CN111116683B - 一种葡醛内酯的生物制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种葡醛内酯制备方法，包括：用还原剂将氧化淀粉中的羰基还原成羟基，得到高质量氧化淀粉；用固定化淀粉酶水解所得高质量氧化淀粉得到水解液；用固定化糖化酶糖化所述水解液得到糖化液；将糖化液用酵母菌发酵得到乙醇和葡萄糖醛酸水溶液；除去葡萄糖醛酸水溶液中的钠离子，再脱水酯化、结晶后得到葡醛内酯粗品，葡醛内酯粗品经精制得到葡醛内酯精品。本发明的制备方法克服了现有硝酸氧化淀粉生产葡萄糖醛酸工艺中消耗大量硝酸、收率低、副产物多、会产生大量二氧化氮、污染环境、存在安全隐患等问题，具有绿色化、选择性高、环境污染少、经济等优势，可以实现产业化。
Description
技术领域
本发明涉及一种葡醛内酯的制备方法。
背景技术
葡萄糖醛酸简称葡醛酸，是葡萄糖C-6位的羟基被氧化成羧基所形成的糖醛酸，广泛存在于动植物体内。它的分子式为C6H10O7，分子量为194.14，外观为白色粉末或白色针状结晶，溶于水和乙醇。因葡萄糖醛酸分子中同时存在高反应活性的醛基和羧基，可与人体内源性及外源性的酚基、醇基、醛基、巯基等有毒物质作用，形成无毒或低毒的化合物随尿液与胆汁排出体外，实现排毒养颜功能。除了在医学领域应用外，葡萄糖醛酸还应用于减肥药、功能性饮料、化妆品和食品中，近年来，随着绿色保健食品的不断开发，葡萄糖醛酸日益受到人们的青睐。
目前在工业上生产葡醛内酯的方法主要是以淀粉为原料，硝酸为氧化剂的硝酸氧化法，其工艺过程为：先将淀粉用发烟硝酸氧化生成氧化淀粉，之后以酸作为水解剂使氧化淀粉水解，生成葡萄糖醛酸，再经真空浓缩、加入醋酸和醋酸酐内酯化和结晶75小时左右得葡醛内酯粗品纯度为80-90%，加入活性炭脱色，重结晶等一系列过程得到葡醛内酯产品，含量在99%以上，收率为10%左右，相当于每10吨淀粉才得到1吨葡醛内酯。日本专利昭36-12114报道了类似的制备方法。中国专利ZL200610018520.0也报道了该方法的酯化及结晶工艺改进技术。硝酸氧化法的优势是原料淀粉来源广且价格较低，该工艺最突出的问题是使用硝酸氧化不仅氧化伯羟基，其它位置的羟基也可能被氧化，带压水解氧化淀粉，随着时间的延长，生成的葡醛酸也会水解，造成最终葡醛内酯收率降低。因此该方法存在着反应选择性差、环境污染严重、产品周期长，结晶困难、能耗高、收率低等缺点，因此需要革新葡醛内酯的制备工艺。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的在于：提供一种绿色化的葡醛内酯合成工艺，克服了现有硝酸氧化淀粉生产葡萄糖醛酸工艺中消耗大量硝酸、收率低、副产物多、会产生大量二氧化氮、污染环境、存在安全隐患等问题，本工艺的特点是绿色化、选择性高、环境污染少、经济，可以实现产业化。
实现本发明目的的技术方案是：
提供一种葡醛内酯制备方法，包括：
1）用还原剂将氧化淀粉中的羰基还原成羟基，得到高质量氧化淀粉；
2）用固定化淀粉酶水解1）所得高质量氧化淀粉，得到水解液；再用固定化糖化酶糖化所述水解液，得到糖化液；
3）将2）所得糖化液用酵母菌发酵，得到乙醇和葡萄糖醛酸水溶液；
4）除去3）所得葡萄糖醛酸水溶液中的钠离子，再加入醋酸和醋酸酐的混合物脱水酯化，结晶后得到葡醛内酯粗品，所述葡醛内酯粗品经精制得到葡醛内酯精品。
本发明的方法以氧化淀粉为原料制备葡醛内酯，对原料的优选能够进一步提高制备效率，因此本发明优选的方案中，1）所述的氧化淀粉是羧基含量高于20%且羰基含量低于8%的氧化淀粉；进一步优选羧基含量高于24%且羰基含量低于5%的氧化淀粉。
所述的羧基含量高于24%且羰基含量低于5%的氧化淀粉进一步优选按照以下方法制得：
a.在20-35℃的水基淀粉悬浮液中加入氧化催化剂，控制悬浮液为弱碱性状态，向悬浮液中通入臭氧，将淀粉中的伯羟基全部氧化；
b.将a所得氧化后悬浮液去除复合催化剂后，再经醇析、过滤、干燥得到羧基含量高于24%且羰基含量低于5%的氧化淀粉。
本发明优选的方案中，1）所述的还原剂选自硼氢化钠或氢气，最优选硼氢化钠。
本发明优选的方案中，2）所述的固定化淀粉酶是离子交换树脂固定化α-淀粉酶；所述的固定化糖化酶是离子交换树脂固定化糖化酶。
进一步优选的方案中，所述的离子交换树脂固定化α-淀粉酶是以D380树脂为载体，将α-淀粉酶通过吸附-交联方式固定得到的固定化淀粉酶；所述的离子交换树脂固定化糖化酶是以D380树脂为载体，将糖化酶通过吸附-交联方式固定得到的固定化糖化酶。
本发明更进一步优选的方案中，所述的离子交换树脂固定化α-淀粉酶制备方法以D380树脂为载体、以戊二醛为交联剂，具体步骤如下：
1.固定化载体的预处理。D380离子交换树脂先用蒸馏水浸泡胀润、去杂，然后用HCl、NaOH交替处理，最后用蒸馏水冲洗至中性，置于4℃冰箱保存备用。
2.酶液配制。在蒸馏水中加入α-淀粉酶，配制成20g/L的α-淀粉酶水溶液；
3.酶固定化。取经步骤1处理的200mL D380树脂为载体，加入1L步骤2制备的20g/L浓度α-淀粉酶溶液，调节酶液pH值5.8，在20～25℃，摇床上100r/min振摇下吸附10～14h，然后加入1.2mL戊二醛溶液(树脂和酶溶液0.1%的量)，于20℃交联8～10h，过滤，得到固定化淀粉酶，加入200g水来洗没有被树脂吸附的游离淀粉酶，在摇床震荡5分钟，洗游离淀粉酶重复三次，母液继续套用，可以获得的固定化酶活力为145U/g(载体)。
本发明更进一步优选的方案中，所述的离子交换树脂固定化糖化酶制备方法以D380树脂为载体、以戊二醛为交联剂，具体步骤如下：
①.固定化载体的预处理。D380离子交换树脂先用蒸馏水浸泡胀润、去杂，然后用HCl、NaOH交替处理，最后用蒸馏水冲洗至中性，置于4℃冰箱保存备用。
②.酶液配制。在蒸馏水中加入糖化酶，配制成20g/L的糖化酶水溶液。
③.酶固定化。取经步骤①处理的200mL D380树脂为载体，加入1L步骤②制备的20g/L浓度糖化酶溶液，调节酶液pH值6.5，在25～30℃，摇床上100r/min振摇下吸附12～16h，然后加入1.2mL戊二醛溶液(树脂和酶溶液0.1%的量)，于25℃交联6～8h，过滤，得到固定化糖化酶，加入200g水来洗没有被树脂吸附的游离糖化酶，在摇床震荡5分钟，洗游离糖化酶重复三次，母液继续套用，可以获得的固定化酶活力为185U/g(载体)。
本发明优选的方案中，4）所述的去除3）所得葡萄糖醛酸水溶液中的钠离子，是通过将葡萄糖醛酸水溶液过强酸性阳离子交换树脂完成。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
（1）克服了传统工艺中使用大量的硝酸，产生二氧化氮气体，对环境造成严重污染。
（2）避免了使用硝酸水溶液加压水解方式，避免了淀粉的利用效率特别低造成的原料浪费，以及减少了副产物成为废弃物的比例，减少了后处理经济损失。利用酶解的方法来代替硝酸水溶液加压水解氧化淀粉，更加安全性增加，更加环保。而且用固定酶的方法来水解和糖化淀粉，酶可以回收使用，提高了酶的使用效率，节约了使用酶的成本。
（3）克服了用酸水解里面杂糖多带来的分离困难、不容易结晶出来、结晶周期长、浪费生产时间等问题，缩短了葡醛内酯粗品结晶的时间，提高生产效率。
（4）通过改性制备适合生产葡醛内酯的氧化淀粉，极大的提高了收率，增加淀粉利用效率。
（5）利用发酵工艺，可以使杂糖变成乙醇，原本工艺产生的废弃物变成产品，增加经济价值，减少废弃物的排放。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例一：
制备羧基含量高于24%且羰基含量低于5%的氧化淀粉的水溶液：
第一步：打开搅拌，将150g淀粉缓慢加入300g水中，保持温度35℃。
第二步：加入淀粉质量2.25g的复合催化剂。
其中复合催化剂的制备方法是，在10g重量20%磷钼酸水溶液中加入2g TS-1分子筛(硅钛比为20~30)，保持温度50℃，搅拌5小时，在150℃真空干燥4h，得复合固体催化剂。使用前，把催化剂放在马弗炉中280℃烧一小时，360-380℃烧两小时，每隔十五分钟翻一次。
第三步：滴加5%氢氧化钠溶液保持PH在8~9范围内，向淀粉悬浊液中通入臭氧气体，采取问隔通气1 h停止10分钟(气体流量5mL／s），跟踪监测，直到淀粉伯羟基全部被氧化成羧基。
第四步：过滤第三步中得到的产物中的复合催化剂重复使用，得到450g氧化淀粉清液。收率为95%，氧化淀粉中羧基含量为24.74%，羰基含量为4.85%。
实施例二：
制备固定化α-淀粉酶，以D380树脂为载体、以戊二醛为交联剂，具体步骤如下：
1.固定化载体的预处理。D380离子交换树脂先用蒸馏水浸泡胀润、去杂，然后用HCl、NaOH交替处理，最后用蒸馏水冲洗至中性，置于4℃冰箱保存备用。
2.酶液配制。在蒸馏水中加入α-淀粉酶，配制成20g/L的α-淀粉酶水溶液；
3.酶固定化。取经步骤1处理的200mL D380树脂为载体，加入1L步骤2制备的20g/L浓度α-淀粉酶溶液，调节酶液pH值5.8，在20～25℃，摇床上100r/min振摇下吸附10～14h，然后加入1.2mL戊二醛溶液(树脂和酶溶液0.1%的量)，于20℃交联8～10h，过滤，得到固定化淀粉酶，加入200g水来洗没有被树脂吸附的游离淀粉酶，在摇床震荡5分钟，洗游离淀粉酶重复三次，母液继续套用，可以获得的固定化酶活力为145U/g(载体)。
实施例三：
制备固定化糖化酶，以D380树脂为载体、以戊二醛为交联剂，具体步骤如下：
①.固定化载体的预处理。吸附树脂采用乙醇、丙酮、蒸馏水交替处理，最后用蒸馏水冲洗至中性备用;离子交换树脂先用蒸馏水浸泡胀润、去杂，然后用HCl、NaOH交替处理，最后用蒸馏水冲洗至中性，置于4℃冰箱保存备用。
②.酶液配制。在蒸馏水中加入糖化酶，配制成20g/L的糖化酶水溶液。
③.酶固定化。取经步骤①处理的200mL D380树脂为载体，加入1L步骤②制备的20g/L浓度糖化酶溶液，调节酶液pH值6.5，在25～30℃，摇床上100r/min振摇下吸附12～16h，然后加入1.2mL戊二醛溶液(树脂和酶溶液0.1%的量)，于25℃交联6～8h，过滤，得到固定化糖化酶，加入200g水来洗没有被树脂吸附的游离糖化酶，在摇床震荡5分钟，洗游离糖化酶重复三次，母液继续套用，可以获得的固定化酶活力为185U/g(载体)。
实施例四：
称取450g羧基含量高于20%且羰基含量低于8%的氧化淀粉的水溶液（如实施例一制备），降低温度至0到5℃，加入适量硼氢化钠，跟踪监测氧化淀粉的羰基是否全部变成羟基，无羰基，反应结束。加入200mL实施例二制备的固定化α-淀粉酶，升温至85 ℃，在摇床上震荡1小时，过滤，回收固定淀粉酶的树脂，得水解液；调节水解液体系pH4.5，在水解液中加入100mL实施例三制备的固定化糖化酶，在55 ℃下，用摇床震荡糖化12 h，过滤，回收固定糖化酶的树脂，得糖化液；调节糖化液体系pH4.3，分别加入10 g的酵母粉，在35 ℃的水浴中发酵2d得到含有钠离子的葡萄糖醛酸水溶液。过滤，让葡萄糖醛酸水溶液过强酸性阳离子交换树脂，去除其中的钠离子，钠离子除完全后，减压蒸馏，得葡萄糖醒酸的浓缩液180g。加入1800 mL冰醋醋和1800 mL醋酸酐，将其置于在48℃的水浴温度下揽拌反应2 h，再在50℃的水浴中减压蒸馏，静置结晶24 h，过滤分离出母液和葡醛内酯粗品。将葡醛内酯粗品溶在水中，加入1%活性炭脱色过滤，加入乙酸，析出晶体，干燥，得葡醛内酯产品，重量为98.58g，收率为65.72%。
实验证明，固定后的水解酶和固定后的糖化酶循环使用3次对制备葡醛酸水溶液的纯度、收率、质量没有任何影响，之后每次再使用收率会有10~15%的减少。
实施例五：
称取450g羧基含量高于20%且羰基含量低于8%的氧化淀粉的水溶液（如实施例一制备），降低温度至0到5℃，加入适量硼氢化钠，跟踪监测氧化淀粉的羰基是否全部变成羟基，无羰基，反应结束；加入220mL实施例二制备的固定化α-淀粉酶，升温至85 ℃，在摇床上震荡1小时，过滤，回收固定淀粉酶的树脂，得水解液；调节水解液体系pH4.5，在水解液中加入100mL实施例三制备的固定化糖化酶，在55 ℃下，用摇床震荡糖化20 h，过滤，回收固定糖化酶的树脂，得糖化液；调节糖化液体系pH4.3，分别加入15 g的酵母粉，在30 ℃的水浴中发酵2d得到含有钠离子的葡萄糖醛酸水溶液。过滤，让葡萄糖醛酸水溶液过强酸性阳离子交换树脂，去除其中的钠离子，钠离子除完全后，减压蒸馏，得葡萄糖醒酸的浓缩液175g。加入1800mL冰醋醋和1800 mL醋酸酐，将其置于在48℃的水浴温度下揽拌反应3h，再在50℃的水浴中减压蒸馏，静置结晶24 h，过滤分离出母液和葡醛内酯粗品。将葡醛内酯粗品溶在水中，加入1%活性炭脱色过滤，加入乙酸，析出晶体，干燥，得葡醛内酯产品，重量为102.63g，收率为68.42%。
实验证明，固定后的水解酶和固定后的糖化酶循环使用3次对制备葡醛酸水溶液的纯度、收率、质量没有任何影响，之后每次再使用收率会有10~15%的减少。
实施例六：
称取450g羧基含量高于20%且羰基含量低于8%的氧化淀粉的水溶液（如实施例一制备），降低温度至0到5℃，加入适量硼氢化钠，跟踪监测氧化淀粉的羰基是否全部变成羟基，无羰基，反应结束；加入220mL实施例二制备的固定化α-淀粉酶，升温至85 ℃，在摇床上震荡1小时，过滤，回收固定淀粉酶的树脂，得水解液；调节水解液体系pH4.5，在水解液中加入150mL实施例三制备的固定化糖化酶，在55 ℃下，用摇床震荡糖化12 h，过滤，回收固定糖化酶的树脂，得糖化液；调节糖化液体系pH4.3，分别加入15 g的酵母粉，在30 ℃的水浴中发酵2d得到含有钠离子的葡萄糖醛酸水溶液。过滤，让葡萄糖醛酸水溶液过强酸性阳离子交换树脂，去除其中的钠离子，钠离子除完全后，减压蒸馏，得葡萄糖醒酸的浓缩液175g。加入1500mL冰醋醋和2400 mL醋酸酐，将其置于在48℃的水浴温度下揽拌反应3 h，再在50℃的水浴中减压蒸馏，静置结晶24 h，过滤分离出母液和葡醛内酯粗品。将葡醛内酯粗品溶在水中，加入1%活性炭脱色过滤，加入乙酸，析出晶体，干燥，得葡醛内酯产品，重量为104.74g，收率为69.83%。
实验证明，固定后的水解酶和固定后的糖化酶循环使用3次对制备葡醛酸水溶液的纯度、收率、质量没有任何影响，之后每次再使用收率会有10~15%的减少。
Claims (8)
1.一种葡醛内酯制备方法，包括：
1）制备高质量氧化淀粉
a. 在20-35℃的水基淀粉悬浮液中加入氧化催化剂，控制悬浮液为弱碱性状态，向悬浮液中通入臭氧，将淀粉中的伯羟基全部氧化；所述的氧化催化剂制备方法如下：20%的磷钼酸水溶液与TS-1分子筛以4~8:1的质量比混合后，40-60℃下搅拌3-5小时，真空干燥后280℃-380℃煅烧2-3小时；
b.将a所得氧化后悬浮液去除氧化催化剂后，再经醇析、过滤、干燥得到羧基含量高于24%且羰基含量低于5%的氧化淀粉；
用还原剂将羧基含量高于24%且羰基含量低于5%的氧化淀粉中的羰基还原成羟基，得到高质量氧化淀粉；
2）用固定化淀粉酶水解1）所得高质量氧化淀粉，得到水解液；再用固定化糖化酶糖化所述水解液，得到糖化液；
3）将2）所得糖化液用酵母菌发酵，得到乙醇和葡萄糖醛酸水溶液；
4）除去3）所得葡萄糖醛酸水溶液中的钠离子，再加入醋酸和醋酸酐的混合物脱水酯化，结晶后得到葡醛内酯粗品，所述葡醛内酯粗品经精制得到葡醛内酯精品。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于：1）所述的还原剂选自硼氢化钠或氢气。
3.权利要求1所述的方法，其特征在于：1）所述的还原剂为硼氢化钠。
4.权利要求1所述的方法，其特征在于：2）所述的固定化淀粉酶是离子交换树脂固定化α-淀粉酶；所述的固定化糖化酶是离子交换树脂固定化糖化酶。
5.权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的离子交换树脂固定化α-淀粉酶是以D380树脂为载体，将α-淀粉酶通过吸附-交联方式固定得到的固定化淀粉酶；所述的离子交换树脂固定化糖化酶是以D380树脂为载体，将糖化酶通过吸附-交联方式固定得到的固定化糖化酶。
6.权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的离子交换树脂固定化α-淀粉酶制备方法以D380树脂为载体、以戊二醛为交联剂，具体步骤如下：
（1）D380离子交换树脂先用蒸馏水浸泡胀润、去杂，然后用HCl、NaOH交替处理，最后用蒸馏水冲洗至中性，置于4℃冰箱保存备用；
（2）在蒸馏水中加入α-淀粉酶，配制成20g/L的α-淀粉酶水溶液；
（3）取经步骤（1）处理的200mL D380树脂为载体，加入1L步骤（2）制备的20g/L浓度α-淀粉酶溶液，调节酶液pH值5.8，在20～25℃，摇床上100r/min振摇下吸附10～14h，然后加入1.2mL戊二醛溶液，于20℃交联8～10h，过滤，得到固定化淀粉酶，加入200g水来洗没有被树脂吸附的游离淀粉酶，在摇床震荡5分钟，洗游离淀粉酶重复三次，母液继续套用，可以获得的固定化酶活力为145U/g载体。
7.权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的离子交换树脂固定化糖化酶制备方法以D380树脂为载体、以戊二醛为交联剂，具体步骤如下：
①D380离子交换树脂先用蒸馏水浸泡胀润、去杂，然后用HCl、NaOH交替处理，最后用蒸馏水冲洗至中性，置于4℃冰箱保存备用；
②在蒸馏水中加入糖化酶，配制成20g/L的糖化酶水溶液；
③取经步骤①处理的200mL D380树脂为载体，加入1L步骤②制备的20g/L浓度糖化酶溶液，调节酶液pH值6.5，在25～30℃，摇床上100r/min振摇下吸附12～16h，然后加入1.2mL戊二醛溶液，于25℃交联6～8h，过滤，得到固定化糖化酶，加入200g水来洗没有被树脂吸附的游离糖化酶，在摇床震荡5分钟，洗游离糖化酶重复三次，母液继续套用，可以获得的固定化酶活力为185U/g载体。
8.权利要求1所述的方法，其特征在于：4）所述的去除3）所得葡萄糖醛酸水溶液中的钠离子，是通过将葡萄糖醛酸水溶液过强酸性阳离子交换树脂完成。
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