CNS_01.311_富马酸一钠

引言

富马酸一钠是由富马酸和氢氧化钠反应而制成单钠盐，再结晶而得。用作酸味调味品，如粉末清凉饮料、水果罐头、冷食、果子酱等，还用作合成树脂、媒染剂的合成原料。富马酸一钠作为一种新型的防腐保鲜剂，主要用于水产品和肉糜类食品中。本文将从富马酸一钠的理化性质出发，介绍富马酸一钠的合成工艺、一些应用实例以及先行国家标准对其的限量和检验方法。

1. 富马酸一钠的理化性质

富马酸一钠是由富马酸和氢氧化钠反应制得的，而富马酸的工业合成主要有化学合成法和生物合成法。[1]

2.1化学合成法

富马酸的化学合成法主要包括顺丁烯二酸酐(顺酐)异构法和糠醛氧化法2种。顺酐广泛用于合成树脂、涂料、农药、润滑油添加剂、医药、纸张处理剂、食品添加剂、稳定剂等方面, 是一种用量比较大的有机原料。糠醛是一种以农林副产品水解获得的重要有机化工原料, 它在医药、兽药、农药、染料、香料、涂料、塑料、电绝缘材料、助剂、试剂、溶剂、粘合剂、饲料添加剂、食品、合成树脂、合成橡胶及合成纤维单体等工业部门有着十分广泛的用途。

1. 顺酐异构法

顺酐异构法的原料为顺酐，催化剂为KBr——H2O2体系，

反应方程式：

实验条件：顺酐15g，水30mL，加入8% 的H2SO4 1mL,KBr 0.1g，H2O2 0.3mL，反应回流60min。

顺酐异构法的产率可达93.0%，这种方法的优点是运输方便, 不腐蚀设备, 用量较少，缺点为需要石油资源, 工艺条件要求苛刻。

2. 糠醛氧化法

糠醛氧化法的原料为糠醛，催化剂为V2O5。

反应方程式：

实验条件：糠醛 10mL,氧化剂 KClO3 25g，催化剂 V2O5 0.4g，反应温度105℃，搅拌回流反应4h。

糠醛氧化法的产率可达83.0%，这种方法的优点是无工业污染，且副产物KCl可回收用作农用化肥，缺点是生产成本较高。

从以上两种方法可以看出化学合成法制备富马酸所面临的主要难题是化石资源的短缺、生产成本的提高以及对环境的污染。

2.2生物合成法

富马酸的生物合成法具体包括酶催化转化法和微生物发酵法20 世纪90年代中期出现的酶催化转化法一般都是以马来酸为底物,在马来酸异构酶作用下制备富马酸。该方法具有较高的转化效率和产率, 如果和天冬氨酸酶联合使用, 还可以直接从马来酸制备天冬氨酸, 日本在这方面做了大量工作, 并且研究发现, 某些马来酸异构酶能够耐受50 ℃的高温, 可以极大地提高酶催化转化效率。

20 世纪初期就开始了霉菌发酵产富马酸的研究工作, 随着科学技术的进步, 富马酸得率一度到了30 %～ 40 %。不过, 早期由于受技术水平的局限, 对微生物的生长代谢了解不够深入, 一直未能进行工业化生产。

20 世纪 70 年代石油危机的出现, 使得人们加大了对微生物发酵法制备富马酸的研究力度, 这一时期人们用来发酵制备富马酸的微生物有霉菌、酵母及细菌。其中根霉菌( Rhizopus) 由于具有营养要求简单、环境适应能力强以及生长迅速等特点, 又是重点研究的对象, 具体包括米根霉( Rhizopusoryzae)、少根根霉 ( Rhizopus arrhizus) 以及黑根霉( Rhizopus nigricans) 等 。在这一时期, 我国科学家对微生物发酵法生产富马酸的研究工作也进行了一定的探索, 其中山西微生物研究所的白照熙等筛选出了具有产富马酸能力的少根根霉, 当振荡培养于含有 12 %葡萄糖的培养基时, 富马酸产量为53.5 g/L, 得率为 45 %, 同时产生了较多的副产物如苹果酸等 。随后, Federici 等对根霉菌的发酵做了研究。发现根霉菌的固定化可以显著提高菌体的稳定性及生产效率 ;而适宜的搅拌速率和补加适量的中和剂都有助于产酸 。1996 年, 美国 Purdue 大学的Tsao 教授等利用米根霉具有自我固定的能力,设计了一种旋转生物膜接触器耦联吸附柱的装置,用于米根霉的发酵和富马酸的吸附收集, 这个发酵系统通过不断地补料循环, 可以在 20 h 内利用质量浓度为100 g/L 的葡萄糖生产出平均产量多达85 g/L 的富马酸。

1991 年, 著名的生化工程专家 ———美国加州理工学院( California Institute of Technology) Bailey 教授首次详细论述了代谢工程, 标志代谢工程新学科的诞生。在这短短的十几年里, 代谢工程得到了突飞猛进的发展, 它与细胞生物 、基因工程技术的联合应用已成为研究和控制微生物生长代谢的一个必不可少的手段。Wright 等通过14C 同位素标记的方法得到了米根霉中的葡萄糖代谢模型, 并分析证明了米根霉既可以发酵生产乳酸, 又可以发酵生产富马酸。 Longacre 等采用代谢工程的方法对米根霉中葡萄糖的代谢流进行分析, 最终把乳酸的产率从 65 %提升到 75 %～ 86 %。国内天津大学的白冬梅等对米根霉进行诱变育种, 获得了乳酸高产菌, 详细分析了诱变过程中代谢通量的变化, 得出了米根霉发酵产乳酸的最大理论得率为98.2 %。

在米根霉的葡萄糖代谢模型中, 存在2条富马酸合成途径。第一个途径是通过线粒体中的三羧酸循环, 琥珀酸在琥珀酸脱氢酶的作用下生成富马酸, 富马酸可以借助于转运系统通过线粒体膜进入胞液, 也可在富马酸酶催化下继续反应生成苹果酸。另一个途径存在于细胞液中, 丙酮酸在丙酮酸羧化酶的作用下与 CO2 反应生成草酰乙酸, 草酰乙酸在苹果酸脱氢酶的作用下生成苹果酸, 苹果酸经过富马酸酶的催化生成富马酸。

对以上 2 条途径进行分析比较,可以看出, 胞液途径的理论得率远大于线粒体途径, 因此, 有理由认为胞液途径是富马酸的主要合成途径。为了提高富马酸的实际得率, 需要尽可能地增大胞液途径的代谢流分布, 但需要注意的是,不能过分减少线粒体途径, 因为它提供的能量占细胞生长和合成物质所需能量的绝大部分。应该在能保证提供足够能量的基础上,对整个代谢网络进行调控, 通过增加胞液途径的代谢通量来达到提高转化率的目的。

富马酸一钠用作酸味剂、缓冲剂、调味剂、抗氧化助剂。用于配制酒、清凉饮料、糖食制品、粉末果汁、水果罐头、冷饮、果酱、果冻等。配制面包、曲奇饼干等的复配型膨松剂。常与DL-苹果酸、柠檬酸等其它有机酸合用。

3.1在防腐剂中的应用[2]

目前使用较多的防腐剂基本上是防腐效果明显、来源 广 泛、价格低廉的苯甲酸(钠)和山梨酸(钾)但随着其广泛应用，这些化学防腐剂的毒副作用也日渐突出目前， 对于生物防腐剂(如乳酸链球菌素( Nisin) 、曲酸、那他霉素等)的研究与应用在国内外已经成为开拓食品防腐剂领域的热点。生物防腐剂尽管具有抗菌性强、安全无毒、热稳定性好等优点，可应用较为成熟的生物防腐剂普遍带有一点色泽(如 Nisin 呈现淡黄色) 、抑菌谱窄、生产成本高等缺陷，使得单一生物防腐剂的抑菌效果总是不尽人意。目前，许多研究都表明富马酸一钠和聚赖氨酸属于高安全性类防腐剂。富马酸一钠为结晶状透明颗粒，在日本和韩国，其研究已经很成熟，且已经开发了以其作为主要成分的水产品复合型天然防腐剂。从性质上来说，富马酸一钠兼有防腐、螯合金属离子、抗氧化和缓冲 pH 等多种功能。因此被广泛用于复配型防腐剂的基础配料。将富马酸一钠和聚赖氨酸复合后形成DSG01抑菌谱变广且防腐效果明显， 所以两者的复配具有很好的研究和使用前景。

富马酸和富马酸一钠虽然都是酸度调节剂，但富马酸承担的主要是缓冲作用，提高体系的稳定性。而富马酸一钠比富马酸有更高的化学稳定性，尤其在抑菌防腐方面更为显著。富马酸一钠的抑菌机制主要有三个：

　　1、微生物的生长有赖于合适的环境，降低pH可以抑制很多微生物的生长。

　　2、α，β-不饱和羰基结构被认为是防腐剂发挥抗菌作用的功能基团，富马酸则含有这一基团，在抑菌方面可能涉及透化细胞外膜、提高渗透压、抑制生物合成等方面。

　　3、群体感应是一种细菌间信息交流的通讯系统，细菌通过自身合成并释放信号分子感知环境变化，当信号分子浓度达到一定阈值时开启细胞密度依赖的特定基因表达，进而调控细菌的生物行为。富马酸一钠则能够阻碍和干扰细菌间的信息传递，起到抑制微生物增殖的作用。

　　在防腐效果上，富马酸一钠并不能满足加工要求，但其与醋酸钠、柠檬酸钠等其他防腐剂配合使用时，效果提升明显。达到同样的防腐效果，还能降低其他防腐剂的使用量，是一种新型的防腐保鲜剂。在合规范围内对富马酸一钠的防腐作用进行深入研究，有助于提高食品的整体防腐质量，尤其是与其他防腐剂的联合作用机制和复配效果值得深究。

3.2在膨松剂中的作用[3]

碳酸氢铵和富马酸一钠可按一定比例配制而成的膨松剂，这种膨松剂具有在使用量上可按生产需要添加、安全高效及应用范围广等优点。由于不采用含有铝及磷酸盐的膨松剂为添加剂，采用此方法制备的果蔬膨松干制产品具有食用安全等特性。具体制备方法为：膨松剂组分碳酸氢铵和富马酸一钠经粉碎后过 100 目筛，按质量比 1 ：1 混合配 制 ；添加量为原料质量的 0.2％～ 1.0％，混均后腌制 10 ～ 15min。

3.3在复合调味料中的作用[4]

实例1：

称取MSG（谷氨酸一钠） 95.02%重量、IMP（肌苷-5`-单磷酸二钠） 3.44%重量、琥珀酸 0.30%重量及富马酸一钠 1.24%重量，在MSG的结晶中，添加其他原料的混合微细粉末，使他们均匀混合。尔后，在该混合物之中，按1～4%重量的比率添加水，使之混合，并做气流干燥，制得复合调味料A。结果该复合调味料按通常的使用范围，具有MSG单体5～8的效价，而且其显味是等质的。

实例2：

称取MSG 95.02%重量、GMP 1.50%重量、琥珀酸 0.30%重量及富马酸一钠 3.18%重量，按照与实例1相同的方法，制作成复合调味料B。采用实例1汤料基质，并采用此种复合调味料B，进行与实例1相同的试验，结果是：作为复合调味料B，若是处于通常的使用范围，则具有5～8倍的效价，而且其显味是等质的。

实例3：

称取MSG 95.02%重量，IMP1.04%重量、GMP 1.04重量、琥珀二酸钠 0.70%重量及富马酸一钠 2.20%重量，遵照与实例1相同的方法，将他们制作成复合调味料C。并采用此种复合调味料C，进行与实例1相同的试验，结果是：作为复合调味料C，若是处于通常的使用范围，则具有MSG单体5～8倍的效价，而且其显味是等质的。

3.富马酸一钠在食品添加剂中的使用限量

表1 感官要求

表2 理化指标

表3 微生物指标

准确称取约0.3g试样（预先干燥），溶解于30mL水中，用0.1mol/L的氢氧化钠标准溶液滴定，加2滴定酚酞指示剂，溶液颜色由无色变为粉红色即为终点。

1ml 0.1mol/L氢氧化钠标准溶液相当于13.81mg富马酸一钠（C4H3NaO4）。

5.总结和讨论

富马酸一钠作为一种食品添加剂，因为其具有pH缓冲能力的作用，常用于酸味剂、缓冲剂、调味剂、抗氧化助剂。用于配制酒、清凉饮料、糖食制品、粉末果汁、水果罐头、冷饮、果酱、果冻等。也可以与DL-苹果酸、柠檬酸等其它有机酸合用，用于复配型膨松剂由于配制面包、曲奇饼干等。

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