檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的市場分析與生產(chǎn)現(xiàn)狀

  檸檬酸，亦稱枸櫞酸，是一種重要的三羧基有機(jī)酸產(chǎn)品，目前市售產(chǎn)品主要是無水檸檬酸和一水檸檬酸，主要用于食品和飲料行業(yè)的酸味劑、調(diào)味劑、防腐劑以及保鮮劑，有“第一食用酸味劑”之稱[1]；另外其在化工行業(yè)、化妝品行業(yè)及洗滌行業(yè)中亦可用作抗氧化劑、增塑劑和洗滌劑[2]等，是目前世界上需求量最大的一種有機(jī)酸[3]。

  檸檬酸可以從柑橘類水果中分離出來。最初檸檬酸是從檸檬果實(shí)中提取的，但該過程不具有成本效益，同樣利用甘油化學(xué)合成檸檬酸在經(jīng)濟(jì)上也是不可行的。在檸檬酸生產(chǎn)中，微生物發(fā)酵方法是最具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和產(chǎn)量優(yōu)勢的方法。因此商業(yè)上絕大多數(shù)的檸檬酸均是通過微生物發(fā)酵法合成的[4]。

  微生物發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸具有眾多優(yōu)點(diǎn)，可在低溫、低pH和高糖條件下發(fā)酵培養(yǎng)。目前，用于工業(yè)化生產(chǎn)的微生物類型僅為曲霉類與酵母類，其中黑曲霉液體深層發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸是該行業(yè)的主流技術(shù)。黑曲霉合成檸檬酸的過程位于線粒體中。葡萄糖經(jīng)糖酵解過程產(chǎn)生丙酮酸，丙酮酸穿過線粒體膜被丙酮酸脫氫酶復(fù)合物脫羧產(chǎn)生乙酰輔酶A，檸檬酸合酶催化草酰乙酸和乙酰輔酶A形成檸檬酸[5]。值得注意的是，并非所有黑曲霉菌株都能夠生產(chǎn)檸檬酸。產(chǎn)檸檬酸的黑曲霉菌株已被證明是轉(zhuǎn)基因的，因此它們的檸檬酸代謝通路不通暢。

  檸檬酸的生產(chǎn)對(duì)原料具有極高的依賴性，原材料價(jià)格的波動(dòng)對(duì)檸檬酸價(jià)格具有重大影響，并且檸檬酸作為國際大宗商品，因此檸檬酸價(jià)格容易受到國際形式影響。近年來受新冠肺炎疫情的影響，檸檬酸價(jià)格波動(dòng)頻繁，但隨著新冠肺炎疫情結(jié)束，檸檬酸成本和價(jià)格趨于穩(wěn)定。我國檸檬酸出口量大，檸檬酸價(jià)格的穩(wěn)定對(duì)我國檸檬酸生產(chǎn)非常有利。

  1國內(nèi)外檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)量現(xiàn)狀

  2021年全球檸檬酸的產(chǎn)量從2017年的204.6萬t上升至219萬t。2016—2019年間，我國檸檬酸行業(yè)產(chǎn)能呈上升趨勢，之后受疫情影響我國檸檬酸產(chǎn)量明顯下滑，2022年總產(chǎn)量約136萬t，同比減少3萬t，降幅約為2.2%[6]。

  2014年，全球檸檬酸約有13家生產(chǎn)企業(yè)，國外企業(yè)包括德國哈爾曼·賴默公司（Tate&Lyle）、美國阿徹·丹尼米斯·米德蘭公司（ArcherDanielsMidl）、卡吉爾公司（Cargill）、瑞士君布萊爾公司（Jungbunzlauer）和羅氏公司（HoffmannLaRoche）等公司，其總產(chǎn)量約占世界檸檬酸總產(chǎn)量的30％[7]。我國檸檬酸產(chǎn)業(yè)非常集中，只有7家企業(yè)，即濰坊英軒、魯信金禾、檸檬生化、中糧榆樹、宜興協(xié)聯(lián)、萊蕪泰禾和沂水七星，年檸檬酸產(chǎn)能達(dá)到200萬t。檸檬酸行業(yè)布局已基本穩(wěn)定，主要集中在山東地區(qū)，市場劃分和客戶群體也都基本穩(wěn)定，行業(yè)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)銷基本平衡，其中濰坊英軒排名第一[8]。表1匯總了2014年國內(nèi)外檸檬酸生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)量現(xiàn)狀。

  根據(jù)中國淀粉工業(yè)協(xié)會(huì)2018年統(tǒng)計(jì)，一水檸檬酸主流出廠價(jià)格在每噸4900~5100元，無水檸檬酸出廠價(jià)格為每噸5400~5500元。我國作為檸檬酸生產(chǎn)大國，檸檬酸主要用于出口，還用于食品、醫(yī)藥、化工、化妝品等行業(yè)，例如日照金禾博源生化有限公司是國內(nèi)外多家著名食品飲料品牌企業(yè)的供貨商，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷100多個(gè)國家和地區(qū)[9]。

  近年來，檸檬酸的需求不斷增加，從2015年到2017年，中國的檸檬酸出口額增加了約10%。在這方面，圖1（A）展示了檸檬酸出口相關(guān)的全部貿(mào)易價(jià)值，其中中國占據(jù)檸檬酸出口份額的75%，其次是荷蘭、美國和德國（各自占據(jù)約3%）。另一方面，圖1（B）展示出世界各國對(duì)檸檬酸進(jìn)口需求，美國（12%）、德國（8%）、墨西哥（5%）和印度（5%）是世界上的主要進(jìn)口國。

  2工業(yè)檸檬酸發(fā)酵原料比較

  檸檬酸發(fā)酵培養(yǎng)基的主要成分是淀粉質(zhì)或含葡萄糖、蔗糖的原料，如薯干、木薯粉、玉米粉、陳化稻米粉、淀粉和蔗糖等。我國薯類資源豐富，其中木薯和甘薯是薯類中生產(chǎn)檸檬酸常用的兩種，因其蛋白質(zhì)含量的差異兩者的工藝差別也很大[11]。木薯和甘薯相較玉米發(fā)酵，具有成本低、發(fā)酵穩(wěn)定、工藝簡單、不占用糧食資源原料等優(yōu)點(diǎn)。其中木薯淀粉含量高，且液化后得到的濾渣可用于制備高品質(zhì)的蛋白飼料，是取代玉米等原料生產(chǎn)檸檬酸的理想替代物[12]。隨著全球檸檬酸消費(fèi)規(guī)模的不斷增加，發(fā)酵原料的成本控制已經(jīng)成為檸檬酸生產(chǎn)的制勝關(guān)鍵。在我國的檸檬酸發(fā)酵工業(yè)中，曾經(jīng)利用過稻米粉、薯干粉和玉米粉作為黑曲霉發(fā)酵檸檬酸的原料。國外主要采用小麥淀粉作為檸檬酸發(fā)酵的原料。各種檸檬酸發(fā)酵原料的化學(xué)成分見表2。

  我國自1986年起，使用薯干為原料直接發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸，只因甘薯作物曾在國內(nèi)大面積種植，原料來源豐富，薯干粉碎打漿后直接投料，顆粒粒度不均勻，滅菌相對(duì)粗放，不添加任何氮源和無機(jī)鹽，產(chǎn)酸在12%～13%之間，轉(zhuǎn)化率為95%[13]。但利用薯干發(fā)酵時(shí)發(fā)酵液黏度較大，設(shè)備利用率較低，且雜質(zhì)含量高，再加上近年來由于薯干大幅度漲價(jià)，且摻假問題嚴(yán)重，使得一些檸檬酸生產(chǎn)企業(yè)難以承受。隨著薯類淀粉加工工藝的發(fā)展，原料已經(jīng)由單一的薯干粉向相對(duì)精細(xì)的薯類淀粉轉(zhuǎn)變[14]。

  玉米粉作為原料的發(fā)酵工藝從1995年開始被一些原料產(chǎn)地廠家所使用。傳統(tǒng)玉米粉通常使用玉米粒以“干磨法”生產(chǎn)。從玉米粒到檸檬酸的生產(chǎn)過程包括從玉米粒中去除雜質(zhì)、谷物粉碎、玉米粉漿液和液化、固液分離、發(fā)酵和精制。玉米粒含有沙子、金屬和纖維等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在生產(chǎn)過程中經(jīng)常造成設(shè)備損壞、管道堵塞等問題，因此必須清除“異物”。隨著粉碎技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)玉米粉原料的粒度均一性基本可以得到保證，粉碎步驟破壞谷物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，釋放出一些淀粉。同時(shí)，隨著粒徑的減小，一些淀粉會(huì)受到物理損害。淀粉表面積的增加和損傷使淀粉更容易與水相互作用，所有這些都有利于熱處理步驟中的溶脹、糊化和液化[15]。但利用玉米粉生產(chǎn)檸檬酸的產(chǎn)酸水平比較低，大約在11%左右，轉(zhuǎn)化率比薯干原料低3%～5%，此外工藝流程增加了液化后過濾環(huán)節(jié)，增加了能耗和設(shè)備成本，濾渣廢物處理起來也比較困難；玉米粉中的蛋白類物質(zhì)也沒有得到有效利用，反而增加下游處理成本[16]。近年來，玉米淀粉價(jià)格降低，利用玉米淀粉進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸可以有效減少發(fā)酵過程中的輔助環(huán)節(jié)，因此也被認(rèn)為是檸檬酸發(fā)酵的主要原料之一。

  近些年來，采用木薯淀粉生產(chǎn)檸檬酸，既避免了薯干原料的質(zhì)量問題，省去用玉米粉生產(chǎn)檸檬酸時(shí)將玉米粉糖化、過濾等環(huán)節(jié)，同時(shí)縮短了輔助時(shí)間，節(jié)約了能源，其發(fā)酵產(chǎn)酸可達(dá)14%以上，轉(zhuǎn)化率也比薯干原料要高，因此在木薯資源豐富的地區(qū)被廣泛采用[17]。

  3檸檬酸發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)流程

  以黑曲霉液體發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸技術(shù)為例，淀粉為原料，麩曲活化制成孢子懸浮液，淀粉經(jīng)液化、糖化得到糖化液，整個(gè)處理過程大約需24h，然后加入一定濃度的氮源和無機(jī)鹽制成基礎(chǔ)培養(yǎng)基，氮源一般為玉米漿和酵母浸膏等。基礎(chǔ)培養(yǎng)基高溫滅菌并冷卻后接入孢子懸浮液，黑曲霉孢子經(jīng)過種子罐擴(kuò)培之后接種至主發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵。批次發(fā)酵周期大約60～80h，發(fā)酵結(jié)束后，通過對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行菌液分離、沉淀、精制過程獲得檸檬酸產(chǎn)品，常規(guī)批次發(fā)酵的流程如圖2所示。

  黑曲霉發(fā)酵檸檬酸屬于批次發(fā)酵，批次發(fā)酵的低生產(chǎn)強(qiáng)度在一定程度上限制了成本壓縮空間，但從高裝液量和高轉(zhuǎn)化率的角度提高生產(chǎn)強(qiáng)度已經(jīng)沒有進(jìn)一步的提升空間，而更高強(qiáng)度的補(bǔ)料分批發(fā)酵技術(shù)逐漸應(yīng)用于國內(nèi)外檸檬酸發(fā)酵行業(yè)。黑曲霉發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸的過程中，補(bǔ)料起點(diǎn)常為發(fā)酵開始24～48h，菌種度過適應(yīng)期，并已經(jīng)入活潑的對(duì)數(shù)期，同時(shí)通過發(fā)酵罐內(nèi)殘?zhí)恰H數(shù)值變化精確補(bǔ)料時(shí)間，補(bǔ)料常采用和發(fā)酵罐內(nèi)相同的碳源如葡萄糖、淀粉水解糖，間歇脈沖式加入或一次性加入[18]。近年來，檸檬酸連續(xù)流加補(bǔ)料發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用報(bào)道也是越來越多，成功實(shí)現(xiàn)檸檬酸發(fā)酵產(chǎn)量的進(jìn)一步提升。南通凱賽生化報(bào)道了以pH=2.5為補(bǔ)料信號(hào)，流加50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)葡萄糖的方式，糖酸轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.7%[19]。日照金禾報(bào)道了一種持續(xù)補(bǔ)氮的檸檬酸發(fā)酵方法，通過流加玉米蛋白水解液，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的產(chǎn)酸率接近19%[20]。

  檸檬酸的回收方法一直是一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前主流方法是沉淀、萃取和吸附（主要使用離子交換樹脂）這3種。其中沉淀技術(shù)仍然是檸檬酸生產(chǎn)中使用最廣泛的回收方法之一，目前檸檬酸生產(chǎn)中主要是在過濾去除菌體和其他固體雜質(zhì)的發(fā)酵液中加入石灰使之生產(chǎn)檸檬酸鈣沉淀，通過往檸檬酸鈣中加入硫酸生產(chǎn)可溶性檸檬酸和微溶的硫酸鈣沉淀，分離取得檸檬酸上清液后通過純化、濃縮即可獲得檸檬酸成品[21]。但沉淀技術(shù)因?yàn)榱蛩岬囊胧沟美迷摲椒ㄉa(chǎn)的檸檬酸很難應(yīng)用于食品領(lǐng)域，食品領(lǐng)域使用的檸檬酸通常采用萃取法，通過使用正辛醇和十二胺對(duì)檸檬酸進(jìn)行萃取[22]。

  4工業(yè)生產(chǎn)中原料的處理方法

  檸檬酸發(fā)酵原料處理主要有3個(gè)發(fā)展方向：一是淀粉糖的精細(xì)化分析處理；二是開發(fā)其他有機(jī)廢物的再利用；三是對(duì)傳統(tǒng)玉米粉原料的高效預(yù)處理。

  黑曲霉的碳代謝是影響檸檬酸發(fā)酵水平的最重要因素，而淀粉質(zhì)原料需首先被水解為單糖才能用于檸檬酸的高效合成，因此淀粉糖水解的程度和聚合度分布可以影響到黑曲霉接種后適應(yīng)期的長短和代謝速率的快慢，因此有必要實(shí)現(xiàn)淀粉原料液化糖化過程中的精細(xì)化控制[23]。另外，高糖廢物的再利用可以進(jìn)一步降低原料成本，例如以過期糖漿、蘋果渣[24]、糖蜜[25]和甘蔗渣為原料發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸，也符合國家的環(huán)保要求。

  糖蜜是蔗糖加工業(yè)的副產(chǎn)品，它被認(rèn)為是檸檬酸生產(chǎn)的低成本潛在替代底物。近年來有研究人員使用黑曲霉將糖蜜生物轉(zhuǎn)化為檸檬酸，72h的發(fā)酵過程中他們獲得了21.2g·L-1檸檬酸產(chǎn)量[26]。在甘蔗渣生產(chǎn)檸檬酸的工藝中，KHOSRAVI-DARANI和ZOGHI利用尿素預(yù)處理甘蔗渣，將其應(yīng)用在生產(chǎn)檸檬酸的生產(chǎn)中，在75h的發(fā)酵周期中獲得了26.45g·L-1的檸檬酸產(chǎn)量，并且甘蔗渣的利用效率為每千克尿素預(yù)處理的干甘蔗渣能生產(chǎn)137.6克檸檬酸[27]。

  隨著粉碎技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)玉米粉原料的粒度均一性基本可以得到保證，但是玉米粉在預(yù)處理過程中的清液總糖、DE值也會(huì)影響到發(fā)酵的開展。為了獲得發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸中玉米粉原料預(yù)處理最佳的工藝條件，滿云[28]等系統(tǒng)分析了液化溫度、液化pH、加酶量等因素對(duì)殘?jiān)矸酆?、清液總糖含量、DE值、酶解效率等的影響。

  5展望

  綜上所述，當(dāng)前國內(nèi)檸檬酸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀相對(duì)平穩(wěn)，國外生產(chǎn)企業(yè)出現(xiàn)部分整合兼并或者退出，但在行業(yè)整體庫存壓力不大的情況下，市場行情以平穩(wěn)運(yùn)行為主。不同時(shí)期的原料供給狀況也決定了檸檬酸發(fā)酵的原料選擇，玉米淀粉和木薯淀粉依舊是檸檬酸液體發(fā)酵的主流培養(yǎng)基成分，相比過去的玉米粉和薯干，可以保證原料液的均一性，省去了過濾除渣環(huán)節(jié)。針對(duì)傳統(tǒng)的批次發(fā)酵工藝，已經(jīng)陸續(xù)有企業(yè)報(bào)道補(bǔ)料流加對(duì)檸檬酸產(chǎn)量的影響。最后，分別介紹玉米粉原料、淀粉原料和有機(jī)廢物原料的預(yù)處理方法策略，為提高檸檬酸產(chǎn)量、縮短生長適應(yīng)期創(chuàng)造更優(yōu)條件。

  同時(shí)對(duì)未來檸檬酸生產(chǎn)發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測。隨著原料成本提高和產(chǎn)品銷售價(jià)格的下降，檸檬酸生產(chǎn)的利潤降低，因此需要利用新技術(shù)、新理論來提高檸檬酸生產(chǎn)的利潤，開發(fā)耐酸菌高產(chǎn)株減少調(diào)控pH所支出的成本似乎是一條可行路線。除菌種優(yōu)化外，發(fā)酵工藝的優(yōu)化對(duì)降低檸檬酸生產(chǎn)成本有著至關(guān)重要的影響，例如農(nóng)副產(chǎn)品糖蜜、玉米漿、玉米漿粉等作為發(fā)酵的碳源、氮源可以有效降低發(fā)酵成本。近年來也有采用菌絲體回收進(jìn)行循環(huán)發(fā)酵的策略，有助于檸檬酸轉(zhuǎn)化率的提高和發(fā)酵時(shí)間的縮短。