主题：【资料】CNS_01.315_L-苹果酸钠

L-苹果酸钠

陈 超 凡

 

2021年7月21日

理化性质

1.名称：L-羟基二丁酸钠

    2.分子式：C4H4Na2O5’H2O

3.结构式：

  有一个手心中心，该手性中心为L构型，是苹果酸钠的一个对映异构体。

4.相对分子质量： 178.05

5.性状：为白色结晶性粉末或块状物

6.感官要求：

7.理化要求：

制备

L-苹果酸和碳酸钠反应，经结晶、干燥制得的食品添加剂L-苹果酸钠。L-苹果酸的制备方法有以下几种方法：

1. L-苹果酸钠的生产工艺流程：L-苹果酸钠的生产工艺流程图如下：

关键控制点：

（1）中和反应：L-苹果酸和碳酸钠发生中和反应，生产L-苹果酸钠。 投料比例：1.7:1.35，温度50~60℃，pH 6.8~7.2

（2）过滤：温度50~60℃，溶液澄清

（3）浓缩：二效蒸汽浓缩，温度 70 ~ 80℃、真空 -0.04~-0.06MPa，混合汽温度80~90℃、一效物料浓度40%，二效物料浓缩至比重1·42g／cm3  (60℃)出料。

（4）结晶：温度<20℃

2.微生物发酵法：

一步发酵法：菌种有黄曲霉、米曲霉、寄生曲霉等，均以包括葡萄糖在内的多种糖为底物产生L-苹果酸。

两步发酵法：由华根霉或少根根霉将葡萄糖生物合成富马酸，再由膜醭毕赤酵母、普通变形菌、芽孢杆菌或掷孢酵母等将富马酸转化为L-苹果酸。 一步发酵法较多地采用黄曲霉，它能利用葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、果糖及淀粉等多种糖质原料产生L-苹果酸。但培养基较复杂，发酵过程常有富马酸等其他有机酸产生，给分离提纯带来困难，难于得到高纯度的晶体，再加上产酸低，对糖转化率低 (30%～40%)，周期长(最少也需5天)，故至今在国内外均未实现工业化生产。

两步发酵法的第一步，先用根霉将糖类发酵生成富马酸，即富马酸发酵，这里的糖较多的使用葡萄糖，葡萄糖可由淀粉经双酶水解而得。

第二步是在前面所产的富马酸中接入酵母菌或细菌进行发酵，将富马酸转化为L-苹果酸，即转化发酵。采用这种方法，苹果酸对糖转化率最高可达60%以上，但是毕竟发酵周期太长，前后加起来要8～9天。虽然两步法与一步法一样，国内外学者正在不断地探索，取得了一些有价值的进展，但至今仍然未见工业化生产的报道。

3.固定细胞转换法：该方法是首先大量培养富马酸酶活力高的菌体，收集菌体后用卡拉胶等适当的载体进行固定，然后装入柱式反应器，以富马酸钠盐为底物，流经反应器，由固定化细胞中的富马酸酶的催化作用，很容易将富马酸转化为L-苹果酸，且几乎无副产物，转化率高达95%以上。此法与上述两种方法相比，简单、 经济、高效，于是成了工业化生产的首先方法

4. 酶促转化直接生产L-苹果酸钠：(1)将富马酸和选自碳酸氢钙、氢氧化钙和碳酸钙中的一种或多种钙盐加入水中并搅 拌混匀以进行中和反应，待所述中和反应完成后，任选调节反应体系的pH值为6 .5-7 .0，得 到富马酸钙悬浊液； (2)向步骤(1)得到的所述富马酸钙悬浊液中加入延胡索酸水合酶催化制剂进行酶促 反应，生成L-苹果酸钙悬浊液，其中，所述延胡索酸水合酶催化制剂选自延胡索酸水合酶或 者表达所述延胡索酸水合酶的重组工程菌，所述延胡索酸水合酶为FUMA、FUMC或它们的混 合物； (3)向步骤(2)得到的所述L-苹果酸钙悬浊液中加入碳酸钠以进行中和反应，待所述中 和反应完成后，得到L-苹果酸钠和碳酸钙的混合物； (4)将步骤(3)得到的所述混合物进行固液分离，得到L-苹果酸钠的上清液以及作为沉 淀物的碳酸钙，其中，将所述L-苹果酸钠的上清液进行处理制得固体的L-苹果酸钠，将所述 碳酸钙回收以在步骤(1)中作为钙盐循环使用。

5.细胞转化法：将从土壤中分离得到的Aspergillus wentii属菌株在糖30g/L，磷酸氢二铵3g/L，硫酸铵2g/L，氯化钾2g/L，硫酸镁1g/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℃下配制2％的卡拉胶溶液，降温到50℃时将分离出的细胞按10％(w/w)加入，搅拌均匀后倒入盘子中凝固，制成5mm×5mm×5mm的固定化细胞。然后装入8cm×60cm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℃，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℃，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℃，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缩，L-苹果酸浓度增加到40％时，冷却到10～15℃，过滤回收富马酸。滤液进一步减压浓缩到L-苹果酸浓度至80～82％，冷却到15℃，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％。

应用

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，其酸味比柠檬酸强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。

L-苹果酸中含有天然的润肤成分，可以清除皮肤表面皱纹，使皮肤变得嫩白、光洁而有弹性，因此在化妆品配方中备受青睐；L-苹果酸可以配制多种香精、香料，用于多种日用化工产品，如牙膏、洗发香波等；国外将其用于替代柠檬酸作为新型洗涤助剂，用于合成高档特种洗涤剂。L-苹果酸可用于药物制剂、片剂、糖浆中，还可以配入氨基酸溶液中，能明显提高氨基酸的吸收率；L-苹果酸可以用于治疗肝病、贫血、免疫力低下、尿毒症、高血压、肝衰竭等多种疾病，并能减轻抗癌药物对正常细胞的毒害作用；还可用于制备和合成驱虫剂、抗牙垢剂等。另外L-苹果酸还可以作为工业清洗剂、树脂固化剂、合成材料增塑剂、饲料添加剂等。

L-苹果酸钠是苹果酸钠的一种光学异构体，除旋光性之外，其理化性质和DL-苹果酸钠相同。同时L-苹果酸钠还可以直接参与生物体的新陈代谢，因此，相比于DL-苹果酸钠，L-苹果酸钠对人体健康更加有益。它作为酸度调节剂、食品调味剂、保鲜代盐剂、水分保持剂得到广泛应用。

使用L-苹果酸钠的必要性如下：

（1）美国FDA已开始限制柠檬酸及DL-苹果酸在老年人、肝肾功能障碍患者和儿童食品中使用。

（2）根据联合国食品添加剂委员会JECFA的数据，苹果酸钠的ADI值为无限定（no specified）。目前，L-苹果酸、dl-苹果酸、dl-苹果酸钠均已是食品添加剂，且属于无毒物质。与dl-苹果酸钠相比，L-苹果酸钠具有重要的生理功能，可直接进入三羧酸循环，参与人体代谢，对人体的健康有益，同时还避免了D-苹果酸钠在人体的残留。因此，L-苹果酸钠也属于无毒物质，人体摄入是安全的。 （3）随着生物技术的发展，酶法转化生产L-苹果酸钠的成本和dl-苹果酸钠的成本正在逼近，使得L-苹果酸钠的大量使用成为了可能。此外，dl-苹果酸钠中含有50%的D-苹果酸钠不会被人体吸收，因此，理论上讲，当达到相同的使用效果时，L-苹果酸钠的用量仅需dl-苹果酸钠用量的一半。

在水产品中的应用：水产品具有低脂肪、高蛋白的特点，是合理膳食结构中不可缺少的重要部分，已成为人们摄取动物性蛋白质的重要来源，并且鱼、虾、蟹等水产品肉质鲜美，风味独特，深受广大消费者的青睐。但是由于水产品容易腐败变质，在加工或储藏过程中必须加强水产品的保鲜。通常需要做抑菌抗菌处理。以金枪鱼、扇贝、虾仁的加工处理为例：

（1）pH调整剂配方

（2）加工工艺

（3）结果分析

    比较以上实验结果可以看出，添加一定量的pH调整剂处理能够减少水产品中的微生物数量，抑制细菌的生长繁殖，尽可能保持水产品的新鲜度。

在果蔬腌制品中的应用：目前腌制食品企业往往在研制食品中添加各种食用酸，且把减盐增酸作为今后酱腌菜发展的方向。酸度调节剂能降低腌渍剂的pH值，抑制微生物的生长繁殖，对产品的储藏极为有利。再腌渍液中添加食醋、柠檬酸、苹果酸等酸度调节剂能使腌渍液的pH值下降，从而达到抑制微生物生长繁殖的目的，同时起到调味的作用。为了保持pH值在一个稳定的范围内，通常加入一定比例的有机酸盐。苹果酸用于腌菜中能够起到缓冲和调味的作用，从而既可以使腌渍菜保持较低的pH值，便于保鲜和货架期的延长，又可以酸味，赋予腌渍菜良好的口味和清爽的口感。

以酸辣白菜的腌渍过程，来说明L-苹果酸钠的应用效果：

（1）加工方法 配方：白菜10kg，食盐1.5kg，白糖0.25kg，干辣椒0.1kg，菜籽油0.2kg，生姜丝0.2kg，酸味料（L-苹果酸、 L-苹果酸钠等）。 制作方法： 白菜洗净，切成3cm长、1cm宽，加盐后搅拌均匀，1h后去除盐水加糖、酸味料，并与经过油炸过的生姜丝、干辣椒丝搅拌均匀，腌制1天即可。 （2）结果分析 改变酸味料中L-苹果酸和L-苹果酸钠的比例，分析不同比例条件下腌菜的口味，结果如下：    由此可以看出，苹果酸钠用于腌渍菜中，能够起到缓冲和调味作用，从而既可使腌渍菜保持较低的pH值，便于保鲜和货架期的延长，又可调节酸味，赋予腌渍菜良好的口味和清爽的口感。

果味饮品方面：L-苹果酸钠既可以与柠檬酸钠、DL-苹果酸钠、L-酒石酸钠等常规食品添加剂混合使用，也可以替代或部分替代上述传统食品添加剂。以某种果醋饮料为例，说明L-苹果酸钠的应用效果。

（1）工艺流程 取某种果味饮料A，加入一定量的L-苹果酸钠，制得饮料B，分别对饮料A和饮料B进行感官评价，具体方法见下表。

实验结果以每个评价项目的有效评分总和除以有效人员，得出每个项目的平均得分，得分越高说明该添加剂对酸度和风味影响越大，评价结果见下表。

因此，添加L-苹果酸钠的饮料B在酸味和风味表达上明显优于不添加L-苹果酸钠的饮料A。

限量

苹果酸，于1967年在美国食品和药品管理局登记，是国际上公认的安全、无毒无害的食用有机酸。而作为苹果酸的钠盐，苹果酸钠同样安全无毒，在食品中使用绝对安全可靠，可以作为食品添加剂用于各类食品中对人类健康不会产生危害，其ADI值为无限定。

质量指标

    中华人民共和国国家标准：根据中华人民共和国国家标准要求，食品调加剂L-苹果酸应符合以下技术指标：

检测

1.鉴别试验：

试剂和材料：对氨基苯磺酸；（1+1）盐酸溶液；乙酸钴-双氧铀溶液：称取4g乙酸双氧铀，置于50mL乙酸溶液（60g/L）中，加热使溶解;称取20 g乙酸钴，同样置于50 mL 乙酸溶液(60 g/L)中;在温热状态下将两溶液混合，冷却至约20 °C并保持2 h，过滤，即得；亚硝酸钠溶液:200 g/L；氢氧化钠溶液:40 g/L

（1）溶解性试验：称取1 g试样，精确至0.01 g，用水溶解并稀释至10 mL，溶液应澄清。

（2）钠盐试验：铂丝用盐酸溶液湿润后，蘸取试样，在无色火焰中燃烧，火焰应显亮黄色。称取1 g试样，精确至0.01 g，用适量的水溶解，加1 mL盐酸溶液，用水稀释至20 mL。取1 mL该溶液，加5 mL乙酸钴-双氧铀溶液，振摇，有黄色沉淀产生。

（3）苹果酸盐试验：称取 1 g 试样，精确至 0.01 g，加适量的水溶解并稀释至 20 mL。取试样溶液 5mL 放入瓷蒸发皿中， 加对氨基苯磺酸 10 mg，在水浴上加热数分钟，加亚硝酸钠溶液 5 mL，略加热，滴加氢氧化钠溶液使成碱性，应显红色。

2. L-苹果酸钠(以C4H4Na2O5计)含量的测定

（1）试剂和材料：冰乙酸；高氯酸标准滴定溶液: c(HClO4) =0.1 mol/L；结晶紫指示液:2 g/L

（2）分析步骤：称取 0.15 g 干燥后的试样，精确至 0.000 1 g，加 30 mL 冰乙酸溶解，用高氯酸标准滴定溶液滴定。用电位计指示终点。当用指示剂判断终点时，加几滴结晶紫指示液，溶液由紫色经过蓝色变为绿色即为终点。在测定的同时, 按与测定相同的步骤, 对不加试样而使用相同数量的试剂溶液做空白试验。

（3）结果计算：L-苹果酸钠(以C4H4Na2O5计)的质量分数 w1 ,按公式计算：

式中：

v0——空白试验消耗高氯酸标准滴定溶液的体积，单位为毫升(mL);

v1——试样消耗高氯酸标准滴溶液的体积，单位为毫升(mL);

c ——高氯酸标准滴溶液浓度的准确数值，单位为摩尔每升(mol/L);

M ——苹果酸钠的摩尔质量的数值，单位为克每摩尔(g/mol)[M(C4H4Na2O5)]=89.03);

m ——试样的质量，单位为克(g);

1000——换算因子。

3.比旋光度测定：

比旋光度的测定，称取4.25g实验室样品，精确至0.001g，加入20 mL水溶解,移至50 mL容量瓶中，用水稀释至刻度,摇匀。 比旋光度am（20℃,D)数值以“(°)?dm2?kg-1”表示,按照公式计算：

    式中： a—测得的旋光角,单位为度(°)； l—旋光管的长度，单位为分米（dm）； Pa—溶液中有效组分的质量浓度，单位为克每毫升（g∕mL）。

4.干燥减量的测定：

（1）分析步骤：称取 4 g 试样，精确至 0.000 2 g，置于已烘至质量恒定的称量瓶中，在 120 °C±2 °C的恒温干燥箱中 干燥 2 h，调整温度至 160 °C±2 °C，再干燥 2 h，取出，置于干燥器中冷却至室温，称量。

（2）结果计算：干燥减量的质量分数  ,按公式计算:

式中:

m——干燥前试样的质量，单位为克(g);

m1——干燥后试样的质量，单位为克(g)。

5.富马酸和马来酸含量的测定：

（1）方法提要：用高效液相色谱法，在选定的工作条件下,以磷酸氢二铵溶液为流动相，用高压输液泵将流动相泵入 C18色谱柱使试样溶液中各组分进行分离，用紫外检测器进行检测，由数据处理系统记录和处理色谱信号。

（2）试剂和材料：水:符合GB/T 6682-2008的一级水；富马酸:色谱纯；马来酸:色谱纯

（3）仪器和设备：高效液相色谱仪，带脱气装置,配备紫外检测器。

（4）参考色谱条件：

    流动相:取磷酸氢二铵20 g，加入约900 mL水溶解后，用磷酸调节溶液的pH为2，然后用0.45 μm的滤膜过滤，再定容至1000 mL。

    色谱柱:C18，填料孔径12 nm，填料粒径5 μm，柱长250 mm，柱内径4.6 mm，或其他等效色谱柱。

        流速:0.8 mL/min。

        柱温:40 °C

        波长:210 nm。

        进样量:20 μL。

（5）分析步骤：

    工作曲线的绘制：按表 A.1 中 DL-苹果酸、马来酸和富马酸浓度标准系列，配制出两种不同浓度的混合标准溶液，按照 浓度和峰面积绘制工作曲线，各物质的保留时间参照表 A.2。





    试样溶液的制备；称取0.5 g试样，精确至0.000 2 g，于100 mL容量瓶，加少量水溶解并稀释至刻度，混匀。色谱分析前 用0.45μm微孔滤膜过滤。

    测定：在规定的色谱条件下，取标准溶液和试样溶液各20 μL分别注入液相色谱仪，在工作曲线上查得试液 中富马酸或马来酸的浓度。

        结果计算：富马酸或马来酸含量的质量分数以 w3 计，按公式计算:



式中：

c ——测定得到的试样中富马酸或马来酸的浓度，单位为毫克每升(mg/L);

m ——试样的质量，单位为克(g);

100——试样的定容体积，单位为毫升(mL);

1000——换算因子。

实验结果以平行测定结果的算术平均值为准。在重复性条件下获得的两次独立测定结果的绝对差值不 大于其算术平均值的 10%。

参考文献

【1】一种L-苹果酸钠的直接酶促转化生产方法。周铁成，王云山，王自强，冯晓东，赵晶。国家专利，申请号 201710208506.5。

【2】中华人民共和国国家标准 GB13737-2008。