CN105483165B - 一种l-苹果酸的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种L‑苹果酸的制备方法，包括：先用富马酸与碳酸钙反应生成富马酸钙，再使生成的富马酸钙在富马酸酶作用下转化为苹果酸钙；然后将得到的苹果酸钙与碳酸盐在水溶液中反应生成苹果酸盐溶液；最后采用电渗析法将生成的苹果酸盐溶液转化为苹果酸溶液，即得到L‑苹果酸。本发明所述的方法不用硫酸，无副产物产生，绿色环保，提取工艺简单，中间产物可循环套用，节约成本，酶转化率高可达99.9％以上。
Description
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-苹果酸的绿色生产方法，尤其涉及精制技术的提升。
背景技术
L-苹果酸，又名羟基丁二酸，是一种非常重要的有机酸，广泛存在于动物、植物和微生物等各种生物体中，在生物体内具有重要的生理功能，可应用于食品、日用化工及医药工业等领域。
现有技术中，L-苹果酸的人工制备主要通过微生物发酵法、传统酶固定化法和集成技术(反应与分离耦合技术)等多种方法实现。但这些方法都存在不同程度的局限性。微生物发酵法制备L-苹果酸时产酸量与转化率较低、周期长、副产物多，影响L-苹果酸的积累，而且提取工艺复杂、产品质量差、生产成本高；传统酶固定化法制备L-苹果酸时同样存在转化率低的问题，其转化率只有80％左右，此外该方法产生的硫酸钙固废多、工艺流程长、分离成本高，造成生产综合成本较大；集成技术，即反应与分离耦合技术制备L-苹果酸时要用到硫酸，因此具有不环保、污染大、硫酸钙固废多等相应弊端。
为了能够在提高产率的基础上更加环保地制备L-苹果酸，有必要提出一种L-苹果酸的绿色生产方法，以减少对环境的污染。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种L-苹果酸的绿色生产方法，解决苹果酸制备中硫酸钙固废量大，环境污染严重的问题，以达到绿色工业化生产的目的。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
提供一种L-苹果酸的制备方法，包括：先用富马酸与碳酸钙反应生成富马酸钙，再使生成的富马酸钙在富马酸酶作用下转化为苹果酸钙；然后将得到的苹果酸钙与碳酸盐在水溶液中反应生成苹果酸盐溶液；最后采用电渗析法将生成的苹果酸盐溶液转化为苹果酸溶液，即得到L-苹果酸。
所述的富马酸酶可以由现有技术中的多种方法或产品提供。本发明的方案中，为了使用高活性的富马酸酶来显著地提高转化率，所述的富马酸酶优选由以下方法配置的酶液提供：按质量百分比计，将0.5～1.5％的丙二酸、1.0～2.0％的柠檬酸氢二铵、0.01～0.05％的硫酸镁、0.05～0.2％的磷酸二氢钾、2.0～3.0％的玉米浆和余量的水混合后调pH至7.0～7.5，灭菌后接种黄色短杆菌，于30～32℃摇床培养32～36h，即得所述的酶液；更优选所述的富马酸酶优选由以下方法配置的酶液提供：按质量百分比计，将1％的丙二酸、1.5％的柠檬酸氢二铵、0.02％的硫酸镁、0.1％的磷酸二氢钾、2.5％的玉米浆和余量的水混合后调pH至7.0～7.5，灭菌后接种黄色短杆菌，于30～32℃摇床培养32～36h，即得所述的酶液。本发明所优选的酶液中含有丰富的氮源和微量元素，对于促进产酶和提高酶活性具有优异的效果。
本发明进一步优选的方案中，所述的酶液pH控制在6.5～8.5。
本发明进一步优选每克所述的富马酸钙中加入0.30～0.35ml所述优选的酶液。
所述的电渗析法是利用电场的作用，强行将苹果酸盐溶液中阴、阳离子向相应电极处吸引，同时通过离子交换膜的选择透过性对阴、阳离子进行分离，最终获得苹果酸溶液和相应碱液。本发明的方案中，为了更加有效、方便地分离苹果酸盐溶液中阴、阳离子以获得杂质离子含量更低的苹果酸溶液，优选的电渗析方法参数包括：操作压力为常压、操作电压为≤25V、操作电流为≤4.0A；所述电渗析中使用的离子交换膜可以选择双极膜或阳膜；所述电渗析时间为2～5hr。
所述的碳酸盐可以是多种碳酸盐中的一种，本发明的方案中优选碳酸钠或碳酸铵，最优选碳酸钠。
本发明优选的一种L-苹果酸的制备方法，包括以下步骤：
1)制备酶液
按质量百分比计，将0.5～1.5％的丙二酸、1.0～2.0％的柠檬酸氢二铵、0.01～0.05％的硫酸镁、0.05～0.2％的磷酸二氢钾、2.0～3.0％的玉米浆和余量的水混合后调pH至7.0～7.5，灭菌后接种黄色短杆菌，于30～32℃摇床培养32～36h，，即得所述的酶液；
2)酶转化
富马酸与碳酸钙在水溶液中于80℃～90℃下搅拌反应1～3hr，控制pH在6.5～8.5，生成富马酸钙；在得到的富马酸钙中加入步骤1)制得的酶液，加入比例为每克所述的富马酸钙中加入0.30～0.35ml所述优选的酶液，在25℃～35℃下搅拌反应32～40hr，产物固液分离后得到苹果酸钙和用过的酶液；
3)提取
将步骤2)得到的苹果酸钙与碳酸钠溶液在85℃～95℃下搅拌反应1～3hr，生成苹果酸钠溶液和碳酸钙；苹果酸钠溶液经硅藻土过滤后，再经过电渗析得到苹果酸溶液和氢氧化钠溶液，所述的电渗析操作压力为常压、操作电压为≤25V、操作电流为≤4.0A，电渗析2～5hr；最后用离子交换树脂去除得到的苹果酸溶液中的其他杂质离子，得到苹果酸清液。
本发明进一步优选的一种L-苹果酸的制备方法中，将步骤2)所述的用过的酶液在连续的工艺中套用于步骤2)加入富马酸与碳酸钙的反应体系。
本发明进一步优选的一种L-苹果酸的制备方法中，将步骤3)生成的碳酸钙在连续的工艺中套用于步骤2)与富马酸反应。
本发明进一步优选的一种L-苹果酸的制备方法中，将步骤3)得到的氢氧化钠溶液在连续的工艺中套用于步骤3)所述的离子交换树脂的再生。
本发明进一步优选的一种L-苹果酸的制备方法中，步骤3)所述的硅藻土过滤中，硅藻土的加入量是苹果酸钠溶液重量的0.2～0.8％。
与现有技术中的L-苹果酸制备方法相比，本发明的方法具有以下几方面的有益效果：
1.不用硫酸，无副产物产生，绿色环保
现有技术中，生产苹果酸过程中需要使用硫酸，在获得目标产物的同时还会产生大量的硫酸钙固废，使得制备工艺不够环保。本发明所述的方法没有使用硫酸，而是将富马酸与碳酸钙反应，利用强酸制弱酸及化学反应平衡的原理，获得了酶转化生产苹果酸的底物富马酸钙，且后续过程中也不必使用硫酸，因此整个制备工艺不会有硫酸钙固废产生，具有绿色环保的显著优势。
2.提取工艺简单，中间产物可循环套用，节约成本
现有技术中的微生物发酵法和酶固定化法制备苹果酸的工艺都比较复杂，成本也相应较高。相比之下，本发明的方法工艺简单，操作方便，而且整个制备工艺中的用过的酶液、CaCO3、氢氧化钠等多个中间产物可以循环套用，进一步减少了原料的消耗浪费，因此显著降低了生产成本。
3.酶转化率高可达99.9％以上，比固定化酶法转化率提高接近20％。
本发明的方法中，通过运用优化配方的酶液，采用优化条件的电渗析，以及采用硅藻土过滤、离子交换树脂除杂等手段，使得酶转化率最终获得显著提高，最高可达99.9％以上，比现有技术的酶固定化法的转化率提高了接近20％。
附图说明
图1是本发明实施例3所述的L-苹果酸制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
以下通过列举实施例的方式对本发明的技术方案做进一步的说明。各实施例中使用的原料、设备等都是现有产品。
实施例1
一种L-苹果酸的制备方法，其步骤如下：
1)制备酶液
将10g丙二酸、15g柠檬酸氢二铵、0.2g硫酸镁、1g磷酸二氢钾、25g玉米浆混合后用20％的氢氧化钠调pH至7.25，加水定容至1000ml，分装至三角烧瓶；三角烧瓶于121℃灭菌30min，待温度降下来后，接入黄色短杆菌，摇床培养32～36h，即得酶液I，其pH在6.5～7.5之间。
2)酶转化
在带搅拌的反应釜中，232g的富马酸与200g的碳酸钙在水溶液中于80℃下搅拌反应1hr，反应过程中控制pH在6.5～7.0之间，生成308g富马酸钙；
在带搅拌的转化罐中，在得到的308g富马酸钙中加入步骤1)制得的酶液I，加入量为100ml，25℃下搅拌反应38h，产物固液分离后得到约320g苹果酸钙和用过的酶液；
3)提取
在带搅拌的反应釜中，将步骤2)得到的320g苹果酸钙与200g碳酸钠溶液在90℃下搅拌反应2hr，生成苹果酸钠溶液和碳酸钙；
固液分离后将苹果酸钠溶液导入苹果酸钠储罐中，加入苹果酸钠溶液重量0.5％的硅藻土进行硅藻土过滤，过滤后的苹果酸钠清液再进入电渗析装置中，在常压下，在≤25V的操作电压和≤4.0A的操作电流条件下，经过2.5hr，得到苹果酸溶液和氢氧化钠溶液；从电渗析装置中分离导出得到的苹果酸溶液，使其经过732型号的离子交换树脂，去除其他杂质离子，得到pH在2.0～4.0的苹果酸清液，进入苹果酸清液罐中备用；
4)将步骤3)得到的苹果酸清液在75℃下浓缩到80％～85％的浓度，再进行逐步降温结晶、最后80℃烘干，得到101g的L-苹果酸晶体。
本实施例的制备方法酶转化率为99.91％，产L-苹果酸收率为80.02％。
实施例2
一种L-苹果酸的制备方法，其步骤如下：
1)制备酶液
将5g丙二酸、20g柠檬酸氢二铵、0.1g硫酸镁、0.5g磷酸二氢钾、20g玉米浆混合后用20％的氢氧化钠调pH至7.48，加水定容至1000ml，分装至三角烧瓶；三角烧瓶于121℃灭菌30min，待温度降下来后，接入黄色短杆菌，摇床培养32～36h，即得酶液II，其pH在7.5～8.5之间。
2)酶转化
在带搅拌的反应釜中，232g的富马酸与200g的碳酸钙在水溶液中于90℃下搅拌反应2hr，反应过程中控制pH在7.5～8.0之间，生成308g富马酸钙；
在带搅拌的转化罐中，在得到的308g富马酸钙中加入步骤1)制得的酶液II，加入量为100ml，35℃下搅拌反应35hr，产物固液分离后得到323g苹果酸钙和用过的酶液；
3)提取
在带搅拌的反应釜中，将步骤2)得到的323g苹果酸钙与203g碳酸钠溶液在85℃下搅拌反应2hr，生成苹果酸钠溶液和碳酸钙；
固液分离后将苹果酸钠溶液导入苹果酸钠储罐中，加入苹果酸钠溶液重量0.8％的硅藻土进行硅藻土过滤，过滤后的苹果酸钠清液再进入电渗析装置中，在常压下，在≤25V的操作电压和≤4.0A的操作电流条件下，经过2.6hr，得到苹果酸溶液和氢氧化钠溶液；从电渗析装置中分离导出得到的苹果酸溶液，使其经过732型号的离子交换树脂，去除其他杂质离子，得到pH在2.0～4.0的苹果酸清液，进入苹果酸清液罐中备用；
4)将步骤3)得到的苹果酸清液在85℃下浓缩到80％～85％的浓度，再进行逐步降温结晶、最后90℃烘干，得到103g的L-苹果酸晶体。
本实施例的制备方法转化率为99.95％，产L-苹果酸收率为81.23％。
实施例3
一种L-苹果酸的制备方法，如图1所示，其步骤如下：
1)制备酶液
将15g丙二酸、10g柠檬酸氢二铵、0.3g硫酸镁、2g磷酸二氢钾、30g玉米浆混合后用20％的氢氧化钠调pH至7.45，加水定容至1000ml，分装至三角烧瓶；三角烧瓶于121℃灭菌30min，待温度降下来后，接入黄色短杆菌，摇床培养32～36h，即得酶液III，其pH在7.5～8.5之间。
2)酶转化
在带搅拌的反应釜中，464g的富马酸与400g的碳酸钙在水溶液中于85℃下搅拌反应3hr，反应过程中控制pH在7.5～8.0之间，生成616g富马酸钙；
在带搅拌的转化罐中，在得到的616g富马酸钙中加入步骤1)制得的酶液III，加入量为205ml，30℃下搅拌反应35hr，产物固液分离后得到643g苹果酸钙和用过的酶液；所述的用过的酶液返回步骤2)加入富马酸与碳酸钙的反应体系；
3)提取
在带搅拌的反应釜中，将步骤2)得到的643g苹果酸钙与404g碳酸钠溶液在90℃下搅拌反应2hr，生成苹果酸钠溶液和碳酸钙；
固液分离后，将碳酸钙返回步骤2)套用于与富马酸的反应，将苹果酸钠溶液导入苹果酸钠储罐中，加入苹果酸钠溶液重量0.5％的硅藻土进行硅藻土过滤，过滤后的苹果酸钠清液再进入电渗析装置中，在常压的操作压力、≤25V的操作电压和≤4.0A的操作电流条件下，经过4.5hr，得到苹果酸溶液和氢氧化钠溶液；从电渗析装置中分离导出得到的苹果酸溶液，使其经过732型号的离子交换树脂，去除其他杂质离子，得到pH在2.0～4.0的苹果酸清液，进入苹果酸清液罐中备用；
4)将步骤3)得到的苹果酸清液在85℃下浓缩到80％～85％的浓度，再进行逐步降温结晶，然后经过离心，分离出的未结晶液体返回步骤3)所述的苹果酸清液罐，剩余的固体85℃烘干，得到211g的L-苹果酸晶体，包装。
本实施例的制备方法转化率为99.93％，产L-苹果酸收率为82.09％。
Claims (2)
1.一种L-苹果酸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备酶液
按质量百分比计，将0.5～1.5％的丙二酸、1.0～2.0％的柠檬酸氢二铵、0.01～0.05％的硫酸镁、0.05～0.2％的磷酸二氢钾、2.0～3.0％的玉米浆和余量的水混合后调pH至7.0～7.5，灭菌后接种黄色短杆菌，于30～32℃摇床培养32～36h，即得所述的酶液；
2)酶转化
富马酸与碳酸钙在水溶液中于80℃～90℃下搅拌反应1～3hr，控制pH在6.5～8.5，生成富马酸钙；在得到的富马酸钙中加入步骤1)制得的酶液，加入比例为每克所述的富马酸钙中加入0.30～0.35ml所述的酶液，在25℃～35℃下搅拌反应32～40hr，产物固液分离后得到苹果酸钙和用过的酶液；将所述的用过的酶液套用，加入富马酸与碳酸钙的反应体系；
3)提取
将步骤2)得到的苹果酸钙与碳酸钠溶液在85℃～95℃下搅拌反应1～3hr，生成苹果酸钠溶液和碳酸钙；生成的碳酸钙套用于步骤2)与富马酸反应；苹果酸钠溶液经硅藻土过滤后，再经过电渗析得到苹果酸溶液和氢氧化钠溶液，所述的电渗析操作压力为常压、操作电压为≤25V、操作电流为≤4.0A，电渗析2～5hr；最后用离子交换树脂去除得到的苹果酸溶液中的其他杂质离子，得到苹果酸清液；得到的氢氧化钠溶液套用于所述的离子交换树脂的再生。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)所述的硅藻土过滤中，硅藻土的加入量是苹果钠溶液重量的0.2～0.8％。
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Denomination of invention: A preparation method of L-malic acid Effective date of registration: 20231228 Granted publication date: 20200904 Pledgee: Bengbu Branch of China Postal Savings Bank Co.,Ltd. Pledgor: ANHUI SEALONG BIOTECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980075323 |
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