专利名称：L-苹果酸的生产方法
技术领域：
本发明属于食品工业原料生产技术领域，涉及一种L-苹果酸的生产方法， 尤其涉及L-苹果酸生产过程中富马酸和L-苹果酸盐的分离方法。
背景技术：
L-苹果酸作为功能性酸味剂广泛用于饮料及食品工业。苹果酸的酸味持久， 其酸味比拧檬酸强20%，不仅能保持天然果汁的风味，与合成甜味剂合用还可消 除后苦味，可部分或全部代替柠檬酸用于饮料、食品的酸味调节。另外，L-苹果 酸是人体三羧酸循环的重要枢纽之一，具有许多独特的生理功能。天然构型的 L-苹果酸在细胞能量产生过程中发挥着十分重要的作用。同时在生物体内以络合 形式贮存和运输金属离子，因此，L-苹果酸钙可用于预防和治疗因缺钙而引起的 老年性骨质疏松。L-苹果酸还用于鲜肉的加工和保存，可加速肉的熟化和起保鲜 作用。L-苹果酸能诱导皮肤细胞的分裂，改善皮肤组织的生长，因而可用于化妆 品工业。由于柠檬酸会诱导脂肪酸的合成，在食品饮料中使用L-苹果酸可以减 少脂肪合成，苹果酸有减肥的功能。近年来还发现L-苹果酸具有保肝，解毒及 抗抑郁症的作用，是具有巨大应用前景的功能性添加剂。
尽管从天然植物的果实如苹果和五味子中可提取天然构型的L-苹果酸，也 可用DL-苹果酸通过拆分得到L-苹果酸，但从成本和生产效率角度考虑，最具竞 争力的方法是微生物发酵法和生物转化法。US3063910中Shigeo Abe等介绍了 用Aspergillus Parasiticus作为菌株，用糖作为碳源生产L-苹果酸的方法，在发酵 过程中加入碳酸钙作为中和剂，并不断沉淀出L-苹果酸钙，经一系列净化得到 L-苹果酸。DE3310849中Fritz Schindler等用富马酸钠为碳源，经微生物转化为 L-苹果酸钠，转化率达70%。 E.A.Oliveira等人用固定化细胞制备L-苹果酸，将 富马酸钠的溶液以一定浓度， 一定速度流经固定化细胞，得到富马酸钠和L-苹 果酸钠的混合液(Appl. Biochem. Biotechn. 1994， 47: 65)，平衡时，苹果酸与富马 酸的摩尔比可达4:1。无论是用微生物发酵法还是细胞转化法，所得到的产物都 是L-苹果酸盐和富马酸盐的混合物，通常利用L-苹果酸钙的溶解度比富马酸钙 溶解度小的特点，将L-苹果酸盐和富马酸盐(铵盐或钠盐)转化成钙盐，L-苹 果酸钙因溶解度小而析出，所得L-苹果酸钙用硫酸酸化得L-苹果酸和 CaS04 2H20，过滤除去二水合硫酸钙，得到L-苹果酸溶液，经净化、浓縮、 结晶得L-苹果酸，这是目前L-苹果酸的通用生产方法。该方法生产工艺复杂， 路线冗长，在洗涤L-苹果酸钙时损失大，收率低。而在硫酸中和生成石裔时，
由于沉淀很细，难于分离，且吸附大量的L-苹果酸，需要大量水洗，损失大， 浓縮量大，能耗高。更致命的是，含有部分富马酸钙的富马酸钠(或铵)循环回 用时，在细胞转化过程中析出大量L-苹果酸钙沉淀，阻塞固定化细胞柱，致使 需频繁反复冲洗，不仅造成大量物料损失，而细胞容易流失和失活，使用寿命短。 为克服上述缺点，US4772749中，MichaelKarrenbauer等人用阳离子交换树脂除 去L-苹果酸钠和富马酸钠混合溶液中的阳离子Na+，但由于生成的富马酸溶解度 小，在离子交换过程中会析出，因此须在80 90'C下处理。这种方法简化了工艺， 减少了损失，收率提高。US4874700中ReinholdSeipenbusch用电渗析(EDU) 方法除去金属离子Na+ (NH4+)。尽管上述两种方法简单，易行，收率提高，但 由于中和lmol的L-苹果酸和富马酸需2mo1的碱，当除去时，生成lmolL-苹果 酸需除去2mol的阳离子，因而碱消耗大，后处理量大，效率低，能耗高。
发明内容
本发明提供了一种改进的L-苹果酸的生产方法，特别是L-苹果酸盐和富马 酸盐混合液的处理方法，目的是简化工艺，降低中和用碱的消耗，减少后处理量， 提高生产效率，降低成本。
本发明的技术方案是，用富马酸对L-苹果酸盐和富马酸盐的混合溶液进行 酸化处理，使该混合溶液转化为L-苹果酸单盐与富马酸单盐的混合溶液，再经 后处理步骤获得L-苹果酸，其中富马酸用量应足以使上述混合溶液中的L-苹果 酸盐和富马酸盐转化为单盐。
所述L-苹果酸盐和富马酸盐混合溶液是通过微生物发酵或生物转化方法 (Appl. Biochem. Biotechn. 1994,47: 65 、US3063910、US4734368或DE3310849)
用能产生富马酸酶的细胞将富马酸盐转化获得的，还可通过其他同类方法获得， 这些方法都是成熟的现有技术，此处不再赘述。
所述富马酸的用量与L-苹果酸盐和富马酸盐的混合溶液中的L-苹果酸盐和 富马酸盐的总和的摩尔比优选1.1:1。所述酸化处理反应温度为30'C 100'C，反 应时间为1小时~10小时；优选温度为50'C 70'C，优选温度下反应时间为2小 时~5小时。所述酸化处理反应完全后，获得的溶液pH在3 3.5之间。
所述后处理步骤包括以下步骤
1) 滤出所述酸化处理后溶液中析出的富马酸单盐；
2) 对经过步骤1)过滤后的含有L-苹果酸单盐的滤液进行除阳离子处理，
获得含有少量富马酸的L-苹果酸溶液；
3) 分离经步骤2)所得L-苹果酸溶液中含有的少量富马酸，以备循环使用；
4) 将经过步骤3)得到的L-苹果酸溶液按照常规方法处理获得L-苹果酸结
晶和L-苹果酸母液，母液可备循环使用。
用碱对所述滤出的富马酸单盐进行中和，使其转化为富马酸盐，以备循环使 用。当被酸化处理的混合溶液为L-苹果酸钠和富马酸钠混合溶液时，所述中和 用碱为氢氧化钠；当被酸化处理的混合溶液为L-苹果酸铵和富马酸铵混合溶液 时，所述中和用碱为氨水。
所述除阳离子处理采用强酸性阳离子交换树脂柱、电渗析以及其他可去除溶 液阳离子的方法，这些方法己成为成熟的现有技术，此处不再赘述。
本发明是基于L-苹果酸钠(铵)盐、L-苹果酸单钠(铵)盐、富马酸钠(铵) 盐和富马酸单钠(铵)盐之间的溶解度关系。研究发现，L-苹果酸的盐(双钠(铵) 盐和单钠(铵)盐)都具有很好的水溶性，而对于富马酸盐，其溶解度为富马酸 钠(铵) >富马酸单钠(铵) >富马酸。经测定表明，在25'C时，富马酸钠盐的 溶解度为22g/100ml，富马酸单钠盐的溶解度为12g/100ml，富马酸的溶解度为0. 6./100ml。出乎预料的是，当L-苹果酸单钠与富马酸单钠同时存在时，由于同 离子效应，富马酸单钠的溶解度大大降低。研究结果表明，当L-苹果酸单钠为 15.6g/100ml时，富马酸单钠盐的溶解度为4.7g/100ml，而当L-苹果酸单钠的浓 度为31.2g/100ml时，富马酸单钠的溶解度下降到2.1g/100ml。因此，当用富马 酸中和L-苹果酸盐和富马酸盐混合溶液时，L-苹果酸钠(铵)盐转化为L-苹果 酸单钠(铵)盐，富马酸钠(铵)盐转化为富马酸单钠(铵)，而加入的富马酸 转化为单钠(铵)盐。由于富马酸单钠(铵)盐溶解度小而从溶液中析出，经过 过滤得到含少量富马酸单钠(铵)盐的L-苹果酸单钠(铵)盐溶液，经后处理 得到L-苹果酸时，生产lmol的L-苹果酸只需除去lmol的阳离子Na+ (NH/), 处理量只有原来的一半。而过滤出的富马酸单钠(铵)盐只需要加入lmol的碱 即可转化为钠(铵)盐，重新作为原料供细胞转化用，因而碱的用量减少了一半。 工艺流程图见附
图1。
L-苹果酸盐和富马酸盐混合液用富马酸酸化是本发明的关键。酸化反应时， 富马酸的加入量应能使所有二钠(铵)盐转化为单钠(铵)盐，因此加入的富马 酸与转化液中的L-苹果酸钠(铵)和富马酸钠(铵)的总和的摩尔比要大于或 等于l,最好是1.1:1。小于l时转化不完全，过多时，富马酸不能溶解。酸化反 应时间取决于酸化温度，温度过低，酸化时间长，转化不完全，温度过高，转化 速度快，但L-苹果酸有消旋的危险。
本发明方法具有如下的优点
1. 不需要处理钙盐，简化了工艺，提高了生产效率。
2. 减少了损失，提髙了效率，L-苹果酸收率可由目前的80。/。左右提髙到970/()。
3. 碱的用量减少了一半，节约了成本。
4. 除去阳离子的处理量减少了一半，提高了效率，能耗大大降低。
5. 废水排放量大幅降低，减少了环境污染。
附圑说明
图1是本发明提供的L-苹果酸生产流程图。
具体实施例方式
实施例l:
(1) 根据现有技术中的细胞转化法(DE3310849)制备L-苹果酸盐和富马 酸盐混合液。将从土壤中分离得到的Aspergillus wentii属菌株在糖30g/L，磷酸 氨二铵3g/L，硫酸铵2g/L，氯化钾2g/L，硫酸镁lg/L,富马酸钠5g/L的培养液 中培养48小时，过滤分离出细胞。在60-70'C下配制2y。的卡拉胶溶液，降温到 50'C时将分离出的细胞按10e/。 (w/w)加入，搅拌均匀后倒入盘子中凝固，制成 5mmX5mmX5mm的固定化细胞。然后装入8cmX60cm的玻璃柱。将1.4M的 富马酸钠溶液以1000ml/h的速度流经固定化细胞柱，得到L-苹果酸盐和富马酸 盐混合溶液。
(2) 取1000ml经步骤(1)得到的混合液，其中含L-苹果酸钠186g,富马 酸钠56g。将溶液加热到60'C，搅拌下加入170g (摩尔比1.05:1)富马酸，搅拌 反应3.5小时，PH=3.2，冷却到15 20'C，过滤，滤饼用少量水洗，然后用NaOH 中和至PH-7-8供细胞转化用。所得滤液980ml，含富马酸单钠40g。加热至85 'C，通过1500ml 001x7强酸性阳离子交换柱(直径6cm，高60cm),收集淋洗 液经减压浓縮，L-苹果酸浓度增加到40y。时，冷却到10~15'C，过滤回收富马酸。 滤液进一步减压浓縮到L-苹果酸浓度至80~82%，冷却到15'C，结晶出91gL-苹 果酸，母液中含有46gL-苹果酸，母液可循环使用。L-苹果酸收率相当于97。/。。
实施例2:
取1000ml例1步骤(1)得到的混合溶液，其中含L-苹果酸钠186g、富马 酸56g。减压下浓縮至原体积的一半，加入170g的富马酸，在70。C下，搅拌反 应时间2小时，PH降至3.0，冷却到15 20'C，过滤回收富马酸，用少量水洗涤， 得滤液500ml。其中含富马酸单钠12g。滤饼用NaOH中和至PH-7-8,并调节浓 度至1.4M供细胞转化用。滤液加热到85'C，通过1500ml 001x7强酸性阳离子 交换柱，与实施例1处理方法相同，得L-苹果酸91.5g, L-苹果酸收率相当于 98.2%。
实施例3:
取参照实施例1步骤(l)方法制备的1000mlL-苹果酸铵和富马,混合液， 其中含L-苹果酸铵188g，富马酸铵42g。将溶液减压浓縮到原体积的一半，加 入富马酸170g， 65'C下搅拌反应3小时，PH降至3.4,冷却到15 20X:结晶。过 滤，滤饼用少量水洗涤，所得滤饼用氨水中和至PH=7-8，供细胞转化用。所得 滤液450ml，含富马酸单铵18g。将滤液加热至85。C，过1000ml 001x7强酸性 阳离子交换树脂柱(直径5cm，高60cm)。所得淋洗液减压浓縮至L-苹果酸浓 度为45%，冷却到15'C，过滤除出富马酸(供酸化用)。所得滤液进一步减压、 浓縮至L-苹果酸浓度为82~83%，冷却到15 2(TC结晶，过滤、干燥得L-苹果酸 101g，滤液中含L-苹果酸47g (可循环使用)，相当于L-苹果酸收率98.2。/0。
权利要求
1.一种L-苹果酸的生产方法，其特征在于，用富马酸对L-苹果酸盐和富马酸盐的混合溶液进行酸化处理，使上述混合溶液转化为L-苹果酸单盐与富马酸单盐的混合溶液，再经后处理步骤获得L-苹果酸，其中富马酸用量应足以使上述混合溶液中的L-苹果酸盐和富马酸盐转化为L-苹果酸单盐和富马酸单盐。
2. 根据权利要求l所述L-苹果酸的生产方法，其特征在于，所述L-苹果酸盐和 富马酸盐混合溶液是富马酸盐溶液经过微生物发酵或生物转化方法获得的。
3. 根据权利要求l所述L-苹果酸的生产方法，其特征在于，所述富马酸的用量 与L-苹果酸盐和富马酸盐混合溶液中的L-苹果酸盐和富马酸盐的总和的摩 尔比是1.1:1。
4. 根据权利要求l所述L-苹果酸的生产方法，其特征在于，所述酸化处理反应 温度为30°C~100°C，反应时间为1小时~10小时。
5. 根据权利要求l或4所述L-苹果酸的生产方法，其特征在于，所述酸化处理 反应温度为50。C 70'C，反应时间为2小时 5小时。
6. 根据权利要求l所述L-苹果酸的生产方法，其特征在于，所述酸化处理反应 完全后，获得的溶液pH在3 3.5之间。
7. 根据权利要求l所述L-苹果酸的生产方法，其特征在于，所述后处理步骤包 括以下步骤1) 滤出所述酸化处理后溶液中析出的富马酸单盐；2) 对经过步骤1)过滤后的含有L-苹果酸单盐的滤液进行除阳离子处理， 获得含有少量富马酸的L-苹果酸溶液；3) 分离经步骤2)所得L-苹果酸溶液中含有的少量富马酸，以备循环使用；4) 将经过步骤3)得到的L-苹果酸溶液按照常规方法处理获得L-苹果酸结 晶和L-苹果酸母液，母液可备循环使用。
8. 根据权利要求7所述L-苹果酸的生产方法，其特征在于，所述除阳离子处理 采用强酸性阳离子交换树脂柱或电渗析的方法。
9. 根据权利要求7所述L-苹果酸的生产方法，其特征在于，用碱对所述步骤l) 滤出的富马酸单盐进行中和，使其转化为富马酸盐，以备循环使用。
10. 根据权利要求8所述L-苹果酸的生产方法，其特征在于，当被酸化处理的混 合溶液为L-苹果酸钠和富马酸钠混合溶液时，所述中和用碱为氢諷化钠；当 被酸化处理的混合溶液为L-苹果酸铵和富马酸铵混合溶液时，所述中和用碱为氨水。
全文摘要
本发明涉及一种L-苹果酸的生产方法，尤其涉及L-苹果酸生产过程中富马酸盐和L-苹果酸盐的分离方法，采用富马酸对L-苹果酸盐和富马酸盐混合溶液进行酸化处理，使上述混合溶液转化为L-苹果酸单盐和富马酸单盐的混合溶液，再经后处理步骤获得L-苹果酸，本发明解决了现有技术中分离L-苹果酸盐和富马酸盐的过程中原料消耗大，后处理量大，效率低，能耗高等问题，显著降低了L-苹果酸的生产过程中的成本和损耗，同时明显提高了L-苹果酸的生产效率。
文档编号C07C59/245GK101190882SQ20061014976
公开日2008年6月4日 申请日期2006年11月27日 优先权日2006年11月27日
发明者岩 张, 李云政 申请人:李云政