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集防腐、調味和清潔於一身 檸檬酸的生產與真菌有關

2019-01-09 16:15積木 文╱摘自《菇的呼風喚雨史》

【文、圖/摘自積木《菇的呼風喚雨史》,作者顧曉哲】

檸檬酸是一種有機弱酸,又名枸櫞酸,無色無臭,有很強的酸味,易溶於水。常用作天然防...
檸檬酸是一種有機弱酸,又名枸櫞酸,無色無臭,有很強的酸味,易溶於水。常用作天然防腐劑,以及食物和無酒精飲料的酸味劑。 圖/ingimage

黑麴菌與溶脂念珠菌 圖╱摘自《菇的呼風喚雨史》
黑麴菌與溶脂念珠菌 圖╱摘自《菇的呼風喚雨史》

黑麴菌

◆ 原生地(發現地)

世界各地。

◆ 拉丁名稱原義

Aspergillus,由拉丁字aspergillum(是一種來潑灑聖水的器具)而來,根據形狀命名。

niger,黑色。

◆ 應用

工業與科學研究。

溶脂念珠菌

◆ 原生地(發現地)

動植物身上、土壤甚至醫院都有其蹤跡。

◆ 拉丁名稱原義

Candida ,拉丁字,「白」的意思。

lipo,希臘字 lípos,意即「肥」。

lytica,「分解」的字根(lysis),來自希臘字,lusis 意思是「放鬆」。

◆ 應用

工業與科學研究。

高效率的檸檬酸生產者

檸檬酸是一種有機弱酸,又名枸櫞酸,無色無臭,有很強的酸味,易溶於水。常用作天然防腐劑,以及食物和無酒精飲料的酸味劑。此外,它也是一種對環境無害的清潔劑。檸檬酸於八世紀時,由伊斯蘭鍊金術士海楊(Jabir Ibn Hayyan)所發現。1784年時,瑞典的化學家舍勒(Carl Wilhelm Scheele)首先從檸檬汁中結晶分離出檸檬酸。直到1809年,義大利柑橘產業才真正讓檸檬酸的生產進到工業化量產的階段。1893年,德國科學家韋默爾(Carl Wehmer)發現灰綠青黴(Penicillium glaucum)可以利用糖類為原料代謝製造檸檬酸,隔年便出現了利用發酵製作檸檬酸的工廠。不過十年後,工廠就因為生產效率不佳,還有揮之不去的汙染問題而關閉。然而,於1913年,科學家札霍斯基(B. Zahorsky)為一株可以生產檸檬酸的新真菌申請專利,也就是黑麴菌。1916年,湯姆和居禮(Thom & Currie)進行了一系列黑麴菌的基礎研究,發現這一屬真菌都具有生產檸檬酸的能力,其中又以黑麴菌的生產效率最好;居禮這項研究開啟了檸檬酸工業發酵生產的新希望。不同於灰綠青黴,黑麴菌可以在酸鹼值介於2.5~3.5 之間生存,這樣的酸鹼值不利其他微生物生長,所以大大降低了汙染。天然檸檬酸最初產於美國加州、義大利和西印度群島,到了1922年,世界檸檬酸的總銷售量有90%來自美國、英國與法國。1923年,美國輝瑞大藥廠更建造了世界上第一家以黑麴菌發酵生產檸檬酸的工廠。

飲料工業長跑接力賽

用發酵生產檸檬酸的黑麴菌,改變了傳統由水果中提煉的方法,讓檸檬酸在更省錢的方式之下可以達到更高品質且得到更多產量。不過,由於發酵需要消耗大量的糖以及糧食,再加上檸檬酸的應用範圍愈來愈大,不僅是食品加工業當中非常重要的添加劑,同時也廣泛地應用於醫藥與染料工業上,因此用量逐年增加,不堪負荷。為了解決困境,人們發現了另一種可利用石化原料正烷烴為原料,發酵生產檸檬酸的真菌,那就是溶脂念珠菌。

1968 年,在日本已經發展出利用烷烴為碳源來發酵產生檸檬酸的新製程。利用溶脂念珠菌來代替黑麴菌作發酵,可生產出數量可觀的檸檬酸和異檸檬酸。

烷烴的價格低廉,再加上有許多生物都具有利用烷烴的能力,所以這項改變,大大影響了1960到1970年代的發酵工業。使用溶脂念珠菌生產檸檬酸,是一個典型的例子,也成為許多專利的主題。然而,當工業生產檸檬酸的流程是奠基於利用烷烴之上時,在製程中也會產生異檸檬酸,這除了會影響檸檬酸的生產量,也發生了回收的問題。此外,烷烴的價格自1973年以來增加了四倍,已不再是便宜的原物料。

接著,利用油和脂肪為碳源的檸檬酸生產製程出現了。以棕櫚油作為碳源,用溶脂念珠菌的突變株來生產檸檬酸的效率可以達到145%以上。還有其他的作法是小規模的利用黑麴菌來發酵油脂,以生產檸檬酸,也有以油脂作為黑麴菌唯一碳源發酵,以生產檸檬酸而成功的例子。雖然檸檬酸的生產可以利用油脂,而且產量效率又很高,但生產成本仍然過高,要與使用烷烴一樣價格低廉,目前還不可能。另外,還有以石蠟為原料,利用溶脂念珠菌生產檸檬酸的方法,且產量宣稱可高達95%。1974年輝瑞公司就將「利用溶脂念珠菌發酵的連續方法於單一生物反應器中,只須連續加入石蠟,發酵液連續取出」的方法獲得專利。

.書名:菇的呼風喚雨史.作者:顧曉哲 .繪者:林哲緯.出版社:積木...
.書名:菇的呼風喚雨史
.作者:顧曉哲
.繪者:林哲緯
.出版社:積木
.出版日期:2018/11/03

檸檬酸的應用

◆ 檸檬酸除了應用在飲料之外,也廣泛被應用在其他食品,例如果醬、釀造酒、冰淇淋等。醃製品與罐頭也都利用檸檬酸來作為酸味劑、緩衝劑、抗氧化劑、除腥脫臭劑與螫合劑等。在醫藥行業,檸檬酸糖漿及各種檸檬酸鹽,例如,檸檬酸鐵與檸檬酸鉀等,廣泛用於臨床及生化檢驗。在化工行業也常用作緩衝劑、催化劑、激活劑、增塑劑、螫合劑、清洗劑、吸附劑、穩定劑、消泡劑等。此外,還可用於多種纖維的媒染劑、混凝土緩凝劑、聚丙烯塑膠材料的發泡劑等。可以說已經深入我們的日常生活當中。

檸檬酸
念珠菌
防腐劑
微生物

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