专利名称：一种高强度发酵技术生产柠檬酸的方法
技术领域：
本发明涉及一种生产朽1檬酸的方法，尤其涉及一种高强度发酵技术生产朽1檬酸的方法。
背景技术：
柠檬酸，学名2-羟基丙烷-1，2，3-三羧酸，分子式C6H8O7 (无水物)，是一种广泛地应用于食品，医药和化工领域的有机酸。随着经济的发展，各行各业对柠檬酸的需求量将稳步上升，当然各企业面对的挑战与机遇也越来越多。主要用于食品工业、医药业、化学工业，并且在电子、纺织、石油、皮革、建筑、摄影、塑料、铸造和陶瓷等工业领域中也有十分广阔的应用。
目前，柠檬酸生产中存在发酵的初始总糖浓度低、产酸率低、产酸速度慢、发酵周期长、发酵系数低、能耗高、成本高，设备利用率低等不足之处，严重制约了柠檬酸行业的发展。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，提高了发酵产酸速率、缩短了发酵周期，又能提高产酸，解决了目前柠檬酸生产中发酵的初始总糖低、周期长、产酸慢、转化率低和设备利用率等问题。本发明的具体步骤为( I)将玉米粉碎制备玉米粉；(2)将玉米粉加水调浆，并向其中加入耐高温α -淀粉酶，每克玉米粉加入5-25个酶单位的耐高温α-淀粉酶；(3)将调浆后的玉米粉浆输送至均质机或胶体磨处理；(4)将上述处理后的玉米粉浆输送至喷射液化装置经过两次连续喷射液化工艺进行液化；(5)取步骤(4)中占最终发酵液总体积5-10%的液化液，投入种子罐中，加入氮源，每升发酵液中加入O. 01-0. 025g氮源，在80-121°C消毒15-30分钟后，降温至35_38°C，接
入黑曲霉孢子悬浮液进行培养基培养；(6)取步骤(4)中占最终发酵液总体积15-20%的液化液投入发酵罐；(7)将步骤(4)中剩余的液化液过滤得过滤清液；(8)取步骤(7)中占最终发酵总体积70-75%的过滤清液投入发酵罐中，同时添加氮源，每升发酵液中加入50-350g氮源，80-121°C消毒15-30分钟后，降温至35_38°C ；(9)将步骤(5)的培养基中加入酸性蛋白酶后转移至发酵罐中，35_38°C通风搅拌至发酵终了。由于玉米粉粒度过大，不利于后续的均质机或胶体磨处理；粒度过小，会给粉碎工序增加较大的难度，增加电耗和工作量，所以步骤(I)中粉碎后的玉米粉60目的透过率在50%以上。将粉碎后的玉米粉浆加入水进行调浆，调浆后质量分数为10-35%。由于pH过高或过低都会使得淀粉酶的活性受到抑制，不利于后期的液化，导致玉米渣中残留的淀粉较多，造成部分的淀粉的损失，引起资源的浪费，所以通过添加少量柠檬酸母液或者生石灰对玉米粉调浆的PH进行调节，调节后控制在5. 0-7. 8。本发明采用JJ-16/25均质机或JMS-300胶体磨对调浆后的玉米粉浆进行均匀细化处理，使玉米颗粒进一步破坏，增大玉米淀粉与淀粉酶的接触几率，促进玉米淀粉的溶出，提高糖的得率，均匀细化处理后玉米粉浆中玉米粉的粒度小于50 μ m。发明人经过长期试验摸索发现采用一次喷射液化，最终得到的料液粘稠，不利于过滤，甚至还有部分与蛋白结合的糖无法溶出，造成糖渣淀粉含量偏高；所以本发明将经过均匀细化处理的玉米粉浆采用两次连续喷射液化，第一次喷射液化主要是促进淀粉酶与淀粉的迅速作用，使得淀粉初步液化，为了保证淀粉酶和稳定性都较高，有利于淀粉的液化，第一次喷射液化温度为95-97°C ;第二次喷射液化主要是高温条件下蛋白质的凝聚和难溶 性淀粉酶颗粒的膨胀溶出，降低了液化液的粘度，有利于后续的过滤，为了促进蛋白质的凝 聚和难溶性淀粉酶颗粒的膨胀溶出，第二次喷射液化温度为125-130°C ;本发明采用两次连续喷射液化，减少了非发酵性糖类的产生，物料在液化层流罐中维持1-6个小时，液化DE值为 10-85%。取上述占最终发酵液总体积5-10%的液化液，投入种子罐中，每升发酵液中加入
O.01-0. 025g氮源，消毒，降温，接入黑曲霉孢子悬浮液进行培养基培养；本过程中，由于液化液可以直接作为有机氮源使用，所以只需要加入无机氮源即可，无机氮源为硫酸铵、柠檬酸铵、尿素、硝酸铵中的一种或其混合物。发酵过程中，本发明采用以氨基酸、氨基氮及一些小分子的肽为主的有机氮源，例如棉籽粉或豆柏粉，其优点是加入此类氮源可以使菌种更好的吸收利用某些氨基酸，直接合成菌种生长及代谢的相关酶系，加快菌种生长和产酸。棉籽粉或豆柏粉可直接从市场上购买，本方面所用棉籽粉及豆柏粉为北京中棉紫光生物科技有限公司提供。由于酸性蛋白酶可以促进蛋白质的水解，提高发酵液中氨基酸、小分子肽类物质的增加，有利于菌种快速的吸收利用氮源，加快菌种的生长与产酸，所以本发明在发酵过程中加入酸性蛋白酶，其添加量过低水解的效果较差，起不到明显的促进菌种生长的作用，而添加量过大会造成成本的上升，所以本发明中酸性蛋白酶的添加量为每克干基5-30个酶单位。本试验中的酸性蛋白酶为山东隆大生物工程有限公司提供的液体蛋白酶，酶活力为50000U/mL 或 100000U/mL，pH 范围为 2. 5-6. 0，温度为 30-50°C。由于温度过低，菌种生长代谢速度缓慢，导致发酵周期过长；温度过高会对菌种生长、代谢产生不利影响，导致产生其他的杂酸、代谢物质，给后续的提取增加负担，所以发酵温度控制在35-38°C。当发酵罐正常产酸每小时不超过0. 1%，还原糖不超过I. 0%即可终止发酵。最终的发酵液可以采用常用的钙盐法提取其中的柠檬酸。另外，本发明中过滤后的玉米糖渣可以用于生产高蛋白饲料，而发酵液过滤后的菌丝体可以用来提取壳聚糖。综上所述，本发明将玉米粉浆通过均质机或胶体磨预处理后进行两次连续喷射液化，减少了非发酵性糖类的产生，同时通过添加合适的氮源和酸性蛋白酶，并调整相应的生产参数与之适应，提高了整体发酵强度，有利于菌种吸收利用氮源，促进菌种生长与产酸，缩短了发酵周期，达到了节能降耗的效果，为柠檬酸行业的发展指明方向；同时，玉米糖渣具有较高的附加值，可以用于生产高蛋白饲料，而发酵液过滤后的菌丝体可以用来提取壳聚糖，同样具有可观的经济效益，具有良好的市场前景，既减少对环境的污染，变废为宝，又能创造良好的经济效益，综合提高企业的竞争力。
具体实施例方式实施例I一种高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其步骤为
( I)将玉米粉碎制备玉米粉，粉碎后玉米粉60目的透过率为50% ；(2)将玉米粉加水调浆，并向其中加入耐高温α -淀粉酶，每克玉米粉加入5个酶单位的耐高温α -淀粉酶，调浆后玉米粉浆浓度为22%，pH值为6. 18 ；(3)将调浆后的玉米粉浆输送至均质机处理，处理后玉米粉粒度为45-50 μ m ；(4)将上述处理后的玉米粉浆输送至喷射液化装置经过两次连续喷射液化工艺进行液化，第一次喷射温度为95°C，第二次喷射温度为127°C，在液化层流罐中维持4个小时，液化DE值为80% ；(5)取步骤(4)中占最终发酵液总体积5%的液化液，投入种子罐中，加入硫酸铵，每升发酵液中加入O. 02g硫酸铵，在121°C消毒30分钟后，降温至37°C，接入黑曲霉孢子悬浮液进行培养基培养；(6)取步骤(4)中占最终发酵液总体积20%的液化液投入发酵罐；(7)将步骤(4)中剩余的液化液采用板框过滤机过滤得过滤清液；(8)取步骤(7)中占最终发酵总体积70%的过滤清液投入发酵罐中，同时添加棉籽粉，每升发酵液中加入50g棉籽粉，90°C消毒30分钟后，降温至37°C ；(9)将步骤(5)中的培养基中加入酸性蛋白酶后转移至发酵罐中，37°C通风搅拌至发酵终了，酸性蛋白酶的添加量为每克干基15个酶单位。实施例2一种高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其步骤为( I)将玉米粉碎制备玉米粉，粉碎后玉米粉60目的透过率为60% ；(2)将玉米粉加水调浆，并向其中加入耐高温α -淀粉酶，每克玉米粉加入10个酶单位的耐高温α -淀粉酶，调浆后玉米粉浆浓度为10%，pH值为5. 03 ；(3)将调浆后的玉米粉浆输送至均质机处理，处理后玉米粉粒度为40-42 μ m ；(4)将上述处理后的玉米粉浆输送至喷射液化装置经过两次连续喷射液化工艺进行液化，第一次喷射温度为97°C，第二次喷射温度为128°C，在液化层流罐中维持3个小时，液化DE值为50% ；(5)取步骤(4)中占最终发酵液总体积6%的液化液，投入种子罐中，加入柠檬酸铵，每升发酵液中加入O. 025g柠檬酸铵，在80°C消毒20分钟后，降温至35°C，接入黑曲霉孢子悬浮液进行培养基培养；(6)取步骤(4)中占最终发酵液总体积15%的液化液投入发酵罐；(7)将步骤(4)中剩余的液化液采用板框过滤机过滤得过滤清液；
(8)取步骤(7)中占最终发酵总体积71%的过滤清液投入发酵罐中，同时添加豆柏粉，每升发酵液中加入IOOg豆柏粉，80°C消毒15分钟后，降温至35°C ；(9)将步骤(5)中的培养基中加入酸性蛋白酶后转移至发酵罐中，35°C通风搅拌至发酵终了，酸性蛋白酶的添加量为每克干基10个酶单位。实施例3一种高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其步骤为( I)将玉米粉碎制备玉米粉，粉碎后玉米粉60目的透过率为70% ；(2)将玉米粉加水调浆，并向其中加入耐高温α -淀粉酶，每克玉米粉加入15个酶单位的耐高温α -淀粉酶，调浆后玉米粉浆浓度为35%，pH值为5. O ；
(3)将调浆后的玉米粉浆输送至均质机处理，处理后玉米粉粒度为38-43 μ m ；(4)将上述处理后的玉米粉浆输送至喷射液化装置经过两次连续喷射液化工艺进行液化，第一次喷射温度为96°C，第二次喷射温度为129°C，在液化层流罐中维持2个小时，液化DE值为60% ；(5)取步骤(4)中占最终发酵液总体积7%的液化液，投入种子罐中，加入尿素，每升发酵液中加入O. Olg尿素，在90°C消毒15分钟后，降温至38°C，接入黑曲霉孢子悬浮液进行培养基培养；(6)取步骤(4)中占最终发酵液总体积16%的液化液投入发酵罐；(7)将步骤(4)中剩余的液化液采用卧螺离心机过滤得过滤清液；(8)取步骤(7)中占最终发酵总体积72%的过滤清液投入发酵罐中，同时添加豆柏粉，每升发酵液中加入250g豆柏粉，121°C消毒20分钟后，降温至38°C ；(9)将步骤(5)中的培养基中加入酸性蛋白酶后转移至发酵罐中，38°C通风搅拌至发酵终了，酸性蛋白酶的添加量为每克干基25个酶单位。实施例4一种高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其步骤为( I)将玉米粉碎制备玉米粉，粉碎后玉米粉60目的透过率为75% ；(2)将玉米粉加水调浆，并向其中加入耐高温α -淀粉酶，每克玉米粉加入20个酶单位的耐高温α -淀粉酶，调浆后玉米粉浆浓度为25%，pH值为7. 8 ；(3)将调浆后的玉米粉浆输送至胶体磨处理，处理后玉米粉粒度为30-35 μ m ；(4)将上述处理后的玉米粉浆输送至喷射液化装置经过两次连续喷射液化工艺进行液化，第一次喷射温度为97°C，第二次喷射温度为130°C，在液化层流罐中维持I个小时，液化DE值为10% ；(5)取步骤(4)中占最终发酵液总体积8%的液化液，投入种子罐中，加入硝酸铵，每升发酵液中加入O. 02g硝酸铵，在101 °C消毒25分钟后，降温至37°C，接入黑曲霉孢子悬浮液进行培养基培养；(6)取步骤(4)中占最终发酵液总体积17%的液化液投入发酵罐；(7)将步骤(4)中剩余的液化液采用板框过滤机过滤得过滤清液；(8)取步骤(7)中占最终发酵总体积75%的过滤清液投入发酵罐中，同时添加棉籽粉，每升发酵液中加入150g棉籽粉，100°C消毒25分钟后，降温至37°C ；(9)将步骤(5)中的培养基中加入酸性蛋白酶后转移至发酵罐中，37°C通风搅拌至发酵终了，酸性蛋白酶的添加量为每克干基5个酶单位。实施例5一种高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其步骤为(I)将玉米粉碎制备玉米粉，粉碎后玉米粉60目的透过率为55%;(2)将玉米粉加水调浆，并向其中加入耐高温α -淀粉酶，每克玉米粉加入25个酶单位的耐高温α -淀粉酶，调浆后玉米粉浆浓度为15%，pH值为6. 5 ；(3)将调浆后的玉米粉浆输送至胶体磨处理，处理后玉米粉粒度为46-49 μ m ；(4)将上述处理后的玉米粉浆输送至喷射液化装置经过两次连续喷射液化工艺进 行液化，第一次喷射温度为96°C，第二次喷射温度为125°C，在液化层流罐中维持5个小时，液化DE值为70% ；(5)取步骤(4)中占最终发酵液总体积9%的液化液，投入种子罐中，加入硫酸铵和柠檬酸铵，每升发酵液中加入O. 015g硫酸铵和柠檬酸铵，在IirC消毒20分钟后，降温至37°C，接入黑曲霉孢子悬浮液进行培养基培养；(6)取步骤(4)中占最终发酵液总体积18%的液化液投入发酵罐；(7)将步骤(4)中剩余的液化液采用卧螺离心机过滤得过滤清液；(8)取步骤(7)中占最终发酵总体积73%的过滤清液投入发酵罐中，同时添加棉籽粉，每升发酵液中加入350g棉籽粉，110°C消毒30分钟后，降温至37°C ；(9)将步骤(5)中的培养基中加入酸性蛋白酶后转移至发酵罐中，37°C通风搅拌至发酵终了，酸性蛋白酶的添加量为每克干基20个酶单位。在此条件下，发酵54小时，产酸18. 62%，转化率101. 24%，发酵指数为3. 45 g/L · h ；实施例6一种高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其步骤为(I)将玉米粉碎制备玉米粉，粉碎后玉米粉60目的透过率为65% ；(2)将玉米粉加水调浆，并向其中加入耐高温α -淀粉酶，每克玉米粉加入22个酶单位的耐高温α -淀粉酶，调浆后玉米粉浆浓度为20%, pH值为7. 03 ；(3)将调浆后的玉米粉浆输送至胶体磨处理，处理后玉米粉粒度为35-45 μ m ；(4)将上述处理后的玉米粉浆输送至喷射液化装置经过两次连续喷射液化工艺进行液化，第一次喷射温度为95°C，第二次喷射温度为126°C，在液化层流罐中维持6个小时，液化DE值为85% ；(5)取步骤(4)中占最终发酵液总体积10%的液化液，投入种子罐中，加入尿素、硝酸铵，每升发酵液中加入O. 025g尿素和硝酸铵，在121°C消毒30分钟后，降温至37°C，接入黑曲霉孢子悬浮液进行培养基培养；(6)取步骤(4)中占最终发酵液总体积19%的液化液投入发酵罐；(7)将步骤(4)中剩余的液化液采用卧螺离心机过滤得过滤清液；(8)取步骤(7)中占最终发酵总体积75%的过滤清液投入发酵罐中，同时添加豆柏粉，每升发酵液中加入300g豆柏粉，85°C消毒15分钟后，降温至37°C ；(9)将步骤(5)中的培养基中加入酸性蛋白酶后转移至发酵罐中，37°C通风搅拌至发酵终了，酸性蛋白酶的添加量为每克干基30个酶单位。
将实施例1-6的各项指标与现有技术进行对比，发现本发明的各项指标明显优于现有技术，结果如表I :
权利要求
1.一种高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其特征在于其步骤为 (1)将玉米粉碎制备玉米粉； (2)将玉米粉加水调浆，并向其中加入耐高温α-淀粉酶，每克玉米粉加入5-25个酶单位的耐高温α-淀粉酶； (3)将调浆后的玉米粉浆输送至均质机或胶体磨处理； (4)将上述处理后的玉米粉浆输送至喷射液化装置经过两次连续喷射液化工艺进行液化； (5)取步骤(4)中占最终发酵液总体积5-10%的液化液，投入种子罐中，加入氮源，每升发酵液中加入O. 01-0. 025g氮源，在80-121°C消毒15-30分钟后，降温至35_38°C，接入黑曲霉孢子悬浮液进行培养基培养； (6)取步骤(4)中占最终发酵液总体积15-20%的液化液投入发酵罐； (7)将步骤(4)中剩余的液化液过滤得过滤清液； (8)取步骤(7)中占最终发酵总体积70-75%的过滤清液投入发酵罐中，同时添加氮源，每升发酵液中加入50-350g氮源，80-121°C消毒15-30分钟后，降温至35_38°C ； (9)将步骤(5)的培养基中加入酸性蛋白酶后转移至发酵罐中，35-38°C通风搅拌至发酵终了。
2.根据权利要求I所述的高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其特征在于步骤(I)所述的粉碎后的玉米粉60目的透过率在50%以上。
3.根据权利要求I所述的高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其特征在于步骤(2)所述的玉米粉调浆后质量分数为10-35%。
4.根据权利要求I所述的高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其特征在于步骤(2)所述的玉米粉调浆后PH为5. 0-7. 8。
5.根据权利要求I所述的高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其特征在于步骤(3)中处理后的玉米粉粒度小于50 μ m。
6.根据权利要求I所述的高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其特征在于步骤(4)所述的第一次喷射温度为95-97°C，第二次喷射温度为125-130°C，在液化层流罐中维持1_6个小时，液化DE值为10-85%。
7.根据权利要求I所述的高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其特征在于步骤(5)所述的氮源为无机氮源，步骤(8)所述的氮源为有机氮源。
8.根据权利要求I所述的高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其特征在于所述的有机氮源为棉籽粉或豆柏粉或其混合物；无机氮源为硫酸铵、柠檬酸铵、尿素、硝酸铵中的一种或其混合物。
9.根据权利要求I所述的高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其特征在于步骤(9)中所述的酸性蛋白酶的添加量为每克干基5-30个酶单位。
全文摘要
本发明涉及一种高强度发酵技术生产柠檬酸的方法，其特点是以玉米为原料，粉碎加水调浆后通过均质机或胶体磨预处理后进行两次连续喷射液化，同时通过添加合适的氮源和酸性蛋白酶进行发酵，并调整相应的生产参数与之适应，不仅提高了发酵产酸速度，还缩短了发酵周期，提高了设备利用率，提高了企业的经济效益，提升了企业的竞争力。
文档编号C12R1/685GK102876738SQ20121033984
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者寇光智, 李昌涛, 蒋水星, 尹相山, 周一江, 梁培森 申请人:日照金禾博源生化有限公司