CN110904164A - 一种制备葡萄糖酸盐的生物催化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备葡萄糖酸盐的生物催化方法，包括下列步骤：S1、取干淀粉加入水搅拌得淀粉浆液，在淀粉浆液中加入α‑淀粉酶液化处理，随后加入葡糖淀粉酶糖化处理，淀粉浆液经液化、糖化作用生成葡萄糖浆液；S2、向生成的葡萄糖浆液中加入葡糖氧化酶和过氧化氢酶，葡萄糖浆液在氧气环境氛围下，经葡糖氧化酶催化氧化成葡萄糖酸和过氧化氢；S3、继续流加碱性溶液，使其与葡萄糖酸进行中和反应生成葡萄糖酸盐；S4、过氧化氢在过氧化氢酶的催化作用下水解生成水和氧气，氧气补充到S2步骤中。相比于现有技术，本发明利用生物酶的催化作用，将淀粉转化成葡萄糖酸盐，具有转化效率高、工艺简单、产品色泽好、纯度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种葡萄糖酸盐的制备方法，尤其涉及一种制备葡萄糖酸盐的生物催化方法。
背景技术
作为一种多羟基羧酸盐，葡萄糖酸盐在食品、医药、化工、建筑等均有广泛应用。在食品领域葡萄糖酸盐是一种重要的食品添加剂，也是优良的PH调节稳定剂，同时可以作为食用盐的替代剂；在建筑领域作混凝土的缓凝剂、减水剂；水处理上作鳌合稳定剂；电镀行业上用作钢铁表明的清洗剂。此外，葡萄糖酸钙、葡萄糖酸锌、葡萄糖酸镁还是营养补充剂，用于治疗钙、锌、镁缺乏引起的病症。
葡萄糖酸盐的现有制备方法有发酵法、电解法和催化氧化法。发酵法是采用黑曲霉菌深层发酵，存在容易染菌、发酵液中可溶性蛋白难出，产品颜色深纯度低的特点。电解法是利用原电池原理，在电解槽里对葡萄糖溶液和电解质进行电解得到葡萄糖酸盐，能耗高、生产成本高、不适宜工业化生产。催化氧化法是氧气在金属催化剂的催化下氧化葡萄糖得到葡萄糖酸，受催化剂催化效率的制约生产成本高。
上述方法存在或多或少的缺陷，比如产品色泽不好，不适宜工业生产，生产成本高等，研究一种工艺简单、转换率高以及适宜生产的葡萄糖酸盐制备方法很有必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种制备葡萄糖酸盐的生物催化方法。
本发明提供一种制备葡萄糖酸盐的生物催化方法，包括下列步骤：
S1、取干淀粉加入水搅拌得淀粉浆液，在淀粉浆液中加入α-淀粉酶液化处理，随后加入葡糖淀粉酶糖化处理，淀粉浆液经液化、糖化作用生成葡萄糖浆液；
S2、向生成的葡萄糖浆液中加入葡糖氧化酶和过氧化氢酶，葡萄糖浆液在氧气环境氛围下，经葡糖氧化酶催化氧化成葡萄糖酸和过氧化氢；
S3、继续流加碱性溶液，使其与葡萄糖酸进行中和反应生成葡萄糖酸盐；
S4、过氧化氢在过氧化氢酶的催化作用下水解生成水和氧气，氧气补充到S2步骤中。
进一步地，相对干淀粉量来说，α-淀粉酶的添加量为0.01～0.04％，葡糖淀粉酶的添加量为0.01～0.03％，葡糖氧化酶的添加量为0.1～0.8％，过氧化氢酶的添加量为0.1～1.0％。
进一步地，α-淀粉酶的活力为50000～200000U/mL，葡糖淀粉酶的活力为50000～150000U/mL，葡糖氧化酶的活力为5000～40000U/mL，过氧化氢酶的活力为60000～600000U/mL。
进一步地，步骤S1中，液化处理时的温度为85～95℃，pH值为5.0～6.5；糖化处理时的温度为50～60℃，pH值为4.0～5.0。
进一步地，步骤S2中，葡萄糖浆液反应条件：温度30～50℃，pH值4.5～6.5。
进一步地，所述干淀粉的来源包含但不限于玉米淀粉、高粱淀粉、小麦淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉或稻米淀粉。
进一步地，所述淀粉浆液的浓度为250～400g/L。
进一步地，所述碱性溶液可为强碱溶液、强碱弱酸盐溶液或其浊液。
进一步地，所述葡萄糖酸盐为钠盐、钾盐、钙盐、锌盐或镁盐的其中一种。
本发明具有以下有益效果：
本方案采用生物催化法来制备葡萄糖酸盐，利用生物酶的催化作用，将淀粉转化成葡萄糖酸盐，具有转化效率高、工艺简单、对设备条件要求不高、产品色泽好、纯度高的特点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种制备葡萄糖酸盐的生物催化方法，包括下列步骤：
S1、取干淀粉加入水搅拌得淀粉浆液，在淀粉浆液中加入α-淀粉酶液化处理，随后加入葡糖淀粉酶糖化处理，淀粉浆液经液化、糖化作用生成葡萄糖浆液；
S2、向生成的葡萄糖浆液中加入葡糖氧化酶和过氧化氢酶，葡萄糖浆液在氧气环境氛围下，经葡糖氧化酶催化氧化成葡萄糖酸和过氧化氢；
S3、继续流加碱性溶液，使其与葡萄糖酸进行中和反应生成葡萄糖酸盐；
S4、过氧化氢在过氧化氢酶的催化作用下水解生成水和氧气，氧气补充到S2步骤中。
酶作为一种具有催化能力的蛋白质(极少数是核苷酸)，其反应条件温和、底物专一性强、催化效率高，约是非酶催化剂的109-1012，生物催化法比起现有技术采取的发酵法、电解法以及催化氧化法具有转化效率高、产品色泽好、纯度高的特点。
α-淀粉酶采用高温α-淀粉酶，它能随机的从淀粉分子内部切开α-1,4糖苷键，使淀粉水解成糊精和少量还原糖，其有效作用温度在40～105℃，优选温度为85～95℃，有效pH范围在3.5～7.5，优选pH为5.0～6.5；葡糖淀粉酶又称糖化酶，它从淀粉或糊精分子得非还原端逐个水解α-1,4糖苷键，最终生成葡萄糖，同时它还具有一定水解α-1,6糖苷键和α-1,3糖苷键的能力；α-淀粉酶和葡糖淀粉酶可催化淀粉底物水解成葡萄糖，其有效作用温度在20～80℃，优选温度为50～70℃，有效pH范围在3.0～7.0，优选pH为4.0～5.0。葡糖氧化酶是一种需氧脱氢酶，能够利用氧催化葡萄糖氧化生成葡萄糖酸和过氧化氢；过氧化氢酶也是一种氧化还原酶，专一作用于过氧化氢的催化水解，避免酶蛋白分子收到过氧化氢的损害；葡糖氧化酶和过氧化氢酶的有效作用温度在10～60℃，优选温度为30～50℃，有效pH范围在3.5～7.5，优选pH为4.5～6.5。
相对干淀粉量来说，α-淀粉酶的添加量为0.01～0.04％，葡糖淀粉酶的添加量为0.01～0.03％，葡糖氧化酶的添加量为0.1～0.8％，过氧化氢酶的添加量为0.1～1.0％；α-淀粉酶的活力为50000～200000U/mL，葡糖淀粉酶的活力为50000～150000U/mL，葡糖氧化酶的活力为5000～40000U/mL，过氧化氢酶的活力为60000～600000U/mL。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明实施例中使用的α-淀粉酶、葡糖淀粉酶、葡糖氧化酶和过氧化氢酶均由武汉新华扬生物股份有限公司提供。其中，α-淀粉酶的活力为150000U/mL，葡糖淀粉酶的活力为70000U/mL，葡糖氧化酶的活力为100000U/mL，过氧化氢酶的活力为60000U/mL。
实施例1
将17L300g/L的玉米淀粉浆加入30L的反应罐中，调节pH在5.0，搅拌速度100r/min，加入干淀粉质量千分之0.15的高温α-淀粉酶，升温至88℃，液化处理25min；降温至52℃，pH控制在4.8，打入干淀粉质量千分之0.25的葡糖淀粉酶，糖化处理40min，获得葡萄糖浆液；然后控制温度在30℃，通风量在1.6m3/h，罐压控制在0.05MPa，调节pH在6.0，打入干淀粉质量千分之5.0的过氧化氢酶和千分之3.0的葡糖氧化酶，流加300g/L的NaOH溶液，当反应体系不在消耗碱液、pH趋于稳定，催化反应结束，继续流加NaOH溶液使得pH为7.0，得到相应的葡萄糖酸钠溶液。
实施例2
将18L250g/L的小麦淀粉浆加入30L的反应罐中，调节pH在6.0，搅拌速度200r/min，加入干淀粉质量千分之0.3的高温α-淀粉酶，升温至85℃，液化处理35min；降温至50℃，pH控制在4.5，打入干淀粉质量千分之0.20的葡糖淀粉酶，糖化处理30min，获得葡萄糖浆液；然后控制温度在35℃，通风量在1.5m3/h，罐压控制在0.07MPa，调节pH在4.8，打入干淀粉质量千分之3.0的过氧化氢酶和千分之2.0的葡糖氧化酶，流加280g/L的KOH溶液，当反应体系不在消耗碱液、pH趋于稳定，催化反应结束，继续流加KOH溶液使得pH为7.0，得到相应的葡萄糖酸钾溶液。
实施例3
将18L280g/L的马铃薯淀粉浆加入30L的反应罐中，调节pH在5.7，搅拌速度300r/min，加入干淀粉质量千分之0.25的高温α-淀粉酶，升温至90℃，液化处理40min；降温至55℃，pH控制在4.3，打入干淀粉质量千分之0.18的葡糖淀粉酶，糖化处理45min，获得葡萄糖浆液；然后控制温度在40℃，通风量在1.2m3/h，罐压控制在0.08MPa，调节pH在6.2，打入干淀粉质量千分之6.0的过氧化氢酶和千分之4.0的葡糖氧化酶，流加350g/L的Zn(OH)2溶液，当反应体系不在消耗碱液、pH趋于稳定，催化反应结束，继续流加Zn(OH)2溶液使得pH为7.0，得到相应的葡萄糖酸锌溶液。
实施例4
将17L260g/L的高粱淀粉浆加入30L的反应罐中，调节pH在5.5，搅拌速度150r/min，加入干淀粉质量千分之0.22的高温α-淀粉酶，升温至85℃，液化处理25min；降温至60℃，pH控制在4.0，打入干淀粉质量千分之0.15的葡糖淀粉酶，糖化处理45min，获得葡萄糖浆液；然后控制温度在38℃，通风量在2.0m3/h，罐压控制在0.05MPa，调节pH在5.3，打入干淀粉质量千分之10.0的过氧化氢酶和千分之8.0的葡糖氧化酶，流加250g/L的Na2CO3溶液，当反应体系不在消耗碱液、pH趋于稳定，催化反应结束，继续流加Na2CO3溶液使得pH为7.0，得到相应的葡萄糖酸钠溶液。
实施例5
将18L230g/L的木薯淀粉浆加入30L的反应罐中，调节pH在6.2，搅拌速度120r/min，加入干淀粉质量千分之0.2的高温α-淀粉酶，升温至90℃，液化处理20min；降温至50℃，pH控制在6.5，打入干淀粉质量千分之0.2的葡糖淀粉酶，糖化处理30min，获得葡萄糖浆液；然后控制温度在45℃，通风量在1.0m3/h，罐压控制在0.04MPa，调节pH在5.0，打入干淀粉质量千分之7.0的过氧化氢酶和千分之5.5的葡糖氧化酶，流加400g/LCa(OH)2溶液，当反应体系不在消耗碱液、pH趋于稳定，催化反应结束，继续流加Ca(OH)2溶液使得pH为7.0，得到相应的葡萄糖酸钙溶液。
实施例6
将18L350g/L的大米淀粉浆加入30L的反应罐中，调节pH在5.5，搅拌速度200r/min，加入干淀粉质量千分之0.35的高温α-淀粉酶，升温至90℃，液化处理50min；降温至55℃，pH控制在6.0，打入干淀粉质量千分之0.25的葡糖淀粉酶，糖化处理30min，获得葡萄糖浆液；然后控制温度在35℃，通风量在1.5m3/h，罐压控制在0.05MPa，调节pH在6.5，打入干淀粉质量千分之10.0的过氧化氢酶和千分之6.0的葡糖氧化酶，流加350g/L碳酸镁浊液，当反应体系不在消耗碱液、pH趋于稳定，催化反应结束，继续流加碳酸镁浊液使得pH为7.0，得到相应的葡萄糖酸镁溶液。
实施例7
将17L200g/L的番薯淀粉浆加入30L的反应罐中，调节pH在5.0，搅拌速度300r/min，加入干淀粉质量千分之0.1的高温α-淀粉酶，升温至90℃，液化处理20min；降温至52℃，pH控制在4.5，打入干淀粉质量千分之0.1的葡糖淀粉酶，糖化处理25min，获得葡萄糖浆液；然后控制温度在42℃，通风量在2.0m3/h，罐压控制在0.05MPa，调节pH在4.5，打入干淀粉质量千分之1.0的过氧化氢酶和千分之1.0的葡糖氧化酶，流加320g/L氢氧化镁浊液，当反应体系不在消耗碱液、pH趋于稳定，催化反应结束，继续流加氢氧化镁浊液使得pH为7.0，得到相应的葡萄糖酸镁溶液。
实施例8
将18L330g/L的玉米淀粉浆加入30L的反应罐中，调节pH在6.5，搅拌速度200r/min，加入干淀粉质量千分之0.25的高温α-淀粉酶，升温至85℃，液化处理45min；降温至60℃，pH控制在5.0，打入干淀粉质量千分之0.3的葡糖淀粉酶，糖化处理50min，获得葡萄糖浆液；然后控制温度在50℃，通风量在1.5m3/h，罐压控制在0.02MPa，调节pH在5.0，打入干淀粉质量千分之9.5的过氧化氢酶和千分之7.0的葡糖氧化酶，流加400g/L丙酸钙溶液，当反应体系不在消耗碱液、pH趋于稳定，催化反应结束，继续流加丙酸钙溶液使得pH为7.0，得到相应的葡萄糖酸钙溶液。
对比例1
与实施例1相比，采用盐酸水解淀粉浆，然后采用葡糖氧化酶和过氧化氢酶催化制备葡萄糖酸钠。由于浓酸会腐蚀不锈钢反应罐，所以酸解时在灭菌锅中高温高压条件下进行。
将17L300g/L的玉米淀粉浆加入到30L的反应罐中，加入12mol/L盐酸溶液调节pH至2.0，加压至1.1MPa，升温至121℃保温处理40min，然后降温至30℃，调节pH至6.0左右得到葡萄糖浆液。调整通风量1.6m3/h，罐压0.03MPa，打入干淀粉质量千分之5.0的过氧化氢酶和千分之3.0的葡糖氧化酶，流加300g/LNaOH溶液，控制pH在6.0，当反应体系不在消耗碱液、pH趋于稳定，催化反应结束，继续流加NaOH溶液使得pH为7.0，得到相应的葡萄糖酸钠溶液。
对比例2
与对比例1相比，采用对比例1的方法制备葡萄糖浆液，但在后续生物酶法催化时，不添加过氧化氢酶，试验过氧化氢酶的协同作用。
按照对比例1制备酸解的葡萄糖浆液，控制温度30℃，通风量1.6m3/h，罐压0.03MPa，打入干淀粉质量千分之3.0的葡糖氧化酶，流加300g/LNaOH溶液，控制pH在6.0，当反应体系不在消耗碱液、pH趋于稳定，催化反应结束，继续流加NaOH溶液使得pH为7.0，得到相应的葡萄糖酸钠溶液。
测试结果
分别采用实施例1-8和对比例1-2所提供的方法进行葡萄糖酸盐的生物催化法制备，测试第一步酶催化法和酸法淀粉水解后的葡萄糖浆液中葡萄糖的含量、测试反应周期、测试反应结束时体系中的残糖量和过氧化氢量、并计算转化率，测试结果如表1所示。
葡萄糖量和残糖量(g/L)：采用SBA-40D生物传感分析仪进行测试，用微量注射器吸取25μL稀释过的待测液，打入仪器中，读书，然后根据稀释倍数计算葡萄糖量。
过氧化氢量(mg/mL)：采用过氧化氢试纸(0～25mg/mL)进行半定量测试，将过氧化氢试纸条插入待测液1s后取出甩干，15s时与附带的色卡比色，读取数值。
转化率(％)＝(1-反应结束时残糖量*0.9/初始淀粉量)*100，式中，0.9为葡萄糖折算成淀粉的换算系数。
表1转化结果表
结合表1，从实施例1～8和对比例1～2的葡萄糖量的结果可以看出，采用生物酶法水解淀粉后得到的葡萄糖浆液中葡萄糖的量，同酸法水解得到的基本相同，同时由葡萄糖和淀粉间的换算系数0.9折算得到的淀粉量基本同初始淀粉酶量，表明采用高温α-淀粉酶和葡糖淀粉酶的生物催化法能够将淀粉水解完全，工艺简单，操作便捷，同时避免了酸解时的高温高压高酸的条件和酸对反应罐的腐蚀，延长设备寿命。葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶用量越多，淀粉的转化周期越短，转化效率越高。
转化周期主要受到淀粉浓度、葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶添加量的影响，其中酶的添加量是主要影响因素。实施例和对比例的结果差异明显表明：葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶用量越大转化周期越短。
对比例2中因为没有添加过氧化氢酶来分解掉葡萄糖转化生成的过氧化氢，而过氧化氢作为一种氧化还原剂对蛋白具有一定的变性能力；当反应体系中累加到一定浓度的过氧化氢，对葡萄糖氧化酶蛋白产生损伤作用，导致其活力降低直至为0，转化反应不能继续进行。
综上，本发明实施例提供的一种用于制备葡萄糖酸盐的生物催化法，利用生物酶的催化作用，可以在温和的条件下实现淀粉转化成葡萄糖的水解工艺、后续葡萄糖液转化生成葡萄糖酸盐。整个工艺条件温和、操作简单、转化率高、转化周期短，对设备损害小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种制备葡萄糖酸盐的生物催化方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1、取干淀粉加入水搅拌得淀粉浆液，在淀粉浆液中加入α-淀粉酶液化处理，随后加入葡糖淀粉酶糖化处理，淀粉浆液经液化、糖化作用生成葡萄糖浆液；
S2、向生成的葡萄糖浆液中加入葡糖氧化酶和过氧化氢酶，葡萄糖浆液在氧气环境氛围下，经葡糖氧化酶催化氧化成葡萄糖酸和过氧化氢；
S3、继续流加碱性溶液，使其与葡萄糖酸进行中和反应生成葡萄糖酸盐；
S4、过氧化氢在过氧化氢酶的催化作用下水解生成水和氧气，氧气补充到S2步骤中。
2.如权利要求2所述的制备葡萄糖酸盐的生物催化方法，其特征在于：相对干淀粉量来说，α-淀粉酶的添加量为0.01～0.04％，葡糖淀粉酶的添加量为0.01～0.03％，葡糖氧化酶的添加量为0.1～0.8％，过氧化氢酶的添加量为0.1～1.0％。
3.如权利要求2所述的制备葡萄糖酸盐的生物催化方法，其特征在于：α-淀粉酶的活力为50000～200000U/mL，葡糖淀粉酶的活力为50000～150000U/mL，葡糖氧化酶的活力为5000～40000U/mL，过氧化氢酶的活力为60000～600000U/mL。
4.如权利要求1所述的制备葡萄糖酸盐的生物催化方法，其特征在于：步骤S1中，液化处理时的温度为85～95℃，pH值为5.0～6.5；糖化处理时的温度为50～60℃，pH值为4.0～5.0。
5.如权利要求1所述的制备葡萄糖酸盐的生物催化方法，其特征在于：步骤S2中，葡萄糖浆液反应条件：温度30～50℃，pH值4.5～6.5。
6.如权利要求1所述的制备葡萄糖酸盐的生物催化方法，其特征在于：所述干淀粉的来源包含但不限于玉米淀粉、高粱淀粉、小麦淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉或稻米淀粉。
7.如权利要求1所述的制备葡萄糖酸盐的生物催化方法，其特征在于：所述淀粉浆液的浓度为250～400g/L。
8.如权利要求1所述的制备葡萄糖酸盐的生物催化方法，其特征在于：所述碱性溶液可为强碱溶液、强碱弱酸盐溶液或其浊液。
9.如权利要求1所述的制备葡萄糖酸盐的生物催化方法，其特征在于：所述葡萄糖酸盐为钠盐、钾盐、钙盐、锌盐或镁盐的其中一种。
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