CN104447888B - 一种阿洛酮糖的制备方法及其应用 - Google Patents
一种阿洛酮糖的制备方法及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种阿洛酮糖的制备方法及其应用。该制备方法以葡萄糖为原料，以钼酸盐为催化剂，经催化转化、分离提纯，即得相应构型的阿洛酮糖。本发明所述方法，主要包括采用化学方法，以葡萄糖为原料，经化学差相异构、精制色谱分离提纯、浓缩结晶等工序制备晶体阿洛酮糖产品，工艺简单，耗时短，反应速度快，效率高，克服了传统酶法制备D–阿洛酮糖产品存在的酶稳定性差、效率低等问题。
Description
技术领域
本发明属于功能糖生产技术领域，具体涉及一种阿洛酮糖的制备方法及其应用。
背景技术
D-阿洛酮糖是一种自然界天然存在的极少稀有糖，是一种具有特殊保健功能的新型功能性单糖，其甜度相当于蔗糖的70%，具有高溶解度、极低的热量值和低血糖反应，食用后不易被人体代谢，几乎不产生能量，无腐蚀，而且具有良好的食品加工特性，可作为食品中蔗糖理想的替代品。2011年8月，美国食品与药物管理局（FDA）确定D –阿洛酮糖为普遍公认安全食品（GRAS），并可作为食品或食品添加剂的组成成分，在膳食、保健、医药等领域拥有广阔的应用前景。
关于D–阿洛酮糖的生产，有人研究以D-果糖为底物，通过D-塔格糖-3-差向异构酶生物酶法转化生产D-阿洛酮糖，但产物为D–阿洛酮糖和D-果糖的混合物，并且D-果糖含量较高，D–阿洛酮糖纯度较低，不利于D–阿洛酮糖的应用。中国专利《微生物转化D-果糖制备D–阿洛酮糖的菌种和方法》（公开号：CN101177672A）公开了一种利用从鱼塘底泥中筛选获得的球形红杆菌转化D-果糖制备D–阿洛酮糖的方法，经0.5—48h，转化液中含D–阿洛酮糖2—50g/L；中国专利《利用D–阿洛酮糖差向异构酶的D–阿洛酮糖生产方法》（公开号：CN101189332A）公开了一种利用源自根瘤土壤杆菌的D–阿洛酮糖差向异构酶生产D–阿洛酮糖的方法，主要利用具有氨基酸序列并具有阿洛酮糖3-差向异构酶活性的蛋白质与D-果糖反应生产D–阿洛酮糖；中国专利《D–阿洛酮糖的生产工艺》（公开号：CN103333935A）公开了一种采用纯生物制备方法的D–阿洛酮糖的生产工艺，包括50%蔗糖、1%重组酵母、1%葡萄糖、1%KH2PO4、1%K2HPO4·3H2O、0.5%MgSO4·7H2O和45.5%水，所得产品的纯度可达到98%及以上。以上制备D–阿洛酮糖的方法中均以生物酶法的方式进行，但由于生物酶的稳定性、活性、对环境的适应性等因素影响，一般产生的D–阿洛酮糖的转化率较低，且反应速度慢、耗时长，只能制备低品质的D–阿洛酮糖产品，满足不了应用市场的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种阿洛酮糖的制备方法，以解决现有技术中存在问题。
本发明所述阿洛酮糖制备方法，以葡萄糖为原料，以钼酸盐为催化剂，经催化转化、分离提纯，即得相应构型的阿洛酮糖。
本发明中，相应构型的阿洛酮糖是指阿洛酮糖的构型与原料葡萄糖的构型一致，即以D-葡萄糖为原料，制备得到D-阿洛酮糖；以L-葡萄糖为原料，制备得到L-阿洛酮糖。
葡萄糖、阿洛酮糖都是单糖，其构型是由离羰基碳最远的手性碳原子（5号碳原子）的构型决定的。本发明中，葡萄糖在钼酸盐催化下转化为阿洛酮糖，改变的是3号碳原子的构型，最远的5号碳原子的构型并没有改变，所以以D-葡萄糖为原料，制备得到D-阿洛酮糖；以L-葡萄糖为原料，制备得到L-阿洛酮糖。
本发明还提供了所述阿洛酮糖的制备方法在制备D-阿洛酮糖中的应用。
根据本发明所述应用，主要包括如下步骤：
（1）料液的制备：配制10-30%的D-葡萄糖水溶液，加入钼酸盐，调节pH为2.5-5.0；
（2）催化转化：加热至80-120℃，保温反应2-5小时，得到含D-阿洛酮糖的溶液；
（3）脱色过滤：于70-80℃下，将含D-阿洛酮糖的溶液按其干物质量的1-15%加入粉末活性炭，保温搅拌30-40分钟，过滤得到脱色液；
（4）电渗析脱盐精制：对脱色液进行电渗析脱盐精制，使脱色液的电导率由10000—20000us/cm降低至100—500us/cm，得到脱盐精制液；
（5）浓缩色谱分离：采用连续膜浓缩和蒸汽蒸发浓缩相结合的工艺技术将脱盐精制液浓缩至干物质量浓度为40-60%，然后采用连续色谱进行分离，得到干物质量浓度为5-20%、D –阿洛酮糖纯度为70-90%的溶液；
（6）浓缩结晶：将步骤（5）得到的D –阿洛酮糖溶液蒸发浓缩至干物质量浓度为70-90%，通过有机溶剂法降温结晶得到晶体D –阿洛酮糖产品，其含量为98.5-99.5%。
根据本发明实施方式之一，所述钼酸盐为钼酸铵。
优选的，钼酸铵的用量为葡萄糖的1.0-10%。
根据本发明另一实施方式，步骤（1）所述pH为3.0-3.5。
试验证明，当pH在3.0-3.5时，反应转化达到最高值，反应效率较高。
根据本发明再一实施方式，所述步骤（5）连续色谱分离的分离温度为40—80℃。
本发明所述方法，主要包括采用化学方法，以葡萄糖为原料，经化学差相异构、精制色谱分离提纯、浓缩结晶等工序制备晶体阿洛酮糖产品，工艺简单，耗时短，反应速度快，效率高，克服了传统酶法制备D –阿洛酮糖产品存在的酶稳定性差、效率低等问题，同时，色谱分离后得到的葡萄糖馏分液可以重新返回到“化学异构反应”工序，作为起始原料重新异构成D –阿洛酮糖产品，原料利用率高，生产成本低，具有较好的经济效益和社会推广价值。
附图说明
图1为实施例3制备得到的D-阿洛酮糖的HPLC色谱图。
具体实施方式
试验例1 料液pH对转化率的影响
反应条件：以D-葡萄糖为原料，以钼酸铵（用量为D-葡萄糖质量的5%）为催化剂，100℃、常压下反应，反应时间120min，测定反应液中D-阿洛酮糖的质量含量（占总干物重的百分比），反应结果如下：
葡萄糖在酸性环境中较易转化为阿洛酮糖，在pH值低于2.5时，阿洛酮糖的转化率低于28%，反应效率较低，给后续提纯、浓缩带来很大压力，随着pH的升高，转化率也升高，当pH在3.0-3.5时，反应转化达到最高值，反应效率较高，pH值继续升高，转化率开始逐步降低，在pH为5.0时，转化率基本维持在30%左右，pH继续升高，转化率急剧下降，因此为了提高转化率，异构反应的pH宜控制在2.5-5.0，尤其是3.0-3.5。
试验例2 反应时间对转化率的影响
反应条件：以D-葡萄糖为原料，以钼酸铵（用量为D-葡萄糖质量的5%）为催化剂，100℃、pH3.5条件下反应，测定反应液中D-阿洛酮糖的质量含量（占总干物重的百分比），反应结果如下：
从实验数据分析得知，阿洛酮糖的转化率随着反应时间的增加而增加，在反应时间达到2小时时，急剧加快，反应转化率迅速升高，当反应时间达到4小时时，反应趋于平稳，基本达到平衡，综合考虑反应效率和转化率，宜选择反应时间为2-5h，尤其是2-4h。
试验例3催化剂用量对转化率的影响
反应条件：以D-葡萄糖为原料，以钼酸盐为催化剂，100℃、pH3.5、常压条件下反应，反应时间120min，测定反应液中D-阿洛酮糖的质量含量（占总干物重的百分比），反应结果如下：
从实验数据分析得知，阿洛酮糖的转化率随着助催化剂用量的增加而增加，钼酸铵用量为0.5%时，转化率较低，反应不彻底，钼酸铵用量达到1.0%时，阿洛酮糖的转化率可以达到25%以上，当钼酸铵的用量达到5.0%时，反应较彻底，继续增加钼酸铵的用量，转化率提升幅度较小，基本趋于平稳。同时利用钼酸钠、钼酸铵进行对照实验，钼酸铵对阿洛酮糖影响较大，反应的转化率较高，综合考虑生产成本和后续精制除杂，选用钼酸铵做催化剂，其用量宜选择在1.0-10%。
实施例一
1、溶液配制：取1000g葡萄糖，加入9000g纯水，配制成质量百分比质量浓度为10%的葡萄糖溶液10000g。
2、化学异构反应：按葡萄糖干物质量的1%加入钼酸铵10g，调节溶液的pH值为2.5，升温至80℃，保温反应2小时，使葡萄糖异构化为D –阿洛酮糖，得到D –阿洛酮糖与葡萄糖的混合液，其干物质量浓度为8%、D –阿洛酮糖的纯度为28%、电导率为10000us/cm。
3、脱色过滤：将异构液在70℃时，按其干物质量的1%加入粉末活性炭10g，保温搅拌30分钟后，用板框过滤机过滤得到异构脱色液，其指标为：干物质量浓度为8%、D –阿洛酮糖的纯度为28.56%、电导率为10050us/cm。
4、电渗析脱盐精制：将异构脱色液通过膜面积为40m2的电渗析装置系统，控制电流密度为10mA/cm2、料液循环流速为15L/h、极水循环流速为60L/h、设备运行温度为20℃、连续循环运行4小时，使异构脱色液的电导率由10050us/cm降低至100us/cm，达到精制净化异构脱色液的目的。
5、浓缩色谱分离：采用连续膜浓缩工艺技术将净化异构液浓缩至干物质量浓度为15%，然后采用三效蒸汽蒸发器将料液浓缩至干物质量浓度为40%，最后通入装有钙型色谱分离树脂的模拟移动床装置系统中，控制分离温度为40℃，进料液被分离成D –阿洛酮糖馏分液和葡萄糖馏分液，其中D –阿洛酮糖馏分液的指标为：干物质量浓度为5%、D –阿洛酮糖的纯度为90%；葡萄糖馏分液的指标为：干物质量浓度为20%、葡萄糖的纯度为80%。葡萄糖馏分液重新返回到“化学异构反应”工序，作为起始原料重新利用。
6、浓缩结晶：将收集到的D –阿洛酮糖馏分液采用连续膜浓缩装置浓缩至干物质量浓度为15%，然后采用四效蒸汽蒸发器蒸发浓缩至干物质量浓度为70%，通过添加酒精，降温结晶得到晶体D –阿洛酮糖产品，其含量为99.5%。
实施例二
1、溶液配制：取3000g葡萄糖，加入7000g纯水，配制成质量百分比质量浓度为30%的葡萄糖溶液10000g。
2、化学异构反应：按葡萄糖干物质量的10%加入钼酸铵300g，调节溶液的pH值为5.0，升温至120℃，保温反应5小时，使葡萄糖异构化为D –阿洛酮糖，得到D –阿洛酮糖与葡萄糖的混合液，其干物质量浓度为28%、D –阿洛酮糖的纯度为35%、电导率为20000us/cm。
3、脱色过滤：将异构液在80℃时，按其干物质量的15%加入粉末活性炭450g，保温搅拌40分钟后，用板框过滤机过滤得到异构脱色液，其指标为：干物质量浓度为28%、D –阿洛酮糖的纯度为35.27%、电导率为20000us/cm。
4、电渗析脱盐精制：将异构脱色液通过膜面积为40m2的电渗析装置系统，控制电流密度为20mA/cm2、料液循环流速为25L/h、极水循环流速为100L/h、设备运行温度为35℃、连续循环运行10小时，使异构脱色液的电导率由20000us/cm降低至500us/cm，达到精制净化异构脱色液的目的。
5、浓缩色谱分离：采用三效蒸汽蒸发器将料液浓缩至干物质量浓度为60%，通入装有铅型色谱分离树脂的模拟移动床装置系统中，控制分离温度为80℃，进料液被分离成D –阿洛酮糖馏分液和葡萄糖馏分液，其中D –阿洛酮糖馏分液的指标为：干物质量浓度为20%、D –阿洛酮糖的纯度为70%；葡萄糖馏分液的指标为：干物质量浓度为50%、葡萄糖的纯度为99%。葡萄糖馏分液重新返回到“化学异构反应”工序，作为起始原料重新利用。
6、浓缩结晶：将收集到的D –阿洛酮糖馏分液采用四效蒸汽蒸发器蒸发浓缩至干物质量浓度为90%，通过添加酒精，降温结晶得到晶体D –阿洛酮糖产品，其含量为98.5%。
实施例三
1、溶液配制：取2000g葡萄糖，加入8000g纯水，配制成质量百分比质量浓度为20%的葡萄糖溶液10000g。
2、化学异构反应：按葡萄糖干物质量的5%加入钼酸铵100g，调节溶液的pH值为4.0，升温至100℃，保温反应3.5小时，使葡萄糖异构化为D –阿洛酮糖，得到D –阿洛酮糖与葡萄糖的混合液，其干物质量浓度为18%、D –阿洛酮糖的纯度为32%、电导率为15000us/cm。
3、脱色过滤：将异构液在75℃时，按其干物质量的10%加入粉末活性炭200g，保温搅拌35分钟后，用板框过滤机过滤得到异构脱色液，其指标为：干物质量浓度为18%、D –阿洛酮糖的纯度为32.17%、电导率为15000us/cm。
4、电渗析脱盐精制：将异构脱色液通过膜面积为40m2的电渗析装置系统，控制电流密度为15mA/cm2、料液循环流速为20L/h、极水循环流速为80L/h、设备运行温度为30℃、连续循环运行7小时，使异构脱色液的电导率由15000us/cm降低至300us/cm，达到精制净化异构脱色液的目的。
5、浓缩色谱分离：采用四效蒸汽蒸发器将料液浓缩至干物质量浓度为50%，通入装有钠型色谱分离树脂的模拟移动床装置系统中，控制分离温度为60℃，进料液被分离成D –阿洛酮糖馏分液和葡萄糖馏分液，其中D –阿洛酮糖馏分液的指标为：干物质量浓度为13%、D –阿洛酮糖的纯度为80%；葡萄糖馏分液的指标为：干物质量浓度为35%、葡萄糖的纯度为90%。葡萄糖馏分液重新返回到“化学异构反应”工序，作为起始原料重新利用。
6、浓缩结晶：将收集到的D –阿洛酮糖馏分液采用五效蒸汽蒸发器蒸发浓缩至干物质量浓度为80%，添加酒精，取结晶糖膏，将糖膏降温结晶得到晶体D –阿洛酮糖产品，其含量为99.0%。
7、采用高效液相色谱仪，检测D-阿洛酮糖的纯度，检测条件为：色谱柱：SUPELCOGEL Ca（钙型）树脂型糖柱，流动相为超纯水，检测器为示差折光检测器，D-阿洛酮糖对照品为对照品为对照，干物中D-阿洛酮糖的质量含量为95.5%，色谱图如图1所示。
Claims (7)
1.一种阿洛酮糖的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
(1)料液的制备：配制10-30％的葡萄糖水溶液，加入钼酸盐，调节pH为2.5-5.0；
(2)催化转化：加热至80-120℃，保温反应2-5小时，得到含阿洛酮糖的溶液；
(3)脱色过滤：于70-80℃下，将含阿洛酮糖的溶液按其干物质量的1-15％加入粉末活性炭，保温搅拌30-40分钟，过滤得到脱色液；
(4)电渗析脱盐精制：对脱色液进行电渗析脱盐精制，使脱色液的电导率由10000-20000us/cm降低至100-500us/cm，得到脱盐精制液；
(5)浓缩色谱分离：采用连续膜浓缩和蒸汽蒸发浓缩相结合的工艺技术将脱盐精制液浓缩至干物质量浓度为40-60％，然后采用连续色谱进行分离，得到干物质量浓度为5-20％、阿洛酮糖纯度为70-90％的溶液；
(6)浓缩结晶：将步骤(5)得到的阿洛酮糖溶液蒸发浓缩至干物质量浓度为70-90％，通过有机溶剂法降温结晶得到晶体阿洛酮糖产品，其含量为98.5-99.5％。
2.权利要求1所述阿洛酮糖的制备方法在制备D-阿洛酮糖中的应用。
3.如权利要求2所述应用，其特征在于，主要包括如下步骤：
(1)料液的制备：配制10-30％的D-葡萄糖水溶液，加入钼酸盐，调节pH为2.5-5.0；
(2)催化转化：加热至80-120℃，保温反应2-5小时，得到含D-阿洛酮糖的溶液；
(3)脱色过滤：于70-80℃下，将含D-阿洛酮糖的溶液按其干物质量的1-15％加入粉末活性炭，保温搅拌30-40分钟，过滤得到脱色液；
(4)电渗析脱盐精制：对脱色液进行电渗析脱盐精制，使脱色液的电导率由10000-20000us/cm降低至100-500us/cm，得到脱盐精制液；
(5)浓缩色谱分离：采用连续膜浓缩和蒸汽蒸发浓缩相结合的工艺技术将脱盐精制液浓缩至干物质量浓度为40-60％，然后采用连续色谱进行分离，得到干物质量浓度为5-20％、D-阿洛酮糖纯度为70-90％的溶液；
(6)浓缩结晶：将步骤(5)得到的D-阿洛酮糖溶液蒸发浓缩至干物质量浓度为70-90％，通过有机溶剂法降温结晶得到晶体D-阿洛酮糖产品，其含量为98.5-99.5％。
4.如权利要求3所述应用，其特征在于，所述钼酸盐为钼酸铵。
5.如权利要求4所述应用，其特征在于，钼酸铵的用量为葡萄糖的1.0-10％。
6.如权利要求3所述应用，其特征在于，步骤(1)所述pH为3.0-3.5。
7.如权利要求3所述应用，其特征在于，所述步骤(5)连续色谱分离的分离温度为40-80℃。
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