CN1072185A - 制备非混浊型环糊精的方法 - Google Patents

Abstract

用两步法并用支链淀粉含量至少为90％的淀粉 生产一种加入到水中不会使溶液发生混浊的环糊精， 首先，在α-淀粉酶或酸的作用下制备淀粉水解产物， 第二步在环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成环糊 精。

Description

本发明涉及环糊精，更具体地说，本发明涉及生产所述环糊精的方法，将上述环糊精加入到水中时，产生一种基本是不混浊的溶液。

环糊精是呈环状结构的葡糖酐低聚物。通常，环糊精是由酶的作用，即环糊精葡萄糖基转移酶（CGT酶）作用于淀粉，或者右旋糖当量值（Dextrose  Equivalent-DE）小于10的淀粉水解产物而形成的。其命名是根据环结构中葡糖酐基的数目而定的。最普通的环糊精是α-、β-和γ-环糊精，它们的环结构中分别有6、7和8个葡糖酐单元。

环糊精因其环状结构而特别令人注意到它们作为其它分子（客体化合物）的主体化合物的能力。这种主体-客体关系在医药、农业、化学、食品和化妆品领域是十分重要的。

在用CGT酶处理淀粉过程中，同时生成有环糊精和无环物质。就绝大部分情况而言，无环物质被视为一种废弃而必须从所要求的环糊精中分离出去。分离和提纯目的环糊精的方法是昂贵的，往往涉及到酶的利用。如可参见US4，384，898和US4，418，144。US4，808，232（1989年、2月28日授权）这些方法的出现是一重大突破。

现有技术分离和提纯环糊精方法其问题是，含有经过这种分离和纯化的环糊精的水溶液在室温下容易发生混浊，既使在经过彻底提纯处理之后依然如此。因此，含有基本上“纯的”环糊精的溶液当放置在室温下会发生混浊。尽管在某些应用领域，如混浊型饮料和农用化学品，混浊没有影响或影响不大，但在其它领域如仪器和药品，透明度则是很重要的，混浊现象会有损环糊精的市售性能。

本发明的目的在于为克服现有技术的不足之处而提供一种生产环糊精的方法，用该方法生产出的环糊精加入水中后其溶液不会发生混浊。

现已发现，采用两步法生产环糊精时，将所得环糊精加到水中后，其溶液基本上不会发生混浊。本发明的两步法系用一种酸或酶水解支链淀粉含量至少90%的淀粉，使之生成右旋糖当量值（DE）低于约10的淀粉水解产物，然后，用环糊精葡萄糖基转移酶使淀粉水解产物转化为环糊精。以淀粉重量计，所用淀粉必须含至少约90wt%的支链淀粉，最优选的是支链淀粉量在约95%或更高。用含支链淀粉约99%的淀粉已获得良好的结果。

还发现，将淀粉水解产物在用环糊精葡萄糖基转移酶处理之前进行精制，可以获得满意的结果。精制步骤包括用炭漂白淀粉水解产物，再用离子交换柱进一步处理漂白的水解产物。精制的水解产物可以先经干燥再用第二种酶处理。干燥步骤除去了水解产物中的水份。得到一种干燥的粉末状产物。

业已发现，当采用本发明的方法时，α-环糊精溶液的透射比为90%更好些;β-环糊精溶液的透射比为95%更好，γ-环糊精溶液的透射比为97%更好。上述值是在每种溶液含固形物20wt%，室温条件下，20-25℃，用分光光度计，在660nm处，通过1cm比色皿测定的。应该注意的是，要获得含α-和β-环糊精20%的溶液，必须将溶液加热才能得到如此高的固形物含量。还应注意，在α-和β-环糊精溶液冷却后，测定之前，会有一部分环糊精结晶析出沉在试管底部。

为什么采用高支链淀粉含量（90%，及更高）的淀粉原料生产所得的环糊精其溶液基本不发生混浊？这其中的原因不清楚。除了环糊精外，溶液中还有什么物质？是什么物质引起混浊的？这些都还不清楚。人们怀疑环糊精本身并不会引起混浊，而是由溶液中存在的其它化学物质引起的。所说的其它化学物质可能是葡糖酐结构物，但具体的结构不明了。它们可能就是与环糊精一起通过了精制过程的无环糊精。

广义地说，本发明方法是：首先，用一种酸或酶处理淀粉水浆，生成淀粉水解产物，紧接着第二步用环糊精葡萄糖基转移酶处理淀粉水解产物，生成环糊精。为了生成淀粉水解产物，先制备淀粉水浆，其中所说的淀粉要含有约90wt%（以淀粉重量计）以上的支链淀粉。然后，加热搅拌浆液使淀粉糊化。接着液化糊化淀粉以生成DE值小于约10的淀粉水解产物。最好是紧接着用炭漂白上述淀粉水解产物，并可以干燥到水份含量在大约12%或更低。

为了使淀粉水解产物转化为环糊精，用环糊精葡萄糖基转移酶（CGT酶）处理所说的淀粉水解产物;使之形成环糊精，回收该环糊精。当所回收的环糊精加入到水中时发现其溶液基本没有混浊现象。

淀粉水解产物的DE值可用任何已知的适宜方法测定，Lane-Eynon是优选的方法。淀粉水解产物的DE值最好是约1-8，采用DE值为约5的淀粉水解产物可获得良好的结果。

淀粉基本上分为两种类型葡糖酐聚合物。一类聚合物称为直链淀粉，由α-1，4键相连的葡糖酐单体组成。另一类聚合物是支链淀粉，由和α-1，4键和α-1，6键两种键相连而成的葡糖酐单体组成。通常在支链淀粉中α-1，6键的数目比α-1，4键少。

用于本发明的淀粉支链淀粉含量至少约90%，最好约95%或更高。采用支链淀粉约99%的淀粉已取得令人满意的结果。适用于本发明方法的淀粉是蜡质玉米、蜡质大米和蜡质大麦，蜡质玉米是优选原料。

为了制备本发明所用的淀粉液，将颗粒淀粉加到水中形成固形物为约5-50wt%，优选约10-40wt%的悬浮液。就操作而言，最佳为约20-40wt%。

在液化之前，先将淀粉浆液进行糊化处理。糊化过程将原料淀粉颗粒中淀粉分子的连接键全部或部分切断，由此而使分子更易均匀液化。糊化步骤采用常规设备和常规方法进行。通常糊化是这样进行的：将淀粉粒浆液在高于淀粉的糊化温度上加热，同时不断搅拌之。

液化亦是采用常规设备和常规方法。本发明方法一般使用的是蒸汽锅（jet  cooker）。通常，糊化和液化在蒸汽锅中同时进行。在这种情况下，液化淀粉所用的酶或酸在制备浆液的过程中即加入。液化作用所用的酶是α-淀粉酶，最好是细菌α-淀粉酶。根据具体使用的酶，确立酶作用的最佳浓度、pH和温度。具体而言，细菌α-淀粉酶的处理条件是：温度约60-100℃，优选约80℃，pH约5-8，优选约5.5，作用时间为足以生成在所需的DE值范围内的淀粉水解产物。通过加热到120℃或更高或者加酸使酶失活而中止α-淀粉酶的作用。酶一经失活，即刻调节pH至约5-8，然后进行下步处理。优选加热使酶失活，具体地，在约110℃蒸汽煮浆，使细菌α-淀粉酶失活。酸处理是这样进行的：在一种无机酸如盐酸、硫酸或硝酸参与下，加热淀粉浆液至约100℃-120℃，加热时间要足以使浆液的DE值上升到规定的范围内。对于酶和酸两种处理情况，淀粉浆液的固形物含量约为5-40%，最好约30-35%。

在水解产物生成后，最好用炭和离子交换树脂处理水解产物浆液以精制水解产物。

采用活性炭除去色素、色素前体和不希望有的异味物质从而完成淀粉水解产物浆液的炭处理。炭处理除去了大部分可溶性蛋白质物质和在酸处理过程中所形成的基本上全部的5-（羟甲基）-2-糖醛。另外，活性炭能有效地除去重金属，如铁和铜。炭处理是在筒形柱内分2或3段逆流施加粉末状活性炭或逆流施加颗粒状活性炭。上述操作是以常规方式进行的。

尽管炭精制适用于普遍的淀粉水解产物浆液的纯化，但最好用离子交换脱离子器进一步处理浆液。这种处理基本上脱除了全部残留的可溶性含氧化合物，包括能与还原糖发生美拉德反应生成色素体的氨基酸和肽。

典型的离子交换脱离子***是固定床柱。所用的阳离子交换树脂是强酸交换剂（氢式磺化树脂），常用的阴离子交换剂是弱碱树脂（非碱式的叔胺）。阴离子交换树脂可脱除浆液中盐与阳离子交换树脂反应而生成的酸。

在精制淀粉水解产物后，可将该水解产物干燥至水份含量在约15%或更低，水含量最好是约5%或更低。干燥可以采用常规方法完成：首先浓缩浆液，然后对浓浆液进行最终干燥处理，如转鼓干燥、喷雾干燥或冷冻干燥。这之后，将干燥的精制淀粉水解产物贮备起来待本发明方法的第二阶段使用。

在本发明方法的第二阶段，用CGT酶在其最佳作用的温度，pH和温度条件下处理淀粉水解产物的水浆，使之生成环糊精。用CGT酶转化环糊精是采用常规方法和常规设备进行的。通常采用30-100℃，使酶作用足以形成环糊精的一段时间。一般，淀粉水解产物水浆的pH保持在大约4-7，处理大约4-48小时。当所用的CGT酶来源于软化芽胞杆菌（B.macerans），嗜碱芽孢杆菌（Bacillus  Sp.）或Thermoanaerobacter  Sp.时，精制淀粉水解产物浆液的浓度适于含约5-20wt%固形物（以溶液的总重量计），优选浓度为约10-20wt%，最佳为约15wt%。用CGT酶转化形成环糊精还可以在有配位剂参与下进行。对此可以采用常规方法和设备。在生产环糊精时配位剂的使用一般被称为溶剂法。溶剂法所适用的淀粉水解产物浆液的浓度为5-50%固形物（以溶液总重量计），优选约10-40wt%，最佳为约20-40wt%。溶剂法的处理时间为约4小时-4天。适用的配位剂是甲苯、1-癸醇、环己烷、三氯乙烯、四氯乙烷、溴苯、2，3-环十二碳烯吡啶、萘、1-萘酚、2-萘酚和二甲基苯酚。优选的配位剂是环己烷、甲苯、1-癸醇和2，3-环十二碳烯吡啶。CGT酶适宜的酶来源是软化芽孢杆菌、嗜芽孢杆菌属和Thermoanaerobacter  Sp.。这些酶因来源方便而常用。

采用溶剂法或非溶剂法，用CGT酶处理后，必须回收环糊精。如未使用配位剂，使酶失活，并且最好用一种酶处理溶液，使剩下的淀粉水解产物降解为葡萄糖和/或麦芽糖。加热溶液至约130℃，溶液保持在该温度下约5-10分钟，使酶失活，如此处理效果不错。欲得到葡萄糖/麦芽糖，因葡萄糖淀粉酶或β-淀粉酶在pH约4-6，温度约50-70℃条件下作用约24小时可获得较好结果。

下一步。过滤反应混合物。用炭处理，蒸发上清液以形成β-环糊精结晶。让母液通过US4，808，232所述类型的色谱柱，以便将不同种类的环糊精，即α-、β-和γ-环糊精彼此分开。

在使用溶剂的情况下，当用CGT酶处理生成环糊精后，回收环糊精与配位剂的配合物，最好采用离心和过滤法回收，处理所得的配合物除去配位剂。蒸馏和溶剂提取是优选的除配位剂的方法。然后用活性炭处理环糊精溶液，随后回收，最好用结晶法回收环糊精。

用炭处理含环糊精溶液，即用活性炭脱除色素、色素前体和不希望有的异味物质。炭处理是在筒形柱中进行的，一次加入粉末活性炭或逆流加入颗粒活性炭。上述操作采用常规方式。

参考下面的实施例可以更充分地理解本发明的各个方面：

实施例1

本实施例详细说明了本发明的积极效果。下表1汇总了用如下原料所制的环糊精溶液的百分透射比：蜡质玉米淀粉（99%支链淀粉）、普通玉米淀粉（70%支链淀粉）和马铃薯淀粉（80%支链淀粉）。

表1

蜡质玉米  马铃薯  普通玉米

淀粉(%T)  淀粉(%T)  淀粉(%T)

α-CD  98.2  81.3  35.8

β-CD  99.4  92.8  61.8

γ-CD  99.3  95.3  64.8

每种溶液均是在固形物含量20wt%，20-25℃，用分光光度计（BecKman仪器公司）在660nm处，通过1cm比色皿测定的。为了得到浓度20%的α-和β-环糊精溶液，必须先将溶液分别加热至约50℃和约80℃。在α-和β-环糊精溶液冷却后，但在测定之前，有一些环糊精结晶析出沉降在试管底部。

为了得到上表1的测定结果，通过加热溶液而制成每种环糊精的20%溶液。然后使溶液冷却到室温。冷却后测定γ-环糊精，同时，在环糊精结晶并用whatman  1号滤纸过滤出晶体后，测定α-和β-环糊精溶液的百分透射比。

由上表1可以看出，用高支链淀粉（90wt%以上）的淀粉所生产出的环糊精优于用支链淀粉含量较低的淀粉生产出的环糊精。

为了获得蜡质玉米淀粉的环糊精，先制备固形物含量为30%的蜡质玉米淀粉浆，并使之糊化，随后，用α-淀粉酶处理液进行液化，使之生成DE值约5的蜡质玉米淀粉水解产物。然后，将该水解产物（30%固形物）用来源于软化芽孢杆菌的CGT酶在60℃下处理4天。在环糊精产生的过程中，加入配位剂1-癸醇以得到α-环糊精，用甲苯作β-环糊精配位剂，2，3-环十二碳烯吡啶作γ-环糊精的配位剂。在用CGT酶开始处理之时，按等于反应物体积5%的量加入上述不同种配位剂至溶剂中。要从环糊精中除去配位剂，可采用溶剂提取和蒸馏法。

对于用普通玉米淀粉制环糊精，采用与蜡质玉米淀粉相同的方法，但淀粉浆液的固形物为15%，而不是30%。

对于用马铃薯淀粉制环糊精，先制备固形物含量为15%的马铃薯淀粉浆液，并采用与蜡质和普通玉米淀粉相同的糊化和液化步骤处理。用来源于软化芽杆菌的CGT酶在50-60℃处理2天，以产生环糊精。

应该理解，权利要求书包括对本发明优选方式所作的全部变化和改进，它们均属本发明范围，本文选择的优选方式旨在详细说明之目的。

Claims (7)

1、一种生产环糊精的方法，所说的环糊精加入水中后其溶液不会发生混浊，该方法包括下列步骤：

(a)用α-淀粉酶或酸处理支链淀粉含量至少为90%的淀粉，由此制出DE值小于10的淀粉水解产物；

(b)用环糊精葡萄糖基转移酶处理淀粉水解产物使之生成环糊精。

2、根据权利要求1的方法，其中淀粉来源于蜡质玉米。

3、根据权利要求1的方法，其中在用环糊精葡萄糖基转移酶处理之前，先用炭漂白淀粉水解产物。

4、根据权利要求1的方法，其中在用环糊精葡萄糖基转移酶处理之前，先用炭处理和离子交换树脂精制淀粉水解产物。

5、根据权利要求1的方法，其中α-淀粉酶是细菌α-淀粉酶。

6、根据权利要求1的方法，其中环糊精葡萄糖基转移酶是热稳定性的。

7、根据权利要求1的方法，其中对环糊精进行炭处理。