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异抗坏血酸的应用和研究进展
摘要:异抗坏血酸是维生素C的一种光学异构体,主要用于食品的抗氧保鲜。本文主要介绍了异抗坏血酸及其钠盐的性质,生产技术,应用和发展概况。异抗坏血酸安全无毒,性质优良,业已得到广泛的应用。
关键词:异抗坏血酸 异抗坏血酸钠 性质 生产技术 应用
The Application and Research Progress of Erythorbic acid
Abstract:Erythorbic acid is a stereoisomer of Vitamin C acting as a food antioxidant. This paper mainly summarizes the property, production technology, application and development survey of Erythorbic acid and its sodium salt production. Erythorbic acid has been widely used due to its safety and superior nature,
Key words:Erythorbic acid Sodium isoascorbate property production technology application
前言
异抗坏血酸(Erythorbic acid)是L-抗坏血酸(维生素C)的异构体,与维生素C的化学性质相似,具有强烈的还原作用。在生理效应方面,尽管异抗坏血酸的抗坏血病作用只有L-抗坏血酸的1/20,但在降血压、利尿、肝糖原生成、色素排泄、解毒等方面的作用,大致与L-抗坏血酸相同【1】。
异抗坏血酸及其钠盐—异抗坏血酸钠(Sodium isoascorbate)的用途十分广泛,归纳起来有:作为食品抗氧化剂和肉制品的防腐助色剂;作为药品或卫生用品的辅助材料;作为化工原料的稳定剂;作为除氧、抗蚀、除垢溶剂的重要组分;作为电解、电镀中的电解质;用于金属微粉的生产和重金属的回收;用于一些高分子聚合物的制取。此外,异抗坏血酸钠在纺织、建材和日用化工方面也有应用【2】。
尽管异抗坏血酸及其钠盐用途很广,但其主要的用途仍在食品加工方面。异抗坏血酸及其钠盐在天然食品中不存在,市场上的产品均为人工合成产品。目前异抗坏血酸的生产技术主要有三种:直接发酵法、间接发酵法和酶法【3】。在FAO/WHO联合食品添加剂专家委员会关于异抗坏血酸(异抗坏血酸钠)的毒理学评价报告中表明:异抗坏血酸没有任何明确的毒性或致癌作用,无阻碍机体吸收维生素C的作用。20世纪90年代以来,异抗坏血酸(异抗坏血酸钠)在国内外食品加工中得到了普遍采用【4】。异抗坏血酸及其钠盐广泛用于肉类罐头、果蔬罐头、啤酒、水果汁、果酱、冷冻水产品等。其能防止腌制品中致癌物质亚硝胺的形成,改善食品饮料中产生的变色、异味和混浊等不良现象。安全性高,价格低廉,是一种较好的食品添加剂。
1、基本性质【5】
异抗坏血酸又名D-抗坏血酸、异维生素C,为抗坏血酸的同分异构体。其分子式为C6H8O6 , 相对分子质量176,化学结构式为:
异抗坏血酸为白色至浅黄色结晶或结晶性粉末,无臭,味酸,光照射下逐渐发黑,干燥状态下,在空气中相当稳定,但在溶液中并在空气存在下迅速变质,164~172℃熔化分解。异抗坏血酸是抗坏血酸的异构体,化学性质类似,但几乎无抗坏血酸的生理活性作用(仅约1/20)。抗氧化性能较抗坏血酸佳,但耐热性差。有强还原性,遇光则缓慢着色并分解,重金属离子促进其分解。极易溶于水(40g/100mL),溶于乙醇(5g/100mL),难溶于甘油,不溶于乙醚和苯。
异抗坏血酸钠又名异维生素C钠、赤藻糖酸钠、D-2,3,5,6-四羟基-2-己烯酸-γ-内酯酸盐,为抗坏血酸钠的异构物。分子式为C6H7O6Na·H2O ,相对分子质量为216。异抗坏血酸钠为白色至黄白色颗粒,细粒或结晶粉末,无臭,稍有咸味,熔点200℃以上(分解)。在干燥状态下暴露在空气中相当稳定,但在水溶液中,当有空气、金属、热、光时,则发生氧化。它易溶于水(55g/100mL),几乎不溶于乙醇,2%水溶液的pH为6.5-8.0。它的水溶液在碱性条件下,尤其是在有铁和铜等金属存在下易氧化。使用时最好现配现,尽可能在密闭条件下进行,以充分发挥其作用。如不在密闭条件下进行,应考虑与其他条件配合,以取得最佳效果。异抗坏血酸钠耐热性差,还原性强,其氧化能力远远超过了L-抗坏血酸,价格便宜,无强化维生素C的作用,不会阻碍人体对L-抗坏血酸的吸收和运用。
2、生产技术
2.1 生产方法【2】
2.1.1 直接发酵法
直接发酵法的基本工艺过程为:首先利用真菌直接转化发酵培养基中的葡萄糖为异抗坏血酸,然后通过过滤、离子交换等方法对发酵液进行净化,再经浓缩、结晶等过程得到异抗坏血酸成品。
异抗坏血酸的生物合成途径如下图1所示。
图1 异抗坏血酸的生物合成
但是产生葡萄糖酸内酯氧化酶的菌属较少,仅从青霉属中得到20余株,葡萄糖氧化酶广泛存在于真菌中,而似乎只有青霉属的一些种才能产生葡萄糖酸内酯氧化酶。采用物理诱变的手段可以提高菌株的异抗坏血酸生产能力,使其发酵转化率达40%以上。20世纪80年代以来,国内学者进行了大量的相关研究工作,但尚未取得突破性的进展【6】 。
该法在实际生产中基本上不使用。其可能原因有以下几个方面:①直接发酵生产的技术关键在于高产菌株的选育,但目前生产菌株的产酸水平不高,对葡萄糖的转化率不超过45%,在经济指标上难以符合工业化生产的要求;②铁离子对异抗坏血酸的生物合成有较强的抑制作用,且发酵周期偏长,因而该技术对设备的要求比较苛刻,难以实现工业化生产;③该技术对原料的纯度要求较高,不利于生产成品的降低。
2.1.2 间接发酵法
间接发酵法的基本工艺过程为:首先利用细菌(荧光假半胞菌K1005或球状节杆菌K1022)转化发酵培养基中的葡萄糖为2-酮基-D-葡萄糖酸(2-keto-D-gluconic acid,2KG),然后对发酵液进行净化、浓缩,再经酯化、转化、酸化和精制等过程得到异抗坏血酸成品。
由2KG合成异抗坏血酸的主要途径有两种。
① 2KG发生分子内酯化反应合成异抗坏血酸,后者经碱处理即可得到异抗坏血酸盐。
该途径的特点是步骤少、操作简单,但反应收率只有20%~57%,并未在工业生产中得到应用。
② 2KG经过酯化、分子内酯交换和互变异构化反应得到异抗坏血酸钠,后者酸解即可得到异抗坏血酸。
这是目前工业合成异抗坏血酸的途径,被多个生产企业所采用【7】。
2.1.3 酶法
在一定的温度和酸度下,内酯酶(如葡萄糖酸内酯酶、内酯脱氢酶等)可以将溶液中的2KG转化为异抗坏血酸。反应溶液可以是水、乙醇、不含乙醇的有机溶剂或水乙醇和不含乙醇的有机溶剂的混合物。尽管这种方法的反应步骤十分简单,但由于产率太低,没有工业应用价值。
从对异抗坏血酸(异抗坏血酸钠)的生产技术研究现状的了解来看,直接发酵法和酶法要在近期取得突破是不太现实的,间接发酵法可能是今后较长时期内工业生产异抗坏血酸的方法。
我国是目前国际上最大的异抗坏血酸(异抗坏血酸钠)生产国,年实际产量已经达到了30000吨左右,并凭借生产成本的优势,占据了80%以上的国际市场份额。但是,就该产品的生产技术水平而言,我国与发达国家还存在较大的差距,具体表现在以下几个方面: ①产品收率低:国外异抗坏血酸钠对葡萄糖的总收率为70%左右,而国内不超过60%;②产品质量有欠缺:虽然我国产品质量可以达到FCC规定的各项指标要求,但在一些定性指标如澄清度、色度和异物等上仍与国外产品存在一定差距③没有实现真正的清洁生产:生产过程中的废水和废渣没有实现充分的综合利