Технологические основы получения лимонной кислоты Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ

удк 664. 1

табак

h2so4/h2o

Технологические основы

получения лимонной кислоты

В.Е. Древин, канд. хим. наук, доцент, Т.А. Шипаева, канд. хим. наук, доцент, В.И. Комарова, канд. биол. наук, доцент Волгоградский государственный аграрный университет

В настоящее время особого внимания заслуживают пищевые технологии, с помощью которых можно создать любую пищевую композицию.

Как в пищевой промышленности, так и для приготовления сочных кормов в сельском хозяйстве широко применяют карбоновые кислоты. Лимонная кислота - один из основных консервантов и антиоксидантов.

Лимонная кислота - важное соединение как в метаболизме живых организмов, так и в пищевой промышленности.

Одна из самых популярных вкусовых добавок - лимонная кислота (3-Гидрокси-3-карбоксипентан-1,5-ди-овая кислота, I). Она имеет мягкий вкус, не раздражает слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта и полностью усваивается организмом.

Соли и эфиры лимонной кислоты называют цитратами.

Лимонную кислоту применяют в приготовлении широкого ассортимента продуктов как подкисли-тель, синергист антиоксидантов и стабилизатор окраски. Ее добавляют в виноматериалы, овощные и фруктовые консервы, маргарины, майонезы, мороженое, плавленые сыры и другие изделия. Одно-, двух- и трех-замещенные соли калия, натрия, кальция, аммония и магния лимонной кислоты (цитраты, II) используют для регулирования кислотности пищевых систем и в качестве стабилизаторов, комплексообразовате-лей, заменителей соли в кондитерском деле, при получении безалкогольных напитков (например, лимонадов, фанты и т.д.), консервировании рыбных продуктов, в про-

кислоты при 20 °С. Экстракт затем упаривают и нейтрализуют карбонатом кальция при кипячении. Суспензию цитрата кальция (III) отделяют и разлагают 50 %-ной серной кислотой. Раствор кислоты (I) осветляют активированным углем, упаривают и образовавшийся сироп охлаждают, получая, таким образом, кристаллическую лимонную кислоту (выход до 40 %). Значительное количество пищевой кислоты (1) выделяют аналогичным образом из соков цитрусовых и других растений:

кислым экстракт (I)

СаС03

А, - С02, - CaS04

СООСа

1/2

С а 1/2 ООССН 2—С(0Н)—С Н2 СООСа х /2 (III)

H2S04

- CaS04

(I)

(I) R = H, регулятор рН, антиокислитель лимонная кислота

(II) R = Na, К, Mg, Са1/2, NH4, пищевые эмульгаторы, регуляторы рН, стабилизаторы

изводстве плавленого сыра и других молочных продуктов. Цитраты хорошо предохраняют жиры от порчи. Лимонная кислота находится в значительных количествах в плодах цитрусовых, а также в малине, землянике, черной смородине и клюкве. В сухих листьях табака и хлопчатника ее содержится до 12 %. В гранатовом соке ее концентрация достигает 9 %, а в лимонном - до 6 %. Среди кислот незрелых яблок 20 % приходится на лимонную кислоту.

Около 60 лет назад лимонную кислоту выделяли преимущественно из плодов цитрусовых растений. Производство лимонной кислоты химическими способами экономически нецелесообразно: стоимость сырья значительно выше стоимости мелассы; технология многостадийна, требует применения сильно токсичных реагентов и дает относительно низкий выход целевого продукта. Поэтому, несмотря на большой прогресс в области химического синтеза различных органических соединений, такие сравнительно простые вещества, как лимонная, молочная и некоторые другие кислоты, вырабатывают из сахаросодержащего сырья с помощью микроорганизмов. Преимущества микробного способа состоят в последовательном ферментативном осуществлении в клетке даже значительно большего числа химических реакций в одну производственную стадию - ферментацию. Это упрощает технологию, увеличивает выход кислот и снижает их себестоимость.

Лимонную кислоту (I) выделяют из сухих листьев табака, махорки или хлопчатника путем экстракции слабым (2 %-ным) раствором серной

В настоящее время основную массу лимонной кислоты производят с помощью определенных штаммов плесневого гриба Aspergillus niger. Многие органические вещества сбраживаются микромицетами и могут быть трансформированы в лимонную кислоту, но максимальный выход получается при биосинтезе из сахарозы или фруктозы.

Лимонную кислоту получают лимоннокислым брожением сахаров свекловичной и тростниковой мелассы с использованием культуры Aspergillus niger.

Меласса - лучшее сырье для производства лимонной кислоты. Ценность его заключается в том, что наряду с высоким содержанием сахара в мелассе содержатся все вещества, необходимые для нормальной жизнедеятельности гриба. Выход лимонной кислоты при ее использовании - наибольший.

Исходную мелассу, содержащую 46 % сахарозы, разбавляют водой, добавляют источники азота, фосфора, калия и других элементов. Затем готовую питательную среду (12-15 % сахара) засевают конидиями гриба и аэрируют 5-7 сут при 32...36 °С до содержания в полученной культураль-ной жидкости сахаров 1-2 %, а органической кислоты (I) - 12-20 %. Мицелий гриба отфильтровывают (он идет на корм скоту), а раствор обрабатывают известковым молоком. Цитрат кальция (III) отделяют, разлагают серной кислотой и полученный раствор, после очистки активированным углем, упаривают и охлаждают для кристаллизации свободной лимонной кислоты (рисунок).

ENGINEERING AND TECHNOLOGY

Посевной i материал j

Питатель - ] ная среда J

Синтетически лимонную кислоту производят из кете-на и ангидрида 2-ок-собутандиовой кислоты (щавелевоук-сусной, IV) через спи-роангидридо-лактон (V):

Благодаря совершенствованию микробиологических способов ее производства в настоящее время запущены установки получения пищевой лимонной кислоты из парафинового сырья большой единичной мощности (40-55 тыс. т в год). Мировое производство этой кислоты превышает 0,5 млн т, из которых две трети потребляет пищевая промышленность.

В настоящее время ведущими производителями лимонной кислоты являются КНР, США, Франция, Россия и некоторые другие страны. Ранее производство лимонной кислоты было основано на поверхностном культивировании микроба-продуцента, который имеет ряд недостатков: ферментация происходит с небольшой скоростью; по окончании цикла мицелий выбрасывают, хотя он еще активен, а получение нового мицелия связано с затратой конидий, мелассы и времени на его выращивание; во всех кюветах трудно поддерживать заданную температуру, поэтому ферментация происходит неравномерно. На современных заводах освоено также глубинное культивирование в герметичных ферментаторах, характеризующееся более высокой продуктивностью. Ферментация ведется в стерильных условиях, являющихся необходимой предпосылкой для перехода на непрерывный, полностью механизированный процесс, устраняющий ручной труд.

Если поверхностный способ исчерпал свои потенциальные возможности, устарел, то глубинный отвечает всем требованиям современной биотехнологии и находится в стадии развития. В будущем освоение непрерывной ферментации повысит производительность и экономичность процесса.

Технологические основы получения лимонной кислоты Ключевые слова

лимонная кислота; меласса; консервант; стабилизатор; активированный уголь; цитрат кальция; ферментация.

Реферат

В настоящее время основную массу лимонной кислоты производят с помощью определенных штаммов плесневого гриба Aspergillus niger. Многие органические вещества сбраживаются микромицетами и могут быть трансформированы в лимонную кислоту, но максимальный выход получается при биосинтезе из сахарозы или фруктозы. Лимонную кислоту получают лимоннокислым брожением сахаров свекловичной и тростниковой мелассы с использованием культуры Aspergillus niger. Выход лимонной кислоты при ее использовании -наибольший.

Technological Basics of Getting Citric Acid Key words

citric acid, molasses, preservative, stabilizer, activated charcoal, calcium citrate, fermentation.

Abstracts

Currently bulk citric acid produced by certain strains of mold fungus Aspergillus niger. Many organic matter fermented mikromicetami may be converted into citric acid, but the maximum output is obtained in the biosynthesis of sucrose or fructose. Citric acid is produced by fermentation of sugars citrate beet and cane molasses using a culture of Aspergillus niger. Output of a citric acid at its use -the greatest.

Авторы

Древин Валерий Евгеньевич, канд. хим. наук, доцент, Шипаева Татьяна Александровна, канд. хим. наук, доцент, Комарова Валерия Ивановна, канд. биол. наук, доцент Волгоградский государственный аграрный университет, 400002, Волгоград, пр. Университетский, д. 26, volgau@vilgau.com

Authors

Drevin Valeriy Evgenyevich, Candidate of Chamical Science, Docent, Shipaeva Tatyana Alexandrovna, Candidate of Chamical Science, Docent, Komarova Valeriya Ivanovna, Candidate of Biological Science, Docent Volgograd State Agrarian University, 26, Universitetskiy Pr., Volgograd, 400002, volgau@vilgau.com