CN105506004A - 一种利用魔芋粉渣发酵生产柠檬酸的方法 - Google Patents

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杨为华
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张家泉
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Abstract

本发明提供了一种利用魔芋粉渣发酵生产柠檬酸的方法，该方法是以黑曲酶为发酵菌株，利用魔芋粉渣为碳源加入培养基，替代原始工艺中常用的碳源如玉米粉、木薯粉等，并在一定条件下进行批式发酵，发酵完成后，柠檬酸产量达到了150g/L，糖酸的转化率大于93％。本发明所用魔芋粉渣为魔芋精粉生产过程中的废弃物，方法简单有效，变废为宝，节约成本，适用于大规模发酵生产法柠檬酸。

Description

一种利用魔芋粉渣发酵生产柠檬酸的方法
技术领域
本发明涉及微生物发酵领域，具体地说，涉及一种用于生产柠檬酸的微生物发酵方法。
背景技术
柠檬酸又名枸橼酸，学名2-羟基丙烷三羧酸。分子式C6H8O7，相对分子量：192.13。柠檬酸虽有强烈酸味但令人愉快，稍有后涩味，入口爽快，无后酸味，安全无毒，是发酵法生产的最重要的有机酸。它在水中溶解度极高，能被生物体直接吸收代谢.它的许多特殊优点使它得到了广泛的应用。它本身也是化学合成的中间体，成为化学合成的基础原料，因此市场需求巨大。
目前，柠檬酸的工业生产方法90％以上都为微生物发酵法。多年来，发酵工作者较注重玉米粉及木薯粉等粮食作物原料发酵生产柠檬酸的菌种选育及工艺研究，但我国人多地少，粮食危机日益严重。柠檬酸的原料长期供应不足，特别是玉米供应不足，柠檬酸的市场价格将会一直上升。因此，开展其他淀粉质原料做为替代品发酵柠檬酸技术的研究对于减轻国内柠檬酸生产用粮的压力，保证粮食生产安全具有十分重要的意义。
而魔芋粉渣作为魔芋加工后的废弃物，其淀粉含量可达到50％以上，本发明正是将魔芋粉渣作为柠檬酸发酵中淀粉质原料，替代玉米、木薯等粮食原料，取得了良好的效果。
魔芋，又作蒟蒻，天南星科磨芋属多年生草本植物，魔芋生长在疏林下，是有益的碱性食品，对食用动物性酸性食品过多的人，搭配吃魔芋，可以达到食品酸、碱平衡。此外，魔芋还具有水平降血糖、降血脂、降压、散毒、养颜、通脉、减肥、通便、开胃等多功能。因此魔芋作为新一代健康食品受到广泛关注，在国内外市场需求巨大，并且已经开始大规模的人工种植。经检测魔芋含50％～60％的葡甘露聚糖，20～30％的淀粉，2～5％的纤维素，5～10％的粗脂肪，3～5％的可溶性糖(单糖和寡糖)和3～5％的矿物元素。
但是魔芋全株有毒，以块茎为最，不可生吃，一般加工成魔芋精粉，其成分主要为葡甘露聚糖粒子，被称为膳食纤维，是魔芋中的有效成分，可进一步加工成魔芋粉条、魔芋豆腐等供食用，其他加工下脚料为魔芋粉渣，淀粉含量高达50％以上，同时含有一定量的微量元素、蛋白质、纤维素等。此外，生产两吨魔芋精粉可得一吨粉渣，供给量巨大，其粉渣目前仅作为肥料、饲料处理，价格便宜。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种利用魔芋粉渣发酵生产柠檬酸的方法，在发酵培养基中使用魔芋粉渣作为碳源，来代替常规方法中的玉米、木薯等粮食原料，起到变废为宝，降低成本，提高发酵水平的作用。
为了实现本发明目的，本发明的技术方案如下：
一种利用魔芋粉渣发酵生产柠檬酸的方法，其是利用黑曲酶在发酵培养液发酵生产柠檬酸；进一步地，所述发酵培养液的成分及其重量份用量如下：魔芋粉渣液化清液100份，玉米蛋白粉12～15份；魔芋粉渣液化回料2～3份，无水氯化钙0.05～0.08份。
所述黑曲霉可为本领域常规使用或市售可得的黑曲霉。可选的，所述黑曲酶为黑曲酶Co827。黑曲霉Co827为柠檬酸工业化生产中最常用的、通用菌种，其原始编号为Co827，中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)等机构都可购得，菌株保藏编号：40347。不局限于该菌种，其它常用的柠檬酸生产所用黑曲霉都可应用于本发明技术方案中。
进一步地，所述方法包括如下步骤：
1)将黑曲酶以10～15％(黑曲酶种子液与发酵初始培养体积的体积比)的接种量接种到发酵培养液中；
2)控制发酵条件，进行批式发酵，生产柠檬酸。
进一步地，所述魔芋粉渣液化清液的制备方法为：将水跟魔芋粉渣按照质量比1.8～2.5:1混合后，再添加高温淀粉酶，添加量为魔芋粉渣总重量的0.3‰～0.8‰，之后进行加热液化，最后放料过滤，得到的滤液即为魔芋粉渣液化清液，其总糖浓度约为15～18w/v％。
所述高温淀粉酶的酶活为8500-9500U/ml。
所述魔芋粉渣的淀粉含量在50％～90％(w/w)。
进一步地，所述魔芋粉渣液化回料为上述液化清液制备过程中过滤所得的滤渣，其按一定量加入培养基可充当部分有机氮源，并可补充矿物质、氨基酸等生长因子，有利于菌体生长和产物的生成。
进一步地，所述加热液化具体为：糊化温度65～72℃，维持25～35分钟，接着液化温度90～95℃，维持20～30分钟。
进一步地，所述发酵条件为：发酵接种量10～15％，发酵温度36～38℃，通气量0.15～0.45vvm，罐压0.08～0.12Mpa，溶氧高于40％，发酵周期为60～70小时或当还原糖低于0.3～0.5w/v％，柠檬酸含量为15～17w/v％且不随时间增加时结束发酵。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种利用魔芋粉渣发酵生产柠檬酸的方法，在发酵培养基中使用魔芋粉渣作为碳源，来代替常规方法中的玉米、木薯等粮食原料。该方法简单有效，由于魔芋粉渣为魔芋产品加工后的废弃物，变废为宝，价格相对较低，可有效降低生产成本，因此适用于柠檬酸的大规模工业化发酵生产。
具体实施方式
以下通过实施例分别对木薯和魔芋粉渣两种原料生产柠檬酸的工艺的进行比较，从而用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1魔芋粉渣的液化工艺(50L发酵罐)
以50L发酵罐为例，首先进行魔芋粉渣的液化：称取7.5kg魔芋粉渣，过筛(孔径约4mm)，加18.75L水调浆后投入液化罐中，之后加3gα-淀粉酶(酶活9000U/ml)，直接通入蒸汽升温至65～72℃保温30min进行糊化，然后升温至90～95℃保温20min进行液化，碘试合格后放料并利用离心机进行固液分离，得滤液和滤渣，其中滤液即为魔芋粉渣液化清液，滤渣为魔芋粉渣回料，滤液总糖浓度为17.9w/v％，重量约为29kg。
实施例2魔芋粉渣的柠檬酸发酵工艺(50L发酵罐)
以50L发酵罐为例，将上述实施例1中的魔芋粉渣液化清液全部投入发酵罐中，再加入3.5kg玉米蛋白粉、0.7kg魔芋粉渣回料、20g无水氯化钙，之后110℃实消灭菌，保温20分钟。
待培养基降温至37℃时，接入3L黑曲酶Co827种子液，种后培养体积约为30L，初始总糖17.3w/v％。在发酵过程中，全程维持通气量0.45vvm，搅拌转速400rpm，罐压0.1Mpa，培养温度37℃，过程pH值自然下降不控制，过程溶氧维持在65％，45小时后溶氧自然升高至80％以上，最后发酵周期64小时，柠檬酸含量为16.2w/v％，还原糖含量为0.35w/v％，糖酸转化率为93.6w/v％。
实施例3魔芋粉渣的液化工艺(500L发酵罐)
以500L发酵罐为例，首先进行魔芋粉渣的液化：称取75kg木薯粉，过筛(孔径约4mm)，加190L水调浆后投入液化罐中，之后加30gα-淀粉酶(酶活8500U/ml)，直接通入蒸汽升温至65-72℃保温30min进行糊化，然后升温至90-95℃保温20min进行液化，碘试合格后放料并利用板框压滤机进行固液分离，得滤液和滤渣，其中滤液即为魔芋粉渣液化清液，滤渣为魔芋粉渣回料，滤液总糖浓度约为17.2w/v％，重量约为301Kg。
实施例4魔芋粉渣的柠檬酸发酵工艺(500L发酵罐)
以500L发酵罐为例，将上述实施例3中的魔芋粉渣液化清液全部投入发酵罐中，再加入35.2kg玉米蛋白粉、7.5kg魔芋粉渣回料、240g无水氯化钙，之后110℃实消灭菌，保温20分钟。
待培养基降温至37℃时，接入30L黑曲酶Co827种子液，种后培养体积约为300L，初始总糖17.7w/v％。在发酵过程中，全程维持通气量0.5m3/h，搅拌转速300rpm，罐压0.01Mpa，培养温度37℃，过程pH值自然下降不控制，发酵中前期溶氧约为60％，50小时后溶氧升至75％以上，最后发酵周期66小时，柠檬酸含量为16.9w/v％，还原糖0.4w/v％，糖酸转化率为95.4w/v％。
对比例1木薯原料的液化工艺
以50L发酵罐为例，首先进行木薯粉的液化：称取6kg木薯粉，过筛(孔径约4mm)，加15L水调浆后投入液化罐中，之后加3mlα-淀粉酶(酶活4000U/ml)，升温至65～72℃保温30min进行糊化，然后升温至90～95℃保温20min进行液化，碘试合格后放料并利用板框压滤机或者离心机进行固液分离，得滤液和滤渣，其中滤液即为木薯液化清液，总糖浓度约为16～18w/v％，体积约为24～25L。
对比例2木薯原料的柠檬酸发酵工艺
以50L发酵罐为例，将上述对比例1中的木薯液化清液全部投入发酵罐中，再加入4kg玉米蛋白粉、20g无水氯化钙和5ml泡敌，之后110℃实消灭菌，保温20分钟。
待培养基降温至37℃时，接入3L黑曲酶Co827种子液，种后培养体积约为30L，初始总糖16.8w/v％。在发酵过程中，全程维持通气量0.6m3/h，搅拌转速400rpm，罐压0.01Mpa，培养温度37℃，过程pH值自然下降不控制，最后发酵周期66小时，柠檬酸含量为15.1w/v％，糖酸转化率为89.8w/v％。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种利用魔芋粉渣发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于，其是利用黑曲酶在发酵培养液发酵生产柠檬酸；
所述发酵培养液的成分及其重量份用量如下：魔芋粉渣液化清液100份，玉米蛋白粉12～15份；魔芋粉渣液化回料2～3份，无水氯化钙0.05～0.08份。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)将黑曲酶以10～15％的接种量接种到发酵培养液中；
2)控制发酵条件，进行批式发酵，生产柠檬酸。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述魔芋粉渣液化清液的制备方法为：将水跟魔芋粉渣按照1.8～2.5:1的质量比混合后，添加高温淀粉酶，添加量为魔芋粉渣总重量的0.3‰～0.8‰，之后进行加热液化，最后放料过滤，得到的滤液即为魔芋粉渣液化清液，其总糖浓度约为15～18w/v％。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述高温淀粉酶的酶活为8500～9500U/ml。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述魔芋粉渣的淀粉含量在50％～90％。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述加热液化具体为：糊化温度65～72℃，维持25～35分钟，接着液化温度90～95℃，维持20～30分钟。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述魔芋粉渣液化回料为制备魔芋粉渣液化清液过程中过滤所得的滤渣。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发酵条件为：发酵温度36～38℃，通气量0.15～0.45vvm，罐压0.08～0.12Mpa，溶氧高于40％，发酵周期为60～70小时或当还原糖低于0.3～0.5w/v％，柠檬酸含量为15～17w/v％且不随时间增加时结束发酵。
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