柠檬酸

[物化性质]柠檬酸，又称枸櫞酸，学名2-羟基丙烷-1，2，3-三羧酸。广泛分布于植物界中，如在柠檬、醋栗、覆盆子、葡萄汁等中。有两种形式：从热的浓水溶液中得到的半透明无色晶体是无水物，熔点153℃。无水物分子式为C6H8O7。从冷水溶液中得到的半透明无色晶体是一水物，相对密度1.542。75℃软化，约100℃熔化，分子式为C6H8O7·H2O，相对分子质量为210.14。一水物在干燥空气中可失水，是强有机酸，溶于水、乙醇和乙醚。

可从植物原料中提取，也可由糖进行柠檬酸发酵制得。其结构式分别如下所示：柠檬酸是一种用途广泛且生产量极大的化工原料，我国主要利用黑曲霉通过薯干粉、淀粉等粮食原料生产，但成本较高。近年来，人们正致力于开发多种多样的替代粮食原料的方法发酵生产柠檬酸。

[制备方法]

(1) 由糖质发酵而得，以砂糖、糖蜜、淀粉、淀粉渣或葡萄糖为原料，用黑霉菌经液体或土体培养法发酵后用热水萃取柠檬酸，并添加碳酸钙得柠檬酸钙，再用硫酸处理，除去硫酸钙，滤液经浓缩、粗结晶、重结晶而得一水合物。一水合物加热至37℃以上可得无水物。

(2) 中国专利95111000.4中介绍了另一种柠檬酸的制备方法，采用玉米粉或薯干粉为原料加水、高温淀粉酶通过高温液化、过滤、钙盐法等步骤提取柠檬酸。该法能提高产酸率、缩短发酵周期。

①液化按液化罐容量将未经干脱皮脱胚的玉米粉和水依质量比1：5调浆，然后采用蒸汽加温，温度至65℃时加入高温淀粉酶，加入量取决于投入玉米粉的质量，每克玉米粉加9单位，继续升温至90℃时维持该温度直至完全液化。

②过滤将完全液化的上步产物用板框快速压滤分离出玉米渣和液化液，将全部液化液用泵通过管道打入发酵罐。

③调整培养基将压滤分离出玉米渣总质量的8%加入发酵罐，然后开三路蒸汽进行消毒，温度至85℃时开冷却水进行快速降温，温度至37℃时将种子罐接入发酵罐，其中的柠檬酸生产菌株已经玉米粉酸性平板反复进行驯化复壮。

④提取采用目前通用的钙盐法对发酵后含柠檬酸液的液体进行提取得柠檬酸晶体。

(3)中国专利99123751.X中介绍了一种以稻米为原料生产柠檬酸的工艺。该专利介绍了以稻米为原料，经过预处理、调浆、液化、过滤、制备培养基和发酵等工序得到柠檬酸。

该工艺简单且生产率高，生产成本低。具体操作步骤有：

①稻米预处理将早稻米加水浸泡、漂洗后，粉末成米粉浆。米粉浆加水调成浓度为20%的浆液，经输送管道送至液化装置;

②液化将米粉浆的pH值调节为7.0，然后用蒸汽使其升温至60℃，再按每克稻米10单位加入高温a-淀粉酶，继续升温到95℃后，维持该温度30min;

③过滤将液化后得到的米粉液化液用板框加压过滤，所得的滤清液供发酵用，过滤湿渣部分用于发酵，剩下的湿渣烘干，制成大米蛋白粉;

④配置培养基将滤清液打入发酵罐，并且加入相当于发酵体积8%的过滤湿渣，开动搅拌使二者混合均匀，定容后升温到105℃灭菌30min，然后快速降温;

⑤发酵培养基灭菌后快速冷却到36℃，采用菌丝接种的方式接入黑曲霉菌种，在此温度下发酵64h，转化率96.4%，发酵液中的柠檬酸用钙盐法提取。

(4)农作物秸秆是自然界中储量丰富的可再生资源，我国每年农作物秸秆产量达7亿吨之多。但是，这些资源长期未得到合理的开发，除少量用作造纸、饲料外，其余都被焚烧，这既是对天然资源的巨大浪费，又造成了环境的严重污染。农作物秸秆主要成分中的纤维素和半纤维素降解后分别可以得到葡萄糖和其他单糖和寡糖，如果能将这些糖类应用于发酵生产，将给秸秆的利用开辟一条新的途径。曾经有人提出“以秸秆为原料生产柠檬酸的方法”(CN1129739A)，为秸秆的利用开辟了一条新路。该方法是通过纤维素酶的作用，破坏秸秆的细胞壁，释放其中的淀粉，蛋白质，再用淀粉酶水解淀粉来为发酵提供碳源，同时利用的蛋白质作为发酵的氮源。但这种处理方法用于发酵的主要不是纤维素基质，也没有利用秸秆中占干重20%～30%的半纤维素。

中国专利CN1884563A中介绍了以汽爆秸秆为原料发酵生产柠檬酸的方法。具体制备步骤如下。

①将汽爆秸秆粉碎至60～80目后，按汽爆秸秆粉料与水的质量比为(1：4)～(1：9)的比例，将汽爆秸秆粉料加入自来水中，用盐酸、硫酸或磷酸调pH值至4.5～5.5后，按每克汽爆秸秆加酶20单位的比例加入纤维素酶，搅拌均匀，在45～55℃下水解40～80h，解结束后，经压滤，得到还原糖浓度为40～50g/L的滤液。

②浓缩上述糖滤液，在50～70℃下对上述滤液采用薄膜浓缩，得到原滤液体积1/3～1/2的浓缩液。

③对浓缩液进行发酵生产柠檬酸：将浓缩液装入发酵罐中，同时加入占浓缩液重量0.5%～5%的麸皮。灭菌后，接入黑曲霉Aspergillus niger 2160进行发酵，按照常规钙盐沉淀的方法经过中和、洗糖、酸化、脱色、浓缩、结晶得到柠檬酸。黑曲霉Aspergillus niger 2160的接种量为每毫升浓缩液4×106个孢子。发酵条件为：温度28～37℃，罐压0.1MPa，搅拌转速为150r/min，发酵周期4～7d。

(5)欧洲专利0597235A1中介绍了一种从糖蜜啤酒发酵液中回收柠檬酸的方法。具体操作步骤有：在糖蜜啤酒发酵罐中接入黑曲霉Aspergillusniger进行发酵，过滤除去生成的生物，滤清液用于发酵作用，并于22℃下加入提取剂。此提取剂由34%的三月桂胺、5%的辛醇和61%的Shellsol-80(以质量分数计)组成。提取剂与啤酒体积比为2.2：1，54%的柠檬酸被转移到有机相中，从残余液中分离，并于90℃下用水进行反提，水与提取剂体积比为7：1。产品中含有20.5%柠檬酸。