有机酸工艺学-其它有机酸发酵工艺-苹果酸2020

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同时加CaCO3 2%,27℃振荡培养5d,1.0L 培养基中含L-苹果酸25.2g/L。
¡ 酶催化法生产苹果酸
¡ 日本田道制药公司首创以精制富马酸为原料,通过
产氯杆菌菌体固定化,将富马酸转化成L-苹果酸。
¡ 1972年,千火田一郎等,以产氨短杆菌为生产菌株, 以聚丙烯酰胺凝胶为载体进行菌体固定化连续生产
¡ 1997年Bayer公司称,美国和欧洲软饮料使用的酸 味剂中,将减少柠檬酸用量,增加L-苹果酸用量, 尤其在使用二肽甜味剂时更能突出L苹果酸风味,
改善口感,提高产品质量。
¡ 我国的L-苹果酸产量仅为2万吨左右。 ¡ 主要企业有:
¡ 浙江常茂生物化学工程股份有限公司(产量 3000吨L-MA,10000吨DL-MA),
¡ 苹果酸的水溶液在Fe2+催化下与H2O2反应生成草酰 乙酸。
¡ 苹果酸在三氯化硼催化下,可与醇发生酯化反应, 形成苹果酸酯。
¡ 与多元醇,芳香多元羧酸作用,可形成树脂类产品, 如醇酸聚树脂。
¡ 苹果酸酯在氨的醇溶液中能形成苹果酸酰胺。
4.2.2.2苹果酸的用途
¡ 苹果酸得最大用途在食品加工业,其次在医药行业 和化学工业也有应用。
¡ 丙酮酸羧化的 CO2来源于发酵液中加入的 CaCO3 ¡ ,因此 1 分子葡萄糖可以生成 2分子苹果酸,理论摩尔转化
率为 200%。
4.2.3.1一步发酵法 (1)一步发酵法产苹果酸菌种的选育
¡ 直接发酵法主要采用的微生物是:黄曲霉、 米曲霉(Aspergillus oryzae)、寄生曲霉 (Asp.parasiticus)、出芽短梗霉 (Aureabasidium pullulans)等。
¡ 南京国海生物工程有限公司(产量10000吨 DL-MA ),
¡ 安徽雪郎生物科技股份有限公司(产量2000 吨DL-MA )。
¡ 长城生物化学工程有限公司(产量2000吨 DL-MA )
4.2.2苹果酸的性质以及用途
¡ 4.2.2.1苹果酸的性质
¡ 苹果酸又名羟基丁二酸或羟基琥珀酸,分子量
134.09
¡ 性状:无色结晶,易吸潮。
¡ 相对密度(d420)1.595。熔点约130℃,沸点150℃(分 解)。
¡ 易溶于水,1g苹果酸能溶于1.4mL醇、1.7mL醚、 0.7mL甲醇、2.3mL丙醇、几乎不溶于苯。
¡ 具有酸味,结晶体,在水中具有旋光性。
¡ 分子中含有一个不对称碳原子,故有L-、D-、DL型
¡ 在建材行业,苹果酸添加在水泥中,可缩短凝固时间,防止碱 性聚合反应发生,提高混凝土的强度,
¡ 苹果酸还可作为饲料添加剂,改善汽车排气质量。
4.2.3苹果酸的生产方法
¡ 目前采用的和发酵或生物转化法相关的方法 主要有:一步发酵法,二步发酵法,固定化 细胞或酶法转化。
¡ 4.2.3.1 苹果酸合成途径 ¡ 4.2.3.2一步发酵法 ¡ (1)一步发酵法产苹果酸菌种的选育 ¡ (2)一步发酵法发酵工艺与条件 ¡ 4.2.3.3二步发酵法 ¡ 4.2.3.4固定化细胞或酶法
第四章 其他有机酸发酵工艺学
4.2苹果酸的发酵生产 4.2.1概述 4.2.2苹果酸的性质以及用途 4.2.3苹果酸的生产方法 4.2.4苹果酸的提取和精制工艺
4.2.1概述
¡L-苹果酸(L-malic acid简称L-Ma)是生物体 糖代谢过程中产生的重要有机酸,广泛存在 于生物体中、在未成熟的苹果、葡萄、樱桃 等的水果和蔬菜中含量约为0.4%。
L-苹果酸。
¡ 但利用此菌种进行反应过程中,副产物琥珀酸很难与L-苹果酸分开,经过反复试 验,用含脱氧胆酸或胆酸的基质溶液进行处理,可抑制副产物琥珀酸的生成。 提高了L-苹果酸的产量。在工业生产上选择了最廉价的胆汁为胆酸。抑制副产 物琥珀酸的生成。
¡ 1974年田边制药公司以此法进行L-苹果酸连续生产。 在容积1000L的充填塔中,日夜连续反应,日产L苹果酸15.4公斤。
¡ 苹果酸在食品行业的应用:
¡ (1)苹果酸具有明显的呈味作用,其酸味柔和、 爽快,与柠檬酸相比刺激性缓慢、保留时间长,具 有特殊的香味,并且不损伤口腔和牙齿等特点。
¡ (2)苹果酸常与人工合成的二肽甜味剂阿斯巴甜
(L-苯丙氨酸与L-天冬氨酸)配合使用,作为
软饮料的风味固定剂。
苹果酸在医学方面的作用:
途径合成丙酮酸,然后通过三羧酸循环和乙醛酸途
径合成苹果酸。因此该途径的总反应式为:
¡ 3 分子葡萄糖可生成 4 分子 L-苹果酸,并放出 2 分 子 CO2,所以,该途径的理论摩尔转化率为 134%。
¡ 第三条途径
¡ 是葡萄糖先经糖酵解途径形成丙酮酸,在丙酮酸羧化酶的作 用下,丙酮酸结合外源CO2合成草酰乙酸,草酰乙酸在苹果 酸脱氢酶的作用下还原为苹果酸。此途径的总反应式为:
¡ 用由于pH值调节,因此可作牙膏及烟草的调味剂、皮肤清洁 剂、焊锡助焊剂、洗涤剂、废气脱硫剂、锅炉水垢清洁剂、空 气清洁剂和除臭剂,特别是清除室内鱼腥臭、香烟臭及食品贮 藏室的异味,
¡ 代替柠檬酸作为各种金属表面或容器的除锈剂。代替草酸作为 各种石块的表面清洗剂,使其表面变得光滑、平整、美观;
¡ 苹果酸是制备特殊性能聚合物的单体,用苹果酸聚合可合成生 物降解塑料,有利于环境保护;
¡ 苹果酸发酵研究历史。 ¡ 我国在发酵法生产苹果酸方面的研究工作。 ¡ 苹果酸发酵生产的现状。
苹果酸发酵研究历史
¡ 早在1925年Kostychev等利用酵母发酵蔗糖时,同 时加CaCO3的培养基中就获得了L-苹果酸。
¡ 1959年阿部重雄等普查了260株曲霉、120株青霉 和80株根霉的产苹果酸能力,选出了黄曲霉A-114 菌株,并对此菌株进行发酵条件的探索。摇瓶发酵 7~9d、产苹果酸最高浓度可达50g/L。
¡ 1981年起无锡轻工大学金其荣等,普查了261株各 种曲霉的苹果酸生产能力,并对菌种进行了诱变处 理和发酵最佳条件的探讨,选出了优良菌株黄曲霉 (Aspergillus flavus)UVT3,并在昆山味精厂协作 下完成了500L罐中试,糖酸转化率稳定在68%左右。
¡ 固定化细胞生产苹果酸
¡ 1991年吴梧桐用K-卡拉胶固定黄色短杆菌,用 0.3mol/L KCl作固化剂,胆汁酸作激活剂、半衰期 为200d。 以富马酸钠为底物,反应生成L-苹果酸钠和剩余的 富马酸钠。利用苹果酸钙溶解度比富马酸钙低的特 性,将L-苹果酸从混合液中分离出来。
¡ ⑦抗牙垢,苹果酸具有酸度大、味道柔和、香味独 特及苹果酸的腐蚀破坏作用比较弱,相应的牙釉质 磨损体积损失较小,有不损害口腔和牙齿等特点。
¡ ⑧可以改善脑组织的能量代谢,调整脑内神经递质, 有利于学习记忆功能的恢复,对学习 记忆有明显的 改善作用
¡ 其他行业的应用:
¡ 苹果酸具有抗氧化和较强的螯合作用,作为保色剂和增效剂, 广泛用于染料工业;
苹果酸合成途径
¡ 第一条途径 ¡ 是不经过丙酮酸羧化支路和乙醛酸循
环补充四碳酸, ¡ 葡萄糖先经糖酵解途径合成丙酮酸,
然后经三羧酸循环合成 L-苹果酸。 此途径的总反应式为:
¡ 由于 1 分子葡萄糖只能生产 1 分子 苹果酸,并放出 2 分子 CO2,因此, 该途径的理论摩尔转化率为 100%。
¡ 第二条途径 ¡ 是通过乙醛酸循环补充四碳酸,葡萄糖先经糖酵解
¡ 日本扶桑、理研、川崎化成三家公司的苹果酸生产能力占世 界生产能力之60%。
¡ 由于D-苹果酸不能被人体所利用,因此DL-苹果酸的消费市 场将受到限制。
¡ 1988年苹果酸在美国酸味剂市场上占有率为 4%.到1991年上升到4.5%。但由于苹果酸的价格 太高,故只用于特殊食品。一步发酵法一旦大规模 投产,的价格将会有大幅度地下降。
¡ 金其荣等选出的黄曲霉T2803菌种,经诱变剂联合处理后经, 获得株 产酸较稳定的菌种TH5007。可用薯干粉经α-淀粉酶 液化后作初糖进行发酵,而在发酵中间加入葡萄糖,使总糖 达到13%,发酵产L-苹果酸达7.33%,扣除杂酸,对糖转化 率为56.4%,发酵强度1g/(L.h)的结果。
L-苹果酸生产现状
¡ 目前世界苹果酸主要生产国有美国、加拿大、日本等,世界 总产量每年约为10万吨,
¡ 其中L-苹果酸产量每年约为4万吨,而世界市场潜在需求量 达到每年6万吨,日本是世界主要的L-苹果酸生产国与出口 国
¡ 主要生产厂商:日本扶桑化学公司,美国Denka化学公司, 加拿大Batek化学公司以及英国、南非等,但这些公司是用 化学合成法生产,产品为DL-苹果酸,每吨售价2.4-3.0万元 人民币。
¡ 1961年 以色列Battat,用黄曲霉进行16L发酵罐, 发酵苹果酸,同时多个四碳酸产生,未进行扩大生 产。
¡ 1976年米光英一,利用出芽短梗霉 (Aureobasidium pullulans)可直接由糖质 原料生产L-苹果酸。
葡萄糖50g、NaNO3 2.0g、KH2PO4 1.5g、 MgSO4·7H2O 0.05g、酵母膏0.05g,水1.0L 配成培养基、灭菌冷却后,接种出芽短梗霉,
¡ ①苹果酸在物质代谢途径中所处的特殊位置, 可直接参与人体代谢,被人体直接吸收,实 现短时间内向肌体提供能量,消除疲劳,起 到抗疲劳、迅速恢复体力的作用利用苹果酸 的抗疲劳、护肝、肾、心脏作用可以开发保 健饮料
¡ ②代谢的正常运行可以使各种营养物质顺利分解,促进食物 在人体内吸收代谢,低热量,可有效地防止肥胖,可以起到 减肥的作用。
¡ ③在药物中添加苹果酸可增加其稳定性,促进药物在人体的 吸收、扩散;复合氨基酸输液生产中就是利用L-苹果酸这一 功能而用它来调节pH值的,同时作为混合氨基酸输液组分 之一,可提高氨基酸利用率。
¡ 用于治疗尿毒症、高血压等和减少抗癌药物对正常细胞的侵 害,用于癌症放、化疗后的辅助药物,用于烧伤治疗可以促 进伤口愈合。
¡ 1987年 Chikata、Ichiro等建立了一个1000L的以K卡拉胶固定黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)的 固定化反应柱,持续6个月,每小时能生产 42.2Kg/L苹果酸。
¡ 1990年 Fialovo、Marie等建立了一个中试车间,用 藻朊酸固定棒杆菌细胞、流加富马酸盐溶液,每 90d生产20吨苹果酸(222Kg/d)。
¡ 特点:三羧酸循环中苹果酸到草酰乙酸这一 步的苹果酸脱氢酶缺失或处于低水平使得苹 果酸得以积累。
(2)一步发酵法发酵工艺与条件
一步发酵法又称直接发酵法,即采用一种微生 物直接发酵糖质原料或非糖质原料(如正构烷 烃)生成L-苹果酸的方法。以糖类为原料,由 黄曲霉、米曲霉等直接发酵生产苹果酸
这些微生物最大的特点就是三羧酸循环中苹果酸到草酰乙酸这一 步的苹果酸脱氢酶缺失或处于低水平使得苹果酸得以积累。
¡ 田边制药公司和三菱化成公司用此工艺大量生产L苹果酸。产品主要用于医药工业的大输液、pH调节 剂和某些药物的中间体。
我国在发酵法生产苹果酸方面的研究工作
¡ 直接发酵生产苹果酸
¡ 中国科学院北京微生物研究所研究了固定化皱褶假 丝酵母(Candida rugosa)的苹果酸生产技术。
¡ 福建省三明真菌研究所研究了L-苹果酸的霉菌固体 发酵。
¡ ④L-苹果酸可以促进氨代谢,降低血氨浓度,对肝脏有保护 作用,是治疗肝功能不全、肝衰竭、肝癌尤其是肝功能障碍 导致的高血氨症的良药。
¡ ⑤L-苹果酸作为治疗心脏病基础液成分之一百度文库用于 K+ 、Mg2+的补充,保持心肌的能量代谢,对心肌 梗塞的缺血性心肌层起到保护作用。
¡ ⑥L-苹果酸是乳酸钙注射液的稳定剂,也可作为抗 癌药的前体及用作动物生长促进剂。
在40℃时富马酸钙的溶 解度达9.1×10-2mol/L,而
苹果酸钙的溶解度仅 为6.7×10-2mol/L。
富马酸钙与苹果酸钙的溶解 度随着体系pH的不同其变 化不大. 在相同pH条件下,富马酸钙 的溶解度较苹果酸钙的溶解 度要大,
化学性质
¡ 苹果酸用发烟硫酸处理可氧化得到75%-80%香豆酸 (2-吡喃酮-5-羧酸 )。
3种。分子式:C4H6O5。
¡
HO-CH-COOH
¡

¡
CH2-COOH
苹果酸钙
¡ 苹果酸钙 ¡ 苹果酸钙(Calcium malate),也称为DL-2-羟基丁
二酸钙,分子式为C4H4CaO5,分子量为172.15。 ¡ 为白色结晶性颗粒或粉末,用于钙质强化剂。
¡ 微溶于水,水中溶解度较低,水溶性大于柠檬酸钙 ,但是在酸性条件下均能稳定溶解。
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