CN114702609A - 伽马环糊精的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于伽马环糊精生产技术领域，具体涉及一种伽马环糊精的制备方法。包括淀粉糊化步骤，伽马环糊精合成步骤，伽马环糊精分离提纯步骤；所述的伽马环糊精分离提纯步骤为将伽马环糊精合成步骤得到伽马环糊精粗品通过电喷雾装置喷入离子溶液中，静置，过滤，减压干燥，得到伽马环糊精。本发明电喷雾分离方法能够实现伽马环糊精和阿尔法环糊精的分离，方法分离完全，所得产品纯度高，易于实现工业化。

Description

伽马环糊精的制备方法

技术领域

本发明属于伽马环糊精生产技术领域，具体涉及一种伽马环糊精的制备方法。

背景技术

环糊精(Cyclodextrin，简称CD)是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，通常含有6～12个D-吡喃葡萄糖单元。其中研究得较多并且具有重要实际意义的是含有6、7、8个葡萄糖单元的分子，分别称为alpha-、beta-和gama-环糊精(结构如下)。

γ-环糊精具有比β-环糊精更大的空腔，所以空腔可包合的客体分子范围更广；更好的水溶性，室温25℃时γ-环糊精溶解度为25.6g/100ml，而α-环糊精溶解度为12.7g/100ml水、β- 环糊精溶解度则只有1.88g/100ml水。应用前景比β-环糊精更为广阔，但由于生产规模较小，所以价格较高，限制了应用的推广。

中国专利CN 102936299A公开一种γ-环糊精的制备方法，按照12-18％的质量百分浓度进行淀粉调浆，在80-90℃的温度下搅拌15-20分钟；然后按照每克淀粉150-200单位的浓度加入CGT酶、加体积占淀粉质量15-20％的有机溶液，充分混合后在60-70℃的温度条件下反应4-5个小时；按照每克淀粉补加500-600个单位CGT酶的量加入CGT酶，加入占淀粉体积25-30％的有机溶剂，以及占反应液质量2-3％的甘草酸，充分反应8-9小时；回收有机溶剂和分离出甘草酸，然后结晶得到γ-环糊精。

中国专利CN111394406A公开一种γ-环糊精的制备方法，包括淀粉溶液、伽马环糊精葡萄糖基转移酶、有机溶剂在温度为50-80℃，pH值为6.6-7.2的体系下反应2-5小时生成γ- 环糊精的步骤，其中在反应体系中按照每克淀粉加入0.01-0.1g1-酯基-3-烷基咪唑六氟磷酸盐。

中国专利CN109694417A公开一种简单、高效的α-和γ-环糊精的纯化和回收方法，将环糊精及其衍生物、包结物、混合物等溶解在特定有机溶液中，经高温处理后，α-或γ-环糊精从所述有机溶液中结晶析出，经分离干燥后获得高纯度α-或γ-环糊精。

中国专利CN111548434A公开一种伽马环糊精的分离纯化方法。首先将伽马环糊精样品用混合溶液溶解，过滤掉不溶物；然后将过滤后的样品溶液上样到ODS柱；接着采用单柱内循环模式或双柱内循环模式进行分离；最后采用混合溶剂作为流动相对样品进行梯度洗脱或等度洗脱，分段收集目标峰，对目标峰符合要求的组分进行汇总得到纯化后的样品。该专利方法具有分离条件温和、分离效率高、分离速度快、通用性强等优点，很好实现伽马环糊精样品的分离纯化，可实现短时间内富集，可通过改变洗脱条件和切换阀纯化乃至其他类型化合物，应用前景好。

中国专利CN102936299A、CN111394406A公开的γ-环糊精制备方法为酶反应法，由于酶反应技术还不够完善，该方法具有反应条件要求高，反应产率低，反应过程复杂，方向不易控制等缺点；在反应过程中加入有机溶剂，会降低反应酶的活性，影响反应最终收率，同时在高温条件下有机试剂易挥发，存在安全隐患；在γ-环糊精分离过程中，使用溶剂共沉淀法得到产品收率、纯度低，易造成残留溶剂超标，影响产品使用。

中国专利CN109694417A公开的γ-环糊精分离纯化方法，利用不同环糊精在各有机溶剂中的溶解度不同，从而达到分离纯化的目的；但是专利中并未提及α-CD和γ-CD的分离，分析原因可能是由于α-或γ-环糊精结构相似，极性相近，利用该专利公开的方法并不能实现两者的分离。中国专利CN111548434A公开的γ-环糊精分离纯化方法，利用柱分离原理，结合制备液相，完美实现了γ-环糊精和α-环糊精的分离，但是该方法设备要求较高，分离柱填料价格不菲；同时该方法分离环糊精的量受分离柱体积限制，不能用于大量环糊精的分离。

现在国际有伽马环糊精生产能力的只有德国和日本，产品的生产和销售基本处于垄断状态。国内伽马环糊精的合成主要有发酵法、酶反应法和化学合成法。由于化学合成法的难度太大，难以实现，在实际生产中多采用酶反应法或发酵法。但是我国的伽马环糊精的制备还停留在实验室阶段，主要是对于伽马环糊精和阿尔法环糊精的分离，多借助于阳离子交换树脂、凝胶色谱等柱分离手段，最近更有用逆流色谱等新技术进行分离。或用多种有机试剂进行精馏提纯。这些方法不但设备成本极高，存在安全隐患，且在工业上难以实现，对环境不友好，严重制约了伽马环糊精的生产工业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种伽马环糊精的制备方法，能实现伽马环糊精与阿尔法环糊精的完全分离，安全有效，且简单易行，成本低廉，易于实现工业化。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

本发明所述的伽马环糊精的制备方法，包括淀粉糊化步骤，伽马环糊精合成步骤，伽马环糊精分离提纯步骤；所述的伽马环糊精分离提纯步骤为将伽马环糊精合成步骤得到伽马环糊精粗品通过电喷雾装置喷入离子溶液中，静置，过滤，减压干燥，得到伽马环糊精。

其中

所述的离子溶液由化合物A、溶剂B与水制成，化合物A、水与溶剂B的质量比为0.002-0.01:1:2-5，其中化合物A以Kg计，水与溶剂B以L计；

所述的化合物A为氯化钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠、磷酸氢钠、硫酸钠、磷酸二氢钠或焦磷酸钠中的一种或多种；所述的溶剂B为无水乙醇、甲醇、丙酮、氯仿或环己烷中的一种或多种。

所述的电喷雾装置的喷雾头电压为2-35V；静置时间为1-3h，静置温度为25-45℃。

所述的伽马环糊精合成步骤中采用的合成装置包括旋风分离器，旋风分离器的顶部设置喷头、进料口和出风口；旋风分离器的底部设置出料口；旋风分离器的底部通过循环泵与喷头连接，旋风分离器的上部侧壁上设置进风口。该装置能够实现料液的均匀喷雾，循环反应，持续混合，初步离心分离等。

本发明所述的伽马环糊精的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将淀粉加入磷酸盐缓冲溶液中，搅拌，备用；

(2)向步骤(1)得到的溶液中加入γ-环糊精糖基转移酶进行反应，之后灭酶处理；

(3)将步骤(2)得到的伽马环糊精反应液除去色素及灭活酶后，加入有机溶剂，过滤，得到的滤液为伽马环糊精粗品；伽马环糊精粗品通过电喷雾装置喷入离子溶液中，静置，过滤，减压干燥，得到伽马环糊精。

其中：

步骤(1)中，淀粉为木薯淀粉、红薯淀粉、马铃薯淀粉、绿豆淀粉或玉米淀粉；淀粉与磷酸盐缓冲溶液的用量比为0.03-0.05:1，淀粉以g计，磷酸盐缓冲溶液以ml计。

步骤(1)中，磷酸盐缓冲溶液的pH值为5-8。

步骤(1)中，搅拌后温度升至60-100℃，持续搅拌20-60min，再降温至40-65℃，备用；如淀粉浆粘稠，加入淀粉脱支酶，继续搅拌60-150min，之后灭酶处理。所述淀粉脱支酶为普鲁兰酶或异淀粉酶，淀粉脱支酶与淀粉的用量比为3-5:300，淀粉以g计，淀粉脱支酶以ml 计。为加快糊化，添加适量淀粉脱支酶，以淀粉溶液变半透明，不挂壁为宜。

步骤(2)中，γ-环糊精糖基转移酶与淀粉的用量比为5-10:300，淀粉以g计，γ-环糊精糖基转移酶以ml计。

步骤(2)中，反应时间为2-5h，反应温度为30-60℃。

步骤(3)中，灭酶处理得到的溶液的pH值调至4-6，温度40-80℃，加入活性炭，搅拌1-5h，过滤，除去色素及灭活酶。

步骤(3)中，所述的25-40℃下加入有机溶剂，搅拌2-5h后过滤；所述的有机溶剂为无水乙醇、甲醇、丙酮、氯仿或环己烷中的一种或多种。

步骤(3)中，过滤得到的滤饼减压干燥，得到伽马环糊精；得到的滤液经浓缩、蒸馏、干燥等步骤，得到阿尔法环糊精。干燥条件同伽马环糊精。

所述的灭酶处理为将反应液温度升高至60-100℃，持续30-60min。

本发明的有益效果如下：

(1)现有公开资料显示，α-环糊精和γ-环糊精存在溶解度差。但由于两种环糊精结构相近，极性差别不大，在各溶剂中溶解度差异较小，同时两者自身溶解度较大，导致在工业生产中无法利用两者的溶解度差实现分离。本发明将伽马环糊精合成步骤得到的反应液除去色素及灭活酶后，加入有机溶剂，过滤，得到的伽马环糊精粗品，再将得到的伽马环糊精粗品通过电喷雾装置喷入离子溶液中，控制电喷雾装置的喷雾头电压为2-35V，25-45℃下静置 1-3h。溶液通过电喷雾装置形成带电微粒，带电微粒落入离子溶液中，在电荷作用下，离子溶液中的伽马环糊精和阿尔法环糊精的溶解差异会被放大十几甚至几十倍，由于伽马环糊精在电荷作用下，在离子溶液中几乎不溶，从而实现和阿尔法环糊精的分离。

本发明伽马环糊精固体析出过程中不易与有机溶剂发生共沉淀现象，所得产品纯度达 99％以上。本发明的电喷雾分离方法伽马环糊精回收率达98％以上。综上所述，电喷雾分离方法能够实现伽马环糊精和阿尔法环糊精的分离，所得产品纯度高，方法分离完全，条件温和，安全有效，且简单易行，成本低廉。

(2)在伽马环糊精合成步骤中采用的合成装置，反应物料通过进料口加入旋风分离器中，通过循环泵泵入喷头，由喷头喷出形成均匀的雾状，能够加快反应进行，如此多次循环，反应完成后可以通过旋风分离器进行初步分离。本发明的合成装置能够实现环糊精反应料液的均匀喷雾，循环反应，持续混合，初步离心分离等，缩短了环糊精反应时间，提高了反应转化率，设备简单易得，设备要求低，易于实现工业化生产；反应产生的固体废物处理方便，有机溶剂可回收再利用，绿色环保。

附图说明

图1为本发明伽马环糊精合成步骤中采用的合成装置的结构示意图；

图中：1、出风口；2、喷头；3、循环泵；4、出料口；5、旋风分离器；6、进风口；7、进料口；

图2为本发明伽马环糊精制成的产品图；

图3为本发明阿尔法环糊精制成的产品图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

如图1所示，本发明的本发明伽马环糊精合成步骤中采用的合成装置包括旋风分离器5，旋风分离器5的顶部设置喷头2、进料口7和出风口1；旋风分离器5的底部设置出料口4；旋风分离器5的底部通过循环泵3与喷头2连接，旋风分离器5的上部侧壁上设置进风口6。

实施例1

(1)将300g马铃薯淀粉缓慢加入8L磷酸盐缓冲溶液(pH值为7.5)中，搅拌均匀，温度升至70℃，持续搅拌50min，再降温至40℃，加入5ml异淀粉酶和0.5g聚乙二醇20000，继续搅拌80min，之后100℃下灭酶处理45min；

(2)向步骤(1)得到的溶液降温至40℃以下，加入10mlγ-环糊精糖基转移酶进行反应，利用合成装置进行反应，反应时间5h，反应温度为40℃，将反应液升温至100℃，灭酶处理45min；将得到的反应液抽滤，滤液pH值调至4-6，加入适量活性炭，80℃下搅拌1.5h，除去色素及灭活酶，降至室温，加入17L甲醇和环己烷混合溶液处理反应液，40℃下缓慢搅拌2h，过滤，去除未反应的淀粉、倍他环糊精，得到的滤液为伽马环糊精粗品；经检测粗品中伽马环糊精的含量为214.3g；

(3)离子溶液的制备：甲醇和环己烷混合溶液与水的混合溶液3L(甲醇和环己烷混合溶液与水的体积比＝2:1，甲醇和环己烷的体积比9:1)，加入氯化钠6g，缓慢搅拌0.5h，备用；

电喷雾装置喷雾头上加30V电压，将得到的伽马环糊精粗品通过电喷雾装置持续喷雾形成带电微粒，喷入离子溶液中，35℃下静置1h，过滤，滤饼于100℃下减压干燥，得到白色固体粉末210.94g，经核磁、质谱确定，为目标产物；高效液相色谱检测，产品纯度为99.4％。经计算电喷雾分离方法的回收率为98.4％，反应的淀粉转化率为70.3％。滤液减压蒸馏去除有机试剂，减压干燥(条件同伽马环糊精)，得白色粉末11.48g，经核磁、HPLC确认，为阿尔法环糊精粗品。

实施例2

(1)将300g红薯淀粉缓慢加入6L磷酸盐缓冲溶液(pH值为6)中，搅拌均匀，温度升至85℃，持续搅拌50min，再降温至55℃，加入4ml普鲁兰酶和4g聚乙二醇20000，继续搅拌60min，之后100℃下灭酶处理45min；

(2)向步骤(1)得到的溶液降温至50℃，加入5mlγ-环糊精糖基转移酶进行反应，利用合成装置进行反应，反应时间3h，反应温度为50℃，之后100℃下灭酶处理45min；将得到的反应液抽滤，滤液pH值调至4-6，加入适量活性炭，60℃下搅拌1.5h，除去色素及灭活酶，降至室温，加入12L甲醇和环己烷混合溶液处理反应液，35℃下缓慢搅拌3h，过滤，去除未反应的淀粉、倍他环糊精，得到的滤液为伽马环糊精粗品；

(3)离子溶液的制备：甲醇和环己烷混合溶液与水的混合溶液3L(甲醇和环己烷混合溶液与水的体积比＝2:1，甲醇和环己烷的体积比9:1)，加入氯化钠和碳酸钠6g(氯化钠:碳酸钠＝1:10)，缓慢搅拌0.5h，备用；

电喷雾装置喷雾头上加10V电压，将得到的伽马环糊精粗品通过电喷雾装置持续喷雾形成带电微粒，喷入离子溶液中，45℃下静置1h，过滤，滤饼于100℃下减压干燥，得到白色固体粉末213.22g。高效液相法检测，固体粉末为伽马环糊精，纯度99.3％。经计算，该反应淀粉转化率为71.1％。滤液减压蒸馏去除有机试剂，减压干燥(条件同伽马环糊精)，得白色粉末11.56g，即阿尔法环糊精粗品。

实施例3

(1)将300g玉米淀粉缓慢加入6L磷酸盐缓冲溶液(pH值为5)中，搅拌均匀，温度升至100℃，持续搅拌30min，再降温至65℃，加入3ml普鲁兰酶和4g甘草酸，继续搅拌70min，之后100℃下灭酶处理45min；

(2)向步骤(1)得到的溶液降温至60℃以下，加入8mlγ-环糊精糖基转移酶，利用合成装置进行反应，反应时间2h，反应温度为60℃；将反应液升温至100℃，灭酶处理45min；将得到的反应液抽滤，滤液pH值调至4-6，加入适量活性炭，70℃下搅拌1.5h，除去色素及灭活酶，降至室温，加入12L无水乙醇和无水甲醇混合溶液处理反应液，25℃下缓慢搅拌5h，过滤，去除未反应的淀粉、倍他环糊精，得到的滤液为伽马环糊精粗品；

(3)离子溶液的制备：无水乙醇和甲醇混合溶液与水的混合溶液3L(无水乙醇和甲醇混合溶液:水＝2:1，无水乙醇和甲醇的体积比9:1)，加入磷酸二氢钠、氢氧化钠和碳酸钠5g (磷酸二氢钠:氢氧化钠:碳酸钠＝1:3:10)，缓慢搅拌0.5h，备用；

电喷雾装置喷雾头上加20V电压，将得到的伽马环糊精粗品通过电喷雾装置持续喷雾形成带电微粒，喷入离子溶液中，25℃下静置3h，过滤，滤饼于100℃下减压干燥，得到伽马环糊精207.74g，淀粉转化率为69.2％；高效液相法检测，纯度99.4％。滤液减压蒸馏去除有机试剂，减压干燥(条件同伽马环糊精)，得白色粉末15.13g，即阿尔法环糊精粗品。

对比例1

通过蒸发浓缩的方法制备伽马环糊精，具体过程如下：

按照15％的浓度将木薯淀粉和蒸馏水调和成浆，在90℃条件下搅拌20分钟，使淀粉颗粒充分胀溶。调节pH值为8，按照每克淀粉150个单位的比例加入CTG酶，然后加入占淀粉体积18％的乙醇后，设定温度为60℃并反应4小时。调节pH值为10，再加入CTG酶，使其比例达到每克淀粉500个单位；添乙醇，使其体积占淀粉质量的28％；加占反应液质量 2.5％的甘草酸，充分溶合后反应8小时。将反应液过滤，收集滤饼，然后将滤饼重新复溶，然后采用水蒸气蒸馏去除乙醇。加入质量占1.8％的氯化钙到反应液中，搅拌15分钟，甘草酸和氯化钙反应形成沉淀，去除沉淀。将水溶液蒸发浓缩，在0℃低温中放置得到γ-环糊精的结晶。结果观察：淀粉转化率达到50.1％，其中γ-环糊精的含量达93.6％。

对比例2

将实施例1得到的伽马环糊精粗品干燥后进行柱分离，具体分离步骤按照专利CN111548434A中实施例2的过程进行。得到伽马环糊精197.4g，其纯度为99.1％，回收率为91.2％。

Claims (10)

1.一种伽马环糊精的制备方法，包括淀粉糊化步骤，伽马环糊精合成步骤，伽马环糊精分离提纯步骤；其特征在于：所述的伽马环糊精分离提纯步骤为将伽马环糊精合成步骤得到伽马环糊精粗品通过电喷雾装置喷入离子溶液中，静置，过滤，减压干燥，得到伽马环糊精。

2.根据权利要求1所述的伽马环糊精的制备方法，其特征在于：所述的离子溶液由化合物A、溶剂B与水制成，化合物A、水与溶剂B的质量比为0.002-0.01:1:2-5，其中化合物A以Kg计，水与溶剂B以L计；

所述的化合物A为氯化钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠、磷酸氢钠、硫酸钠、磷酸二氢钠或焦磷酸钠中的一种或多种；所述的溶剂B为无水乙醇、甲醇、丙酮、氯仿或环己烷中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的伽马环糊精的制备方法，其特征在于：所述的电喷雾装置的喷雾头电压为2-35V；静置时间为1-3h，静置温度为25-45℃。

4.根据权利要求1所述的伽马环糊精的制备方法，其特征在于：所述的伽马环糊精合成步骤中采用的合成装置包括旋风分离器(5)，旋风分离器(5)的顶部设置喷头(2)、进料口(7)和出风口(1)；旋风分离器(5)的底部设置出料口(4)；旋风分离器(5)的底部通过循环泵(3)与喷头(2)连接，旋风分离器(5)的上部侧壁上设置进风口(6)。

5.根据权利要求1-4任一所述的伽马环糊精的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将淀粉加入磷酸盐缓冲溶液中，搅拌，备用；

(2)向步骤(1)得到的溶液中加入γ-环糊精糖基转移酶进行反应，之后灭酶处理；

(3)将步骤(2)得到的伽马环糊精反应液除去色素及灭活酶后，加入有机溶剂，过滤，得到的滤液为伽马环糊精粗品；伽马环糊精粗品通过电喷雾装置喷入离子溶液中，静置，过滤，减压干燥，得到伽马环糊精。

6.根据权利要求5所述的伽马环糊精的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，淀粉为木薯淀粉、红薯淀粉、马铃薯淀粉、绿豆淀粉或玉米淀粉；淀粉与磷酸盐缓冲溶液的用量比为0.03-0.05:1，淀粉以g计，磷酸盐缓冲溶液以ml计；磷酸盐缓冲溶液的pH值为5-8。

7.根据权利要求5所述的伽马环糊精的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，搅拌后温度升至60-100℃，持续搅拌20-60min，再降温至40-65℃，备用。

8.根据权利要求5所述的伽马环糊精的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，γ-环糊精糖基转移酶与淀粉的用量比为5-10:300，淀粉以g计，γ-环糊精糖基转移酶以ml计。

9.根据权利要求5所述的伽马环糊精的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，反应时间为2-5h，反应温度为30-60℃。

10.根据权利要求5所述的伽马环糊精的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的25-40℃下加入有机溶剂，搅拌2-5h后过滤；所述的有机溶剂为无水乙醇、甲醇、丙酮、氯仿或环己烷中的一种或多种。

Images