一种连续制备低聚半乳糖的方法
【专利摘要】本发明公开了一种连续制备低聚半乳糖的方法，以300～400g/L乳糖溶液为原料，采用β-半乳糖苷酶直接合成低聚半乳糖，当反应液内低聚半乳糖含量达到为40wt％以上且乳糖浓度达到150g/L以下时，反应液经超滤膜超滤使酶循环利用，同时向反应釜中流加400～500g/L高浓度乳糖溶液进行连续合成反应，超滤出液经三级纳滤膜纳滤，分离得到低聚半乳糖。本发明方法，具有原料充足、方便、易得、无毒性、生产成本低等特点，通过超滤使酶循环利用、纳滤分离得到高纯度低聚半乳糖，工艺过程简单，条件温和，降低了合成低聚半乳糖的成本，提高了低聚半乳糖合成的效率和纯度，能满足工业化生产的要求，具有广阔的工业生产前景。
【专利说明】一种连续制备低聚半乳糖的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及低聚糖的制备方法，具体涉及一种连续制备低聚半乳糖的方法。
【背景技术】
[0002]低聚半乳糖是一种功能性低聚糖，在体内不能被胃酸和胃酶降解，而是直接进入小肠被有益菌尤其是被双歧杆菌利用，因此能有效促进体内双歧杆菌的生长繁殖，改善脂质代谢，促进钙的吸收和维生素的合成，并具有分解致癌物质、提高人体免疫力等功能。低聚半乳糖是母乳组成成分之一，婴儿体内双岐杆菌菌群的建立很大程度上依赖于母乳中的低聚半乳糖成分。低聚半乳糖作为功能性低聚糖大量应用于婴幼儿食品、低热量、低龋齿食品、糖尿病患者专用食品等，另外还应用于化妆品、医药、饲料和口腔清洁等非食品行业。
[0003]目前低聚半乳糖的制备主要有五种方法:(I)天然提取，在自然界中，低聚半乳糖含量较少，并且不带电荷，分离提取较为困难；(2)酸水解多糖，用酸水解多糖转化率低，产品成分复杂，难以得到含量较高的低聚半乳糖；(3)化学合成，化学合成法试剂毒性大，易残留，不适用食品级低聚半乳糖生产；(4)发酵生产，直接用微生物发酵制备低聚半乳糖目前研究较少，该方法需要从发酵液中分离提取低聚半乳糖，发酵液成分复杂，分离较为困难；以上四种方法目前不适用于大规模生产。(5)酶法合成，酶法合成低聚半乳糖主要以牛乳来源的乳糖为底物，利用微生物β-D-半乳糖苷酶催化合成，乳糖来源充足，而β-D-半乳糖苷酶主要由微生物发酵制得，生产成本较低，是目前工业化生产低聚半乳糖的主要方法。
[0004]国内外对低聚半乳糖制备技术研究得较多，日本、欧洲一些国家已实现大规模工业化生产，国内也有少数几个厂家在研制生产，但产量都不大。日本和欧洲低聚半乳糖市场需求量非常大，而在我国仍处于起步阶段。目前，市场上出售的低聚半乳糖浓度大多为27%~65%，通常纯化低聚半乳糖的方法操作复杂，无法完全除去单糖和乳糖，在我国高纯度低聚半乳糖还没有实现工业化生产。低聚半乳糖中所含单糖组分如葡萄糖、半乳糖等直接影响其应用价值。葡萄糖组分的存在会妨碍低聚半乳糖促进双歧杆菌的增殖效果；而且，由于葡萄糖不适于糖尿病人、肥胖病人等忌糖人士的食用，也降低了低聚半乳糖在食品、保健品及药品中的应用价值。因此，降低聚半乳糖中葡萄糖等单糖组分，提高纯度，不但能够促进产品的生理功能的发挥，还可以大大促进其在医药级产品中的应用。因此，提高低聚半乳糖产品纯度、增加产品品质成为当前低聚半乳糖产品开发应用的迫切需求。
[0005]虽然目前对低聚半乳糖制备技术研究得较多，但产品的下游分离纯化技术确很少有人研究，目前还没有既经济又有效的低聚半乳糖的分离纯化方法。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种连续制备低聚半乳糖的方法，以降低合成低聚半乳糖的成本，同时提高低聚半乳糖合成的效率和纯度。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下:[0008]—种连续制备低聚半乳糖的方法，以300~400g/L乳糖溶液为原料,采用β _半乳糖苷酶直接合成低聚半乳糖，当反应液内低聚半乳糖含量达到为40wt%以上且乳糖浓度达到150g/L以下时，反应液经超滤膜超滤使酶循环利用，同时向反应釜中流加400~500g/L高浓度乳糖溶液进行连续合成反应，超滤出液经三级纳滤膜纳滤，分离得到低聚半乳糖产品O
[0009]其中，所述的乳糖溶液，溶剂为pH6.0~7.5磷酸缓冲液。
[0010]其中，β-半乳糖苷酶的用量为0.1~1.0U/mL。β -半乳糖苷酶购自诺维信或帝斯曼。
[0011]酶活定义:在测定条件下(40°C,pH值为6.5，反应10min),每分钟催化生I μ mol的产物(如半乳糖或低级半乳糖)所需的酶量定义为一个酶活力单位(U)。
[0012]其中，以乳糖溶液为原料，采用β_半乳糖苷酶直接合成低聚半乳糖，反应温度为20 ~30?。
[0013]其中，所述的超滤膜为醋酸纤维素膜或陶瓷膜，截留分子量为6000~150000，超滤压力为1.0~2.0MPa0
[0014]其中，所述的纳滤膜为有机复合纳滤膜或醋酸纤维素纳滤膜；采用三级纳滤膜分离，第一级纳滤截留分子量为800~1000，第二级纳滤截留分子量为500~700，第三级纳滤截留分子量为200~400 ;每一级纳滤截留液与超滤流出液一起浓缩再依次进入第一、二、三级纳滤膜进行分离；第一级纳滤膜的进料浓度为总糖浓度150~250g/L，每一级纳滤膜的操作条件为:压力为1.0~3.0MPaJDK 3~5BV，温度为20~30°C。
[0015]其中，β -半乳糖苷酶在反应釜中可以连续使用120~150h。
[0016]其中，最终分离得到低聚半乳糖产品纯度为80%以上。通过三级有机复合纳滤膜纳滤，可以使低聚半乳三糖与单糖、二塘分离，大大提高了产品的纯度，低聚半乳糖的纯度可以达到80%以上。
[0017]有益效果:本发明方法采用酶催化反应与纳米分离耦合技术，通过超滤膜使酶循环利用，利用三级纳滤膜不断分离纯化得到高纯度低聚半乳糖(80% )，本发明方法，具有原料充足、方便、易得、无毒性、生产成本低等特点，通过超滤使酶循环利用、纳滤分离得到高纯度低聚半乳糖，工艺过程简单，条件温和，降低了合成低聚半乳糖的成本，提高了低聚半乳糖合成的效率和纯度，能满足工业化生产的要求，具有广阔的工业生产前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1连续反应与分离纯化耦合催化合成低聚半乳糖的装置图。其中，1、补料瓶；2、反应釜；3、超滤膜；4、浓缩液收集罐；5、一级纳滤膜；6、二级纳滤膜；7、三级纳滤膜；8、透析液收集罐；9、浓缩液储罐；10、第一蠕动泵；12、第二蠕动泵；11、真空泵。其中，4、5、6、7、11属于分离装置。
[0019]图2连续反应与分离纯化耦合催化合成低聚半乳糖过程中的酶活稳定性。
【具体实施方式】
[0020] 根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，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。
[0021]由图1所示，由图1的反应装置实现本发明的方法。反应釜2依次顺序与超滤膜
3、浓缩液收集罐4、一级纳滤膜5、二级纳滤膜6、三级纳滤膜7、透析液收集罐8相连通。补料瓶I与反应釜2连通用于补加反应原料。超滤膜3进水速率由第一蠕动泵10控制，超滤膜3截留液回流至反应釜2中。一级纳滤膜进水速率由真空泵11控制，一级、二级和三级纳滤膜截留液回流至浓缩液收集罐4。浓缩液收集罐4月浓缩液储罐9连通，由第二蠕动泵12控制浓缩液收集罐4中过多的浓缩液流至浓缩液收集罐9中储备。
[0022]实施例1:反复批次催化合成低聚半乳糖并分离纯化。
[0023]称取一定量的乳糖置于反应釜中，再加入一定量磷酸盐缓冲液(PH = 6.5)，加热使其完全溶解，使乳糖浓度至350g/L，自然冷却至反应温度25°C，量取一定量的β-半乳糖苷酶(0.3U/mL)加入上述反应釜开始反应直到低聚半乳糖浓度不再增加时停止(8h左右)反应，经超滤酶液回到反应釜中，加入新乳糖溶液继续反复分批催化合成低聚半乳糖，直到酶活降低到初始酶活一半(96h左右)时这批做完停止反复批次反应。经超滤初步得到这几批的糖组分混合液，经HPLC检测得低聚半乳糖含量为48.22%的糖溶液。此时糖组分为葡萄糖、半乳糖、乳糖、低聚半乳糖。
[0024]以上面的糖溶液在1.0~3.0MPa压力，进料总糖浓度150~200g/L，加水2~4BV，温度20~30°C条件下采用三级有机复合纳滤膜进行分离，有效分离了乳糖、葡萄糖和半乳糖组分，产品低聚半乳糖纯度达75.48% (表1)。
[0025]表1应用有机合成纳滤膜分离低聚半乳糖
[0026]
【权利要求】
1.一种连续制备低聚半乳糖的方法，其特征在于，以300~400g/L乳糖溶液为原料，采用β -半乳糖苷酶直接合成低聚半乳糖，当反应液内低聚半乳糖含量达到为40wt%以上且乳糖浓度达到150g/L以下时，反应液经超滤膜超滤使酶循环利用，同时向反应釜中流加400~500g/L高浓度乳糖溶液进行连续合成反应，超滤出液经三级纳滤膜纳滤，分离得到低聚半乳糖产品。
2.根据权利要求1所述的连续制备低聚半乳糖的方法，其特征在于，所述的乳糖溶液，溶剂为pH6.0~7.5磷酸缓冲液。
3.根据权利要求1所述的连续制备低聚半乳糖的方法，其特征在于，β_半乳糖苷酶的用量为0.1~1.0U/mL。
4.根据权利要求1所述的连续制备低聚半乳糖的方法，其特征在于，以乳糖溶液为原料，采用β -半乳糖苷酶直接合成低聚半乳糖，反应温度为20~30°C。
5.根据权利要求1所述的连续制备低聚半乳糖的方法，其特征在于，所述的超滤膜为醋酸纤维素膜或陶瓷膜，截留分子量为6000~150000，超滤压力为1.0~2.0MPa0
6.根据权利要求1所述的连续制备低聚半乳糖的方法，其特征在于，所述的纳滤膜为有机复合纳滤膜或醋酸纤维素纳滤膜；采用三级纳滤膜分离，第一级纳滤截留分子量为800~1000，第二级纳滤截留分子量为500~700，第三级纳滤截留分子量为200~400 ;每一级纳滤截留液与超滤流出液一起浓缩再依次进入第一、二、三级纳滤膜进行分离；第一级纳滤膜的进料浓度为 总糖浓度150~250g/L，每一级纳滤膜的操作条件为:压力为1.0~3.0MPaJDK 3 ~5BV，温度为 20 ~30°C。
7.根据权利要求1所述的连续制备低聚半乳糖的方法，其特征在于，β_半乳糖苷酶在反应釜中可以连续使用120~150h。
8.根据权利要求1所述的连续制备低聚半乳糖的方法，其特征在于，最终分离得到低聚半乳糖产品纯度为80%以上。
【文档编号】C07H1/06GK104004799SQ201410261794
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】应汉杰, 任恒飞, 陈勇, 费俊杰, 施欣驰, 赵婷, 庄伟 , 吴菁岚, 朱晨杰 申请人:南京工业大学