钙盐沉淀法提取柠檬酸

钙盐沉淀法提取柠檬酸

摘要：利用黑曲霉进行分离复壮，然后利用改良的马丁培养基进行发酵，再通过离心发酵液，利用两种不同的方法钙盐沉淀法和离子交换法进行分离柠檬酸，比较两种方法分离柠檬酸的产量，及两种方法的优缺点，同时还要注意发酵过程中，菌种的产量。

关键字；黑曲霉钙盐沉淀离子树脂交换

引言：

生产史;1784年C.W.舍勒首先从柑橘中提取柠檬酸。他是通过在水果榨汁中加入石灰乳以形成柠檬酸钙沉淀的方法制取柠檬酸的。天然柠檬酸最初产于美国加利福尼亚州、意大利和西印度群岛。意大利的产量居首位。到1922年，世界柠檬酸的总销售额的90％由美国、英国、法国等垄断。发酵法制取柠檬酸始于19世纪末。1893年C.韦默尔发现青霉（属）菌能积累柠檬酸。1913年B.扎霍斯基报道黑曲霉能生成柠檬酸。1916年汤姆和柯里以曲霉属菌进行试验，证实大多数曲霉菌如泡盛曲霉、米曲霉、温氏曲霉、绿色木霉和黑曲霉都具有产柠檬酸的能力，而黑曲霉的产酸能力更强。如柯里以黑曲霉为供试菌株，在15％蔗糖培养液中发酵，对糖的吸收率达55％。1923年美国菲泽公司建造了世界上第一家以黑曲霉浅盘发酵法生产柠檬酸的工厂。随后比利时、英国、德国、苏联等相继研究成功发酵法生产柠檬酸。这样，依靠从柑橘中提取天然柠檬酸的方法逐渐为发酵柠檬酸所取代。1950年前，柠檬酸采用浅盘发酵法生产。1952年美国迈尔斯试验室采用深层发酵法大规模生产柠檬酸。此后，深层发酵法逐渐建立起来。深层发酵周期短，产率高，节省劳动力，占地面积小，便于实现仪表控制和连续化，现已成为柠檬酸生产的主要方法。中国用发酵法制取柠檬酸以1942年汤腾汉等报告为最早。1952年陈声等开始用黑曲霉浅盘发酵制取柠檬酸。轻工业部发酵工业科学研究所于1959年完成了200l规模深层发酵制柠檬酸试验，1965年进行了生产100t甜菜糖蜜原料浅盘发酵制取柠檬酸的中间试验，并于1968年投入生产。1966年后，天津市工业微生物研究所、上海市工业微生物研究所相继开展用黑曲霉进行薯干粉原料深层发酵柠檬酸的试验研究，并获得成功，从而确定了中国柠檬酸生产的这一主要工艺路线。薯干粉深层发酵柠檬酸，原料丰富，工艺简单，不需添加营养盐，产率高，是中国独特的先进工艺。中国石油发酵柠檬酸的研究起步较早。1970年，天津、上海、沈阳、常州等地研究单位利用解脂假丝酵母(candida lipolytica)进行石蜡油（正构烷烃）发酵生产柠檬酸的试验。1979年徐子渊等筛选出一株对氟乙酸敏感的变异株解脂假丝酵母，其乌头酸水合酶的活性很低，柠檬酸的生成比例从原来的50％提高至80％，从而提高了石油发酵柠檬酸的产率。随着生物技术的进步，柠檬酸工业有了突飞猛进的发展,全世界柠檬酸产量已达0.4Mt。在柠檬酸发酵技术领域，由于高产菌株的应用和新技术的不断开拓，柠檬酸发酵和提取收率都有明显提高，每生产1t柠檬酸分别消耗2.5～2.8t糖蜜,2.2～2.3t 薯干粉或1.2～1.3t蔗糖。人们正在大力开发固定化细胞循环生物反应器发酵技术

柠檬酸

又名枸橼酸，外观为白色颗粒状或白色结晶粉末，无臭，有强烈的酸味，它存在于天然果实中，其中以柑桔、菠萝、柠檬、无花果等含量较高。早期柠檬酸是以天然果实为原料加工而成，1893年德国微生物学家Wehmen发现二种青霉菌能够积累柠檬酸，1951年美国Miles公司首先采用深层发酵大规模生产柠檬酸。我国1968年用薯干为原料采用深层发酵法生产柠檬酸成功，柠檬酸生产由于工艺简单、原料丰富、发酵水平高，至20世纪70年代中期，已初步

形成了生产体系。

用做调味剂享有“西餐之王”美誉的柠檬具有很强的杀菌作用，对食品卫生很有好处，再加上柠檬的清香气味，人们历来喜欢用其制作凉菜，不仅美味爽口，也能增进食欲。用于食品加工柠檬酸常常作为酸化剂、pH缓冲剂来防腐，同时改善食品的感官性状，增强食欲和促进体内钙、磷物质的消化吸收。用于化工、制药和纺织业

柠檬酸属于果酸的一种，柠檬酸在化妆品中的主要作用是加快角质更新，常用于乳液、乳霜、洗发精、美白用品、抗老化用品、青春痘用品等。角质的更新有助于皮肤的中黑色素的剥落，毛孔的收细，黑头的溶解等，可以美白和去角质，柠檬汁稀释后可以当收敛化妆水用，主要作用是收敛皮肤，因此比较适合油性皮肤

柠檬酸在水产养殖饲料中的作用：提高胃蛋白酶的活性柠檬酸能降低饲料的pH值，使水产动物的胃内pH值下降，从而促进无活性的胃蛋白酶原转化为有活性的胃蛋白酶，促进矿物质的吸收一些矿物质元素在碱性环境中易形成不溶性的盐而极难吸收，.提高饲料利用率添加柠檬酸和微生物植酸酶能提高植物性饲料中磷的利用率，减少无机磷的添加，并减轻水产动物通过粪便排磷对水体环境的污染，柠檬酸在水产养殖饲料使用上的作用效果尚不够稳定

黑曲霉1)国内外黑曲霉菌种选育研究概况。中国研究也取得了很大的成果。欧美是除中国以外全球第二大柠檬酸主产区，柠檬酸生产企业的经济和技术实力比较雄厚，一般都是集技术开发、工业设计和生产一体化的跨国集团企业，相比中国柠檬酸行业，在技术和管理上具有很大的优势，在菌种的选育方面也比我们的经验丰富。本文研究的育种方法从我国的国情出发，方法简单易学，效果显著，在目前生产分散，技术水平低的实际情况下具有一定的借鉴和推广意义。

2)黑曲霉(Aspergillus niger)的形态特征和生理特征。在固体培养基上，菌落由白色逐渐变至棕色。孢子区域为黑色，菌落呈绒毛状，边缘不整齐。菌丝有隔膜和分枝，是多细胞的菌丝体，无色或有色，有足细胞，顶囊生成一层或两层小梗，小梗顶端生成串分生孢子。黑曲霉生产菌可在薯干粉、玉米粉、可溶性淀粉糖蜜、葡萄糖麦芽糖、糊精、乳糖等培养基上生长、产酸。黑曲霉生长最适pH值因菌种而异，一般pH值为3～7；产酸最适pH值为1.8～2.5。生长最适(optimum)温度为33～36℃，产酸最适温度在28～36℃，温度过高易形成杂酸，斜面培养要求在35°Be左右的麦芽汁培养基上。黑曲霉以无性生殖的形式繁殖，具有多种活力较强的酶系，能力用淀粉类物质，并且对蛋白质、单宁、纤维素、果胶等具有一定的分解能力。黑曲霉可以边长菌、边糖化、边发酵产酸的方式生产柠檬酸。

1)国内外黑曲霉菌种选育研究概况。产柠檬酸黑曲霉已经历了几十年的诱变(induced mutation)筛选，对常用的诱变处理具有一定的抗性。中科院有人尝试把离子束应用于产柠檬酸黑曲霉的诱变，并取得了一定效果。在此影响下，有人做过用低能离子束注入黑曲霉来优

化菌种的产酸能力。李文玲等也曾经用Co60～γ射线诱变产柠檬酸的黑曲霉菌种，也取得了很大的成果。欧美是除中国以外全球第二大柠檬酸主产区，柠檬酸生产企业的经济和技术实力比较雄厚，一般都是集技术开发、工业设计和生产一体化的跨国集团企业，相比中国柠檬酸行业，在技术和管理上具有很大的优势，在菌种的选育方面也比我们的经验丰富。本文研究的育种方法从我国的国情出发，方法简单易学，效果显著，在目前生产分散，技术水平低的实际情况下具有一定的借鉴和推广意义。

2)黑曲霉(Aspergillus niger)的形态特征和生理特征。在固体培养基上，菌落由白色逐渐变至棕色。孢子区域为黑色，菌落呈绒毛状，边缘不整齐。菌丝有隔膜和分枝，是多细胞的菌丝体，无色或有色，有足细胞，顶囊生成一层或两层小梗，小梗顶端生成串分生孢子。黑曲霉生产菌可在薯干粉、玉米粉、可溶性淀粉糖蜜、葡萄糖麦芽糖、糊精、乳糖等培养基上生长、产酸。黑曲霉生长最适pH值因菌种而异，一般pH值为3～7；产酸最适pH值为1.8～2.5。生长最适(optimum)温度为33～36℃，产酸最适温度在28～36℃，温度过高易形成杂酸，斜面培养要求在35°Be左右的麦芽汁培养基上。黑曲霉以无性生殖的形式繁殖，具有多种活力较强的酶系，能力用淀粉类物质，并且对蛋白质、单宁、纤维素、果胶等具有一定的分解能力。黑曲霉可以边长菌、边糖化、边发酵产酸的方式生产柠檬酸。

市场情况

我国的柠檬酸产业，较早地进入了国际市场，经过多年的努力和奋斗已成为世界第一的生产和出口大国。特别是经历了近几年的竞争与整合，全行业的面貌大为改观。尽管市场形势严峻，效益滑坡，但行业同仁知难而进，骨干企业砥柱中流，仍然呈现了持续健康的发展态势。

一、柠檬酸行业及其科技进步概况

1.总产量稳定增加，品种不断延伸，集约化程度大幅提高。据不完全统计，2002年全国柠檬酸总产量突破40万吨。

2.技术水平不断提高，消耗一降再降，生产成本压缩到新的水平，全面提升了中国柠檬酸的竞争力。

3.产品品质越来越为企业所重视，较几年前有了很大改善，中国柠檬酸产品的形象逐渐好转。安徽丰原生物化学股份有限公司经过几年的培育，BBCA的品牌逐步被国际市场认可，享有很好的信誉。不少新建企业，从开工之日起，就坚持很高的质量标准和以自己独立的品牌进入市场，这是富有远见的战略决策。

4.新技术、新材料、新设备的应用有了很多新的收获。不少相关行业的成果，如酶技术、膜技术、微机技术和先进装置等越来越多地被采用。特别是提取技术的重大突破和新提取生产线的建成投产，在柠檬酸工业史上，具有划时代的意义。

5.三废治理技术日渐完善，大多数企业建设了有效的废水处理装置，正常运行并注重实效。自去年三部委92号公告发布后，更促进了业内企业对环境保护工作的高度重视。已有18家柠檬酸生产企业为省级环保部门验收，被国家环保总局正式公布为达标企业。今年3月，国家环保总局、中国发酵工业协会组织有关专家对部分达标企业进行了首次调研检查，结果基本满意，有的企业做得很好。可以说，全行业已从建立处理设施进入有效治理阶段。

6. 对于新建、扩建项目，逐渐走出盲目发展、重复建设、大起大落的误区。西部大开发以来，我们曾经十分担心，不少地方为解决粮食出路，发展出口商品，会利用政策倾斜，置生态环境于不顾，一哄而起大上柠檬酸，然而由于市场经济体系走向成熟，柠檬酸市场长期低迷，国内投资体制渐趋完善，地方政府较为理智，过去所谓的形象工程逐渐淡化，这种局面并未出现。现在虽然有一些

新建、扩建工程在进行，大都经过认真的评估和论证，具有很强的比较优势。我国加入WTO后，柠檬酸工业继续发展壮大，2002年，柠檬酸出口量为26万吨，柠檬酸钠出口量为2.58万吨，出口总量比上年仍增长3％。我国柠檬酸行业开始走上了持续健康的发展道路。

二、柠檬酸行业亟待解决的课题

1 .原料，至今仍是一个重要的课题。我们目前主要的原料是木薯和玉米。前者仍是粗料发酵，它带来了一系列固有的缺陷，如培养基营养成分的波动；大量不参与生化反应的杂质空耗能源，并给提取增加诸多负担；发酵液总糖浓度偏低，影响了发酵指数和设备利用率；发酵液滤渣价值很低，难以综合利用等等。玉米原料也只能算是半精料发酵，为了调整氮源，还要将一定比例的玉米粉直接进罐。由于要追求尽可能高的液化收率，总糖浓度也无法调高，致使我们的发酵产酸，至今停留在12％～13％的水平。玉米原料的综合利用也是个大问题，我们除利用了淀粉之外，将其余部分都制成了廉价的饲料，太可惜了。所以，根据各厂实际，选用更适合的原料，提高资源利用率，是很迫切的问题。 2. 菌种，近年来进展不大。随着分子生物工程的发展，为优良菌种的选育提供了更为广阔的天地，用基因重组菌种取代，改良原有的柠檬酸、青霉素菌种已见诸报道。以基因工程手段改造传统的发酵工业，已经不是遥遥无期的事，如果我们不努力攻关，今天的技术优势很可能在新一轮的竞争中失去。这次会议，天津工微所介绍了他们在高糖发酵菌种和工艺方面的新成果。随着发酵罐的日益大型化，它与手工麸曲制备的矛盾越来越突出，如何实现麸曲制备的工业化，或代之以孢子粉，是多年未能突破的难题。自然，最为理想的是制成孢子粉或采用固定化技术，只是技术难度很高。复旦大学郭杰炎教授提出，目前更为现实的，是以固态发酵改变落后的麸曲制备工艺。现在固体培养基发酵罐早已问世，已有应用生物制药、酶制剂、制曲等工业的报道。如一种立式多层固态发酵罐，投料前进行空罐灭菌。物料从顶部加料孔进入，然后进行蒸煮、灭菌，物料降温通过内蛇管、外夹套冷却，罐底进入无菌空气，从罐顶排出，达到通气、恒温要求，采用轴向搅拌翻料，发酵罐容积范围为0.5～10m。另一种华东理工大学的智能生物发酵罐，全容量为50L～5000L，采用外罐体转动的搅拌方式，物料在罐体内边翻滚边进行蒸汽灭菌，通过进气调节罐内温度和湿度，转速为0～30rmp，均为不锈钢结构。用这类固态发酵罐来改革我们传统的麸曲制备工艺，成功的希望应该是很大的。目前，大部分工厂仍沿用实罐灭菌工艺，罐外液化，连续消毒工艺已十分成熟，采用的又都是碳钢设备，投入不大。可以大大提高发酵罐的利用率，大幅度降低汽耗，

值得大力推广。 3.提取方面，整体装置水平，特别是一水生产线的水平还不高，技术改造的任务十分繁重。如何借鉴相关行业的成功经验，广泛采用新技术、新材料、新设备，还有很多文章要做。即使不急于用色谱、吸交等全新的工艺，就是在传统的过滤、浓缩、离心、干燥、包装、储运等操作上，也有许多需要改进的地方。与发达国家相比，我们单条生产线的规模还偏小，控制手段一般，自动化程度不高，劳动生产率较低，资源综合利用与清洁生产水平不够，差距是多方面的，许多课题等待着我们去研究与探索。

操作方法：

(一)发酵液的过滤

取发酵液2L，置于恒温水浴锅中加热至80~90度，趁热过滤，除去菌体和不溶性杂质。量去滤液体积，并取样测定柠檬酸含量。

（二）钙盐沉淀制备柠檬酸粗品液

1 碳酸钙中和沉淀

根据中和反应式计算碳酸钙加的量，由反应式的物质的量比可计算出中和1g柠檬酸要加0.174g碳酸钙，由此计算出需要加碳酸钙的量

将滤液预热至70度，边搅拌变慢速加入计算的碳酸钙，同时升温，使中和终点时的温度达到85度，保温搅拌30min

（注意;控制好终点，碳酸钙不要过量，以防产生胶粘性物质沉淀，影响质量，实验证明，pH达5时，99.8%的柠檬酸已被中和;终点温度不能过低，有利于柠檬酸与其他物质分离。）趁热过滤，滤饼用沸水洗涤多次，直至无糖检测不变色。

(无糖检测方法:取洗涤出液20ml，加一滴1%~2%高锰酸钾溶液，3min后溶液不变色，即说明糖分已洗净。)

2 浓硫酸酸解

将中和所得到的沉淀物称重并放入烧杯，加入2倍量的水，调匀，呈糊状，然后再室温下加浓硫酸酸解，硫酸的加量根据中和是加入碳酸钙的量来估计;

CaCO3 +H2SO4——CaSO4+CO2+H2O

即100g碳酸钙约加98g硫酸。或者酸解钱分析柠檬酸钙中柠檬酸的含量，以确定硫酸用量。但实际用的量少，因为在洗涤时会有损失。在实际操作中，当加入计算量的80%时，开始测定酸解终点，也可用精密pH试纸来初步判断，当pH1.8~2.0时，即为酸解终点。加完硫酸后，置于90度水浴保温30min，并不断搅拌。然后趁热过滤，收集清亮棕黄色液体，量体积，并取样测定含量。

（酸解终点测定法;取甲乙两只试管，甲管吸取15%~20%的硫酸1ml，乙管吸取15%~20%氯化钙1ml，分别加入1ml过滤后的酸解液，加热至沸，冷却后都不发生浑浊，再分别加入1ml95%乙醇，若甲管先转浑，可认为达到酸解终点，若乙管浑浊，说明硫酸过量）操作注意;严格控制酸解终点，如果硫酸用量不足，则分解不完全，造成损失。如果硫酸过量，在浓缩过程中，当温度达到70~75度时，就能使柠檬酸分解，是颜色加深。

必须控制酸解温度在85度以上，才能保证石膏晶体大部分成片状，有利于过滤，又可降低石膏在水中的溶解度，增加柠檬酸的纯度。