D-异抗坏血酸生产技术研究进展
周 强1, 2,魏 转3,孙文敬1, 2,*,余泗莲2,李中兵2
(1.江苏大学食品与生物工程学院,江苏 镇江 212013; 2.百勤异VC钠有限公司,江西 德兴 334221;
3.河北化工医药职业技术学院制药工程系,河北 石家庄 050026)
摘 要: D-异抗坏血酸是维生素C的一种光学异构体,主要用于食品的抗氧保鲜。本文介绍了D-异抗坏血酸及其钠盐生产技术的研究进展,提出了国内D-异抗坏血酸及其钠盐生产中存在的主要问题及改善对策。关键词:抗氧化剂;D-异抗坏血酸;D-异抗坏血酸钠;生产技术
Research Progress on Production Technology of Erythorbic Acid
ZHOU Qiang1,2 ,WEI Zhuan3 ,SUN Wen-jing1,2,*,YU Si-lian2,LI Zhong-bing2
(1.College of Food and Biological Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2.Parchn Sodium Isovitamin C Co. Ltd.,Dexing 334221, China;3.Department of Pharmaceutical, Hebei Chemical and Pharmaceutical College, Shijiazhuang 050026, China)
Abstract: Erythorbic acid is a stereoisomer of vitamin C acting as a food antioxidant. The paper summarizes the research progresson the production technologies of erythorbic acid and its sodium salt, the main problems and corresponding solutions of thedomestic erythorbic acid and its sodium salt production.
Key words: antioxidant; erythorbic acid; sodium erythorbate; production technology
中图分类号:O658 文献标识码:A 文章编号:1002-6630(2008)08-0647-05
D-异抗坏血酸(erythorbic acid,EA)是维生素C(抗坏血酸,VC)的一种光学异构体,与VC的化学性质相似,具有强烈的还原作用。在生理效应方面,尽管EA的抗坏血病作用仅为VC的1/20,但其具有的降压、利尿、解毒、促进肝脏糖原生成及色素排泄的作用与VC几乎相同[1]。
EA及其钠盐——D-异抗坏血酸钠(sodium erythorbate,EN)的用途十分广泛,归纳起来有:作为食品抗氧化剂和肉制品的防腐助色剂;作为药品、药品或卫生用品的辅助材料;作为化工原料的稳定剂;作为除氧、抗蚀、除垢溶剂的重要组分;作为油田地层酸化处理的化学添加剂;作为电解、电镀中的电解质;用于金属微粉的生产和贵重金属的回收;用于一些高分子聚合物的制取;作为影像记录材料的生产原料。此外,EN在纺织、建材、军工和日用化工等方面也有应用[2]。
尽管EA(EN)的用途很广,但其最主要的用途仍在食品加工方面。在FAO/WHO联合食品添加剂专家委员会有关EA(EN)的毒理学评价报告[3]中,列出了以下研究
结果:当摄入量达到1g/kg体重时, EA(EN)对啮齿动物没有胚胎毒性和致畸性;鸡胚胎实验不能证明EA(EN)对人有潜在的致畸性和胚胎毒性;长期毒性和致癌性研究实验显示,EA(EN)没有任何明确的毒性或致癌作用;EA比VC难吸收,在组织中难储存,在肾中难以再吸收,且很快排泄;在EA数量高于VC很多时,才会明显干涉组织中VC的吸收和储存;在高剂量的EA(EN)消耗期过后,人体对VC的吸收与摄入高剂量EA(EN)前相比没有变化。鉴于EA(EN)的安全无毒性和优良的抗氧化性能,20世纪90年代以来,EA(EN)在国内外食品加工中得到了普遍采用。
关于EA在自然界的分布尚无报道[4],市场上所有的EA(EN)产品均为人工合成产品。目前,EA(EN)的生产技术主要有3种,即直接发酵法[5]、间接发酵法[6](或半合成法)和酶法[7]。本文主要概述EA(EN)生产技术的研究进展。1
直接发酵法
直接发酵法的基本工艺过程为:首先利用真菌直接
收稿日期:2008-04-21
基金项目:2008年江西省主要学科学术和技术带头人培养计划项目作者简介:周强(1968-),男,高级工程师,主要从事生物化工技术的研究。E-mail:service@parchn.com*通讯作者:孙文敬(1964-),男,研究员,博士,主要从事生物化工研究。E-mail:sunwenjing1919@163.com
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食品科学※专题论述
转化发酵培养基中的葡萄糖为EA,然后通过过滤、离子交换等方法对发酵液进行净化,再经浓缩、结晶等过程得到EA成品。
EA的生物合成途径[8-9]如图1所示。
D-葡萄糖 ①
→ D-葡萄糖酸-δ-内酯 → D-葡萄糖酸-γ-内酯 ↓ ↑ ↓②
D-葡萄糖酸 D-异抗坏血酸① 葡萄糖氧化酶(E.C.1.1.3.4);② 葡萄糖酸内酯氧化酶(E.C.1.1.3.X)。
图1 EA的生物合成途径
Fig.1 Biosynthesis pathway from glucose to EA
Takahashi等[5]首先发现青霉菌(Penicillum)的葡萄糖代谢产物中EA的存在,但其在培养基中的积累量只有0.5~2.0 g/L。此后,Yagi等
[10]
尝试从不同种属的微生
物中筛选EA的生产菌株,但仅从青霉属中得到20余株,并由此认为,葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOD)广泛存在于真菌中,而似乎只有青霉属的一些种才能产生葡萄糖酸内酯氧化酶(D-gluconolactone oxidase,GLO)。
采用物理诱变的手段可以有效提高菌株的EA生产能力[11],使其发酵转化率达40%以上,发酵液中EA的积累量超过40.0g/L。20世纪80年代以来,国内学者进行了大量的相关研究工作
[12-15]
,但尚未取得突破性的进展。
有关发酵液中EA的提取方法报道较少,但通过过滤、离子交换、浓缩、结晶等简单的处理过程即可得到EA的结晶品[12]。
尽管已有直接发酵法用于EA工业生产的报道[12-14],但实地考察发现,至少目前没有采用该种方法的EA生产企业。究其原因,可能有以下几个方面:(1)直接发酵法生产EA的技术关键在于高产菌株的选育,但目前生产菌株的产酸水平不高,对葡萄糖的转化率不超过45%,在经济指标难以符合工业化生产的要求;(2)Fe
3+
对EA的生物合成具有较强的抑制作用,且发酵周期偏长,因而该技术对设备的要求比较苛刻,难以实现工业化生产;(3)该技术对原料的纯度要求较高,不利于生产成本的降低。2
间接发酵法
间接发酵法的基本工艺过程为:首先利用细菌转化发酵培养基中的葡萄糖为2-酮基-D-葡萄糖酸(2-keto-D-gluconic acid,2KGA),然后对发酵液进行净化、浓缩,再经酯化、转化(包括分子内酯交换和互变异构化反应)、酸化和精制等过程制得EA成品[6, 16]。
有关2KGA发酵的最新研究进展已有报道,在本文中不再赘述。由2KGA化学合成EA(EN)有两种途径[17] :
(1)2KGA发生分子内酯化反应合成EA。2KGA分子内含有可直接发生酯化反应的羧基和醇羟基,还含有可发生互变异构反应的羰基,在催化剂无机酸存在下加热2KGA水溶液可以得到EA。其反应收率与反应温度、2KGA的浓度、催化剂的种类和用量、反应时间等因素密切相关。该途径的特点是步骤少、操作简单,但反应收率只有20%~57%[18],并未在工业生产中得到应用。该途径反应收率较低的原因是:内酯化过程需要较高的活化能,要使反应顺利进行就必须提高反应温度,但反应温度的提高容易使2KGA发生脱羧反应[19]。脱羧反应的发生,势必影响反应收率;(2) 2KGA经过酯化、转化得到EN,再经酸解即可得到EA,这是目前工业合成EA的途径,被国际上所有的EA(EN)生产企业包括辉瑞(Pfizer)公司、PMP公司、罗盖特(Roquette)公司、郑州拓洋公司和德兴百勤公司所采用。采用该途径合成EN的方法大致可分成两种:以2KGA的钙盐(2KGCa)为起始原料的合成方法和以2KGA为起始原料的合成方法。2.1
以2KGCa为起始原料的EN合成方法
2KGCa与无机酸反应生成2KGA和无机盐,然后在无机酸的催化下,2KGA与甲醇发生典型的酯化反应生成2-酮基-D-葡萄糖酸甲酯(Methyl 2-ketogluconate,2KGM)。由于2KGA的羧基碳有较大的电正性(邻位有吸电子的羰基),和甲醇分子亲核进攻羧基碳的空间位阻较小,所以酯化反应很容易进行[17]。
以2KGCa为起始原料的酯化反应的催化剂可以是H2SO4[20]、HNO3或HClO4等[21]。以硫酸为催化剂时,回流反应时间5~6h。由于反应产生的不溶性的CaSO4存在于反应体系中,因此必须趁热滤除反应溶液中的沉淀物,然后通过冷却、过滤的方法得到2KGM(酯化收率为理论产率的85%左右,2KGM的熔点173℃)。以HNO3或HClO4为催化剂时,40~50℃反应3~5h即可。由于反应产生的无机盐溶解于反应溶剂中,直接冷却、过滤即可得到2KGM,其收率约为理论产率的84%~86%,2KGM的熔点在172~175℃。另外,Hathway
[22]
报道了一种变相的以2KGCa为起始原料的2KGM合成
方法,即提取出2KGCa后,用硫酸溶解过滤,然后将所得的滤液减压浓缩至糖浆状,再加甲醇和少量硫酸回流反应4~5h。该方法报道的酯化收率为理论产率的85%~90%,2KGM的熔点为173~177℃。
国内学者[23]对以2KGCa为起始原料的酯化反应条件也进行了比较深入的研究,但结果并不理想。以HNO3为催化剂时,酯化收率一般不超过理论产率的75%,2KGM的熔点也较低;以H2SO4为催化剂时的酯化效果更差,酯化收率只有理论产率的45%左右,2KGM的熔点仅为140℃左右。因此,国内在20世纪80年代中期
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的2KGM生产中,多采用HNO3作为酯化反应的催化剂。
以甲醇为溶剂,2KGM在碱作用下发生分子内酯交换和互变异构反应生成EN。该反应的用碱可以是NaOH,也可以是NaHCO3。将2KGM悬浮于甲醇中,在一定温度下加入NaOH或NaHCO3的悬浊液,然后加入定量的水,再经冷却、过滤即可以理论产率85%左右的收率(产品纯度98.9%~100%)得到EN[24]。在2KGM转化为EN的反应中,采用NaOH比采用NaHCO3的转化效果要好,无论是转化收率还是在EN的质量上。采用NaOH转化,EN的收率可以达到理论产率的87%以上,产品纯度可以达到98%左右[23]。
张俊贤等[25]研究了甲醇和NaOH用量对转化反应的影响。研究结果表明,甲醇用量愈大,转化收率愈高,EN质量亦好。当甲醇用量增加到一定程度时,转化收率及EN的质量再无明显变化(转化收率达理论产率的91%以上,EN纯度99%以上);当NaOH的用量超过2KGM的0.96倍(摩尔比)时,转化收率和EN的质量都有明显降低。在20世纪80年代至2000年前后的10多年里,国内2KGM转化为EN的工业生产工艺采用了该研究结果。
在转化反应中,碱首先与甲醇反应生成CH3ONa和水,尽管这种反应趋势很小,但随着CH3ONa的消耗,平衡就不断地朝生成CH3ONa的方向进行。理论上,2KGM和EN在H2O/OH-介质中均会通过水解反应不可逆地转变为2KGA的钠盐。因此,在转化反应中,碱的用量必须严格控制,否则既会影响反应收率也会影响EN的质量。另一方面,水的量愈大,OH-离子的浓度愈大。因此,应尽可能的少引入水,以减少EN的水解。从这个意义上讲,与NaOH 和NaHCO3相比,利用Na2CO3作为转化反应用碱更好。另外,反应温度愈高,水解反应愈容易进行[17]。
EN的精制过程比较简单,一般是加水溶解、脱色后过滤、冷却、离心(过滤)、干燥即可得到EN成品[26]。近藤修[21]报道,在HNO3存在的条件下酯化,所得2KGM中检测不出Ca2+的存在。但国内学者[26]的研究结果表明,2KGM中仍有微量的Ca2+存在。以这样的2KGM合成的EN经溶解、脱色和结晶的方法精制后,其成品的澄明度难以合格。因此,国内在EN的精制中加入草酸或草酸铵以除去超量的Ca2+。
以2KGCa为起始原料的EN合成中间试验表明,该工艺对2KGCa的提取收率为75.8%,酯化收率为75.9%,转化收率为83.0%,精制收率为83.3%,EN对葡萄糖的总收率为36.5%[26]。
从国内工业生产情况来看,以2KGCa为起始原料合成EN的工艺存在着一些缺陷:产品收率特别是2KGCa的提取收率偏低;产品质量难以保证,经常发生产品变
色现象[27]。因此,该工艺在20世纪80年代后期逐步被以2KGA为起始原料的EN合成工艺所取代。2.2
以2KGA为起始原料的EN合成方法
该方法与以2KGCa为起始原料的EN合成方法的区别在于发酵液的处理及酯化反应上。
Hathaway[22]以理论计算量的硫酸处理2KGA发酵液中的Ca2+后,低温下减压浓缩滤液至糖浆状,然后加入2KGA重量的约1.5倍体积的甲醇和少量浓硫酸,回流反应4.5h,以理论产率83%左右的收率得到了2KGM,其熔点为173~175℃。Jaffe和Pleven[28]采用硫酸酸化的方法除去发酵液中85%~97%的Ca2+及固形物后,采用脱色、离子交换的方法对发酵液进行处理。低温下减压浓缩离交液至糖浆状(含水19%~30%),加入2KGA重量的约3倍体积的甲醇和少量浓硫酸,在惰性气体如N2的保护下回流反应4.5~5.0h,以理论产率的95%左右的收率得到了2KGM,其熔点为174.5~176.5℃。如果发酵液中的2KGA以铵盐的形式存在时,可采用过滤(或离心)的手段除去发酵液中的固形物,然后通过离子交换对发酵液进行净化[29]。
林耀辉等[26]采用了与Jaffe和Pleven[28]相似的方法对2KGA发酵液进行了净化处理,然后将2KGA重量的约2倍体积的甲醇和少量浓硫酸加入浓缩的2KGA浆液中(含水不超过20%),回流反应7~8h,以不到理论产率80%的收率得到了2KGM。
蒋明珠等[6]改进了Hathaway[22]的2KGA发酵液的净化处理方法(采用草酸将发酵液中Ca2+处理至0.07%左右),结合张俊贤等[25]的研究结果,将以2KGA为起始原料的合成方法用于国内的EN工业化生产。在生产性实验中,该工艺对发酵液的净化收率为95%左右,酯化收率75%左右,转化收率86.5%以上,精制收率为90%左右,EN对葡萄糖的总收率为43.1%~48.7%。与当时国内以2KGCa为起始原料的EN合成方法相比,该方法简化了生产步骤,提高了EN收率,降低了生产成本,保证了产品质量[27]。
为了提高合成收率、减少甲醇的消耗,国内学者在20世纪90年代中期开展了不分离2KGM直接进行转化反应的研究工作,使酯化、转化和精制三个步骤的收率达到了70%左右[31-32]。20世纪90年代后期,国内EN工业生产采用了类似的不分离2KGM的生产方法。顾立新等[32]报道,在不分离2KGM的酯化、转化反应中,引入精馏脱水反应工艺,酯化、转化和精制三个步骤的收率可以达到了理论产率的86%左右。由于设备条件等诸多因素的限制,该工艺在工业生产中难以得到实施。
从国内的实际生产看,不分离2KGM的合成工艺存在的主要问题是:(1)合成母液中含有大量的盐分,回收甲醇后产生的废水的CODCR 浓度高达100000mg/L以上,
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食品科学※专题论述
可生化性差,为了达到环保要求,生产企业通常采用浓缩焚烧的方法进行处理,既浪费资源,又容易污染环境;(2)EN粗品的纯度不高,一般只有85%左右,为了保证产品的质量,有的企业采取了两次精制的方法,也有企业采取了在转化反应中加水以提高EN纯度的方法。在水存在的条件下,无论转化用碱是NaOH、NaHCO3还是NaCO3,均会产生OH-,OH-/H2O的存在就会导致尚未反应的2KGM和转化产物EN的水解,从而影响转化收率[33]。
近年来,国外也在不断探讨改进EN的生产方法。Spigno等[34]设计了一个膜反应器,当2KGA溶液进入这个系统时,溶液中的水分被分离,而2KGA扩散至异辛烷或其他有机溶剂中,然后继续扩散至甲醇中进行酯化反应。在这个系统中,酯化反应液一直处于循环状态,反应生成的2KGM被不断的分离。从其实验结果来看,该工艺实现工业化似乎尚有很长的路要走。2.3
以EN为起始原料的EA生产方法
以EN为起始原料的EA生产方法大致可分成两种:(1)离子交换法:将EN配制成一定浓度的水溶液,用阳离子交换树脂处理,再经浓缩、结晶等步骤得到EA
[35]
;(2)酸化法:用硫酸或盐酸与EN在溶液中反应,除去EN的Na+,再经过滤、结晶等步骤得到EA[16]。根据使用的溶剂不同,可将酸化法分成甲醇溶剂酸
化法[16]和水溶剂酸化法[36]。
甲醇溶剂酸化法是20世纪90年代中期国内EA工业生产所采用的方法,也是目前国外EA企业所采用的工艺,该法利用的是硫酸钠在甲醇中沉淀的原理。也有人研究了在转化反应结束后不分离EN直接加酸生产EA的方法[35],但EA的质量难以保证。水溶剂酸化法是目前国内EA工业生产所采用的方法,利用的是氯化钠在水中的溶解度远远大于EA溶解度的原理。3
EA的酶法生产技术
在一定的温度和酸度下,内酯酶(如葡萄糖酸内酯酶、内酯脱氢酶等)可以将溶液中的2KGA转化为EA[7]。反应溶液可以是水、乙醇、不含乙醇的有机溶剂或含水乙醇和不含乙醇的有机溶剂的混合物。尽管这种方法的反应步骤十分简单,但由于产率太低,没有工业应用价值。4
目前国内EA(EN)生产中存在的问题及改善对策从对EA(EN)生产技术研究现状的了解来看,直接发酵法和酶法要在近期取得突破是不太现实的,间接发酵法可能是今后较长时期内工业生产EA的方法。我国是目前国际上最大的EA(EN)生产国,年实际生产量已经达到了30000吨左右,并凭借生产成本的优势,占据
了80%以上的国际市场份额。但是,就该产品的生产技术水平而言,我国与发达国家还存在着较大的差距,具体表现在以下几方面:(1)产品收率低:国外EN对葡萄糖的总收率为70%左右,而国内不超过60%;(2)产品质量仍有欠缺:虽然我国产品的质量可以达到FCC(Ⅴ)规定的各项指标要求,但在一些定性(非定量)指标如澄明度、色度和异物等上与国外产品存在一定差距;(3)没有实现真正的清洁生产:生产过程中产生的废水和废渣没有实现充分的综合利用,既浪费资源又容易污染环境;(4)能源消耗偏高:国内单位产品的能源消耗为国外的1.5倍以上。因此,开展EA(EN)间接发酵技术的优化工作具有重要的现实意义。
EA(EN)间接发酵技术的优化主要从以下几方面着手:采取分离2KGM的合成工艺,优化酯化反应条件,从根本上解决该工艺产生的高浓度废水问题,同时大幅提高EN的粗品质量;在EN粗品质量提高的基础上,将目前的二次精制改为一次精制,以提高精制收率;采用各种节能新技术,实现生产设备的大型化、生产工艺连续化,以降低能源消耗;降低精制过程中的溶解温度,改善精制过滤设备,克服产品在一些定性指标上的缺陷。
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