第四节苹果酸

第四节第四节 苹果酸苹果酸 一、概况一、概况 又名羟基琥珀酸，羟基丁二酸，几乎一又名羟基琥珀酸，羟基丁二酸，几乎一切果实中都含有，以仁果类中最多。酸味较切果实中都含有，以仁果类中最多。酸味较柠檬酸强柠檬酸强1.21.2 1.31.3倍，苹果酸具有比柠檬酸倍，苹果酸具有比柠檬酸柔和的酸味，滞留时间长和口味更好的优点，柔和的酸味，滞留时间长和口味更好的优点，作为食品酸味剂更理想。作为食品酸味剂更理想。酸味剂酸味剂:赋予食品酸味为主要目的的食品添加剂。赋予食品酸味为主要目的的食品添加剂。有机酸类：有机酸类：柠檬酸、乳酸、酒石酸、苹果柠檬酸、乳酸、酒石酸、苹果 酸、草酸；酸、草酸；无机酸类：无机酸类：食用磷酸、碳酸等。食用磷酸、碳酸等。DL-DL-苹果酸：苹果酸：白色或结晶状粉末，国外采用化学法生产。白色或结晶状粉末，国外采用化学法生产。L-L-苹果酸：苹果酸：(L(LMalic acid)Malic acid)无色结晶，存在于植物或其果实中，发酵法或酶无色结晶，存在于植物或其果实中，发酵法或酶法生产。法生产。二、历史二、历史2020世纪世纪2020年代，发现某些霉菌和酵母可积累年代，发现某些霉菌和酵母可积累L-L-苹果酸。苹果酸。6060年代，英美用化学合成法生产年代，英美用化学合成法生产L-L-苹果酸，成本高。苹果酸，成本高。19591959年，日本利用短乳杆菌（年，日本利用短乳杆菌（lactabacillus brevislactabacillus brevis）产生的富马酸酶催化富马酸转化为产生的富马酸酶催化富马酸转化为L-L-苹果酸成功。苹果酸成功。6060年代以来，各国争相研制一步法从淀粉等糖质原料年代以来，各国争相研制一步法从淀粉等糖质原料 生产苹果酸。生产苹果酸。目前，世界上苹果酸的主要产地是日本。目前，世界上苹果酸的主要产地是日本。三、生产方法三、生产方法 1.1.从果汁中直接抽提法从果汁中直接抽提法：经济上不合理经济上不合理 2.2.化学合成法：化学合成法：产物是产物是DL-DL-苹果酸苹果酸 3.3.发酵法：发酵法：（1 1）一步法）一步法 糖类糖类 苹果酸苹果酸 （2 2）二步法）二步法 根霉根霉 酵母菌、细菌酵母菌、细菌 糖类糖类 富马酸富马酸 苹果酸苹果酸 4.4.酶转化法酶转化法:(常用常用)固定化细胞固定化细胞 富马酸盐（化学合成）富马酸盐（化学合成）苹果酸盐苹果酸盐 富马酸酶富马酸酶曲霉曲霉四、常用菌种四、常用菌种1.1.一步发酵法：一步发酵法：黄曲霉、米曲霉、寄生曲霉；黄曲霉、米曲霉、寄生曲霉；2.2.两步发酵法：两步发酵法：华根霉、无根根霉、短乳杆菌、华根霉、无根根霉、短乳杆菌、膜毕赤酵母；膜毕赤酵母；3.3.酶转化法：酶转化法：短乳杆菌、大肠杆菌、产氨短杆菌、短乳杆菌、大肠杆菌、产氨短杆菌、黄色短杆菌。黄色短杆菌。L L一苹果酸在生物体内的合成途径有一苹果酸在生物体内的合成途径有3 3条条:1.1.丙酮酸羧化合成。丙酮酸羧化合成。丙酮酸羧化支路生成草酰乙丙酮酸羧化支路生成草酰乙酸，由苹果酸脱氢酶作用转变成苹果酸，此涉及酸，由苹果酸脱氢酶作用转变成苹果酸，此涉及到到COCO2 2的固定。的固定。2.2.支路乙醛酸循环支路乙醛酸循环。3.3.延胡索酸由延胡索酸酶作用转变成苹果酸延胡索酸由延胡索酸酶作用转变成苹果酸。五、苹果酸合成途径五、苹果酸合成途径 EMPEMP 固定固定COCO2 2 淀粉淀粉 葡萄糖葡萄糖 丙酮酸丙酮酸 草酰乙酸草酰乙酸 苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶 苹果酸苹果酸 证据证据（1 1）发酵依赖于）发酵依赖于CaCOCaCO3 3或其它碳酸盐。或其它碳酸盐。（2 2）苹果酸对糖的最高转化率可达）苹果酸对糖的最高转化率可达128128，说明部，说明部分碳源是外源性的（不是从葡萄糖来的）。分碳源是外源性的（不是从葡萄糖来的）。CaCO3CaCO3的双重作用的双重作用:（1 1）提供外源的羧基碳源）提供外源的羧基碳源（2 2）调节）调节pHpH六、苹果酸的生产方法六、苹果酸的生产方法（一）一步发酵法（一）一步发酵法 糖类糖类 苹果酸苹果酸1.1.菌种菌种：黄曲霉黄曲霉A-114A-1142.2.培养基（培养基（%）（1 1）种子培养基（）种子培养基（%）C C6 6H H1212O O6 6 3 3，豆饼粉，豆饼粉1 1，FeSOFeSO4 4 0.05 0.05，K K2 2HPOHPO4 4 0.02 0.02，NaCl 0.001NaCl 0.001，MgSOMgSO4 4 0.01 0.01，CaCOCaCO3 3 6(6(单独灭菌单独灭菌)。曲霉（2 2）发酵培养基（）发酵培养基（%）C6H12O6 7%8%其余同种子罐培养基其余同种子罐培养基3.3.发酵发酵 装液量装液量70%70%，接种量，接种量10%10%，罐压，罐压0.1MPa0.1MPa，培养温度培养温度33333434，通风量，通风量0.7m0.7m3 3/（m m3 3.min).min)，搅拌转速搅拌转速180r/min180r/min，发酵时间，发酵时间40h40h左右。左右。当残糖在当残糖在1%1%以下时，终止发酵，产苹果酸以下时，终止发酵，产苹果酸7%7%。（二）二步发酵法（二）二步发酵法糖类糖类 富马酸富马酸 苹果酸苹果酸根霉酵母菌、细菌酵母菌、细菌 1.1.菌种菌种：华根霉华根霉650865082.2.斜面培养斜面培养 葡萄糖马铃薯汁琼脂斜面葡萄糖马铃薯汁琼脂斜面 3030培养培养7d7d3.3.摇瓶发酵摇瓶发酵a a 培养基组成培养基组成(%)(%)C6H12O6 10，(NH4)2SO4 0.5，K2HPO4 0.1，聚乙二醇10，MgSO4 0.05，FeCl3 0.002，CaCO3 5(单独灭菌单独灭菌)。b b 富马酸发酵富马酸发酵 3030培养培养4 45d5d，得到含富马酸和苹果酸的混合液。，得到含富马酸和苹果酸的混合液。（三）酶转化法（三）酶转化法:(:(常用常用)固定化细胞固定化细胞 富马酸盐（化学合成）富马酸盐（化学合成）苹果酸盐苹果酸盐菌种：菌种：黄色短杆菌（黄色短杆菌（BrevibacteriumBrevibacterium flavumflavum）富马酸酶富马酸酶 1.1.游离细胞酶转化法游离细胞酶转化法 8%8%富马酸溶液（富马酸溶液（pH7.5pH7.5）+2%+2%湿菌体湿菌体苹果酸苹果酸条件：条件：3535 150r/min 24150r/min 2436h36h 转化率转化率90%90%以上以上 2.2.固定化细胞酶转化法固定化细胞酶转化法 菌种：产氨短杆菌或黄色短杆菌菌种：产氨短杆菌或黄色短杆菌 方法：包埋法（聚丙烯酰胺凝胶或卡拉胶方法：包埋法（聚丙烯酰胺凝胶或卡拉胶KClKCl）该方法易生成与苹果酸难以分离的该方法易生成与苹果酸难以分离的琥珀酸琥珀酸。因此。因此，细胞被固定以后必须经化学试剂处理，以防止，细胞被固定以后必须经化学试剂处理，以防止这种副反应的发生。这种副反应的发生。采用固定化技术必须注意以下几个问题：采用固定化技术必须注意以下几个问题：细胞被固定前富马酸酶活力要高；细胞被固定前富马酸酶活力要高；使用的固定化方法对酶的损害较小；使用的固定化方法对酶的损害较小；细胞被固定后不应引起副反应的发生；细胞被固定后不应引起副反应的发生；固定化细胞应有高度的操作稳定性。固定化细胞应有高度的操作稳定性。（四）两种生产方法的比较：（四）两种生产方法的比较：原料原料成本成本杂质杂质发酵法发酵法农产品农产品低低低低酶转化法酶转化法化工原料化工原料高高高高 发酵法尚未大规模工业化生产的发酵法尚未大规模工业化生产的主要原因：菌种的产酸率低。主要原因：菌种的产酸率低。七、苹果酸的提取七、苹果酸的提取（一）从发酵醪液中提取苹果酸（一）从发酵醪液中提取苹果酸 H H2 2SOSO4 4 过滤过滤 CaCOCaCO3 3流程：发酵液流程：发酵液 酸解液酸解液 滤液滤液 苹果酸钙苹果酸钙 过滤过滤 离子交换离子交换 浓缩浓缩 结晶结晶 干燥干燥 苹果酸苹果酸 H H2 2SOSO4 4 65%80%反应液中有残余的富马酸盐和多量的苹果酸盐。反应液中有残余的富马酸盐和多量的苹果酸盐。提取原理：利用富马酸难溶于水的性质，在反应提取原理：利用富马酸难溶于水的性质，在反应 液中加酸使富马酸沉淀析出。液中加酸使富马酸沉淀析出。发酵醪液发酵醪液浓缩浓缩析出富马酸结晶析出富马酸结晶过滤过滤滤液滤液浓缩浓缩 50%20 50%2030 65%30 65%80%析出富马酸结晶析出富马酸结晶过滤过滤滤液滤液冷却加晶种冷却加晶种苹果酸苹果酸 2020结晶结晶干燥干燥成品成品（二）（二）从混杂富马酸发酵醪液中提取苹果酸从混杂富马酸发酵醪液中提取苹果酸（三）（三）从酶转化液中提取苹果酸从酶转化液中提取苹果酸 H H2 2SOSO4 4 过滤过滤 CaCOCaCO3 3流程：转化液流程：转化液 酸解液酸解液 滤液滤液 苹果酸钙苹果酸钙 12.5%12.5%过滤过滤 离子交换离子交换 浓缩浓缩 结晶结晶干燥干燥 苹果酸苹果酸 H H2 2SOSO4 4 65%80%八、八、L L一苹果酸生产技术展望一苹果酸生产技术展望1.1.选用更合适的原料如葡萄糖、蔗糖、糖蜜、食用选用更合适的原料如葡萄糖、蔗糖、糖蜜、食用 级淀粉等进行精细发酵；级淀粉等进行精细发酵；2.2.在菌体快速絮凝、发酵液膜分离和净化技术方面在菌体快速絮凝、发酵液膜分离和净化技术方面 进行探讨；进行探讨；3.3.研究用离子色谱法、树脂吸附法、萃取法等提取研究用离子色谱法、树脂吸附法、萃取法等提取 技术替代传统的钙盐法；技术替代传统的钙盐法；4.4.改间歇冷却结晶为连续化真空浓缩降温结晶工艺。改间歇冷却结晶为连续化真空浓缩降温结晶工艺。第四节第四节 黄原胶黄原胶 一、多糖一、多糖 1.1.概况概况 多糖是由多个单糖或其衍生物聚合而成多糖是由多个单糖或其衍生物聚合而成的大分子化合物。的大分子化合物。2.2.多糖的分类多糖的分类 植物多糖植物多糖（1 1）根据多糖的来源不同）根据多糖的来源不同 动物多糖动物多糖 微生物多糖微生物多糖 （2 2）根据多糖在微生物体内的分泌部位）根据多糖在微生物体内的分泌部位 胞内多糖胞内多糖 细胞壁多糖细胞壁多糖 胞外多糖胞外多糖二、黄单胞菌多糖二、黄单胞菌多糖 又称黄原胶，汉生胶，属于酸性胞外又称黄原胶，汉生胶，属于酸性胞外杂多糖，是微生物多糖中产量最大的一种。杂多糖，是微生物多糖中产量最大的一种。19621962年美国科学家发现，年美国科学家发现，19641964年实现年实现工业化生产，在美国的生产规模仅次于抗工业化生产，在美国的生产规模仅次于抗生素和溶剂，列第三位。生素和溶剂，列第三位。1.1.黄原胶的结构特征黄原胶的结构特征 19751975年阐明，黄原胶是由年阐明，黄原胶是由 DD葡萄糖、葡萄糖、DD甘甘露糖、露糖、DD葡萄糖醛酸、乙酰基和丙酮酸组成的葡萄糖醛酸、乙酰基和丙酮酸组成的“五糖重复单元五糖重复单元”的结构聚合体。的结构聚合体。D-D-葡萄糖：葡萄糖：D-D-甘露糖：甘露糖：D-D-葡萄糖醛酸葡萄糖醛酸 2 2 ：2 2 ：1 1 在水溶液中呈现多聚阴离子，而且在水溶液中呈现多聚阴离子，而且在某些条件下，其分子可发生一级结构在某些条件下，其分子可发生一级结构、二级螺旋构象以及超级接合带状螺旋、二级螺旋构象以及超级接合带状螺旋共聚体构象间的互变现象。共聚体构象间的互变现象。2.2.黄原胶的性质黄原胶的性质（1 1）典型的流变特性）典型的流变特性（2 2）低浓度时的高粘性）低浓度时的高粘性 2%2%3%3%黄原胶黄原胶3 37Pa.s7Pa.s的粘度的粘度（3 3）耐热、耐酸碱性）耐热、耐酸碱性 -98-989090粘度稳定粘度稳定 130 36min 130 36min后冷却后冷却 0.5%NaCl 0.5%NaCl可稳定高温下的粘度可稳定高温下的粘度（4 4）相容性及溶解性）相容性及溶解性 与藻酸盐类、淀粉、卡拉胶、瓜胶溶混后与藻酸盐类、淀粉、卡拉胶、瓜胶溶混后粘度叠加。粘度叠加。易溶于水，不溶于醇、酮等极性溶剂。易溶于水，不溶于醇、酮等极性溶剂。（5 5）分散性及保水性）分散性及保水性3.3.黄原胶的用途黄原胶的用途（1 1）能源开发）能源开发（2 2）食品工业）食品工业（3 3）其它工业）其它工业三、黄原胶的生产三、黄原胶的生产工艺流程：工艺流程：菌种的扩培菌种的扩培发酵原料配比发酵原料配比发酵发酵发酵条件控发酵条件控制制分离分离提纯提纯干燥干燥 1.1.菌种菌种 引起甘蓝黑腐病的病原细菌引起甘蓝黑腐病的病原细菌野油菜黄单胞野油菜黄单胞菌（菌（XanthomonasXanthomonas campestriscampestris）。）。杆状，杆状，G G，产荚膜，好氧。，产荚膜，好氧。平板：黄色粘稠菌落，液体培养形成粘稠状胶状物。平板：黄色粘稠菌落，液体培养形成粘稠状胶状物。其他黄单胞菌：菜豆黄单胞菌、锦葵黄单胞菌和胡萝其他黄单胞菌：菜豆黄单胞菌、锦葵黄单胞菌和胡萝卜黄单胞菌等。卜黄单胞菌等。2.2.培养基培养基（1 1）碳源）碳源：葡萄糖：葡萄糖(国外国外),),淀粉淀粉(国内国内)。（2 2）氮源：易利用有机氮（鱼粉和豆粉），）氮源：易利用有机氮（鱼粉和豆粉），不易利用无机氮。不易利用无机氮。（3 3）无机盐）无机盐：K K2 2HPOHPO4 4、MgSOMgSO4 4.7H.7H2 2O O、轻质、轻质 CaCOCaCO3 3对发酵有明显的促进作用。对发酵有明显的促进作用。还有还有FeFe2+2+、MnMn2+2+、ZnZn2+2+等微量元素等微量元素。（4 4）其他）其他：促进剂谷氨酸、柠檬酸等促进剂谷氨酸、柠檬酸等。南开南开-01-01菌种所用摇瓶发酵培养基：菌种所用摇瓶发酵培养基：玉米淀粉玉米淀粉4%4%，鱼粉蛋白胨，鱼粉蛋白胨0.5%0.5%，轻质碳酸钙轻质碳酸钙0.3%0.3%，自来水配制，自来水配制，pH7.0pH7.0。3.3.培养条件培养条件（1 1）摇瓶发酵）摇瓶发酵 接种量接种量1%1%5%5%转速转速220r/min220r/min 28 72h28 72h 产胶产胶202030g/L30g/L，碳源转化率，碳源转化率60%60%70%70%。（2 2）工业化生产）工业化生产温度：温度：2525 2828pH:6.5pH:6.5 7.07.0高通气量：高通气量：10.6m3/（m3min)高碳氮比高碳氮比周期：周期：7272 96h 96h 前前18 h：对数生长期，不合成胞外多糖；：对数生长期，不合成胞外多糖；1848 h：平衡生长期，多糖合成迅速，菌体：平衡生长期，多糖合成迅速，菌体出现荚膜并且越来越厚；出现荚膜并且越来越厚；48 h：菌体进入衰老期，多糖产量趋于稳定。：菌体进入衰老期，多糖产量趋于稳定。发酵周期为发酵周期为72 h左右，产量最高可达左右，产量最高可达28 g/L，氮源对黄胶合成的影响：氮源对黄胶合成的影响：易利用有机氮源，不易利用无机氮源。起始较低浓度氮源：起始较低浓度氮源：氮源浓度提高细胞浓度增加合成速率加快得率提高起始中等浓度氮源：起始中等浓度氮源：细胞浓度提高中等浓度氮源 发酵时间缩短 合成速率提高 得率降低原因：细胞生长过快，用于细胞生长及维持细胞生命的糖量增加，用于合成黄原胶的糖反而减少，导致黄原胶得率下降。发酵后期流加糖：使糖浓度始终维持在一定的水平，补加的糖只用于细胞维持生命及合成黄原胶，而没有生长的消耗，得率就可比间歇发酵有较大提高。起始高浓度氮源：细胞浓度增加高浓度氮源 得率降低 合成速率降低原因：“氧限制”。高浓度细胞随着发酵的进行，发酵液粘度不断增大，体积传质系数降低，造成氧供应能力逐渐下降，合成速率变慢，得率降低。高粘度发酵液影响供氧，解决方法：高粘度发酵液影响供氧，解决方法：提高搅拌转速提高搅拌转速a.a.改进发酵设备，提高供氧能力改进发酵设备，提高供氧能力 提高通气速率提高通气速率b.b.限制细胞浓度，控制氧的需求量限制细胞浓度，控制氧的需求量补料分批补料分批 培养（后期流加糖）。培养（后期流加糖）。四、黄原胶的提取四、黄原胶的提取1.1.发酵液处理发酵液处理 经离心法、过滤法、酶处理法、次氯酸盐氧化经离心法、过滤法、酶处理法、次氯酸盐氧化法、过滤及超滤浓缩法预处理除去菌体细胞和各种不法、过滤及超滤浓缩法预处理除去菌体细胞和各种不溶性杂质溶性杂质。2.2.沉淀反应沉淀反应 用钙盐、铝盐、季铵盐或酸沉淀法制取工业级精制用钙盐、铝盐、季铵盐或酸沉淀法制取工业级精制品品；用有机溶剂沉淀法制取食品级精制品用有机溶剂沉淀法制取食品级精制品。（1 1）钙盐法）钙盐法（2 2）有机溶剂沉淀法）有机溶剂沉淀法 发酵液乙醇发酵液乙醇 黄原胶沉淀（工业级黄原胶）黄原胶沉淀（工业级黄原胶）酸化酸化 （酒精（酒精+KOH+KOH）洗涤）洗涤干燥干燥粉碎粉碎 成品成品 离心除菌体，多次用酒精沉淀、洗涤，得食品级黄原离心除菌体，多次用酒精沉淀、洗涤，得食品级黄原胶。胶。（3 3）钙盐工业酒精沉淀法）钙盐工业酒精沉淀法 酸性乙醇酸性乙醇黄原胶黄原胶CaClCaCl2 2 黄原胶钙沉淀黄原胶钙沉淀 黄原胶黄原胶CaCa2+2+酸化酸化 成品成品粉碎粉碎干燥干燥洗涤（酒精洗涤（酒精+KOH+KOH）特点：特点：有机溶剂用量减少一半，但在成品中带入了钙离子。有机溶剂用量减少一半，但在成品中带入了钙离子。五、黄原胶的干燥五、黄原胶的干燥1.1.主要干燥方法主要干燥方法真空干燥真空干燥滚筒干燥：设备复杂，工业应用少滚筒干燥：设备复杂，工业应用少喷雾干燥：黄原胶溶解性差喷雾干燥：黄原胶溶解性差流化床干燥：传热传质快，常用该法。流化床干燥：传热传质快，常用该法。气流干燥气流干燥2.2.不同级别黄原胶的制备不同级别黄原胶的制备发酵液发酵液 灭菌灭菌 干燥干燥 工业粗制品级工业粗制品级超滤脱盐超滤脱盐 干燥干燥 工业精制品工业精制品酶处理酶处理 超滤浓缩超滤浓缩 干燥干燥 食品级食品级六、工艺流程六、工艺流程斜面种子斜面种子 一级种子一级种子 二级种子二级种子 罐发酵罐发酵 提取提取 离心离心 烘干烘干 磨碎磨碎 过筛过筛 产品产品