山梨酸的研究进展

山梨酸的研究进展王天航(北京联合大学生物化学工程学院，北京市 100023)摘要: 本文介绍了山梨酸的理化性能,生产方法,分离与检测方法，并阐述了其实际应用。关键词：山梨酸；性质；生产；分离与检测；应用1 引言山梨酸又名花椒酸是国际粮农组织和卫生组织推荐的高效安全的保鲜剂，是毒性最低的食品防腐剂，广泛应用于食品、饮料、烟草、农药、化妆品等行业，作为不饱和酸,也可用于树脂、香料和橡胶工业。2 理化性质 山梨酸( Sorbic Acid)化学式： 化学名：2, 4-已二烯酸或2-丙烯基丙烯酸, 分子式：C6H8O2 ， 俗名花楸酸或清凉茶酸。是一种分子结构特殊的不饱和有机酸类不饱和六碳酸, 呈无色针状结晶或白色结晶粉末, 无味、无臭, 沸点228, 熔点130135, 闪点127,对光、热稳定,难溶于水，易溶于乙醇，乙醚，其饱和水溶液pH值为3.6。山梨酸是属于酸性防腐剂，防腐效果受pH影响，其抗菌力是由非解离分子的作用。因此，在食品中至少应保持10%-30%的非解离分子。pH 值愈低，防腐能力愈强，宜于在pH 值为5-6 以下范围内使用。对霉菌、酵母、好气性细菌和丝状菌等均具有抑制作用，其抑菌作用比杀菌作用强，但对厌气菌和嗜酸乳杆菌无效。山梨酸的防腐原理是它能与微生物酶系统中的巯基(-SH)结合，形成共价键，使其失去活力，破坏许多重要酶系，从而抑制微生物增殖和防腐作用。山梨酸的化学反应活性高, 易于进行加成、卤代、加氢、氧化、酯化、脱羧及共聚等多种反应。3 合成与生产方法主要合成和生产方法有以下几种：3.1 巴豆醛和丙二酸法1 这是最早合成山梨酸的方法。该法采用毗吮做溶剂, 将丙二酸和巴豆醛混合加热4-5h, 缩合后再冷却、酸化、脱梭, 得到山梨酸。该法收率32%左右, 若用丙二酸钙代替丙二酸,可以提高收率。该工艺流程简单, 产品易分离, 但收率低,另外由于所用原料丙二酸的生产三废污染严重, 价格贵。3.2 巴豆醛和乙烯酮法 该法是在三氟化硼等催化剂的作用下, 巴豆醛和乙烯酮在0度下反应, 生成己烯酸内醋,再经硫酸水解得到山梨酸。该法技术完善, 收率较高, 原料价廉易得, 是目前国内外研究最多、最普遍采用的生产方法, 美、日、德等国大都采用这条路线生产,只是催化剂和生产工艺上略有不同。缺点是原料乙烯酮有毒, 生产步骤多, 催化剂有腐蚀性。3.3 山梨醛氧化法2 该法是以山梨醛为原料, 用氧化银进行氧化而制取山梨酸, 原料山梨醛系由乙醛三聚得到。这是20世纪初提出的合成路线, 1953年美国联碳公司实现工业化, 后因副反应难控制,收率低等原因, 缺乏竞争力, 1970年以后停止使用.3.4 丁二烯法3 该法采用丁二烯、乙酸为原料, 制得乙烯基-丁内醋, 后者在酸性催化剂作用下, 开环得到山梨酸。该法是前联邦德国开发的合成路线, 我国在这方面的研究也取得一定进展。该法收率较高, 是合成山梨酸的新途径。3.5 乙炔、烯丙基氯和一氧化碳合成法 这是由意大利人提出的合成路线。采用烯丙基氯、乙炔、一氧化碳和水反应, 得到2,5 -己二烯酸, 然后在四默基镍作用下重排为山梨酸。该法优点是在室温下即可进行, 并且产率也较高。但四拨基镍有剧毒, 使用时须注意安全。3.6 巴豆醛和丙酮法 此法是在Ba(OH)8H2O 催化下, 丙酮和巴豆醛缩合, 得到70%的3,5 -庚二烯-2-酮(KPA)和30%的聚醛树脂, KPA再用次氯酸钠氧化, 氢氧化钠处理, 得到山梨酸钠水溶液,再经酸化得到山梨酸, 收率90%, 同时得到副产物氯仿。此法是前苏联开发的, 工艺流程简单, 产品纯度高, 催化剂价廉易得, 副产物氯仿和聚醛树醋可作为工业产品回收, 适合中小企业的批量生产。3.7 电化学法4采用电化学法是在使用碳纤维阳极的电解槽内, 加入147ml 醋酸、25g 醋酸钠、12.5g 醋酸锰、3.7g 醋酸铜和28.4g 丁二烯, 在32V 下, 反应6.25h 可得6 乙酰氧基# 4$ 己烯酸和4% 乙酰氧基己烯酸, 将其加入含有阳离子交换树脂的乙酸溶液中, 于加热下回流得山梨酸。使丁二烯与醋酸电氧化合成方法在原料、收率、反应条件、操作、无三废等方面可取, 可以加速开发进程。采用电化学法耗能少, 电流密度和电位易于调节, 可任意施加动力, 便于控制反应, 实现自动化; 特别是从根本上解决了化学法合成中的环境污染和设备腐蚀问题。3.8 生物法山梨酸是通过抑制微生物体内的脱氢酶繁酶系统, 从而达到抑制微生物生长而发挥防腐作用的,其对细菌、霉菌、酵母菌均有抑制作用。其防霉效果随pH 升高而减弱。采用的菌种可以是葡萄糖酸菌, 也可以是结核杆菌、链霉素菌、醋杆菌、假单胞蛋白等, 微生物的氧化培养介质可以是肉、胨、氯化钠, 也可以是EDTA 抗坏血酸, 含SH 基团的氨基酸、氯化铵,以及1 , 4& 丁二醇、乙醇、酵母提取液等。将葡萄糖酸菌与山梨醛在肉、胨、氯化钠的介质液中培养振荡48h 后再将细胞与山梨酸在磷酸缓冲液内悬浮后于30下经20min 后生成山梨酸。用结核杆菌氧化收率可达74% , 然后用电渗析方法分离产品, 可得纯度99.8%的山梨酸。生物氧化法是具有极大潜力的方法, 此法操作条件温和, 反应可以在常温与常压下进行, 可以大大地降低所用设备的投资, 具有十分重要和工业化意义。4 分离检测方法以下是几种现在常用分离检测方法：4.1紫外分光光度法5-8 紫外分光光度法为采用紫外分光光度计, 通过标准曲线法而实现食品中山梨酸钾含量的测定。山梨酸为共扼型有机化合物, 在近紫外光区具有较强的吸收。并通过实测证实, 山梨酸在263nm处具有最大吸收。另一方面,山梨酸在水中具有适当的溶解度。山梨酸在20时溶解度为0.21g/100ml水, 在30时为0.25g/100ml水 。因此可将标样和样品处理成水溶液。采用紫外分光光度计, 通过标准曲线法而实现山梨酸钾含量的测定。该方法具有简便、快速的特点, 可作为企业自控和商品检浏的参考方法。4.2 气相色谱法9-10气相色谱法是在以适当的固定相做成的柱管内，利用气体（载气）作为移动相，使试样（气体、液体或固体）在气体状态下展开，在色谱柱内分离后，各种成分先后进入检测器，用记录仪记录色谱谱图。 在对装置进行调试后，按各单体的规定条件调整柱管、检测器、温度和载气流量。进样口温度一般应高于柱温30-50度。色谱上分析成分的峰的位置，以滞留时间（从注入试样液到出现成分最高峰的时间）和滞留容量（滞留时间载气流量）来表示。这些在一定条件下，就能反应出物质所具有特殊值，并据此确定试样成分。此方法分离效率高，分析速度快，样品用量少和检测灵敏度高，选择性好，应用范围广，应用的主要领域有石油工业、环境保护、临床化学、药物学、食品工业。定量方法可分以下三种： 4.2.1、内标准法 取标准被测成分，按依次增加或减少的已知阶段量，各自分别加入各单体所规定的定量内标准物质中，调制标准溶液。分别取此标准液的一定量注入色谱柱，根据色谱图取标准被测成分的峰面积和峰高和内标物质的峰面积和峰高的比例为纵座标，取标准被测成分量和内标物质量之比，或标准被测成分量为横坐标，制成标准曲线。然后按单体中所规定的方法调制试样液。在调制试样液时，预先加入与调制标准液时等量的内标物质。然后按制作标准曲线时的同样条件下得出的色谱，求出被测成分的峰面积或峰高和内标物质的峰积或峰高之比，再按标准曲线求出被测成分的含量. 所用的内标物质，应采用其峰面积的位置与被测成分的峰的位置尽可能接近并与被测成分以外的峰位置完全分离的稳定的物质。 4.2.2、绝对标准曲线法取标准被测成分 按依次增加或减少阶段法，各自调制成标准液，注入一定量后，按色谱图取标准被测成分的峰面积或峰高为纵座标，而以标准被测成分的含量为横坐标，制成标准曲线。然后按单体中所规定的方法制备试样液。取试样液按制标准曲线时相同的条件作出色谱，求出被测成分的峰面积和峰高，再按标准曲线求出被测成分的含量。 4.2.3、峰面积百分率法 以色谱中所得各种成分的峰面积的总和为100，按各成分的峰面积总和之比，求出各成分的组成比率。4.3 高效液相色谱法HPCL11-14高效液相色谱法是以液体为流动相，采用高压输液系统，将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱，在柱内各成分被分离后，进入检测器进行检测，从而实现对试样的分析。以下是两张是锋型很好的色谱图。高效液相色谱法有“三高一广一快”的特点： 高压：流动相为液体，流经色谱柱时，受到的阻力较大，为了能迅速通过色谱柱，必须对载液加高压。 高效：分离效能高。可选择固定相和流动相以达到最佳分离效果，比工业精馏塔和气相色谱的分离效能高出许多倍。 高灵敏度：紫外检测器可达0.01ng，进样量在uL数量级。 应用范围广：百分之七十以上的有机化合物可用高效液相色谱分析，特别是高沸点、大分子、强极性、热稳定性差化合物的分离分析，显示出优势。 分析速度快、载液流速快：较经典液体色谱法速度快得多，通常分析一个样品在1530分钟，有些样品甚至在5分钟内即可完成，一般小于1小时。 此外高效液相色谱还有色谱柱可反复使用、样品不被破坏、易回收等优点，但也有缺点，与气相色谱相比各有所长，相互补充。高效液相色谱的缺点是有“柱外效应”。在从进样到检测器之间，除了柱子以外的任何死空间（进样器、柱接头、连接管和检测池等）中，如果流动相的流型有变化，被分离物质的任何扩散和滞留都会显著地导致色谱峰的加宽，柱效率降低。使高效液相色谱检测器的灵敏度不及气相色谱。4.4 薄层色谱法15薄层色谱，或称薄层层析(thinlayer chromatography)，是以涂布于支持板上的支持物作为固定相，以合适的溶剂为流动相，对混合样品进行分离、鉴定和定量的一种层析分离技术进一步说，它就是利用各成分对同一吸附剂吸附能力不同，使在移动相（溶剂）流过固定相（吸附剂）的过程中，连续的产生吸附、解吸附、再吸附、再解吸附，从而达到各成分的互相分离的目的。这是一种快速分离诸如脂肪酸、类固醇、氨基酸、核苷酸、生物碱及其他多种物质的特别有效的层析方法，从50年代发展起来至今，仍被广泛采用。4.5 高效毛细管电泳(HPCE)16-18高效毛细管电泳(HPCE)技术对具有电化学活性的物质的分离检测具有优势. 它是以弹性石英毛细管为分离通道，以高压直流电场为驱动力，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离的电泳分离分析方法。他的优点是高灵敏度、高分辨率、高速度。当然HPCE还是一种正在发展中的技术,有些理论研究和实际应用正在进行与开发。5 应用5.1山梨酸的防腐防霉保鲜具体应用为:5.1.1鱼肉制品类: 抑制霉菌的致腐作用, 保持食品长期不腐败。用量为1/7001/1000, 工艺上与山梨酸钾配伍使用或再配以葡萄糖酸内酯, 则效果更好。5.1.2肉制品类: 当pH 为6 时, 山梨酸防腐效果等同于高浓度亚硝酸盐或更佳, 同时减少致癌性的亚硝酸铵的生成。为此, 普通肉类防腐保鲜常选用山梨酸( 钾) 。5.1.3水产品类: 能抑制鱼类及制品中因霉菌而致霉变。山梨酸加入量为1/1000, 可大大延长储存时间。5.1.4豆制品类: 豆酱内添加山梨酸后能抑制霉变。在制品制成后, 先加热, 然后加入山梨酸, 添加量1/1000, 豆酱保质好。5.1.5乳制品类: 以0.075% 山梨酸喷涂/ 浸溃天然奶干酪, 可维护其鲜质度。5.1.6果子酱与番茄沙司: 果子酱pH 低时易发霉,当添加1/20001/4000 的山梨酸( 熬煮之后) , 即能控制霉变。番茄沙司易腐败变质, 当添加1/2000的山梨酸时能收到防治效果。5.1.7烘焙食品类: 将山梨酸添加或喷洒在烘焙食品上, 可明显延长保存( 质) 期。5.1.8山梨酸还广泛应用于复配型防腐剂, 如山梨酸钾、焦磷酸钠、酸式焦磷酸钠、聚磷酸钠、单甘油脂山梨酸醇脂肪酸酯、葡萄糖酸-内酯、富马酸、蔗糖酯、dL-苹果酸等复配成适用于不同食品的复配型防腐剂。5.2在饲料加工方面, 山梨酸可用作饲料添加剂。山梨酸对抑制饲料中霉菌的生长, 尤其是对抑制形成黄曲霉素有良好的效果。因此, 添加山梨酸可有效地防止饲料腐败变质, 同时在动物肠道内仍有抗微生物生长的作用, 山梨酸的中性味道, 更适合用于饲料中, 因为动物对食品口味改变比人类更敏感。作为不饱和脂肪酸, 可视为饲料的成分, 易消化, 对动物无任何不良影响。5.3山梨酸除用于人类食品与饲料加工外, 在医药上还可用于静脉注射药剂、营养液的防腐抗微生物剂.5.4 在日用化工方面用于美容化妆品的防腐,在洗涤剂与化学纤维涂料工业中常用的抗老化助剂。作为干性油的添加剂, 还能制造增塑剂与润滑油的中间体以及增强汽油的( 防爆等级) 辛烷值, 也可用作粘结剂及粘胶材料的添加剂。在合成橡胶工业上山梨酸用作异戊二烯橡胶的热稳定剂, 胶粘和粘合剂的添加组分。5.5 在农业方面用于合成杀虫剂和昆虫引诱剂及农药复配能取得减毒增效作用等。5.6此外山梨酸还有好多应用如用于合成多元酸、醇酸树脂和香料以及清漆、纤维和聚合物等的防老剂等。是合成多元酸、醇醛缩合树脂的重要辅助原料之一。在聚合物工艺中, 山梨酸可以做聚合物产品的流动性和光泽性的改性剂( 醇酸型聚合物涂料) 以及原料组分, 作为一种有机合成原料其用途广泛。1陈彦玲, 高丽娟, 王敬平等.山梨酸的应用与制取J.长春师范学院学报,2002,21(2):31-342聂毅.山梨酸及其盐的合成与发展J.辽宁化工，2001,30（1）：25-263朱红旭, 宫素芝, 焦健.山梨酸的合成与应用J。河北轻化工学院学报,1994,15（1）：47-534汪多仁.山梨酸的开发与应用J。吉化公司联合化工厂,2007,10（10）：5-75曾启华.紫外分光光度法快速测定酸性食品中苯甲酸和山梨酸含量J.遵义师范学院学报,2004,6(4):59-606桑宏庆, 蔡华珍, 王大勇.紫外分光光度法同时测定饮料中山梨酸钾和苯甲酸钠J,检测与分析,2006,9(8):34-377张国文,潘军辉等.主成分回归用于分光光度法同时测定6 种食品添加剂J.分析试验室,2007,26(7):52-568叶姗.偏最小二乘法- 紫外光度法同时测定防腐剂尼泊金乙酯钠、山梨酸钾和苯甲酸钠J.化学分析计量,2008