Лимонна кислота

Лимонна кислота (СН₂ – СООН – СОНСООН – СН₂СООН) – трьохосновна оксикислота, розповсюджена в плодах та ягодах. Широко використовується в харчовій промисловості при виробництві кондитерських виробів і напоїв, в фармацевтичній, хімічній і текстильній промисловості. Лимонна кислота була ідентифікована в якості продукту метаболізму пліснявих грибів в 1893 р. Вемером. В наш час ця кислота за об’ємами виробництва займає перше місце серед органічних кислот (більше 350 тис. т на рік).

Раніше лимону кислоту виділяли у вигляді лимоннокислого кальцію із продуктів переробки листя хлопку, стебел махорки, хвої, ялини і в значних кількостях із плодів лимонів. Однак, це виробництво є досить дорого вартісним і незначним за об”ємом. Тому лимонна кислота була дефіцитним і дорогим продуктом.

шляхом відбору та направленої селекції виділено активні продуценти органічних кислот.

Для одержання лимонної кислоти використовують міцеліальні гриби родів Aspergillus, Penicillium, Mucor, Ustina та ін. На сьогодні основними продуцентами лимонної кислоти є різні штами гриба Aspergillus niger, які відрізняються великою швидкістю росту, легкістю культивування і високим виходом лимонної кислоти по відношенню до маси вуглеводу, що окиснюється. Штами стійкі до зовнішніх впливів і володіють значним конідієутворенням.

У мікроорганізмів синтез лимонної кислоти реалізується в циклі трикарбоновых кислот в результаті конденсації оксалоацетату і ацетил КоА за участю ферменту цитрат-синтетази (рис. 1).

Необхідні для реакції оксалоацетат і ацетил КоА утворюються із двох молекул пірувата: одна молекула пірувату піддається декарбоксилюванню з утворенням ацетил КоА, інша – карбоксилюється, перетворюючись в оксалоацетат. Піруват утворюється по фруктозо-біфосфатному шляху (гликоліз, шлях Эмбдена-Майергофа-Парнаса). Всі ферменти цього шляху, а також піруватдегідрогеназа, піруваткарбоксилаза і цитрат-синтетаза виявлені у A.niger. В результаті цієї реакції одна молекула цукру (С₆Н₁₂О₆) перетворюється в одну молекулу лимонної кислоти (С₆Н₈О₇).

Надсинтез лимонної кислоти відбувається за умови лімітування росту грибів-продуцентів мінеральними компонентами середовища і одночасним надлишковим вмістом джерела вуглеводу. В умовах лімітування росту гриба нестачею заліза і марганцю після повного поглинання із середовища дефіцитного елементу він ріст припиняється, однак продовжується споживання джерела вуглецю, що наявний у середовищі. При цьому у клітинах гриба починає накопичуватися лимонна кислота, яка в подальшому виділяється в середовище. В якості основи середовища звичайно використовують глюкозний сироп, гідролізати крохмалю і мелясу.

У виробництві лимонної кислоти використовують кілька варіантів процесу.

Поверхневий спосіб реалізують на твердому сипучому середовищі і в рідкій фазі. При рідиннофазній поверхневій ферментації поживне середовище розливають в кювети шаром від 8 до 18 см. Контроль процесу ведуть за показниками титрованої кислотності середовища. Процес вважають завершеним при кінцевій концентрації цукрів близько 1-2% і рівні титрованої кислотності 12-20%. Вміст лимонної кислоти від рівня всіх кислот досягає 94-98 %. Зброджений розчин зливають в збірник і направляють на обробку; промитий міцелій використовують у виробництві кормів.

Твердофазна ферментація має багато спільного з поверхнево рідиннофазним процесом. Розроблений в Японії процес Коджі передбачає використання в якості середовища пористого матеріалу (багасу, картоплі, пшеничні висівки). Матеріал попередньо стерилізують, після охолодження інокулюють суспензією спор. Ферментація відбувається в лотках при 25-30˚С протягом 6-7 днів. Утворену лимонну кислоту екстрагують водою. В Японії 20% загального об’єму виробництва лимонної кислоти отримують методом Коджі.

Глибинна ферментація поводиться в апаратах об’ємом 50 м³ із заповненням на 70-75%. В якості посівного матеріалу використовують міцелій, пророщений також в умовах глибинної культури. В виробничому апараті, куди пророщений міцелій передається по стерильній посівній лінії, поживне середовище містить 12-15% цукрів. Ферментацію проводять при 31-32˚С при безперервному перемішуванні. В ході процесу кислотоутворення (5-7 діб) підтримують інтенсивний режим аерації (до 800-1000 м³/год.) з дробною подачею цукрів, 2-3 підживлення. Вихід лимонної кислоти складає від 5 до 12%, кінцева концентрація цукрів – 0,2-1,5%, частка цитрату – 80-98% від суми всіх органічних кислот.

Загальна технологічна схема виробництва лимонної кислоти включає наступні етапи:

1. Підготовка поживного середовища. Мелясу завантажують у варильний котел, розбавляють водою до певної концентрації вуглеводів (16 %), додають джерела азоту, фосфору і мікроелементи. Встановлюють необхідне значення рН середовища (6,8-7,2) додаванням кислоти або лугу. Для осадження солей важких металів (заліза, магнію і т.д.), що знаходяться в мелясі, розчин обробляють жовтою кров'яною сіллю. Потім середовище стерилізують і охолоджують до температури ферментації. У окремому цеху вирощують посівний матеріал у вигляді спор (конідій) Aspergillus niger.

2. Потім розмножують продуцент в три стадії: у пробірках, колбах і алюмінієвих кюветах. Тривалість кожної стадії – 2-4 доби при 32 °С. Для вирощування у пробірках використовують агаризоване поживне середовище, а в колбах і кюветах – рідке.

3. Ферментація (поверхневим або глибинним способом). Заводи невеликої або середньої потужності використовують поверхневий спосіб. Глибинний спосіб економічно вигідний тоді, коли потужність заводу перевищує 2500 т лимонної кислоти в рік.

3.1. При поверхневому способі ферментація проводиться на відкритих металевих кислототривких кюветах заввишки 7-20 см, в яких міцелій продуцента розвивається на поверхні середовища. Кювети розміщують на багатоярусних стелажах в спеціальних камерах при температурі 34-36 °С. У камери подають стерильне кондиціоноване повітря. Цикл бродіння закінчується через 8-9 діб.

3.2. При глибинному способі міцелій гриба занурений в поживне середовище у ферментерах, туди ж подається стерильне повітря. Тривалість культивування - 5-9 діб.

Оптимум рН на стадії кислотоутворення складає 1,7-2,0. В більш лужному середовищі процес зміщується в сторону утворення щавлевої і глюконової кислот.

Після закінчення ферментації міцелій відокремлюють від культуральної рідини. При глибинній ферментації – фільтруванням на фільтрах, при поверхневій – вручну, заздалегідь зливши рідину з кювет.

Міцелій промивають, висушують і направляють для використання в якості добавки до корму тварин. Профільтрована культуральна рідина (фільтрат) являє собою водний розчин лимонної кислоти. В 1 л фільтрату міститься 40-50 г лимонної кислоти.

В зброджених розчинах містяться, крім цільової кислоти, також глюконова і щавлева кислоти, залишки незброжених цукрі і мінеральні солі. Для видалення лимонної кислоти із даного розчину її зв’язують гідроокисом кальцію з утворенням важкорозчинного цитрату кальцію:

2 С₆Н₈О₇+3 Са₃(С₆Н₅О₇)₂+6 Н₂О.

Одночасно утворюються солі глюконової і щавлевої кислот, глюконат кальцію Са(С₆Н₁₁О₇)₂ і оксалат кальцію СаС₂О₄.

Кальцієві солі лимонної і щавлевої кислот випадають в осад, а глюконат кальцію і основна частина органічних і мінеральних компонентів меляси залишаються в розчині. Осад відділяються на вакуум-фільтрі, промивається і висушується.

Лимонну кислоту виділяють із культуральної рідини у вигляді погано розчинної солі – цитрату кальцію, який утворюється при додаванні крейди. Переведення лимонної кислоти у вільний стан досягається при додаванні певної кількості Н₂SO₄:

 

Цитрат кальцію + Н₂SO₄ Цитрат + Гіпс

Розчин лимонної кислоти фільтрують для видалення гіпсу, концентрують вакуум-випарюванням і потім кристалізують при повільному охолодженні до 8-10˚С.

Кристали, що виділилися, центрифугують, промивають водою, сушать, фасують.

Готовий продукт містить не менше 99,5% лимонної кислоти (в перерахунку на моногідрат), зольність – не вище 0,1-0,35%.

Лимонна кислота використовується в кондитерській промисловості для підкислення карамелі, пастили, вафель, так як вона добре підкреслює фруктовий смак. Дану органічну кислоту з метою підкислення добавляють в морозиво, харчові концентрати, маргарин, деякі сорти ковбас і сиру.

Лимонну кислоту застосовують для пригнічення утворення меланоїдинів в згущеному молоці з цукром, розчином її промивають та дезодорують жирову сировину, обробляють перед холодним зберіганням свіже м’ясо, рибу, фрукти з метою стабілізації їх кольору, смаку і запаху.