用于生產含果糖苷的產物的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及由富含葡萄糖的原料生產含果糖苷的產物的方法，其包括將葡萄糖異 構化為果糖。
【背景技術】
[0002] 碳水化合物作為用于范圍廣泛的化學物質的生物基起始材料的重要性已日漸增 加 。一個研發方向是將碳水化合物轉化為5-羥甲基糠醛及其醚和酯。用于轉化為醚衍生 物的方法已描述于WO 2007/104514中。根據該方法，將含果糖和/或葡萄糖的起始材料轉 化成5-羥基甲基糠醛的醚衍生物，這通過使起始材料在酸催化劑存在下與醇反應來實現。 TO 2012/091570描述，為了增加該方法的原料流中起始材料的濃度，在碳水化合物轉化成 醚之前使碳水化合物轉化為糖苷是有益的。從該文件也明顯的是，葡萄糖的溶解度低于反 應物介質（包括醇）中的果糖的溶解度。
[0003] 因此，如果可能提供可在生產5-羥基甲基糠醛的衍生物的方法中使用的具有高 水平果糖的方法，則是有利的。
[0004] 用于提供富含果糖產物的方法在現有技術中已知的。在US 2010/0006091中公 開了下述方法，其中將甜果汁澄清化并去礦物質，然后處理由此獲得的產物以使蔗糖水解 成果糖和葡萄糖。將果糖與葡萄糖分離。隨后將葡萄糖異構化成果糖，并且將兩個果糖部 份合并。根據該文件，使用具有葡萄糖異構酶活性的酶來實現葡萄糖的異構化。在該已知 方法中，異構化在水性環境中進行。這導致產物在大量水中變得可用。然而，如果生產的 果糖將在非水性環境中使用，則含水量變為缺點，因為水隨后被除去。除去這些水可通過 蒸發來實現，但這樣的蒸發大大增加了成本。因此，如果起始材料在醇性介質中可用，則WO 2007/104514中所述的用于生產5-羥基甲基糠醛的醚的方法將是有益的。因為很多酶的活 性在醇性介質中受負面影響，則根據US 2010/0006091的方法不適于預期目的。
[0005] 在US 3, 431，253中已描述了在氧化鋁催化劑上葡萄糖至果糖的異構化。異構化 通過使葡萄糖溶液在約35至70°C的溫度下與氧化鋁接觸來實現。在高于70°C的溫度下出 現有機酸的形成。盡管在US 3431253的說明書中描述了可使用混合的水-低級醇溶液諸 如90%甲醇、80%乙醇和75%丙醇溶液，但是在實施例中僅100%葡萄糖水溶液與氧化鋁 在50°C接觸。
[0006] 類似的過程描述于H. Asaoka的期刊文章 ，Carbohydrate Research 137(1985)99-109中，其中葡萄糖至果糖的異構化在80% (v/v)甲醇-水溶液中在五硅酸 二鈉催化劑上于45°C實現。當使用乙醇或1，4-二噁烷替代甲醇時，結果更壞。利用丙醇、 丙酮、乙腈和四氫呋喃的所有嘗試均得到不令人滿意的結果。
[0007] 類似的教導描述于 Lew 等人，Ind. Eng. Chem. Res.，51 (14) (2012) 5364-5366 中，公 開將葡萄糖在含Sn的路易斯酸沸石β上于乙醇中在90°C轉化成果糖。反應在離子交換樹 脂Amberlyst 131存在下進行，其催化所形成的果糖至羥甲基糠醛的反應以及隨后至乙氧 基甲基糠醛的反應。在Canlas等人的Chem. Abstr.，2011:336348中描述了將葡萄糖在含 Ti或含Sn的Bronsted或路易斯酸沸石上于水或甲醇中在100至160°C轉化為果糖。觀察 到，上文提及的現有技術文件不涉及果糖苷的形成。
[0008] 在 Saravanamurugan 等人，J. Amer. Chem. Soc.，135 (14) (2013) 5246-5249 中描述 了葡萄糖于甲醇中在酸性沸石上的異構化。陳述了獲得的產物生成果糖苷，其隨后水解成 果糖。在該文章中示出堿性沸石生成相當少量的果糖。而酸性催化劑生成超過20%的果 糖，堿性催化劑生成4至18%的果糖。
[0009] 因而在現有技術中的許多文件規定異構化反應介質含有水。相比之下，現在已發 現如果反應溫度高于75°C，則不一定存在水。溶劑那時可由純醇組成。如果不存在水，則已 發現不會過度形成有機酸。已進一步發現，當異構化反應在堿性催化劑存在下進行且果糖 苷形成在酸性催化劑存在下進行時，果糖苷的量得以增強。
【發明內容】
[0010]因此，本發明提供了用于由富含葡萄糖的原料制造含果糖苷的產物的方法，其包 括：通過使含葡萄糖原料在醇性介質中與堿性異構化催化劑在至少75°C的溫度下接觸以 生成含果糖產物，而將葡萄糖異構化為果糖，以及使至少部分的由此獲得的含果糖產物與 醇在酸催化劑存在下反應以生成含果糖苷的產物來實現。該方法的一個優點在于以下事 實：用這種方式獲得相對高濃度的果糖和果糖苷，當所得產物在至5-羥基甲基糠醛及其衍 生物的轉化中使用時，所述果糖和果糖苷的反應比葡萄糖快。
[0011] 異構化反應在醇性介質中進行。所述醇可以是在主導條件為液體的任何醇。可以 使用適合的醇，不僅包括單醇，而且包括二醇，諸如乙二醇或丙二醇或其混合物。優選地，所 述醇為單醇。單醇可以為線性支鏈的或環狀的。環狀醇可以為脂族的或芳族的。醇可以包 含1至20個碳原子。適宜地，異構化區中的醇性介質包含具有1至8個碳原子，優選具有 1至4個碳原子的烷醇，更優選甲醇。
[0012] 在醇中操作的額外優點為，反應混合物中的果糖可被轉化成果糖苷。果糖苷在醇 中的溶解度一般大于果糖本身的溶解度。此外，如果含葡萄糖原料也含有一些果糖苷，則此 類果糖苷將不影響葡萄糖至果糖的轉化，因為果糖苷不影響異構化的平衡。醇性介質可僅 由醇或醇的混合物組成。然而，實際上，含葡萄糖原料可以包含水。這意味著反應介質除了 醇或醇的混合物之外還包含水。尤其為了促進果糖苷的形成，水-醇摻混物中水的量至多 為20% (v/v)，優選至多10% v/v，而更優選至多為5% v/v。因為當不存在水時，實質上完 全防止有機酸的形成，醇性介質最優選地為不含水的，即含有少于1% v/v的水。
[0013] 因為使用酶的異構化將受上述的反應條件負面影響，所以在異構化催化劑存在下 以化學方式進行異構化。用于該反應的很多催化劑是已知的。然而，這些催化劑在水性環 境中使用。然而，可以使用這些催化劑中的很多種。這些催化劑可以是均相或異相（即固 體）的催化劑。據信異構化可通過金屬配位機制催化。因此，含有能夠配位的金屬離子的 催化劑適宜地用作異構化催化劑。令人驚訝地，已發現，異構化催化劑有利地為堿性催化 劑。很多堿性鹽和固體可用作異構化催化劑。適合的異構化催化劑因此選自由以下組成的 組中：水滑石，堿-交換型沸石，堿土金屬的氧化物和堿金屬的氫氧化物，堿金屬的醇鹽、硼 酸鹽（borate)、硼酸氫鹽（borinate)和硼酸二氫鹽（boronate)，以及堿金屬和堿土金屬的 碳酸鹽。氧化鋁、堿金屬和堿土金屬的鋁酸鹽、二氧化硅、堿金屬和堿土金屬的硅酸鹽以及 進一步地氯化鋁和氯化鉻也可用作具有配位能力的異構化催化劑。適合的催化劑因此包括 Na、K、Ca或Mg交換型沸石X、Υ、Α、β、ZSM-5、ZSM-Il和ZSM-35。含堿金屬均相催化劑的 實例包括氫氧化Na和氫氧化Κ、甲醇Na或甲醇Κ、乙醇Na或乙醇Κ、硼化Na或硼化Κ、硼酸 Na或K酯或者硼酸Na或硼酸K。催化劑的量可在寬范圍之間變化而不影響反應選擇性。適 合的量基于富含葡萄糖的原料的重量在〇. Ol至50重量％范圍內。本領域技術人員將認識 到該量可在寬范圍內變化。均相催化劑的量可以不同于異相催化劑的量。
[0014] 異構化反應中的溫度為至少75 °C。由于化學異構化催化劑的使用，本領域技術人 員可使用具有比酶異構化反應更寬的溫度范圍。優選地，異構化在75至180°C、更優選80 至150°C、最優選80至130°C的溫度下進行。適宜地選擇溫度以使反應時間不過于長。該方 法可以以分批處理模式以及以連續模式進行。當異構化以連續模式進行