制造還原型谷胱甘肽的方法

制造還原型谷胱甘肽的方法
【專利摘要】通過使用由隔膜相互隔離的陰極槽和陽極槽將氧化型谷胱甘肽電解還原而制造還原型谷胱甘肽的方法來制造還原型谷胱甘肽，所述方法包括使用通過添加堿將pH調節至高于3.0且不超過7.0的氧化型谷胱甘肽水溶液作為陰極槽內的溶液，其中氧化型谷胱甘肽本身也充當導電劑。
【專利說明】制造還原型谷胱甘肽的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種通過將氧化型谷胱甘肽電解還原而制造還原型谷胱甘肽的方法。【背景技術】
[0002]作為將二硫化物化合物電解還原的方法，已知使用由兩種以上特定金屬組成的合金作為陰極的方法(專利文獻I)。另外，作為通過將作為一種二硫化物化合物的L-胱氨酸電解還原而制造L-半胱氨酸的方法，已知使用陽離子交換膜作為隔膜并使用通過向陰極側電解槽添加無機酸如鹽酸等而酸化的L-胱氨酸溶液的方法(專利文獻2)。作為通過將氧化型谷胱甘肽電解還原而制造還原型谷胱甘肽的方法，還已知使用通過向陰極側電解槽添加無機酸如濃鹽酸等而酸化的氧化型谷胱甘肽水溶液的方法(專利文獻3)。
[0003]然而，二硫化物化合物的上述電解還原方法需要使用昂貴的電極。當在專利文獻2中所述的L-胱氨酸電解還原條件下電解還原氧化型谷胱甘肽時，不能以充分的收率制造還原型谷胱甘肽，因為與L-半胱氨酸相比，其在強酸性和高溫下不穩定。與專利文獻2中所述的方法類似，專利文獻3中所述的方法還使用通過添加無機酸而強酸化至pH為0.6-1.0的氧化型谷胱甘肽水溶液，且因此其與陰極腐蝕和還原型谷胱甘肽分解的問題相關。為了使得在強酸性下還原型谷胱甘肽的分解最小化，需要降低電流密度。然而，在這種情況下，單位電極面積的還原效率降低，且因此，除非增大電極面積，否則不能實現還原型谷胱甘肽的有效制造。也就是說，通過將用無機酸強酸化的氧化型谷胱甘肽水溶液電解還原而以工業規模制造還原型谷胱甘肽需要對應于離子交換膜和電極的尺寸的巨大的電解還原設施，以及能夠抗腐蝕的特殊 電極。因此，就制造效率和設施來說，通過常規電解還原制造還原型谷胱甘肽的方法很難說是現實的方法。
[0004]為了實施可在工業規模實施的良好還原效率的電解，期望使用具有高濃度的氧化型谷胱甘肽溶液。專利文獻4描述了利用氧化型谷胱甘肽的過飽和的電解還原方法，其中通過使用高濃度氧化型谷胱甘肽通過該方法提高電解還原的效率，從而就制造效率和設施來說，可進行現實的電解還原。然而，當在過飽和區域中電解還原氧化型谷胱甘肽時，谷胱甘肽因施加電壓、攪拌、飛沫干燥沖擊等而快速結晶并析出，并且析出的谷胱甘肽晶體可能阻塞電解槽。另外，因為其為酸性區域中的電解還原，所以陰極腐蝕是不可避免的。
[0005]對于氧化型谷胱甘肽的工業電解還原，重要的是，使用高濃度氧化型谷胱甘肽溶液，同時避免陰極腐蝕并且不使氧化型谷胱甘肽和還原型谷胱甘肽結晶而繼續電解還原。
[0006]現有技術文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻1:日本特開平8-41671號公報
[0009]專利文獻2:日本特開昭59-9184號公報
[0010]專利文獻3:日本特開昭52-131528號公報
[0011]專利文獻4:國際公開第2010/140625號小冊子
【發明內容】

[0012]發明要解決的問題
[0013]在通過將氧化型谷胱甘肽電解還原而制造還原型谷胱甘肽的方法中，要求提高還原效率以將電極和離子交換膜的必要面積減至現實尺寸，同時抑制陰極腐蝕、還原型谷胱甘肽分解和谷胱甘肽結晶。
[0014]解決問題的手段
[0015]本發明涉及以下(1)-(6)中所述的方法。
[0016](I) 一種通過使用由隔膜相互隔離的陰極槽和陽極槽將氧化型谷胱甘肽電解還原而制造還原型谷胱甘肽的方法，所述方法包括使用通過添加堿將PH調節至高于3.0且不超過7.0的氧化型谷胱甘肽水溶液作為陰極槽內的溶液。
[0017](2)根據上述(I)的方法，其中，所述堿為鈉或鉀的氫氧化物、碳酸鹽或碳酸氫鹽。
[0018](3)根據上述⑴或(2)的方法，其中，所述氧化型谷胱甘肽水溶液不含有中性鹽作為導電劑。
[0019](4)根據上述(I)至(3)中任一項的方法，其中，氧化型谷胱甘肽水溶液的濃度不小于20g/L。
[0020](5)根據上述(I)至⑷中任一項的方法,其中，所述電解還原在0.l-30A/dm2的電流密度下進行。
[0021](6) 一種制造還原型谷胱甘肽晶體的方法，所述方法包括對通過根據上述(I)至
(5)中任一項的方法制造的還原型谷胱甘肽溶液進行1)ρΗ調節或者2)通過使所述溶液通過離子交換柱而除去陽離子，然后進行結晶。
[0022]發明效果
[0023]本發明可以以工業規模有效地制造還原型谷胱甘肽。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1示出氧化型谷胱甘肽在各pH下的溶解度，其中，縱軸示出氧化型谷胱甘肽在25°C下在水中的溶解度(g/L)，并且橫軸示出pH。
[0025]圖2示出陰極槽溶液中氧化型谷胱甘肽的濃度與電解還原速率之間的關系，其中，縱軸示出陰極槽溶液中氧化型谷胱甘肽的濃度(g/L)，并且橫軸示出電解還原時間(小時)。
【具體實施方式】
[0026]本發明的方法為，在通過使用由隔膜相互隔離的陰極槽和陽極槽將氧化型谷胱甘肽電解還原而制造還原型谷胱甘肽的方法中，包括使用通過添加堿將PH調節至高于3.0且不超過7.0的氧化型谷胱甘肽水溶液作為陰極槽內的溶液的方法。
[0027]堿的實例包括能夠中和氧化型谷胱甘肽水溶液的堿，優選含有堿金屬離子如鈉、
鉀等，堿土金屬離子如鈣等，銨離子，咪唑Itr離子和_離子的堿，更優選含有堿金屬離子的
堿，特別優選含有鈉和鉀的陽離子的堿。上述含有陽離子的堿可具有任何形式如氫氧化物、碳酸鹽、碳酸氫鹽等形式，并且調節PH的方法不受限制并且可通過已知方法調節pH。
[0028]氧化型谷胱甘肽水溶液的pH優選高于3.0且不超過7.0,更優選pH4.0-7.0，特別優選pH5.0-7.0,因為通過電解還原制造的還原型谷胱甘肽在強酸性和堿性下分解。
[0029]盡管氧化型谷胱甘肽在環境溫度(25°C )的水中在等電點下的飽和溶解度不超過20g/L，但溶解度通過增大pH而變高(圖1)。當陰極槽中氧化型谷胱甘肽的濃度較高時，導電性更加提高，并且更平滑地將氧化型谷胱甘肽供給至電極表面，且因此電解還原效率變高。本發明的方法，通過將氧化型谷胱甘肽水溶液的PH調節至高于氧化型谷胱甘肽的等電點下的PH以制備高濃度氧化型谷胱甘肽水溶液，可以有效地進行電解還原而不會由電解還原時的通電等的沖擊而造成結晶。此外，因為可在弱酸性至中性下進行電解還原，所以可抑制由酸造成的電極溶解。
[0030]因為使用通過將堿添加至氧化型谷胱甘肽水溶液中而制造的氧化型谷胱甘肽鹽本身作為導電劑可提高該溶液的導電性，所以溶液的電阻低，且因此水溶液的溫度不會變高。也就是說，可抑制陰極槽中的還原型谷胱甘肽的分解。因為氧化型谷胱甘肽鹽本身變成導電劑，所以不必添加無機鹽如中性鹽(例如硫酸鈉等)作為導電劑，因此在電解還原反應完成之后，只要僅除去用于調節PH的堿即可，且除去本身是容易的。
[0031]如上所述，因為通過將通過添加堿而將調節至高于3.0且不超過7.0的pH的陰極槽中的氧化型谷胱甘肽水溶液電解還原，可以在抑制還原型谷胱甘肽的分解的同時提高其制造效率，所以可減小隔膜和電極的尺寸，且因此可經濟地制造還原型谷胱甘肽。
[0032]在本發明的方法中，因為將通過添加堿而調節至高于3.0且不超過7.0的pH的氧化型谷胱甘肽水溶液用作陰極槽的水溶液，所以其也是使用具有高濃度但處于不飽和狀態的氧化型谷胱甘肽水溶液作為陰極槽溶液的方法。盡管氧化型谷胱甘肽水溶液的濃度不受限制，但其為20g/L以上、優選100g/L以上、更優選200g/L以上、進一步優選300g/L以上、最優選400g/L以上。
[0033]本發明中的陽極 槽的溶液不受特別限制，只要其為導電性水溶液即可，且可提及無機酸溶液如鹽酸和硫酸、有機酸溶液如乙酸和丙酸、溶解有除酸以外的導電劑的溶液等。關于無機酸和有機酸的濃度，在低濃度下導電性低，并且離子交換膜在高濃度下容易劣化。因此，其使用濃度為0.5-3摩爾/L、優選1-2摩爾/L。
[0034]作為本發明的方法中使用的陰極，優選使用具有氫過電壓的金屬或合金。這種金屬的實例包括鋅和鉛，更優選鋅。除金屬以外的陰極材料的實例包括碳電極如碳(石墨、玻璃碳、導電性金剛石)、多孔碳和纖維狀碳(碳氈、碳布、碳紙)。電極形狀的實例有但不限于板狀、網狀、纖維狀等。
[0035]作為本發明的方法中使用的陽極，可使用任何金屬，只要其為不溶性金屬即可。優選耐腐蝕性優越的金屬，并且例如可提及鍍鉬的鈦、鉬-銥、鉛、鉛合金、二氧化鉛、金和氧化鈦。優選鍍鉬的鈦。
[0036]作為本發明的方法中使用的隔膜，可使用任何膜，只要其可減少陰極槽中制造的還原型谷胱甘肽向陽極槽的滲漏即可。優選離子交換膜，更優選陽離子交換膜，具體地SELEMION CMT (由旭硝子株式會社制造)或Nafion (由杜邦公司制造)。
[0037]在本發明的方法中，電流密度、電壓、溫度等不受特別限制。作為在抑制所制造的還原型谷胱甘肽的分解的同時提高還原效率的條件，電流密度優選為0.l-30A/dm2、更優選
0.5-20A/dm2、進一步優選l-10A/dm2，電壓優選為1-20V、更優選2-15V、進一步優選3-10V，并且溫度優選為4-50°C、更優選10-30°C、進一步優選10-25°C。[0038]在電解還原完成之后，可通過用各種無機酸如硫酸和鹽酸將pH調節至還原型谷胱甘肽的等電點(PH3.0)附近，將含有所制造的還原型谷胱甘肽的陰極槽內的溶液直接用于結晶。另外，通過使含有還原型谷胱甘肽的陰極槽內的溶液通過離子交換柱而脫鹽，并且可將脫鹽的還原型谷胱甘肽水溶液直接用于結晶。離子交換樹脂的實例包括由SK-116和SK-104表示的強酸性陽離子交換樹脂(兩者都為DIA10N，由三菱化學株式會社制造)，以及由WA-30和WA-21表示的弱堿性離子交換樹脂(兩者都為DIA10N，由三菱化學株式會社制造)。可通過濃縮、適當添加溶劑或晶種以及冷卻而使經PH調節或經脫鹽的還原型谷胱甘肽結晶。
[0039]參考例氧化型谷胱甘肽的溶解度
[0040]將氧化型谷胱甘肽的晶體(一水合物)添加至IOOml水中并且在25°C下攪拌混合物4小時。在測量pH之后，分離溶液并過濾，并且通過高效液相色譜(HPLC)在以下條件下將溶解的氧化型谷胱甘肽定量。然后，將氧化型谷胱甘肽的晶體添加至I摩爾/L氫氧化鈉水溶液中，并且在谷胱甘肽晶體稍微保持不溶的狀態下將混合物攪拌4小時以上。在測量PH之后，分離溶液并過濾，且以同樣方式測量濃度。
[0041]如圖1中所示，溶解度在谷胱甘肽的等電點附近的pH2.0-3.0下的溶液中最低，并且在不小于PH4.0下顯著增大。
[0042]關于含量，在以下HPLC條件下將氧化型谷胱甘肽的濃度(g/L)定量。
[0043]HPLC 條件
[0044]柱:InertsiI0DS-3 Φ 3 X IOOmm
[0045]柱溫:35°C [0046]緩沖液:含有0.2%1-庚烷磺酸鈉、6.8%磷酸二氫鉀的3%甲醇溶液(用磷酸調節至 ρΗ3.0)
[0047]流速:0.5mL/ 分鐘
[0048]檢測器:紫外線檢測器(波長210nm)
[0049][實施例1]
[0050]氧化型谷胱甘肽的電解還原(I)
[0051]將氫氧化鈉添加至氧化型谷胱甘肽水溶液中以將pH調節至6.5，從而制備400g/L氧化型谷胱甘肽水溶液。作為電解槽，使用陽極槽(15L)和陰極槽(15L)，并且通過有效膜面積為1.Sdm2的陽離子交換膜SELEMION CMT(由旭硝子株式會社制造)將兩個槽隔離。使用鍍鉬的鈦板作為陽極，并且使用鋅板作為陰極。將電極和陽離子交換膜之間的距離設為1.9mm，并將循環流量設為240L/小時。陽極槽含有0.50摩爾/L硫酸溶液(5L)，并且陰極槽含有以上制備的氧化型谷胱甘肽水溶液(400g/L，5L)。
[0052]在電解電壓6V、電解電流6.6-8.3A/dm2以及室溫下進行電解還原反應。通過HPLC在與參考例中相同的條件下將陰極槽中的所得產物定量，并且確認在51小時內制得
1.85kg還原型谷胱甘肽(轉化率92.6%)。
[0053]通過塞曼原子吸收分光光度計(由日立高新技術株式會社(HitachiHigh-Technologies Corporation)制造的Z-2310)確認電解完成之后的陰極槽溶液中鋅離子的量，從而確認溶出295mg鋅。
[0054][實施例2][0055]氧化型谷胱甘肽的電解還原(2)
[0056]添加氫氧化鈉以將溶液的pH調節至4.5，從而制備400g/L氧化型谷胱甘肽水溶液。在與實施例1中相同的條件下進行電解還原，從而確認在52小時內制得1.73kg還原型谷胱甘肽(轉化率86.7%)。
[0057]以同樣方式確認電解完成之后的陰極槽溶液中鋅離子的量，從而確認溶出430mg鋅。
[0058][實施例3]
[0059]氧化型谷胱甘肽的電解還原(3)
[0060]使用石墨電極作為陰極并使用在與實施例1中相同的條件下的氧化型谷胱甘肽溶液，在電解電壓6V、電解電流6.6-8.3A/dm2和室溫下進行電解還原反應。通過HPLC在與實施例1中相同的條件下將陰極槽中的所得產物定量，并且確認在70小時內制得1.82kg還原型谷胱甘肽(轉化率90.7%)。
[0061][實施例4]
[0062]制造還原型谷胱甘肽晶體
[0063]使在實施例1中獲得的還原型谷胱甘肽水溶液通過強酸性陽離子交換樹脂SK-116 (H+)(由三菱化學株式會社制造)以除去陽離子成分(鈉)。在減壓下濃縮所獲得的還原型谷胱甘肽溶液，并且添加溶劑和晶種以得到還原型谷胱甘肽的晶體(收率83%)。
[0064]比較例I
[0065]使用過飽和氧化型谷胱甘肽水溶液的電解還原
[0066]添加氫氧化鈉以將pH調節至7.0,從而制備300g/L氧化型谷胱甘肽水溶液。將硫酸添加至溶液中以將PH調節至2.91，并且稀釋混合物，添加硫酸鈉，從而制備含有100g/L硫酸鈉的150g/L氧化型谷胱甘肽水溶液。使用所述溶液作為陰極槽溶液，在與實施例1中相同的條件下進行電解還原。在通電開始后I小時，氧化型谷胱甘肽的晶體從陰極槽溶液析出，并且析出的晶體阻塞用于對電解槽進料的泵。
[0067]產業實用性
[0068]本發明的方法使得能夠通過將氧化型谷胱甘肽電解還原而以工業規模制造還原型谷胱甘肽。
[0069][附圖標記]
[0070]在圖2中，示出通過使用鋅電極在pH6.5下進行電解還原(實施例1)時氧化型谷胱甘肽的濃度變化，示出通過使用鋅電極在PH4.5下進行電解還原(實施例2)時氧化型谷胱甘肽的濃度變化，并且示出通過使用石墨電極在pH6.5下對氧化型谷胱甘肽水溶液進行電解還原(實施例3)時氧化型谷胱甘肽的濃度變化。
【權利要求】
1.一種通過使用由隔膜相互隔離的陰極槽和陽極槽將氧化型谷胱甘肽電解還原而制造還原型谷胱甘肽的方法，所述方法包括使用通過添加堿將PH調節至高于3.0且不超過7.0的氧化型谷胱甘肽水溶液作為陰極槽內的溶液。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述堿為鈉或鉀的氫氧化物、碳酸鹽或碳酸氫鹽。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述氧化型谷胱甘肽水溶液不含有中性鹽作為導電劑。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其中，所述氧化型谷胱甘肽水溶液的濃度不小于20g/L。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其中，所述電解還原在0.l-30A/dm2的電流密度下進行。
6.一種制造還原型谷胱甘肽晶體的方法，所述方法包括對通過根據權利要求1至5中任一項所述的方法制造的還原型谷胱甘肽溶液進行1)ρΗ調節或者2)通過使所述溶液通過離子交換柱而除去 陽離子，然后進行結晶。
【文檔編號】C07K1/02GK103459409SQ201280017317
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年4月4日 優先權日:2011年4月6日
【發明者】福元健太, 城野光隆 申請人:協和發酵生化株式會社