《一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法》是日照金禾博源生化有限公司於2012年9月14日申請的專利，該專利的申請號為2012103398435，公布號為CN102876738A，授權公布日為2013年1月16日，發明人是寇光智、李昌濤、蔣水星、尹相山、周一江、梁培森。
《一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法》特點是以玉米為原料，粉碎加水調漿後通過均質機或膠體磨預處理後進行兩次連續噴射液化，同時通過添加合適的氮源和酸性蛋白酶進行發酵，並調整相應的生產參數與之適應，不僅提高了發酵產酸速度，還縮短了發酵周期，提高了設備利用率，提高了企業的經濟效益，提升了企業的競爭力。
2016年12月7日，《一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
基本介紹
- 中文名：一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法
- 公布號：CN102876738A
- 授權日：2013年1月16日
- 申請號：2012103398435
- 申請日：2012年9月14日
- 申請人：日照金禾博源生化有限公司
- 地址：山東省日照市莒縣城區城陽北路西側
- 發明人：寇光智、李昌濤、蔣水星、尹相山、周一江、梁培森
- Int.Cl.：C12P7/48(2006.01)I；C12R1/685(2006.01)N
- 代理機構：濟南舜源專利事務所有限公司
- 代理人：苗峻
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
檸檬酸，學名2-羥基丙烷-1,2,3-三羧酸，分子式C6H8O7（無水物），是一種廣泛地套用於食品，醫藥和化工領域的有機酸。隨著經濟的發展，各行各業對檸檬酸的需求量將穩步上升，當然各企業面對的挑戰與機遇也越來越多。主要用於食品工業、醫藥業、化學工業，並且在電子、紡織、石油、皮革、建築、攝影、塑膠、鑄造和陶瓷等工業領域中也有廣闊的套用。
2012年9月前，檸檬酸生產中存在發酵的初始總糖濃度低、產酸率低、產酸速度慢、發酵周期長、發酵係數低、能耗高、成本高，設備利用率低等不足之處，嚴重製約了檸檬酸行業的發展。
發明內容
專利目的
《一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法》提出了一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法，提高了發酵產酸速率、縮短了發酵周期，又能提高產酸，解決了2012年9月前檸檬酸生產中發酵的初始總糖低、周期長、產酸慢、轉化率低和設備利用率等問題。
技術方案
《一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法》的具體步驟為：
（1）將玉米粉碎製備玉米粉；
（2）將玉米粉加水調漿，並向其中加入耐高溫α-澱粉酶，每克玉米粉加入5-25個酶單位的耐高溫α-澱粉酶；
（3）將調漿後的玉米粉漿輸送至均質機或膠體磨處理；
（4）將上述處理後的玉米粉漿輸送至噴射液化裝置經過兩次連續噴射液化工藝進行液化；
（5）取步驟（4）中占最終發酵液總體積5-10%的液化液，投入種子罐中，加入氮源，每升發酵液中加入0.01-0.025克氮源，在80-121℃消毒15-30分鐘後，降溫至35-38℃，接入黑麴黴孢子懸浮液進行培養基培養；
（6）取步驟（4）中占最終發酵液總體積15-20%的液化液投入發酵罐；
（7）將步驟（4）中剩餘的液化液過濾得過濾清液；
（8）取步驟（7）中占最終發酵總體積70-75%的過濾清液投入發酵罐中，同時添加氮源，每升發酵液中加入50-350克氮源，80-121℃消毒15-30分鐘後，降溫至35-38℃；
（9）將步驟（5）的培養基中加入酸性蛋白酶後轉移至發酵罐中，35-38℃通風攪拌至發酵終了。
由於玉米粉粒度過大，不利於後續的均質機或膠體磨處理；粒度過小，會給粉碎工序增加較大的難度，增加電耗和工作量，所以步驟（1）中粉碎後的玉米粉60目的透過率在50%以上。
將粉碎後的玉米粉漿加入水進行調漿，調漿後質量分數為10-35%。由於pH過高或過低都會使得澱粉酶的活性受到抑制，不利於後期的液化，導致玉米渣中殘留的澱粉較多，造成部分的澱粉的損失，引起資源的浪費，所以通過添加少量檸檬酸母液或者生石灰對玉米粉調漿的pH進行調節，調節後控制在5.0-7.8。
《一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法》採用JJ-16/25均質機或JMS-300膠體磨對調漿後的玉米粉漿進行均勻細化處理，使玉米顆粒進一步破壞，增大玉米澱粉與澱粉酶的接觸幾率，促進玉米澱粉的溶出，提高糖的得率，均勻細化處理後玉米粉漿中玉米粉的粒度小於50微米。
發明人經過長期試驗摸索發現採用一次噴射液化，最終得到的料液粘稠，不利於過濾，甚至還有部分與蛋白結合的糖無法溶出，造成糖渣澱粉含量偏高；所以該發明將經過均勻細化處理的玉米粉漿採用兩次連續噴射液化，第一次噴射液化主要是促進澱粉酶與澱粉的迅速作用，使得澱粉初步液化，為了保證澱粉酶和穩定性都較高，有利於澱粉的液化，第一次噴射液化溫度為95-97℃；第二次噴射液化主要是高溫條件下蛋白質的凝聚和難溶性澱粉酶顆粒的膨脹溶出，降低了液化液的粘度，有利於後續的過濾，為了促進蛋白質的凝聚和難溶性澱粉酶顆粒的膨脹溶出，第二次噴射液化溫度為125-130℃；該發明採用兩次連續噴射液化，減少了非發酵性糖類的產生，物料在液化層流罐中維持1-6個小時，液化DE值為10-85%。
取上述占最終發酵液總體積5-10%的液化液，投入種子罐中，每升發酵液中加入0.01-0.025克氮源，消毒，降溫，接入黑麴黴孢子懸浮液進行培養基培養；該過程中，由於液化液可以直接作為有機氮源使用，所以只需要加入無機氮源即可，無機氮源為硫酸銨、檸檬酸銨、尿素、硝酸銨中的一種或其混合物。
發酵過程中，《一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法》採用以胺基酸、氨基氮及一些小分子的肽為主的有機氮源，例如棉籽粉或豆粕粉，其優點是加入此類氮源可以使菌種更好的吸收利用某些胺基酸，直接合成菌種生長及代謝的相關酶系，加快菌種生長和產酸。棉籽粉或豆粕粉可直接從市場上購買，該方面所用棉籽粉及豆粕粉為北京中棉紫光生物科技有限公司提供。
由於酸性蛋白酶可以促進蛋白質的水解，提高發酵液中胺基酸、小分子肽類物質的增加，有利於菌種快速的吸收利用氮源，加快菌種的生長與產酸，所以該發明在發酵過程中加入酸性蛋白酶，其添加量過低水解的效果較差，起不到明顯的促進菌種生長的作用，而添加量過大會造成成本的上升，所以該發明中酸性蛋白酶的添加量為每克乾基5-30個酶單位。該試驗中的酸性蛋白酶為山東隆大生物工程有限公司提供的液體蛋白酶，酶活力為50000U/毫升或100000U/毫升，pH範圍為2.5-6.0，溫度為30-50℃。
由於溫度過低，菌種生長代謝速度緩慢，導致發酵周期過長；溫度過高會對菌種生長、代謝產生不利影響，導致產生其他的雜酸、代謝物質，給後續的提取增加負擔，所以發酵溫度控制在35-38℃。當發酵罐正常產酸每小時不超過0.1%，還原糖不超過1.0%即可終止發酵。最終的發酵液可以採用常用的鈣鹽法提取其中的檸檬酸。
另外，《一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法》中過濾後的玉米糖渣可以用於生產高蛋白飼料，而發酵液過濾後的菌絲體可以用來提取殼聚糖。
改善效果
綜上所述，《一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法》將玉米粉漿通過均質機或膠體磨預處理後進行兩次連續噴射液化，減少了非發酵性糖類的產生，同時通過添加合適的氮源和酸性蛋白酶，並調整相應的生產參數與之適應，提高了整體發酵強度，有利於菌種吸收利用氮源，促進菌種生長與產酸，縮短了發酵周期，達到了節能降耗的效果，為檸檬酸行業的發展指明方向；同時，玉米糖渣具有較高的附加值，可以用於生產高蛋白飼料，而發酵液過濾後的菌絲體可以用來提取殼聚糖，同樣具有可觀的經濟效益，具有良好的市場前景，既減少對環境的污染，變廢為寶，又能創造良好的經濟效益，綜合提高企業的競爭力。
技術領域
《一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法》涉及一種生產檸檬酸的方法，尤其涉及一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法。
權利要求
1.《一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法》特徵在於：其步驟為：
（1）將玉米粉碎製備玉米粉；
（2）將玉米粉加水調漿，並向其中加入耐高溫α-澱粉酶，每克玉米粉加入5-25個酶單位的耐高溫α-澱粉酶；
（3）將調漿後的玉米粉漿輸送至均質機或膠體磨處理；處理後的玉米粉粒度小於50微米；
（4）將上述處理後的玉米粉漿輸送至噴射液化裝置經過兩次連續噴射液化工藝進行液化；所述的第一次噴射溫度為95-97℃，第二次噴射溫度為125-130℃，在液化層流罐中維持1-6個小時，液化DE值為10-85%；
（5）取步驟（4）中占最終發酵液總體積5-10%的液化液，投入種子罐中，加入無機氮源，每升發酵液中加入0.01-0.025克氮源，在80-121℃消毒15-30分鐘後，降溫至35-38℃，接入黑麴黴孢子懸浮液進行培養基培養；所述無機氮源為硫酸銨、檸檬酸銨、尿素、硝酸銨中的一種或其混合物；
（6）取步驟（4）中占最終發酵液總體積15-20%的液化液投入發酵罐；
（7）將步驟（4）中剩餘的液化液過濾得過濾清液；
（8）取步驟（7）中占最終發酵總體積70-75%的過濾清液投入發酵罐中，同時添加有機氮源，每升發酵液中加入50-350克氮源，80-121℃消毒15-30分鐘後，降溫至35-38℃；所述的有機氮源為棉籽粉或豆粕粉或其混合物；
（9）將步驟（5）的培養基中加入酸性蛋白酶後轉移至發酵罐中，35-38℃通風攪拌至發酵終了；所述的酸性蛋白酶的添加量為每克乾基5-30個酶單位。
2.根據權利要求1所述的高強度發酵技術生產檸檬酸的方法，其特徵在於：步驟（1）所述的粉碎後的玉米粉60目的透過率在50%以上。
3.根據權利要求1所述的高強度發酵技術生產檸檬酸的方法，其特徵在於：步驟（2）所述的玉米粉調漿後質量分數為10-35%。
4.根據權利要求1所述的高強度發酵技術生產檸檬酸的方法，其特徵在於：步驟（2）所述的玉米粉調漿後pH為5.0-7.8。
實施方式
實施例1
一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法，其步驟為：
（1）將玉米粉碎製備玉米粉，粉碎後玉米粉60目的透過率為50%；
（2）將玉米粉加水調漿，並向其中加入耐高溫α-澱粉酶，每克玉米粉加入5個酶單位的耐高溫α-澱粉酶，調漿後玉米粉漿濃度為22%，pH值為6.18；
（3）將調漿後的玉米粉漿輸送至均質機處理，處理後玉米粉粒度為45-50微米；
（4）將上述處理後的玉米粉漿輸送至噴射液化裝置經過兩次連續噴射液化工藝進行液化，第一次噴射溫度為95℃，第二次噴射溫度為127℃，在液化層流罐中維持4個小時，液化DE值為80%；
（5）取步驟（4）中占最終發酵液總體積5%的液化液，投入種子罐中，加入硫酸銨，每升發酵液中加入0.02克硫酸銨，在121℃消毒30分鐘後，降溫至37℃，接入黑麴黴孢子懸浮液進行培養基培養；
（6）取步驟（4）中占最終發酵液總體積20%的液化液投入發酵罐；
（7）將步驟（4）中剩餘的液化液採用板框過濾機過濾得過濾清液；
（8）取步驟（7）中占最終發酵總體積70%的過濾清液投入發酵罐中，同時添加棉籽粉，每升發酵液中加入50克棉籽粉，90℃消毒30分鐘後，降溫至37℃；
（9）將步驟（5）中的培養基中加入酸性蛋白酶後轉移至發酵罐中，37℃通風攪拌至發酵終了，酸性蛋白酶的添加量為每克乾基15個酶單位。
實施例2
一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法，其步驟為：
（1）將玉米粉碎製備玉米粉，粉碎後玉米粉60目的透過率為60%；
（2）將玉米粉加水調漿，並向其中加入耐高溫α-澱粉酶，每克玉米粉加入10個酶單位的耐高溫α-澱粉酶，調漿後玉米粉漿濃度為10%，pH值為5.03；
（3）將調漿後的玉米粉漿輸送至均質機處理，處理後玉米粉粒度為40-42微米；
（4）將上述處理後的玉米粉漿輸送至噴射液化裝置經過兩次連續噴射液化工藝進行液化，第一次噴射溫度為97℃，第二次噴射溫度為128℃，在液化層流罐中維持3個小時，液化DE值為50%；
（5）取步驟（4）中占最終發酵液總體積6%的液化液，投入種子罐中，加入檸檬酸銨，每升發酵液中加入0.025克檸檬酸銨，在80℃消毒20分鐘後，降溫至35℃，接入黑麴黴孢子懸浮液進行培養基培養；
（6）取步驟（4）中占最終發酵液總體積15%的液化液投入發酵罐；
（7）將步驟（4）中剩餘的液化液採用板框過濾機過濾得過濾清液；
（8）取步驟（7）中占最終發酵總體積71%的過濾清液投入發酵罐中，同時添加豆粕粉，每升發酵液中加入100克豆粕粉，80℃消毒15分鐘後，降溫至35℃；
（9）將步驟（5）中的培養基中加入酸性蛋白酶後轉移至發酵罐中，35℃通風攪拌至發酵終了，酸性蛋白酶的添加量為每克乾基10個酶單位。
實施例3
一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法，其步驟為：
（1）將玉米粉碎製備玉米粉，粉碎後玉米粉60目的透過率為70%；
（2）將玉米粉加水調漿，並向其中加入耐高溫α-澱粉酶，每克玉米粉加入15個酶單位的耐高溫α-澱粉酶，調漿後玉米粉漿濃度為35%，pH值為5.0；
（3）將調漿後的玉米粉漿輸送至均質機處理，處理後玉米粉粒度為38-43微米；
（4）將上述處理後的玉米粉漿輸送至噴射液化裝置經過兩次連續噴射液化工藝進行液化，第一次噴射溫度為96℃，第二次噴射溫度為129℃，在液化層流罐中維持2個小時，液化DE值為60%；
（5）取步驟（4）中占最終發酵液總體積7%的液化液，投入種子罐中，加入尿素，每升發酵液中加入0.01克尿素，在90℃消毒15分鐘後，降溫至38℃，接入黑麴黴孢子懸浮液進行培養基培養；
（6）取步驟（4）中占最終發酵液總體積16%的液化液投入發酵罐；
（7）將步驟（4）中剩餘的液化液採用臥螺離心機過濾得過濾清液；
（8）取步驟（7）中占最終發酵總體積72%的過濾清液投入發酵罐中，同時添加豆粕粉，每升發酵液中加入250克豆粕粉，121℃消毒20分鐘後，降溫至38℃；
（9）將步驟（5）中的培養基中加入酸性蛋白酶後轉移至發酵罐中，38℃通風攪拌至發酵終了，酸性蛋白酶的添加量為每克乾基25個酶單位。
實施例4
一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法，其步驟為：
（1）將玉米粉碎製備玉米粉，粉碎後玉米粉60目的透過率為75%；
（2）將玉米粉加水調漿，並向其中加入耐高溫α-澱粉酶，每克玉米粉加入20個酶單位的耐高溫α-澱粉酶，調漿後玉米粉漿濃度為25%，pH值為7.8；
（3）將調漿後的玉米粉漿輸送至膠體磨處理，處理後玉米粉粒度為30-35微米；
（4）將上述處理後的玉米粉漿輸送至噴射液化裝置經過兩次連續噴射液化工藝進行液化，第一次噴射溫度為97℃，第二次噴射溫度為130℃，在液化層流罐中維持1個小時，液化DE值為10%；
（5）取步驟（4）中占最終發酵液總體積8%的液化液，投入種子罐中，加入硝酸銨，每升發酵液中加入0.02克硝酸銨，在101℃消毒25分鐘後，降溫至37℃，接入黑麴黴孢子懸浮液進行培養基培養；
（6）取步驟（4）中占最終發酵液總體積17%的液化液投入發酵罐；
（7）將步驟（4）中剩餘的液化液採用板框過濾機過濾得過濾清液；
（8）取步驟（7）中占最終發酵總體積75%的過濾清液投入發酵罐中，同時添加棉籽粉，每升發酵液中加入150克棉籽粉，100℃消毒25分鐘後，降溫至37℃；
（9）將步驟（5）中的培養基中加入酸性蛋白酶後轉移至發酵罐中，37℃通風攪拌至發酵終了，酸性蛋白酶的添加量為每克乾基5個酶單位。
實施例5
一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法，其步驟為：
（1）將玉米粉碎製備玉米粉，粉碎後玉米粉60目的透過率為55%；
（2）將玉米粉加水調漿，並向其中加入耐高溫α-澱粉酶，每克玉米粉加入25個酶單位的耐高溫α-澱粉酶，調漿後玉米粉漿濃度為15%，pH值為6.5；
（3）將調漿後的玉米粉漿輸送至膠體磨處理，處理後玉米粉粒度為46-49微米；
（4）將上述處理後的玉米粉漿輸送至噴射液化裝置經過兩次連續噴射液化工藝進行液化，第一次噴射溫度為96℃，第二次噴射溫度為125℃，在液化層流罐中維持5個小時，液化DE值為70%；
（5）取步驟（4）中占最終發酵液總體積9%的液化液，投入種子罐中，加入硫酸銨和檸檬酸銨，每升發酵液中加入0.015克硫酸銨和檸檬酸銨，在111℃消毒20分鐘後，降溫至37℃，接入黑麴黴孢子懸浮液進行培養基培養；
（6）取步驟（4）中占最終發酵液總體積18%的液化液投入發酵罐；
（7）將步驟（4）中剩餘的液化液採用臥螺離心機過濾得過濾清液；
（8）取步驟（7）中占最終發酵總體積73%的過濾清液投入發酵罐中，同時添加棉籽粉，每升發酵液中加入350克棉籽粉，110℃消毒30分鐘後，降溫至37℃；
（9）將步驟（5）中的培養基中加入酸性蛋白酶後轉移至發酵罐中，37℃通風攪拌至發酵終了，酸性蛋白酶的添加量為每克乾基20個酶單位。
在此條件下，發酵54小時，產酸18.62%，轉化率101.24%，發酵指數為3.45克/升·小時；
實施例6
一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法，其步驟為：
（1）將玉米粉碎製備玉米粉，粉碎後玉米粉60目的透過率為65%；
（2）將玉米粉加水調漿，並向其中加入耐高溫α-澱粉酶，每克玉米粉加入22個酶單位的耐高溫α-澱粉酶，調漿後玉米粉漿濃度為20%，pH值為7.03；
（3）將調漿後的玉米粉漿輸送至膠體磨處理，處理後玉米粉粒度為35-45微米；
（4）將上述處理後的玉米粉漿輸送至噴射液化裝置經過兩次連續噴射液化工藝進行液化，第一次噴射溫度為95℃，第二次噴射溫度為126℃，在液化層流罐中維持6個小時，液化DE值為85%；
（5）取步驟（4）中占最終發酵液總體積10%的液化液，投入種子罐中，加入尿素、硝酸銨，每升發酵液中加入0.025克尿素和硝酸銨，在121℃消毒30分鐘後，降溫至37℃，接入黑麴黴孢子懸浮液進行培養基培養；
（6）取步驟（4）中占最終發酵液總體積19%的液化液投入發酵罐；
（7）將步驟（4）中剩餘的液化液採用臥螺離心機過濾得過濾清液；
（8）取步驟（7）中占最終發酵總體積75%的過濾清液投入發酵罐中，同時添加豆粕粉，每升發酵液中加入300克豆粕粉，85℃消毒15分鐘後，降溫至37℃；
（9）將步驟（5）中的培養基中加入酸性蛋白酶後轉移至發酵罐中，37℃通風攪拌至發酵終了，酸性蛋白酶的添加量為每克乾基30個酶單位。
將實施例1-6的各項指標與2012年9月前技術進行對比，發現《一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法》的各項指標明顯優於2012年9月前技術，結果如表1：
/ | 發酵周期（小時） | 產酸（%） | 轉化率（%） | 發酵指數（克/升·小時） |
2012年9月前技術 | 60.7 | 15.14 | 94.61 | 3.03 |
實施例1 | 48 | 15.42 | 100.12 | 3.21 |
實施例2 | 49.5 | 16.77 | 99.68 | 3.39 |
實施例3 | 52 | 17.67 | 101.37 | 3.46 |
實施例4 | 50 | 17.54 | 102.37 | 3.51 |
實施例5 | 54 | 18.62 | 101.24 | 3.45 |
實施例6 | 55 | 20.02 | 100.01 | 3.64 |
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種高強度發酵技術生產檸檬酸的方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
