溫和條件下氫氧化鈉高效異構(gòu)葡萄糖制備果糖研究

李陸楊，張 怡，李曉璇，關(guān) 昕

(承德石油高等?？茖W(xué)校 化學(xué)工程系，河北 承德 067000)

將葡萄糖高效異構(gòu)為果糖是利用生物質(zhì)資源制備多種平臺(tái)化合物如5-羥甲基糠醛、乙酰丙酸及乳酸等的重要中間步驟[1]。以果糖為前驅(qū)體的制備過程目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量高、反應(yīng)條件較溫和、可簡(jiǎn)化/減少催化劑的使用。因此，通過異構(gòu)作用將葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖具有很大的科研和實(shí)際意義。目前，最常用的兩種葡萄糖異構(gòu)手段是酶催化法和化學(xué)催化法[2],葡萄糖異構(gòu)酶催化制備果糖的工藝已經(jīng)在食品和制藥領(lǐng)域得到了大規(guī)模應(yīng)用，但酶的生產(chǎn)成本高，對(duì)工藝條件環(huán)境敏感，容易失活，給酶催化法的使用和發(fā)展造成很大的阻礙[3]?；瘜W(xué)催化法主要涉及兩類催化劑：堿催化劑和Lewis酸催化劑[4]。堿催化劑包括以同相催化起作用的傳統(tǒng)堿土金屬氫氧化物、有機(jī)堿，以及以異相催化起作用的固體堿催化劑如金屬氧化物、類水滑石材料等。Lewis酸催化劑則包括一大類Sn-/Ti-beta分子篩材料，以及部分金屬鹵化物如CrCl3、AlCl3[5]。近期的研究熱點(diǎn)主要集中于異相固體催化劑的制備和應(yīng)用，主要的思路包括有機(jī)堿的固載化、水滑石/沸石材料結(jié)構(gòu)的有序調(diào)控等。Yang等[6]合成了基于氯甲基樹脂和二氧化硅包覆鐵氧化物的固定化有機(jī)堿，這兩種新型固體堿可在120 ℃的反應(yīng)條件下得到約25%的果糖產(chǎn)率，鐵磁材料還具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性和可重復(fù)利用性。Chen[7]等通過熱解咖啡豆和三聚氰胺的混合物得到一種固體堿生物碳，這種材料在160 ℃時(shí)可高效催化葡萄糖異構(gòu)并得到約14%的果糖產(chǎn)率。Chadwick課題組[8-10]研究了一系列NaY型沸石的改性方法，發(fā)現(xiàn)鎂鹽和堿處理過的沸石有較好的異構(gòu)作用，反應(yīng)溫度為100 ℃時(shí)最大的果糖產(chǎn)率可達(dá)35%。固體催化劑在分離和使用過程中具有一定優(yōu)勢(shì)，但目前所制備的材料的催化效率都較低，并未體現(xiàn)較好的循壞利用性能，且制備方法大多需要煅燒等耗能過程，原料和輔助溶劑有一定毒性，其實(shí)際應(yīng)用性受到了嚴(yán)重制約。本文利用傳統(tǒng)的堿性催化劑氫氧化鈉，開發(fā)了高效異構(gòu)葡萄糖制備果糖的溫和體系，研究了反應(yīng)時(shí)間、溫度、催化劑量、底物濃度等條件的影響。結(jié)果表明氫氧化鈉在較低溫度下(50 ℃)具有比其他催化劑在高溫下(80～160 ℃)更好的異構(gòu)效果，果糖產(chǎn)率和選擇性高達(dá)40.1%和83.2%，具有很好的應(yīng)用潛力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

葡萄糖、果糖、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氫氧化鎂、氫氧化鋇等，均為分析純，上海阿拉丁生化科技有限公司；稀硫酸溶液(0.5M)，色譜級(jí)流動(dòng)相，上海麥克林生化科技有限公司。

DSHZ-300A型回旋式水浴恒溫振蕩器，蘇州培英實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；ACQUITY UPLC H class型超高效液相色譜、ACQUITY UPLC TUV型紫外檢測(cè)器、ACQUITY RI示型差折光檢測(cè)器，美國(guó)沃特世公司；SH-1011型糖類色譜柱，日本昭和電工株式會(huì)社。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

催化實(shí)驗(yàn)在自制具塞玻璃瓶中進(jìn)行。稱取0.18 g葡萄糖溶于20 mL去離子水中，向此溶液中加入0.02 g氫氧化鈉。將此混合液迅速轉(zhuǎn)移到預(yù)設(shè)至不同溫度的恒溫水浴搖床中，在100 r/min的轉(zhuǎn)速下浸泡相應(yīng)時(shí)間，取出后冰浴降溫停止反應(yīng)，吸取反應(yīng)液進(jìn)行分析測(cè)定。

1.3 產(chǎn)物分析

葡萄糖轉(zhuǎn)化率、果糖產(chǎn)率及相應(yīng)中間產(chǎn)物的測(cè)定由液相色譜完成，色譜使用條件為：5 mmol/L稀硫酸為流動(dòng)相，流速為0.5 mL/min。紫外檢測(cè)器波長(zhǎng)設(shè)為210 nm，示差檢測(cè)器流通池溫度35 ℃，色譜柱溫50 ℃。所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果由三次平行實(shí)驗(yàn)平均所得。

葡萄糖轉(zhuǎn)化率、果糖產(chǎn)率、果糖選擇性均以含碳量的摩爾百分?jǐn)?shù)表示，具體計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的篩選

在之前的工作中我們發(fā)現(xiàn)[11]，堿金屬氫氧化物(Ba(OH)2、NaOH)可以在室溫(25 ℃)、厭氧條件下對(duì)葡萄糖異構(gòu)為果糖起到一定的催化作用。但此系統(tǒng)平衡時(shí)間較長(zhǎng)(48 h)，厭氧條件需要復(fù)雜的反應(yīng)裝置。為了加速和簡(jiǎn)化反應(yīng)過程，提出了以簡(jiǎn)便的自制玻璃容器為反應(yīng)裝置，在中溫、空氣氣氛進(jìn)行的反應(yīng)系統(tǒng)，并對(duì)常用堿金屬氫氧化物NaOH、KOH、Ca(OH)2、Mg(OH)2、Ba(OH)2的異構(gòu)效果進(jìn)行了篩選，結(jié)果見表1。

由表1可以看出，在相同OH-濃度的條件下，單價(jià)金屬氫氧化物在果糖產(chǎn)率和選擇性方面均優(yōu)于二價(jià)金屬氫氧化物。NaOH的果糖產(chǎn)率和選擇性分別可以達(dá)到40.1%和83.2%。Mg(OH)2的果糖選擇性最高，但其轉(zhuǎn)化葡萄糖并產(chǎn)生果糖的能力很低，這主要受限于其極低的溶解度。二價(jià)金屬氫氧化物的葡萄糖轉(zhuǎn)化率與單價(jià)金屬氫氧化物相似，但是果糖產(chǎn)率更低，這主要是由于二價(jià)金屬離子對(duì)果糖進(jìn)一步轉(zhuǎn)化的催化作用。因此，單價(jià)金屬氫氧化物更適合于葡萄糖催化異構(gòu)制備果糖的過程，本文選取NaOH作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的催化劑。

2.2 時(shí)間和溫度對(duì)反應(yīng)的影響

起始反應(yīng)條件設(shè)定為堿/葡萄糖濃度比0.025 mol/L ∶0.05 mol/L，為了加速異構(gòu)過程并抑制副反應(yīng)發(fā)生，選取較低的溫度范圍(30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖1顯示了不同溫度下，葡萄糖轉(zhuǎn)化率和果糖產(chǎn)率隨時(shí)間的變化曲線。在低溫(30 ℃)時(shí)，葡萄糖的轉(zhuǎn)化速率極慢，大約需要72 h才

表1 不同堿金屬氫氧化物的葡萄糖異構(gòu)性能

反應(yīng)條件：50 ℃，0.025 mol/L OH-,0.05 mol/L葡萄糖，2 h

能達(dá)到反應(yīng)平衡。當(dāng)溫度提高到40 ℃時(shí)，反應(yīng)速率加快，平衡時(shí)間可被縮短至約48 h。在中溫區(qū)(50 ℃、60 ℃)，葡萄糖轉(zhuǎn)化速率顯著加速，平衡時(shí)間可分別減小至8 h和4 h。此外，溫度的變化對(duì)葡萄糖轉(zhuǎn)化率的最終值影響不大，均在60%～70%，高溫時(shí)轉(zhuǎn)化率稍高一些。從這一結(jié)果看，溫度的提高可以極大加速葡萄糖轉(zhuǎn)化速率，提高體系的實(shí)際應(yīng)用性能。

不同溫度下果糖選擇性隨溫度的變化趨勢(shì)如圖2所示。由結(jié)果可知，在反應(yīng)溫度為30 ℃、40 ℃和50 ℃時(shí)，所有曲線都在約1.5 h處產(chǎn)生轉(zhuǎn)折，較高的溫度下出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間會(huì)提前，而60 ℃下的曲線則呈現(xiàn)連續(xù)的下降趨勢(shì)。這表明高溫加速了果糖的進(jìn)一步分解，且在異構(gòu)過程中必然存在一個(gè)最優(yōu)的時(shí)間條件，滿足高效制備果糖的需要。60 ℃條件下混合物的顏色隨時(shí)間延長(zhǎng)有明顯的改變(見圖3)，著色物為糖類脫水、縮合等過程的副產(chǎn)物，這一現(xiàn)象不利于果糖的積累。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本系統(tǒng)最優(yōu)條件組合為50 ℃下反應(yīng)2 h。

2.3 堿添加量和葡萄糖濃度的影響

不同堿添加量對(duì)葡萄糖的異構(gòu)作用如圖4所示。從圖4可以看出，葡萄糖轉(zhuǎn)化率隨堿濃度的增加而增加，低濃度(0.0125 mol/L)的氫氧化鈉僅能轉(zhuǎn)化約35%的葡萄糖，而高濃度(0.2 mol/L)時(shí)葡萄糖轉(zhuǎn)化率可達(dá)80%以上。果糖產(chǎn)率在堿濃度為0.05 mol/L時(shí)達(dá)到最大值42.5%,并隨著堿濃度的增加而降低。果糖選擇性受堿濃度影響較大，當(dāng)堿濃度大于0.025 mol/L后，其曲線呈明顯的下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最佳堿濃度為0.025 mol/L,其葡萄糖轉(zhuǎn)化率為48.2%，果糖產(chǎn)率為40.1%，果糖選擇性為83.2%。

葡萄糖濃度對(duì)異構(gòu)作用的影響如圖5所示。隨著葡萄糖濃度的增加，其轉(zhuǎn)化率逐漸降低，較低的葡萄糖濃度有利于異構(gòu)的發(fā)生以及果糖的積累。當(dāng)起始葡萄糖濃度低于0.05 mol/L時(shí)，果糖產(chǎn)率可達(dá)40%以上。果糖選擇性則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。對(duì)于較低的起始葡萄糖濃度，葡萄糖轉(zhuǎn)化率和果糖的分解率均較高，過多的果糖分解導(dǎo)致最終選擇性的下降。高濃度的葡萄糖則限制了催化劑的催化作用，而使異構(gòu)效果不佳。綜合考慮，堿/葡萄糖最佳配比為0.025 mol/L ∶0.05 mol/L。

2.4 堿催化劑應(yīng)用展望

以氫氧化鈉為催化劑的葡萄糖異構(gòu)體系顯示出了很大的簡(jiǎn)便性及高效性。相比于其他需要經(jīng)過復(fù)雜途徑制備的催化劑，氫氧化鈉具有更高的效率，更簡(jiǎn)便的操作體系，不需要耗能、有污染的制備過程。表2總結(jié)了目前文獻(xiàn)報(bào)道的多種固體催化劑的異構(gòu)效果。從表2中不難看出，本體系采用的方法具有操作溫度低、異構(gòu)效率高、果糖產(chǎn)率大等特點(diǎn)，同時(shí)避免了煅燒、浸泡等處理步驟，有很大優(yōu)勢(shì)。

此外，本體系終產(chǎn)物混合液成分主要包含葡萄糖和果糖，其組成與傳統(tǒng)酶法催化制備的果葡糖漿相似，利用膜分離、吸附法以及色譜分離純化等方法即可得到較純凈的產(chǎn)品。

3 結(jié)論

利用氫氧化鈉作為催化劑可以在溫和條件下高效異構(gòu)葡萄糖制備果糖，當(dāng)堿/葡萄糖比為0.025 mol/L ∶0.05 mol/L，反應(yīng)溫度為50 ℃，反應(yīng)2 h時(shí)，果糖產(chǎn)率可達(dá)40.1%，選擇性為83.2%。與其他固體催化劑相比，氫氧化鈉無需復(fù)雜合成過程，無能耗，且催化效率高，具有較大優(yōu)勢(shì)。本體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，產(chǎn)物組成與酶法制得的果葡糖漿類似，具有實(shí)際應(yīng)用前景。

表2 不同催化劑的制備及異構(gòu)效果