CN107986979B - 一种合成β-氨基丙酸钙及D-泛酸钙的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物化工领域，公开了一种合成β‑氨基丙酸钙及D‑泛酸钙的方法，该方法利用丙烯腈与液氨反应制备β‑氨基丙腈；利用腈水解酶催化β‑氨基丙腈水解生成β‑氨基丙酸，然后与钙化剂反应合成β‑氨基丙酸钙，再与D‑泛内酯进行酰化反应，过滤干燥得到D‑泛酸钙。本发明所述合成方法无需使用强碱对β‑氨基丙腈进行水解，也不需要使用离子交换树脂进行β‑氨基丙酸的提取，有效减少了副产物盐的生成，技术简便易行，容易放大和实现连续生产，具有很好的工业应用前景。

Description

一种合成β-氨基丙酸钙及D-泛酸钙的方法
技术领域
本发明属于生物化工领域，具体涉及一种合成β-氨基丙酸钙以及D-泛酸钙的方法。
背景技术
D-泛酸钙(又称维生素B5)是重要的维生素，是人体和动物体内辅酶A的成分之一，在体内的蛋白质、脂肪和碳水化合物的代谢中发挥着重要作用，被广泛用于医药、食品和饲料行业中。
在医药行业，D-泛酸钙被用于治疗维生素B缺乏症、周围神经炎和手术后的肠绞痛，其复方制剂还可用于治疗胃肠道疾病、呼吸道疾病、皮肤疾病、精神不振和神经衰弱等。另外，由于D-泛酸钙有补充人体维生素和改善食品风味的效果，在食品加工领域经常会添加一定量的D-泛酸钙，一方面可以改善食品风味，另一方面还可以促进营养的吸收。在饲料行业，虽然很多家禽家畜自身具有合成泛酸的能力，但是远不能满足自身生长的需要。当动物缺乏泛酸时，会引起皮肤、粘膜病变和肠道、呼吸道疾病，导致生长发育迟缓、适应能力降低、家禽产蛋量降低。因此，D-泛酸钙作为饲料添加剂在饲料行业的需求量巨大。据统计，目前全球市场的D-泛酸钙大约有70％用于饲料行业，20％用于医药行业，10％作为食品饮料添加剂。
虽然目前已有多个专利文献公开了D-泛酸钙合成的方法(CN1765877A，CN101948402A，CN101801915A和CN105669481A)，但是这些方法均需要强碱和高温来水解β-氨基丙腈合成β-氨基丙酸，反应条件比较苛刻，而且需要大量的酸进行中和，产生大量难以处理的无机盐废弃物。同时还需要利用离子交换树脂来分离提取产物β-氨基丙酸，虽然离子交换树脂可以再生，但是成本仍然比较高，而且产生大量废水和无机盐，不利于工业应用。近年来，生物催化法由于反应条件温和、选择性好、得率高、副产物少等优点，越来越受到学术界和工业界的广泛关注。专利文献CN 104195193A公开了利用腈水解酶水解β-氨基丙腈制备β-氨基丙酸的方法，较好地克服了化学法水解的缺陷，但是在产品的回收中仍然使用离子交换树脂，成本较高，收率较低，废水排放多。
发明内容
1、发明目的。
本发明的目的在于，提供一种工艺简单、产率高、安全环保的D-泛酸钙合成方法，以解决D-泛酸钙合成过程的现有技术方案中所存在的以下问题：(1)需要强碱和高温水解β-氨基丙腈制备β-氨基丙酸，反应条件苛刻，需要大量酸中和，产生大量盐废弃物造成环境污染的问题；(2)需要利用离子交换树脂进行β-氨基丙酸的分离提取，成本高，收率低的问题。
2、本发明所采用的技术方案。
一种合成β-氨基丙酸钙的方法，其步骤包括：
(1)将丙烯腈和液氨加入高压反应釜内，加热并维持一定压力进行反应，反应结束后，将反应液冷却并进行减压蒸馏，得到β-氨基丙腈；
(2)利用腈水解酶催化β-氨基丙腈水解合成β-氨基丙酸，反应结束后除去催化剂，调节反应液pH值至6.0左右，浓缩干燥，得到含有产物β-氨基丙酸和缓冲盐的固体混合物；
(3)往步骤(2)的固体混合物中加入醇类溶剂，充分混匀，然后加入钙化剂，加热搅拌回流反应，过滤得到β-氨基丙酸钙的醇溶液。
优选的，还包括步骤(4)，将β-氨基丙酸钙的醇溶液浓缩干燥，得到β-氨基丙酸钙。
优选的，步骤(1)中，丙烯腈与液氨的体积比为1:2～10，合成反应的温度和压力分别为90–100℃和8–12kg/cm2，反应时间为4–12小时；减压蒸馏的温度为75–105℃。
优选的，步骤(2)中，腈水解酶的氨基酸序列如序列表中SEQ ID No.1所示。
优选的，步骤(2)中，添加的腈水解酶的形式为酶、细胞、固定化酶或固定化细胞。
优选的，步骤(2)中，β-氨基丙腈的浓度为50–300g/L，腈水解酶上载量为10–100g/L，反应温度为20–60℃，反应pH为5.0–10.0，反应时间为2–8小时。
优选的，步骤(3)中，所述的醇类溶剂为甲醇或乙醇。
优选的，步骤(3)中，所述的钙化剂是金属钙、氧化钙、氢氧化钙中的一种。
优选的，β-氨基丙酸与钙化剂的摩尔比例为2:1.0～1.05，反应时间为2–4小时。
本发明还公开了一种合成D-泛酸钙的方法，其特征在于：往上述的β-氨基丙酸钙的醇溶液中加入D-泛解酸内酯，回流反应，浓缩干燥得到D-泛酸钙。
优选的，添加的D-泛解酸内酯与β-氨基丙酸钙的摩尔比为2:1.0～1.05，反应时间为8–24小时。
优选的，所述醇类溶剂为甲醇或乙醇。
本发明还公开了一种合成D-泛酸钙的方法，往醇类溶剂中依次加入D-泛解酸内酯和上述的固体β-氨基丙酸钙，回流反应，浓缩干燥得到D-泛酸钙。
优选的，所述D-泛解酸内酯与β-氨基丙酸钙的摩尔比为2:1.0～1.05，反应时间为8–24小时。
本发明所述β-氨基丙酸钙合成方法，步骤(2)所述腈水解酶催化剂的氨基酸序列来源于专利CN 101701222B，按该专利描述方法进行催化剂制备。酶法催化β-氨基丙腈水解生成β-氨基丙酸，反应结束后，加热使蛋白质变性，采用离心或过滤的方式除去催化剂，然后将反应液的pH值调节至6.0左右，浓缩干燥得到缓冲盐和β-氨基丙酸的固体混合物。在得到的混合物中，加入醇类溶剂，按比例加入钙化剂，比如金属钙、氧化钙或者氢氧化钙，加热搅拌充分混匀，回流反应即可使β-氨基丙酸转化为β-氨基丙酸钙。利用β-氨基丙酸钙溶解于热的醇溶液，而缓冲盐不溶的性质，可以方便地采用过滤的手段除去缓冲盐，从而得到β-氨基丙酸钙的醇溶液。
获得的β-氨基丙酸钙的醇溶液浓缩干燥即可得到固体β-氨基丙酸钙，进而可与D-泛解酸内酯反应合成D-泛酸钙。特别的，当钙化剂选择金属钙时，可直接将D-泛解酸内酯加到获得的β-氨基丙酸钙的醇溶液中，合成D-泛酸钙。
3、本发明所产生的技术效果。
与现有技术方案相比，本发明利用腈水解酶催化β-氨基丙腈水解制备β-氨基丙酸，进而制备β-氨基丙酸钙和D-泛酸钙，反应条件温和，避免化学合成方法的苛刻条件。酶促合成β-氨基丙酸反应结束后，将生物催化剂过滤去除，反应液浓缩干燥后，直接加入醇类溶剂和钙化剂，回流反应生产β-氨基丙酸钙，生产过程中只有少量酶促反应的缓冲盐废弃物，无需进行大量的酸碱中和，极大地减少了盐废弃物的排放，也避免了复杂低效的离子交换树脂提取β-氨基丙酸的过程，不仅简化了生产过程，也有效降低了生产成本，提高了产物得率。合成的β-氨基丙酸钙再进一步与D-泛解酸内酯进行酰胺化反应，合成D-泛酸钙，工艺简单，容易实现过程的连续工业化生产。
附图说明
图1为实施例10的D-泛酸钙合成进程曲线。
具体实施方式
实施例1β-氨基丙腈的合成
将8L液氨和2L丙烯腈投入到高压反应釜中，搅拌状态下加热至100℃，控制压力为9kg/cm2，反应4小时，停止加热，待温度下降至65℃左右时，打开排气阀放空氨气并将反应液转移至精馏釜内，减压蒸馏，收集95℃的馏分，得到1L液体β-氨基丙腈，收率45％。
实施例2β-氨基丙腈的合成
将4L液氨和2L丙烯腈投入到高压反应釜中，搅拌状态下加热至90℃，控制压力为12kg/cm2，反应12小时，停止加热，待温度下降至65℃左右时，打开排气阀放空氨气并将反应液转移至精馏釜内，减压蒸馏，收集105℃的馏分，得到0.89L液体β-氨基丙腈，收率40％。
实施例3β-氨基丙腈的合成
将10L液氨和1L丙烯腈投入到高压反应釜中，搅拌状态下加热至95℃，控制压力为8kg/cm2，反应8小时，停止加热，待温度下降至65℃左右时，打开排气阀放空氨气并将反应液转移至精馏釜内，减压蒸馏，收集75℃的馏分，得到0.5L液体β-氨基丙腈，收率43％。
实施例4腈水解酶水解β-氨基丙腈合成β-氨基丙酸
将5L含有500g β-氨基丙腈的水溶液(预先用浓盐酸调节pH至8.0)加入到10-L带夹套的机械搅拌玻璃反应釜中，再往其中加入250g按专利CN 101701222B所述方法制备的产腈水解酶静息细胞，机械搅拌(250rpm)充分悬浮，通过恒温水浴槽控制反应釜的温度为35℃，反应时间6小时。其间通过HPLC监测反应进程。待底物完全转化后，将反应液加热至90℃，保温30min，过滤除去细胞和变性蛋白质。将滤液浓缩干燥，得到固体为β-氨基丙酸和缓冲盐的混合物，其中含有β-氨基丙酸625g，收率98.4％。
实施例5腈水解酶水解β-氨基丙腈合成β-氨基丙酸
将5L含有250g β-氨基丙腈的水溶液(预先用浓盐酸调节pH至5.0)加入到10-L带夹套的机械搅拌玻璃反应釜中，再往其中加入50g如专利CN 101701222B所述腈水解酶的酶粉，机械搅拌(250rpm)充分悬浮，通过恒温水浴槽控制反应釜的温度为20℃，反应时间2小时。其间通过HPLC监测反应进程。待底物完全转化后，将反应液加热至90℃，保温30min，过滤除去变性蛋白质。将滤液浓缩干燥，得到固体为β-氨基丙酸和缓冲盐的混合物，其中含有β-氨基丙酸302g，收率95％。
实施例6腈水解酶水解β-氨基丙腈合成β-氨基丙酸
将5L含有1.5kg β-氨基丙腈的水溶液(预先用浓盐酸调节pH至10.0)加入到10-L带夹套的机械搅拌玻璃反应釜中，再往其中加入500g按专利CN 101701222B所述方法制备的腈水解酶固定化细胞，机械搅拌(250rpm)充分悬浮，通过恒温水浴槽控制反应釜的温度为60℃，反应时间8小时。其间通过HPLC监测反应进程。待底物完全转化后，过滤除去固定化细胞。将滤液浓缩干燥，得到固体为β-氨基丙酸和缓冲盐的混合物，其中含有β-氨基丙酸1.85kg，收率97％。
β-氨基丙酸分析方法：手性冠醚柱(4.0mm×150mm,Particle Size 5μm)，流动相为pH 1.0的高氯酸溶液，流速为0.3mL/min，进样量10μL，检测波长210nm，β-氨基丙酸出峰时间6.6min。
实施例7β-氨基丙酸钙的合成
将实施例4中的固体加入到10-L带夹套的机械搅拌玻璃反应釜中，加入5L甲醇，机械搅拌充分混匀(200rpm)，往其中加入206.5g氧化钙(β-氨基丙酸和氧化钙的摩尔比为2:1.05)。利用恒温水浴槽控制反应釜的温度为45℃，回流反应4小时，将反应液过滤，滤液浓缩干燥得到β-氨基丙酸钙747g，收率98.5％，测得钙含量为18.49％。同时回收甲醇4.75L，溶剂回收率为95％。
实施例8β-氨基丙酸钙的合成
将实施例4中的固体加入到10-L带夹套的机械搅拌玻璃反应釜中，加入5L乙醇，机械搅拌充分混匀(200rpm)，往其中加入260.2g氢氧化钙(β-氨基丙酸和氢氧化钙的摩尔比为2:1.0)。利用恒温水浴槽控制反应釜的温度为65℃，回流反应2小时，将反应液过滤，滤液浓缩干燥得到β-氨基丙酸钙743.3g，收率98％，测得钙含量为18.5％。同时回收乙醇4.8L，溶剂回收率为96％。
实施例9β-氨基丙酸钙的合成
将实施例4中的固体加入到10-L带夹套的机械搅拌玻璃反应釜中，加入5L乙醇，机械搅拌充分混匀(200rpm)，往其中加入265.4g氢氧化钙(β-氨基丙酸和氢氧化钙的摩尔比为2:1.02)。利用恒温水浴槽控制反应釜的温度为75℃，回流反应3小时，将反应液过滤，滤液浓缩干燥得到β-氨基丙酸钙747.8g，收率98.6％，测得钙含量为18.54％。同时回收乙醇4.85L，溶剂回收率为97％。
实施例10D-泛酸钙的合成
将0.5kg D-泛解酸内酯，0.42kg β-氨基丙酸钙(D-泛解酸内酯和β-氨基丙酸钙的摩尔比为2:1.02)和1.578kg无水乙醇依次加入到5-L带夹套的机械搅拌玻璃反应釜中，机械搅拌(200rpm)充分混匀，利用恒温水浴槽控制反应釜的温度为78℃，回流反应18小时。其间利用HPLC监测D-内酯的消耗跟踪反应进程，计算D-泛酸钙合成的反应转化率，如图1所示。反应结束后，将反应液过滤，滤液浓缩干燥后得到D-泛酸钙0.85kg，收率93.5％。测得钙含量为8.56％，比旋光度为+25.8。
实施例11D-泛酸钙的合成
将0.5kg D-泛解酸内酯，0.412kg β-氨基丙酸钙(D-泛解酸内酯和β-氨基丙酸钙的摩尔比为2:1.0)和1.578kg无水乙醇依次加入到5-L带夹套的机械搅拌玻璃反应釜中，机械搅拌(200rpm)充分混匀，利用恒温水浴槽控制反应釜的温度为78℃，回流反应8小时。其间利用HPLC监测D-内酯的消耗跟踪反应进程，计算D-泛酸钙合成的反应转化率。反应结束后，将反应液过滤，滤液浓缩干燥后得到D-泛酸钙0.864kg，收率95％。测得钙含量为8.58％，比旋光度为+25.6。
实施例12D-泛酸钙的合成
将0.5kg D-泛解酸内酯，0.433kg β-氨基丙酸钙(D-泛解酸内酯和β-氨基丙酸钙的摩尔比为2:1.05)和1.578kg无水乙醇依次加入到5-L带夹套的机械搅拌玻璃反应釜中，机械搅拌(200rpm)充分混匀，利用恒温水浴槽控制反应釜的温度为78℃，回流反应24小时。其间利用HPLC监测D-内酯的消耗跟踪反应进程，计算D-泛酸钙合成的反应转化率。反应结束后，将反应液过滤，滤液浓缩干燥后得到D-泛酸钙0.855kg，收率94％。测得钙含量为8.6％，比旋光度为+26.1。
D-泛解酸内酯分析方法：液相色谱分析条件为：使用Shim-pakCLC-ODS柱(250×4.6mm,5μm)，流动相为：10％(v/v)的乙腈水溶液，含有0.018M的磷酸二氢钾(预先用1.0M的HCl调节pH至3.0)；流速0.8mL/min，恒温30℃，紫外检测，检测波长为215nm。泛内酯的出峰时间为9.8min。
钙含量测定方法：氢氧化钠溶液43g/L；EDTA溶液50mmol/L；钙紫红素指示剂：取钙紫红素0.1g，无水硫酸钠10g，研磨均匀。测定方法：称取样品0.5g，加水100mL溶解，加氢氧化钠溶液15mL与钙紫红素指示剂0.1g，用EDTA标准滴定溶液滴定至紫红色转变为纯蓝色。
钙含量X3按下式计算：
X3＝[(V2×C3×40.08)/(m3×1000×(1-X5))]×100
式中：V2为消耗EDTA标准溶液的体积，mL；C3为EDTA标准滴定液的浓度，mol/L；
40.08为钙的摩尔质量，g/mol；X5为样品干燥失重，％；M3为样品质量，g。
比旋光度的测定：称取1.25g样品于容量瓶中，加去离子水溶解，定容至25mL，此时样品浓度为c＝5.0。利用旋光仪读取旋光数值，重复3次。
比旋光度计算公式：[α]＝100×α/l×C
式中：α为旋光数值，C为溶液的浓度(g/100mL)，l为旋光管长度(dm)。
实施例13D-泛酸钙的合成
将实施例4中的固体加入到10-L带夹套的机械搅拌玻璃反应釜中，加入5L甲醇，机械搅拌充分混匀(200rpm)，往其中加入147.5g金属钙(β-氨基丙酸和金属钙的摩尔比为2:1.05)，利用恒温水浴槽控制反应釜的温度为65℃，回流反应2小时，将反应液过滤。往滤液中加入D-泛解酸内酯920g，机械搅拌充分混匀(200rpm)，利用恒温水浴槽控制反应釜的温度为65℃，回流反应24小时。期间利用HPLC监测D-内酯的消耗跟踪反应进程，反应结束后，将反应液过滤，滤液浓缩干燥后得到D-泛酸钙1.598kg，收率95.5％。测得钙含量为8.6％，比旋光度为+25.6。
实施例14D-泛酸钙的合成
将实施例5中的固体加入到10-L带夹套的机械搅拌玻璃反应釜中，加入5L乙醇，机械搅拌充分混匀(200rpm)，往其中加入69.2g金属钙(β-氨基丙酸和金属钙的摩尔比为2:1.02)，利用恒温水浴槽控制反应釜的温度为75℃，回流反应6小时，将反应液过滤。往滤液中加入D-泛解酸内酯444.5g，机械搅拌充分混匀(200rpm)，利用恒温水浴槽控制反应釜的温度为75℃，回流反应16小时。期间利用HPLC监测D-内酯的消耗跟踪反应进程，反应结束后，将反应液过滤，滤液浓缩干燥后得到D-泛酸钙0.776kg，收率96％。测得钙含量为8.6％，比旋光度为+26.2。
实施例15D-泛酸钙的合成
将实施例6中的固体加入到10-L带夹套的机械搅拌玻璃反应釜中，加入5L甲醇，机械搅拌充分混匀(200rpm)，往其中加入415.7g金属钙(β-氨基丙酸和金属钙的摩尔比为2:1.0)，利用恒温水浴槽控制反应釜的温度为45℃，回流反应8小时，将反应液过滤。往滤液中加入D-泛解酸内酯2.72kg，机械搅拌充分混匀(200rpm)，利用恒温水浴槽控制反应釜的温度为65℃，回流反应8小时。期间利用HPLC监测D-内酯的消耗跟踪反应进程，反应结束后，将反应液过滤，滤液浓缩干燥后得到D-泛酸钙4.73kg，收率95.6％。测得钙含量为8.55％，比旋光度为+26.5。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Figure BDA0001507789730000091
Figure BDA0001507789730000101
Figure BDA0001507789730000111
<110>苏州百福安酶技术有限公司
<120>一种合成β-氨基丙酸钙及D-泛酸钙的方法
<130>
<160> 1
<170> Patent In version 3.5
<210> 1
<211>356
<212>PRT
<213>产碱杆菌(Alcaligenes sp.)
<400> 1
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290 295 300
Val Leu Asp Leu Gly His Arg Glu Pro Met Thr Arg Val His Ser Lys
305 310 315 320
Ser Val Thr Lys Ala Glu Ala Ser Glu Pro Gly Val Gln Ser Thr Ala
325 330 335
Thr Ser Val Ala Ile Ser His Pro Gln Asp Ser Asp Thr Leu Leu Val
340 345 350
Gln Glu Pro Ser
355

Claims (13)

1.一种合成β-氨基丙酸钙的方法，其步骤包括：
(1)将丙烯腈和液氨加入高压反应釜内，加热并维持一定压力进行反应，反应结束后，将反应液冷却并进行减压蒸馏，得到β-氨基丙腈；
(2)利用腈水解酶催化β-氨基丙腈水解合成β-氨基丙酸，反应结束后除去催化剂，调节反应液pH值至6.0，浓缩干燥，得到含有产物β-氨基丙酸和缓冲盐的固体混合物；
(3)往步骤(2)的固体混合物中加入醇类溶剂，充分混匀，然后加入钙化剂，加热搅拌回流反应，过滤得到β-氨基丙酸钙的醇溶液；
步骤(2)中，腈水解酶的氨基酸序列如序列表中SEQ ID No.1所示。
2.根据权利要求1所述的合成β-氨基丙酸钙的方法，其特征在于：还包括步骤(4)，将β-氨基丙酸钙的醇溶液浓缩干燥，得到β-氨基丙酸钙。
3.根据权利要求1所述的合成β-氨基丙酸钙的方法，其特征在于：步骤(1)中，丙烯腈与液氨的体积比为1:2～10，合成反应的温度和压力分别为90–100℃和8–12kg/cm2，反应时间为4–12小时；减压蒸馏的温度为75–105℃。
4.根据权利要求1所述的合成β-氨基丙酸钙的方法，其特征在于：步骤(2)中，添加的腈水解酶的形式为酶、细胞、固定化酶或固定化细胞。
5.根据权利要求1所述的合成β-氨基丙酸钙的方法，其特征在于：步骤(2)中，β-氨基丙腈的浓度为50–300g/L，腈水解酶上载量为10–100g/L，反应温度为20–60℃，反应pH为5.0–10.0，反应时间为2–8小时。
6.根据权利要求1所述的合成β-氨基丙酸钙的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的醇类溶剂为甲醇或乙醇。
7.根据权利要求1所述的合成β-氨基丙酸钙的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的钙化剂是金属钙、氧化钙或氢氧化钙中的一种。
8.根据权利要求1或7所述的合成β-氨基丙酸钙的方法，其特征在于：β-氨基丙酸与钙化剂的摩尔比例为2:1.0～1.05，反应时间为2–4小时。
9.一种合成D-泛酸钙的方法，其特征在于：采用权利要求1所述的方法制备得到β-氨基丙酸钙的醇溶液，往权利要求1所述的β-氨基丙酸钙的醇溶液中加入D-泛解酸内酯，回流反应，浓缩干燥得到D-泛酸钙。
10.根据权利要求9所述的合成D-泛酸钙的方法，其特征在于：添加的D-泛解酸内酯与β-氨基丙酸钙的摩尔比为2:1.0～1.05，反应时间为8–24小时。
11.根据权利要求9所述的合成D-泛酸钙的方法，其特征在于：所述醇类溶剂为甲醇或乙醇。
12.一种合成D-泛酸钙的方法，其特征在于：采用权利要求2所述的方法制备得到β-氨基丙酸钙，往醇类溶剂中依次加入D-泛解酸内酯和如权利要求2所述的β-氨基丙酸钙，回流反应，浓缩干燥得到D-泛酸钙。
13.根据权利要求12所述的合成D-泛酸钙的方法，其特征在于：所述D-泛解酸内酯与β-氨基丙酸钙的摩尔比为2:1.0～1.05，反应时间为8–24小时。
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