CN117304239A - 一种d-阿洛酮糖的提纯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阿洛酮糖反应液的提纯方法，具体步骤如下：(1)将通过D‑阿洛酮糖3‑差向异构酶的催化果糖生成的阿洛酮糖反应液经超滤膜过滤澄清，获得超滤清液；(2)将超滤膜清液送入纳滤系统进行脱色，获得纳滤清液；(3)再将纳滤清液送入树脂系统进行脱盐，获得脱盐料液；(4)再将脱盐后料液进行色谱分离提纯，获得纯净的阿洛酮糖溶液；(5)最后，将阿洛酮糖溶液浓缩、结晶或干燥，获得阿洛酮糖成品。本发明的优点在于：使用“膜+树脂”法提纯工艺，工序短，可有效提高生产效率，减少人工成本，而且还提高了产品的品质和收率。此外，该系统占地面积小，自动化程度高，运行成本低，可降低蒸发能耗，并且可CIP清洗，再生性能好，使用寿命长，实现了D‑阿洛酮糖的绿色、环保、节能生产。

Description

一种D-阿洛酮糖的提纯方法

技术领域

本发明涉及一种阿洛酮糖反应液的提纯方法，属于食品原料加工领域。

背景技术

D-阿洛酮糖(D-psicose，D-ribo-2-hexolose；分子量，180；分子式，C6H12O6)是果糖的一种差向异构体，在自然界存在但含量极少的一种单糖。D-阿洛酮糖作为一款新型甜味剂，其甜度约为蔗糖的70％，热量仅为蔗糖的0.3％。与其他天然甜味剂相比，D-阿洛酮糖的热值明显偏低，与蔗糖相比，D-阿洛酮糖可同等程度的满足消费者对甜味的味觉需求，其甜味温和，且甜度不随温度变化而变化，是一款蔗糖的理想替代品。同时，阿洛酮糖具有保护神经、降血糖、降血脂、减肥等多种生理功能，并且能够在一定程度上改善食品风味、外观等，延长食品的保存期限。因此，阿洛酮糖的开发与生产得到了越来越多的关注。

D-阿洛酮糖的制备主要有生物转化法和化学合成法。D-阿洛酮糖的化学合成主要是以葡萄糖为原料，钼酸盐为催化剂，经化学催化、色谱分离提纯、浓缩结晶等工序制备结晶的D-阿洛酮糖。化学合成法存在成本高，操作危险，工艺难度大，纯化复杂，收率低，易造成环境污染等缺点，因此不适合作为工业化生产方式。所以，目前D-阿洛酮糖主要通过生物转化法制备。生物转化法以葡萄糖、果糖为底物，通过酶促反应生成阿洛酮糖。阿洛酮糖反应液的提纯主要方式是板框过滤或离心机离心、然后活性炭脱色、离交脱盐、色谱分离提纯，再浓缩结晶。该提纯方法的缺点是板框过滤的自动化程度低，人工成本高，且板框处理后的滤液杂质仍较多，最终产品纯度低。鉴于此，依然有待于找出一种新的阿洛酮糖提纯方法。

发明内容

本发明提供一种绿色、高效、节能的阿洛酮糖反应液提纯方法，通过膜与树脂集成工艺提纯阿洛酮糖，工序短，生产效率高，自动化程度高，运行成本低，而且膜过滤精度高，能有效提高了产品的品质和收率。此外，该系统占地面积小，可CIP清洗，再生性能好，使用寿命长。

一种阿洛酮糖反应液的提纯方法，包括如下步骤：

第1步，将通过D-阿洛酮糖3-差向异构酶的催化果糖生成的阿洛酮糖反应液经超滤膜过滤澄清，获得超滤膜清液；

第2步，将超滤膜清液送入纳滤膜进行脱色，获得纳滤膜清液；

第3步，再将纳滤膜清膜液送入树脂系统进行脱盐，获得脱盐料液；

第4步，再将脱盐料液进行色谱分离提纯，获得纯净的阿洛酮糖溶液；

第5步，再将阿洛酮糖溶液浓缩、结晶、干燥，获得阿洛酮糖成品。

所述的D-阿洛酮糖3-差向异构酶是通过枯草芽孢杆菌发酵、离心、破壁制备的混合液。

所述超滤膜采用有机膜或者陶瓷膜；有机膜的截留分子量为1.5KD-1000KD，优选膜截留分子量5KD-500KD，膜过滤过程的料液温度为5-45℃，压力为0.1-1.0Mpa，膜面流速为2-5m/s，浓缩倍数1～30倍；陶瓷膜的孔径为1-1200nm，优选膜孔径4-200nm，更优选4-10nm，陶瓷膜过滤过程的料液温度为5-80℃，压力为0.1-0.5Mpa，膜面流速为2-5m/s，浓缩倍数1～30倍。

超滤膜过滤澄清中，后期需要补水对超滤浓缩液进行渗析，所述的渗析操作中，加水量是原液量的0.1～1倍。

所述的纳滤膜为陶瓷材质或有机材质的纳滤膜，其截留分子量为150～1500Da，过滤压力为0.4-4.0Mpa。

纳滤膜进行脱色后期需要补水对纳滤浓缩液进行渗析，所述的渗析操作中，加水量是原液量的0.1～3倍。

第2步中，当纳滤膜的阿洛酮糖透过率下降至设定阈值时，停止脱色。

所述的透过率通过如下步骤进行预测计算得到：

步骤1，获得纳滤过程通量随时间变化的数值，并以通量对时间求导数，以导数作为通量衰减率，当通量衰减率下降至初始时的阈值时，将该时间节点定义为第一阶段和第二阶段脱色的转折点时间；

步骤2，对于第一阶段，采用T₁％＝a×t+b对于透过率和过滤时间进行拟合，获得第一阶段的透过率随时间变化关系；其中，T₁是指第一阶段透过率，t是指时间，a/b为参数；

对于第二阶段，采用T2％＝e^{(m+n×t2+p×t2^2)}-q×P^1.5-s×L对于透过率和过滤时间进行拟合，获得第二阶段的透过率随时间变化关系；其中m/n/p/q/s为参数，L是指超滤清液透光率，P是操作压力；

步骤3，在进行过滤时，根据拟合得到的曲线进行透过率的计算。

树脂系统采用阴离子交换树脂和/或阴离子交换树脂，控制流速为3-5Bv/h，温度30-60℃，树脂脱盐后料液透光率≥99％。

所述的色谱分离步骤如下：采用的色谱类型是钙系凝胶型阳离子交换树脂，色谱运行压力0.20～0.30MPa，温度60～70℃，水耗比1:(1.3～1.6)。

第5步中的浓缩先用有机膜将糖液浓缩至30％的锤度，后再用蒸发浓缩至70％-85％锤度。

所述的结晶反应条件为：温度50～70℃，添加溶质质量10～30％的晶种，搅拌均匀，于50～70℃静置8～16小时，随后按照3～6h降1℃的速率缓慢降温，同时缓慢搅拌，直至溶液中形成大量均匀、规则的晶粒，分离，制得D-阿洛酮糖。

所述的干燥为喷雾干燥，步骤如下：浓缩后的糖液进入到干燥塔中，进风温度130～150℃，启动雾化器，液体经喷雾干燥为粉末状固体。

有益效果

本发明提供的一种阿洛酮糖反应液的提纯方法，通过膜与树脂集成工艺生产，该工艺工序短，设备紧凑，占地面积小；膜过滤精度高，树脂分离效果好，有效提高产品的品质和收率；设备自动化程度高，人工成本低，可降低蒸发能耗，运行成本低，可有效提高生产效率；而且可CIP清洗，再生性能好，使用寿命长，实现了D-阿洛酮糖的绿色、环保、节能生产。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是对D-阿洛酮糖透过率预测过程的曲线图。

具体实施方式

实施例1

取反应完成后的阿洛酮糖反应液200L，将其送入8nm陶瓷膜进行过滤，过滤的温度25-55℃，过滤压力为0.25Mpa，浓缩至20倍后，开始加入软化水洗滤，加水量为30L，最后分别得到超滤和超滤浓缩液。超滤渗透液通过纳滤浓缩，纳滤膜采用陶瓷纳滤膜，其孔径4nm，工作压力2.5Mpa，进行脱色处理，当纳滤膜中的D-阿洛酮糖透过率下降至80％时，停止脱色处理并进行纳滤膜清洗，最后得到纳滤渗透液和纳滤浓缩液。纳滤膜清液以3-5Bv/h的流速，在45℃依次通过LX-160型阳离子交换树脂和D-354型阴离子交换树脂进行脱盐；脱盐后料液进行色谱(DOWEX310 Ca)分离，运行压力0.20MPa，温度65℃，水耗比1:1.2，每小时进料2m³，收集40-60min洗脱时间中的料液，获得高纯度阿洛酮糖；浓缩采用四效降膜蒸发器，真空度为0.06Mpa，料液温度85℃，浓缩至70％-85％的浓度；浓缩后的糖液进入到干燥塔中，进风温度150℃，启动雾化器，液体经喷雾干燥，制得D-阿洛酮糖成品。

实施例2

取反应完成后的阿洛酮糖反应液200L，将其送入10KD卷式膜进行过滤，过滤的温度25-45℃，过滤压力为5.0Mpa，浓缩至20倍后，开始加入软化水洗滤，加水量为30L，最后分别得到超滤渗透液和超滤浓缩液。超滤渗透液通过纳滤浓缩，纳滤膜采用陶瓷纳滤膜，其孔径范围4-5nm，工作压力2.5MPa，进行脱色处理，当纳滤膜中的D-阿洛酮糖透过率下降至80％时，停止脱色处理并进行纳滤膜清洗，最后得到纳滤渗透液和纳滤浓缩液。纳滤膜清液以3-5Bv/h的流速，在45℃依次通过LX-160型阳离子交换树脂和D-354型阴离子交换树脂进行脱盐；脱盐后料液进行色谱(DOWEX310 Ca)分离，运行压力0.20MPa，温度65℃，水耗比1:1.2，每小时进料2m³，收集40-60min洗脱时间中的料液，获得高纯度阿洛酮糖；浓缩采用四效降膜蒸发器，真空度为0.06Mpa，料液温度85℃，浓缩至70％-85％的浓度；浓缩后的糖液进入到干燥塔中，进风温度150℃，启动雾化器，液体经喷雾干燥，制得D-阿洛酮糖成品。

以上过程中，物料主要测试指标及参数如下表所示：

上述过程中，反应液中的D-果糖和D-阿洛酮糖在纳滤膜的高压条件下渗透时，原料液中的胶体和色素成分逐渐形成凝胶沉积层，使D-阿洛酮糖的透过率在存在凝胶层时逐渐发生下降，使收率下降以及纳滤膜的不可逆污染，通过采用构建透过率变化曲线，控制纳滤脱色时间。在进行纳滤脱色时，纳滤膜的通量会先发生快速下降，这一过程中在膜的表面初步生成有机物截留层，当通量下降趋势减缓时，有机物层基本形成，继续进行脱色时，在较高压力作用下有机物层逐渐致密，使D-阿洛酮糖下降。首先，通过确定出有机物层的基本形成时间，通过对通量曲线进行对时间求导(若采样间隔较大时，可以采用样条插值获得中间数据点)，当下降率为初始下降率的15％时，认为已经形成有机物层，第一阶段的透过率下降较为缓慢，基本为随时间的线性关系，T₁％＝a×t+b(t<T_e)，其中T₁是指第一阶段透过率，t是指时间，T_e是指第一/第二阶段切换时间节点，a/b为参数；接下来，纳滤压力以及初始料液的透光率为主要的影响因素，透光率越低代表越容易形成凝胶层，压力越高代表越容易形成凝胶层，取T2％＝e^{(m+n×t2+p×t2^2)}-q×P^1.5-s×L其中m/n/p/q/s为参数，L是指超滤清液透光率，P是操作压力；

基于以上方法，获得第一阶段和第二阶段的方程参数分别为：R2分别为0.99589/0.95742。a＝-0.05193；b＝100.00117；m＝4.58076；n＝-7.19512E-5；p＝-1.20218E-6；q＝1.41785E-3；s＝4.29444E-3；第一和第二阶段的模型曲线和实验值分别如图2中的左右所示。

在L＝75(百分数)，P＝2Mpa条件下进行纳滤处理，根据上式计算得到不同时间段的透过率，取5个实验值(50/150/200/250/300min)与真实值进行对比，如下：

可见，本专利的方法可以有效的预测纳滤膜在进行脱色过程中D-阿洛酮糖的透过率情况，误差在5％以内，因此可以在处理过程对纳滤过程进行实验监测，当透过率下降至设定值时，可以停止脱色并进入到纳滤膜清洗过程中。

Claims (10)

1.一种阿洛酮糖反应液的提纯方法，其特征在于，包括如下步骤：

第1步，将通过D-阿洛酮糖3-差向异构酶的催化果糖生成的阿洛酮糖反应液经超滤膜过滤澄清，获得超滤膜清液；

第2步，将超滤膜清液送入纳滤膜进行脱色，获得纳滤膜清液；

第3步，再将纳滤膜清膜液送入树脂系统进行脱盐，获得脱盐料液；

第4步，再将脱盐料液进行色谱分离提纯，获得纯净的阿洛酮糖溶液；

第5步，再将阿洛酮糖溶液浓缩、结晶、干燥，获得阿洛酮糖成品。

2.根据权利要求1所述的阿洛酮糖反应液的提纯方法，其特征在于，所述的D-阿洛酮糖3-差向异构酶是通过枯草芽孢杆菌发酵、离心、破壁制备的混合液。

3.根据权利要求1所述的阿洛酮糖反应液的提纯方法，其特征在于，所述超滤膜采用有机膜或者陶瓷膜；有机膜的截留分子量为1.5KD-1000KD，优选膜截留分子量5KD-500KD，膜过滤过程的料液温度为5-45℃，压力为0.1-1.0Mpa，膜面流速为2-5m/s，浓缩倍数1～30倍；陶瓷膜的孔径为1-1200nm，优选膜孔径4-200nm，更优选4-10nm，陶瓷膜过滤过程的料液温度为5-80℃，压力为0.1-0.5Mpa，膜面流速为2-5m/s，浓缩倍数1～30倍。

4.根据权利要求1所述的阿洛酮糖反应液的提纯方法，其特征在于，超滤膜过滤澄清中，后期需要补水对超滤浓缩液进行渗析，所述的渗析操作中，加水量是原液量的0.1～1倍。

5.根据权利要求1所述的阿洛酮糖反应液的提纯方法，其特征在于，所述的纳滤膜为陶瓷材质或有机材质的纳滤膜，其截留分子量为150～1500Da，过滤压力为0.4-4.0Mpa。

6.根据权利要求1所述的阿洛酮糖反应液的提纯方法，其特征在于，纳滤膜进行脱色后期需要补水对纳滤浓缩液进行渗析，所述的渗析操作中，加水量是原液量的0.1～3倍。

7.根据权利要求1所述的阿洛酮糖反应液的提纯方法，其特征在于，第2步中，当纳滤膜的阿洛酮糖透过率下降至设定阈值时，停止脱色。

8.根据权利要求7所述的阿洛酮糖反应液的提纯方法，其特征在于，所述的透过率通过如下步骤进行预测计算得到：

步骤1，获得纳滤过程通量随时间变化的数值，并以通量对时间求导数，以导数作为通量衰减率，当通量衰减率下降至初始时的阈值时，将该时间节点定义为第一阶段和第二阶段脱色的转折点时间；

步骤2，对于第一阶段，采用T₁％＝a×t+b对于透过率和过滤时间进行拟合，获得第一阶段的透过率随时间变化关系；其中，T₁是指第一阶段透过率，t是指时间，a/b为参数；对于第二阶段，采用T2％＝e^{(m+n×t2+p×t2^2)}-q×P^1.5-s×L对于透过率和过滤时间进行拟合，获得第二阶段的透过率随时间变化关系；其中m/n/p/q/s为参数，L是指超滤清液透光率，P是操作压力；

步骤3，在进行过滤时，根据拟合得到的曲线进行透过率的计算。

9.根据权利要求1所述的阿洛酮糖反应液的提纯方法，其特征在于，树脂系统采用阴离子交换树脂和/或阴离子交换树脂，控制流速为3-5Bv/h，温度30-60℃，树脂脱盐后料液透光率≥99％。

10.根据权利要求1所述的阿洛酮糖反应液的提纯方法，其特征在于，所述的色谱分离步骤如下：采用的色谱类型是钙系凝胶型阳离子交换树脂，色谱运行压力0.20～0.30MPa，温度60～70℃，水耗比1:(1.3～1.6)；

第5步中的浓缩先用有机膜将糖液浓缩至30％的锤度，后再用蒸发浓缩至70％-85％锤度；所述的结晶反应条件为：温度50～70℃，添加溶质质量10～30％的晶种，搅拌均匀，于50～70℃静置8～16小时，随后按照3～6h降1℃的速率缓慢降温，同时缓慢搅拌，直至溶液中形成大量均匀、规则的晶粒，分离，制得D-阿洛酮糖；

所述的干燥为喷雾干燥，步骤如下：浓缩后的糖液进入到干燥塔中，进风温度130～150℃，启动雾化器，液体经喷雾干燥为粉末状固体。