HU182758B - Process for preparing glucosone and if desired fructose therefrom - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya eljárás glukózon és abból adott esetben fruktóz előállítására, melynek során a glukózt enzimatikusan oxidáljuk, glukóz-2-oxidázzal. A találmány szerinti eljárást az jellemzi, hogy a glukóz-2-oxidázzal az enzimatikus oxidációt egy első zónában végezzük, a glukózon mellett képződött hidrogén-peroxidot egy féligáteresztő membránon keresztül egy második zónába vezetjük, a glukozont pedig az első zónában tartjuk, és kívánt esetben fruktózzá redukáljuk, a második zónába vezetett hidrogén-peroxiddal pedig egy álként oxidálunk és a két zóna között olyan membránt alkalmazunk, amely csupán a 100-nál kisebb molekulasúlyú vegyületeket ereszti át. -1-

Description

(57)

KIVONAT

A találmány tárgya eljárás glukózon és abból adott esetben fruktóz előállítására, melynek során a glukózt enzimatikusan oxidáljuk, glukóz-2-oxidázzal.

A találmány szerinti eljárást az jellemzi, hogy a glukóz-2-oxidázzal az enzimatikus oxidációt egy első zónában végezzük, a glukózon mellett képződött hidrogén-peroxidot egy féligáteresztő membránon keresztül egy második zónába vezetjük, a glukozont pedig az első zónában tartjuk, és kívánt esetben fruktózzá redukáljuk, a második zónába vezetett hidrogén-peroxiddal pedig egy álként oxidálunk és a két zóna között olyan membránt alkalmazunk, amely csupán a 100-nál kisebb molekulasúlyú vegyületeket ereszti át.

-1182.758

Λ találmány tárgya uj eljárás glukózon, közelebbről olyan glukózon előállítására, amelyből kivánt esetben élelmiszerminőségű fruktóz készíthető.

A fruktózj a kereskedelmi méretekben fontos édesítő anyag előállítására irányuló nagyüzemi módszerek alapvetően egy kétlépéses eljárást foglalnak magukban; az első lépés egy poliszaccharid - például keményítő - hidrolízise glukóz előállítására, és a második - az igy előállított glukóz izomerizálása fruktóz keletkezése mellett. Az utóbbi lépés, mint ismeretes, glukóz és fruktóz keverékét szolgáltatja, amelyből a kivánt termék, a fruktóz elkülönítése nehézségekbe ütközik. A nagyüzemi szétválasztási módszer kristályosítási lépések alkalmazását foglalja magában_? amelyek drágák és időigényesek. A glukóz izomer izálasára irányuló különböző eljárások részletesebb leírása megtalálható az irodalomban, például a 3 788 945 és a 3 616 221 sz. Amerikai Egyesült Államok-beli szabadalmi leírásban.

A glukóz oly módon is átalakítható fruktózzá, hogy egy enzimmel, a glukóz-2-oxidázzal reagáltatjuk; ekkor glukózon /D-arabino-2-hexozulóz/ keletkezik, amely azután cinkkel és ecetsavval redukálható fruktózzá /Fólia Microbiol. 23, 292-298, 1978 és 175 897 sz· csehszlovák szabadalmi leirás/.

A glukóz-2-oxidáz és a glukóz reakciója során a glukózon mellett ekvimoláris mennyiségben hidrogén-peroxid is keletkezik. Az igy képződött hidrogén-peroxid felhasználását alkéneknek a megfelelő hidrogén-halogenidekké és epoxidokká való átalakítására irányuló reakcióban a 7176 sz. európai szabadalmi bejelentésben javasolták. A közzétett leirás szerint a hidrogén-peroxid úgy képződik, hogy glukóz-2-oxidázt és glukózt adnak a reakcióelegyhez, amely egy halogénező enzimet' es egy szervetlen halogenid forrást tartalmaz és amelybe a kiválasztott álként be kell vezetni. Az európai szabadalmi bejelentés' leírása továbbá utal arra, hogy a glukóz enzimes oxidációjának terméke, a glukózon egyszerű kémiai hidrogénezéssel átalakítható frukt'ózzá.

A vázolt eljárással előállított fruktóz azonban jelentős mennyiségű melléktermékkel lehet szennyezett, amelyek részben a glukóz enzimes átalakításából, részben,az alkén átalakítására irányuló reakcióból származnak. Az utóbbi reakció során például hidrogén-halogenidek és alkilén-oxidok - igy etilén oxid keletkeznek, amelyek még a ppm tartományban is erősen mérgező anyagok. így az ezzel az eljárással előállított fruktóz gondos és költséges tisztítást igényel az élelmiszer minőségnek megfelelő tisztaság elérésére. Ezenkívül a feldolgozás kezdeti szakaszában igen nagy a fruktóz másodlagos reakciók következtében való szennyeződésének lehetősége, mivel nagymértékben reakcióképes termékek, hidrogén-halogenidek és alkilén-oxidok vannak, jelen és intenzív tisztítási eljárások beiktatására van szükség az élelmiszer minőségű fruktóz esetében szükséges magas tisztasági szint biztosításához

A találmány tárgya; eljárás glukózon előállítására oly módon, hogy a glukózt enzimmel glukozonná oxidáljuk egy olyan reakciózónában, amelyből a hidrogén-peroxidot elvezetjük egy hidrogén-peroxidra nézve áteresztő membrán alkalmazásával eg^ második reakciózónába, amelyben a hidrogén-peroxidot eg^ alkénnel reagáltatjuk az alkénnek egy oxidációs termékké való átalakítására.

A találmány szerinti eljárás egyik foganatosítási módja

-2182.758 szerint az álként glikollá alakítjuk át, hidrogén-peroxiddal reagáltatva. Ezt a reakciót az ozmium-, vanádium- vagy a króm-oxid vagy az UV fény katalizálja a J.A.C.S. 58, 1302, 1936 és 59, 543, 2342, 2345, 1937 helyén leirt eljárás szerint.

A találmány szerinti eljárás egy második foganatosítási módja szerint az álként hidrogén-halogeniddé, majd ezt alkilénoxiddá vagy glikollá alakítjuk át /az eredeti alkén reagenstől függően/ hidrogén-peroxiddal, egy halogénező enzimmel és egy halogenid ion forrással végzett reakcióban a hidrogén-halogenid előállitására, amelyet azután a 7176 sz. európai szabadalmi bejelentésben leirt eljárásokkal alakítunk át epoxiddá vagy glikollá.

A találmány szerinti eljárásban alkalmazott membránok azt a célt szolgálják, hogy két elkülönült zónát hozzanak létre és lehetővé tegyék a hidrogén-peroxid átáramlását az első zónából a másodikba. A membránoknak ezért megfelelő pórusnagyságunak kell lenniük annak érdekében, hogy szelektiv módon lehetővé tegyék a hidrogén-peroxid vándorlását, de megakadályozzák nagyobb molekulák áthaladását az első reakciózónába. Ilyen membránok a kereskedelemben könnyen hozzáférhetők és annak az oldott anyagnak a molekulasúlyával jellemezhetők, amelynek részecskéi képesek áthaladni a membránon. A találmány szerinti eljárásban olyan membránokat kell alkalmazni, amelyek kb. 100-nál és előnyösen 50-nél alacsonyabb molekulasulyu termékek áthaladását teszik lehetővé.

A hidrogén-peroxid vándorlása vagy áthaladása az említett membránon keresztül annak következtében megy végbe, hogy a rendszer egyensúly-beállásra törekszik, amelyet a membrán két oldalán fennálló realtiv H2O2 koncentráció határoz meg. Amint a hidrogén-peroxid koncentrációja az első zónában nő,, a HgOo átvándorol a második zónába, amig vissza nem áll az egyensúly.

A második zónában egy alkénnel végbemenő reakció növeli a hidrogén-per oxidnak a membránon való áthaladási sebességét oly módon, hogy az egyensúlyt a második zóna irányába tolja el.

A találmány szerinti eljárás alkalmazása jelentős előnyökkel jár? különösen ami a glukózon fruktózzá való további feldolgozását illeti. A hidrogén-peroxidnak az első reakciózónából való elvándorlási sebessége természetesen befolyásolja a glukóz enzimes oxidációjának sebességét oly módon, hogy a reakció teljesebbé válik és a reakcióidő rövidebb lehet, mint amekkorára rendszerint szükség van. Továbbá: az első reakciózóna lényegében mentes a szennyező anyagoktól: ezek elsősorban a második reakciózónában fognak feldúsulni, amelyben a képződött hidrogén-peroxidot reagaltatjuk. Az első reakciózónában előállított glukózon oldat mint ilyen használható fel a hidrogénezés! lépésben vagy betömányitheto, illetőleg más kivánt módon dolgozható fel. A glukózon oldat lényegében nem tartalmaz más szennyezést, mint kevés nem reagált glukózt, glukóz dimert vagy trimert, vagy más olyan szennyezést, amelyet eredetileg a glukózzal vittünk be. A betáplált glukóz rendszerint egy glukóz, egységeket tartalmazó természetes anyag - általában keményítő hidrolizátuma, amely oldható szennyezéseket, igy a keményítő hidrolízise során keletkezett más szénhidrátokat, pl. maltózt tartalmaz.

Ennek megfelelően az első zóna reakciótermékének redukciója termékként olyan fruktózt szolgáltat, amely viszonylag

-3182.758 szennyezjs-uonfces. Ez azt eredményezi, hogy a termék élelmiszer minőségű, mivel a szennyezések csak a természetes glukóz forrásokból, pl. keményítőkből, igy kukoricakeményitőből származnak.

Az alkén reakciózóna ugyancsak tisztább, mint abban az esetben lenne, ha mindkét reakciót ugyanabban a reaktorban végeznénk.

A találmány szerinti eljárásban használható membránok azok közül kerülhetnek ki, amelyeket vizes rendszerekben általában alkalmaznak és számos anyag használható e célra, A membránok legáltalánosabb esetben nylonból, sztirol polimerből, rendszerint polisztirolból, teflonból, vagy egy cellulóz észterből, pl. cellulóz-acetátból vagy -propionátból készülnek. Az első foganatosítási mód szerint a membránt úgy helyezzük be a reaktorba, hogy két zónát képezzen; ily módon kizárható a két zóna tartalmának nem kivánt keveredése. A második foganatosítási mód szerint elkülönített reaktorok kapcsolhatók össze a kiválasztott membránnal olymódon, hogy a kapcsolódásnál a szükséges felület álljon rendelkezésre. Annak érdekében, hogy biztosítsuk a hidrogén-peroxid maximális átvándorlását az első zónából a második zónába, természetesen előnyben részesítjük a jelentős szabad felülettel rendelkező membránokat. Ebből a szempontból az első foganatosítási módot előnyösebbnek kell tekintenünk.

A glukóz-2-oxidáz enzim vizes enzim-oldat, rögzített enzim* rögzített sejtek vagy micélium vagy a szabad sejtek vagy micelium alakjában áll rendelkezésre. Mivel az enzim intracelluláris, a kiválasztott mikroorganizmus sejtjeit vagy micéliumát általában úgy használjuk, hogy egyszerűen szuszpendáljuk ezeket a reakcióelegyben. Enzim-promotorokat és enzimvédő anyagokat ugyancsak alkalmazhatunk. Mint pl. ez az említett cikkben - Fólia Microbiol. 23, 292-298, 1978 - leírták, fluorid ion jelenléte elősegíti a glukóz 0. mucida által végzett enzimes oxidációgát. Enzimvédő anyagként pl. Co, Mn és Mg sók vezetők figyelembe.

Az enzimes oxidációs reakciót addig folytatjuk* ameddig az lényegében teljesen befejeződik. A végpont úgy hataroható meg, ho^y az elegyből mintákat veszünk a glukóztartalom meghatározásara, vagy kolorimetriásan meghatározzuk a glukozont, illetőleg a hidrogén-peroxid mennyis égét’mérjük. Kb. 24-48 órás reakcio-idők rendszerint elégségesnek bizonyulnak, az enzim-potenciáltól vagy aktivitástól függően.

Számos különböző mikroorganizmus alkalmazható a találmány szerinti eljárásban felhasznált ^lukóz-2-oxidáz előállítására. Az irodalomban pl. a következő mikroorganizmusokat irják le erre a célra.

I. Aspergillus parasiticus /Biochem. J. 31, 1035, 1957/

II. Iridophycus flaccidum /Science 124, 171, 1956/

III. Oudemansiella mucida /Fólia Microbiol. 13, 354, 1968; 25, 292-298, 1978/

IV. Gluconobacter roseus /J. Gén. Appl. Microbiol. 1, 152,

1955/

V. Polyporus obtusus /Biochem. Biophys. Acta 167, 5θ1, 1968/

VI. Corticium caeruleum /Phytochemistry 1977, vol. 16, p.

1895-7/.

Az enzimes oxidációs reakció hőmérsékleté nem kritikus.

A reakció végezhető szobahőmérsékleten vagy még szobahőmérsékletnél magasabb hőmérsékleten is, ha az alkalmazott enzim-rendszer megfelelő hőstabilitással rendelkezik. Közelebbről, .előnyösen 50°C-on és ennél magasabb hőmérsékletén végezhetjük a

-4132.758 reakciót hőstabil enzim-rendszerek esetében, mivel ebben a tartományban minimálisra csökkenthető a reakcióelegy bakteriális szennyeződése. E^y másik megoldás szerint az elegy, amelyben az enzim-reakciót végrehajtjuk, antibakteriális anyagokat tartalmazhat a nagymértékű baktérium-szaporodás megakadalyozására.

Az első reakciózóna természetesen nem tartalmazhat jelentős mennyiségű hidrogén-peroxid-redukáló szert annak érdekében, hogy a találmány szerinti eljárás előnyös eredményeit elérhessük. így a rendszernek lényegében HpOp-t redukáló anyagoktól mentesnek, vagyis nem-redukáló rendszernek kell lennie.

A találmány szerinti eljárás keretében előfordulhat, hogy bizonyos mennyiségű anyag diffundál át a második reakciózónából az első zónába, különösen akkor, ha a második zónában anionok, kationok va^y kismolekulasulyu vegyületek vannak jelen, de ez a diffúzió az alkalmazott körülmények között nem jelentős .

Az alkének oxidált termékekké való átalakítására azokat az eljárásokat alkalmazzuk, amelyek az előbbiekben említett hivatkozásokból ismerhetők meg.

A glukózon fruktózzá való átalakítását, redukcióját, ismert eljárásokkal hajt jukvégre, amelyek magukban foglalják a kémiai redukciót /pl. cinkkel es ecetsavval/, valamint a szokásos fém katalizátorokkal végzett katalitikus hidrogénezést. Az előnyös fém katalizátor természetesen a Raney Ni, mivel alkalmazása összeegyeztethető a fruktóz kívánt minőségével, azaz ez a katalizátor nem hagy vissza maradékokat vágj’ szennyező anyagokat .

A szokásosan alkalmazott eljárásban a glukozont magasabb nyomáson és hőmérsékleten hidrogénezzük a kiválasztott fém katalizátor felett, amig a kívánt hidrogénez esi fokot el nem érjük. A nyomás 100-700 atmoszféra között változhat vagy még nagyobb is lehet, mig a hőmérséklet kb. 200°C-ig terjedhet. Előnyben részesítjük a 100-150°C és a kb. 500 atmoszféra nyomás alkalmazását.

A találmányt a következő példával illusztráljuk a továbbiakban.

Példa

0. mucida micéliumot állítunk elő a 175897 sz. csehszlovák szabadalmi leírás 1. példája szerint és 15 g szárazanyagnak megfelelő súlyú micéliumot 3 liter 2,5%-os, NaF-ra nézve 0,05M töménységű glukóz oldatban szuszpendálunk egy 10 literes reaktor egyik zónájában, amely reaktort egy hidrogén-peroxidra permeábilis membránnal két zónára osztottunk. A második zónában etilén gázt buborékoltatunk át klór-peroxidáz és egy halogenid ion foszfát pufferrel /0,1 M káliumfoszfát/ pufferolt vizes oldatán, a 7176 sz. európai szabadalmi bejelentésben /1.-18. példa / leirt módon.

Az első zónában a szuszpenziót 25°C-on keverjük és oxigénnel fuvatjuk át. 24 óra elteltével a micéliumot az első zónában elválasztjuk az oldattól és a kapott tiszta oldatot Raney Ni felett 500 atmoszféra hidrogéngáz nyomáson és 100°G-on hidrogénezzük. A vizes elegyből kiszűrjük a katalizátort - úgy, hogy tiszta oldatot kapjunk -, az oldatot szénnel szintelenit- . jük, ioncserélővel /anion- és kationcserélő/ ionmentesitjük és csökkentett nyomáson fruktóz-szörppé töményitjük be. Egy másik megoldás szerint a vizes elegyet töményitjük be és a fruktózt

-5182.758 hagyjuk kristályosodni.

Az akár szörp, akár kristályos termék alakjában kapott fruktóz élelmiszer minőségű.

A második zónában végbemenő reakcióban kapott hidrogénhalogenideket nátrium-hidroxiddal végzett kezeléssel alakítjuk át a megfelelő epoxidokká.

Lényegében azonos eredményeket kapunk, ha az O.mucida-t' a következő mikroorganizmus ok valamelyikével helyettesítjük:

Polyporus obtusus

Radulum casearium

Lenzites Trabea

Irpex flanus

Polyporus versicolor

Pellicularia filamentosa

Armillaria mellea

Schizophyleum commune

Corticium caeruleum

Claims (6)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Eljárás glukózon és abból adott esetben fruktóz előállítására, melynek során a glukózt enzimátikusan oxidáljuk, glukóz-2-oxidázzal, azzal jellemezve, hogy a glukóz-2-oxidázzal az enzimatikus oxidációt egy első zónában végezzük, a glukózon mellett képződött hidrogén-peroxidot égj/ féligáteresztő membránon „keresztül egy második zónába vezetjük, a glukozont pedig az első zónában tartjuk, és kivánt esetben fruktózzá redukáljuk,· a második zónába,vezetett hidrogén-peroxiddal pedig egy álként oxidálunk és a két zóna között olyan membránt alkalmazun, amely csupán a 100-nál kisebb molekulasulyu vegyületeket ereszti át.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás foganatosítási módja, azzal jellemezve, hogy a második zónában a hidrogén-peroxiddal az álként glikollá oxidáljuk.
3. 3· Az 1. igénypont szerinti eljárás foganatositási módja, azzal jellemezve, hogy a második zónában az álként a hidrogén-peroxiddal . alkilen-hidrogén-halogeniddé oxidáljuk.
4. 4. Az 1. igénypont szerinti eljárás foganatositási módja, azzal jellemezvei hogy az első zónában kapott glukozont fruktózzá redukáljuk.
5. 5. A 4. igénypont szerinti eljárás foganatositási módja, azzal jellemezve, hogy a glukózon redukcióját katalitikus hidrogénezéssel végezzük.
6. 6. Az 5· igénypont szerinti eljárás foganatosítási módja, azzal jellemezve, hogy katalizátorként Raney Ni-t alkalmazunk.

   •I

   F.k.: Hlmar Zoltán Oreágoa Találmányi Hivatal

   70 — OTH — 85.264