一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法
【专利摘要】本发明公开了一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法，以含有葡萄糖和果糖的混合溶液中加入葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶，将葡萄糖氧化制备葡萄糖酸，并保持果糖不发生变化；在葡萄糖酸和果糖混合液中加入酸催化剂和有机萃取剂，经果糖脱水反应制备羟甲基糠醛，并保持葡萄糖酸维持不变；两种产物葡萄糖酸溶于水相，而羟甲基糠醛主要溶于有机相，从而实现两种产品的分离。本发明提供的联产法制备葡萄糖酸和羟甲基糠醛与其他非联产法相比，具有以下优点：在同一反应体系中，经过不同反应实现两种产品的制备，并相互不产生影响；两种产品分别存在于不同相中，易于分离。
【专利说明】
一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法
技术领域
[0001] 本发明属于化学合成领域，具体涉及一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法。
【背景技术】
[0002] 5-羟甲基糠醛(HMF)作为重要的生物基平台化合物，从2006年以来已经被广泛的 研究。从羟甲基糠醛出发可转化为一系列重要有机化工原料、医药中间体、农药产品等。如 氧化后形成呋喃二甲酸可以替代对苯二甲酸，从而生产与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)相 似性质的呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF);还原后可以获得呋喃二甲醇、二甲基四氢呋喃等化合 物，可作为液体燃料;将羟甲基糠醛与丙酮在碱性条件下进行羟醛缩合，形成16-18碳的化 合物，可以用于制备航空煤油替代燃料；另外通过酯化、卤化、聚合等化学反应既可生产医 药中间体，又可转化为一系列重要的有机化工原料。如何实现生物质向5-HMF的高效转 化、开发绿色催化体系、实现5-HMF的工业化生产是近年来本领域研究的重要热点之一。
[0003] 果糖是制备羟甲基糠醛的最佳原料，由于其自身易形成呋喃环结构，脱去3分子水 后形成羟甲基糠醛。但自然界中，果糖来源受到限制而且价格昂贵。因此，研究者将目光转 向储量更大、价格便宜、更易获取的原料葡萄糖。从葡萄糖制备羟甲基糠醛，需要先将其转 化为果糖，然后进一步脱水。这个过程可以分步进行，也可以在同一反应体系中同时进行。 但是葡萄糖向果糖转化往往是可逆过程，反应体系中存在的少量葡萄糖对于产物羟甲基糠 醛有一定的影响，形成沉淀造成羟甲基糠醛收率的降低。采用多糖为原料，如淀粉、纤维素、 菊糖等，也存在这样的问题，需要将多糖降解为单糖后转化为果糖脱水制备羟甲基糠醛。目 前，虽然采用单糖、多糖为原料制备羟甲基糠醛的方法、反应机理、制备工艺及溶剂体系等 相关文献已有大量报道，但仍然无法解决低成本制备羟甲基糠醛的问题。
[0004] 多产品联产技术是化学工业的核心，在煤化工、石油化工、天然气化工和化肥等方 面均有广泛应用。所谓多产品联产技术(工艺）即是在一个工艺过程中同时生产出两种或两 种以上的化工产品。即单一物料经过一次或多次加工，获得主产品和联产产品。虽然开发商 业化的化工工艺，一直致力于开发选择性高、成本低、"三废"量少的工艺。但是由于反应特 性的限制，很难找到高选择性可利用的反应及催化剂，大多数可利用的化学反应都会或 多或少地生成一些副产物。而这些联产产品的开发对于降低成本具有重要价值。目前，生物 质利用则没有充分考虑到多产品联产工艺的开发。通过将酶催化反应的专一性和化学催化 反应的高效性相结合，将生物质多级利用形成多个有价值产品对于生物质开发具有重要价 值。
【发明内容】
[0005] 本发明基于化工多产品联产工艺，提供一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法， 该方法以葡萄糖和果糖混合溶液为原料，经过葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶将葡萄糖氧化制 备葡萄糖酸;进而在葡萄糖酸和果糖混合液中加入酸催化剂和有机萃取剂，经果糖脱水反 应制备羟甲基糠醛;两种产物葡萄糖酸溶于水相，而羟甲基糠醛主要溶于有机相，从而实现 两种产品的分离。除去主产物羟甲基糠醛外，副产物葡萄糖酸也具有重要应用价值，是制备 葡萄糖酸盐(钙、锌、铜、亚铁盐）、葡萄糖酸内酯（内酯豆腐的重要原料)的原料。其广泛应用 于在食品、建筑、医药、水质处理、电镀、显影等行业。本发明合成路线如下式所示：
本发明采用的技术方案为： 一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法，包括下列步骤： 1) 通过多种原料获取葡萄糖与果糖混合液，葡萄糖和果糖浓度范围为10-500g/L;根据 来源不同，二者比例可变； 2) 将步骤1)所得的葡萄糖与果糖混合溶液中加入葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶，酶用量 为l%-20%(wt)(相对于总糖质量），将葡萄糖氧化制备葡萄糖酸，并保持果糖不发生变化； 3) 将步骤2)所得的葡萄糖酸和果糖混合液中加入酸催化剂和有机萃取剂，经果糖脱水 反应制备羟甲基糠醛，并保持葡萄糖酸不变； 4)将步骤3)所得的水相和有机相分离，葡萄糖酸溶于水相，而羟甲基糠醛主要溶于有 机相，从而实现两种产品的分离。
[0006] 步骤1)中所述多种原料为：1、市售的果葡糖浆，如F-40、F-50、F-90等;2、以蔗糖为 主要成分的蔗糖或者废糖蜜或者其他含有蔗糖的原料，采用蔗糖水解酶将其水解为葡萄糖 和果糖混合溶液;3、以单糖(葡萄糖或果糖)为主要成分的原料，采用葡萄糖异构化酶将其 异构化为葡萄糖与果糖的混合溶液。所采用的酶可以是游离酶，也可以是固定化酶，也可以 是含有酶的细胞或固定化细胞。
[0007] 步骤2)中所用的葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶可以是游离酶，也可以是固定化酶， 也可以是含有酶的细胞或固定化细胞。
[0008] 步骤2)中所用的葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶酶活单位比例为1:1-1: 20,反应温度 为20-60°C，反应初始pH值为5-8;反应过程中pH值控制通过流加稀碱液或者添加金属氧化 物调节，碱可以是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氨水等，金属氧化物可以是氧化钙、氧化 镁、氧化锌等。
[0009] 步骤3)中所用酸催化剂可以为：无机酸，如硫酸、盐酸、硝酸、氨基磺酸或者磷酸 等;有机酸，如对甲苯磺酸、柠檬酸、草酸、苹果酸、乙酸等；固体酸，如硫酸氧化锆、硫酸活性 炭、酸性离子交换树脂、磷酸锆、分子筛等;盐类，如氯化铁、氯化铬、氯化锌等。
[0010] 步骤3)中所用有机萃取剂可以为：1_丙醇、1-丁醇、1-戊醇、1-己醇、2-丙醇、2-丁 醇、2-戊醇、2-己醇、丙酮、2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、环戊基甲 醚、4-甲基-2-戊酮、二甲基亚砜、环丁砜、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸二丁 酯、邻仲丁基酚、邻仲戊基酚和邻壬基酚等。
[0011] 步骤3)中可以选择加入无机盐反应，加入无机盐可以使两相分层更加容易，并且 提高有机相对于HMF的萃取率，所用无机盐阴离子可以为氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子 或磷酸根离子：阳离子可以为锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、铁离子、锌离子、锰 离子、铜离子等。优选是氯化钠。无机盐浓度为〇. 〇 1-5M。
[0012] 步骤3)中所述的脱水反应可以在反应釜内进行、也可以在微波反应器下进行，也 可以在微通道反应器内进行。反应温度为80-200°C，酸催化剂浓度为0.05-2M，水相与有机 相之体积比为1:1-1:20。
[0013] 步骤4)中两相分离后，水相中葡萄糖酸可以通过离子交换树脂制备葡萄糖酸内 酯，所产生的盐可用以脱水反应过程中；而有机相中羟甲基糠醛通过浓缩、精制获取，有机 溶剂可重复使用。
[0014] 本发明中所述酶催化剂、酸催化剂、无机盐、有机溶剂、脱水反应等内容均为本领 域技术人员熟知的技术术语。
[0015] 有益效果： 本发明提供的联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法与糖类化合物催化脱水单一制备羟 甲基糠醛的方法相比具有以下优点： 1、 本发明采用葡萄糖与果糖混合溶液在同一反应体系中，经过不同反应实现两种有价 值产品葡萄糖酸和羟甲基糠醛的制备，并相互不产生影响； 2、 葡萄糖酸的回收率在95%以上，羟甲基糠醛的收率在70%左右，萃取率超过90%。
[0016] 3、两种产品分别存在于不同相中，易于分离。
[0017] 4、本发明的原料来源广泛，并且价格低廉。
【具体实施方式】
[0018] 根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，实施例所描述的内容仅用于说明 本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
[0019] 以下实施例中葡萄糖氧化酶可以是来自市售的商品化产品，也可以是经过黑曲霉 或基因工程菌发酵所产生的酶液;过氧化氢酶可以来自市售的商品化产品，也可以来自细 菌发酵。
[0020] 实施例1 (1) 采用F-50果葡糖浆为原料(葡萄糖与果糖摩尔比为l:l)50mL，加入水配成100g/L的 葡萄糖和果糖混合溶液;加入葡萄糖氧化酶2000IU，过氧化氢酶2000IU，调节反应初始pH值 为5.5，反应温度为55 °C进行氧化反应，反应过程中pH值控制通过流加1M氢氧化钠稀溶液来 维持反应体系pH稳定(pH=5-8);反应过程中检测葡萄糖含量至低于初始1%停止反应，获得 葡萄糖酸与果糖混合溶液； (2) 将步骤(1)获得的葡萄糖酸与果糖混合液加入浓硫酸至浓度为0.05M，加入有机溶 剂4-甲基-2-戊酮至与水相体积比为1:3,在高压反应釜中，反应温度140°C反应2h。
[0021] (3)将步骤(2)所得的混合溶液置于分液漏斗中静置过夜，使其彻底分层后两相分 离； (4)水相经检测，葡萄糖酸回收率为99.21%;有机相经浓缩后获得HMF，粗收率为76%。 [0022] 实施例2 (1) 采用F-50果葡糖浆为原料(葡萄糖与果糖摩尔比为l:l)50mL，加入水配成不同浓度 的葡萄糖和果糖混合溶液;加入葡萄糖氧化酶:过氧化氢酶(酶活单位)=1: 2葡萄糖氧化酶 和过氧化氢酶的用量为总糖质量的1%-1〇%，调节反应初始pH值为5.5,反应温度为55°C进行 氧化反应，反应过程中pH值控制通过流加1M氢氧化钠稀溶液来维持反应体系pH稳定在5-8。 反应过程中检测葡萄糖含量至低于初始1%停止反应，获得葡萄糖酸与果糖混合溶液； (2) 将步骤(1)获得的葡萄糖酸与果糖混合液加入浓硫酸，加入有机溶剂2-甲基四氢呋 喃至与水相体积比为1:4，在微波反应器中，反应温度140 °C反应1 Omin。
[0023] (3)将步骤(2)所得的混合溶液置于分液漏斗中静置过夜，使其彻底分层后两相分 离;两相分离后分别检测葡萄糖酸回收率和羟甲基糠醛收率。具体结果见表1。
[0024] 表1、不同葡萄糖酸与果糖比例对于葡萄糖酸回收率和羟甲基糠醛收率的影响
实施例3 (1) 采用蔗糖为原料，加入水配成l〇〇g/L的溶液;加入10000IU蔗糖酶，在50°C下反应 lOmin，获得50g/L的葡萄糖和果糖混合溶液;加入葡萄糖氧化酶:过氧化氢酶(酶活单位)= 1:4，调节反应初始pH值为5.5，反应温度为55 °C进行氧化反应，反应过程中pH值控制通过流 加1M氢氧化钠稀溶液来维持反应体系pH稳定在5-8;反应过程中检测葡萄糖含量至低于初 始1%停止反应，获得葡萄糖酸与果糖混合溶液； (2) 将步骤(1)获得的葡萄糖酸与果糖混合液加入浓硫酸至浓度为0.1M，加入有机溶剂 2_丁酮至与水相体积比为1:3.8,在微波反应器中，调节不同反应温度、不同反应时间，考察 对于反应的影响。
[0025] (3)将步骤(2)所得的混合溶液置于分液漏斗中静置过夜，使其彻底分层后两相分 离;两相分离后分别检测葡萄糖酸回收率和羟甲基糠醛收率。具体结果见表2。
[0026] 表2、不同反应条件对于葡萄糖酸回收率和羟甲基糠醛收率的影响
实施例4 (1) 采用葡萄糖为原料，加入水配成l〇〇g/L的溶液;加入葡萄糖异构化酶，在50 °C下反 应lOmin，获得50g/L的葡萄糖和果糖混合溶液;加入葡萄糖氧化酶:过氧化氢酶(酶活单位） =1:2，调节反应初始pH值为5.5，反应温度为55°C进行氧化反应，反应过程中pH值控制通过 流加1M氢氧化钠稀溶液来维持反应体系pH稳定在6.5-7.0;反应过程中检测葡萄糖含量至 低于初始1%停止反应，获得葡萄糖酸与果糖混合溶液； (2) 将步骤(1)获得的葡萄糖酸与果糖混合液加入浓硫酸至浓度为0.05M，加入有机溶 剂2-戊醇至与水相体积比为1:8,加入不同无机盐，考察在微波反应器中，盐离子对于反应 的影响。
[0027] (3)将步骤(2)所得的混合溶液置于分液漏斗中静置过夜，使其彻底分层后两相分 离;两相分离后分别检测葡萄糖酸回收率和羟甲基糠醛收率。具体结果见表3。
[0028] 表3、不同盐离子对于葡萄糖酸回收率和羟甲基糠醛收率的影响
实施例5 (1)采用废糖蜜为原料(蔗糖含量48%)，加入水配成100g/L的溶液;加入蔗糖酶，在50°C 下反应10min，获得50g/L的葡萄糖和果糖混合溶液;加入葡萄糖氧化酶2000IU，过氧化氢酶 2000IU，调节反应初始pH值为5.5,反应温度为55°C进行氧化反应，反应过程中pH值控制通 过流加1M氢氧化钠稀溶液来维持反应体系pH稳定在5-8;反应过程中检测葡萄糖含量至低 于初始1%停止反应，获得葡萄糖酸与果糖混合溶液； (2)将步骤(1)获得的葡萄糖酸与果糖混合液加入浓硫酸至浓度为0.05M，加入有机溶 剂4-甲基-2-戊酮至与水相体积比为1:6,在高压反应釜中，反应温度160°C反应2h。
[0029] (3)将步骤(2)所得的混合溶液置于分液漏斗中静置过夜，使其彻底分层后两相分 离； (4)水相经检测，葡萄糖酸回收率为75%;有机相经浓缩后获得HMF，粗收率为89%。
[0030] 实施例6 (1) 采用纤维素酶水解纤维素获得的葡萄糖为原料，加入水配成l〇〇g/L的溶液;加入异 构化酶，在50°C下反应lOmin，获得50g/L的葡萄糖和果糖混合溶液；加入葡萄糖氧化酶 2000IU，过氧化氢酶4000IU，调节反应初始pH值为5.5，反应温度为55 °C进行氧化反应，反应 过程中pH值控制通过流加5M氢氧化钠稀溶液来维持反应体系pH稳定;反应过程中检测葡萄 糖含量至低于初始〇. 1%停止反应，获得葡萄糖酸与果糖混合溶液； (2) 将步骤(1)获得的葡萄糖酸与果糖混合液加入浓硫酸至浓度为0.1M，加入不同浓度 的氯化钠盐，以及有机溶剂碳酸二甲酯至与水相体积比为1:6,在高压反应釜中，反应温度 190°C 反应 15min。
[0031] (3)将步骤(2)所得的混合溶液置于分液漏斗中静置过夜，使其彻底分层后两相分 离； (4)水相经检测，葡萄糖酸回收率为94-98%;有机相中HMF收率为71-79%，结果见表4。
[0032] 表4、不同盐浓度对于葡萄糖酸回收率和羟甲基糠醛收率的影响
【主权项】
1. 一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法，其特征在于，它包括以下步骤： 1) 在包含葡萄糖与果糖的混合溶液中加入葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶，将葡萄糖氧化 制备成葡萄糖酸，保持果糖不发生变化； 2) 将步骤1)所得的葡萄糖酸和果糖混合液中加入酸催化剂和有机萃取剂，果糖脱水反 应制备得到羟甲基糠醛，保持葡萄糖酸不发生变化； 3) 将步骤2)所得的水相和有机相分离，葡萄糖酸溶于水相，而羟甲基糠醛主要溶于有 机相，从而实现两种产品的分离。2. 根据权利要求1所述的一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法，其特征在于，步骤1) 中所述包含葡萄糖与果糖的混合溶液由以下任意一种方法获得： A) 由果葡糖浆加水配置得到； B) 以蔗糖或者含有蔗糖的原料，采用蔗糖水解酶水解为葡萄糖和果糖混合溶液； C) 以葡萄糖或果糖为主要成分的原料，采用葡萄糖异构化酶将其异构化为葡萄糖与 果糖的混合洛液。3. 根据权利要求1所述的一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法，其特征在于，步骤1) 中所用的葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶酶用量为总糖质量的1%_20%，葡萄糖氧化酶和过氧化 氢酶酶活单位比例为1:1-1:20。4. 根据权利要求1所述的一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法，其特征在于，步骤1) 中反应温度为20-60 °C，反应初始pH值为5-8。5. 根据权利要求1所述的一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法，其特征在于，步骤2) 中所用酸催化剂为无机酸、有机酸、固体酸或者盐中的至少一种。6. 根据权利要求1所述的一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法，其特征在于，步骤2) 中所述有机萃取剂为：1-丙醇、1-丁醇、1-戊醇、1-己醇、2-丙醇、2-丁醇、2-戊醇、2-己醇、 丙酮、2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、环戊基甲醚、4-甲基-2-戊酮、二 甲基亚砜、环丁砜、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸二丁酯、邻仲丁基酚、邻仲戊 基酚、邻壬基酚中的至少一种。7. 根据权利要求1所述的一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法，其特征在于，步骤2) 中加入无机盐催化反应，所述无机盐为氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子、磷酸根离子、锂离 子、钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、铁离子、锌离子、锰离子或铜离子中的至少一种。8. 根据权利要求1所述的一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法，其特征在于，步骤2) 中果糖脱水反应条件为:反应温度80-200 °C，酸催化剂浓度为0.05-2M，水相与有机相之体 积比为1:1-1:20。9. 根据权利要求5所述的一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法，其特征在于，所述无 机酸为硫酸、盐酸、硝酸、氨基磺酸或者磷酸中的至少一种;所述有机酸为对甲苯磺酸、柠檬 酸、草酸、苹果酸或者乙酸中的至少一种；固体酸为硫酸氧化锆、硫酸活性炭、酸性离子交换 树脂、磷酸锆、分子筛中的至少一种;所述盐为氯化铁、氯化铬、氯化锌中的至少一种。10. 根据权利要求7所述的一种联产葡萄糖酸和羟甲基糠醛的方法，其特征在于，步骤 2 )中无机盐浓度为0.01-5M。
【文档编号】C07C51/42GK105837433SQ201610212019
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】曹飞, 黄婷, 武红丽, 周华, 韦萍
【申请人】南京工业大学