的柠檬酸钙方法而言,这种改进后的工艺不需要添加钙成分,更加简单,便于实现自动化生产,对环境影响小,生产周期短容易进行自动化生产。其缺点在于会增加柠檬酸的生产成本(电渗析的膜费较高),消耗的电能较多。
3 使用玉米清液发酵柠檬酸
传统工艺使用粗玉米粉生产柠檬酸时,由于粗玉米粉中的蛋白质含量丰富,在发酵时无用成分较多且易于造成菌体疯长,不利于产酸。而用玉米清夜进行柠檬酸的发酵时有明显的优势。
3.1 玉米清夜发酵柠檬酸的优点
将玉米粉液化后,制成清夜,清夜中蛋白质含量低,固形物等杂质得以有效去除,清液中脂肪含量低,提高了转化率和溶氧量,并且缩短了生产周期。
3.2 以玉米清液作为原料的发酵工艺的研究
这里研究以玉米清液为原料,用300M3容量的发酵罐,采用黑曲霉为菌种进行发酵,探讨柠檬酸发酵的优化工艺条件。采用斜面培养基,使用玉米浆作为氮源,加入15%的玉米清液和25%的玉米粉,发酵温度定为37℃,通风比1∶0.3,接种量12%,发酵罐转速90r/min,pH值调至5～6,运行64小时,糖酸平均转化率高达98%。此柠檬酸发酵的优化条件下,黑曲霉菌株菌丝饱满、伸展均匀、松紧适中。
4 结语
作为柠檬酸发酵的新原料,玉米的成本较低,且采用玉米生产柠檬酸的发展和工艺改进潜力较大,企业在保证产出高质量的柠檬酸的前提下,应积极进行工艺的研究和探索,从外界引进新工艺和新技术用于生产,最终目标是实现低成本和绿色环保的双重收益。
参考文献
[1]陈坚,堵国成,等.发酵工程实验技术[M].北京:化学工业出版社,2003.
[2]王博彦,金其荣,发酵有机酸生产与应用手册.中国轻工业出版社,2007.