CN102181490B - 一种生产柠檬酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种生产柠檬酸的方法，该方法包括在发酵设备中，在生成柠檬酸的条件下，在通入空气的条件下，将黑曲霉接种至发酵培养基中进行发酵，其特征在于，该方法还包括向发酵设备中通入CO2气体。据本发明的方法生产柠檬酸，能够得到更高的发酵酸度、柠檬酸的转化率和更低的发酵残糖，并且工艺简单，容易操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种生产柠檬酸的方法。
背景技术
天然柠檬酸在自然界中分布很广，天然的柠檬酸存在于植物如柠檬、柑橘、菠萝等果实和动物的骨骼、肌肉、血液中。人工合成的柠檬酸是用砂糖、糖蜜、淀粉、葡萄等含糖物质发酵而制得的，可分为无水和水合物两种。纯品柠檬酸为无色透明结晶或白色粉末，无臭，有一种诱人的酸味。
由于物理、化学等方面的优异性能，柠檬酸被广泛应用于医药、化学、电子、纺织、石油、皮革、建筑、摄影、塑料、铸造和陶瓷等工业领域。
柠檬酸的生产方法主要有两种：一种是从天然含柠檬酸的果汁中提取；另一种是用发酵法进行生产，目前工业上主要以黑曲霉发酵法生产柠檬酸为主。具体的做法是将黑曲霉接种到发酵培养基中，发酵培养基中含有淀粉质原料酶解产物和氮源，经过发酵和固液分离得到柠檬酸的溶液。
从1940年H.A.克雷伯斯提出三羧酸循环学说以来，柠檬酸的发酵机理逐渐被人们所认识。已经证明，糖质原料生成柠檬酸的生化过程中，由糖变成丙酮酸的过程与酒精发酵相同，亦即通过E-M途径(双磷酸己糖途径)进行酵解，然后丙酮酸进一步氧化脱羧生成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A和丙酮酸羧化所生成的草酰乙酸缩合成为柠檬酸并进入三羧酸循环途径。柠檬酸是代谢过程中的中间产物。在发酵过程中，当微生物的乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶活性很低，而柠檬酸合成酶活性很高时，才有利于柠檬酸的大量积累。
虽然人们对于柠檬酸发酵的机制有了比较完善的认识，但是，目前柠檬酸发酵的酸度和转化率等仍不如人意，酸度限制在13.5％左右，转化率限制在94％左右，低于发达国家同行业水平，因此，迫切需要开发一种能够提高柠檬酸酸度和转化率的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高发酵酸度、柠檬酸的转化率和降低发酵残糖的生产柠檬酸的方法。
本发明的发明人在研究中发现，现有技术中柠檬酸发酵酸度、转化率不高的一个原因是在发酵培养阶段通入的空气中CO2的含量稍低，而在黑曲霉进行柠檬酸发酵过程中，合成柠檬酸所需的草酰乙酸由丙酮酸和磷酸烯醇式丙酮酸经催化作用固定CO2生成，草酸乙酰的浓度是柠檬酸合成速度的关键，而这与CO2的固定量相关。因此，适当的提高发酵过程中CO2的通入量能够增加草酸乙酰的浓度进而提高柠檬酸的转化率。
本发明提供了一种生产柠檬酸的方法，该方法包括在发酵设备中，在生成柠檬酸的条件下，在通入空气的条件下，将黑曲霉接种至发酵培养基中进行发酵，其特征在于，该方法还包括向发酵设备中通入CO2气体。
根据本发明的方法生产柠檬酸，能够得到更高的发酵酸度、柠檬酸的转化率和更低的发酵残糖，并且工艺简单，容易操作，如实施例1在整个发酵过程中都通入CO2，其发酵酸度为14.5％，柠檬酸的转化率为100.7％，发酵残糖为0.40％，而没有通入CO2的对比例1中柠檬酸的发酵酸度仅为13.5％，柠檬酸的转化率为93.9％，发酵残糖高达0.80％。目前，全球柠檬酸的需求量为130万吨/年，全国柠檬酸产量为80万吨/年，因此，发酵酸度提高1％，柠檬酸转化率提高7％是非常可观的增长。
附图说明
图1为根据本发明的实施方式中在线活细胞值的曲线图；
图2为根据本发明的实施方式中糖化酶活性的曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种生产柠檬酸的方法，该方法包括在发酵设备中，在生成柠檬酸的条件下，在通入空气的条件下，将黑曲霉接种至发酵培养基中进行发酵，其特征在于，该方法还包括向发酵设备中通入CO2气体。
根据本发明，对开始和结束通入CO2气体的时间没有特别的限定，只要在发酵过程中向发酵设备中通入一定的CO2气体即可一定程度上增加发酵酸度和柠檬酸的转化率。优选地，开始通入CO2气体的时间为将黑曲霉接种至发酵培养基后32小时内，进一步优选为将黑曲霉接种至发酵培养基后8小时内，最优选地，在发酵一开始即开始通入CO2气体。结束通入CO2气体的时间优选为发酵结束时，即优选情况下，在发酵全程通入CO2气体。
根据本发明，优选地，所述通入的CO2气体的通气量为空气通气量的0.05-5％，进一步优选地，发酵开始阶段通入的CO2气体的通气量略低些，发酵进行一段时间以后通入的CO2气体的通气量略高些，如，将黑曲霉接种至发酵培养基后m小时内，所述通入的CO2气体的通气量可以为空气通气量的0.1-2％；将黑曲霉接种至发酵培养基后m小时至发酵结束，所述通入的CO2气体的通气量可以为空气通气量的0.1-5％，其中m为8-28；进一步优选地，将黑曲霉接种至发酵培养基后n小时内，所述通入的CO2气体的通气量为空气通气量的0.1-1％，进一步优选为0.2-0.8％；将黑曲霉接种至发酵培养基后n小时至发酵结束，所述通入的CO2气体的通气量为空气通气量的1-3％，其中，n为16-28。
术语“通气量”一般以通气比来表示，通常以每分钟内通过单位体积培养液的空气体积比来表示(V/V·min)，例如通气比为1∶0.1-1，简称通气量为0.01-1体积：体积·分钟。
根据本发明，所述通入的CO2气体中CO2的含量大于95体积％即可。所述CO2气体可以为商购的纯的CO2气体，也可以为其他途径得到的纯度满足上述要求的CO2气体，如来源于密闭式乙醇发酵过程中得到的CO2气体。密闭式乙醇发酵过程中可产生纯度较高的CO2气体，甚至高达99.05-99.5体积％，所述密闭式乙醇发酵过程中得到的CO2气体的获取可按现有技术乙醇生产中的工序：(1)CO2收集，CO2气体依靠发酵罐中的压力通过管道，经气液分离器进入回收设备，将CO2夹带的泡沫和微粒进行回收；(2)洗涤，CO2气体经气液分离器处理后，进入水洗塔回收被CO2带出的酒精蒸汽和部分粗杂质，并回收CO2带出的酒精蒸汽和部分粗杂质；(3)压缩，水洗后的CO2送入空压机压缩；然后在按照柠檬酸发酵空气的处理系统进行处理后，接入发酵罐分过滤器入口。所述发酵分过滤器为本领域公知的概念，是每个发酵罐单独配备的，进入发酵罐的气体必须经过的装置，用于将进入发酵罐的气体过滤成无菌空气，这样发酵罐才不会染菌。因此，根据本发明，二氧化碳气体可以在过滤器入口或入口之前与空气混合，再进入发酵罐，或者单独再配备一个过滤器进行过滤。为了便于操作和简化装置，本发明优选使用前者。这样，即提高了柠檬酸生产的发酵酸度和转化率，同时也为乙醇生产过程中的副产物CO2气体提供了一个良好的去处，尤其对于既生产柠檬酸又生产乙醇的厂商来说，提供了两方面的便利。
根据本发明，为了使CO2气体稳定地通入到发酵设备中，优选使通入的CO2气体的压力比通入到该发酵设备中的空气压力高，优选高8-12％。例如，对于300000L的发酵罐，空气压力通常为1.8-2.1MPa，优选将CO2气体压缩到2.1-2.3MPa。
根据本发明，除了通入CO2气体以外，黑曲霉发酵的条件可以与本领域常规的发酵条件相同，如，以每克发酵培养基为基准，所述黑曲霉的接种量可以为1.8×104-5.3×104个菌落形成单位，优选为2.5×104-4.5×104个菌落形成单位。所述发酵的条件可以包括：温度为30-40℃，优选为30-35℃；pH值为1-7，优选为2-4，空气通气量为0.02-1体积：体积·分钟；优选为0.05-0.4体积：体积·分钟，进一步优选为0.1-0.4体积：体积·分钟；时间为50-80小时，优选为60-70小时。
所述菌落形成单位的定义为将稀释后的一定量的菌液通过浇注或涂布的方法，让其内的微生物单细胞一一分散在培养基平板上，待培养后，每一活细胞就形成一个菌落。即每毫升菌液中含有的单细胞的数目。
所述菌落形成单位可以通过本领域公知的方法测定，例如，通过血球计数板计数。
根据本发明，对发酵培养基的成分没有特别的要求，只要可以用于柠檬酸发酵的发酵培养基即可。优选地，所述发酵培养基含有淀粉质原料酶解产物碳源含量为13-21重量％，氮源含量为0.06-0.14重量％，磷源含量为0.005-0.07重量％，无机盐含量0.1-2.6重量％，水含量为77-86重量％。一般地，淀粉质原料酶解得到淀粉质原料酶解残渣和淀粉质原料酶解液化清液，通常可以将淀粉质原料酶解液化清液用于制备发酵培养基，也可以将淀粉质原料酶解液化清液与淀粉质原料酶解残渣混合后用于制备发酵培养基。本发明所述淀粉质原料酶解产物优选由淀粉质原料酶解残渣和淀粉质原料酶解液化清液与水混合或不与水混合得到，且进一步优选以所述发酵培养基的总重量为100重量份为基准，所述淀粉质原料酶解液化清液的用量为80-95重量份，所述淀粉质原料酶解残渣的用量为0.5-10重量份，水的用量为0-15重量份。
根据本发明，所述淀粉质原料酶解液化清液可以通过多种方法制备得到，例如，可以通过如下方法制备得到：将淀粉质原料粉碎，将粉碎后的产物进行酶解，得到酶解产物，将酶解产物固液分离，得到淀粉质原料酶解液化清液和淀粉质原料酶解残渣，所述固液分离的条件使淀粉质原料酶解残渣的固含量为5-60重量％，更优选为30-50重量％。
根据本发明，所述淀粉质原料可以为本领公知的各种可以用于酶解、发酵制备柠檬酸的含有淀粉的原料，例如，可以选自玉米、薯类(如木薯)和小麦中的一种或几种，优选情况下，所述淀粉质原料为玉米。
所述酶解步骤可以通过本领域常用的方法完成，比如向粉碎产物中添加产酶微生物和/或酶，在产酶微生物的生长温度和/或酶有活力的温度下保温完成。所述产酶微生物为能够分泌淀粉酶的产酶微生物。所述酶包括淀粉酶。
由于微生物生长会产生副产物，因此优选直接加入酶。所述酶的用量越多越好，出于成本考虑，优选以每克粉碎后的粉碎产物的干重计，所述淀粉酶的用量为15-50个酶活力单位。
本发明所述酶的酶活力单位的定义为：在pH值为6.0、温度为70℃的条件下，1分钟将1毫克淀粉转化为还原糖所需的酶量为一个酶活力单位。
所述酶解的温度可以在很大范围内改变，优选为70-105℃，更优选为80-95℃。所述酶解的时间理论上越长越好，考虑到设备利用率，优选所述酶解的时间为90-150分钟，更优选为100-120分钟。所述酶解的pH值可以在很大范围内改变，优选为5.0-7.0，更优选pH值为5.4-5.7。
淀粉酶是指能够分解淀粉糖苷键的一类酶的总称，所述淀粉酶一般包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶和异淀粉酶。
根据本发明，优选使用α-淀粉酶和/或异淀粉酶。
根据本发明，所述固液分离的方法与装置为本领域技术人员所公知，例如，压滤机或离心机。
所述黑曲霉可以采用常规的方法接种，例如，在被接种至发酵培养基中之前，将所述黑曲霉经过种子培养处理，之后将得到的种子液加入到发酵培养基中。黑曲霉种子培养的程度可以通过取样显微镜镜检、酸度测定和pH测定对黑曲霉的生长进行观察，当pH在2.0-2.5、酸度0.5-2.0％、菌球大小均匀、菌丝粗壮伸出时停止培养。
优选情况下，所述种子培养处理的方法包括：将黑曲霉接种在黑曲霉培养液中进行培养，所述黑曲霉培养液中含有10-17重量％的玉米粉，接种后黑曲霉培养液中黑曲霉的浓度为3×105-4×105个/毫升。
根据本发明，所述黑曲霉培养液的制备方法没有特别的限制，只要得到的培养液能够适用于黑曲霉的培养即可。
根据本发明，所述黑曲霉的培养条件可以在很大范围内改变，例如所述培养的条件可以包括：培养的温度可以为25-45℃，pH值可以为1-7，通气量可以为0.05-0.5体积：体积·分钟，培养的时间可以为45-65小时；更优选的情况下，所述培养的条件可以包括：培养的温度可以为30-40℃，pH值可以为2-4，通气量可以为0.1-0.3体积：体积·分钟，所述培养的时间可以为50-60小时。
所述培养的设备为本领域技术人员所公知，例如，可以使用发酵罐进行培养。
按照本发明的方法制备得到的发酵产物柠檬酸可以用常规的方法，根据不同工业产品的要求分离并精制，比如中和、酸解、脱色、浓缩、结晶、包装。
下面结合实施例对本发明进行更详细的说明。
所述密闭式乙醇发酵过程中得到的CO2气体的获取按上述酒精生产中的工序，将其压缩至2.1-2.3MPa，然后在按照柠檬酸发酵空气的处理系统进行处理后，接入发酵罐分过滤器入口，其余步骤不再赘述。
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的柠檬酸的生产方法。
(1)将收获的56千克玉米在热水槽润焖，直至玉米的含水量为15重量％，然后进行粉碎，得到平均粒子直径为400微米的粉碎后的产物。
(2)将粉碎后的产物按25重量％的浓度调浆，相对于每克粉碎后的产物，加入20个酶活力单位的淀粉酶(诺维信公司，α-淀粉酶，本发明实施例中均为此淀粉酶)，进入喷射器，在85℃、pH为5.5的条件下酶解100分钟，得到酶解产物A1。
(3)将酶解产物A1通过用液压式板框压滤机进行压滤，分离出酶解液化清液和酶解残渣，其中，酶解残渣的含水量为50重量％。
(4)配制发酵培养基，将170千克的上述酶解液化清液、2.0千克的酶解残渣和13千克的水灭菌后加入到300L的发酵罐中，得到发酵培养基B1，其中碳源含量为16重量％，氮源含量为0.095重量％，磷源含量为0.06重量％，无机盐含量0.4重量％，水含量为83.4％。
(5)将步骤(2)中的部分酶解液化液，加水稀释至重量的1/10，得到培养液，将培养液投入种子罐，加热到121℃消毒，维持30分钟后快速降温至36℃，接入黑曲霉菌种(黑曲霉T01，天津工业微生物所，本发明实施例中均为此黑曲霉菌种，接种量为：每克酶解液化液3×105个菌落形成单位)，在36℃、0.4体积：体积·分钟的通气条件下进行菌种培养；通过取样显微镜镜检、酸度测定和pH测定对黑曲霉的生长进行观察，当pH在2.0、酸度1％、菌球大小均匀、菌丝粗壮伸出时，停止培养。
(6)将步骤(5)培养的黑曲霉菌种加入到步骤(4)的发酵罐中开始发酵，接种量为：每克发酵培养基3.3×104个菌落形成单位，发酵条件包括温度为35℃，pH值为3，通入的空气的压力为1.8-2.1MPa，空气通气量为0.3体积：体积·分钟，在开始发酵时即向发酵罐中通入密闭式乙醇发酵过程中得到压力为2.1-2.3MPa的CO2气体(CO2气体中CO2的浓度为96体积％)，所述CO2气体的通气量为0.0018体积：体积·分钟，在发酵24h后，将所述CO2气体的通气量升高至0.06体积：体积·分钟，一直到发酵结束才停止通入，发酵进行到第69小时的时候进行固液分离，得到柠檬酸溶液。
根据GB 1987-2007标准检测实施例1中所得柠檬酸溶液的浓度(简称酸度，W/V)，具体检测方法为：用0.1429mol/L的NaOH作为标准溶液，用酚酞作为指示剂，滴定1mL得到的柠檬酸溶液，至中性时所消耗NaOH的毫升数，进一步计算柠檬酸溶液中柠檬酸的浓度。
计算柠檬酸的转化率，转化率(％)＝柠檬酸溶液的浓度(简称酸度)×柠檬酸溶液的体积/总糖的重量×100％。
采用费林法测定发酵残糖的含量(W/V)。
结果如表1所示。
对比例1
根据实施例1的方法生产柠檬酸，不同的是，接入发酵罐的菌体量不同，另外，步骤(6)中不通入CO2气体。即步骤(6)为，
将步骤(5)培养的黑曲霉菌种加入到步骤(4)的发酵罐中开始发酵，接种量为：每克发酵培养基2.5×104个菌落形成单位，发酵条件包括温度为35℃，pH值为3，通入的空气的压力为1.8-2.1MPa，空气通气量为0.3体积：体积·分钟，发酵进行到第69小时的时候进行固液分离，得到柠檬酸溶液。结果见表1。
实施例2
按照实施例1中步骤(1)-(5)的方法处理发酵原料和培养菌体，不同的是，实施例2中的步骤(6)为，
将步骤(5)培养的黑曲霉菌种加入到步骤(4)的发酵罐中开始发酵，接种量为：每克发酵培养基4.1×104个菌落形成单位，发酵条件包括温度为30℃，pH值为2，通入的空气的压力为1.9-2.1MPa，空气通气量为0.4体积：体积·分钟，在开始发酵时即向发酵罐中通入密闭式乙醇发酵过程中得到压力为2.1-2.3MPa的CO2气体(CO2气体中CO2的浓度为98体积％)，所述CO2气体的通气量为0.0012体积：体积·分钟，在发酵16h后，将所述CO2气体的通气量提高至0.006体积：体积·分钟，发酵进行到第65小时的时候进行固液分离，得到柠檬酸溶液。
实施例3
按照实施例1中步骤(1)-(5)的方法处理发酵原料和培养菌体，不同的是，实施例3中的步骤(6)为，
将步骤(5)培养的黑曲霉菌种加入到步骤(4)的发酵罐中开始发酵，接种量为：每克发酵培养基2.5×104个菌落形成单位，发酵条件包括温度为32℃，pH值为4，通入的空气的压力为1.8-2.1MPa，空气通气量为0.12体积：体积·分钟，在开始发酵时即向发酵罐中通入密闭式乙醇发酵过程中得到压力为2.1-2.3MPa的CO2气体(CO2气体中CO2的浓度为99体积％)，所述CO2气体的通气量为0.001体积：体积·分钟，在发酵20h后，将所述CO2气体的通气量提高至0.0036体积：体积·分钟，发酵进行到第64小时的时候进行固液分离，得到柠檬酸溶液。
实施例4
根据实施例1的方法进行柠生产檬酸酸，不同的是，步骤(6)为，
(6)将步骤(5)培养的黑曲霉菌种加入到步骤(4)的发酵罐中开始发酵，接种量为：每克发酵培养基3.5×104个菌落形成单位，发酵条件包括温度为35℃，pH值为3，通入的空气的压力为1.8-2.1MPa，空气通气量为0.3体积：体积·分钟，在开始发酵25小时的时候，向发酵罐中通入密闭式乙醇发酵过程中得到压力为2.1-2.3MPa的CO2气体(CO2气体中CO2的浓度为96体积％)，所述CO2气体的通气量为0.015体积：体积·分钟，一直到发酵结束才停止通入，发酵进行到第69小时的时候进行固液分离，得到柠檬酸溶液。
实施例5
根据实施例1的方法进行柠生产檬酸酸，不同的是，步骤(6)为，
(6)将步骤(5)培养的黑曲霉菌种加入到步骤(4)的发酵罐中开始发酵，接种量为：每克发酵培养基4.2×104个菌落形成单位，发酵条件包括温度为35℃，pH值为3，通入的空气的压力为1.8-2.1MPa，空气通气量为0.3体积：体积·分钟，在开始发酵8小时的时候，向发酵罐中通入密闭式乙醇发酵过程中得到压力为2.1-2.3MPa的CO2气体(CO2气体中CO2的浓度为99体积％)，所述CO2气体的通气量为0.006体积：体积·分钟，一直到发酵结束才停止通入，发酵进行到第69小时的时候进行固液分离，得到柠檬酸溶液。
实施例6
根据实施例1的方法进行柠生产檬酸酸，不同的是，步骤(6)为，
(6)将步骤(5)培养的黑曲霉菌种加入到步骤(4)的发酵罐中开始发酵，接种量为：每克发酵培养基4.8×104个菌落形成单位，发酵条件包括温度为35℃，pH值为3，通入的空气的压力为1.8-2.1MPa，空气通气量为0.4体积：体积·分钟，在开始发酵时，向发酵罐中通入密闭式乙醇发酵过程中得到压力为2.1-2.3MPa的CO2气体(CO2气体中CO2的浓度为97体积％)，所述CO2气体的通气量为0.0048体积：体积·分钟，在发酵24h后，将所述CO2气体的通气量提高至0.016体积：体积·分钟，一直到发酵结束才停止通入，发酵进行到第69小时的时候进行固液分离，得到柠檬酸溶液。
实施例7
根据实施例1的方法进行柠生产檬酸酸，不同的是，步骤(6)为，
(6)将步骤(5)培养的黑曲霉菌种加入到步骤(4)的发酵罐中开始发酵，接种量为：每克发酵培养基3.5×104个菌落形成单位，发酵条件包括温度为35℃，pH值为3，通入的空气的压力为1.8-2.1MPa，空气通气量为0.3体积：体积·分钟，在开始发酵时，向发酵罐中通入密闭式乙醇发酵过程中得到压力为2.1-2.3MPa的CO2气体(CO2气体中CO2的浓度为98体积％)，所述CO2气体的通气量为0.012体积：体积·分钟，在发酵8h后，将所述CO2气体的通气量提高至0.03体积：体积·分钟，一直到发酵结束才停止通入，发酵进行到第69小时的时候进行固液分离，得到柠檬酸溶液。
实施例8
根据实施例1的方法进行柠生产檬酸酸，不同的是，步骤(6)为，
(6)将步骤(5)培养的黑曲霉菌种加入到步骤(4)的发酵罐中开始发酵，接种量为：每克发酵培养基3.5×104个菌落形成单位，发酵条件包括温度为35℃，pH值为3，通入的空气的压力为1.8-2.1MPa，空气通气量为0.3体积：体积·分钟，在开始发酵40小时的时候，向发酵罐中通入密闭式乙醇发酵过程中得到压力为2.1-2.3MPa的CO2气体(CO2气体中CO2的浓度为99体积％)，所述CO2气体的通气量为0.015体积：体积·分钟，一直到发酵结束才停止通入，发酵进行到第69小时的时候进行固液分离，得到柠檬酸溶液。
表1
| 发酵酸度(％) | 转化率％ | 发酵残糖％ | |
| 实施例1 | 14.5 | 100.7 | 0.40 |
| 对比例1 | 13.5 | 93.9 | 0.80 |
| 实施例2 | 14.4 | 99.9 | 0.40 |
| 实施例3 | 14.35 | 99.5 | 0.45 |
| 实施例4 | 14.0 | 97.3 | 0.65 |
| 实施例5 | 14.2 | 98.7 | 0.55 |
| 实施例6 | 14.1 | 97.9 | 0.50 |
| 实施例7 | 13.7 | 95.0 | 0.70 |
| 实施例8 | 13.9 | 96.5 | 0.70 |
由表1可以看出，根据本发明优选实施方式的实施例1-3相比于不通入CO2的对比例1，能够获得较高的发酵酸度和柠檬酸的转化率，以及低发酵残糖，其中实施例1中发酵酸度和转化率最高，分别为14.5％和100.7％，而对比例仅为13.5％和93.9％，实施例1中的发酵残糖为0.40％，而对比例1中的发酵残糖则高达0.80％。
在发酵前期就通入较大通气量的CO2的实施例6的柠檬酸转化率略低，而发酵过程中一直通入非常大的通气量的CO2的实施例7中的柠檬酸转化率则更低些，并且，发酵残糖也大大增加，说明在适当的时间通入适当量的CO2才能得到较高发酵酸度和转化率，以及发酵残糖。
分别从发酵开始8h和25h开始通入CO2，且通气量全程不变的实施例4和实施例5的发酵酸度和转化率较低，而发酵残糖较高，而从40h才开始通入CO2，且通气量全程不变的实施例8的发酵酸度和转化率则更低，同时发酵残糖也更高，说明，在发酵初期通入略低通气量的CO2气体，而产酸旺盛期通入略高通气量的CO2气体是本发明的优选实施方式。这可能是由于在发酵初期通入略低通气量的CO2气体不会影响黑曲霉的生长，而产酸旺盛期通入略高通气量的CO2气体会抑制菌体的生长，从而有效的降低糖质的消耗，进而提高了柠檬酸的转化率。
测试例1
测定柠檬酸发酵进入产酸旺盛期后的在线活细胞值。活细胞值检测采用原位活细胞在线检测仪ABER(英国ABER公司)，型号BIOMASSMONITOR210。将线检测仪ABER数据信号与计算机连接，用华东理工大发酵之星分析软件进行在线记录、分析。使用前设定活细胞检测仪ABER参数：设定双频，上频率为580KHZ，下频为10000KHz Low Pass Filter(LPF)设定为60，进行校正为0后，安装在发酵罐上，然后进行发酵罐投料、灭菌、降温，降温至发酵温度，在发酵条件下再次进行活细胞校正为0，然后移入种子罐成熟液，进行发酵培养和在线记录。
原位活细胞在线检测仪ABER原理为：ABER探头会发射电脉冲信号，在探头周围形成一个电磁场。活细胞有一个紧凑闭合的细胞膜，在这个电磁场下可以被看作为一个独立的小电容器。由于电磁的影响，它会被极化，细胞膜周围的电荷会上升。而这个电容变化值会被ABER准确检测出来。不同的细胞种类会有不同的电容值。其大小和细胞体积也呈一定比例。而死细胞(如膜破裂)，气泡或是细胞碎片因不能形成一个密闭的电容，所以ABER将不会将其检测到。ABER的探头可经受原位蒸汽灭菌。因此，可以通过这种方法检测在线活细胞值。
在发酵过程进行到40.14小时的时候，对比例1、实施例1-8中的在线活细胞值分别为28.57％、20.38％、20.97％、21.56％、23.12％、22.09％、22.36％、27.46％和26.42％。说明在发酵后期，对比例1中的菌体仍然在继续生长，影响了溶氧效果，增加了糖质的吸收，而实施例1-8中通入了CO2，对黑曲霉中后期生长产生了一定的抑制，从而减少了菌体对糖的消耗，继而增加了产酸酸度，提高了柠檬酸的产量。
测试例2
测定发酵结束后，对比例1和实施例1-8中的菌体干重(g/L)，测定方法：用721#滤布将一定体积柠檬酸发酵液进行过滤，再用3倍体积水进行洗涤，所得过滤菌体在70℃烘箱中进行烘干，烘干至恒重。结果如图1所示。
由图1可以看出，发酵结束后，对比例1中的菌体干重比实施例1-8中的菌体干重都要多，说明发酵过程中对比例1中菌体的数目多于实施例1-8，这与测试例1是一致的，进一步说明了通入CO2对黑曲霉中后期生长产生了一定的抑制。
测试例3
测定通入CO2对提高发酵过程中的糖化酶酶活力的影响。
糖化酶酶活力参照糖化酶制剂QB1803-1993标准，采用DNS法测定。如表2、表3和图2所示。
表2
| 周期(h) | 对比例1 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 0 | 12 | 9.5 | 11 | 13.85 | 13 |
| 4 | 19 | 30 | 35 | 25 | 19 |
| 8 | 50 | 70 | 80 | 47.68 | 37.4 |
| 12 | 70 | 110 | 115 | 100.3 | 60 |
| 16 | 110 | 150 | 140 | 150.1 | 100 |
| 20 | 140 | 185 | 170 | 180 | 140 |
| 24 | 110.2 | 181.86 | 165 | 160 | 125 |
| 28 | 0 | 165 | 130 | 135.3 | 100 |
| 32 | - | 125 | 80 | 75 | 55 |
| 36 | - | 60 | 45 | 50 | 0 |
| 40 | - | 0 | 0 | 0 |
表3
| 周期(h) | 实施例5 | 实施例6 | 实施例7 | 实施例8 |
| 0 | 7.02 | 8 | 13 | 11 |
| 4 | 15 | 25 | 27 | 18 |
| 8 | 45 | 43 | 55 | 45 |
| 12 | 105 | 84.15 | 105 | 75 |
| 16 | 127.6 | 124.9 | 130 | 115 |
| 20 | 160 | 171.86 | 140 | 145 |
| 24 | 170 | 175 | 100 | 95 |
| 28 | 135 | 153 | 40 | 0 |
| 32 | 90 | 45 | 0 | - |
| 36 | 0 | 0 | - | - |
由表2、表3和图2可以看出，补充CO2对提高发酵过程中的糖化酶酶活力有一定的促进作用，尤其是发酵全程补充CO2的实施例1中，在发酵的旺盛期内，糖化酶的酶活性具有最高值181.86，如图2中符号●表示的曲线所示，而且酶活性持续时间较长，从而增强了黑曲霉转化糖化葡萄糖的能力，对降低发酵残糖有一定的促进作用。
Claims (10)
1.一种生产柠檬酸的方法，该方法包括在发酵设备中，在生成柠檬酸的条件下，在通入空气的条件下，将黑曲霉接种至发酵培养基中进行发酵，其特征在于，该方法还包括向发酵设备中通入CO2气体，通入的CO2气体的通气量为空气通气量的0.05-5%。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，开始通入CO2气体的时间为将黑曲霉接种至发酵培养基后32小时内。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，开始通入CO2气体的时间为将黑曲霉接种至发酵培养基后8小时内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，结束通入CO2气体的时间为发酵结束时。
5.根据权利要求1-4中的任意一项所述的方法，其中，将黑曲霉接种至发酵培养基后m小时内，所述通入的CO2气体的通气量为空气通气量的0.1-2%；将黑曲霉接种至发酵培养基后m小时至发酵结束，所述通入的CO2气体的通气量为空气通气量的0.1-5%，其中m为8-28。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，将黑曲霉接种至发酵培养基后n小时内，所述通入的CO2气体的通气量为空气通气量的0.1-1%；将黑曲霉接种至发酵培养基后n小时至发酵结束，所述通入的CO2气体的通气量为空气通气量的1-3%，其中n为16-28。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述通入的CO2气体中CO2的含量大于95体积%。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述通入的CO2气体来源于密闭式乙醇发酵过程中得到的CO2气体。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，以每克发酵培养基为基准，黑曲霉的接种量为1.8×104-5.3×104个菌落形成单位，所述发酵的条件包括：温度为30-40℃，空气通气量为0.02-1体积：体积·分钟，发酵时间为50-80小时。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述空气通气量为0.05-0.4体积：体积·分钟。
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