ｐＨ值对柠檬酸深层发酵的影响与调节控制探讨

陈西伟

摘要 结合柠檬酸深层发酵的生产实际，就柠檬酸深层发酵过程中pH值对微生物生长和代谢的影响做了深入的探讨，并对柠檬酸深层发酵过程中pH值变化的原因进行了全面分析，以便在生产中采取相应的检测和控制措施，使生产菌在发酵过程中处于最适宜的pH值环境下进行，提高柠檬酸发酵生产率。

关键词 柠檬酸；深层发酵；pH值；控制

中图分类号 TQ920.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2009）05-0011-02

柠檬酸深层发酵过程中pH值高低直接影响着生产菌（黑曲霉）的代谢活动以及柠檬酸的合成，同时在发酵过程中各种酶促反应也需要在适宜的pH值下进行，因此发酵液的pH值变化是发酵过程中一个重要的控制指标。探讨pH值对微生物生长和代谢的影响以及引起发酵过程pH值变化的原因，并采取相应的控制措施，对提高柠檬酸深层发酵产酸率具有重要的指导意义。

1 pH值对菌体生长和代谢产物合成的影响

微生物生长的pH值范围很广，大多数pH值在5～9之间，其活动的pH值范围也存在最高、最适、最低三基点。pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响有以下几个方面：一是影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；二是影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄；三是影响培养基中某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用；四是pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。另外，pH值还会影响某些霉菌的形态。

根据不同微生物生长的最适pH值不同，可将微生物分为嗜酸性、嗜碱性、嗜中性微生物；同种微生物的生长最适pH值和产物积累pH值往往不一致，即使在产物积累阶段，由于pH值不同，也可能会得到不同的发酵产物。

2 柠檬酸深层发酵过程pH值的适宜范围

确定微生物发酵的最适pH值范围，目的是促使发酵产物的产量最大。最适pH值是根据试验结果并经生产实践检验确定的。

柠檬酸发酵用的生产菌主要是黑曲霉，为嗜酸性的微生物。黑曲霉的生长以及在发酵过程中的不同阶段都需要不同的酸度条件。理论研究和生产实践证明，黑曲霉可以在很宽的pH值范围（pH值1.5～11.0）内发育，但在pH值3～7之间比较适宜。黑曲霉发育的适宜pH值与培养基中的氮源有关，在糖合成培养基中，黑曲霉的分生孢子在pH值6.2～7.2之间发芽良好，如果起始pH值＜4.5时就会抑制分生孢子的发育，在pH值＜2.5时分生孢子甚至不能发育，但如果pH值＞7.5时，分生孢子会剧烈膨胀甚至破裂。

对于不同原料的发酵培养基，适宜发酵的初始pH值有较大的区别。试验证明利用黑曲霉在合成培养基（去离子糖140g/L，NH⁴NO³ 2.5g/L，MgSO⁴ 0.25g/L）中发酵，培养基需要用HCl调节到pH值2.5产酸效果最好。在发酵生产实践中利用糖蜜原料进行发酵的初始pH值要求在6.8左右。薯干粉培养基由于在发酵前期要利用黑曲霉丰富的酶系使培养基中的淀粉进一步转化成可利用的葡萄糖，需要把初始pH值控制在糖化酶适宜范围之内（糖化酶最适宜的pH值在4.0～4.6之间），一般要求其pH值在4.5左右。目前柠檬酸生产多采用玉米糖液（玉米糖化后的过滤液）发酵，其初始pH值可在糖化过程中利用硫酸或者柠檬酸母液调节到4.8～5.2，这样对糖液的过滤和发酵都很有利。

对于发酵进入产酸期的最适宜pH值，试验研究和生产实践相一致。进入产酸气的pH值在3.0以上容易代谢产生副产物草酸，由于葡萄糖氧化酶最适宜pH值为5.6，在该pH值附近容易形成葡萄糖酸。黑曲霉合成积累柠檬酸是在pH值3.0以下进行的，因此当菌体生长完成后进入产酸期要求pH值降到3.0左右是发酵成败的关键因素，生产中最少要降到3.5才能实现高的产酸率。

发酵液中氮源和磷源种类或数量对发酵最适pH值有很大影响。例如，以NaNO³、（NH⁴）2CO³、尿素为氮源时，即使发酵液在pH值2.6仍然产生很多草酸，最高达11.8g/L。这是因为在NO³ 被利用，碳酸铵和尿素被分解放出氮时，会使细胞内微环境变碱。在磷酸盐含量少时，蔗糖发酵起始pH值5与pH值2比较，草酸比柠檬酸多；而碳酸盐含量高时，不论pH值在什么水平，所产生的柠檬酸极少而草酸很多。

总之，发酵微生物生长的最适宜pH值范围取决于微生物的生态学特性、培养基的成分构成。发酵过程中的不同阶段也需要控制相应的最适宜pH值范围。

3 发酵过程pH值的变化

发酵过程中pH值的变化是微生物代谢反应的综合结果，与培养基的组成、微生物的代谢途径有着密切的关系。培养基中碱性物质的消耗和酸性物质的生成自然会引起发酵液pH值的下降，而酸性物质的消耗和碱性物质的生成又可引起pH值的上升。同时其他发酵条件的改变、菌体的自溶以及杂菌污染也将引起发酵液pH值的变化。因此，pH值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。

在柠檬酸深层发酵过程中，随着生产菌种（黑曲霉）对培养基中碳、氮源的利用，以及柠檬酸和其他代谢产物的积累，在正常发酵过程中不同的发酵阶段pH值的变化具有一定的规律。一是发酵前期（生长阶段）：菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质，生成铵离子，使pH值呈上升的趋势；但随着菌体量增多，铵离子的消耗也增多，但由于糖被微生物利用合成有机酸使pH值下降而进入产酸期。二是主发酵（产酸阶段）：其变化与发酵控制的条件（通风量）和消泡剂的添加量有关。但由于柠檬酸积累量是影响pH值的主要因素，正常发酵中这个阶段pH值趋于稳定。三是发酵后期（自溶阶段）：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，致使pH值又呈上升趋势，此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。但大量柠檬酸产物的积累总的pH值没有明显的变化。

正常发酵过程中，长菌期以后pH值的下降都能达到柠檬酸积累所希望的水平，但pH值的下降速度是值得重视的问题，不能降得太快，否则会导致菌体生长不足和菌体早衰。尤其是在薯干粉直接发酵的情况下，还对糖化酶活力有很大的影响，使糖化不彻底导致发酵残糖过高，产酸率下降。

引起发酵液pH值下降的因素：①培养基中碳、氮比例不当。碳源过多，特别是葡萄糖过量，或者中间补糖过多加上溶氧不足，致使有机酸大量积累而pH值下降；②消泡剂加得过多；③生理酸性物质存在，铵被利用，pH值下降。

引起发酵液pH值上升的因素：①培养基中碳、氮比例不当，氮源过多，氨基氮释放，使pH值上升；②生理碱性物质存在；③添加中和剂；④菌种退化和发酵过程中存在污染杂菌。

4 发酵过程中pH值的检测

发酵过程中pH值的检测十分重要，只有通过检测pH值才能及时发现发酵pH值的变化规律，判断发酵是否处在相应的最适宜pH值范围之内，并及时做出相应的调节和控制。实际生产中，通常采用pH试纸和pH电极对pH值进行测量。笔者所接触的多家柠檬酸生产企业均采用取样测量发酵pH值，正常发酵每班间断取1～2次，由于间断取样不能及时反映发酵过程的pH值，不利于发酵控制，而且多次取样会造成发酵液的浪费和环境的污染。目前已试制成功适合于发酵过程适时监测pH值的电极，能连续测定并记录pH值的变化，将信号放大输出并显示或者记录下来，实现在线检测。

5 发酵过程中pH值的调节及控制

（1）微生物生长增殖发育的pH值调节与控制。首先考虑和试验发酵培养基的基础配方，使它们适当配比，使发酵过程中的pH值在合适范围内变化。采用淀粉或薯干粉等原料的柠檬酸发酵过程，淀粉的糖化和柠檬酸的合成与积累是处在同一个环境中，都是由柠檬酸产生菌黑曲霉完成的。发酵的技术关键是兼顾糖化和产酸，保证糖化速度和产酸速度之间的衔接与平衡。黑曲霉柠檬酸生产菌的酸化糖化酶的最适pH值为4.0～4.6，随着pH值的下降，尤其当pH值降到2.2时，液化酶和糖化酶会大量被破坏，而柠檬酸发酵的最佳pH值是2.0以下。要解决两者矛盾，可采用下列方法：一是采用酸化平板驯化，分离在高柠檬酸浓度下糖化酶活力高的菌株；二是通过调节风量来控制，通常在16～18h前控制风量，使pH值维持在有利于菌种生长和糖化作用的范围。

在薯干粉的柠檬酸发酵中，初始不调节pH值，为自然pH值，约为5.5。当接入菌种后，菌种生长繁殖消耗氮源和铵离子，使培养基的pH值下降，前期（12h）pH值下降较快，活力强的菌种培养12h，pH值可以降至2.3～2.5，这时会有少量的柠檬酸产生，但是由于发酵液固形物较多，原料成分繁杂，其中金属离子含量较多，缓冲作用大，再加上柠檬酸是3个羧基的有机酸，氢离子释放是逐步的，所以有时培养48h，才能使pH值降至2.0以下。这样就有充分的时间让酸性糖化酶作用，使原料中的淀粉糖化较彻底，进而转化为大量的柠檬酸。当柠檬酸产量和残糖含量之和等于或接近起始还原糖时，才能提高通风量，迅速进入产酸期，使pH值迅速降至2.0以下，保证柠檬酸发酵的正常进行。

糖蜜原料本身有酸性的，也有碱性的，在黄血盐或其他方法处理前要根据不同的情况加以调节。为了得到较高和稳定的发酵产酸率，调酸度时还要考虑加热时间的影响。对于酸性原料，pH值应调得比碱性原料高些，因为它具有延时缓冲性，它配制的培养基在灭菌后会酸化，称为返酸，而碱性原料的性质正好相反。pH值调节一般用H2SO⁴或Na2CO³，参与调节范围为pH值6.0～7.2。

（2）发酵进入产酸期pH值的调节与控制。为了确保发酵的顺利进行，必须使其各个阶段经常处于最适pH值范围之内，这就需要在发酵过程中不断地调节和控制pH值的变化。正常发酵过程中，长菌期以后pH值的下降都能达到柠檬酸积累所希望的水平。如果达不到要求，还可在发酵过程中补加酸或碱。过去是直接加入酸（如H2SO⁴）或碱（如NaOH）来控制，现在常用的是以生理酸性物质（NH⁴）2SO⁴和生理碱性物质氨水来控制，它们不仅可以调节pH值，还可以补充氮源。

经试验证明，黑曲霉偏好于无机氮，当有机氮和无机氮同时存在时，它首先利用无机氮。在无机氮中，生理酸性氮比碱性氮好，这是因为生理酸性氮中铵离子被利用后，使培养基变酸，可以使发酵中的黑曲霉生长阶段结束，转入产酸阶段，pH值下降到较低水平有利于柠檬酸的积累。因此，铵盐既可以调节代谢，也可以控制pH值。简单的有机氮比复杂的好，如尿素比氨基酸好，氨基酸比蛋白胨好。在蔗糖合成培养基上，NH⁴NO³是最好的氮源。黑曲霉以同样的速度消耗2种氮，所以培养基酸度不变。但糖蜜发酵培养基中还需添加少量NH⁴Cl。若原料中有机氮含量过于丰富，菌生长代谢加快，对缩短发酵周期有利，但是不利于柠檬酸积累，产酸率不高。这就是不能直接利用含蛋白质丰富的粗玉米粉的原因。

另据报道，在柠檬酸发酵中途添加铵盐，尤其是当发酵中柠檬酸生成速度开始下降时，添加铵离子最为有利，且对菌体无影响，这种效应可能与铵离子对柠檬酸积累调节作用有关。近年来，我国采用高浓度薯干粉发酵，为缩短发酵周期，提高柠檬酸产酸速率，有时也添加0.01%～0.05%的（NH⁴）2SO⁴。

（3）发酵过程通风量对pH值的调节作用。在薯干粉发酵中，黑曲霉还担负着糖化的任务，糖化的适宜pH值在4.0左右，虽然工业上并不严格控制在4.0水平，但在糖化基本完成之前，必须控制低风量使pH值缓慢降到2.5，这个过程需16～18h。当产酸量加上还原糖量接近起始可发酵总量（其差比大于10g/h·L）时，则可以认为糖化已经完成，这时可适当加大风量使发酵进入产酸期。在产酸期内控制风量使产酸速率维持在2～3g/h·L，不得过快，以进一步利用糖化作用和防止菌体过早衰老。

（4）中和剂对发酵pH值调节的应用。为了防止pH值下降过快造成不利影响，也可以在发酵的第18～40h加入少许CaCO³（5～10g/L）以中和酸度，但不得使pH值超过3.0，否则会多产草酸。当用NH⁴+盐作为氮源时，可在培养基中加入CaCO³，用于中和NH⁴+被吸收后剩余的酸，但在操作中应注意控制染菌危险。

（5）发酵过程pH值的自动控制。柠檬酸深层发酵过程中，生产菌黑曲霉比生长速率和产物柠檬酸合成比生产速率分别有各自的最适宜pH值范围。因此，应分阶段控制生长最适pH值和产物最适pH值。可把检测的pH值结果输送到pH值控制器以指令加糖、加酸或加碱，实现自动控制，使发酵液的ｐＨ值控制在预定的数值。

6 参考文献

[1] 金其荣，张继民，徐勤.有机酸发酵工艺学[M].北京：中国轻工业出版社，1989.

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[3] 王博彦，金其荣.发酵有机酸生产与应用手册[M].北京：中国轻工业出版社，2000.