CN117285576A - 一种葡萄糖醛酸内酯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种葡萄糖醛酸内酯及其制备方法，属于精细化工品制备技术领域。该方法以玉米浸泡液或米糠酸浸液中提取的植酸钾为原料，水解后得到肌醇和磷酸二氢钾，水解液通过色谱分离，盐相浓缩结晶得到磷酸二氢钾，物料相为肌醇溶液。利用发酵得到酶液进行酶促转化反应，得葡萄糖醛酸料液，浓缩酯化得到葡醛内酯，再经浓缩、精制、结晶制得。该方法中植酸钾至中间品肌醇收率大于95%，肌醇酶促转化为葡醛酸的摩尔转化率大于95%，总收率大于89%，远高于传统收率，得到的葡醛内酯含量大于99.2%。通过酶通过转化中间产物肌醇制取葡醛内酯，副产具有较高经济价值的磷酸二氢钾成品，整体具有较好的经济效益，可以实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于精细化工品制备技术领域，具体涉及一种葡萄糖醛酸内酯及其制备方法。
背景技术
葡萄糖醛酸内酯，简称葡醛内酯，别名：D-葡萄糖醛酸内酯；D-葡萄糖醛酸-γ-内酯；D-葡糖醛酸-6,3-内酯。英文名称：Glucuronolactone。
化学结构式如下：
葡醛内酯主要作用是增强肝脏的解毒功能，恢复或改善大脑机能，调节免疫功能，具有滋养皮肤、延缓衰老、改善缺氧、消除疲劳以及增强各类器官功能的控制，协调能力等作用。主要用于医药、日化、食品和饲料添加剂领域。
葡醛内酯传统生产方式为淀粉氧化水解法，以淀粉为原料，加入发烟硝酸，将淀粉氧化生成氧化淀粉，氧化液稀释后加酸调pH值，再加温水解，水解后得到葡醛酸，水解液浓缩，加入醋酸或醋酸酐内酯化，然后结晶75小时左右得葡萄糖醛酸内酯粗品，粗品纯度为80-90%，粗品溶解后加入活性炭脱色，重结晶等一系列过程得到葡萄糖醛酸内酯产品，含量在99%以上，收率为10%左右，相当于每10吨淀粉才得到1吨葡萄糖醛酸内酯，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，造成最终葡萄糖醛酸内酯收率降低。该生产方法还大量消耗硝酸，副产物多，产生大量的二氧化氮，污染环境，同时生产过程中安全风险较高。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种葡萄糖醛酸内酯的制备方法，该方法以玉米浸泡液或米糠酸浸液中提取的植酸钾为原料，水解后得到肌醇和磷酸二氢钾，水解液通过色谱分离，盐相浓缩结晶得到磷酸二氢钾，物料相为肌醇溶液。然后通过利用发酵工序得到的酶液进行酶促转化反应，得到葡醛酸料液，葡醛酸料液浓缩后加入乙酸酯化得到葡醛内酯，再经浓缩、精制、结晶制得。该方法中植酸钾至中间品肌醇收率大于95%，肌醇酶促转化为葡醛酸的摩尔转化率大于95%，总收率大于89%，远高于传统淀粉氧化水解法10%的收率，得到的葡醛内酯含量大于99.2%，产品指标符合中国药典标准要求。
本发明的第二目的在于提供一种葡萄糖醛酸内酯的制备方法，该方法通过酶通过转化中间产物肌醇制取葡醛内酯，具有变废为宝、循环经济、环境友好、收率高、以及安全生产的优势，在生产葡醛内酯的同时，副产具有较高经济价值的磷酸二氢钾成品，整体具有较好的经济效益，可以实现工业化生产。
本发明通过以下技术方案实现：
一种葡萄糖醛酸内酯的制备方法，包括如下步骤：
S1、选取玉米浸泡液或米糠酸浸液中提取的植酸钾溶液作为原料制备得到的磷酸二氢钾料液和肌醇料液，对所述肌醇料液减压浓缩至肌醇质量分数达到9.5 wt%-12.2 wt%后，置于转化装置中进行酶促转化反应，获得含有葡萄糖醛酸的转化液；
S2、将所述含有葡萄糖醛酸的转化液进行陶瓷膜过滤，获得清液和重液；
在所述重液中加入去离子进行洗涤后，获得重液中葡萄糖醛酸质量分数不高于0.5wt%；
在所述清液中加入乙酸，采用旋转蒸发仪进行真空减压浓缩至原体积的20%-25%时，停止浓缩；然后将浓缩液采用8℃-10℃冷水降温至0-15℃进行结晶、抽滤、干燥，获得葡萄糖醛酸内酯成品。
作为优选地，所述S1中，酶促转化反应流程为：
a采用30L发酵罐，加入培养基并灭菌，接入重组工程菌进行发酵培养，获得发酵液18-20L，发酵结束，放罐OD600值在100-120；
b将发酵液进行陶瓷膜过滤获得清液和重液，过滤时控制物料温度在35℃以下，进料压力0.3-0.5Mpa；
当重液体积降至8-10L时，加入10-20L的生理盐水对菌体进行洗涤，洗涤完成后停机收集重液，重液体积8-10L，重液OD600值在200-240；
c重液经-5℃冷冻或加入破壁剂进行破壁处理，获得含有肌醇氧化酶的酶液；酶液在8-10℃条件下保存；所述破壁剂采用十六烷基三甲基溴化铵；
d将酶液按70-100 OD/mL的添加比例接到肌醇溶液中，控制温度在35-37℃，搅拌转速在100-200rpm，通入空气进行酶促转化，肌醇至葡萄糖醛酸的摩尔转化率＞95%，转化中葡萄糖醛酸浓度为9.0%-11.5%；
酶促转化反应方程式：
。
作为优选地，所述S1中，陶瓷膜过滤过程中，控制进料压力在0.3-0.5Mpa；
在所述重液中加入的去离子体积比为1:2-4；
所述清液中加入乙酸的体积比为4wt%-7wt%；
所述真空减压浓缩温度为50-80℃，真空度为大于-0.09Mpa；
所述浓缩液采用冰水降温时，降温梯度为5-10℃/h；
所述清液中加入乙酸的反应方程式：
。
作为优选地，所述玉米浸泡液或米糠酸浸液中提取的植酸钾溶液作为原料制备得到的磷酸二氢钾料液和肌醇料液的流程为：
A、原料水解：
选取玉米浸泡液或米糠酸浸液中提取的植酸钾溶液作为原料，进行升温水解处理，获得混合母液；
所述混合母液包括质量分数为2.4 wt%-3.07wt%肌醇和质量分数为11.16wt%-13.95wt%磷酸二氢钾混合母液；
B、脱色并减压浓缩：
对混合母液采用活性炭搅拌脱色后，先进行浓缩、再降温结晶、离心后，获得磷酸二氢钾晶体和离心母液；
所述离心母液包括质量分数为3.5wt%-3.8wt%肌醇和质量分数为11.0 wt%-14wt%磷酸二氢钾混合母液；
C、色谱柱分离：
对离心母液进行色谱柱分离后，分别获得磷酸二氢钾料液和肌醇料液。
上述原料水解步骤中，主要目的是将植酸钾溶液在一定温度下保温水解，将植酸钾分子链切断，得到肌醇和磷酸二氢钾。该步骤反应方程式如下：
。
作为优选地，所述原料水解中，植酸钾溶液中含有的植酸钾的质量分数为12wt%-16 wt%，pH值为4.2-4.5；
所述升温水解处理流程为：升温至155-160℃后，保温水解8-10h。
作为优选地，所述脱色并减压浓缩中，所述混合母液与活性炭的混合质量分数比为1:0.3wt%-0.5 wt%；
所述活性炭搅拌脱色时长为40-60min；
所述浓缩结晶至料液比重为1.38-1.4时，获得一部分磷酸二氢钾晶体；之后降温至不高于30℃、离心，获得另一部分磷酸二氢钾晶体，与之前的晶体混合；
所述磷酸二氢钾晶体中肌醇的质量分数不大于0.2wt%。
作为优选地，所述色谱柱分离中，对所述磷酸二氢钾料液浓缩结晶获得磷酸二氢钾晶体，与B中的磷酸二氢钾晶体混合、烘干，获得磷酸二氢钾成品；
所述采用钾型树脂的色谱柱进行分离；
所述磷酸二氢钾料液中磷酸二氢钾的质量浓度为16 wt%-19wt%。
作为优选地，所述色谱柱分离中，所述肌醇料液中肌醇的质量浓度不大于0.2wt%，纯度不小于93%。
作为优选地，所述肌醇料液中肌醇的质量浓度为2.8 wt%-3.2 wt%，纯度为95%-97%。
一种葡萄糖醛酸内酯，采用所述的制备方法获得。
与现有技术相比，本发明至少具有如下技术效果：
（一）本发明提供了一种葡萄糖醛酸内酯的制备方法，该方法以玉米浸泡液或米糠酸浸液中提取的植酸钾为原料，水解后得到肌醇和磷酸二氢钾，水解液通过色谱分离，盐相浓缩结晶得到磷酸二氢钾，物料相为肌醇溶液。然后通过利用发酵工序得到的酶液进行酶促转化反应，得到葡萄糖醛酸料液，葡萄糖醛酸料液浓缩时加入乙酸酯化得到葡醛内酯，再经浓缩、精制、结晶制得。该方法中植酸钾至中间品肌醇收率大于95%，肌醇酶促转化为葡醛酸的摩尔转化率大于95%，总收率大于89%，远高于传统淀粉氧化水解法10%的收率，得到的葡醛内酯含量大于99.2%。
（二）该方法通过酶转化中间产物肌醇制取葡醛内酯，具有循环经济、变废为宝、环境友好、收率高、以及安全生产的优势，在生产葡醛内酯的同时，副产具有较高经济价值的磷酸二氢钾成品，整体具有较好的经济效益，可以实现工业化生产。
附图说明
图1为肌醇酶促反应液液相检测图谱；
图2为葡醛内酯成品红外图谱与标准品红外图谱；
图3为葡醛内酯标准品红外图谱。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围，实施例中未注明的具体条件，按照常规条件或者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。
本发明的一种具体实施方式的技术方案为：
实施例1：以植酸钾为例进行处理
一种以植酸钾为原料生产葡醛内酯的方法，包括以下步骤：
1、用植酸钾原料自玉米浸泡液或米糠酸浸液中提取制的，为植酸六钾，pH至为4.2-4.5，浓度为12wt%-16 wt%；
2、将质量浓度为12 wt%-16 wt%的植酸钾溶液送入反应釜，加温至155-160℃，保温水解8-10小时，得到肌醇和磷酸二氢钾混合溶液，肌醇质量浓度为2.4 wt %-3.07 wt %，磷酸二氢钾含量为11.16 wt %-13.95 wt %，水解率大于99%。
反应方程式：
。
3、水解液加入质量浓度为1：0.3 wt %-0.5 wt %活性炭搅拌脱色，脱色时间控制40-60分钟。脱色结束使用自洁式过滤机过滤，去除活性炭和悬浮杂质。
4、脱色液减压浓缩，浓缩至比重1.38-1.4出料至结晶罐，降温结晶，由于浓缩液中磷酸二氢钾浓度远大于肌醇浓度，此步结晶的结晶物主要是磷酸二氢钾，料液温度降至30℃以下，离心分离得到磷酸二氢钾晶体，磷酸二氢钾中肌醇质量浓度小于0.2 wt %。离心母液为肌醇和磷酸二氢钾的混合溶液，溶液肌醇质量浓度3.5 wt %-3.8 wt %，磷酸二氢钾质量浓度11.0 wt %-14 wt %。
5、离心母液使用钾型树脂的色谱柱进行分离，得到物料相肌醇料液和盐相磷酸二氢钾料液。肌醇料液肌醇质量浓度2.8 wt %-3.2 wt %，纯度95%-97%。磷酸二氢钾料液中磷酸二氢钾质量浓度16 wt %-19 wt %，肌醇质量浓度小于0.2%，纯度大于93%。
6、磷酸二氢钾料液浓缩结晶得到磷酸二氢钾晶体，和步骤4得到的磷酸二氢钾晶体合并烘干得到磷酸二氢钾成品。
7、肌醇料液减压浓缩，肌醇质量浓度达到9.5 wt%-12.2 wt%，出料至转化罐等待加入肌醇氧化酶进行酶促转化。
8、采用30L发酵罐，以碳源作为培养基，接入重组工程菌种进行发酵培养，获得发酵液18-20L，放罐0D600值在100-120。
9、将发酵液进行陶瓷膜过滤，过滤过程中控制物料温度在35℃以下，进料压力0.3-0.5MPa，当重液体积降至8-10L时，加入10-20L的生理盐水对菌体进行洗涤，洗涤完成后停机收集重液，重液体积8-10L。重液OD600值在200-240。将重液进行冻融处理或加入试剂CTAB破壁，使菌体内的酶释放出来，获得含有肌醇氧化酶的酶液。酶液在8-10℃条件下保存。
10、将酶液按70-100 OD/mL的添加比例接入到肌醇溶液中，控制温度在35-37℃，搅拌转速在100-200rpm，通入空气进行酶促转化，肌醇至葡萄糖醛酸的摩尔转化率＞95%，转化中葡萄糖醛酸质量浓度为9.0wt%-11.5 wt %。
反应方程式为
。
11、将含有葡萄糖醛酸的转化液进行陶瓷膜过滤，去除转化液中的不溶性杂质。膜过滤过程中，控制进料压力在0.3-0.5MPa。过滤至重液最小体积后，加重液体积2-4倍体积的去离子水洗涤重液，控制重液中葡萄糖醛酸含量在0.5 wt %以下。
12、在膜过滤清液中加入体积比例4 wt %-7 wt %的乙酸，然后采用旋转蒸发仪进行真空减压浓缩，控制浓缩温度在50-80℃，真空度＞-0.09MPa。浓缩过程中，葡萄糖醛酸内酯化生成葡醛内酯。
反应方程式为：
。
13、当浓缩至原体积的20-25%时，停止浓缩。将浓缩液采用冰水降温至0-15℃结晶，降温速率控制在5-10℃/h。结晶液抽滤、干燥，获得葡醛内酯成品。
如图1所示，为肌醇酶促反应液液相检测图谱。图谱表明，转化体系肌醇质量浓度为10.8wt%，转化后肌醇残留为0.349wt%，转化率为96.77%。
如图2所示，为葡醛内酯成品红外图谱与标准品红外图谱。
如图3所示，为葡醛内酯标准品红外图谱。
实验例：
实验组：以上述实施例1的方法制备得到。
结果一：实验组标准检测：
| 项目 | 标准要求 | 样品检测结果 |
| 性状 | 白色结晶粉末 | 白色结晶粉末 |
| 熔点 | 170.0-176.0℃ | 172.5-173.5℃ |
| 比旋度 | +18.0-20.0 | +18.6 |
| 干燥失重 | ≤0.5% | ＜0.10% |
| 重金属 | ≤10PPM | ＜10PPM |
| 含量 | 98.5%-102.0% | 100.1% |
结果二：实验组中各步骤处理收率核算统计表：
1、升温水解步骤的收率统计表：
2、肌醇水解液脱盐收率：
3、肌醇溶液酶转化葡醛内酯收率：
4、植酸钾至葡醛内酯总收率：
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。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 (10)
1.一种葡萄糖醛酸内酯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选取玉米浸泡液或米糠酸浸液中提取的植酸钾溶液作为原料制备得到的磷酸二氢钾料液和肌醇料液，对所述肌醇料液减压浓缩至肌醇质量分数达到9.5 wt%-12.2 wt%后，置于转化装置中进行酶促转化反应，获得含有葡萄糖醛酸的转化液；
S2、将所述含有葡萄糖醛酸的转化液进行陶瓷膜过滤，获得清液和重液；
在所述重液中加入去离子进行洗涤后，获得重液中葡萄糖醛酸质量分数不高于0.5wt%；
在所述清液中加入乙酸，采用旋转蒸发仪进行真空减压浓缩至原体积的20%-25%时，停止浓缩；然后将浓缩液采用8℃-10℃冷水降温至0-15℃进行结晶、抽滤、干燥，获得葡萄糖醛酸内酯成品。
2.根据权利要求1所述的一种葡萄糖醛酸内酯的制备方法，其特征在于，所述S1中，酶促转化反应流程为：
a 采用30L发酵罐，加入培养基并灭菌，接入重组工程菌进行发酵培养，获得发酵液18-20L，发酵结束，放罐OD600值在100-120；
b将发酵液进行陶瓷膜过滤获得清液和重液，过滤时控制物料温度在35℃以下，进料压力0.3-0.5Mpa；
当重液体积降至8-10L时，加入10-20L的生理盐水对菌体进行洗涤，洗涤完成后停机收集重液，重液体积8-10L，重液OD600值在200-240；
c重液经-5℃冷冻或加入破壁剂进行破壁处理，获得含有肌醇氧化酶的酶液；酶液在8-10℃条件下保存；所述破壁剂采用十六烷基三甲基溴化铵；
d将酶液按70-100 OD/mL的添加比例接到肌醇溶液中，控制温度在35-37℃，搅拌转速在100-200rpm，通入空气进行酶促转化，肌醇至葡萄糖醛酸的摩尔转化率＞95%，转化中葡萄糖醛酸浓度为9.0%-11.5%；
酶促转化反应方程式：
。
3.根据权利要求1所述的一种葡萄糖醛酸内酯的制备方法，其特征在于，所述S1中，陶瓷膜过滤过程中，控制进料压力在0.3-0.5Mpa；
在所述重液中加入的去离子体积比为1:2-4；
所述清液中加入乙酸的体积比为4wt%-7wt%；
所述真空减压浓缩温度为50-80℃，真空度为大于-0.09Mpa；
所述浓缩液采用冰水降温时，降温梯度为5-10℃/h；
所述清液中加入乙酸的反应方程式：
。
4.根据权利要求1所述的一种葡萄糖醛酸内酯的制备方法，其特征在于，所述玉米浸泡液或米糠酸浸液中提取的植酸钾溶液作为原料制备得到的磷酸二氢钾料液和肌醇料液的流程为：
A、原料水解：
选取玉米浸泡液或米糠酸浸液中提取的植酸钾溶液作为原料，进行升温水解处理，获得混合母液；
所述混合母液包括质量分数为2.4 wt%-3.07wt%肌醇和质量分数为11.16wt%-13.95wt%磷酸二氢钾混合母液；
B、脱色并减压浓缩：
对混合母液采用活性炭搅拌脱色后，先进行浓缩、再降温结晶、离心后，获得磷酸二氢钾晶体和离心母液；
所述离心母液包括质量分数为3.5wt%-3.8wt%肌醇和质量分数为11.0 wt%-14wt%磷酸二氢钾混合母液；
C、色谱柱分离：
对离心母液进行色谱柱分离后，分别获得磷酸二氢钾料液和肌醇料液。
5. 根据权利要求4所述的一种葡萄糖醛酸内酯的制备方法，其特征在于，所述原料水解中，植酸钾溶液中含有的植酸钾的质量分数为12wt%-16 wt%，pH值为4.2-4.5；
所述升温水解处理流程为：升温至155-160℃后，保温水解8-10h。
6. 根据权利要求4所述的一种葡萄糖醛酸内酯的制备方法，其特征在于，所述脱色并减压浓缩中，所述混合母液与活性炭的混合质量分数比为1:0.3wt%-0.5 wt%；
所述活性炭搅拌脱色时长为40-60min；
所述浓缩结晶至料液比重为1.38-1.4时，获得一部分磷酸二氢钾晶体；之后降温至不高于30℃、离心，获得另一部分磷酸二氢钾晶体，与之前的晶体混合；
所述磷酸二氢钾晶体中肌醇的质量分数不大于0.2wt%。
7.根据权利要求4所述的一种葡萄糖醛酸内酯的制备方法，其特征在于，所述色谱柱分离中，对所述磷酸二氢钾料液浓缩结晶获得磷酸二氢钾晶体，与B中的磷酸二氢钾晶体混合、烘干，获得磷酸二氢钾成品；
所述采用钾型树脂的色谱柱进行分离；
所述磷酸二氢钾料液中磷酸二氢钾的质量浓度为16 wt%-19wt%。
8.根据权利要求4所述的一种葡萄糖醛酸内酯的制备方法，其特征在于，所述色谱柱分离中，所述肌醇料液中肌醇的质量浓度不大于0.2wt%，纯度不小于93%。
9. 根据权利要求4所述的一种葡萄糖醛酸内酯的制备方法，其特征在于，所述肌醇料液中肌醇的质量浓度为2.8 wt%-3.2 wt%，纯度为95%-97%。
10.一种葡萄糖醛酸内酯，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的制备方法获得。
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