从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖的方法和系统，其中，该包括：在微反应器中，使所述混合物与氢气接触，以便发生加氢反应，使所述杂糖被还原为糖醇，从而获得含有海藻糖和糖醇的加氢产物；以及从所述加氢产物中分离海藻糖。利用该方法，能有效地从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖。
【专利说明】从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖的方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及制糖工业【技术领域】，特别涉及从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖的方法和系统。
【背景技术】
[0002]海藻糖(Trehalose)是由两个葡萄糖分子以a, a-1，1-糖苷键构成的一种非还原性二糖，无色无嗅，具有很强的热稳定性、酸稳定性和化学稳定性，对蛋白质、核酸、细胞膜等活体成分有很强的稳定作用，素有“生命之糖”的美誉，在活体受到外界压力(干燥、冻结、渗透压等)时有保护作用，是唯一被美国FDA认证为安全的功能性低聚糖。
[0003]国内外对海藻糖生产的研究从微生物抽提法、发酵法到酶法合成，都在不断的完善生产工艺，提高生产效率。而酶法合成海藻糖逐渐成为海藻糖生产的主流方法，酶转化法生产海藻糖是以葡萄糖、麦芽糖或淀粉等为底物，通过与海藻糖合成有关的酶系作用转化成海藻糖。根据酶系的不同，酶转化法又分为磷酸化酶体系两步催化途径、非磷酸化酶体系两步催化途径、海藻糖合成酶一步催化途径三种。其中，海藻糖合成酶一步催化途径是由treS基因编码的海藻糖合成酶通过分子内转糖基作用把a，a-1，4糖苷键连接的麦芽糖转化为a，a-1，I糖苷键连接的海藻糖。一般海藻糖合成酶一步催化途径还伴随有副产物葡萄糖和未反应完的麦芽糖存在，结合相应的分离手段得到海藻糖产品。
[0004]目前工业生产中海藻糖的分离工艺大都采用的是色谱分离技术，其主要步骤包括:海藻糖混合液经过活性炭连续脱色和用H-和OH+型离子交换树脂脱盐后，再通过结合利用两种或多种色谱方法，如离子交换柱色谱和用活性炭或硅胶的柱色谱相结合的柱色谱分级分离，最后利用结晶或重结晶将海藻糖分离结晶出来。
[0005]然而，目前对海藻糖的分离纯化仍有待改进。
【发明内容】
[0006]本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖的手段。
[0007]在本发明的第一方面，本发明提出了一种从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖的方法。根据本发明的实施例，该方法包括:在微反应器中，使所述混合物与氢气接触，以便发生加氢反应，使所述杂糖被还原为糖醇，从而获得含有海藻糖和糖醇的加氢产物；以及从所述加氢产物中分离海藻糖。本发明是基于发明人首次将微流控加氢技术弓丨入到糖类加氢中而完成的。发明人经过大量的研究，意外地发现通过利用微反应器，可以完成包含海藻糖和杂糖的混合物中的杂糖的加氢反应，由此，可以将海藻糖与杂糖(例如麦芽糖、葡萄糖)的分离问题转变为海藻糖与糖醇(例如麦芽糖醇、山梨醇)的分离，提高了物质之间的极性差异，降低分离难度，同时将杂糖转变为糖醇，提高了杂糖的利用价值，解决了资源浪费问题。另外，利用微反应器完成加氢反应，传质传热速率快、比表面积高、反应条件更加温和、容易控制等优点，提高加氢反应的效率，增强加氢反应的安全性。
[0008]根据本发明的实施例，该方法还可以具有下列附加技术特征:
根据本发明的一个实施例，所述杂糖包括选自葡萄糖和麦芽糖的至少一种。
[0009]根据本发明的一个实施例，所述包含海藻糖和杂糖的混合物为通过将麦芽糖与海藻糖合成酶接触而获得的反应产物。
[0010]根据本发明的一个实施例，所述加氢反应是在25~100摄氏度的温度下进行的。优选，所述加氢反应是在5(T80摄氏度的温度下进行的。根据本发明的一个实施例，所述氢气的压力为f4MPa。优选，根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氢气的压力为f2MPa。根据本发明的一个实施例，所述包含海藻糖和杂糖的混合物的溶质浓度为1(T50 (w/v)%,并且所述包含海藻糖和杂糖的混合物以0.2^1毫升/分钟的流速通过所述微反应器根据本发明的一个实施例，在所述微反应器中设置有催化剂，所述催化剂包含选自镍、铑、钯、钼、钌及其衍生物的至少一种，所述衍生物为选自金属氧化物。
[0011]由此，根据本发明的具体实施例，本发明所述海藻糖分离方法中，微反应器可以由一个或多个微通道组成，所述微通道的宽度为1-1000微米，优选100-500微米，深度为10-100微米；所述微通道作用提供了工作液流动路径；所述微反应器还包含微混合器用于将气液两相进行混合；所述微混合器包括T形或Y型等形状的混合装置。根据本发明的具体实施例，微反应器加氢反应温度为25-100 °C，优选50-80 °C ;所述工作液浓度10-50 %(w/v),所述工作液流速为0.2-1 mL/min,优选0.4-0.6 mL/min ;所述氢气压力为1-4 Mpa,优选小于2 Mpa。另外，根据本发明的具体实施例，加氢反应催化剂可以为过渡金属催化剂，包括镍、铑、钯、钼、钌等稀有贵金属，以及稀有金属衍生物，如稀有金属氧化物、负载型非晶态合金催化剂、负载型纳米粒子金属催化剂。根据本发明的具体实施例，在微反应器中，催化剂添加量可以为0.1-5 %(w/v)，可以采用金属负载量为0.1-50 wt%，优选1-10 wt%的负载型催化剂。`
[0012]另外，根据本发明的实施例，可以通过色谱法从所述加氢产物中分离海藻糖。可以采用任何色谱方法，例如包括离子交换柱色谱或结合模拟移动床的更高效的色谱分离方法。
[0013]在本发明的第二方面，本发明提出了一种用于从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖的系统。具体的，参考图广3，该系统包括:微反应器100和分离装置200。根据本发明的实施例，所述微反应器中限定出加氢空间，用于使所述混合物与氢气接触，以便发生加氢反应，使所述杂糖被还原为糖醇，从而获得含有海藻糖和糖醇的加氢产物。根据本发明的实施例，所述分离装置与所述微反应器相连，用于从所述加氢产物中分离海藻糖。由此，利用根据本发明的实施例的用于从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖的系统可以有效地实施前面所述的用于从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖的方法。由此，通过利用微反应器，可以完成包含海藻糖和杂糖的混合物中的杂糖的加氢反应，由此，可以将海藻糖与杂糖(例如麦芽糖、葡萄糖)的分离问题转变为海藻糖与糖醇(例如麦芽糖醇、山梨醇)的分离，提高了物质之间的极性差异，降低分离难度，同时将杂糖转变为糖醇，提高了杂糖的利用价值，解决了资源浪费问题。另外，利用微反应器完成加氢反应，传质传热速率快、比表面积高、反应条件更加温和、容易控制等优点，提高加氢反应的效率，增强加氢反应的安全性。[0014]根据本发明的实施例，该系统还可以具有下列附加技术特征:
在本发明的一个实施例中，进一步包括:预混器300，所述预混器与所述微反应器相连，用于对所述氢气和包含海藻糖和杂糖的混合物进行预先混合后，将所得到的混合物供给至所述微反应器，其中，所述预混器包括:氢气入口，所述氢气入口用于向所述预混器中供给氢气；工作液体入口，所述工作液体入口用于向所述预混器中供给所述包含海藻糖和杂糖的混合物。
[0015]在本发明的一个实施例中，进一步包括:海藻糖合成器400，所述海藻糖合成器中设置有海藻糖合成酶，用于通过将麦芽糖与海藻糖合成酶接触获得所述包含海藻糖和杂糖的混合物。
[0016]在本发明的一个实施例中，进一步包括温度控制装置500，所述温度控制装置用于控制所述微反应器中的温度。优选，所述温度控制装置为油浴装置。
[0017]在本发明的一个实施例中，所述微反应器包括至少一个微通道，所述微通道的宽度为1-1000微米，深度为1(T100微米。优选，所述微反应器的宽度为10(T500微米。由此，根据本发明的具体实施例，本发明所述海藻糖分离方法中，微反应器可以由一个或多个微通道组成，所述微通道的宽度为1-1000微米，优选100-500微米，深度为10-100微米；所述微通道作用提供了工作液流动路径；所述微反应器还包含微混合器用于将气液两相进行混合；所述微混合器包括T形或Y型等形状的混合装置。根据本发明的具体实施例，微反应器加氢反应温度为25-100 °C，优选50-80 °C ;所述工作液浓度10-50 % (w/v)，所述工作液流速为0.2-1 mL/min,优选0.4-0.6 mL/min ;所述氢气压力为1-4 Mpa,优选小于2 Mpa。另外，根据本发明的具体实施例，加氢反应催化剂可以为过渡金属催化剂，包括镍、铑、钯、钼、钌等稀有贵金属，以及稀有金属衍生物，如稀有金属氧化物、负载型非晶态合金催化剂、负载型纳米粒子金属催化剂。根据本发明的具体实施例，在微反应器中，催化剂添加量可以为0.1-5 % (w/v)，可以采用金属负载量为0.1-50 wt%，优选1-10 wt%的负载型催化剂。
[0018]在本发明的一个实施例 中，所述分离装置适于通过色谱法从所述加氢产物中分离海藻糖。
[0019]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
[0020]另外，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
图1是根据本发明一个实施例的用于从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖系统的结构示意图；
图2是根据本发明又一个实施例的用于从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖系统的结构不意图；以及
图3是根据本发明另一个实施例的用于从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面详细描述本发明的实施例，这些实施例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0023]实施例1
(I)海藻糖与其他杂糖混合液的制备以20 %麦芽糖为底物，利用海藻糖合成酶，在25 °C,pH 7.0条件下，催化麦芽糖，获得包含海藻糖与葡萄糖的混合液，海藻糖合成酶酶加量为麦芽糖底物质量的10 %，酶催化反应20 h后，反应液中成分为70 %海藻糖，22 %未反应完的麦芽糖和8 %的葡萄糖副产物。
[0024](2)负载型纳米粒子金属催化剂制备
负载型纳米粒子金属催化剂包含十二烷基硫醚与钌的配合物(n-dodecy I sulde-Ru), n-dodecylsul de_Ru(NDS-Ru)催化剂采用热分解法值得。首先，所有玻璃仪器都需要使用王水浸泡以除去玻璃容器中残留的还原性物质。在三口瓶中配体化合物[CH3(CH2)1J2S与钌金属前体Ru (cod) (cot)以5:1摩尔比例溶于甲苯，水浴60 °C反应Ih0所得NDS-Ru催化剂，其粒径为4±0.5 nm。
[0025](3)山梨醇与麦芽糖醇检测方法
HPLC法:液相设备(D10NEX-U3000)，配备(R1-101)示差检测器及HP-Amino色谱柱，流动相比例为乙腈:水=65:35,柱温:30°C,流速`:1.0 mL/min,运行时间25min。
[0026](4)葡萄糖加氢
在加氢微反应器中，先通入氢气4-5次置换反应器内的空气，再以0.4 mL/ min的流速通入50 % (w/v)浓度的葡萄糖溶液，NDS-Ru催化剂装填于所述微反应器的全部长度内，保持氢气压力为2 Mpa，保持60 °C恒温油浴。氢气与葡萄糖溶液依次经过微混合器、微反应器，并在按照表1中所列出的参数发生加氢反应，最后通过出料口出料用于分离检测，结果如表1所示。
[0027]实施例2麦芽糖加氢
按照实施例1的方法，只是采用30 %麦芽糖为工作液，使麦芽糖在微反应器中按照表I中所列出的参数发生加氢反应，结果如表1所示。
[0028]实施例3
按照实施例1的方法，只是采用包含27被％葡萄糖和73 wt%的麦芽糖的混合物为工作液，使葡萄糖与麦芽糖混合物在微反应器中按照表1中所列出的参数发生加氢反应，结果如表1所示。
[0029]表1
实施例1工作液I温度/°C I氢气压力/Mpa I工作液流速mL/min |转化率/%
1_ 葡萄糖602g 499! 9
2_ 麦芽糖602g 499! 9
3I葡萄糖与麦芽糖混合物 |60 |2|0.4|99.9由表1可以看出，利用微反应器可以有效地将葡萄糖、麦芽糖以及二者的混合转化为相应的糖醇，从而便于后续分离纯化海藻糖。
[0030]在本说明书的描述中，参考术语“ 一个实施例”、“ 一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0031]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可 以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1.一种从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖的方法，其特征在于，包括: 在微反应器中，使所述混合物与氢气接触，以便发生加氢反应，使所述杂糖被还原为糖醇，从而获得含有海藻糖和糖醇的加氢产物；以及 从所述加氢产物中分离海藻糖。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述杂糖包括选自葡萄糖和麦芽糖的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述包含海藻糖和杂糖的混合物为通过将麦芽糖与海藻糖合成酶接触而获得的反应产物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加氢反应是在25~100摄氏度的温度下进行的。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加氢反应是在5(T80摄氏度的温度下进行的。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢气的压力为f4MPa。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氢气的压力为llMPa。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述包含海藻糖和杂糖的混合物的溶质浓度为l(T50(W/v)%，并且所述包含海藻糖和杂糖的混合物以0.2~1毫升/分钟的流速通过所述微反应器。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述微反应器中设置有催化剂，所述催化剂包含选自镍、铑、钯、钼、钌及其衍生物的至少一种，所述衍生物为选自金属氧化物。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过色谱法从所述加氢产物中分离海藻糖。
11.一种用于从包含海藻糖和杂糖的混合物中纯化海藻糖的系统，其特征在于，包括: 微反应器，所述微反应器中限定出加氢空间，用于使所述混合物与氢气接触，以便发生加氢反应，使所述杂糖被还原为糖醇，从而获得含有海藻糖和糖醇的加氢产物；以及 分离装置，所述分离装置与所述微反应器相连，用于从所述加氢产物中分离海藻糖。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，进一步包括: 预混器，所述预混器与所述微反应器相连，用于对所述氢气和包含海藻糖和杂糖的混合物进行预先混合后，将所得到的混合物供给至所述微反应器， 其中， 所述预混器包括: 氢气入口，所述氢气入口用于向所述预混器中供给氢气； 工作液体入口，所述工作液体入口用于向所述预混器中供给所述包含海藻糖和杂糖的混合物。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，进一步包括: 海藻糖合成器，所述海藻糖合成器中设置有海藻糖合成酶，用于通过将麦芽糖与海藻糖合成酶接触获得所述包含海藻糖和杂糖的混合物。
14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，进一步包括温度控制装置，所述温度控制装置用于控制所述微反应器中的温度。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述温度控制装置为油浴装置。
16.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述微反应器包括至少一个微通道，所述微通道的宽度为1-1000微米，深度为10-100微米。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述微反应器的宽度为100飞00微米。
18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微反应器中设置有催化剂，所述催化剂包含选自镍、铑、钯、钼、钌及其衍生物的至少一种，所述衍生物为选自金属氧化物。
19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分离装置适于通过色谱法从所述加氢产物中分离海藻糖。
【文档编号】C12P19/24GK103483395SQ201310412037
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】黄和, 江凌, 唐飞, 李霜, 徐娴 申请人:南京工业大学