一種以紅藻生物質為原料制備單糖的方法
【專利摘要】本發明提供了一種生產單糖的新方法，該方法以紅藻生物質為原材料，僅需一步，即直接將海洋紅藻生物質加熱催化反應得到包含單糖反應產物，然后利用分析提取技術得到半乳糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖、巖藻糖和鼠李糖等單糖類物質。該方法突破了現有技術中生產單糖類物質的原料制限，有效解決了半乳糖和阿拉伯糖等單糖的獲取來源較為單一，產量不足的問題，同時拓展了紅藻生物質的利用方式，是一種大規模、低成本、高產率和高選擇性生產單糖類物質的新方法，具有很大的工業化前景。
【專利說明】一種以紅藻生物質為原料制備單糖的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種以紅藻生物質制備單糖的方法，屬海洋生物化工領域。
【背景技術】
[0002]海藻作為地球上最主要的生物質之一，受到了人類的廣泛關注和利用。其中海洋紅藻作為人類最早開始利用的海藻之一，約占海藻總產量的三分之一，據國際糧農組織統計，2008年，全球紅藻產量高達658.8萬噸。但是直至今日，紅藻的主要用途未發生明顯變化，主要有以下三個方面:1)人類直接食用，例如紫菜和龍須菜；2)水產養殖飼料；3)提取瓊膠和卡拉膠等海藻多糖。大量研究發現，紅藻中單糖成分主要包括半乳糖、木糖、阿拉伯糖和葡萄糖等，并且半乳糖和阿拉伯糖含量較高，但是關于利用紅藻直接提取單糖類物質卻鮮有報道。
[0003]目前，半乳糖和阿拉伯糖的來源相對單一，總體產量不足。其中半乳糖主要來自乳糖水解，而乳糖在自然界只存在于哺乳動物，因此，半乳糖的生產和應用受到了極大的限制，目前市場上主要以低聚半乳糖代替半乳糖。阿拉伯糖作為新興的健康糖，可望在保健品、藥品、乳制品、糕點、面包、兒童食品、冰淇淋、飲料、甜點/巧克力/家用蔗糖等食品中得到廣泛應用。目前，阿拉伯糖工業產品主要有兩種:D-阿拉伯糖與天然L-阿拉伯糖。其中，D-阿拉伯糖可通過降解D-葡萄糖獲得，自然界較為少見，主要出現在某些細菌多糖中。天然L-阿拉伯糖可由D-木糖被尿苷二磷酸衍生物經酶促異構化反應獲得，也可從玉米芯里的阿拉伯木糖中提取(CN 101475972A)。
[0004]隨著人類對半乳糖和阿拉伯糖特性的深入研究，其需求量正在逐步增加，僅依賴與目前的生產方法，無法滿足 未來日益增加的需求量，限制了這兩種單糖的后續產業快速發展。因此，探索研究以產量巨大，并且富含單糖成分的紅藻生物質為原材料，獲取大量半乳糖、阿拉伯糖、葡萄糖、木糖、巖藻糖以及鼠李糖等單糖，一方面可以解決一直以來陸地植物獲得有限半乳糖和阿拉伯糖的問題，同時也為人類充分利用海洋生物資源，開發新的紅藻利用方式提供一條可行性較高的方案。

【發明內容】

[0005]本發明的技術目的是針對上述技術現狀，提供一種以紅藻生物質為原料生產半乳糖、阿拉伯糖以葡萄糖和木糖等單糖的方法，有效解決了半乳糖和阿拉伯糖等單糖的獲取來源較為單一，產量不足的問題，同時提供了一種可行性較高的紅藻利用方式。
[0006]本發明實現上述技術目的所采取的技術方案為:一種以紅藻生物質為原料制備單糖的方法，包括如下步驟:以紅藻生物質為原料，清洗、破碎后配制為紅藻生物質溶液，在催化劑條件下加熱至80~250° C發生催化反應，生成包含單糖的反應產物，將反應產物提取純化，得到單糖類物質。
[0007]紅藻生物質是海藻生物質的一種，其產量巨大，據國際糧農組織統計，2008年全球紅藻產量高達658.8萬噸。紅藻生物質中碳水化合物含量高，單糖組成與陸地植物明顯不同，且所含單糖目前各種相關行業無法充分獲得的原料，因此，充分利用這一巨大的海洋生物質資源可為人類提供大量的碳水化合物，用于各種以糖為原料的行業發展，例如食品、醫藥、化妝品、生物質能源和生物基產品等。本發明正是直接采用紅藻生物質為原料，利用簡單的降解工藝從海洋紅藻中提取得到純化單糖，例如半乳糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖、巖藻糖和鼠李糖中的一種或幾種，以及它們的硫酸酯類衍生物等，從而突破了現有技術中采用乳糖水解獲得半乳糖，采用D-葡萄糖降解獲得D-阿拉伯糖以及采用D-木糖被尿苷二磷酸衍生物經酶促異構化反應獲得天然L-阿拉伯糖等的技術方法，開辟了一條大規模、低成本生產單糖類物質的技術方法，同時拓展了海洋紅藻生物質的用途。[0008]上述技術方案中:
[0009]紅藻生物質主要為海洋大型紅藻，包括但不限于紫菜屬(Porphyra)、角叉菜屬(Chondrus Stackhouse)、海蘿屬(Gloiopeltis J.Ag.)、娛蟲公藻屬(Grateloupia C.Ag.)>石花菜屬(Gelidium Lam)、紅玲菜屬(Solieria J.Ag.)、江蘺屬(Gracilaria Crev.)和麒麟菜屬(Eucheuma J.Ag.)；
[0010]紅藻生物質溶液的濃度對產率影響較大，本發明使用的紅藻生物質濃度將根據紅藻生物質多糖含量不同，優選控制在50~500g I/1。
[0011]催化劑包括無機酸類，優選但不限于鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、溴酸、乙酸、甲酸、高氯酸和三氟乙酸中的一種或幾種的混合酸。作為進一步優選，所述的催化劑的濃度范圍控制在 0.1 ~5mol I71。
[0012]作為優選，所述的加熱溫度為120° C~200° C。
[0013]作為優選,所述的催化反應在充分攪拌的條件下,持續反應10min~24h,具體反應時間根據紅藻生物質種類和催化劑種類確定。
[0014]所述的催化反應完成后，采用現有技術對催化反應生成的反應產物中的單糖類物質進行鑒定與提取，鑒定方法不限，包括高壓液相色譜法等；提取方法不限，包括高壓液相提取法或者有機溶劑萃取法等。
[0015]為了進一步提高原料利用率，將提取單糖類物質后的剩余物質代替清洗、破碎后的紅藻生物質，重復本發明提供的生產過程數次，即將該剩余物質配制為溶液，加入催化劑，在加熱條件下催化反應生成包含單糖類物質的反應產物，將反應產物提取純化，得到單糖類物質,直至反應產物中單糖類物質生成量為0~2g I/1為止。
[0016]綜上所述，本發明提供了一種生產半乳糖、阿拉伯糖、葡萄糖、木糖、巖藻糖以及鼠李糖等單糖類物質的新方法，與現有技術相比，具有如下優點:
[0017](I)以海洋紅藻生物質為原材料，原材料來源充足，為大規模、低成本生產單糖類物質奠定了基礎；
[0018](2)采用直接將海洋紅藻生物質加熱催化反應得到包含單糖類物質的反應產物，然后利用分析提取技術得到乳糖、阿拉伯糖、葡萄糖和木糖等單糖類物質的生產過程，整個過程簡單易行、僅需一步反應完成，無需中間反應過程，不僅充分利用了紅藻生物質中的組分，得到了高產率的單糖類物質，而且拓展了紅藻生物質的用途；
[0019]因此，本發明是一種大規模、低成本、高產率和高選擇性生產單糖類物質的物質的全新的方法，具有很大的工業化前景?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發明以以紅藻生物質為原料制備單糖的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0021]以下結合附圖與實施例對本發明作進一步說明，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0022]實施例1:
[0023]本實施例中，以小石花菜(Gelidium divaricatum Mart)為原料生產半乳糖和木糖，具體過程如下:
[0024]I)取小石花菜100g，清洗破碎后加去離子水500ml，配置成200g L—1小石花菜生物質溶液；
[0025]2)向小石花菜生物質溶液中添加鹽酸，至其終濃度為Imol L—1 ;
[0026]3)利用已知的加熱方式，在充分攪拌條件下，將小石花菜生物質溶液加熱至180° C，催化反應6h，得到反應產物；
[0027]4)待反應產物冷卻后，離心處理，取上清液，上清液總體積約為400ml ；
[0028]5)利用高壓液相色譜對上清液中的單糖組分進行分析，其中半乳糖濃度為74.SgL—1，木糖濃度為 20.4g L-1 ；
[0029]6)利用高壓液相提取技術，分別`提取出半乳糖和木糖；
[0030]7)剩余物質代替清洗破碎后的小石花菜，重復上述步驟I)至6)中所述的過程:添加溶劑、添加催化劑、催化反應、離心處理、組分分析、半乳糖和木糖提取，重復數次，直至步驟5)中利用高壓液相色譜法分析得到的半乳糖濃度增加量小于為1.25g L—1，木糖濃度為0.5g L-1為止。
[0031]上述方法中，小石花菜的單糖總提取率約為生物質總質量的38.08%，其中半乳糖和木糖分別約為生物質總質量的29.9%和8.16%。
[0032]實施例2:
[0033]本實施例中，以江蘺(Gracilaria verrucosa (Hud.)Papenfuss)為原料生產半乳糖、阿拉伯糖和葡萄糖，具體過程如下:
[0034]I)取江蘺80g，清洗破碎后加去離子水500ml，配置成160g L-1江蘺生物質溶液；
[0035]2)向江蘺生物質溶液中添加硝酸，至其終濃度為0.8mol L—1 ；
[0036]3)利用已知的加熱方式，在充分攪拌條件下，將江蘺生物質溶液加熱至120° C，催化反應8h，得到反應產物；
[0037]4)待反應產物冷卻后，離心處理，取上清液，上清液總體積約為380ml ；
[0038]5)利用高壓液相色譜對上清液中的單糖組分進行分析，其中半乳糖濃度為49.26gL_i ;阿拉伯糖濃度為11.79g L—1 ;葡萄糖濃度為2.1lg L—1 ；
[0039]6)利用高壓液相提取技術，分別提取出半乳糖和木糖；
[0040]7)剩余物質代替清洗破碎后的江蘺，重復上述步驟I)至6)中所述的過程:添加溶劑、添加催化劑、催化反應、離心處理、組分分析、半乳糖和木糖提取，重復數次，直至步驟5)中利用高壓液相色譜法分析得到的半乳糖濃度增加量小于為0.5g L—1，木糖濃度為0.2gL-1為止。[0041 ] 上述方法中，江蘺的單糖總體積率約為生物質總質量的30%，其中半乳糖、阿拉伯糖和葡萄糖分別占總生物質的為23.4%、5.6%和1%。
[0042]實施例3:
[0043]本實施例中，以瓊枝(Eucheuma gelatinae (Esp.) J.Ag.)為原料生產半乳糖、木糖和葡萄糖，具體過程如下:
[0044]I)取瓊枝100g，清洗破碎后加去離子水800ml，配置成125g L—1瓊枝生物質溶液；
[0045]2)向瓊枝生物質溶液中添加硫酸，至其終濃度為3mol L—1 ;
[0046]3)利用已知的加熱方式，在充分攪拌條件下，將瓊枝生物質溶液加熱至200° C，反應12h，得到反應產物；
[0047]4)待反應產物冷卻后，離心處理，取上清液，上清液總體積約為650ml ；
[0048]5)利用高壓液相色譜對上清液中的單糖組分進行分析，其中半乳糖濃度為48.MgI/1 ;木糖濃度為3.54g L—1 ;葡萄糖濃度為2.4g L—1 ；
[0049]6)利用高壓液相提取技術，分別提取出半乳糖和木糖；
[0050]7)剩余物質代替清洗破碎后的瓊枝，重復上述步驟I)至6)中所述的過程:添加溶劑、添加催化劑、催化反應、離心處理、組分分析、半乳糖和木糖提取，重復數次，直至步驟5)中利用高壓液相色譜法分析得到的半乳糖濃度增加量小于為1.25g L—1，木糖濃度為0.5gL-1為止。
[0051]上述方法中，瓊枝的 單糖總體積率約為生物質總質量的35.15%，其中半乳糖、木糖和葡萄糖分別占總生物質的為31.29%,2.3%和1.56%。
[0052]實施例4:
[0053]本實施例中，以蜈蟻藻(Grateloupia filicina(L.)C.Ag.)為原料生產半乳糖、阿拉伯糖和葡萄糖，具體過程如下:
[0054]I)取蜈蚣藻200g，清洗破碎后加去離子水1000ml，配置成200g L-1蜈蚣藻生物質溶液；
[0055]2)向蜈蚣藻生物質溶液中添加磷酸，至其終濃度為0.6mol L—1 ;
[0056]3)利用已知的加熱方式，在充分攪拌條件下，將蜈蚣藻生物質溶液加熱至160° C，反應4h，得到反應產物；
[0057]4)待反應產物冷卻后，離心處理，取上清液，上清液總體積約為875ml ；
[0058]5)利用高壓液相色譜對上清液中的單糖組分進行分析，其中半乳糖濃度為73.5881/1，阿拉伯糖濃度為7.36g L'葡萄糖濃度為7.63g L—1 ；
[0059]6)利用高壓液相提取技術，分別提取出半乳糖和木糖；
[0060]7)剩余物質代替清洗破碎后的蜈蚣藻，重復上述步驟I)至6)中所述的過程:添加溶劑、添加催化劑、催化反應、離心處理、組分分析、半乳糖和木糖提取，重復數次，直至步驟5)中利用高壓液相色譜法分析得到的半乳糖濃度增加量小于為2g L—1，木糖濃度為0.5gL-1為止。
[0061]上述方法中，蜈蚣藻的單糖總體積率約為生物質總質量的38.76%，其中半乳糖、阿拉伯糖和葡萄糖分別占總生物質的為32.19%,3.22%和3.34%。
[0062]以上所述的實施例對本發明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發明的具體實施例，并不用于限制本發明，凡在本發明的原則范圍內所做的任何修改、補充或等同替換等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種以紅藻生物質為原料制備單糖的方法，其特征是:以紅藻生物質為原料，清洗、破碎后配制為紅藻生物質溶液，在催化劑條件下加熱至80~250° C發生催化反應，生成包含單糖的反應產物，將反應產物提取純化，得到單糖類物質。
2.根據權利要求1所述的以紅藻生物質為原料制備單糖的方法，其特征是:所述的單糖包括半乳糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖、巖藻糖和鼠李糖中的一種或幾種，以及它們的硫酸酯類衍生物。
3.根據權利要求1所述的以紅藻生物質為原料制備單糖的方法，其特征是:所述的紅藻生物質主要為海洋大型紅藻，包括紫菜屬(Porphyra)、角叉菜屬(ChondrusStackhouse)、海蘿屬(GloiopeltisJ.Ag.)、蜈蟻藻屬(Grateloupia C.Ag.)、石花菜屬(Gelidium Lam)、紅玲菜屬(Solieria J.Ag.)、江蘺屬(Gracilaria Crev.)和麒麟菜屬(Eucheuma J.Ag.)。
4.根據權利要求1所述的以紅藻生物質為原料制備單糖的方法，其特征是:所述的紅藻生物質濃度為50~500g L'
5.根據權利要求1所述的以紅藻生物質為原料制備單糖的方法，其特征是:所述的催化劑包括鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、溴酸、乙酸、甲酸、高氯酸和三氟乙酸中的一種或幾種的混合酸。
6.根據權利要求1所述的以紅藻生物質為原料制備單糖的方法，其特征是:所述的催化劑的濃度為0.1~5mol L'
7.根據權利要求1所述的以紅藻生物質為原料制備單糖的方法，其特征是:所述的催化反應在充分攪拌的條件下，持續反應10min~24h。
8.根據權利要求1至8中任一權利要求所述的以紅藻生物質為原料制備單糖的方法，其特征是:所述的提取純化過`程中，得到單糖類物質后的剩余物質代替清洗、破碎后的紅藻生物質，重復權利要求1數次，直至反應產物中單糖類物質生成量為0~2g I/1為止。
【文檔編號】C13K1/00GK103509884SQ201210226310
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月29日 優先權日:2012年6月29日
【發明者】張亞杰, 楊春虹, 宋慶歡, 馬中森, 戴寧 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所, 中國科學院植物研究所, 中國科學院上海技術物理研究所