專利名稱：L-蘋果酸的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于食品工業(yè)原料生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種L-蘋果酸的生產(chǎn)方法， 尤其涉及L-蘋果酸生產(chǎn)過程中富馬酸和L-蘋果酸鹽的分離方法。
背景技術(shù)：
L-蘋果酸作為功能性酸味劑廣泛用于飲料及食品工業(yè)。蘋果酸的酸味持久， 其酸味比擰檬酸強(qiáng)20%，不僅能保持天然果汁的風(fēng)味，與合成甜味劑合用還可消 除后苦味，可部分或全部代替檸檬酸用于飲料、食品的酸味調(diào)節(jié)。另外，L-蘋果 酸是人體三羧酸循環(huán)的重要樞紐之一，具有許多獨(dú)特的生理功能。天然構(gòu)型的 L-蘋果酸在細(xì)胞能量產(chǎn)生過程中發(fā)揮著十分重要的作用。同時(shí)在生物體內(nèi)以絡(luò)合 形式貯存和運(yùn)輸金屬離子，因此，L-蘋果酸鈣可用于預(yù)防和治療因缺鈣而引起的 老年性骨質(zhì)疏松。L-蘋果酸還用于鮮肉的加工和保存，可加速肉的熟化和起保鮮 作用。L-蘋果酸能誘導(dǎo)皮膚細(xì)胞的分裂，改善皮膚組織的生長，因而可用于化妝 品工業(yè)。由于檸檬酸會(huì)誘導(dǎo)脂肪酸的合成，在食品飲料中使用L-蘋果酸可以減 少脂肪合成，蘋果酸有減肥的功能。近年來還發(fā)現(xiàn)L-蘋果酸具有保肝，解毒及 抗抑郁癥的作用，是具有巨大應(yīng)用前景的功能性添加劑。
盡管從天然植物的果實(shí)如蘋果和五味子中可提取天然構(gòu)型的L-蘋果酸，也 可用DL-蘋果酸通過拆分得到L-蘋果酸，但從成本和生產(chǎn)效率角度考慮，最具競(jìng) 爭(zhēng)力的方法是微生物發(fā)酵法和生物轉(zhuǎn)化法。US3063910中Shigeo Abe等介紹了 用Aspergillus Parasiticus作為菌株，用糖作為碳源生產(chǎn)L-蘋果酸的方法，在發(fā)酵 過程中加入碳酸鈣作為中和劑，并不斷沉淀出L-蘋果酸鈣，經(jīng)一系列凈化得到 L-蘋果酸。DE3310849中Fritz Schindler等用富馬酸鈉為碳源，經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化為 L-蘋果酸鈉，轉(zhuǎn)化率達(dá)70%。 E.A.Oliveira等人用固定化細(xì)胞制備L-蘋果酸，將 富馬酸鈉的溶液以一定濃度， 一定速度流經(jīng)固定化細(xì)胞，得到富馬酸鈉和L-蘋 果酸鈉的混合液(Appl. Biochem. Biotechn. 1994， 47: 65)，平衡時(shí)，蘋果酸與富馬 酸的摩爾比可達(dá)4:1。無論是用微生物發(fā)酵法還是細(xì)胞轉(zhuǎn)化法，所得到的產(chǎn)物都 是L-蘋果酸鹽和富馬酸鹽的混合物，通常利用L-蘋果酸鈣的溶解度比富馬酸鈣 溶解度小的特點(diǎn)，將L-蘋果酸鹽和富馬酸鹽(銨鹽或鈉鹽)轉(zhuǎn)化成鈣鹽，L-蘋 果酸鈣因溶解度小而析出，所得L-蘋果酸鈣用硫酸酸化得L-蘋果酸和 CaS04 2H20，過濾除去二水合硫酸鈣，得到L-蘋果酸溶液，經(jīng)凈化、濃縮、 結(jié)晶得L-蘋果酸，這是目前L-蘋果酸的通用生產(chǎn)方法。該方法生產(chǎn)工藝復(fù)雜， 路線冗長，在洗滌L-蘋果酸鈣時(shí)損失大，收率低。而在硫酸中和生成石裔時(shí)，
由于沉淀很細(xì)，難于分離，且吸附大量的L-蘋果酸，需要大量水洗，損失大， 濃縮量大，能耗高。更致命的是，含有部分富馬酸鈣的富馬酸鈉(或銨)循環(huán)回 用時(shí)，在細(xì)胞轉(zhuǎn)化過程中析出大量L-蘋果酸鈣沉淀，阻塞固定化細(xì)胞柱，致使 需頻繁反復(fù)沖洗，不僅造成大量物料損失，而細(xì)胞容易流失和失活，使用壽命短。 為克服上述缺點(diǎn)，US4772749中，MichaelKarrenbauer等人用陽離子交換樹脂除 去L-蘋果酸鈉和富馬酸鈉混合溶液中的陽離子Na+，但由于生成的富馬酸溶解度 小，在離子交換過程中會(huì)析出，因此須在80 90'C下處理。這種方法簡(jiǎn)化了工藝， 減少了損失，收率提高。US4874700中ReinholdSeipenbusch用電滲析(EDU) 方法除去金屬離子Na+ (NH4+)。盡管上述兩種方法簡(jiǎn)單，易行，收率提高，但 由于中和lmol的L-蘋果酸和富馬酸需2mo1的堿，當(dāng)除去時(shí)，生成lmolL-蘋果 酸需除去2mol的陽離子，因而堿消耗大，后處理量大，效率低，能耗高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的L-蘋果酸的生產(chǎn)方法，特別是L-蘋果酸鹽和富馬 酸鹽混合液的處理方法，目的是簡(jiǎn)化工藝，降低中和用堿的消耗，減少后處理量， 提高生產(chǎn)效率，降低成本。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，用富馬酸對(duì)L-蘋果酸鹽和富馬酸鹽的混合溶液進(jìn)行 酸化處理，使該混合溶液轉(zhuǎn)化為L-蘋果酸單鹽與富馬酸單鹽的混合溶液，再經(jīng) 后處理步驟獲得L-蘋果酸，其中富馬酸用量應(yīng)足以使上述混合溶液中的L-蘋果 酸鹽和富馬酸鹽轉(zhuǎn)化為單鹽。
所述L-蘋果酸鹽和富馬酸鹽混合溶液是通過微生物發(fā)酵或生物轉(zhuǎn)化方法 (Appl. Biochem. Biotechn. 1994,47: 65 、US3063910、US4734368或DE3310849)
用能產(chǎn)生富馬酸酶的細(xì)胞將富馬酸鹽轉(zhuǎn)化獲得的，還可通過其他同類方法獲得， 這些方法都是成熟的現(xiàn)有技術(shù)，此處不再贅述。
所述富馬酸的用量與L-蘋果酸鹽和富馬酸鹽的混合溶液中的L-蘋果酸鹽和 富馬酸鹽的總和的摩爾比優(yōu)選1.1:1。所述酸化處理反應(yīng)溫度為30'C 100'C，反 應(yīng)時(shí)間為1小時(shí)~10小時(shí)；優(yōu)選溫度為50'C 70'C，優(yōu)選溫度下反應(yīng)時(shí)間為2小 時(shí)~5小時(shí)。所述酸化處理反應(yīng)完全后，獲得的溶液pH在3 3.5之間。
所述后處理步驟包括以下步驟
1) 濾出所述酸化處理后溶液中析出的富馬酸單鹽；
2) 對(duì)經(jīng)過步驟1)過濾后的含有L-蘋果酸單鹽的濾液進(jìn)行除陽離子處理，
獲得含有少量富馬酸的L-蘋果酸溶液；
3) 分離經(jīng)步驟2)所得L-蘋果酸溶液中含有的少量富馬酸，以備循環(huán)使用；
4) 將經(jīng)過步驟3)得到的L-蘋果酸溶液按照常規(guī)方法處理獲得L-蘋果酸結(jié)
晶和L-蘋果酸母液，母液可備循環(huán)使用。
用堿對(duì)所述濾出的富馬酸單鹽進(jìn)行中和，使其轉(zhuǎn)化為富馬酸鹽，以備循環(huán)使 用。當(dāng)被酸化處理的混合溶液為L-蘋果酸鈉和富馬酸鈉混合溶液時(shí)，所述中和 用堿為氫氧化鈉；當(dāng)被酸化處理的混合溶液為L-蘋果酸銨和富馬酸銨混合溶液 時(shí)，所述中和用堿為氨水。
所述除陽離子處理采用強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂柱、電滲析以及其他可去除溶 液陽離子的方法，這些方法己成為成熟的現(xiàn)有技術(shù)，此處不再贅述。
本發(fā)明是基于L-蘋果酸鈉(銨)鹽、L-蘋果酸單鈉(銨)鹽、富馬酸鈉(銨) 鹽和富馬酸單鈉(銨)鹽之間的溶解度關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，L-蘋果酸的鹽(雙鈉(銨) 鹽和單鈉(銨)鹽)都具有很好的水溶性，而對(duì)于富馬酸鹽，其溶解度為富馬酸 鈉(銨) >富馬酸單鈉(銨) >富馬酸。經(jīng)測(cè)定表明，在25'C時(shí)，富馬酸鈉鹽的 溶解度為22g/100ml，富馬酸單鈉鹽的溶解度為12g/100ml，富馬酸的溶解度為0. 6./100ml。出乎預(yù)料的是，當(dāng)L-蘋果酸單鈉與富馬酸單鈉同時(shí)存在時(shí)，由于同 離子效應(yīng)，富馬酸單鈉的溶解度大大降低。研究結(jié)果表明，當(dāng)L-蘋果酸單鈉為 15.6g/100ml時(shí)，富馬酸單鈉鹽的溶解度為4.7g/100ml，而當(dāng)L-蘋果酸單鈉的濃 度為31.2g/100ml時(shí)，富馬酸單鈉的溶解度下降到2.1g/100ml。因此，當(dāng)用富馬 酸中和L-蘋果酸鹽和富馬酸鹽混合溶液時(shí)，L-蘋果酸鈉(銨)鹽轉(zhuǎn)化為L-蘋果 酸單鈉(銨)鹽，富馬酸鈉(銨)鹽轉(zhuǎn)化為富馬酸單鈉(銨)，而加入的富馬酸 轉(zhuǎn)化為單鈉(銨)鹽。由于富馬酸單鈉(銨)鹽溶解度小而從溶液中析出，經(jīng)過 過濾得到含少量富馬酸單鈉(銨)鹽的L-蘋果酸單鈉(銨)鹽溶液，經(jīng)后處理 得到L-蘋果酸時(shí)，生產(chǎn)lmol的L-蘋果酸只需除去lmol的陽離子Na+ (NH/), 處理量只有原來的一半。而過濾出的富馬酸單鈉(銨)鹽只需要加入lmol的堿 即可轉(zhuǎn)化為鈉(銨)鹽，重新作為原料供細(xì)胞轉(zhuǎn)化用，因而堿的用量減少了一半。 工藝流程圖見附

圖1。
L-蘋果酸鹽和富馬酸鹽混合液用富馬酸酸化是本發(fā)明的關(guān)鍵。酸化反應(yīng)時(shí)， 富馬酸的加入量應(yīng)能使所有二鈉(銨)鹽轉(zhuǎn)化為單鈉(銨)鹽，因此加入的富馬 酸與轉(zhuǎn)化液中的L-蘋果酸鈉(銨)和富馬酸鈉(銨)的總和的摩爾比要大于或 等于l,最好是1.1:1。小于l時(shí)轉(zhuǎn)化不完全，過多時(shí)，富馬酸不能溶解。酸化反 應(yīng)時(shí)間取決于酸化溫度，溫度過低，酸化時(shí)間長，轉(zhuǎn)化不完全，溫度過高，轉(zhuǎn)化 速度快，但L-蘋果酸有消旋的危險(xiǎn)。
本發(fā)明方法具有如下的優(yōu)點(diǎn)
1. 不需要處理鈣鹽，簡(jiǎn)化了工藝，提高了生產(chǎn)效率。
2. 減少了損失，提髙了效率，L-蘋果酸收率可由目前的80。/。左右提髙到970/()。
3. 堿的用量減少了一半，節(jié)約了成本。
4. 除去陽離子的處理量減少了一半，提高了效率，能耗大大降低。
5. 廢水排放量大幅降低，減少了環(huán)境污染。
附圑說明
圖1是本發(fā)明提供的L-蘋果酸生產(chǎn)流程圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:
(1) 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的細(xì)胞轉(zhuǎn)化法(DE3310849)制備L-蘋果酸鹽和富馬 酸鹽混合液。將從土壤中分離得到的Aspergillus wentii屬菌株在糖30g/L，磷酸 氨二銨3g/L，硫酸銨2g/L，氯化鉀2g/L，硫酸鎂lg/L,富馬酸鈉5g/L的培養(yǎng)液 中培養(yǎng)48小時(shí)，過濾分離出細(xì)胞。在60-70'C下配制2y。的卡拉膠溶液，降溫到 50'C時(shí)將分離出的細(xì)胞按10e/。 (w/w)加入，攪拌均勻后倒入盤子中凝固，制成 5mmX5mmX5mm的固定化細(xì)胞。然后裝入8cmX60cm的玻璃柱。將1.4M的 富馬酸鈉溶液以1000ml/h的速度流經(jīng)固定化細(xì)胞柱，得到L-蘋果酸鹽和富馬酸 鹽混合溶液。
(2) 取1000ml經(jīng)步驟(1)得到的混合液，其中含L-蘋果酸鈉186g,富馬 酸鈉56g。將溶液加熱到60'C，攪拌下加入170g (摩爾比1.05:1)富馬酸，攪拌 反應(yīng)3.5小時(shí)，PH=3.2，冷卻到15 20'C，過濾，濾餅用少量水洗，然后用NaOH 中和至PH-7-8供細(xì)胞轉(zhuǎn)化用。所得濾液980ml，含富馬酸單鈉40g。加熱至85 'C，通過1500ml 001x7強(qiáng)酸性陽離子交換柱(直徑6cm，高60cm),收集淋洗 液經(jīng)減壓濃縮，L-蘋果酸濃度增加到40y。時(shí)，冷卻到10~15'C，過濾回收富馬酸。 濾液進(jìn)一步減壓濃縮到L-蘋果酸濃度至80~82%，冷卻到15'C，結(jié)晶出91gL-蘋 果酸，母液中含有46gL-蘋果酸，母液可循環(huán)使用。L-蘋果酸收率相當(dāng)于97。/。。
實(shí)施例2:
取1000ml例1步驟(1)得到的混合溶液，其中含L-蘋果酸鈉186g、富馬 酸56g。減壓下濃縮至原體積的一半，加入170g的富馬酸，在70。C下，攪拌反 應(yīng)時(shí)間2小時(shí)，PH降至3.0，冷卻到15 20'C，過濾回收富馬酸，用少量水洗滌， 得濾液500ml。其中含富馬酸單鈉12g。濾餅用NaOH中和至PH-7-8,并調(diào)節(jié)濃 度至1.4M供細(xì)胞轉(zhuǎn)化用。濾液加熱到85'C，通過1500ml 001x7強(qiáng)酸性陽離子 交換柱，與實(shí)施例1處理方法相同，得L-蘋果酸91.5g, L-蘋果酸收率相當(dāng)于 98.2%。
實(shí)施例3:
取參照實(shí)施例1步驟(l)方法制備的1000mlL-蘋果酸銨和富馬,混合液， 其中含L-蘋果酸銨188g，富馬酸銨42g。將溶液減壓濃縮到原體積的一半，加 入富馬酸170g， 65'C下攪拌反應(yīng)3小時(shí)，PH降至3.4,冷卻到15 20X:結(jié)晶。過 濾，濾餅用少量水洗滌，所得濾餅用氨水中和至PH=7-8，供細(xì)胞轉(zhuǎn)化用。所得 濾液450ml，含富馬酸單銨18g。將濾液加熱至85。C，過1000ml 001x7強(qiáng)酸性 陽離子交換樹脂柱(直徑5cm，高60cm)。所得淋洗液減壓濃縮至L-蘋果酸濃 度為45%，冷卻到15'C，過濾除出富馬酸(供酸化用)。所得濾液進(jìn)一步減壓、 濃縮至L-蘋果酸濃度為82~83%，冷卻到15 2(TC結(jié)晶，過濾、干燥得L-蘋果酸 101g，濾液中含L-蘋果酸47g (可循環(huán)使用)，相當(dāng)于L-蘋果酸收率98.2。/0。
權(quán)利要求
1.一種L-蘋果酸的生產(chǎn)方法，其特征在于，用富馬酸對(duì)L-蘋果酸鹽和富馬酸鹽的混合溶液進(jìn)行酸化處理，使上述混合溶液轉(zhuǎn)化為L-蘋果酸單鹽與富馬酸單鹽的混合溶液，再經(jīng)后處理步驟獲得L-蘋果酸，其中富馬酸用量應(yīng)足以使上述混合溶液中的L-蘋果酸鹽和富馬酸鹽轉(zhuǎn)化為L-蘋果酸單鹽和富馬酸單鹽。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述L-蘋果酸的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述L-蘋果酸鹽和 富馬酸鹽混合溶液是富馬酸鹽溶液經(jīng)過微生物發(fā)酵或生物轉(zhuǎn)化方法獲得的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述L-蘋果酸的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述富馬酸的用量 與L-蘋果酸鹽和富馬酸鹽混合溶液中的L-蘋果酸鹽和富馬酸鹽的總和的摩 爾比是1.1:1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述L-蘋果酸的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述酸化處理反應(yīng) 溫度為30°C~100°C，反應(yīng)時(shí)間為1小時(shí)~10小時(shí)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l或4所述L-蘋果酸的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述酸化處理 反應(yīng)溫度為50。C 70'C，反應(yīng)時(shí)間為2小時(shí) 5小時(shí)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述L-蘋果酸的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述酸化處理反應(yīng) 完全后，獲得的溶液pH在3 3.5之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述L-蘋果酸的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述后處理步驟包 括以下步驟1) 濾出所述酸化處理后溶液中析出的富馬酸單鹽；2) 對(duì)經(jīng)過步驟1)過濾后的含有L-蘋果酸單鹽的濾液進(jìn)行除陽離子處理， 獲得含有少量富馬酸的L-蘋果酸溶液；3) 分離經(jīng)步驟2)所得L-蘋果酸溶液中含有的少量富馬酸，以備循環(huán)使用；4) 將經(jīng)過步驟3)得到的L-蘋果酸溶液按照常規(guī)方法處理獲得L-蘋果酸結(jié) 晶和L-蘋果酸母液，母液可備循環(huán)使用。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述L-蘋果酸的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述除陽離子處理 采用強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂柱或電滲析的方法。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述L-蘋果酸的生產(chǎn)方法，其特征在于，用堿對(duì)所述步驟l) 濾出的富馬酸單鹽進(jìn)行中和，使其轉(zhuǎn)化為富馬酸鹽，以備循環(huán)使用。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述L-蘋果酸的生產(chǎn)方法，其特征在于，當(dāng)被酸化處理的混 合溶液為L-蘋果酸鈉和富馬酸鈉混合溶液時(shí)，所述中和用堿為氫諷化鈉；當(dāng) 被酸化處理的混合溶液為L-蘋果酸銨和富馬酸銨混合溶液時(shí)，所述中和用堿為氨水。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種L-蘋果酸的生產(chǎn)方法，尤其涉及L-蘋果酸生產(chǎn)過程中富馬酸鹽和L-蘋果酸鹽的分離方法，采用富馬酸對(duì)L-蘋果酸鹽和富馬酸鹽混合溶液進(jìn)行酸化處理，使上述混合溶液轉(zhuǎn)化為L-蘋果酸單鹽和富馬酸單鹽的混合溶液，再經(jīng)后處理步驟獲得L-蘋果酸，本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中分離L-蘋果酸鹽和富馬酸鹽的過程中原料消耗大，后處理量大，效率低，能耗高等問題，顯著降低了L-蘋果酸的生產(chǎn)過程中的成本和損耗，同時(shí)明顯提高了L-蘋果酸的生產(chǎn)效率。
文檔編號(hào)C07C59/245GK101190882SQ20061014976
公開日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2006年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月27日
發(fā)明者巖 張, 李云政 申請(qǐng)人:李云政