CN105001273B - 一种甘露糖的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种甘露糖的制备方法，该方法采用了稀碱水解、酶解、模拟移动床以及喷雾干燥的方法来制备高纯度的甘露糖。具体来说，本发明创造性地将果糖与葡萄糖组合作为原料使用，通过选择特定pH调节剂，充分利用三者间的相互转化，获得更高转化率的甘露糖，配合后续的酶解处理，能将果糖和葡萄糖最大程度地转化为甘露糖。本方法工艺简单、易于操作,基本在常温常压下即可完成生产过程。通过本方法制备得到的甘露糖成品纯度达到99％以上，总收率达75‑85％。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效制备甘露糖的方法。
背景技术
甘露糖(mannose)是一种单糖，也是一种六碳糖，是葡萄糖的同分异构体，自然界常见的甘露糖，CAS编号：3458-28-4，分子式：C6H12O6，分子量：180.16。甘露糖易溶于水，难溶于乙醇，不溶于乙醚，味甜，略带苦的后味，在自然界中广泛以聚糖形式存在于酵母、咖啡渣、红藻、棕榈子、魔芋等材料中。角豆豆胶和瓜尔豆胶中含有大量半乳甘露聚糖。
甘露糖常被作为食品及饮料的甜味剂，在医药领域也用于糖尿病、肥胖病、便秘和高胆固醇等疾病的辅助治疗。近年来，甘露糖还具有抑制肿瘤生长，预防细菌、病毒感染，减轻类风湿性关节炎的症状，抑制伤口愈合时炎症的发生等功效也常常见诸报道。
目前制备甘露糖的方法主要有以下几种：一种方法是通过酸水解含甘露聚糖的材料，如酵母、咖啡渣、红藻、棕榈子、魔芋等材料，然后分离出甘露糖，这种方法原料成本较高且收率不高；还可以由D-甘露醇(海带制碘工业的副产品)在亚铁离子存在下，用过氧化氢氧化合成，这种方法工艺复杂且收率较低；可以由D-葡萄糖差向异构化，或由D-阿拉伯糖增长碳链等方法制备；也有以果糖为原料通过果糖异构酶制备甘露糖的，这种方法简单且收率高，但果糖原料价格昂贵，工业化前景不佳。上述方法中，由于原料成本、工艺复杂性、产物收率等因素的综合考虑，目前主流是以葡萄糖为原料，采用钼酸或钼酸盐为催化剂，进行差向异构后，再将异构得到的甘露糖与葡萄糖分离出来。例如，CN101851689A中公开了一种甘露糖的制备方法，其以葡萄糖为原料，经过差向异构得到葡萄糖与甘露糖的混合液，再经过分离材料为凝胶聚苯乙烯Ca型树脂的模拟移动床分离一遍，得到富含甘露糖组分的分离液；两遍浓缩后进行水相结晶历时60-100h，离心后得到粗晶；用无水乙醇浸泡洗涤以精制粗晶，可得到含量99％的甘露糖晶体。此方法虽能得到高纯度的结晶甘露糖，但甘露糖在水中的溶解度为250g/g，水相结晶困难，且需进行多个降温梯度的精确控制，对控温设备要求高，耗时长久；水相结晶前需要经过两次浓缩工艺，增加能耗成本；结晶历时60-100h，效率低；粗品甘露糖结晶还需要经过无水乙醇精制，不仅工艺繁琐，且易造成溶剂残留。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种制备甘露糖的方法，针对现有技术中制备甘露糖的方法存在的上述缺陷和不足，本发明提供的方法工艺简单、生产效率高、操作简便且成本较低，可以很好地解决甘露糖制备方面的问题。
本发明提供了一种甘露糖的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别取葡萄糖和果糖，按3-4:2的比例混合作为原料；
(2)在常温常压条件下，用稀碱溶液处理原料0.5-1小时，得到葡萄糖、果糖和甘露糖的混合液；
(3)在混合液中按混合液0.03-0.06％的重量比加入葡萄糖异构酶和甘露糖异构酶的混合物，调节温度为20-50℃、pH8-9，反应0.5-1小时；
(4)将步骤3的酶解液经过六柱顺序式模拟移动床进行分离提纯，得到富含甘露糖的组分A和其它组分B；
(5)将步骤4得到的组份A经离心喷雾干燥得到高纯度的甘露糖成品；其它组分B通过浓缩结晶，分离出葡萄糖和果糖，分别重新作为原料使用。
其中，优选地，原料中葡萄糖和果糖的混合比例优选为3-4:2，更优选3:2。
优选地，稀碱溶液为甘氨酸-氢氧化钠缓冲液(0.05M)，调节pH至8-9之间。
优选地，葡萄糖异构酶和甘露糖异构酶的混合物的配比优选1:3-5，更优选1:4。
优选地，本发明步骤4中，六柱顺序式模拟移动床填充的分离材料为钙型阳离子树脂。
优选地，步骤5中离心喷雾干燥参数为：进风温度100～140℃，出风温度30～60℃，进料质量百分比浓度为60重量％。得到的甘露糖成品纯度达到99％以上。
以本发明的技术方案得到的甘露糖，总收率为75-85％。
本领域技术人员公知，在稀碱溶液中，葡萄糖可以通过烯醇式中间体进行转化，得到含有葡萄糖、甘露糖和果糖的混合物，且这种转化在两两间均是可逆的，最终达到一个动态平衡。本领域技术人员还能获知，葡萄糖向果糖和甘露糖的转化在用氢氧化钠作为pH调节剂调节pH值大于10时才较为明显。但是，本发明创造性地将果糖与葡萄糖进行组合使用，并选择了特定的pH调节剂，发现在这种情况下，其能很好地利用三者间的可逆转化，获得更高含量的甘露糖，配合后续的酶解处理，能将果糖和葡萄糖最大程度地转化为甘露糖。本发明人在现有技术中均未能查到相类似的制备方法，且该方法工艺简单、基本在常温常压下即可完成生产过程；从原料成本角度，本发明的方法采用先水解再酶解的方法，一方面可以减少价格昂贵的异构酶的使用，降低了原料成本，其次，在这种方法的搭配下整个工艺的处理时间很短，无需加温加压，也降低了工艺成本在原料中加入了部分成本较高的果糖，但由于在该特定的配比下，使得果糖和葡萄糖均能在常温常压下以最大比例转化为甘露糖，由此完成了本发明。
本发明技术方案中涉及的原料均为可商业购得的原料，包括葡萄糖、果糖、甘露糖异构酶、葡萄糖异构酶、甘氨酸-氢氧化钠缓冲液等。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
(1)本发明充分利用葡萄糖、果糖与甘露糖在稀碱溶液中所具有的相互间转化的特性，以获得更大比例的甘露糖为目的，筛选了特定比例的葡萄糖和果糖的比例，并意外的发现甘氨酸-氢氧化钠缓冲液能极大地提高葡萄糖和果糖的甘露糖的转化率。
(2)本发明采用了稀碱水解、酶解、模拟移动床以及喷雾干燥的方法来制备高纯度的甘露糖，彻底避开了通过结晶方法得到产品的通常做法，克服了结晶操作步骤繁琐、操作条件严格、过程历时久、有机溶剂使用量大、溶剂易残留、甘露糖水结晶粉末黏度大且易吸湿的缺点，可以得到均一粒度的无定形甘露糖。
(3)本发明的方法步骤均在常温常压下完成，更适于工业化大生产，节约能耗，且简化了生产工艺。
(4)本发明引入的顺序式模拟移动床(SSMB)具有分离柱用量少、设备整体占地面积更小、更节约填充的分离材料、自动化控制程度高、易操作，分离效果更好等特点，可进一步提高回收率和产品纯度，同时能够实现三元组分分离。
(5)本发明的总收率高，在保证了产品质量的前提下又大大提高了生产效率。
以下将详细介绍本发明的研发过程。
1、实验材料
葡萄糖、果糖、甘氨酸-氢氧化钠缓冲液、氢氧化钠、硫酸、葡萄糖异构酶、甘露糖异构酶
2、实验方法
2.1不同pH值、原料组合对甘露糖产生的影响
将等量的10:0、3:2、2:1、1:2、2:3、0:10的葡萄糖和果糖的组合物50g作为原料，经甘氨酸-氢氧化钠缓冲液、氢氧化钠溶液调节pH至7.5、8.5、9.5或经硫酸调节至pH6.5、5.5、4.5，常温常压下水解1小时。使用带有示差检测器的安捷伦1260HPLC系统，分析水解液中甘露糖的含量，色谱柱：Phenomenex Rezex Calcium Monosaccharide(RCM)；柱温：80℃；流动相：纯水；流量0.5mL/min；示差检测器温度：40℃。
2.2酶的种类对甘露糖产生的影响
在上述水解液中加入按重量百分比加入0.05％的酶(葡萄糖异构酶、甘露糖异构酶，调节温度为25℃、pH8-9，反应1小时，用上述相同方法测定酶解液中甘露糖的含量。
3、实验结果
3.1不同pH值、原料组合对甘露糖产生的影响(甘露糖含量mg/mL)
表1不同pH值、原料组合对甘露糖产生的影响(—：微量)
从表1可以看出，采用了不同的pH值，甚至采用了不同的pH值调节试剂，均获得了不同的甘露糖含量。其中，采用甘氨酸-氢氧化钠缓冲液作为pH调节剂，意外地获得了很好的效果，虽然本发明人也还不明确其中的机理，但基于这个发现，将极方便地在第一步水解溶液中即获得了较高浓度的甘露糖，减少了后续对异构酶的需求。
3.2酶的种类对甘露糖产生的影响
取不同原料组分经甘氨酸-氢氧化钠缓冲液调节pH值至8.5，水解1小时后的水解液，按重量比0.05％的量加入酶，在pH为8、常温常压的情况下酶解0.5小时，测定酶解液中甘露糖的含量(甘露糖含量mg/mL)。
| 酶的种类 | 葡 | 葡：甘2:1 | 葡：甘1:1 | 葡：甘1:2 | 葡：甘1:3 | 葡：甘1:4 | 葡：甘1:5 | 甘 |
| 葡萄糖水解液 | 16.74 | 17.01 | 14.59 | 13.28 | 11.77 | 10.95 | 7.69 | 7.77 |
| 葡萄糖：果糖3:2水解液 | 18.58 | 20.91 | 25.02 | 25.41 | 33.01 | 35.59 | 35.22 | 17.26 |
| 葡萄糖：果糖2:1水解液 | 17.69 | 20.34 | 23.51 | 25.10 | 29.25 | 34.97 | 35.01 | 19.24 |
| 葡萄糖：果糖1:2水解液 | 14.10 | 14.09 | 18.08 | 18.96 | 20.44 | 21.01 | 21.19 | 7.22 |
| 葡萄糖：果糖2:3水解液 | 13.25 | 13.05 | 13.69 | 13.91 | 13.25 | 15.69 | 14.20 | 10.01 |
| 果糖水解液 | 6.59 | 9.77 | 9.28 | 11.00 | 12.34 | 14.09 | 14.33 | 15.25 |
说明：表中，葡萄糖异构酶简写为“葡”，甘露糖异构酶简写为“甘”，葡萄糖异构酶：甘露糖异构酶简写为“葡：甘”。
表2酶的种类对甘露糖产生的影响
从表2可以看出，葡萄糖异构酶和甘露糖异构酶经过一定的配伍组合，对于包含葡萄糖、果糖和甘露糖的混合液来说，获得了显著的增效效果。其中，当原料为葡萄糖：果糖3:2时，所用水解酶为葡萄糖异构酶：甘露糖异构酶为1:4时，可以得到最高的甘露糖转化率。
具体实施方式
下面结合以下具体实施方式对本发明作更为详细地说明。
实施例1
分别取葡萄糖和果糖，按3:2的比例混合作为原料；在常温常压条件下，用甘氨酸-氢氧化钠缓冲液(0.05M)，调节pH至8.5处理原料1小时，得到葡萄糖、果糖和甘露糖的混合液；在混合液中按混合液0.05％的重量加入葡萄糖异构酶和甘露糖异构酶(1:4)的混合物，调节温度为25℃、pH8，反应0.5小时；将的酶解液经过六柱顺序式模拟移动床(填料为钙型阳离子树脂)进行分离提纯，得到富含甘露糖的组分A和其它组分B；将步骤4得到的组份A经离心喷雾干燥(参数为：进风温度110℃，出风温度50℃，进料质量百分比浓度60wt.％)离心喷雾干燥得分离得到纯度为99.5％的甘露糖粉末，产品总收率为84.95％。
实施例2
分别取葡萄糖和果糖，按3:2的比例混合作为原料；在常温常压条件下，用甘氨酸-氢氧化钠缓冲液(0.05M)，调节pH至9,处理原料1小时，得到葡萄糖、果糖和甘露糖的混合液；在混合液中按混合液0.05％的重量加入葡萄糖异构酶和甘露糖异构酶(1:4)的混合物，调节温度为25℃、pH8，反应1小时；将酶解液经过六柱顺序式模拟移动床(填料为钙型阳离子树脂)进行分离提纯，得到富含甘露糖的组分A和其它组分B；将步骤4得到的组份A经离心喷雾干燥(参数为：进风温度110℃，出风温度50℃，进料质量百分比浓度60wt.％)离心喷雾干燥得分离得到纯度为99.3％的甘露糖粉末，产品总收率为80.27％。
实施例3
分别取葡萄糖和果糖，按2:1的比例混合作为原料；在常温常压条件下，用甘氨酸-氢氧化钠缓冲液(0.05M)，调节pH至8.5处理原料0.5小时，得到葡萄糖、果糖和甘露糖的混合液；在混合液中按混合液0.05％的重量加入葡萄糖异构酶和甘露糖异构酶(1:5)的混合物，调节温度为25℃、pH8.5，反应1小时；将酶解液经过六柱顺序式模拟移动床(填料为钙型阳离子树脂)进行分离提纯，得到富含甘露糖的组分A和其它组分B；将步骤4得到的组份A经离心喷雾干燥(参数为：进风温度110℃，出风温度40℃，进料质量百分比浓度60wt.％)离心喷雾干燥得分离得到纯度为99.1％的甘露糖粉末，产品总收率为78.61％。
Claims (5)
1.一种甘露糖的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别取葡萄糖和果糖混合作为原料，原料中葡萄糖和果糖的混合比例为3-4:2；
(2)在常温常压条件下，用稀碱溶液处理原料0.5-1小时，得到葡萄糖、果糖和甘露糖的混合液，稀碱溶液为0.05M的甘氨酸-氢氧化钠缓冲液，调节pH至8-9之间；
(3)在混合液中按混合液0.03-0.06％的重量比加入葡萄糖异构酶和甘露糖异构酶的混合物，调节温度为20-50℃、pH8-9，反应0.5-1小时，葡萄糖异构酶和甘露糖异构酶的混合物的配比为1:3-5；
(4)将步骤3的酶解液经过六柱顺序式模拟移动床进行分离提纯，得到富含甘露糖的组分A和其它组分B；
(5)将步骤4得到的组份A经离心喷雾干燥得到高纯度的甘露糖成品。
2.如权利要求1所述的制备方法，其中，原料中葡萄糖和果糖的混合比例为3:2。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，葡萄糖异构酶和甘露糖异构酶的混合物的配比为1:4。
4.如权利要求1或2所述的制备方法，优选地，步骤4中，六柱顺序式模拟移动床填充的分离材料为钙型阳离子树脂。
5.如权利要求1或2所述的制备方法，优选地，步骤5中离心喷雾干燥参数为：进风温度100～140℃，出风温度30～60℃，进料质量百分比浓度为60重量％，得到的甘露糖成品纯度达到99％以上。
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