CN108148099A - 一种高纯度乳果糖溶液的连续循环制备方法及其产品 - Google Patents

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Abstract

本发明属于低聚糖制备技术领域，涉及一种高纯度乳果糖溶液的连续循环制备方法及其产品。具体而言，该制备方法包括如下步骤：1)乳糖异构化；2)酸度调节；3)稀释、分散和分离；4)乳果糖清液的纯化；5)催化剂的循环利用。通过该制备方法可以制得高浓度乳果糖溶液及其后续产品。本发明在国内首次以偏铝酸钠/碱性物质为碱性络合催化剂，远高于采用硼酸/氢氧化钠体系制备乳果糖的转化率和乳果糖浓度，实现了偏铝酸钠催化剂的重复循环使用，克服了沉淀裹带乳果糖的缺陷。本发明的制备方法符合资源节约型、环境友好型的生产需求，为促进洁净、高效、环保的乳果糖工业化生产提供了有益的借鉴和参考。

Description

一种高纯度乳果糖溶液的连续循环制备方法及其产品
技术领域
本发明属于低聚糖制备技术领域，涉及一种高纯度乳果糖溶液的连续循环制备方法及其产品。
背景技术
乳果糖(又称乳酮糖或异构化乳糖，分子式：C12H22O11；分子量：342.30Da；化学名称：4-O-β-D-吡喃半乳糖基-D-果糖)是一种双歧杆菌促进因子，具有热量低、安全性高、稳定性好、应用面广等优点。日本于1996年批准乳果糖为“特定保健用食品”(FOSHU：food forspecified health uses)，目前世界上有100多个国家批准其进入药典。乳果糖的应用面很广，除医药、保健品、食品添加剂以及动物饲料以外，其还可作为功能因子用于婴幼儿奶粉中。近年来，随着人们需求的急剧增加，乳果糖的世界总产量也随之大幅提高，目前年产量已超过60000吨。作为一种功能性益生元，乳果糖有着巨大的市场需求和广阔的发展前景。
工业上制备乳果糖主要是通过在碱性条件下使乳糖发生异构化。传统的碱性催化剂包括氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾等以及强碱性的有机胺类等，但是在此类单一的碱性催化剂作用下，不仅反应时间长、副产物多、转化率低，而且后续的分离纯化工艺复杂，难以真正实现产业化生产。此外，国外还有使用强碱性离子交换树脂来进行异构化生产的专利(如2101358号俄罗斯发明专利申请，1994)。尽管该方法的分离纯化较为简便，但是转化率较低，而且生产成本高，同样不适用于工业化生产。而诸如硼酸盐和偏铝酸盐的碱性络合催化剂则因为能够与乳果糖形成稳定的络合物，使得反应向有利于乳果糖生成的方向进行，从而获得较高的乳果糖转化率(约70％)，但是硼酸很难从最终的反应体系中脱除，而且需要使用昂贵的脱硼树脂，此外纯化过程中还会生成大量含有硼离子的废水，会对环境造成很大污染。无论是从经济角度还是从环保角度来考虑，都不划算。国外有采用偏铝酸盐为催化剂异构化制备乳果糖的专利(如4957564号美国发明专利申请，1990)。该方法将偏铝酸盐转化成氢氧化铝沉淀，然后通过过滤的方法去除，但是由于采用单一的偏铝酸钠催化剂，导致催化剂的用量很高(约45％～50％w/w)，不但增加生产成本，而且在形成的氢氧化铝絮状沉淀中还会裹带大量的乳果糖，从而不可避免地造成乳果糖的大量损失，使得最终乳果糖的得率(约50％)远远低于乳果糖转化率(70％～75％)。此外，该方法中提出将氢氧化铝沉淀在750℃的高温下煅烧，从而重新得到偏铝酸钠，这样不仅增加能耗，而且所裹带的大量乳果糖被煅烧损失，造成大量的资源浪费，并带来环境污染。
目前，国内尚未有采用偏铝酸钠等络合催化剂来异构化乳糖从而制备乳果糖的专利，而大多采用硼酸盐体系，但是高昂的生产和分离纯化成本以及可能带来的重金属废水污染限制了工业化高纯度乳果糖制备技术在中国的推广。国内乳果糖生产企业仅有大连化工研究设计院、丹东康复制药有限公司等少数企业，且产品为低纯度乳果糖糖浆，国内药用级高纯乳果糖几乎全部依赖进口。因此，开发一种高效、环保的乳果糖制备方法是当前中国乳果糖产业发展所亟需的，此外如何实现催化剂的循环连续使用也是中国乳果糖产业化发展所面临的新挑战。
发明内容
针对现有乳果糖制备工艺中存在的反应时间长、副产物多、转化率低、分离纯化复杂、难以实现产业化生产等问题，本发明的目的在于提供一种高效、环保的通过乳糖异构化制备高纯度乳果糖溶液的方法，以填补国内采用偏铝酸钠/氢氧化钠催化体系异构化制备乳果糖领域的空白，同时弥补并克服当前化学异构化制备乳果糖技术中的不足。
如图1中的工艺流程所示，本发明的制备方法以偏铝酸钠/碱性物质为碱性催化剂，在适宜的条件下高效异构化乳糖来制备乳果糖。乳糖经异构化形成异构化乳果糖浆，异构化乳果糖浆经酸度调节、稀释、分散和渣液分离等操作分别得到乳果糖清液和沉淀，乳果糖清液经脱盐脱单糖后得到高浓度乳果糖溶液，后续可用于制备高纯度乳果糖浆、结晶乳果糖和高纯度乳果糖粉末等产品，沉淀经碱液处理后被直接转化成偏铝酸盐，实现催化剂的循环利用。
具体而言，本发明采用如下技术方案：
一种高纯度乳果糖溶液的连续循环制备方法，其包括如下步骤：
1)乳糖异构化：
将乳糖底物加入到水中，搅拌使之溶解，得到质量浓度为10～500g/L的乳糖溶液；按照偏铝酸钠:乳糖底物＝0.02～1:1的重量比，向乳糖溶液中加入偏铝酸钠，搅拌使之溶解，再加入碱性物质，并将体系的pH值调节至9.0～13.0，然后在40～80℃下搅拌反应10～240分钟；反应结束后，将反应体系冷却至室温，得到异构化乳果糖浆；
2)酸度调节：
在搅拌条件下，向步骤1)中得到的异构化乳果糖浆中加入酸性物质，并将体系的pH值调节至3.5～7.0，得到包含乳果糖和絮凝沉淀体系的混合液；
3)稀释、分散和分离：
向步骤2)中得到的包含乳果糖和絮凝沉淀体系的混合液中加入1～10倍体积的水，通过搅拌使絮凝沉淀体系分散成沉淀颗粒，经渣液分离得到乳果糖清液和沉淀；
4)乳果糖清液的纯化：
采用纳滤对步骤3)中得到的乳果糖清液进行脱盐脱单糖处理，得到高纯度乳果糖溶液；
5)催化剂的循环利用：
向步骤3)中得到的沉淀中加入碱性溶液，使沉淀转化成偏铝酸盐溶液，用于新一轮的高纯度乳果糖溶液的制备。
在上述方法中，步骤1)中所述乳糖底物包括(但不限于)食品级乳糖、乳清和牛乳。
在上述方法中，步骤1)中所述水为去离子水。
在上述方法中，步骤1)中所述碱性物质不仅包括偏铝酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾等固体碱性物质，还包括上述固体碱性物质的任意浓度的水溶液。
在上述方法中，步骤2)中所述酸性物质不仅包括盐酸、硫酸等无机酸以及乳酸、柠檬酸等有机酸类，还包括上述无机酸或有机酸的任意浓度的水溶液。
在上述方法中，步骤3)中所述水为去离子水。
在上述方法中，步骤3)中所述渣液分离采用离心分离、抽滤分离或板框过滤的方式完成。
在上述方法中，步骤4)中所述纳滤膜的截留分子量在100～300Da之间。
在上述方法中，步骤5)中所述碱性溶液包括(但不限于)氢氧化钠和氢氧化钾等无机碱的任意浓度的水溶液。
一种高纯度乳果糖溶液，其通过上述连续循环制备方法制得。
一种高纯度乳果糖浆，其由上述高纯度乳果糖溶液通过浓缩处理制得。
一种结晶乳果糖，其由上述高纯度乳果糖溶液通过结晶处理制得。
一种高纯度乳果糖粉末，其由上述高纯度乳果糖溶液通过喷雾干燥处理制得。
与现有技术相比，采用上述技术方案的本发明具有如下有益效果：
(1)本发明在国内首次以偏铝酸钠/氢氧化钠为碱性络合催化剂，高效异构化乳糖来制备乳果糖，转化率达到85％，乳果糖浓度最高达到360g/L，远高于目前采用硼酸/氢氧化钠体系制备乳果糖的转化率和乳果糖浓度；
(2)本发明首次实现了偏铝酸钠催化剂的重复循环使用，克服了絮凝沉淀裹带大量乳果糖从而造成乳果糖得率偏低的缺陷，有效提高了生产效率；
(3)本发明通过调节体系的pH值，将偏铝酸钠几乎完全转化成沉淀，使得乳果糖浆中不含或仅含极低量的铝离子，符合食用及医药级乳果糖标准要求，并且后续的纯化操作也无需额外的脱除铝离子步骤，简化了生产工艺；
(4)本发明的制备方法符合资源节约型、环境友好型的生产需求，为促进洁净、高效、环保的乳果糖工业化生产提供了有益的借鉴和参考。
附图说明
图1为本发明的高纯度乳果糖溶液及后续产品的连续循环制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案做出进一步的阐述。除另有说明以外，下列实施例中所使用的仪器、材料、试剂等均可通过常规商业手段获得。
实施例1：高纯度乳果糖浆的制备。
在机械搅拌条件下，将作为乳糖底物的20kg食品级乳糖和3kg偏铝酸钠加入到100L去离子水中并溶解，再加入氢氧化钠，并调节体系的pH值至11.5，然后在50℃下搅拌反应2h，反应结束后，将体系冷却至室温，得到异构化乳果糖浆。经HPLC测定，此时乳果糖的转化率为66％，乳果糖的质量浓度为135g/L。
在机械搅拌条件下，向上述异构化乳果糖浆中滴加6mol/L盐酸溶液，调节体系的pH值至6.5，形成包含乳果糖和絮凝沉淀体系的混合液。
向上述混合液中加入100L去离子水，通过机械搅拌使絮凝沉淀体系充分分散成细小的沉淀颗粒，然后通过板框过滤器采用板框过滤的方式得到乳果糖清液和沉淀。
采用5mol/L氢氧化钠溶液重新溶解上述沉淀，并将其转化成偏铝酸钠，然后加入到新的乳糖底物中，进行下一轮乳糖异构化反应。
采用纳滤膜(截留分子量为250Da)对上述乳果糖清液进行脱盐脱单糖处理，直至乳果糖溶液的电导率达到50μs/cm，得到高纯度乳果糖溶液，经HPLC测定，乳果糖的纯度为95％。上述溶液经浓缩处理，最终获得10.8kg高纯度乳果糖浆，乳果糖的得率为82％。
在上述制备方法中，利用HPLC测定乳果糖纯度的具体操作过程如下：取样后离心(8000～12000rpm，15～20min)，上清液经0.22μm微孔滤膜过滤，滤液上样后进行HPLC检测分析。
在上述制备方法中，利用HPLC测定乳果糖纯度的具体检测条件如下：色谱仪：Waters 209；色谱柱：Lichrosorb 3.9×150mm NH2柱；流动相：75％(v/v)乙腈/水溶液；流动相流速：1mL/min；温度：25℃；检测器：R401示差折光检测器；进样量：10μL。
实施例2：结晶乳果糖的制备。
在机械搅拌条件下，将作为乳糖底物的35kg食品级乳糖和8kg偏铝酸钠加入到100L去离子水中并溶解，再加入氢氧化钠，并调节体系的pH值至12.0，然后在60℃下搅拌反应1h，反应结束后，将体系冷却至室温，得到异构化乳果糖浆。经HPLC测定，此时乳果糖的转化率为85％，乳果糖的质量浓度为298g/L。
在机械搅拌条件下，向上述异构化乳果糖浆中滴加10mol/L的硫酸，并调节体系的pH值至5.0，形成包含乳果糖和絮凝沉淀体系的混合液。
向上述混合液中加入200L去离子水，通过机械搅拌使絮凝沉淀体系充分分散成细小的沉淀颗粒，然后通过离心机采用离心分离的方式得到乳果糖清液和沉淀。
采用6mol/L氢氧化钠溶液重新溶解上述沉淀，并将其转化成偏铝酸钠，然后加入到新的乳糖底物中，进行下一轮乳糖异构化反应。
采用纳滤膜(截留分子量为250Da)对上述乳果糖清液进行脱盐脱单糖处理，直至乳果糖溶液的电导率达到50μs/cm，得到高纯度乳果糖溶液，经HPLC测定，乳果糖的纯度为96％。上述溶液经结晶处理，最终获得25kg结晶乳果糖，乳果糖的得率为84％。
在上述制备方法中，利用HPLC测定乳果糖纯度的具体操作过程如下：取样后离心(8000～12000rpm，15～20min)，上清液经0.22μm微孔滤膜过滤，滤液上样后进行HPLC检测分析。
在上述制备方法中，利用HPLC测定乳果糖纯度的具体检测条件如下：色谱仪：Waters 209；色谱柱：Lichrosorb 3.9×150mm NH2柱；流动相：75％(v/v)乙腈/水溶液；流动相流速：1mL/min；温度：25℃；检测器：R401示差折光检测器；进样量：10μL。
实施例3：高纯度乳果糖粉末的制备。
在机械搅拌条件下，将作为乳糖底物的50kg食品级乳糖和24kg偏铝酸钠加入到100L去离子水中并溶解，再加入氢氧化钠，并调节体系的pH值至12.5，然后在65℃下搅拌反应30min，反应结束后，将体系冷却至室温，得到异构化乳果糖浆。经HPLC测定，此时乳果糖的转化率为72％，乳果糖的质量浓度为360g/L。
在机械搅拌条件下，向上述异构化乳果糖浆中滴加10mol/L盐酸，并调节体系的pH值至4.5，形成包含乳果糖和絮凝沉淀体系的混合液。
向上述混合液中加入300L去离子水，通过机械搅拌使絮凝沉淀体系充分分散成细小的沉淀颗粒，然后采用抽滤分离的方式得到乳果糖清液和沉淀。
采用6mol/L氢氧化钠溶液重新溶解上述沉淀，并将其转化成偏铝酸钠，然后加入到新的乳糖底物中，进行下一轮乳糖异构化反应。
采用纳滤膜(截留分子量为250Da)对上述乳果糖清液进行脱盐脱单糖处理，直至乳果糖溶液的电导率为50μs/cm，得到高纯度乳果糖溶液，经HPLC测定，乳果糖的纯度为95％。上述溶液经喷雾干燥处理，最终获得32.4kg高纯度乳果糖粉末，乳果糖的得率为90％。
在上述制备方法中，利用HPLC测定乳果糖纯度的具体操作过程如下：取样后离心(8000～12000rpm，15～20min)，上清液经0.22μm微孔滤膜过滤，滤液上样后进行HPLC检测分析。
在上述制备方法中，利用HPLC测定乳果糖纯度的具体检测条件如下：色谱仪：Waters 209；色谱柱：Lichrosorb 3.9×150mm NH2柱；流动相：75％(v/v)乙腈/水溶液；流动相流速：1mL/min；温度：25℃；检测器：R401示差折光检测器；进样量：10μL。

Claims (10)

1.一种高纯度乳果糖溶液的连续循环制备方法，其包括如下步骤：
1)乳糖异构化：
将乳糖底物加入到水中，搅拌使之溶解，得到质量浓度为10～500g/L的乳糖溶液；按照偏铝酸钠:乳糖底物＝0.02～1:1的重量比，向乳糖溶液中加入偏铝酸钠，搅拌使之溶解，再加入碱性物质，并将体系的pH值调节至9.0～13.0，然后在40～80℃下搅拌反应10～240分钟；反应结束后，将反应体系冷却至室温，得到异构化乳果糖浆；
2)酸度调节：
在搅拌条件下，向步骤1)中得到的异构化乳果糖浆中加入酸性物质，并将体系的pH值调节至3.5～7.0，得到包含乳果糖和絮凝沉淀体系的混合液；
3)稀释、分散和分离：
向步骤2)中得到的包含乳果糖和絮凝沉淀体系的混合液中加入1～10倍体积的水，通过搅拌使絮凝沉淀体系分散成沉淀颗粒，经渣液分离得到乳果糖清液和沉淀；
4)乳果糖清液的纯化：
采用纳滤对步骤3)中得到的乳果糖清液进行脱盐脱单糖处理，得到高纯度乳果糖溶液；
5)催化剂的循环利用：
向步骤3)中得到的沉淀中加入碱性溶液，使沉淀转化成偏铝酸盐溶液，用于新一轮的高纯度乳果糖溶液的制备。
2.根据权利要求1所述的高纯度乳果糖溶液的连续循环制备方法，其特征在于：
步骤1)中所述乳糖底物包括食品级乳糖、乳清和牛乳。
3.根据权利要求1所述的高纯度乳果糖溶液的连续循环制备方法，其特征在于：
步骤1)中所述碱性物质包括偏铝酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾及其任意浓度的水溶液。
4.根据权利要求1所述的高纯度乳果糖溶液的连续循环制备方法，其特征在于：
步骤2)中所述酸性物质包括盐酸、硫酸、乳酸、柠檬酸及其任意浓度的水溶液。
5.根据权利要求1所述的高纯度乳果糖溶液的连续循环制备方法，其特征在于：
步骤3)中所述渣液分离采用离心分离、抽滤分离或板框过滤的方式完成。
6.根据权利要求1所述的高纯度乳果糖溶液的连续循环制备方法，其特征在于：
步骤4)中所述纳滤膜的截留分子量在100～300Da之间。
7.一种高纯度乳果糖溶液，其通过根据权利要求1至6中任一项所述的高纯度乳果糖溶液的连续循环制备方法制得。
8.一种高纯度乳果糖浆，其由根据权利要求7所述的高纯度乳果糖溶液通过浓缩处理制得。
9.一种结晶乳果糖，其由根据权利要求7所述的高纯度乳果糖溶液通过结晶处理制得。
10.一种高纯度乳果糖粉末，其由根据权利要求7所述的高纯度乳果糖溶液通过喷雾干燥处理制得。
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