CN1071435A - 环糊精增产的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用从软化芽胞杆菌中获得的环糊 精葡萄糖基转移酶制备环糊精，从降低温度使转化在 低于45℃进行，并在环己烷的存在下，增加生产环糊 精的产量。

Description

本发明涉及环糊精，特别是涉及一种采用从软化芽胞杆菌（Bacillus  macerans）中得到的称为环糊精葡萄糖基转移酶的淀粉酶来增加α和β-环糊精产量的方法。

淀粉酶是能催化水解组成淀粉的两种葡萄糖多聚物即直链淀粉和支链淀粉内α1，4链的酶。许多种植物、细菌和动物都能产生淀粉酶。

环糊精葡萄糖基转移酶Cyclodextrin  glucosyl  transferase（CGTase），也叫作环状直链淀粉葡聚糖转移酶（cycloamylose  glucanotransferase），于1939年由Tilden和Hudson首次从软化芽胞杆菌中提取出来。从那时起，人们一直是从巨大芽胞杆菌（Bacillus  megaterium），环状芽胞杆菌（Bacillus  ceirculans），嗜热杆菌（Bacillus  stearothermophilus），肺炎杆菌（Klebsiella  pneumoniae）和芽胞杆菌属（Bacillus  species）中获得CGTasc（alkalophilic，见美国专利3，826，715号，1974年7月30日颁布）。已知CGTase能生成环糊精。

环糊精，也称作Schardinger糊精，由葡糖苷单元经α1，4链联接在一个环或圆环（torus）上组成。环上的葡糖苷单元的数目取决于它的名子。α-环糊精具有6个葡糖苷单元，而β-环糊精具有7个葡糖苷单元，γ-环糊精有8个葡糖苷单元。当葡糖单元不是经α1，4链与环键接时，它本身不能形成环，这时环糊精被称之为分枝环糊精。（branched  cyclodextrin）。环糊精在许多领域中具有广泛用途，因为它具有同其它化合物组成复合物的能力。

传统的制备环糊精是经过CGTase对淀粉酶解物发生作用，这种淀粉酶解物例如是淀粉，或具有右旋糖当量（DE）为1到10的淀粉水解物。典型的水解反应是在酶的最适pH和温度下进行。对于从软化芽胞杆菌中获得的CGTase，其最适pH为5至7之间，最适温度介于50～60℃。

已知采用从软化芽胞杆菌中获得的CGTase作为催化剂时，能生产α，β和γ环糊精。按生产的环糊精总重量计，α的产量约为63%（重量）;β约为30%（重量），γ约为7%（重量）。

已知向反应基质中加入某些配位剂会引起反应平衡的偏移，从而生产大多数为α-环糊精，或大多数为β-环糊精。例如，（1972年2月8日颁布的）美国专利3，640，847号，记载着，在1-癸醇存在下，温度约为50℃，pH约为7时，生产大多数为α-环糊精，而甲苯引起生产大多数为β-环糊精。该专利还披露了当淀粉酶解物是淀粉水解物时，环己烷产生大多数为β-环糊精，而酶解物是糊化淀粉时，则产生α和β-环糊精的混合物，见其中实施例1和5。

本发明的目的在于为克服现有技术的不足之处而提供一种增加环糊精产量的方法。

本发明的目的是按下述方法实施的：

在用从软化芽胞杆菌（Bacillus  macerans）中获得的环糊精葡萄糖基转移酶来催化淀粉酶解物的水解反应中，在环己烷的存在下，温度为45℃或更低进行水解反应，以增加环糊精的产量以及生产不含γ-环糊精的α-和β-环糊精。

本发明还涉及一种制备α-环糊精的方法，包括如下步骤：

（a）用来自软化胞杆菌的环糊精葡萄糖基转移酶处理具有1至10右旋糖当量的淀粉水解物的水样浆状物，其温度在40℃和低于40℃，并在环己烷的存在下，以生成α-环糊精和β-环糊精，不生成γ-环糊精;以及

（b）回收α-环糊精和β-环糊精。

现已发现，来自软化芽胞杆菌的CGTase同淀粉酶解的反应平衡可以移向生产更多的环糊精以及实质上不含γ-环糊精，仅仅是α-和β-环糊精，这样需降低反应温度，在环己烷的存在下进行反应。特别是发现，倘若在环己烷的存在下，45℃或更低，用来自软化芽胞杆菌的环糊精葡萄糖基转移酶处理淀粉酶解物，同在酶的最适温度50～60℃时生产环糊精的产量相比环糊精的产量会增加。

这是令人吃惊和意想不到的，因为传统观念认为：降低反应温度仅仅会引起水解反应率的降低，从而导致降低环糊精的产量。现在发现环糊精的产量实际上在增加确是意想不到的。

还令人奇怪地是实际上没有产生γ-环糊精，因为已知软化胞杆菌正常情况下，会产生一些γ-环糊精。

另外，还发现假如淀粉酶解物是淀粉水解物，能生成α-环糊精，令人惊奇地是在淀粉水解物转化成糊精的过程中，环己烷的存在导致产生α-环糊精产物，因为在此之前，环己烷并不被认为能促进产生α-环糊精。

现已发现低温，加上环己烷以及软化芽胞杆菌酶的共同使用能增加环糊精的产量。仅仅是低温，或者仅仅使用环己烷都不能增加环糊精的产量;低温，环己烷同其它的CGTase结合使用不能引起环糊精产量的增加。

实际上并不知道为什么低温和环己烷的结合应用会增加环糊精的产量。一直假设是温度和环己烷可能对溶液中酶的结构产生影响，以至于增加环糊精的产量。另外，不清楚为什么各个α-和β-环糊精的产量会移动。从实践上看，α-环糊精是增产很多。

合适的淀粉酶解物包括糊化淀粉和淀粉水解物。原淀粉（base  starch）可以来自任何蔬菜、谷物、小麦，土豆，稻米，木薯淀粉和蜀黍。另外，不同种的淀粉来源，可选用例如蜡质玉米（富含支链淀粉），或者富含直链淀粉的玉米（富含直链淀粉）。优选地是，淀粉为蜡质玉米淀粉（Waxy  corn  starch）。淀粉水解物需具有1至10之间的右旋糖当量（dextrose  equivalent（DE）），优选约为5。通过一种酸或酶对颗粒淀粉的作用制备淀粉水解物。优选是经α-淀粉酶，例如细菌α-淀粉酶对凝胶化颗粒淀粉的作用制备淀粉水解物。优选的淀粉酶解物是来自具有DE值约为5的蜡样玉米淀粉的蜡质淀粉水解物（a  waxy  starch  hydrolysate）。

适用于本发明的环糊精葡萄糖基转移酶是从软化芽胞杆菌（Bacillns  macerans）中得到的酶。这种从软化芽胞杆菌中得到的环糊精葡萄糖基转移酶商业上可以得到。有报道这种酶其最佳工作温度约为60℃。令人吃惊的是，正是这种酶，将其用于生产α-环糊精，其较佳的工作温度竟是45℃或更低。

按照本发明的最佳方法，将一种淀粉水解物溶于水中制成一种淀粉酶解物（starch  substrate）的水溶液其淀粉酶解物固形物含量按溶液的总重计，介于5～40%（重量）之间。优选的是该溶液的固形物含量为35%。

用于转化淀粉酶解物的CGTase的量，根据酶的活性加以变化。酶活性的测定通常采用Tilden-Hudson方法、（E、BTilden  and  C.S.Hudson  in  J.Bacteriol，43，527-544，1942）。优选地是，每毫升所述的CGTase含有的600至700Tilden-Hudson单位。

转化过程中的该溶液的pH值一般约5～8，优选是6～6.5。用常规方式来调节pH值。

将转化过程中的温度保持在45℃或更低;优选地是15至40℃，20～35℃时能获得最佳结果。

环己烷在反应中的量按反应总容积计为5%至10%（容积）。优选是，按加入环己烷之前反应总容积的约为5%。可采用任何来源的环己烷。

转化时间为1至4天。

用环糊精葡萄糖基转移酶处理淀粉酶解物之后，回收环糊精。优选的是经从溶液中无环物质中分离出环糊精沉淀物回收环糊精。从无环物质中分离有环物质的最适方法是采用离心和过滤。

从无环物质中分离环状物质之后，环状物质的溶液被调至约含30%的固形物，并蒸馏去除环己烷。这样即剩得α～和β-环糊精的溶液，再用常规方法分离之。

优选的是，α-和β-环糊精溶液采用常规的炭处理。采用结晶化手段回收大多数的β-环糊精。用常规方式进行炭处理和结晶。

然后用有限量的环己烷去处理剩余的溶液，以特异性地复合α-环糊精。适当地用离心或过滤法从溶液中分离该复合物，下一步是，用分馏分离环己烷和α-环糊精的复合物。然后，炭碳处理和结晶α-环糊精，得到一纯的α-环糊精。

以下将参考实施例来全面深入理解本发明的这些以及内容其它方面。

实施例1

本实施例显示来源于软化芽胞杆菌的环糊精葡萄糖基转移酶的温度依赖性，以便从淀粉水解物中产生α-环糊精。

下表Ⅰ所示其结果：

表Ⅰ

温度(℃)  总量  α(%)  β(%)

(g/100ml)

20  11.69  39.8  60.2

30  12.75  26.7  73.3

40  14.42  13  87

50  8.27  23  77

60  8.05  0  100

淀粉酶解物是具有DE为5的蜡质玉米淀粉水解物。为了生产环糊精，要制备30%（干量dry  basis）的淀粉水解物溶液。pH被调至6.0±0.2，向该溶液中加入按总反应容积计5%的环己烷。以每100克淀粉固体800Tilden-Hudson单位的量向溶液中定量加入环糊精葡萄糖基转移酶。以上述表Ⅰ中所示的不同温度培养反应混合物。连续搅拌转化3天，收集生产的环糊精并用高压液相色谱仪分析之。

表Ⅰ中列举的总量生产的环糊精总重量的克数。同时，也列举了α和β-环糊精的百分比。可见未检测到其它的环糊精，如没有γ-环糊精。本文所有实施例中均是如此。

实施例2

本实施例给出同其他来源的CGTase，如枯草杆菌的CGTase相比，软化芽胞杆菌的CGTase的临界值。

按实施例Ⅰ制备两种单独的溶液，并在如下表Ⅱ中示出的温度进行培养，经过转化制得的α-，β-，和γ-环糊精的百分比以及糊精量见下表Ⅱ。

表Ⅱ

温度℃  酶  总量  α  β  γ

(g/100ml)  (%)  (%)  (%)

20  B.macerans  11.69  39.8  60.2  0

20  B.subtilus  14.40  0  100  0

50  B.macerans  8.27  23  77  0

50  B.subtilus  14.70  0  100  0

如表Ⅱ所示，当采用枯草杆菌的CGTase时，经降低反应温度来生产环糊精的量一点也没有增加。并注意到，两种溶液都使用了环己烷。因此，低温和只用环己烷都不能增加环糊精的产量。事实上，用枯草杆菌酶低温只是降低了环糊精的产量。

实施例3

本实施例示出溶液中环己烷存在的临界值，以及人们通常希望用低温来放慢反应和降低产量。

按实施例1的方法用软化芽胞杆菌培养淀粉水解物溶液。其温度列于下表Ⅲ中，但不采用环己烷。

表Ⅲ

温度℃  总量  α  β  γ

(g/100ml)

20  3.43  62.35  29.10  8.55

50  3.94  55.56  33.46  10.98

可见，降低温度确实证明了传统认为之所在，即仅仅降低了产物的产量。因此，仅是低温不会增加环糊精的产量。

实施例4

本实施例进一步说明采用环己烷与低温结合使用的临界值。

按实施例1的方法制备两种溶液加以培养。其培养温度列入表Ⅳ，其中使用环己烷或甲苯。甲苯的用量与环己烷的用量相同。

表Ⅳ

温度℃  配位剂  总量  α  β  γ

(g/100ml)  (%)  (%)  (%)

20  环己烷  11.69  39.8  60.2  0

20  甲苯  11.40  0  100  0

50  环己烷  8.27  23  77  0

50  甲苯  12.90  0  100  0

从结果中可见，以甲苯为配位剂时，低温不会引起环糊增加。事实上，低温会降低环糊精的产量。

Claims (15)

1、在用从软化芽胞杆菌(Bacillusmacerans)中获得的环糊精葡萄糖基转移酶来催化淀粉酶解物的水解反应中，其改进方法包括在环己烷的存在下，温度为45℃或更低进行水解反应，以增加环糊精的产量以及生产不含γ-环糊精的α-和β-环糊精。

2、如权利要求1所述的方法，其中采用的环己烷的量为反应容积的5%～10%。

3、如权利要求1所述的方法，其中所述的温度为20～40℃。

4、如权利要求1所述的方法，其中所述的淀粉酶解物是具有1至10右旋糖当量（DE）的淀粉水解物。

5、如权利要求4所述的方法，其中淀粉水解物是蜡质淀粉水解物。

6、一种增加环糊精产量的方法，其中淀粉酶解物经过来自软化芽胞杆菌的环糊精葡萄糖基转移酶，被转化成环糊精，所述的方法包括在45℃和更低的温度下，在环己烷的存在下将所述的淀粉水解物转化成环糊精。

7、如权利要求6所述的方法，其中所述的环己烷的数量为反应总容积的5～10%。

8、如权利要求6所述的方法，其中所述的温度为20℃～40℃。

9、如权利要求6所述的方法，其中所述的淀粉酶解物是具有右旋糖当量（DE）为1至10的淀粉水解物。

10、如权利要求9所述的方法，其中所述的淀粉水解物是蜡质淀粉。

11、一种制备α-环糊精的方法，包括如下步骤：

（a）用来自软化胞杆菌的环糊精葡萄糖基转移酶处理具有1至10右旋糖当量的淀粉水解物的水样浆状物，其温度在40℃和低于40℃，并在环己烷的存在下，以生成α-环糊精和β-环糊精，不生成γ-环糊精;以及

（b）回收α-环糊精和β-环糊精。

12、如权利要求11所述的方法，其中淀粉水解物处理的时间为1至4天。

13、如权利要求11所述的方法，其中环己烷的数量为浆状物容积的5%。

14、如权利要求11所述的方法，其中所述的浆状物含有30%至35%重量的固体物。

15、如权利要求11所述的方法，其中处理浆状物过程中的温度为20℃至45℃。