一种利用β-环糊精母液发酵制备柠檬酸的工艺

摘要

本发明提出了一种利用β-环糊精母液发酵制备柠檬酸的工艺，包括将β-环糊精母液与玉米液化液按一定比例混合后，添加适量碱液，调节pH为6.0～6.8，得到的种子培养基添，灭菌后接种黑曲霉孢子悬浮液，通风供氧，控制温度，培养得到黑曲霉发酵菌种；向β-环糊精结晶母液中添加适量玉米液化清液，使总糖含量提高至15％～17％，添加适量碱液，调节pH为6.0～6.8，添加适量无机含氮物质，调节碳氮比，得到的发酵培养基，灭菌后接入前述得到的黑曲霉发酵菌种，通风供氧，控制温度34℃～37℃，进行发酵，得到柠檬酸发酵液。本发明实现了β-环糊精母液的高效利用，还为柠檬酸发酵生产提供了极佳的原料来源。

权利要求

1.一种利用β-环糊精母液发酵制备柠檬酸的工艺，包括以下步骤：S1)发酵菌种培养：

S10)β-环糊精结晶母液制备：以木薯、玉米、马铃薯或其他原料淀粉为底物，应用相应的酶将淀粉水解为环状，进一步添加葡萄糖淀粉酶，使残余淀粉水解，然后采用活性炭和离子交换树脂处理水解液，将水解液浓缩降温，使β-环糊精结晶分离，与此同时产生结晶母液；

向上述步骤得到的β-环糊精结晶母液加入玉米液化液和碱液，调节其总糖含量为

12％～14％，pH为4.0～5.0；

S11)种子培养基的制备：将β-环糊精母液与玉米液化液按体积比1∶2～3混合后，调节总糖含量17～20％，添加适量碱液，调节pH为6.0～6.8，添加适量无机含氮物质，调节碳氮比为25～28∶1；

S12)黑曲霉种子培养：将S11)中得到的种子培养基添加到柠檬酸种子培养罐，灭菌后接种黑曲霉孢子悬浮液，通风供氧，控制温度34℃～37℃，培养周期20～30h，得到黑曲霉发酵菌种；

S2)发酵培养：

S21)发酵培养基的制备：向β-环糊精结晶母液中添加适量玉米液化清液，使总糖含量提高至15％～17％，添加适量碱液，调节pH为6.0～6.8，添加适量无机含氮物质，调节碳氮比为19～24∶1；

S22)发酵培养：将S21)中得到的发酵培养基加入发酵罐，灭菌后接入S12)中得到的黑曲霉发酵菌种，通风供氧，控制温度34℃～37℃，进行发酵，期间添加适量无机含氮物质，维持黑曲霉正常生长产酸，发酵周期60～70h，得到柠檬酸发酵液。

2.根据权利要求1所述的利用β-环糊精母液发酵制备柠檬酸的工艺，其特征在于：所使用的玉米液化液总糖含量为18～22％，玉米液化清液的总糖含量为16％～20％。

3.根据权利要求1所述的利用β-环糊精母液发酵制备柠檬酸的工艺，其特征在于，S2)发酵培养之后：S3)灭菌：采用高压脉冲电场连续冷杀菌技术，其电场强度为40～100kv/cm。

说明书

一种利用β-环糊精母液发酵制备柠檬酸的工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及生物发酵领域，具体指一种利用β-环糊精母液发酵制备柠檬酸的工艺。

背景技术

[0002] 现在β-环糊精一般以淀粉为底物采用酶法生产。其生产过程中，淀粉水解液经浓缩、降温后，β-环糊精结晶析出。随之产生的结晶母液，其中仍含有较高含量的淀粉水解物，包括α-环糊精、γ-环糊精以及其他糖类物质等。若直接作为废液排放，不仅会使资源浪费，还会增加污水处理负担。因此，应该对其合理利用。现阶段其利用途径主要为用于提取制备α-环糊精、γ-环糊精。若将其用于制备发酵培养基，通过微生物使其中的糖类物质得到充分利用，可以进一步提高其利用价值。

[0003] 柠檬酸生产普遍以玉米为原料，消耗大量的粮食资源，在国家限制粮食深加工政策的要求下，其生产规模受到一定程度的限制。因此，寻找非粮食、成本低的原料来源对柠檬酸生产的可持续发展而言，具有重要意义。此外，在柠檬酸发酵生产过程中，发酵液在发酵终点必须进行快速杀菌，以避免黑曲霉在发酵结束后继续利用柠檬酸作为碳源，降低发酵液中柠檬酸含量。现在普遍采用的热杀菌技术，虽然杀菌效率较高，效果较佳，但是能耗高，杀菌后发酵液温度高，造成不必要的能源浪费。

发明内容

[0004] 本发明提出一种利用β-环糊精母液发酵制备柠檬酸的工艺，实现了β-环糊精母液的高效利用，还为柠檬酸发酵生产提供了极佳的原料来源。

[0005] 本发明的技术方案是这样实现的：

[0006] 一种利用β-环糊精母液发酵制备柠檬酸的工艺，包括以下步骤：

[0007] S1)发酵菌种培养：

[0008] S10)β-环糊精结晶母液制备：以木薯、玉米、马铃薯或其他原料淀粉为底物，应用相应的酶将淀粉水解为环状，进一步添加葡萄糖淀粉酶，使残余淀粉水解，然后采用活性炭和离子交换树脂处理水解液，将水解液浓缩降温，使β-环糊精结晶分离，与此同时产生结晶母液；

[0009] 向上述步骤得到的β-环糊精结晶母液加入玉米液化液和碱液，调节其总糖含量为12％～14％，pH为4.0～5.0；

[0010] S11)种子培养基的制备：将β-环糊精母液与玉米液化液按体积比1∶2～3混合后，调节总糖含量17～20％，添加适量碱液，调节pH为6.0～6.8，添加适量无机含氮物质，调节碳氮比为25～28∶1；

[0011] S12)黑曲霉种子培养：将S11)中得到的种子培养基添加到柠檬酸种子培养罐，灭菌后接种黑曲霉孢子悬浮液，通风供氧，控制温度34℃～37℃，培养周期20～30h，得到黑曲霉发酵菌种；

[0012] S2)发酵培养：

[0013] S21)发酵培养基的制备：向β-环糊精结晶母液中添加适量玉米液化清液，使总糖含量提高至15％～17％，添加适量碱液，调节pH为6.0～6.8，添加适量无机含氮物质，调节碳氮比为19～24∶1；

[0014] S22)发酵培养：将S21)中得到的发酵培养基加入发酵罐，灭菌后接入S12)中得到的黑曲霉发酵菌种，通风供氧，控制温度34℃～37℃，进行发酵，期间添加适量无机含氮物质，维持黑曲霉正常生长产酸，发酵周期60～70h，得到柠檬酸发酵液。

[0015] 上述工艺，步骤S22)中发酵60～70h后，糖酸转化率在85％以上。

[0016] 上述工艺中，所使用的β-环糊精结晶母液，其总糖含量为12％～14％，pH在4.0～5.0之间。

[0017] 该β-环糊精结晶母液制备如下：

[0018] 以木薯、玉米、马铃薯或其他原料淀粉为底物，应用相应的酶将淀粉水解为环状，进一步添加葡萄糖淀粉酶，使残余淀粉水解，然后采用活性炭和离子交换树脂处理水解液，将水解液浓缩降温，使β-环糊精结晶分离，与此同时产生结晶母液。

[0019] 若将该β-环糊精结晶母液直接用作柠檬酸发酵培养基，因其总糖含量较低，不利于柠檬酸发酵菌种黑曲霉快速生长繁殖，发酵速度慢，产酸低，提取难度大。而且，β-环糊精结晶母液pH较低，不利于发酵初期黑曲霉生长。因此，优选对β-环糊精结晶母液进行一定的预处理才能用于柠檬酸发酵。

[0020] 本工艺中对β-环糊精结晶母液进行的预处理为加入玉米液化液和碱液，调节其总糖含量，以及pH，以适合黑曲霉快速生长繁殖。

[0021] 本发明的工艺中，所述玉米液化液经过玉米粉碎、过筛、调浆、液化等工序制备；所使用的玉米液化液总糖含量为18～22％，玉米液化清液的总糖含量为16％～20％。

[0022] 上述工艺中，进行步骤S22)发酵后，为S3)灭菌步骤。本工艺可以采用常规热杀菌技术进行杀菌，但是优选采用高压脉冲电场连续冷杀菌技术，其电场强度为40～100kv/cm。控制发酵液流量和杀菌时间，使得黑曲霉失活率达到99％以上。

[0023] 灭菌后，发酵液温度不高于60℃，进入过滤工序，得到澄清的柠檬酸发酵液，进入提取工序。

[0024] 经提取精制得到的柠檬酸产品，其质量符合GB1987-2007，BP2013，USP35，FCC8，E330等柠檬酸国内外标准要求。

[0025] 利用本发明提供的工艺方法，将β-环糊精母液用于柠檬酸发酵生产，不仅实现了β-环糊精母液的高效利用，还为柠檬酸发酵生产提供了极佳的原料来源。而且，采用高压脉冲电场杀菌技术代替热杀菌技术处理柠檬酸发酵液，具有速度快、能耗低等显著优点。

附图说明

[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0027] 图1为本发明工艺流程示意图。

具体实施方式

[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 实施例一：

[0030] 将玉米粉碎、过筛、调浆、进行两次连续蒸汽喷射液化，得到玉米液化液，总糖含量20％，将其进行板框过滤，得到液化清液，总糖含量18％。

[0031] 将总糖含量13％的β-环糊精母液与玉米液化液按1∶2的比例混合后，总糖含量为17.7％，测定碳氮比，添加少量硫酸铵，测定其pH，计算添加氢氧化钠溶液的量，调节pH至6.0，作为种子培养基，添加到柠檬酸种子培养罐，进行高温灭菌后，接种黑曲霉孢子悬浮液，搅拌通风，控制温度36℃，培养20h，得到黑曲霉发酵菌种。

[0032] 将总糖含量13％的β-环糊精结晶母液和玉米液化清液按5∶4体积比混合，使β-环糊精结晶母液总糖含量提高至15％，测定其pH，计算氢氧化钠添加量，调节pH至6.1，作为发酵培养基加入发酵罐，进行高温灭菌后接入黑曲霉菌种，搅拌通风，控制温度
35℃，根据黑曲霉生长状况，可以在发酵初期10h内添加适量硫酸铵，调节碳氮比，至60h产酸不再增加时，发酵结束。

[0033] 发酵结束后，使用高压脉冲电场连续冷杀菌技术，处理柠檬酸发酵液，采用矩形波电场，电场强度40kv/cm，调节发酵液流量，控制发酵液实际累积杀菌时间，使黑曲霉失活率达到99％以上。

[0034] 将发酵液进行板框过滤，得到澄清的柠檬酸发酵液。采用钙盐法进行提取。

[0035] 实施例二：

[0036] 将玉米粉碎、过筛、调浆、进行喷射液化，得到玉米液化液，总糖含量19％将其进行板框过滤，得到液化清液，总糖含量17％。

[0037] 将总糖含量14％的β-环糊精母液与玉米液化液按1∶3的体积比例混合后，总糖含量17.8％，测定碳氮比，添加少量硝酸铵，测定其pH，计算添加氢氧化钾溶液的量，调节pH为6.5，作为种子培养基，添加到柠檬酸种子培养罐，进行高温灭菌后，接种黑曲霉孢子悬浮液，搅拌通风，控制温度34℃，培养25h，得到黑曲霉发酵菌种。

[0038] 将总糖含量14％的β-环糊精结晶母液和玉米液化清液按体积比3∶2混合，使β-环糊精结晶母液总糖含量提高至16％，测定其pH，计算氢氧化钾添加量，调节pH为6.4。作为发酵培养基加入发酵罐，进行高温灭菌后接入黑曲霉菌种，搅拌通风，控制温度
37℃，根据黑曲霉生长状况，在发酵初期10h内添加适量硝酸铵，调节碳氮比，发酵70h。

[0039] 发酵结束后，使用高压脉冲电场连续冷杀菌技术，处理柠檬酸发酵液，采用矩形波电场，电场强度70kv/cm，调节发酵液流量，控制发酵液实际累积杀菌时间，使黑曲霉失活率达到99％以上。

[0040] 将发酵液进行板框过滤，得到澄清的柠檬酸发酵液。经预处理后，采用色谱分离工艺提取柠檬酸。

[0041] 实施例三：

[0042] 将玉米粉碎、过筛、调浆、进行两次连续蒸汽喷射液化，得到玉米液化液，总糖含量22％，将其进行板框过滤，得到液化清液，总糖含量20％。

[0043] 将总糖含量为14％的β-环糊精母液与玉米液化液按1∶2的比例混合后，总糖含量19.3％，测定碳氮比，添加少量硝酸铵，测定其pH，计算添加氢氧化钾溶液的量，调节pH为6.8。作为种子培养基，添加到柠檬酸种子培养罐，进行高温灭菌后，接种黑曲霉孢子悬浮液，搅拌通风，控制温度37℃，培养30h，得到黑曲霉发酵菌种。

[0044] 将总糖含量为14％的β-环糊精结晶母液和玉米液化清液按1∶1的体积比混合，使β-环糊精结晶母液总糖含量提高至17％，测定其pH，计算氢氧化钾添加量，调节pH为6.7。作为发酵培养基加入发酵罐，进行高温灭菌后接入黑曲霉菌种，搅拌通风，控制温度34℃，根据黑曲霉生长状况，在发酵初期10h内添加适量硝酸铵，调节碳氮比，发酵65h。

[0045] 发酵结束后，使用高压脉冲电场连续冷杀菌技术，处理柠檬酸发酵液，采用矩形波电场，电场强度100kv/cm，调节发酵液流量，控制发酵液实际累积杀菌时间，使黑曲霉失活率达到99％以上。

[0046] 将发酵液进行板框过滤，得到澄清的柠檬酸发酵液。经预处理后，采用色谱分离工艺提取柠檬酸。

[0047] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。