溫和條件下氫氧化鈉高效異構葡萄糖制備果糖研究

李陸楊，張 怡，李曉璇，關 昕

(承德石油高等?？茖W校 化學工程系，河北 承德 067000)

將葡萄糖高效異構為果糖是利用生物質資源制備多種平臺化合物如5-羥甲基糠醛、乙酰丙酸及乳酸等的重要中間步驟[1]。以果糖為前驅體的制備過程目標產物產量高、反應條件較溫和、可簡化/減少催化劑的使用。因此，通過異構作用將葡萄糖轉化為果糖具有很大的科研和實際意義。目前，最常用的兩種葡萄糖異構手段是酶催化法和化學催化法[2],葡萄糖異構酶催化制備果糖的工藝已經在食品和制藥領域得到了大規模應用，但酶的生產成本高，對工藝條件環境敏感，容易失活，給酶催化法的使用和發展造成很大的阻礙[3]?；瘜W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堿土金屬氫氧化物、有機堿，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]。近期的研究熱點主要集中于異相固體催化劑的制備和應用，主要的思路包括有機堿的固載化、水滑石/沸石材料結構的有序調控等。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堿，這兩種新型固體堿可在120 ℃的反應條件下得到約25%的果糖產率，鐵磁材料還具有相當的穩定性和可重復利用性。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 ℃時可高效催化葡萄糖異構并得到約14%的果糖產率。Chadwick課題組[8-10]研究了一系列NaY型沸石的改性方法，發現鎂鹽和堿處理過的沸石有較好的異構作用，反應溫度為100 ℃時最大的果糖產率可達35%。固體催化劑在分離和使用過程中具有一定優勢，但目前所制備的材料的催化效率都較低，并未體現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，其實際應用性受到了嚴重制約。本文利用傳統的堿性催化劑氫氧化鈉，開發了高效異構葡萄糖制備果糖的溫和體系，研究了反應時間、溫度、催化劑量、底物濃度等條件的影響。結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 ℃)更好的異構效果，果糖產率和選擇性高達40.1%和83.2%，具有很好的應用潛力。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及儀器

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)，色譜級流動相，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，蘇州培英實驗設備有限公司；ACQUITY UPLC H class型超高效液相色譜、ACQUITY UPLC TUV型紫外檢測器、ACQUITY RI示型差折光檢測器，美國沃特世公司；SH-1011型糖類色譜柱，日本昭和電工株式會社。

1.2 實驗方法

催化實驗在自制具塞玻璃瓶中進行。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。將此混合液迅速轉移到預設至不同溫度的恒溫水浴搖床中，在100 r/min的轉速下浸泡相應時間，取出后冰浴降溫停止反應，吸取反應液進行分析測定。

1.3 產物分析

葡萄糖轉化率、果糖產率及相應中間產物的測定由液相色譜完成，色譜使用條件為：5 mmol/L稀硫酸為流動相，流速為0.5 mL/min。紫外檢測器波長設為210 nm，示差檢測器流通池溫度35 ℃，色譜柱溫50 ℃。所有實驗結果由三次平行實驗平均所得。

葡萄糖轉化率、果糖產率、果糖選擇性均以含碳量的摩爾百分數表示，具體計算公式如下：

2 結果與討論

2.1 催化劑的篩選

在之前的工作中我們發現[11]，堿金屬氫氧化物(Ba(OH)2、NaOH)可以在室溫(25 ℃)、厭氧條件下對葡萄糖異構為果糖起到一定的催化作用。但此系統平衡時間較長(48 h)，厭氧條件需要復雜的反應裝置。為了加速和簡化反應過程，提出了以簡便的自制玻璃容器為反應裝置，在中溫、空氣氣氛進行的反應系統，并對常用堿金屬氫氧化物NaOH、KOH、Ca(OH)2、Mg(OH)2、Ba(OH)2的異構效果進行了篩選，結果見表1。

由表1可以看出，在相同OH-濃度的條件下，單價金屬氫氧化物在果糖產率和選擇性方面均優于二價金屬氫氧化物。NaOH的果糖產率和選擇性分別可以達到40.1%和83.2%。Mg(OH)2的果糖選擇性最高，但其轉化葡萄糖并產生果糖的能力很低，這主要受限于其極低的溶解度。二價金屬氫氧化物的葡萄糖轉化率與單價金屬氫氧化物相似，但是果糖產率更低，這主要是由于二價金屬離子對果糖進一步轉化的催化作用。因此，單價金屬氫氧化物更適合于葡萄糖催化異構制備果糖的過程，本文選取NaOH作為后續實驗的催化劑。

2.2 時間和溫度對反應的影響

起始反應條件設定為堿/葡萄糖濃度比0.025 mol/L ∶0.05 mol/L，為了加速異構過程并抑制副反應發生，選取較低的溫度范圍(30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃)進行實驗。圖1顯示了不同溫度下，葡萄糖轉化率和果糖產率隨時間的變化曲線。在低溫(30 ℃)時，葡萄糖的轉化速率極慢，大約需要72 h才

表1 不同堿金屬氫氧化物的葡萄糖異構性能

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

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

不同溫度下果糖選擇性隨溫度的變化趨勢如圖2所示。由結果可知，在反應溫度為30 ℃、40 ℃和50 ℃時，所有曲線都在約1.5 h處產生轉折，較高的溫度下出現拐點的時間會提前，而60 ℃下的曲線則呈現連續的下降趨勢。這表明高溫加速了果糖的進一步分解，且在異構過程中必然存在一個最優的時間條件，滿足高效制備果糖的需要。60 ℃條件下混合物的顏色隨時間延長有明顯的改變(見圖3)，著色物為糖類脫水、縮合等過程的副產物，這一現象不利于果糖的積累。根據上述實驗結果，本系統最優條件組合為50 ℃下反應2 h。

2.3 堿添加量和葡萄糖濃度的影響

不同堿添加量對葡萄糖的異構作用如圖4所示。從圖4可以看出，葡萄糖轉化率隨堿濃度的增加而增加，低濃度(0.0125 mol/L)的氫氧化鈉僅能轉化約35%的葡萄糖，而高濃度(0.2 mol/L)時葡萄糖轉化率可達80%以上。果糖產率在堿濃度為0.05 mol/L時達到最大值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，當堿濃度大于0.025 mol/L后，其曲線呈明顯的下降趨勢。實驗結果表明，最佳堿濃度為0.025 mol/L,其葡萄糖轉化率為48.2%，果糖產率為40.1%，果糖選擇性為83.2%。

葡萄糖濃度對異構作用的影響如圖5所示。隨著葡萄糖濃度的增加，其轉化率逐漸降低，較低的葡萄糖濃度有利于異構的發生以及果糖的積累。當起始葡萄糖濃度低于0.05 mol/L時，果糖產率可達40%以上。果糖選擇性則呈現先增加后降低的趨勢。對于較低的起始葡萄糖濃度，葡萄糖轉化率和果糖的分解率均較高，過多的果糖分解導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 堿催化劑應用展望

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

此外，本體系終產物混合液成分主要包含葡萄糖和果糖，其組成與傳統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品。

3 結論

利用氫氧化鈉作為催化劑可以在溫和條件下高效異構葡萄糖制備果糖，當堿/葡萄糖比為0.025 mol/L ∶0.05 mol/L，反應溫度為50 ℃，反應2 h時，果糖產率可達40.1%，選擇性為83.2%。與其他固體催化劑相比，氫氧化鈉無需復雜合成過程，無能耗，且催化效率高，具有較大優勢。本體系結構簡單，產物組成與酶法制得的果葡糖漿類似，具有實際應用前景。

表2 不同催化劑的制備及異構效果