一种固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆的方法
【专利摘要】本发明公开了一种固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆的方法。将葡萄糖异构酶采用过滤方式固定在不对称结构的超滤膜中制备固定化葡萄糖异构酶的膜生物反应器，并利用该酶膜反应器对葡萄糖溶液进行分批或连续反应生产高果糖浆。本发明集酶催化过程与膜分离过程与一体，简化了生产工艺，提高了酶的活性与稳定性；同时酶膜反应器可以重复使用，避免了溶剂清洗与分批加料，符合绿色化学的发展方向，实现连续化生产，提高了生产效率，为果糖工业化生产提供了参考。
【专利说明】
一种固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆的方法。
【背景技术】
[0002]高果糖浆(HFCS)又称异构糖浆，工业上主要采用淀粉为原料，经双酶液化和糖化作用，水解为葡萄糖，再由葡萄糖异构酶的异构作用，将一部分葡萄糖异构化为α-果糖，得到α_葡萄糖与α-果糖的混合液。与传统的蔗糖相比，高果糖浆甜度更高热量更低，且具有保健与营养功效。作为天然的甜度剂不但在食品工业中广为应用，在医药、家庭调味品、日用化工等方面都有应用。如今，HFCS已成为重要的甜味剂之一，其生产发展势头强劲，每年全世界的生产量超过1000万吨。
[0003]传统高果糖浆生产主要采用酸法水解淀粉，但这种传统酸法水解工艺存在很多缺点:需要耐酸耐压设备;需要精制淀粉为原料;淀粉转化为葡萄糖的收率低，不超过90 %;水解过程中，由于葡萄糖的逆聚合反应而生成较多带苦味的低聚糖，必须用结晶法精制才能将苦味去除等。因此，这种传统工艺逐渐被新兴的酶技术替代。目前酶法生产高果糖浆主要有两种途径:(I)以淀粉等为原料经过葡萄糖异构酶等3步酶催化多步生物化学反应，称为“多步法途径”，其果糖的含量不高于50%; (2)以菊芋为原料，依靠菊粉酶一步催化反应生产高纯度的果葡糖浆，称其为“一步法途径”。例如廖承军(廖承军等，申请号201410736458.3)公开了一种制备固体山梨醇并联产果葡糖浆的生产工艺，制得高果糖浆含量为88%左右;李荣杰等(李荣杰等，申请号20101010102631.6)公开了一种制备高果糖浆的方法，制得高果糖浆含量为70%?75%左右;黄广民等(黄广民等，申请号00910007107.8)公开发明了一种斑茅草茎杆酸水解制备高果糖浆的方法，制得高果糖浆含量为90%。王建华等(王建华等，申请号98120697.2)公开了一种产生菊粉酶的酵母菌株及其在制作高果糖浆中的应用，用此菌株水解菊粉制得的高果糖浆含量达到95%。但前者的原料利用率较低且成本较大，很难应用于工业;后者的菊粉酶没有商业化产品，生产成本较高，在水解中易出现褐变;且游离酶间歇生产方法具有许多缺点:酶的提取和纯化必须采用十分精巧甚至是繁琐的方法，代价昂贵;酶由细胞内分离出来后，稳定性显著降低;这些溶于水的酶必须采用分批反应，在催化结束后极难回收，造成浪费且产品的成本较高；间歇式的操作，使产品质量较差等。
[0004]固定化酶进行催化反应具有许多优点:产物的分离提纯简化;用于食品加工，不影响产品风味；固定化后，酶稳定性增加，可长期使用和连续反应，实现了酶的回收和多次重复利用，大大降低了生产成本，并提高了产品质量，自动化程度增加。吴敬等(吴敬等，申请号201210581801.2)利用壳聚糖絮凝重组构建的大肠杆菌，戊二醛交联絮凝物的方法制备固定化葡萄糖异构酶;佟毅等(佟毅等，吉林大学自然科学学报2000:107?109)在对多孔三甲铵甲基聚苯乙烯(TMPS)载体的合成研究基础上，运用分子沉积技术，完成葡萄糖异构酶200ks双层固定化试验；陈栋等(陈栋等，中国，101864410[P].2010.)制备可以用于葡萄糖异构酶的醛基介孔分子筛和环氧基介孔分子筛，使酶分子可以直接以共价结合的方式固定在分子筛表面;曹奎龙等(曹奎龙等，申请号200910073264.9)利用磁性壳聚糖符合微球制备固定化葡萄糖异构酶。但这些固定化方法，成本较高且HFCS转化率低，难于放大在工业化生产上。
[0005]因此研究一种酶活高、稳定性好、成本低廉且简单方便的葡萄糖异构酶固定化方法具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0006]为了解决现有的技术存在的上述问题，本发明公开了一种固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆的方法。该方法将葡萄糖异构酶采用过滤方式固定在不对称结构的超滤膜中，制备固定化葡萄糖异构酶膜生物反应器并利用该酶膜反应器连续生产高果糖浆，实现了酶的回收利用大大减少了生产成本。
[0007]所述的一种固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆的方法，其特征在于:将葡萄糖异构酶采用过滤方式固定在不对称结构的超滤膜中制备固定化葡萄糖异构酶的膜生物反应器，并利用该酶膜反应器对葡萄糖溶液进行分批或连续反应生产高果糖浆。
[0008]所述的方法，其特征在于:所述的不对称结构的超滤膜为卷式膜、板框式膜、平板膜、管式膜、毛细管膜和中空纤维膜。
[0009]所述的方法，其特征在于:所述的过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤和错流过滤。
[0010]所述的方法，其特征在于所述的超滤膜的孔径范围为:2?100nm。
[0011]所述的方法，其特征在于所述的不对称结构的超滤膜材料是纤维素及其衍生物、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚砜酰胺、磺化聚砜、交联聚乙烯醇、改性丙烯酸或其它有机分离膜，以及氧化铝、氧化硅、氧化锆或其它无机分离膜的一种或多种。
[0012]所述的方法，其特征在于所述的葡萄糖异构酶为自由酶，且按葡萄糖异构酶与PBS体积比为20%?50%(W/V)溶解在弱碱性溶液pH7.1?7.5中，得到葡萄糖异构酶溶液，通过过滤的方式将葡萄糖异构酶溶液中的葡萄糖异构酶固定在不对称结构的超滤膜中。
[0013]所述的方法，其特征在于所述的葡萄糖溶液的浓度为40%?60%。
[0014]所述的方法，其特征在于反应温度为50°080°C。
[0015]与现有的酶固定方法相比，本发明的优点在于:I)简便易行，仅通过过滤即达到了酶固定化的要求，操作简单;2)该固定化载体载酶量高，根据实际需要，20-80%的膜孔体积用于有效负载酶分子；3)操作过程不使用任何化学试剂，对酶的活性无影响，重复使用效率高;2 )固定化载体可实现反应与分离的同步进行。
【附图说明】
[0016]图1为本发明生产的高果糖浆的内压式酶膜反应器示意图；
图2为本发明生产的高果糖浆的外压式酶膜反应器示意图。
[0017]图中:1-恒温水浴锅，2-储料瓶，3-橡胶密封装置，4-温度计，5-取样管，6_蠕动栗，7-果糖生产罐体，8- U型卡槽，9-不对称结构的超滤膜，10-循环进料口，11-循环出料口，12-铁架台。
【具体实施方式】
[0018]下面通过实施例，对本发明专利进一步的详细描述。
[0019]如图1和2所示，本发明通过内压式酶膜反应器或外压式酶膜反应器进行高果糖浆的生产。内压式酶膜反应器包括管路连接的储料瓶2、蠕动栗6和果糖生产罐7。储料瓶2放置在恒温水浴锅I中，储料瓶2中设有温度计4和取样管5。果糖生产罐7由铁架台12支撑。果糖生产罐7上设有循环进料口 10和循环出料口 11。果糖生产罐7内设有U型卡槽8，U型卡槽8将不对称结构的超滤膜9固定。
[0020]实例I
取200 g葡萄糖异构酶溶解于100mL磷酸缓冲液(pH=7.4)中，体系中葡萄糖异构酶量为0.2 g/mL，通过栗入的方法将葡萄糖异构酶溶液以过滤的方式(过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤或错流过滤)通过具有不对称结构的聚偏氟乙烯平板膜，过滤方向为从膜的疏松面向致密面通过，将葡萄糖异构酶几乎完全固定在膜内疏松层，获得固定化酶膜反应器;将40 %葡萄糖溶液栗入固定化酶膜反应器，料液流回到酶膜反应器中，进行循环反应，反应温度为50 °C，反应时间为4 h;反应结束后，更换新鲜葡萄糖溶液，重新开始上述反应;共进行5批反应，果糖浓度达到98.6 %，固定化酶活性仍保留85 %以上。
[0021]实例2
取200 g葡萄糖异构酶溶解于100mL磷酸缓冲液(pH=7.4)中，体系中葡萄糖异构酶量为0.2 g/mL，通过栗入的方法将葡萄糖异构酶溶液以过滤的方式(过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤或错流过滤)通过具有不对称结构的聚丙烯腈中空纤维膜，过滤方向为从膜的疏松面向致密面通过，将葡萄糖异构酶几乎完全固定在膜内疏松层，获得固定化酶膜反应器;再将此膜装入膜反应器中，制成固定化酶膜反应器;将40 %葡萄糖溶液栗入固定化酶膜反应器，料液流回到酶膜反应器中，进行循环反应，反应温度为600C，反应时间为4.5 h;反应结束后，更换新鲜葡萄糖溶液，重新开始上述反应;共进行5批反应，果糖浓度达到95.8 %，固定化酶活性仍保留80 %以上。
[0022]实例3
取500 g葡萄糖异构酶溶解于100mL磷酸缓冲液(pH=7.4)中，体系中葡萄糖异构酶量为0.5 g/mL，通过栗入的方法将葡萄糖异构酶溶液以过滤的方式(过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤或错流过滤)通过具有不对称结构的聚砜平板膜，过滤方向为从膜的疏松面向致密面通过，膜将葡萄糖异构酶几乎完全固定在膜内疏松层，获得固定化酶膜反应器;再将此膜装入膜反应器中，制成固定化酶膜反应器;将50 %葡萄糖溶液栗入固定化酶膜反应器，料液流回到酶膜反应器中，进行循环反应，反应温度为60 °C，反应时间为5.5 h;反应结束后，更换新鲜葡萄糖溶液，重新开始上述反应;共进行5批反应，果糖浓度达到97.9 %，固定化酶活性仍保留78 %以上。
[0023]实例4
取500 g葡萄糖异构酶溶解于100mL磷酸缓冲液(pH=7.4)中，体系中葡萄糖异构酶量为0.5 g/mL，通过栗入的方法将葡萄糖异构酶溶液以过滤的方式(过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤或错流过滤)通过具有不对称结构的聚偏氟乙烯平板膜，过滤方向为从膜的疏松面向致密面通过，膜将葡萄糖异构酶几乎完全固定在膜内疏松层，获得固定化酶膜反应器;再将此膜装入膜反应器中，制成固定化酶膜反应器;将50 %葡萄糖溶液栗入固定化酶膜反应器，料液流回到酶膜反应器中，进行循环反应，反应温度为650C，反应时间为3.5 h;反应结束后，更换新鲜葡萄糖溶液，重新开始上述反应;共进行5批反应，果糖浓度达到96.3 %，固定化酶活性仍保留83 %以上。
[0024]实例5
取350 g葡萄糖异构酶溶解于100mL磷酸缓冲液(pH=7.4)中，体系中葡萄糖异构酶量为0.35 g/mL，通过栗入的方法将葡萄糖异构酶溶液以过滤的方式(过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤或错流过滤)通过具有不对称结构的聚氯乙烯平板膜，过滤方向为从膜的疏松面向致密面通过，膜将葡萄糖异构酶几乎完全固定在膜内疏松层，获得固定化酶膜反应器;再将此膜装入膜反应器中，制成固定化酶膜反应器;将60 %葡萄糖溶液栗入固定化酶膜反应器，料液流回到酶膜反应器中，进行循环反应，反应温度为700C，反应时间为6 h;反应完后继续通入新鲜葡萄糖溶液，重新开始上述反应;共进行5批反应，果糖浓度达到95.5 %，固定化酶活性仍保留87 %以上。
[0025]实例6
取350 g葡萄糖异构酶溶解于100mL磷酸缓冲液(pH=7.4)中，体系中葡萄糖异构酶量为0.35 g/mL，通过栗入的方法将葡萄糖异构酶溶液以过滤的方式(过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤或错流过滤)通过具有不对称结构的聚氯乙烯平板膜，过滤方向为从膜的疏松面向致密面通过，膜将葡萄糖异构酶几乎完全固定在膜内疏松层，获得固定化酶膜反应器;再将此膜装入膜反应器中，制成固定化酶膜反应器;将60 %葡萄糖溶液栗入固定化酶膜反应器，料液流回到酶膜反应器中，进行循环反应，反应温度为500C，反应时间为6 h;反应结束后，更换新鲜葡萄糖溶液，重新开始上述反应;共进行5批反应，果糖浓度达到96.9 %，固定化酶活性仍保留85 %以上。
[0026]实例7
取400 g葡萄糖异构酶溶解于100mL磷酸缓冲液(pH=7.4)中，体系中葡萄糖异构酶量为0.40 g/mL，通过栗入的方法将葡萄糖异构酶溶液以过滤的方式(过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤或错流过滤)通过具有不对称结构的聚砜酰胺平板膜，过滤方向为从膜的疏松面向致密面通过，膜将葡萄糖异构酶几乎完全固定在膜内疏松层，获得固定化酶膜反应器;再将此膜装入膜反应器中，制成固定化酶膜反应器;将45%葡萄糖溶液栗入固定化酶膜反应器，料液流回到酶膜反应器中，进行循环反应，反应温度为600C，反应时间为6h;反应结束后，更换新鲜葡萄糖溶液，重新开始上述反应;共进行5批反应，果糖浓度达到97.4 %，固定化酶活性仍保留89 %以上。
[0027]实例8
取400 g葡萄糖异构酶溶解于100mL磷酸缓冲液(pH=7.4)中，体系中葡萄糖异构酶量为0.40 g/mL，通过栗入的方法将葡萄糖异构酶溶液以过滤的方式(过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤或错流过滤)通过具有不对称结构的聚酰胺平板膜，过滤方向为从膜的疏松面向致密面通过，膜将葡萄糖异构酶几乎完全固定在膜内疏松层，获得固定化酶膜反应器;再将此膜装入膜反应器中，制成固定化酶膜反应器;将45 %葡萄糖溶液栗入固定化酶膜反应器，料液流回到酶膜反应器中，进行循环反应，反应温度为60°C，反应时间为6 h;反应完后继续通入新鲜葡萄糖溶液，重新开始上述反应;共进行5批反应，果糖浓度达到93.5%，固定化酶活性仍保留82 %以上。
[0028]实例9
取450 g葡萄糖异构酶溶解于100mL磷酸缓冲液(pH=7.4)中，体系中葡萄糖异构酶量为0.45 g/mL，通过栗入的方法将葡萄糖异构酶溶液以过滤的方式(过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤或错流过滤)通过具有不对称结构的聚碳酸酯平板膜，过滤方向为从膜的疏松面向致密面通过，膜将葡萄糖异构酶几乎完全固定在膜内疏松层，获得固定化酶膜反应器;再将此膜装入膜反应器中，制成固定化酶膜反应器;将55%葡萄糖溶液栗入固定化酶膜反应器，料液流回到酶膜反应器中，进行循环反应，反应温度为650C，反应时间为6 h;反应结束后，更换新鲜葡萄糖溶液，重新开始上述反应;共进行5批反应，果糖浓度达到98.3%，固定化酶活性仍保留86 %以上。
[0029]实例10
取450 g葡萄糖异构酶溶解于100mL磷酸缓冲液(pH=7.4)中，体系中葡萄糖异构酶量为0.45 g/mL，通过栗入的方法将葡萄糖异构酶溶液以过滤的方式(过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤或错流过滤)通过具有不对称结构的聚碳酸酯中空纤维膜，过滤方向为从膜的疏松面向致密面通过，膜将葡萄糖异构酶几乎完全固定在膜内疏松层，获得固定化酶膜反应器;再将此膜装入膜反应器中，制成固定化酶膜反应器;将55%葡萄糖溶液栗入固定化酶膜反应器，料液流回到酶膜反应器中，进行循环反应，反应温度为70 °C，反应时间为6 h;反应结束后，更换新鲜葡萄糖溶液，重新开始上述反应;共进行5批反应，果糖浓度达到96.5%，固定化酶活性仍保留84 %以上。
[0030]实例11
取300 g葡萄糖异构酶溶解于100mL磷酸缓冲液(pH=7.4)中，体系中葡萄糖异构酶量为0.30 g/mL，通过栗入的方法将葡萄糖异构酶溶液以过滤的方式(过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤或错流过滤)通过具有不对称结构的氧化铝管式膜，过滤方向为从膜的疏松面向致密面通过，膜将葡萄糖异构酶几乎完全固定在膜内疏松层，获得固定化酶膜反应器;再将此膜装入膜反应器中，制成固定化酶膜反应器;将45%葡萄糖溶液栗入固定化酶膜反应器，料液流回到酶膜反应器中，进行循环反应，反应温度为55 °C，反应时间为6 h;反应结束后，更换新鲜葡萄糖溶液，重新开始上述反应;共进行5批反应，果糖浓度达到97.3 %，固定化酶活性仍保留88 %以上。
[0031]实例12
取300 g葡萄糖异构酶溶解于100mL磷酸缓冲液(pH=7.4)中，体系中葡萄糖异构酶量为0.30 g/mL，通过栗入的方法将葡萄糖异构酶溶液以过滤的方式(过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤或错流过滤)通过具有不对称结构的氧化硅膜，过滤方向为从膜的疏松面向致密面通过，膜将葡萄糖异构酶几乎完全固定在膜内疏松层，获得固定化酶膜反应器;再将此膜装入膜反应器中，制成固定化酶膜反应器;将50 %葡萄糖溶液栗入固定化酶膜反应器，料液流回到酶膜反应器中，进行循环反应，反应温度为55 °C，反应时间为6 h;反应结束后，更换新鲜葡萄糖溶液，重新开始上述反应;共进行5批反应，果糖浓度达到96.5 %，固定化酶活性仍保留98.8 %以上。
【主权项】
1.一种固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆的方法，其特征在于:将葡萄糖异构酶采用过滤方式固定在不对称结构的超滤膜中制备固定化葡萄糖异构酶的膜生物反应器，并利用该酶膜反应器对葡萄糖溶液进行分批或连续反应生产高果糖浆。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的不对称结构的超滤膜为卷式膜、板框式膜、平板膜、管式膜、毛细管膜和中空纤维膜。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的过滤方式为过滤、重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤和错流过滤。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的超滤膜的孔径范围为:2-100nm。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的不对称结构的超滤膜材料是纤维素及其衍生物、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚砜酰胺、磺化聚砜、交联聚乙烯醇、改性丙烯酸或其它有机分离膜，以及氧化铝、氧化硅、氧化锆或其它无机分离膜的一种或多种。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的葡萄糖异构酶为自由酶，且按葡萄糖异构酶与PBS体积比为20%?50%(W/V)溶解在弱碱性溶液pH7.1-7.5中，得到葡萄糖异构酶溶液，通过过滤的方式将葡萄糖异构酶溶液中的葡萄糖异构酶固定在不对称结构的超滤膜中。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的葡萄糖溶液的浓度为40%?60%。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于反应温度为50°080°(:。
【文档编号】C12N11/04GK106047963SQ201610456032
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】胡梦欣
【申请人】浙江工商大学