CN106480125B - 一种生产d-阿洛酮糖的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生产D‑阿洛酮糖的方法，是利用固体D‑阿洛酮糖3‑差向异构酶将果糖转化成为D‑阿洛酮糖，反应平衡时对未转化的果糖联合利用固体葡萄糖异构酶和固体葡萄糖氧化酶转化为葡萄糖酸，再用离子交换树脂吸附除去葡萄糖酸，并循环重复此操作，即得到含高浓度D‑阿洛酮糖的转化液，再利用降温结晶法结晶该转化液，即制得D‑阿洛酮糖晶体。本发明方法工艺简单、易操做、效率高，可降低现D‑阿洛酮糖生产成本100倍，工业化应用及生产前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种生产D-阿洛酮糖的方法，尤其涉及一种以D-果糖低成本生产D-阿洛酮糖的方法，属功能糖制备技术领域。
背景技术
稀有糖是一类重要的碳水化合物，在膳食、保健、医药等领域中发挥着非常重要的功能。根据国际糖协会定义，稀有糖是“在自然界存在但含量极少的一类单糖及其衍生物”，一般具有低热量、低吸收等特点，并且具有多种生理功能。D-阿洛酮糖的能值为0.007kcal/g，被称为无能量的甜味剂；可抑制肠道α-葡萄糖苷酶活性，防止血糖升高，作为Ⅱ型糖尿病人的辅助治疗剂；可减小脂肪合成酶活性，抑制腹腔内脂肪堆积，降低血脂，并可预防肥胖；对神经具有保护作用。鉴于D-阿洛酮糖良好的性质，美国食品及药品管理局于2011年对D-阿洛酮糖的安全性进行确认，并正式批准其为GRAS食品，允许应用于食品和膳食补充剂以及医药制剂中，开发应用前景极为广阔，是近年来功能糖研究热点之一。
由于D-阿洛酮糖极为稀有，科学家尝试生物转化法合成D-阿洛酮糖。已报道的有以果糖为底物用D-塔格糖3-差向异构酶或D-阿洛酮糖3-差向异构酶合成D-阿洛酮糖。日本学者还以蒜糖醇为底物生物合成D-阿洛酮糖，但蒜糖醇价格高，该途径不具备工业价值。阿洛酮糖在自然界中的含量极少，不易从自然界中提取，并且化学合成的方法副产物多、不易纯化；而生物催化法的研究目前主要停留在实验室水平，尚无大规模生产的报道。
由于生产阿洛酮糖的底物果糖或葡萄糖与阿洛酮糖的性质及其接近，使得后期阿洛酮糖的分离纯化极为困难。这些原因导致阿洛酮糖的市场价格昂贵，阿洛酮糖约4000元/g，目前的产量仅能满足科研需求，多作为试剂销售。虽然阿洛酮糖的市场需求日益增加，但高昂的价格限制了它们的市场规模和应用。因此，大幅降低生产成本，实现规模化生产变得极其重要。现阶段，D-阿洛酮糖的主要分离方法是色谱法，此方法对分离设备、分离柱均有较高的要求，并且成本很高，不利于放大生产，实现规模化。因此，开发简单有效的分离方法在阿洛酮糖实现工业化方面变得极为重要。
经检索，有关利用固体葡萄糖异构酶和葡萄糖氧化酶去除残余果糖实现获得含高浓度D-阿洛酮糖的转化液的方法还未见报道。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种工艺简单、有效、低成本、纯生物法大规模生产D-阿洛酮糖的方法。
本发明所述生产D-阿洛酮糖的方法，步骤是：
(1)以蒸馏水或pH为8.0的10mM的磷酸盐缓冲液配制终浓度为500±50g/L的果糖溶液；
(2)以固体D-阿洛酮糖3-差向异构酶为催化剂，按每100mL果糖溶液中添加50±5g催化剂的比例向果糖溶液中加入所述催化剂，在65±3℃反应5±2h后分离除去催化剂，得到含D-阿洛酮糖和D-果糖的转化液；
(3)联合利用酶使转化液中的D-果糖转化为葡萄糖酸，再用离子交换树脂吸附除去葡萄糖酸，并循环重复此操作，得到D-阿洛酮糖的转化液；
其中：
所述联合利用酶使转化液中的D-果糖转化为葡萄糖酸，再用离子交换树脂吸附除去葡萄糖酸，并循环重复此操作的方法是：
①按每100mL转化液中添加50±5g固体酶的比例向转化液中加入固体葡萄糖异构酶，在65±5℃反应5±2h实现将转化液中部分D-果糖转化为D-葡萄糖，然后分离去除固体葡萄糖异构酶，得到含D-果糖、D-葡萄糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；
②再按每100mL混合液中添加50±5g固体酶的比例向步骤①制备的混合液中加入固体葡萄糖氧化酶，在39±3℃反应3±2h实现将混合液中全部的D-葡萄糖转化为葡萄糖酸，然后分离去除固体葡萄糖氧化酶，得到含D-果糖、葡萄糖酸和D-阿洛酮糖的混合溶液；
③按每100mL混合液中添加100±10g碱性阴离子交换树脂的比例向步骤②制备的混合溶液中加入碱性阴离子交换树脂，在25±3℃，120rpm条件下吸附40±10min，利用树脂吸附除去混合溶液中的葡萄糖酸，得到含D-果糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；
④将步骤③得到的混合溶液再次按步骤①②③所述方法进行重复操作，10±3个循环后混合溶液中的大部分D-果糖转化为葡萄糖酸并利用树脂吸附方式将其去除，即得到了D-阿洛酮糖的转化液。
将D-阿洛酮糖的转化液结晶(降温结晶法)的方法是：利用真空干燥的方法干燥，得到饱和的阿洛酮糖糖溶液，将糖溶液加热至65℃后，以1:8(v:v)的比例向糖溶液中加入丙酮溶液，然后加入D-阿洛酮糖晶种，以4℃/min的速度降温，降至4℃，即可得到阿洛酮糖的结晶体。
上述生产D-阿洛酮糖的方法中，所使用的固体葡萄糖氧化酶的制备方法是：
㈠氨基化树脂EA的预处理，利用pH值为5.2的0.1M的磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲液将氨基化树脂浸泡活化5h；
㈡将步骤㈠制备的树脂浸渍于3％的戊二醛溶液中，在25℃下，以120rpm速度搅拌，交联处理5h，得到戊二醛交联的树脂；
㈢用蒸馏水洗涤步骤㈡制备的戊二醛交联的树脂，洗涤3次，以洗去残留的戊二醛溶液，得到改性树脂；
㈣以每1g树脂加入1mL液体酶的比例，将步骤㈢制备的改性树脂与葡萄糖氧化酶液体混合，4℃，120rpm固定化10h，得到固定化的树脂；
㈤利用磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲液洗涤步骤㈣制备的固定化的树脂3次，完全去除游离的酶液，即得到固体葡萄糖氧化酶。
制得的固体葡萄糖氧化酶4℃保存，备用。
进一步的，本发明所述生产D-阿洛酮糖优选的实施方式是：
(1)以蒸馏水或pH为8.0的10mM的磷酸盐缓冲液配制终浓度为500g/L的果糖溶液；
(2)以固体D-阿洛酮糖3-差向异构酶为催化剂，按每100mL果糖溶液中添加45g催化剂的比例向果糖溶液中加入所述催化剂，在65℃反应5h后分离除去催化剂，得到含D-阿洛酮糖和D-果糖的转化液；
(3)按每100mL转化液中添加50g固体酶的比例向转化液中加入固体葡萄糖异构酶，在65℃反应5h实现将转化液中部分D-果糖转化为D-葡萄糖，然后分离去除固体葡萄糖异构酶，得到含D-果糖、D-葡萄糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；
(4)再按每100mL混合液中添加50g固体酶的比例向步骤(3)制备的混合液中加入固体葡萄糖氧化酶，在39℃反应3h实现将混合液中全部的D-葡萄糖转化为葡萄糖酸，然后分离去除固体葡萄糖氧化酶，得到含D-果糖、葡萄糖酸和D-阿洛酮糖的混合溶液；
(5)按每100mL混合液中添加100g碱性阴离子交换树脂的比例向步骤(4)制备的混合溶液中加入碱性阴离子交换树脂，在25℃，120rpm条件下吸附30min，利用树脂吸附除去混合溶液中的葡萄糖酸，得到含D-果糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；
(6)将步骤(5)得到的混合溶液再次按步骤(3)(4)(5)所述方法进行重复操作，11个循环后混合溶液中的大部分D-果糖转化为葡萄糖酸并利用树脂吸附方式将其去除，即得到了D-阿洛酮糖的转化液；
(7)转化液利用真空干燥的方法干燥，得到饱和的阿洛酮糖糖溶液，将糖溶液加热至65℃后，以体积比1:8的比例加入丙酮溶液，然后加入D-阿洛酮糖晶种，以4℃/min的速度降温，降至4℃，即可得到阿洛酮糖的结晶体。
上述生产D-阿洛酮糖的方法中：所述碱性阴离子交换树脂优选是大孔苯乙烯系弱碱性阴离子交换树脂D309。
上述生产D-阿洛酮糖的方法中：对于吸附了葡萄糖酸的碱性阴离子交换树脂，按每100g树脂添加50mL 0.5mol/L的盐酸的比例加入盐酸，常温解吸30min，即可得到葡萄糖酸溶液。
本发明方法生产的D-阿洛酮糖的分析方法为高效液相色谱法，所用仪器为日本岛津液相色谱仪，检测器为色差检测器，分析柱为Carbomix Pb-NP10:8％(7.8×300mm)，柱温78℃，流动相为ddH2O，流速为0.5mL/min。
本发明利用酶专一性强，不产生副产物的特点进行果糖与阿洛酮糖的分离，首先使用固体D-阿洛酮糖3-差向异构酶将D-果糖转换化为D-阿洛酮糖，然后，联合利用固体葡萄糖异构酶与固体葡萄糖氧化酶使转化液中的D-果糖转化为葡萄糖酸，再用离子交换树脂吸附除去葡萄糖酸，并循环重复此操作，得到D-阿洛酮糖的转化液，此方法操作简单，易于实施。
本发明所用的酶制剂均为固体酶，可重复使用多次，大大降低了成本，此外，葡萄糖酸的获得在另一方面又进一步降低了D-阿洛酮糖的生产成本。总之，基于上述技术方案，本发明提供了一种成本低、易操做、效率高的D-阿洛酮糖的生产方法，有望实现工业化，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是固体酶催化D-果糖生成D-阿洛酮糖的反应平衡图。
图2是葡萄糖酸吸附效果分析图；
其中：1为吸附前；2为吸附后。
图3是D-果糖除去前后高效液相分析比较图；
其中：3为果糖除去前后含量对比图，4为阿洛酮糖处理前后含量对比图，5为阿洛酮糖标样。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1固体葡萄糖氧化酶的制备方法
(1)氨基化树脂EA的预处理，利用pH值为5.2的0.1M的磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲液将氨基化树脂浸泡活化5h；
(2)将步骤(1)制备的树脂浸渍于3％的戊二醛溶液中，在25℃下，以120rpm速度搅拌，交联处理5h，得到戊二醛交联的树脂；
(3)用蒸馏水洗涤步骤(2)制备的戊二醛交联的树脂，洗涤3次，以洗去残留的戊二醛溶液，得到改性树脂；
(4)以每1g树脂加入1mL液体酶的比例，将步骤(3)制备的改性树脂与葡萄糖氧化酶液体混合，4℃，120rpm固定化10h，得到固定化的树脂；
(5)利用磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲液洗涤步骤(4)制备的固定化的树脂3次，完全去除游离的酶液，即得到固体葡萄糖氧化酶。
制备的固体酶4℃保存，备用。
实施例2 D-阿洛酮糖转化液的制备方法
(1)以蒸馏水配制终浓度为400g/L的果糖溶液；
(2)以固体D-阿洛酮糖3-差向异构酶为催化剂，按每100mL果糖溶液中添加45g催化剂的比例向果糖溶液中加入所述催化剂，在62℃反应7h后分离除去催化剂，得到含D-阿洛酮糖和D-果糖的转化液，在平衡反应过程中每隔1h取样200μL，加入DDH2O稀释5倍至1mL，10000rpm离心10min，过膜除去蛋白后进行高效液相色谱分析，结果如图1所示；
(3)按每100mL转化液中添加45g固体酶的比例向转化液中加入固体葡萄糖异构酶，在60℃反应7h实现将转化液中部分D-果糖转化为D-葡萄糖，然后分离去除固体葡萄糖异构酶，得到含D-果糖、D-葡萄糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；
(4)再按每100mL混合液中添加45g固体酶的比例向步骤(3)制备的混合液中加入固体葡萄糖氧化酶，在42℃反应1h实现将混合液中全部的D-葡萄糖转化为葡萄糖酸，然后分离去除固体葡萄糖氧化酶，得到含D-果糖、葡萄糖酸和D-阿洛酮糖的混合溶液；
(5)大孔苯乙烯系弱碱性阴离子交换树脂的处理：处理方法参考GB5476-85中华人民共和国国家标准离子交换树脂预处理方法；
①将树脂装入内径为3cm的层析柱中，柱床高度为30cm，用纯水进行反复冲洗，直至试样中无可见机械杂质并出水澄清为止；
②依次用100mL 1N盐酸溶液、200mL纯水、100mL1N氢氧化钠溶液和200mL纯水，自上而下通过树脂层，试剂流量为2.0mL/min，纯水流量为10mL/min，在每次转换试剂时，使液面高出树脂层1cm，保证树脂层中无气泡；此操作进行2次；
③经②处理过的树脂用400mL1N氢氧化钠溶液通过树脂层，流量为10mL/min，然后用纯水洗涤，直至用酚酞指示液检验流出液为无色时停止洗涤；
(6)按每100mL混合液中添加90g碱性阴离子交换树脂的比例向步骤(4)制备的混合溶液中加入碱性阴离子交换树脂(D309)，在22℃，120rpm条件下吸附50min，利用树脂吸附除去混合溶液中的葡萄糖酸，得到含D-果糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；葡萄糖酸的检测使用高效液相色谱，紫外检测器，C18分析柱，如图2所示；
(7)将步骤(6)得到的混合溶液再次按步骤(3)(4)(6)所述方法进行重复操作，13个循环后混合溶液中的大部分D-果糖转化为葡萄糖酸并利用树脂吸附方式将其去除，即得到了D-阿洛酮糖的转化液。结果如图3所示。
实施例3 D-阿洛酮糖转化液的制备方法
(1)以pH为8.0的10mM的磷酸盐缓冲液配制终浓度为550g/L的果糖溶液；
(2)以固体D-阿洛酮糖3-差向异构酶为催化剂，按每100mL果糖溶液中添加55g催化剂的比例向果糖溶液中加入所述催化剂，在68℃反应5h后分离除去催化剂，得到含D-阿洛酮糖和D-果糖的转化液；
(3)按每100mL转化液中添加55g固体酶的比例向转化液中加入固体葡萄糖异构酶，在70℃反应3h实现将转化液中部分D-果糖转化为D-葡萄糖，然后分离去除固体葡萄糖异构酶，得到含D-果糖、D-葡萄糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；
(4)再按每100mL混合液中添加55g固体酶的比例向步骤(3)制备的混合液中加入固体葡萄糖氧化酶，在36℃反应5h实现将混合液中全部的D-葡萄糖转化为葡萄糖酸，然后分离去除固体葡萄糖氧化酶，得到含D-果糖、葡萄糖酸和D-阿洛酮糖的混合溶液；
(5)按每100mL混合液中添加90g碱性阴离子交换树脂的比例向步骤(4)制备的混合溶液中加入碱性阴离子交换树脂，在28℃，120rpm条件下吸附30min，利用树脂吸附除去混合溶液中的葡萄糖酸，得到含D-果糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；
(6)将步骤(5)得到的混合溶液再次按步骤(3)(4)(5)所述方法进行重复操作，7个循环后混合溶液中的大部分D-果糖转化为葡萄糖酸并利用树脂吸附方式将其去除，即得到了D-阿洛酮糖的转化液。
实施例4 D-阿洛酮糖转化液的制备方法
(1)以pH为8.0的10mM的磷酸盐缓冲液配制终浓度为500g/L的果糖溶液；
(2)以固体D-阿洛酮糖3-差向异构酶为催化剂，按每100mL果糖溶液中添加45g催化剂的比例向果糖溶液中加入所述催化剂，在65℃反应5h后分离除去催化剂，得到含D-阿洛酮糖和D-果糖的转化液；
(3)按每100mL转化液中添加50g固体酶的比例向转化液中加入固体葡萄糖异构酶，在65℃反应5h实现将转化液中部分D-果糖转化为D-葡萄糖，然后分离去除固体葡萄糖异构酶，得到含D-果糖、D-葡萄糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；
(4)再按每100mL混合液中添加50g固体酶的比例向步骤(3)制备的混合液中加入固体葡萄糖氧化酶，在39℃反应3h实现将混合液中全部的D-葡萄糖转化为葡萄糖酸，然后分离去除固体葡萄糖氧化酶，得到含D-果糖、葡萄糖酸和D-阿洛酮糖的混合溶液；
(5)按每100mL混合液中添加100g碱性阴离子交换树脂的比例向步骤(4)制备的混合溶液中加入碱性阴离子交换树脂，在25℃，120rpm条件下吸附30min，利用树脂吸附除去混合溶液中的葡萄糖酸，得到含D-果糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；
(6)将步骤(5)得到的混合溶液再次按步骤(3)(4)(5)所述方法进行重复操作，11个循环后混合溶液中的大部分D-果糖转化为葡萄糖酸并利用树脂吸附方式将其去除，即得到了D-阿洛酮糖的转化液。
实施例5 阿洛酮糖的结晶
经过实施例2处理得到的D-阿洛酮糖的溶液，使用降温法结晶得到D-阿洛酮糖结晶体。具体实施方式如下：
将实施例2得到的糖液利用真空干燥的方法干燥得到饱和的阿洛酮糖糖溶液，将糖液加热至65℃后，以体积比1：4的比例加入丙酮溶液，然后加入阿洛酮糖晶种，以4℃/min的速度降温，降至4℃，得到阿洛酮糖的结晶体。
实施例6 葡萄糖酸的解吸
对于吸附了葡萄糖酸的碱性阴离子交换树脂(例如实施例2中得到的吸附有葡萄糖酸的碱性阴离子交换树脂)，按每100g树脂添加50mL 0.5mol/L的盐酸的比例加入盐酸，常温解吸30min，即可得到葡萄糖酸溶液。
从实验结果可以看出，经过循环处理的转化液果糖的去除率可达到90％以上。综上，本发明方法成本较低，得到的阿洛酮糖成本可降低至近40元/g，远低于市场上阿洛酮糖的生产成本，并且此法易于操作，可实现工业化，具有巨大的应用价值。
Claims (3)
1.一种生产D-阿洛酮糖的方法，步骤是：
(1)以蒸馏水或pH为8.0的10mM的磷酸盐缓冲液配制终浓度为500±50g/L的果糖溶液；
(2)以固体D-阿洛酮糖3-差向异构酶为催化剂，按每100mL果糖溶液中添加50±5g催化剂的比例向果糖溶液中加入所述催化剂，在65±3℃反应5±2h后分离除去催化剂，得到含D-阿洛酮糖和D-果糖的转化液；
(3)联合利用酶使转化液中的D-果糖转化为葡萄糖酸，再用离子交换树脂吸附除去葡萄糖酸，并循环重复此操作，得到D-阿洛酮糖的转化液；
其特征在于：
所述联合利用酶使转化液中的D-果糖转化为葡萄糖酸，再用离子交换树脂吸附除去葡萄糖酸，并循环重复此操作的方法是：
①按每100mL转化液中添加50±5g固体酶的比例向转化液中加入固体葡萄糖异构酶，在65±5℃反应5±2h实现将转化液中部分D-果糖转化为D-葡萄糖，然后分离去除固体葡萄糖异构酶，得到含D-果糖、D-葡萄糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；
②再按每100mL混合液中添加50±5g固体酶的比例向步骤①制备的混合液中加入固体葡萄糖氧化酶，在39±3℃反应3±2h实现将混合液中全部的D-葡萄糖转化为葡萄糖酸，然后分离去除固体葡萄糖氧化酶，得到含D-果糖、葡萄糖酸和D-阿洛酮糖的混合溶液；
③按每100mL混合液中添加100±10g碱性阴离子交换树脂的比例向步骤②制备的混合溶液中加入碱性阴离子交换树脂，在25±3℃，120rpm条件下吸附40±10min，利用树脂吸附除去混合溶液中的葡萄糖酸，得到含D-果糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；
④将步骤③得到的混合溶液再次按步骤①②③所述方法进行重复操作，10±3个循环后混合溶液中的大部分D-果糖转化为葡萄糖酸并利用树脂吸附方式将其去除，即得到了D-阿洛酮糖的转化液。
2.如权利要求1所述生产D-阿洛酮糖的方法，其特征在于：所述联合利用酶使转化液中的D-果糖转化为葡萄糖酸，再用离子交换树脂吸附除去葡萄糖酸，并循环重复此操作的方法是：
①按每100mL转化液中添加50g固体酶的比例向转化液中加入固体葡萄糖异构酶，在65℃反应5h实现将转化液中部分D-果糖转化为D-葡萄糖，然后分离去除固体葡萄糖异构酶，得到含D-果糖、D-葡萄糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；
②再按每100mL混合液中添加50g固体酶的比例向步骤①制备的混合液中加入固体葡萄糖氧化酶，在39℃反应3h实现将混合液中全部的D-葡萄糖转化为葡萄糖酸，然后分离去除固体葡萄糖氧化酶，得到含D-果糖、葡萄糖酸和D-阿洛酮糖的混合溶液；
③按每100mL混合液中添加100g碱性阴离子交换树脂的比例向步骤②制备的混合溶液中加入碱性阴离子交换树脂，在25℃，120rpm条件下吸附30min，利用树脂吸附除去混合溶液中的葡萄糖酸，得到含D-果糖和D-阿洛酮糖的混合溶液；
④将步骤③得到的混合溶液再次按步骤①②③所述方法进行重复操作，11个循环后混合溶液中的大部分D-果糖转化为葡萄糖酸并利用树脂吸附方式将其去除，即得到了D-阿洛酮糖的转化液。
3.如权利要求1或2所述生产D-阿洛酮糖的方法，其特征在于：所述碱性阴离子交换树脂是大孔苯乙烯系弱碱性阴离子交换树脂D309。
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