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维生素C概述及其合成工艺
武汉工业学院
维生素C概述及其合成工艺
论文作者：
指导老师：
学科专业：
化学工程与工艺
所在院系：
化学与环境工程学院
2018年6月1日
维生素C概述及其合成工艺
摘要：
概要介绍了维生素C基本性质及用途，综述了维生素C的合成工艺，介绍其成产时发酵、提取和转化过程的工艺进展,并对高新技术——膜分离技术在维生素C生产中的应用作了介绍
关键词：
维生素C；2-酮-L-古洛酮酸；发酵；提取；膜分离
ABSTRACT:
Inrecentyears，theconsumingmarketofvitaminChasbeendevelopingrapidly.Inthisarticle，theBasicproperties，applicationanddevelopmenttrendswereintroduced.Developmentsintheprocessesforfermentation,extractionandconversioninvitaminCproductionarereviewed.Especially,theapplicationsoftheadvancedtechnologyofandmembraneseparationareintroduced.
KeyWords:
vitaminC;2-KLGacid;fermentation;extraction;conversion;membraneseparation
维生素C，又叫抗坏血酸，英文名称:
VitaminC，AscorbicAcid，是一种水溶性维生素，是高等灵长类动物与其他少数生物的必需营养素。
它不仅是一种重要的医药产品,近年来,其应用范围扩展到食品、饲料等方面。
随着全球范围对Vc需求量的不断增长,其生产工艺也得到不断的改进。
1．维生素C概述
1.1维生素C-性质
分子式：
C6H8O6；分子量：
176.12u；CAS号：
50-81-7；酸性，在溶液中会氧化分解。
外观：
无色晶体；熔点：
190-192℃；沸点：
（无）；紫外吸收最大值：
245nm；荧光光谱：
激发波长－无nm，荧光波长－无nm；
溶解性：
水溶性维生素；推荐摄入量：
每日60毫克；最高摄入量：
引起腹泻之量；
结构式：
1.2维生素C-生物学意义
对生物以及人体有意义的“维生素C”是纯的左式右旋光（光学异构）抗坏血酸；相对的"左旋光"异构物在生物体内毫无用处。
这两种是同分异构物。
但是一般广告经常以左旋C称呼，但事实上指的是L型维生素C。
抗坏血酸是强还原剂，当它进行作用时，会转化为它的氧化形式为左式脱氢抗坏血酸左式脱氢抗坏血酸经由体内的酶和谷胱甘肽可回复至活性的左式抗坏血酸的形式。
左式光抗坏血酸是一个与葡萄糖相似的弱糖酸结构，能够很自然的使氢离子附着上去而形成抗坏血酸，或是附着金属离子，形成抗坏血酸矿物质。
在人体内，维生素C是高效抗氧化剂，用来减轻抗坏血酸过氧化物酶（ascorbateperoxidase）基底的氧化应力（oxidativestress）。
还有许多重要的生物合成过程中也需要维生素C参与作用。
维生素C为8种不同的酵素作为电子供体：
其中3种参与胶原羟化。
这些反应将羟基放入氨基酸的脯氨酸或赖氨酸，再将此氨基酸加入至胶原蛋白分子内（经由脯氨羟化酶和羟化酶），从而使胶原蛋白分子能够承担三重螺旋结构，使得维生素C必须在维护组织、血管和软骨的时候使用。
其中两种要参与组合肉碱。
肉碱在运输脂肪酸进入粒线体制造ATP的时候是必需品。
剩下的三种有以下功能：
多巴胺参与肾上腺素来合成多巴胺羟化酶。
另一种酶加入胺基成为缩胺酸激素，大大增加其稳定性。
其中一种调节酪氨酸代谢。
1.3维生素C-功能作用
主要生理功能：
1、促进骨胶原的生物合成。
利于组织创伤口的更快愈合；
2、促进氨基酸中酪氨酸和色氨酸的代谢，延长肌体寿命。
3、改善铁、钙和叶酸的利用。
4、改善脂肪和类脂特别是胆固醇的代谢，预防心血管病。
5、促进牙齿和骨骼的生长，防止牙床出血。
；
6、增强肌体对外界环境的抗应激能力和免疫力。
维生素的营养价值：
维生素c的主要作用是提高免疫力，预防癌症、心脏病、中风，保护牙齿和牙龈等。
另外，坚持按时服用维生素c还可以使皮肤黑色素沉着减少，从而减少黑斑和雀斑，使皮肤白皙。
富含维生素c的食物有花菜、青辣椒、橙子、葡萄汁、西红柿等，可以说，在所有的蔬菜、水果中，维生素c含量都不少。
美国专家认为，每人每天维生素c的最佳用量应为200～300毫克，最低不少于60毫克，半杯新鲜橙汁便可满足这个最低量。
2.合成工艺
2．1莱氏法
Vc生产最早是使用莱氏法[1],此法早在30年代就研究成功,莱氏法是1933年德国化学家Reichstein等发明的最早应用于工业生产VC的方法。
该法以葡萄糖为原料，经催化加氢制取D-山梨醇，然后用醋酸菌发酵生成L-山梨糖，再经酮化和化学氧化，水解后得到2-酮基-L-古洛糖酸（2-KLG），再经盐酸酸化得到VC。
莱氏法生产的VC产品质量好、收率高。
由于生产原料廉价易得，中间产物的化学性质稳定，至今仍是许多国外VC生产商，如Roche公司、BASF/Takeda公司和E.Merck公司等厂商采用的主要工艺方法。
但是莱氏法也存在不少缺陷，诸如生产工序多、劳动强度较大，使用大量有毒、易燃化学药品，容易造成环境污染等。
为此，自20世纪60年代起，各国学者一直致力于莱氏法的改进。
其合成路线见图1。
2.2二步发酵法
20世纪70年代初，中国科学院微生物研究所和北京制药厂合作，研制成功了“二步发酵法”制备VC的新工艺。
该法以生物氧化过程代替莱氏路线中的部分纯化过程，简化了生产工艺，降低了生产成本，减少了“三废”污染，多年以来一直被国内厂家使用。
二步发酵法生产VC可以分为发酵、提取和转化三大步骤，即D-山梨醇先经细菌氧化为L-山梨糖，再通过细菌发酵生成VC前体2-KLG，最后用化学法将2-KLG转化为VC。
在几十年的工艺发展中，二步发酵法工艺不断地得到了改进。
发酵法生产Vc可以分为发酵、提取和转化三大步骤。
即先从D-山梨醇发酵,提取出Vc前体2-酮-L-古洛糖酸（2-酮基-L-古龙酸,1）再用化学法将1转化为Vc。
国内外为提高Vc的质量和收率对发酵法的生产工艺一直在进行不断的改进。
本文对发酵法生产Vc三大步骤的工艺改进及其最新研究进展作综述。
2．2.1发酵
目前,工业上生产Vc采用二次发酵法，它是以生物氧化过程代替莱氏路线的部分纯化学过程。
合成路线见图2。
图2Vc的二次发酵合成路线
此法利用假单胞菌选择地氧化L-山梨糖C1上的醇羟基成为羧基,省略了丙酮保护步骤,缩短了工艺,节约了原料。
近几年来,国内外纷纷开展从D-葡萄糖串联发酵[3]产生1新工艺的研究。
1987年以来,尹光琳等采用欧文氏菌和棒杆菌从D-葡萄糖经中间体2,5-二酮-D-葡萄糖酸串联发酵生成1获得成功[4],其路线见图3。
图3Vc的二步串联发酵曲线
这种二步串联发酵法直接从D2葡萄糖开始,省去了氢化反应,生产工序简便,但其与二次发酵法相比,在原料和菌体处理等方面均有待改进提高,因此仍未能工业化。
用发酵法合成,发酵过程中需具备高产率的优良菌种、适宜的培养基和合适的发酵条件。
目前研究的重点在于优良菌种的培育。
Anderson[5]和Grindly[6]分别应用DNA重组技术使棒杆菌2,5-二酮-D-葡萄糖酸还原酶基因在欧文氏菌中表达,构建成基因工程菌,直接一步转化D-葡萄糖为1,此工程菌的小试结果表明葡萄糖的转化率可达47.7%[7],但目前仍停留在研究阶段,距工业应用尚有距离[8]。
2.2.2提取
经过二次发酵,发酵液中1含量仅约8%,且残留菌丝体、蛋白质和悬浮微粒等杂质,分离提纯比较困难。
后处理的费用占总成本的很大比例,因此研究后处理技术,对降低Vc的生产成本,非常重要。
（1）加热沉淀法[2]
此法是提取1的传统工艺,分离手段较为落后。
它是将发酵液经静置沉降后通过732氢型离子交换树脂柱,部分酸化1的钠盐,调节pH至蛋白质等电点,并加热使蛋白质凝固,然后用高速离心分离出凝聚的菌丝、蛋白和微粒,清液再次通过阳离子交换柱,全部酸化为1水溶液,再进行浓缩结晶:
此工艺通过用氢型树脂调pH值至蛋白质等电点后加热除蛋白,既要耗能,又造成有效成分的降解损失,发酵液直接通入离子交换柱,使树脂表面污染严重,交换容量下降,且两次通过树脂柱,带进大量水分,增大浓缩时的能耗。
因此,提出了化学凝聚法。
（2） 化学凝聚法[4]
化学凝聚法是通过加入化学絮凝剂来除去蛋白质、菌体、色素等杂质，避免了加热沉淀时有效成分的损失。
季光辉等采用化学凝聚法对VC发酵液进行预处理，使2-KLG的滤液质量提高，提取前步收率提高5.2％，VC总收率提高2.5％以上。
陈雷等以壳聚糖为主凝剂，聚丙烯酰胺为助凝剂，通过化学凝聚法除蛋白工艺，提取收率由原来的76％提高到82％，古龙酸优级品率由原来的35％提高到60％，成本比原来降低20％。
此法是选择合适的絮凝剂和合适条件来除去蛋白质、菌体、色素等杂质,其工艺流程为:
此法避免了加热沉降引起的能耗和损失,仍存在如下不足:
经化学凝聚后,上层清液中仍存在着一定量的可溶性蛋白。
会随着溶液pH值的变化而逐步析出,影响树脂的交换当量及1的质量。
如果在发酵过程中染菌,则化学凝聚后,上层清液仍然混浊,严重影响产品的收率和质量。
化学凝聚时加入新的化学物质,增加了环境污染。
为了克服这些不足,基于膜分离技术的1提取新工艺应运而生。
（3）超滤
超滤是一种新兴的膜处理技术，此法具有操作方便、节能、不造成新的环境污染等优点，因此在2-KLG的分离提纯中的应用日益广泛。
此法与加热沉淀法不同的是，可在常温下操作，可减少有效成分的损失；在用膜除蛋白的过程中，无任何新的化学物质加入，可减少对树脂的污染和损耗，降低酸碱用量，减少三废排放。
与化学凝聚法不同的是，在处理染菌的发酵液时仍可达到较好的处理效果。
我国的东北制药厂1995年从丹麦引进目前全国最大膜面积的平板超滤装置后，2-KLG的分离提纯成本比原先的化学凝聚法节约了600万元，其收率和生产的自动化、连续化程度也明显提高
由于无相变、节能、操作简便、不造成新的环境污染等优点,该技术已获得广泛应用。
有许多将超滤用于发酵液的提取、浓缩等的报道[9～14]。
1钠盐发酵液通过超滤膜,使1钠盐溶液与菌丝、蛋白及悬浮微粒等大分子杂质分离,可简化提取工艺:
超滤工艺收率约98%,在超滤前后发酵液中1的钠盐含量几乎不变。
此工艺用膜分离代替传统工艺中的加热除蛋白,1收率提高近4%。
整个过程通过夹套冷却的方法保持在常温下操作,能耗低,成本降低。
在用膜除蛋白过程中,无任何新化学物质加入,减少了树脂的污染和损耗,降低了酸碱用量,减少了三废排放。
更值得指出的是,超滤法对已染菌的Vc发酵液仍可保证最终成品质量,而其它工艺却难以实现。
我们认为膜分离技术可以在Vc发酵液提取中进一步应用和推广:
随着膜材料的进一步开发,选择最适宜的膜设备、膜组件和膜分离条件,可使产品的收率和质量进一步提高。
选择抗堵塞的超滤膜组件,消除发酵液的预处理步骤,降低成本。
可尝试应用反渗透或纳滤技术代替真空浓缩。
此外,还有仍处于小试阶段的离子交换法和溶媒萃取法的研究报道:
离子交换法[2]:
采用弱碱性离子交换树脂从发酵液中直接提取1,用甲醇2硫酸溶液洗脱,将洗脱液直接用于甲酯转化,省去浓缩结晶步骤。
本法洗脱收率可达96%左右,洗脱液浓度比原始液提高4倍。
溶媒萃取法[15]:
采用0.5mol/LDOA-20%正庚醇-醋酸混合溶剂三级逆流萃取和一级反萃取从发酵液中提取1,萃取收率达90%以上,反萃取液与原始发酵液相比,1的浓度可增加5倍以上,且反萃取液中除HCl以外,杂质很少,可以将反萃取直接用于酸转化,省去浓缩结晶步骤,节约大量能耗。
（3）转换
由1转化为Vc,有酸转化和碱转化两种方法。
酸转化：
VC化学转化生产，自莱氏法建立以来就采用浓盐酸催化2-KLG，一步制得VC。
国外有关学者对此法进行了许多研究。
印度AhmedbadTextile工业研究协会研究表明，在以饱和氯代烃（如CHCl3）、芳烃（如苯、甲苯）为溶剂，由2-KLG与浓盐酸在60～75℃下反应4～6h，可制得纯度为90%的粗VC。
美国学者YODICE等于1985年报道了2-KLG与浓盐酸在表面活性剂的甲苯溶液中反应，可制得纯度超过99%的VC。
近年来，关于一步酸转化法制VC的研究报道更是层出不穷。
1999年，美国有关专利指出，在氧化钴为催化剂的体系中，2-KLG与足量的次氯酸反应可制得高纯度的VC。
2000年，德国学者FECHTEL等报道了2-KLG与浓盐酸在4.5Mpa的高压釜中于42℃反应3h，可制得VC，收率高达95%。
将1置于浓HCl中转化成Vc。
酸转化法工艺简单，操作步骤少，但反应过程中选用浓盐酸对设备腐蚀严重。
另外，由于在反应体系中引入了惰性溶剂或表面活性剂，使后期的分离造成不便。
污染环境,影响产品质量,已改用碱转化法。
碱转化：
我国VC生产厂家均采用碱法转化2-KLG生产VC。
东北制药总厂等生产单位将2-KLG与甲醇在浓硫酸催化下生成2-酮基-L-古龙酸甲酯，该酯在NaHCO3作用下发生内酯化反应生成VC钠盐。
该法避免了酸催化的上述缺点，且操作工艺简单，反应条件温和，适合于规模化生产，但是在生产中的反应周期过长，甲醇单耗高。
有些单位尝试用CH3ONa代替NaHCO3进行碱转化，转化率可高达92.6%，但产品质量较差，且甲醇钠价格贵，造成生产成本较高
国外学者对碱转化的研究也一直在进行。
Bottcher等用丁醇代替甲醇，采用浓硫酸催化，在真空度0.02MPa、85℃的条件下与2-KLG进行反应，2h后蒸去多余的丁醇及生成的水，向反应体系中加入氯乙烯和盐酸，在72～75℃加热17h，过滤后得到纯度为98%的VC。
Veits用离子交换树脂作催化剂，使2-KLG与甲醇的反应液于80℃下在树脂柱中停留10～120min，然后将酯化液与NaHCO3作用得到纯度为98%的粗VC钠盐。
美国Fastman化学公司的研究人员将模拟流动床（SMB）反应器应用于该酯化反应，通过SMB反应器脱水以促进酯化反应的进行。
Oklobdzu等通过二步酯化过程促进酯化反应的进行，有效地实现了分离反应产物和反应过程中生成的水。
由VC钠盐制备VC所采取的主要方法是硫酸酸化法和树脂交换法。
硫酸酸化法操作简单，但需妥善控制甲醇的浓度和pH值，才能使硫酸钠与VC得以分离。
氢型离子树脂交换法设备庞大，操作复杂，且需经常再生树脂，增加了酸耗，酸液大量排放容易对环境造成威胁。
目前，人们正在积极探索使用双极性膜（BipolarMembraneElectrodialysis，BME）来代替传统的酸化工艺，其工作原理为：
在直流电场作用下,双极性膜中的水被离解成H+和OH-，H+替换VC钠盐中的Na+结合成离解度小的VC，原VC钠盐中的Na+在电场的作用下通过阳离子交换膜从VC钠盐中分离出来,并和OH-结合生成NaOH。
双极性膜电渗析法无需外加物料可将VC钠盐转化成VC，过程简单，能耗低，投资少，转化率高，其副产品和NaOH稀溶液也可被有效利用，对环境无污染，有望应用到实际生产中。
是将1在甲醇中用浓硫酸催化酯化生成1的甲酯,再用NaHCO3将1的甲酯转化为Vc钠盐,再用H2SO4酸化成Vc（图4）。
图4Vc的碱转化曲线
西安制药厂在此基础上对转化工艺进行了改进,即用甲醇-甲醇钠法[16]转化（图5）。
图5Vc的碱转化改进
此法转化率为92.6%,设备腐蚀小,操作简便,树脂可以循环套用,适合于大量生产。
但产品质量较差,且由于甲醇钠贵,转化成本高。
其中Vc钠盐转化成Vc,原用H2SO4酸化,经改进采用氢型离子交换树脂酸化。
但离子交换法仍存在着需经常用酸再生树脂,设备庞大,操作复杂,耗酸量大,废液大量排放等缺点。
因此可尝试用双极性膜电渗析法[17]（bipolarmembraneelectro-dialysis,简称BME）来取代传统酸化工艺。
它是利用在直流电场作用下,双极性膜中的水被离解成H+和OH-,H+和Vc钠盐中的Vc酸根结合成离解度小的Vc,Vc钠盐中的Na+在电场中通过阳离子交换膜从Vc钠盐中分离出来,并和双极性膜侧出来的OH-结合生成NaOH（图6）。
图6Vc的双极性膜电渗析法的工作原理
BME可以在无外加物料的条件下,将Vc钠盐转化成Vc,过程简单,能耗低,设备体积小,投资少,操作简单,转化率可高达99%,其副产品NaOH稀溶液可有效利用,无环境污染。
此法可望推广到各种有机酸的制备[18],目前试验者不少,例如,可以用此法将前述的1的钠盐转化为1,但均未见工业装置的报道。
综上所述,对Vc生产工艺,可以通过发酵、提取和转化3个方面改进,以求不断提高产品质量和收率,降低成本,使其在国际上成为更有竞争力的产品。
VC是我国自主知识产权开发的首批西药之一，也是我国最主要的出口创汇原料药之一。
二步发酵法是我国VC生产的主要工艺方法，然而该法不能直接以葡萄糖为发酵原料，且涉及二步发酵三种菌，工序繁琐。
采用基因工程等先进技术，选育直接以葡萄糖为发酵原料的优良菌株和优化发酵条件将是我国VC生产技术研究的主要方向。
此外，目前世界上很多国家正尝试以真核生物为研究对象，利用它们合成Vc的代谢途径开发更加环保的生物合成方法。
从我国的二步发酵法推广后逐步取代莱氏法这一过程可以预测，随着生物技术的不断发展和更具优势的生物合成VC方法的不断涌现，生物法必将完全取代化学法在Vc生产中的地位。
为了保持我国在世界Vc生产上的优势地位，必须加强VC生产的基础研究工作。
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