双酶法生产葡萄糖酸钠的新工艺_李秋红
工艺技术
双酶法生产葡萄糖酸钠的新工艺
李秋红,王一*,崔强,李曰强,夏颖颖
西王集团有限公司(滨州 256209)
摘要葡萄糖酸钠的生产方法很多, 催化氧化法和发酵法现在比较普遍, 酶法生产是一种新兴的工艺。酶法生产工艺采用葡萄糖为起始原料, 利用葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶将葡萄糖直接转化为葡萄糖酸, 然后用碱中和而制得葡萄糖酸钠。该方法具有生产操作简单、节能降耗、产品纯度高的优点。试验结合相关资料和试验阐述了葡萄糖初始浓度, 反应温度、pH和加酶量对酶法生产葡萄糖酸钠工艺的影响, 并通过工厂生产实践证明了酶法生产葡萄糖酸钠新工艺的优越性。
关键词葡萄糖; 葡萄糖氧化酶; 过氧化氢酶; 葡萄糖酸钠
A Novel Enzymatic Process for Sodium Gluconate Production
Li Qiu-hong, Wang Yi*, Cui Qiang, Li Yue-qiang, Xia Ying-ying
Xiwang Group (Binzhou 256209)
Abstract There are lots of methods to product sodium gluconate, enzymatic process is an emerging way. According to this process, glucose is the raw material, it is oxidized to gluconic acid by glucose oxidase and catalase directly, meanwhile, sodium hydroxide is used to neutralize the acid, and then, sodium gluconate is produced. This new process has some advantages, such as: simpler operation, energy conversation, purer crystal, etc. Elaborate the infl uences of initial concentration, temperature, pH, and addition of enzyme to the process of sodium gluconate, and proves the advantages of the new process by plant practice. Keywords glucose; glucose oxidase; catalase; sodium gluconate
葡萄糖酸钠是一种用途极广的多羟基有机酸盐,由于其无毒,原料来源广泛的特性,在化工、食品、医药、轻工等行业有广泛的用途[1-2]。此外还可用于电镀、胶卷制造等许多工业领域,应用前景十分广阔[3-5]。
由于葡萄糖酸钠具有重要的用途,并且近几年来,随着食品工业、建筑行业的飞速发展,我国葡萄糖酸钠的需求量越来越大,因此,葡萄糖酸钠的生产工艺以及工艺研究改进等备受重视。目前文献[6-8]中提到的葡萄糖酸钠的生产方法主要有均相化学氧化法、电解氧化法、多相催化氧化法和生物发酵法。其中现在最常用的是多相催化氧化法和生物发酵法。多相催化氧化法[9-10]受到催化剂催化效率的制约,生产成本较高。另外,由于重金属具有一定的毒性,多相催化法生产的葡萄糖酸钠不宜适用于食品领域,产品适用范围受到限制;发酵法[11-12]具有菌种易染菌,发酵液中可溶蛋白难去除,操作步骤多等缺陷,限制了葡萄糖酸钠产品的收率、色泽度和纯度的提高[7]。
因此,目前寻找一种能克服以上工艺缺陷的新生产工艺就成为葡萄糖酸钠生产厂家的迫切要求。试验结合相关资料[13-14]和公司的试验研究介绍了酶法生产葡萄糖酸钠的新工艺,并将它与公司现用的发酵法做了对比。
1 材料与方法
1.1 材料
葡萄糖氧化酶GC199、过氧化氢酶Multifect CA1000L:杰能科生物工程有限公司生产;结晶葡萄糖:口服级,西王集团有限公司生产;氢氧化钠:分析纯,科密欧试剂。1.2 仪器与设备
不锈钢发酵罐(FMG-10L):南京金昶电子;高校液相色谱仪(Waters e2695):Alliance Company;循环水式真空泵(SHZ-D(Ⅲ)):巩义市英峪予华仪器厂;旋转蒸发器(RE52CS-1):上海亚荣;恒温水浴锅(B-260):上海亚荣;数显鼓风干燥箱(GZX-9070MBE):上海博讯;电子天平(DT-500):常熟市金羊天平仪器厂;分析天平(BSA224S):赛多利斯科学仪器有限公司;抽滤装置(GG-17):重庆乔盛。1.3 方法原理
葡萄糖在葡萄糖氧化酶的作用下氧化为葡萄糖酸,过程中产生过氧化氢,过氧化氢有很强的氧化性,对葡萄糖氧化酶有一定的毒害作用,过氧化氢酶的加入就是为了迅速分解过氧化氢,使过氧化氢分解为水和氧气,使得葡萄糖氧化酶继续作用,并可以补充部分的氧气,使得氧化反应得以继续进行。反应过程中往反应体系中缓慢加入一定浓度的氢氧化钠溶液,以维持体系正常的pH环境,保护酶的活性,并最终保证葡萄糖酸钠的最终生成[14]。
*通讯作者
工艺技术
葡萄糖氧化酶4C 6H 12O 6+3O2+2H26H 12O 7+2H2O (1) 过氧化氢酶
2H 2O 22O+O2 (2)C 6H 12O 7+NaOH→C6H 11O 7Na+H2O (3)1.4 试验方法
葡萄糖配置成一定浓度的溶液,利用葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶进行氧化的同时,流加一定浓度的氢氧化钠溶液中和,生成得到葡萄糖酸钠溶液,经过一系列的净化、浓缩、过滤和干燥等工段得到葡萄糖酸钠成品。 实 验设备利用南京金昶电子的10 L全自动发酵罐,温度、pH等可以实现自动化控制。葡萄糖氧化酶
配料→双酶氧化→中和→脱色→浓缩→结晶→过滤→干燥→成品 过氧化氢酶 母液 1.5 葡萄糖酸钠的检测方法
HPLC法[15]:分析天平准确称取1.504 0 g于105 ℃下烘至恒重的葡萄糖酸钠,用超纯水溶解并定容至500 mL。分别取1,2,3,4,5,6,7,8和9 mL葡萄糖酸钠溶液用超纯水稀释15 mL。将其分别过0.45 μm滤膜,再超声处理后即可进样,在HPLC仪器上分析,取其中6点做标准曲线。高效液相色谱采用的流动相为甲醇-水-1%磷酸(2︰48︰50),流速为1.0 L/min,柱温为25 ℃,进样量为15 μL,检测波长为210 nm。
过低或过高不利于酶的活性;温度过高,会增加能耗,增加生产成本。因此要综合考虑,选择一个适宜的反应温度,既要保证酶的活性,又要把能耗控制在最低。葡萄糖氧化酶的适用温度是30 ℃~60 ℃,过氧化氢酶的适用温度是30 ℃~65 ℃,最适宜温度为40 ℃。经过试验发现,当温度控制在31 ℃~33 ℃时,能同时满足以上2个条件,因此,氧化反应的反应温度一般控制在31 ℃~33 ℃。2.3 pH以及碱液2.3.1 pH的确定
葡萄糖氧化酶[14]适宜的pH范围为3.5~6.5,过氧化氢酶适宜的pH范围为4.0~8.0。由图2不难看出,为使反应能够平稳快速的进行,pH控制在在5.5~6.5之间比
较合适。
图2 pH对反应周期的影响
2.3.2 碱液的选择
在试验中,pH的调节选用了氢氧化钠溶液和碳酸钠溶液,当碳酸钠溶液作为pH调节剂时,因为有CO2的生成,应体系pH波动大,不容易稳定控制,且反应周期长。因此,pH的调节一般选用NaOH溶液。NaOH溶液的浓度也应该有个合适的范围,因为若NaOH溶液浓度过低,pH调节慢、加入量大,会稀释底物的浓度;若NaOH溶液浓度过高,容易使pH有突然升高的现象出现。因此,氢氧化钠溶液的浓度,一般控制在30%~33%。反应初始的时候,pH会有一个突然降低的调试过程,然后pH会逐渐稳定并维持在5.5~6.5之间,直到反应体系pH升高不降的时候可视为反应终止
(见图3)。
2 结果与分析
2.1 葡萄糖初始浓度的选择
由图1不难发现,当葡萄糖初始浓度低于34%时,反应会有一个较为快速稳定的周期,这是因为葡萄糖浓度过高,反应体系溶氧降低,反而会降低葡萄糖氧化酶的活性,延缓反应的进行。但是,如果葡萄糖浓度低,设备的利用率不高,相应的会增加生产成本。因此,选择一个合适的葡萄糖浓度是十分必要的。生产上一般控制葡萄糖的初始浓度在30%~34%
之间。
图1 葡萄糖初始浓度对反应周期的影响2.2 温度的选择
反应温度是体系反应一个重要的控制指标,温度
图3 反应过程中pH的变化
2.4 加酶量与反应速度
工艺技术
的0.5%~1%。
2.5 葡萄糖的转化
葡萄糖的转化过程可以通过测定反应体系中剩余葡萄糖的量进行跟踪监测。双酶法和发酵法反应最终,葡萄糖含量均会降至1.0%以下。但是,酶法生产葡萄糖酸钠是一个酶促反应,酶具有很强的选择性和专一性,能将反应底物较为完全地转化为产物。而发酵法前期因为黑曲霉的生长会消耗一部分葡萄糖,所以,酶法工艺对葡萄糖的转化比较彻底,而且,葡萄糖酸钠的收率会比较高。
2.6 酶法生产酸钠的提取与精制
酶法与发酵法相比,最大的特点就是不需要培养种子,这样最后得到的料液就没有微生物和培养基等原辅材料带来的干扰,后处理容易,易于提取和精制,最终得到的产品成分单一,纯度高,其纯度和收率等各项指标均可以达到甚至超过发酵法,产品完全可以食用和药用(见表1)。另外,一次结晶大大减少了母液的生成量,降低了母液排放带来的环境污染,减少了处理污水的费用,这点优势,是发酵法无论如何也达不到的。
硫酸盐 (以SO42-计)/%
≤0.05≤0.02≤0.05≤0.02
氯化物 (以Cl-计)/%
≤0.05≤0.02≤0.05≤0.02
色度—≤10—≤10
图4 反应过程中葡萄糖的变化曲线
发酵法前期有一个种子生长的阶段,导致反应周期较长。葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶一旦加入体系,反应会立刻进行,过程快速平稳,反应周期短。因此,酶法具有缩短反应周期的优势(见图4)。一定的底物浓度,加酶量越大,越利于反应的快速进行。但是同时,反应也会受到其他条件的制约,比如葡萄糖原料的质量、溶氧量、酶制剂的成本等。其中酶制剂的成本投入首先需要考虑的问题,应该将其控制在一个合理的范围之内。根据试验经验,葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶可以按1︰1的比例,添加量为底物浓度
葡萄糖酸钠食品级GB医药级GB发酵法产品双酶法产品
含量/%99~10299~102100102
干燥失重率/%
≤0.4≤0.3≤0.4≤0.3
表1 葡萄糖酸钠指标
重金属 (以Pb计)/mg・kg-1
≤5≤5≤5≤5
3 结论
经过一系列的实验室试验和工厂试验,可以初步得出结论:
1) 酶法生产葡萄糖酸钠的工艺控制条件:葡萄糖初始浓度:30%~34%;温度:31 ℃~33 ℃;pH 5.5~6.5(pH的调节使用30%~33%的氢氧化钠溶液);酶的加入量:0.5%~1%,采用分批加入的方式。
2) 酶法生产葡萄糖酸钠的工艺简洁,处理简单,相较于传统的催化法和发酵法具有操作简便,安全性高,产品易于提取和精制的显著优势。近年来,随着酶制剂行业的快速发展,酶制剂种类的增多,质量的提高和下游行业的完善,双酶法生产葡萄糖酸钠的新工艺会得到越来越多的研究和推广。
参考文献:
[1] 周秀琴. 新功能呈味调料葡萄糖酸钠与葡萄糖酸钾[J]. 江苏调味副食品, 2003, 20(5): 28-29.
[2] 汪祖模, 徐玉佩, 徐寿昌, 等. 水质稳定剂2葡萄糖酸钠[J]. 化学世界, 1982, 23(6): 166-168.
[3] 郑锦华, 吴绍林. 葡萄糖衍生产品的生产与市场[J]. 河南化工, 1997(6): 14-15.
[4] 李光兴, 陈兵. 葡萄糖酸盐产品研究、生产及应用[J]. 化
学工程师, 1994(5): 28-31.
[5] 饶华英. 葡萄糖酸内酯及其盐类的生产和应用[J]. 湖北化工, 1998(3): 47-49.
[6] 梁洁, 王冲, 刘红梅, 等. 葡萄糖酸钠的制备方法[J]. 河北化工, 2007, 30(1): 12-14.
[7] 郭凤华, 刘昌俊. 葡萄糖酸合成方法研究进展[J]. 化学工业与工程, 2007, 24(2): 173-177.
[8] 黄道震, 余丽秀, 王桂香, 等. 葡萄糖酸钠的生产工艺及研究动态[J]. 河南化工, 1999(5): 35-36.
[9] 宋一兵, 陈德平, 余林, 等. 过渡金属改性Pd/C催化剂上葡萄糖催化氧化反应[J]. 天然气化工, 2003(4): 47-51.
[10] DIRKX J M H. The oxidation of glucose with platinum on carbon as catalyst[J]. Catalysis, 1981(1): 1-14.
[11] 蔡皓, 余超, 李庆. 黑曲霉葡萄糖酸发酵的工艺控制方法[J]. 化学与生物工程, 2008, 25(6): 63-66.
[12] 张静, 童群义. 响应面法优化黑曲霉发酵产葡萄糖酸的研究[J]. 安徽农业科学, 2008, 36(9): 3720-3722.
[13] 姜锡瑞, 段钢. 新编酶制剂实用技术手册[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2002.
[14] 周红伟, 姜锡瑞, 段钢. 酶法生产葡萄糖酸钙的新工艺[J]. 食品与发酵工业, 2007, 33(7): 99-101.
[15] 林峰, 张汉英, 张莉琼. HPLC测定葡萄糖酸盐的研究[J]. 分析测试学报, 1997, 16(1): 68-71.