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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710735307.X (22)申请日 2017.08.24 (71)申请人 北京林业大学 地址 100083 北京市海淀区清华东路35号 (72)发明人 宋国勇孙建奎王波黄鸿志 (74)专利代理机构 昆明人从众知识产权代理有 限公司 53204 代理人 张凤楼 (51)Int.Cl. C07H 3/02(2006.01) C07H 1/00(2006.01) C07C 29/149(2006.01) C07C 31/26(2006.01) C12P 7/24(2006.0。
2、1) (54)发明名称 一种酶催化结合化学催化制备果糖或甘露 醇的方法 (57)摘要 本发明公开一种酶催化结合化学催化制备 果糖或甘露醇的方法， 先制备2-酮基葡萄糖水溶 液， 再在2-酮基葡萄糖水溶液中加入醇类和多相 金属催化剂， 然后以不同氢气压力条件进行加氢 反应， 即得到果糖或者甘露醇。 本发明利用两步 法完成了葡萄糖转化为果糖或甘露醇的过程， 酶 氧化反应和化学加氢催化反应可以一锅法连续 反应， 无需分离中间产物， 反应条件温和， 对环境 友好， 对设备腐蚀低， 能有效控制反应选择性， 抑 制副产物的形成， 提高了果糖、 甘露醇的产率、 质 量和选择性， 本发明工艺简单、 安全、 操。
3、作方便， 产品后处理简单， 葡萄糖转化率高， 果糖、 甘露醇 得率高， 不同条件下对果糖、 甘露醇有非常好的 选择性。 权利要求书1页 说明书6页 附图1页 CN 107556345 A 2018.01.09 CN 107556345 A 1.一种酶催化结合化学催化制备果糖或甘露醇的方法， 其特征在于经过下列各步骤： （1） 按D-吡喃糖氧化酶、 过氧化氢酶、 葡萄糖和水按质量比为的1:1:100:1000备料， 将 葡萄糖和水混合得到葡萄糖溶液后， 再将D-吡喃糖氧化酶和过氧化氢酶加入到葡萄糖溶液 中， 用柠檬酸调节pH为46， 在3040下进行酶催化反应12小时， 得到2-酮基葡萄糖水溶 。
4、液； （2） 按2-酮基葡萄糖水溶液中的水与醇类的体积比为1： 11： 5， 按催化剂为2-酮基葡 萄糖水溶液中2-酮基葡萄糖质量的115%， 在步骤 （1） 所得2-酮基葡萄糖水溶液中加入醇 类和多相金属催化剂， 经下列加氢反应得到不同产物： 在0.11MPa的氢气压力条件下以温度30100进行加氢反应312小时， 所得产物 经过滤或者磁力吸附回收催化剂， 并通过减压蒸馏回收醇类， 然后加入活性炭和硅藻土脱 除产物中的色素、 氧化酶以及无机盐， 得到水溶液， 所得水溶液经冷却结晶， 得到果糖； 或者， 在25MPa的氢气压力条件下以温度30100进行加氢反应312小时， 所得产 物经过滤或者。
5、磁力吸附回收催化剂， 并通过减压蒸馏回收醇类， 然后加入活性炭和硅藻土 脱除产物中的色素、 氧化酶以及无机盐， 得到水溶液， 所得水溶液经冷却结晶、 离心分离， 得 到晶体和滤液， 晶体即为甘露醇。 2.根据权利要求1所述的酶催化结合化学催化制备果糖或甘露醇的方法， 其特征在于： 所述步骤 （2） 中醇类为甲醇、 乙醇或丙醇。 3.根据权利要求1所述的酶催化结合化学催化制备果糖或甘露醇的方法， 其特征在于： 所述步骤 （2） 中多相金属催化剂为铁/二氧化硅、 钴/二氧化硅、 镍/二氧化硅、 钴/活性炭、 镍/活性炭、 钴/ASA、 钯/活性炭、 钌/活性炭中的一种， 多相金属催化剂的金属负载量。
6、为1 10%。 4.根据权利要求1所述的酶催化结合化学催化制备果糖或甘露醇的方法， 其特征在于： 所述步骤 （2） 中过滤采用聚二偏氟乙烯有机滤膜进行膜过滤。 5.根据权利要求1所述的酶催化结合化学催化制备果糖或甘露醇的方法， 其特征在于： 所述步骤 （2） 中减压蒸馏回收醇类是在压力0.05atm、 温度4565的条件下回收醇类。 6.根据权利要求1所述的酶催化结合化学催化制备果糖或甘露醇的方法， 其特征在于： 所述步骤 （2） 中加入活性炭和硅藻土是将活性炭和硅藻土按质量比为1： 1混合后加入， 再搅 拌515分钟， 所得悬浊液通过滤纸或砂芯漏斗过滤。 7.根据权利要求1所述的酶催化结合化。
7、学催化制备果糖或甘露醇的方法， 其特征在于： 所述步骤 （2） 中冷却结晶是在05下进行。 8.根据权利要求1所述的酶催化结合化学催化制备果糖或甘露醇的方法， 其特征在于： 所述步骤 （2） 中离心分离是在3000转/分下离心20分钟。 9.根据权利要求1所述的酶催化结合化学催化制备果糖或甘露醇的方法， 其特征在于： 所述步骤 （2） 中的滤液经常规精制浓缩、 干燥， 得到山梨醇。 10.根据权利要求9所述的酶催化结合化学催化制备果糖或甘露醇的方法， 其特征在 于： 所述干燥是在50下干燥12小时。 权利要求书 1/1 页 2 CN 107556345 A 2 一种酶催化结合化学催化制备果糖或。
8、甘露醇的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种酶催化结合化学催化制备果糖或甘露醇的方法， 特别是涉及一种 在醇-水体系中一锅法制备结晶果糖或甘露醇的方法。 背景技术 0002 果糖 （C6H12O6） 是一种六碳单糖， 是葡萄糖的异构体， 和葡萄糖、 半乳糖一起构成了 血糖的三种主要成份。 果糖的甜度是蔗糖的1.8倍， 相较于蔗糖， 果糖具有口感好、 甜度高、 升糖指数低以及不易导致龋齿等优点。 果糖存在于许多食品中， 如蜂蜜、 水果、 浆果、 瓜类， 一些根类蔬菜如甜菜、 甜土豆、 洋葱等均含有果糖。 自六十年代果糖产品商品化以来， 随着 生产技术的不断更新， 以及食品工业的广泛需求， 果。
9、糖产品增长速度达到惊人的程度。 2012 年， 我国 “果葡糖浆” 产量产量236万吨， 2015年全球果葡糖浆产量为850万吨产量。 目前， 发 达国家已经将果糖广泛应用于食品、 医药、 保健品生产中， 果葡糖浆的消费量也呈较快增长 的趋势， 一些发达国家在糖果与饮料中基本不用蔗糖而用果糖。 如加拿大法律规定， 所有饮 料必须使用果葡糖浆； 美国饮料、 食品和甜点行业， 蔗糖原料已经完全由果糖或者果葡糖浆 替代。 0003 食品工业中， 果糖主要通过葡萄糖酶催化异构化制备， 生成工业产品果葡糖浆。 按 果糖含量， 果葡糖浆分为三类： 第一代果葡糖浆(F42型)含果糖42%； 第二代果葡糖浆(。
10、F55 型)含果糖55%； 第三代果葡糖浆(F90型)含果糖90%。 0004 果糖的生产方法主要包括酶解法和化学催化法。 酶解法是当前工业生产果糖的主 要方式， 即以葡萄糖为原料， 利用葡萄糖异构酶 （GI） 为催化剂， 在合适的pH值和温度下， 将 葡萄糖通过可逆异构化反应转化为果糖， 得到F42型果葡糖浆； 受该反应平衡常数 （Keq 1, 298 K） 限制， 所得果葡糖浆含有42wt%果糖， 50wt%葡萄糖以及8wt%其他单糖。 高果糖含量的 果葡糖浆如F90型 （果糖含量为90 wt%） 主要通过制备色谱的方法制备。 F90型果葡糖浆经过 离心分离、 洗涤、 干燥、 筛分等工艺流。
11、程， 可以得到无水结晶果糖。 F55型果葡糖浆 （果糖含量 55 wt%） 则是通过一定比例的F42型及F90型果葡糖浆混配得到。 化学催化法主要采用酸、 碱 等作为催化剂， 将葡萄糖异构化为果糖， 目前已知报道表明化学催化中果糖产率不高于 35%。 近期， 丹麦大学Riisager等人利用H-USY沸石为催化剂， 以葡萄糖为原料， 在甲醇-水两 相体系下通过异构化、 甲基化及脱甲基保护 “三步法” 制备果糖， 果糖的最高得率达到54% （J. Am. Chem. Soc. 2013,135,5246-5249） ， 该过程不仅步骤较多， 且采用对人体有害的 甲醇作为反应溶剂以及价格昂贵分子筛。
12、试剂， 工业生产前景不明朗。 0005 甘露醇 （C6H14O6） 是一种己六醇， 因溶解时吸热， 有甜味， 对口腔有舒服感， 故更广 泛用于醒酒药、 口中清凉剂等咀嚼片的制造。 甘露醇是一种高渗透性的组织脱水剂， 临床上 广泛应用于治疗脑水肿， 预防急性肾衰， 治疗青光眼， 加速毒物及药物从肾脏的排泄。 工业 生产甘露醇主要有以下几种工艺， 包括1） 以蔗糖和葡萄糖为原料， 通过水解、 差向异构与酶 异构， 然后加氢而得； 2） 以海带为原料， 在生产海藻酸盐的同时， 将提碘后的海带浸泡液， 经 多次提浓、 除杂、 离交、 蒸发浓缩、 冷却结晶而得； 3） 以甘露糖为原料， 催化加氢， 得到。
13、甘露 说明书 1/6 页 3 CN 107556345 A 3 醇。 由于当前甘露醇生产工艺复杂， 生产成本高， 甘露糖价格比较昂贵。 0006 上述果糖和甘露醇的生产方法， 有的只是理论生产， 根本无法实现工业化； 有的受 到不同条件的制约， 果糖和甘露醇的产率比较低， 副产物反而得率高， 大大的造成了生产成 本高， 原材料消耗大， 产量低， 价格高而无法满足市场的需求。 因此， 开发以葡萄糖为原料的 新型高得率制备果糖及甘露醇生产方法， 实现葡萄糖高效转化， 将对我国的食品工业具有 重要的意义。 发明内容 0007 本发明旨在提供一种酶催化结合化学催化制备果糖或甘露醇的方法， 以解决现有 。
14、果糖和甘露醇制备方法中的缺陷， 实现高得率制备结晶果糖和甘露醇。 0008 为了解决上述问题， 本发明通过下列技术方案实现： 一种酶催化结合化学催化制 备果糖或甘露醇的方法， 经过下列各步骤： （1） 按D-吡喃糖氧化酶 （pyranose oxidase, EC1.1.3.10） 、 过氧化氢酶、 葡萄糖和水按 质量比为的1:1:100:1000备料， 将葡萄糖和水混合得到葡萄糖溶液后， 再将D-吡喃糖氧化 酶和过氧化氢酶加入到葡萄糖溶液中， 用柠檬酸调节pH为46， 在3040下进行酶催化 反应12小时， 得到2-酮基葡萄糖水溶液； 此步骤中加入过氧化氢酶能有效分解酶氧化反应 过程中产生的。
15、过氧化氢； （2） 按2-酮基葡萄糖水溶液中的水与醇类的体积比为1： 11： 5， 按催化剂为2-酮基葡 萄糖水溶液中2-酮基葡萄糖质量的115%， 在步骤 （1） 所得2-酮基葡萄糖水溶液中加入醇 类和多相金属催化剂， 经下列加氢反应得到不同产物： 在0.11MPa的氢气压力条件下以温度30100进行加氢反应312小时， 所得产物 经过滤或者磁力吸附回收催化剂， 并通过减压蒸馏回收醇类， 然后加入活性炭和硅藻土脱 除产物中的色素、 氧化酶以及无机盐， 得到水溶液， 所得水溶液经冷却结晶， 得到果糖； 或者， 在25MPa的氢气压力条件下以温度30100进行加氢反应312小时， 所得产 物经过。
16、滤或者磁力吸附回收催化剂， 并通过减压蒸馏回收醇类， 然后加入活性炭和硅藻土 脱除产物中的色素、 氧化酶以及无机盐， 得到水溶液， 所得水溶液经冷却结晶、 离心分离， 得 到晶体和滤液， 晶体即为甘露醇。 0009 所述步骤 （1） 中酶催化反应在摇床 （150转/分） 中进行。 0010 所述步骤 （2） 中醇类为甲醇、 乙醇或丙醇。 0011 所述步骤 （2） 中多相金属催化剂为铁/二氧化硅、 钴/二氧化硅、 镍/二氧化硅、 钴/ 活性炭、 镍/活性炭、 钴/ASA、 钯/活性炭、 钌/活性炭中的一种， 多相金属催化剂的金属负载 量为110%。 0012 所述步骤 （2） 中过滤采用聚二偏。
17、氟乙烯有机滤膜进行膜过滤。 0013 所述步骤 （2） 中减压蒸馏回收醇类是在压力0.05atm、 温度4565的条件下回收 醇类。 0014 所述步骤 （2） 中加入活性炭和硅藻土是将活性炭和硅藻土按质量比为1： 1混合后 加入， 再搅拌515分钟， 所得悬浊液通过滤纸或砂芯漏斗过滤， 即可脱除产物中的色素、 氧 化酶以及无机盐。 0015 所述步骤 （2） 中冷却结晶是在05下进行。 说明书 2/6 页 4 CN 107556345 A 4 0016 所述步骤 （2） 中离心分离是在3000转/分下离心20分钟。 0017 所述步骤 （2） 中的滤液经常规精制浓缩、 干燥， 得到山梨醇。 。
18、0018 所述干燥是在50下干燥12小时。 0019 与现有技术相比， 本发明的有益效果在于： 本发明采用 “酶催化” 结合 “廉价金属催 化” 的策略， 利用两步法完成了葡萄糖转化为果糖或甘露醇的过程， 优点如下： 1、 本发明方法中， 酶氧化反应和化学加氢催化反应可以一锅法连续反应， 无需分离中 间产物， 反应条件温和， 对环境友好， 对设备腐蚀低。 0020 2、 本发明第一步葡萄糖的酶催化氧化过程转化率为97100%； 在第二步反应中， 在醇-水的反应体系的加氢反应能有效控制反应选择性， 抑制副产物的形成， 提高了果糖、 甘露醇的产率、 质量和选择性， 果糖的得率为6596%， 甘露醇。
19、的得率为55%78%， 远高于当 前生产工艺水准。 0021 3、 本发明采用简单的工艺即可分离、 回收醇和催化剂， 回收的醇和催化剂都可以 重复使用， 且催化性能稳定。 0022 4、 本发明方法中， 所采用的酶及廉价金属催化剂均为商品化产品， 制备简单， 成品 可控。 0023 5、 本发明醇-水催化体系的一锅法制备方法工艺简单、 安全、 操作方便， 产品后处 理简单， 葡萄糖转化率高， 果糖、 甘露醇得率高， 不同条件下对果糖、 甘露醇有非常好的选择 性。 附图说明 0024 图1为本发明的主要反应路线示意图。 具体实施方式 0025 下面结合具体代表实施例对本发明进一步详细描述， 但不。
20、作为对本发明的限定。 0026 镍/活性炭的制备： 将一定量的Ni(NO3)26H20溶于水中， 待完全溶解后缓慢滴加 到活性炭的悬浮液中， 在室温下搅拌12h， 经过真空抽干后， 将所得催化剂前体Ni(NO3)2/AC 置于管式炉中， 在氮氢混合气 （含520%的氢气） 下以450活化6h， 冷却至室温， 得到具有 一定负载量的镍/活性炭催化剂。 0027 其他金属催化剂的制备： 钴/活性炭、 镍/二氧化硅、 铁/二氧化硅、 钴/二氧化硅、 钴/ASA催化剂的制备过程类似于镍/活性炭的制备， 不同之处在于载体分别使用的是二氧 化硅、 活性炭、 ASA， 负载金属为铁、 镍等， 即可得到不同的。
21、金属负载催化剂。 0028 实施例1 （1） 按D-吡喃糖氧化酶 （pyranose oxidase, EC1.1.3.10） 、 过氧化氢酶、 葡萄糖和水按 质量比为的1:1:100:1000备料， 将葡萄糖10g和水100g混合得到葡萄糖溶液后， 再将D-吡喃 糖氧化酶100mg和过氧化氢酶100mg加入到葡萄糖溶液中， 用柠檬酸调节pH为5， 再在30下 的摇床 （150转/分） 中进行酶催化反应12小时， 得到2-酮基葡萄糖水溶液； 此步骤中加入过 氧化氢酶能有效分解酶氧化反应过程中产生的过氧化氢； 此步骤中， 葡萄糖转化率及2-酮基葡萄糖得率可通过高效液相色谱 （HPLC） 进行定性。
22、定 量分析。 检测条件如下： 安捷伦1260液相色谱仪， 色谱柱Carbomix Ca-NP10 (10um,8%交联 说明书 3/6 页 5 CN 107556345 A 5 度， 7.8300mm)； 流动相： 超纯水； 柱温： 80； 检测器： 示差折光检测器； 检测器温度： 50； 取样量： 10uL。 HPLC检测结果表明， 葡萄糖转化率为100%， 2-酮基葡萄糖得率为100%。 0029 （2） 按2-酮基葡萄糖水溶液中的水与醇类的体积比为1： 5， 按催化剂为2-酮基葡萄 糖水溶液中2-酮基葡萄糖质量的10%， 在步骤 （1） 所得2-酮基葡萄糖水溶液中加入乙醇和 镍/活性炭，。
23、 其金属负载量为10%， 经下列加氢反应得到以下产物： 在0.1MPa的氢气压力条件下以温度80进行加氢反应6小时， 所得产物经有机滤膜过 滤或者磁铁吸附回收催化剂， 并在压力0.05atm、 温度4565的条件下减压蒸馏回收乙 醇， 然后将活性炭和硅藻土 （各5g） 按质量比为1： 1混合后加入， 再搅拌515分钟， 所得悬浊 液通过滤纸或砂芯漏斗过滤， 以脱除产物中的色素、 氧化酶以及无机盐， 得到水溶液， 所得 水溶液在05下经冷却结晶， 得到果糖， 为无色晶体， 4.7g， 分离产率94%。 0030 通过高效液相色谱 （HPLC） 进行定性定量分析， 得到2-酮基葡萄糖转化率及果糖得。
24、 率， 检测条件如下： 安捷伦1260液相色谱仪， 色谱柱Carbomix Ca-NP10 (10 um, 8 %交联 度， 7.8300 mm)； 流动相： 超纯水； 柱温： 80； 检测器： 示差折光检测器； 检测器温度： 50 ； 取样量： 10uL。 HPLC检测结果表明， 2-酮基葡萄糖转化率为100%， 果糖得率为96.1%， 葡萄 糖得率为4%。 0031 实施例2 同实施例1， 仅将步骤 （2） 中的乙醇替换为甲醇。 0032 所得果糖得率为93.6%。 0033 实施例3 同实施例1， 仅将步骤 （2） 中的乙醇替换为丙醇。 0034 所得果糖得率为76.8%。 0035 实。
25、施例4 同实施例1， 仅将步骤 （2） 中的以温度80进行加氢反应6小时替换为以温度30进行 加氢反应6小时。 0036 所得果糖得率为65.8%。 0037 实施例5 同实施例1， 仅将步骤 （2） 中的以温度80进行加氢反应6小时替换为以温度50进行 加氢反应6小时。 0038 所得果糖得率为72.3%。 0039 实施例6 同实施例1， 仅将步骤 （2） 中的以温度80进行加氢反应6小时替换为以温度70进行 加氢反应6小时。 0040 所得果糖得率为87.6%。 0041 实施例7 同实施例1， 仅将步骤 （2） 中的以温度80进行加氢反应6小时替换为以温度100进行 加氢反应6小时。 。
26、0042 所得果糖得率为84.2%。 0043 实施例8 同实施例1， 仅将步骤 （2） 中0.1MPa的氢气压力替换为0.5MPa的氢气压力。 说明书 4/6 页 6 CN 107556345 A 6 0044 所得果糖得率为76.1%。 0045 实施例9 同实施例1， 仅将步骤 （2） 中0.1MPa的氢气压力替换为1MPa的氢气压力。 0046 所得果糖得率为64.9%。 0047 实施例10 同实施例1， 仅将步骤 （2） 中的催化剂镍/活性炭替换为镍/二氧化硅。 0048 对催化剂的回收： 对于具有磁性的金属负载催化剂可通过磁铁吸附或直接过滤回 收， 对没有磁性的催化剂如钯/碳， 。
27、钌/碳可直接通过过滤得到， 对回收的催化剂进行活化， 是用氮氢混合气 （520%的氢气） 在450下还原2小时， 催化剂的活性依然保持不变。 本例 中的镍/二氧化硅催化剂经过四次循环后其催化果糖得率仍能达到92%， 如下表所示： 催化剂循环利用后对果糖得率的影响 催化剂循环次数果糖得率 （%） 195 295 393 492 实施例11 （1） 按D-吡喃糖氧化酶 （pyranose oxidase, EC1.1.3.10） 、 过氧化氢酶、 葡萄糖和水按 质量比为的1:1:100:1000备料， 将葡萄糖和水混合得到葡萄糖溶液后， 再将D-吡喃糖氧化 酶和过氧化氢酶加入到葡萄糖溶液中， 用柠。
28、檬酸调节pH为46， 再在3040下的摇床 （150转/分） 中进行酶催化反应12小时， 得到2-酮基葡萄糖水溶液； 此步骤中加入过氧化氢 酶能有效分解酶氧化反应过程中产生的过氧化氢； （2） 按2-酮基葡萄糖水溶液中的水与醇类的体积比为1： 1， 按按催化剂为2-酮基葡萄糖 水溶液中2-酮基葡萄糖质量的15%， 在步骤 （1） 所得2-酮基葡萄糖水溶液中加入醇类乙醇和 钌/活性炭， 其金属负载量为1%， 经下列加氢反应得到以下产物： 在5MPa的氢气压力条件下以温度100进行加氢反应10小时， 所得产物经聚二偏氟乙 烯有机滤膜进行膜过滤回收催化剂， 并在压力0.05atm、 温度45的条件下。
29、减压蒸馏回收醇 类， 然后将活性炭和硅藻土按质量比为1： 1混合后加入， 再搅拌15分钟， 所得悬浊液通过滤 纸或砂芯漏斗过滤， 以脱除产物中的色素、 氧化酶以及无机盐， 得到水溶液， 所得水溶液在0 5下经冷却结晶、 在3000转/分下离心分离20分钟， 得到晶体和滤液， 晶体即为甘露醇 （白色固体， 分离产率74%） 。 所得滤液经常规精制浓缩， 在50下干燥12小时， 得到山梨醇 （无色针状结晶， 分离得率22%） 。 0049 通过高效液相色谱 （HPLC） 进行定性定量分析， 2-酮基葡萄糖转化率及甘露醇产 率， 检测条件如下： 安捷伦1260液相色谱仪， 色谱柱Carbomix C。
30、a-NP10 (10 um, 8 %交联 度， 7.8300 mm)； 流动相： 超纯水； 柱温： 80； 检测器： 示差折光检测器； 检测器温度： 50 ； 取样量： 10uL。 HPLC检测结果表明， 2-酮基葡萄糖转化率为100%， 甘露醇得率为78%， 山梨 醇得率22%。 0050 实施例12 同实施例11， 仅将步骤 （2） 中5MPa的氢气压力替换为2MPa的氢气压力。 说明书 5/6 页 7 CN 107556345 A 7 0051 所得甘露醇得率为55%。 0052 实施例13 同实施例11， 仅将步骤 （2） 中5MPa的氢气压力替换为3MPa的氢气压力。 0053 所得甘露醇得率为61.5%。 0054 实施例14 同实施例11， 仅将步骤 （2） 中5MPa的氢气压力替换为4MPa的氢气压力。 0055 所得甘露醇得率为70.6%。 说明书 6/6 页 8 CN 107556345 A 8 图1 说明书附图 1/1 页 9 CN 107556345 A 9 。