用于制备D‑阿洛酮糖晶体的方法与流程

本发明涉及一种使用过饱和从D-阿洛酮糖溶液制备高纯度D-阿洛酮糖晶体的方法。

背景技术：

据报道，D-阿洛酮糖是一种甜味剂，其不像果糖或蔗糖，在体内几乎不代谢，基本上没有卡路里，并且对体重增加影响不大，因为它抑制身体脂肪的形成(Matuo,T.et.Al..Asia Pac.J.Clin.Untr.,10,233-237,2001；Matsuo,T.和K.Izumori,Asia Pac.J.Clin.Nutr.,13,S127,2004)。

近来，本发明人已经报道了通过将D-葡萄糖异构化成D-果糖，随后将所得的D-果糖与能够产生D-阿洛酮糖差向异构酶的固定化细胞反应来经济地生产D-阿洛酮糖的方法(韩国专利申请号10-2009-0118465)。由于含有通过酶反应产生的D-阿洛酮糖的反应溶液是含有固体含量为约20％(w/w)至约30％(w/w)的D-阿洛酮糖的低纯度产物，因此需要通过色谱法纯化D-阿洛酮糖以生产具有98％(w/w)以上的高纯度的D-阿洛酮糖晶体颗粒。到目前为止，没有显示具有98％(w/w)以上高纯度的工业上可得到的结晶D-阿洛酮糖的实例。

为了生成晶体形式的D-阿洛酮糖，已经报道了通过酵母发酵除去D-阿洛酮糖反应溶液中未反应的D-果糖后使用大量乙醇的方法(Kei T,等,J.Biosci.Bioeng.,90(4),453-455,2000)。然而，通过酵母发酵从工艺流程中全部除去未反应的D-果糖不能通过在除去副产物中再利用未反应的D-果糖来实现任何成本降低效果。此外，向结晶工艺中添加大量乙醇可能导致辅助材料成本上升，并且需要通过蒸馏方法防止添加的乙醇爆炸和回收的设备，从而导致制备D-阿洛酮糖的成本增加。由于这些原因，上述方法由于生产成本高而对批量生产具有限制。此外，在D-阿洛酮糖的结晶中使用大量的乙醇可能导致D-阿洛酮糖具有乙醇气味，这是不优选的，从而鉴于材料的适用性而引起技术限制。

用于结晶糖的常规方法可以大致分为两种方法。一种是浓缩结晶法，另一种是冷却结晶法。两种方法都是结晶糖的方法并利用在过饱和的亚稳态区域(区域)诱导晶体生长的原理。浓缩结晶法通常用于具有高晶体生长速率的糖例如蔗糖的结晶，而冷却结晶法用于晶体生长速率比蔗糖显著低的糖的结晶。

此外，用于结晶糖的方法在亚稳态区域中进行，其中，亚稳态区域意味着糖溶液的浓度从平衡浓度存在，即饱和浓度至最小过饱和状态自发沉淀晶体。在该区域中不会发生诸如晶体成核的结晶现象。然而，当加入晶种时，可能会发生晶体生长，从而增加晶体尺寸。也就是说，为了产生晶体，当将晶种引入超过饱和浓度的溶液中时，晶种可以在亚稳态区域中生长，导致晶体生长。当用于结晶的溶液过度浓缩或快速冷却时，溶液变得过饱和，超过亚稳态区域，这导致新型晶体成核而代替晶体生长。由于新型晶体成核的产生是由于种群增加而抑制晶体生长的因素，温度条件和初始进入过饱和浓度对于确保晶体生长是重要的。

D-阿洛酮糖具有在过饱和浓度范围内晶体生成率和晶体生长速率几乎不变化的性质，因此可以分类为具有难以晶粒生长的结晶条件的糖。通常地，已知晶体的晶粒尺寸是糖结晶工业中的重要因素。当在大量生产系统中生产的晶体是细晶粒时，由于过饱和浓度区域的粘度，结晶离心分离设备中的晶体与母液之间的分离不容易进行，从而由于剩余的母液使得最终产品的纯度劣化。此外，剩余的母液在干燥时可能导致晶体聚集，从而减少最终产品的包填充量或劣化可销售性。由于这些原因，雾化的晶体不适于大量生产。

韩国专利公开号2011-0035805A(公布于2011年4月6日)中公开了现有技术的一个实例。

技术实现要素：

发明目的

本发明的实施方式提供一种通过连续色谱法而不是酵母发酵来分离获得高纯度D-阿洛酮糖溶液的方法，使得未反应的D-果糖可再使用，而不是从工艺流程中除去。本发明的实施方式提供一种生产D-阿洛酮糖的方法，该方法能够在分离、干燥和包填充过程中使D-阿洛酮糖溶液的损失最小化，通过从分离的高纯度D-阿洛酮糖溶液中晶粒生长而不使用诸如乙醇等的有机溶剂，从而促进晶体与母液的分离。

本发明的实施方式提供一种通过降低可变成本和固定成本以降低生产成本来结晶D-阿洛酮糖的方法。本发明的实施方式提供一种具有改进的结晶工艺流程和产品销售性的生产纯度为98％(w/w)以上且晶粒尺寸为MA 200以上的高纯度D-阿洛酮糖的方法。

技术手段

根据一个实施方式，本发明提供一种制备纯度为98％(w/w)以上且晶粒尺寸为MA 200以上的高纯度D-阿洛酮糖晶体的方法，其包括：从D-阿洛酮糖溶液除去杂质以获得纯化的D-阿洛酮糖溶液；浓缩纯化的D-阿洛酮糖溶液；通过热交换器将浓缩的D-阿洛酮糖溶液冷却至30℃至40℃；在30℃至40℃下接种D-阿洛酮糖溶液以获得糖膏；以及使结晶的糖膏充分结晶。

技术效果

根据本发明，制备方法可以通过经济的结晶方法从没有有机溶剂的D-阿洛酮糖溶液生产出适合工业应用形式的纯D-阿洛酮糖晶体。

附图说明

图1表示根据温度的80白利糖度(％)D-阿洛酮糖溶液的热变性纯度变化；

图2是表示从晶种结晶制备的D-阿洛酮糖的晶粒尺寸(颗粒直径)的图；以及

图3是表示通过充分结晶制备的D-阿洛酮糖的晶粒尺寸(颗粒直径)的图。

具体实施方式

接下来，将更详细地描述本发明的实施方式。本文将省略对本领域技术人员显而易见的细节的描述。

本发明的一个实施方式涉及一种生产具有98％(w/w)以上的高纯度和MA200以上的晶粒尺寸的D-阿洛酮糖晶体的方法，其包括：从D-阿洛酮糖溶液除去杂质以获得纯化的D-阿洛酮糖溶液；浓缩纯化的D-阿洛酮糖溶液；通过热交换器将浓缩的D-阿洛酮糖溶液冷却至30℃至40℃，优选为35℃至40℃；在30℃至40℃下晶种结晶D-阿洛酮糖溶液以获得糖膏；以及使晶种结晶的糖膏充分结晶。

用于本发明的D-阿洛酮糖溶液可以通过属于能够从分离自Corynebacterium属的D-果糖或D-阿洛酮糖差向异构酶中表达D-阿洛酮糖差向异构酶的Corynebacterium属的微生物来产生。术语“D-阿洛酮糖差向异构酶”是指能够将D-果糖转化为D-阿洛酮糖的D-阿洛酮糖-3-差向异构酶。

D-阿洛酮糖溶液可以通过培养能够产生D-阿洛酮糖差向异构酶的Corynebacterium glutamicum KCTC 13032、将获得的微生物或从微生物分离的酶固定在诸如藻酸钠的固定载体上并引入D-果糖作为取代基来获得，如韩国专利申请号2009-0118465中所公开的，但不限于此。

为了从D-阿洛酮糖溶液中收集D-阿洛酮糖晶体，从D-阿洛酮糖溶液中除去影响D-阿洛酮糖的纯化和结晶的其它物质，使得D-阿洛酮糖溶液具有有效结晶的合适状态。因此，根据本发明的生产D-阿洛酮糖晶体的方法可以包括从D-阿洛酮糖溶液中除去杂质以获得纯化的D-阿洛酮糖溶液。

具体地，获得纯化的D-阿洛酮糖溶液的步骤可以包括通过经过填充有脱色剂的柱来对D-阿洛酮糖溶液进行脱色；通过离子交换树脂色谱法脱盐经脱色的D-阿洛酮糖溶液；以及使脱盐的D-阿洛酮糖溶液经过填充有附着有钾活化基团的离子交换树脂的连续色谱柱，从而获得纯化的D-阿洛酮糖溶液。

更具体地，可以通过色谱法通过使D-阿洛酮糖溶液经过填充有阳离子交换树脂的柱和填充有阴离子交换树脂的柱来进行脱盐D-阿洛酮糖溶液的步骤。当使用强碱型阴离子树脂进行离子交换树脂纯化以产生纯化的D-阿洛酮糖溶液时，D-阿洛酮糖可能变性，从而导致D-阿洛酮糖溶液的纯度降低。因此，为了生产高纯度的D-阿洛酮糖晶体，必须使用100％的弱碱型阴离子树脂。在由典型地用于糖纯化的强酸型阳离子树脂和强碱型阴离子树脂组成的混合树脂中也观察到D-阿洛酮糖的变性。因此，为了在没有变性D-阿洛酮糖的情况下进行有效的脱盐，将100％的弱碱型阴离子树脂用于脱盐D-阿洛酮糖溶液。

此外，为了获得高纯度的D-阿洛酮糖，可以进行经过连续色谱法的分离。用于D-阿洛酮糖晶体的D-阿洛酮糖溶液中的D-阿洛酮糖的含量优选为90％至95％或更高，更优选为95％以上。由于由D-阿洛酮糖差向异构酶制备的D-阿洛酮糖溶液中的D-阿洛酮糖具有约24％(w/w)的低纯度，因此不能进行从D-阿洛酮糖溶液的直接结晶。为了获得高纯度的D-阿洛酮糖晶体，将D-阿洛酮糖溶液进行脱色和脱盐以在结晶之前除去杂质，然后通过经过连续的填充有附着钙活化基团的离子交换树脂的色谱柱来纯化。

在用于结晶糖的典型方法中，D-阿洛酮糖溶液在过饱和浓度范围内以每小时特定速率从高温缓慢冷却至一定温度范围。与这种典型的方法不同，在根据本发明的生产D-阿洛酮糖晶体的方法中，浓缩至80-85白利糖度(％)(D-阿洛酮糖溶液×100/总溶液)范围内的过饱和浓度的D-阿洛酮糖溶液通过热交换器以5℃至20℃/小时的速率快速冷却至30℃至40℃的温度，然后引入结晶设备。当D-阿洛酮糖溶液冷却至30℃至40℃时，可以防止浓缩至80至85白利糖度(％)范围内的过饱和浓度(D-阿洛酮糖溶液×100/总溶液)的D-阿洛酮糖溶液热变性，从而可以保留分离的高纯度D-阿洛酮糖溶液的纯度，从而提高结晶过程中晶体的产率和晶粒尺寸。为了将浓缩至80至85白利糖度(％)(D-阿洛酮糖溶液×100/总溶液)范围内的过饱和浓度的D-阿洛酮糖溶液转移至结晶设备，将浓缩至80至85白利糖度(％)范围内的过饱和浓度的D-阿洛酮糖溶液收集并储存在中间储罐中，其温度为60℃至75℃，对应于D-阿洛酮糖的热变性温度。

具体地，结晶D-阿洛酮糖的时间为80小时至120小时。D-阿洛酮糖的结晶可以通过将浓缩的过饱和浓度范围内的D-阿洛酮糖溶液通过热交换器以5℃至20℃/小时的速率快速冷却至30℃至40℃，然后将D-阿洛酮糖溶液引入结晶设备，并在30℃至40℃的结晶温度范围内反复加热冷却D-阿洛酮糖溶液5至10次来进行。也就是说，基于结晶设备的操作能力，在30℃至40℃下浓缩至80至85白利糖度(％)的过饱和浓度范围的D-阿洛酮糖溶液的引入量为5％(v/v)至20％(v/v)，其中使冷却水在30℃至35℃的温度范围内循环。D-阿洛酮糖的结晶通过基于D-阿洛酮糖的初始量以10ppm至100ppm(v/v)的量引入制备的D-阿洛酮糖晶种来引发，以获得糖膏。在此，术语“糖膏”是指当D-阿洛酮糖晶种触发结晶时由晶体和溶液组成的混合浆料。

此外，为了诱导D-阿洛酮糖晶体的生长，基于结晶设备的操作能力，在30℃至40℃下浓缩至80至85白利糖度(％)的过饱和浓度范围的D-阿洛酮糖溶液以5％(v/v)至20％(v/v)/从引发结晶起10小时至20小时的量引入到结晶设备。该操作可以重复5次至10次，以在晶体糖膏内在30℃至40℃的物品温度范围内重复加热和冷却5次至10次，从而诱导D-阿洛酮糖晶体的生长。

通过本发明的生产方法得到的D-阿洛酮糖晶体特别地具有MA 200以上的晶粒尺寸，更特别地具有MA300以上的晶粒尺寸。

如本文所用，晶粒尺寸是指晶体的平均尺寸。根据JIS或ASTM，晶粒尺寸通过以100x取得的显微照片中的每单位面积(25mm²)的晶粒数表示，也称为晶粒尺寸数。最近，晶粒尺寸用来表示晶体的平均尺寸。在本发明中，晶粒尺寸是指晶体的平均尺寸(颗粒直径)。

测定D-阿洛酮糖的晶粒尺寸的方法没有特别限制，可以使用本领域通常使用的任何方法。用于测量晶粒尺寸的方法的实例包括比较程序(FGC)、平面测量程序(FGI)和截距程序(FGP)，但不限于此。

为了得到晶粒尺寸为MA 200以上的D-阿洛酮糖晶体，可以通过两个阶段进行结晶，即晶种结晶和充分结晶，其中晶种结晶相比于充分结晶优选地以5％(v/v)至20％(v/v)的量进行。通过根据本发明的方法制备的晶种的晶粒尺寸范围为MA 100至MA 150。将所制备的晶种的总量转移到用于充分结晶的设备中，然后以与上述相同的方式进行充分结晶，由此最终得到纯度为98％(w/w)以上，粒径为MA 200以上，更优选为MA 300以上的高纯度D-阿洛酮糖。

作为结晶设备，可以使用本领域通常使用的任何糖结晶设备，而无需改变或适当的修改。作为从最终的结晶糖膏分离高纯度D-阿洛酮糖晶体和母液的设备，可以使用本领域中通常使用的任何糖分离设备，而无需改变或适当的修改。

在下文中，将参考一些实施例更详细地描述本发明。应当理解，这些实施例仅用于说明，而不以任何方式解释为限制本发明。

本文中将省略对本领域技术人员显而易见的细节的描述。

实施例

制备例

如韩国专利申请号10-2009-0118465中所公开那样，D-阿洛酮糖通过连续生产D-阿洛酮糖的方法生产，其包括发酵Corynebacterium glutamicum KCTC13032和通过载体将D-果糖转化为D-阿洛酮糖，其中上述微生物或从微生物分离的D-阿洛酮糖差向异构酶固定到所述载体。通过该方法制备的D-阿洛酮糖具有约24％(w/w)的低纯度，从而难以进行直接结晶。将生成的D-阿洛酮糖溶液浓缩至50白利糖度(％)并穿过填充有粒状活性炭的脱色塔，以从浓缩溶液中除去有色物质。

实施例1

制备例中得到的所得D-阿洛酮糖溶液的纯度为24％(w/w)，应将其提高到90％至95％(w/w)或更高以进行结晶。为了通过连续色谱法有效分离D-阿洛酮糖，应该除去D-阿洛酮糖溶液中的离子。当待分离的溶液中存在离子组分时，离子组分可以代替分离树脂的活化基团，降低树脂的分离能力，其通过使用分离树脂，反过来使得不可能连续分离D-阿洛酮糖至纯度为90％至95％(w/w)或更高。

因此，使制备例中得到的纯度为24％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液经过填充有被氢基取代的强酸型阳离子交换树脂(拜耳S1668)的柱和填充有被羟基取代的弱碱型阴离子交换树脂(拜耳S4528)的柱，从而除去残留在溶液中的离子成分。使用电导率仪测量离子组分的除去，其中，将电导率调节至不超过10微西门子/厘米，D-阿洛酮糖的纯度保持在24％(w/w)。市售的弱阴离子交换树脂部分保持强碱性。因此，为了进行脱盐而不由于纯度降低而损失D-阿洛酮糖，应当使用不具有强碱性的100％弱碱型阴离子树脂。

实施例2

将实施例1中通过脱色和脱盐除去有色材料和离子成分而得到的纯度为24％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液浓缩至60白利糖度(％)。使浓缩的D-阿洛酮糖通过ASMB 6Tower(由Organo Co.,Ltd.制造)经过被钙基取代的离子交换树脂(Amberlite CR1310Ca)，以得到纯化的D-阿洛酮糖溶液。填充在离子交换树脂柱中的离子交换树脂的量为10L。穿过柱的样品，即实施例1中制备的纯化的D-阿洛酮糖溶液的量为2L/循环，并且操作温度为60℃。引入样品并用5L/循环去离子水洗脱后，得到的D-阿洛酮糖的纯度为95％(w/w)。

实施例3

将实施例2中纯化和分离的纯度为95％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液浓缩至80白利糖度(％)。将纯度为95％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液通过热交换器以10℃/小时的速率快速冷却至40℃，并基于结晶设备的操作能力，以20％(v/v)的量引入结晶设备。将结晶设备中的冷却水循环以保持35℃。然后，将制备的D-阿洛酮糖晶种以100ppm(v/v)的量引入以引发D-阿洛酮糖晶种结晶。为了诱导D-阿洛酮糖晶体的生长，基于结晶设备的操作能力，在40℃下浓缩至80.0白利糖度(％)的D-阿洛酮糖溶液进一步以20％(v/v)/从开始结晶计12小时的量加入到结晶设备。这样的操作重复4次，以在晶体糖膏中在35℃至40℃的物品温度范围内重复加热和冷却4次。最后，从开始结晶计，进行D-阿洛酮糖晶种反应60小时。通过晶体离心分离设备将D-阿洛酮糖晶种结晶的糖膏分离、干燥和筛分，通过分离D-阿洛酮糖晶体和母液，从而得到具有99.4％(w/w)的纯度和MA 135.5的晶粒尺寸的最终D-阿洛酮糖晶体，产率为35.2％。

实施例4

使用实施例3中制备的D-阿洛酮糖晶种结晶的糖膏进行D-阿洛酮糖的充分结晶。基于结晶设备的操作能力，将D-阿洛酮糖晶种结晶的糖膏以20％(v/v)的量引入结晶设备。在结晶设备中，将冷却水循环以保持35℃。将实施例2中纯化和分离的纯度为95％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液浓缩至80白利糖度(％)。将纯度为95％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液通过热交换器以10℃/小时的速率快速冷却至40℃。然后，基于结晶设备的操作能力，将冷却的D-阿洛酮糖溶液以20％(v/v)的量引入结晶设备，使得基于结晶设备的操作能力，充分结晶的初始总量变为40％(v/v)。为了诱导D-阿洛酮糖晶体的生长，基于结晶设备的操作能力，在40℃下浓缩至80.0白利糖度(％)的D-阿洛酮糖溶液进一步以20％(v/v)/从开始结晶计20小时的量加入到结晶设备。这样的操作可以重复3次，以在晶体糖膏中在35℃至40℃的物品温度范围内重复加热和冷却3次。最后，充分D-阿洛酮糖结晶进行80小时。通过晶体离心分离设备将D-阿洛酮糖晶种结晶的糖膏分离、干燥和筛分，通过分离D-阿洛酮糖晶体和母液，从而得到具有99.8％(w/w)的纯度和MA 373.9的晶粒尺寸的最终D-阿洛酮糖晶体，产率为52.8％。

比较例1

使制备例中得到的纯度为24％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液经过填充有被氢基取代的强酸型阳离子交换树脂(拜耳S1668)的柱和填充有被羟基取代的弱碱型阴离子交换树脂(拜耳S4528)的柱。最后，使得到的D-阿洛酮糖溶液经过填充有强酸型阳离子交换树脂和强碱型阴离子交换树脂的混合物的离子交换柱(拜耳NM60)，从而除去残留在溶液中的离子成分。使用电导率仪来确定离子成分的除去，其中，将电导率调节至不超过10微西门子/厘米，并且D-阿洛酮糖的纯度降低至21.2％(w/w)。

比较例2

将制备例中得到的纯度为24％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液经过填充有被氢基取代的强酸型阳离子交换树脂(拜耳S1668)的柱和填充有被羟基取代的弱碱型阴离子交换树脂(拜耳S4528)的柱，从而除去残留在溶液中的离子成分。使用电导率仪来确定离子成分的除去，其中，将电导率调节至不超过10微西门子/厘米，并且D-阿洛酮糖的纯度降低至22.8％(w/w)。

比较例3

将上述实施例2中纯化和分离的纯度为95％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液浓缩至85白利糖度(％)。将结晶设备中纯度为95％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液以0.31℃/小时的速率从50℃冷却至35℃，以进行结晶48小时。通过使用晶体离心分离设备分离D-阿洛酮糖晶体和母液以分离最终的D-阿洛酮糖晶体糖膏。作为结果，最终结晶糖膏中的母液与D-阿洛酮糖晶体之间没有分离。

比较例4

将上述实施例2中纯化和分离的纯度为95％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液浓缩至82.5白利糖度(％)。将结晶设备中的纯度为95％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液以0.30℃/小时的速率从50℃冷却至35℃，以进行结晶。通过晶体离心分离设备将最终的D-阿洛酮糖晶体糖膏分离、干燥和筛分，通过分离D-阿洛酮糖晶体和母液，从而得到具有98.5％(w/w)的纯度和MA 82的晶粒尺寸的最终D-阿洛酮糖晶体，产率为20.9％。

比较例5

将上述实施例2中纯化和分离的纯度为95％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液浓缩至82.5白利糖度(％)。将结晶设备中的纯度为95％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液以0.15℃/小时的速率从50℃冷却至35℃历时100小时，以进行结晶。通过晶体离心分离设备将最终的D-阿洛酮糖晶体糖膏分离、干燥和筛分，通过分离D-阿洛酮糖晶体和母液，从而得到具有98.9％(w/w)的纯度和MA 95的晶粒尺寸的最终D-阿洛酮糖晶体，产率为24.5％。

比较例6

将上述实施例2中纯化和分离的纯度为95％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液浓缩至82.5白利糖度(％)。将结晶设备中纯度为95％(w/w)的D-阿洛酮糖溶液以0.08℃/小时的速率从50℃冷却至35℃历时200小时，以进行结晶。通过晶体离心分离设备将最终的D-阿洛酮糖晶体糖膏分离、干燥和筛分，通过分离D-阿洛酮糖晶体和母液，从而得到具有97.9％(w/w)的纯度和MA 75的晶粒尺寸的最终D-阿洛酮糖晶体，产率为17.2％。

比较例1和2中制备的D-阿洛酮糖的纯度低于实施例1中制备的D-阿洛酮糖的纯度，其中，比较例1中使用强酸型离子交换树脂，比较例2中使用除了100％弱碱型离子交换树脂之外的市售弱碱型离子交换树脂。此外，比较例1至3，其中，使用了常规的糖结晶方法，即将D-阿洛酮糖溶液从高温缓慢地以每小时特定速率冷却至过饱和浓度的一定温度范围的方法，与实施例相比，没有显示D-阿洛酮糖晶体和母液之间的分离或者表现出较低的纯度、晶粒尺寸和产率。从这些结果可以看出，与现有的冷却结晶方法相比，根据本发明的制备D-阿洛酮糖晶体的方法可以产生具有更好的市售性的D-阿洛酮糖。

虽然这里已经描述了一些实施方式，但是本领域技术人员应当理解，这些实施方式仅以说明的方式给出，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改、变化和更改。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求及其等同限制。