本申請要求于2014年10月17日向韓國知識產權局提交的韓國專利申請第10-2014-0141179號的優先權權益，通過引用將其全部內容結合于此。
技術領域
本公開內容涉及用于制備單糖的固體酸催化劑(solid acid catalyst)、使用其從海藻制備單糖的方法、以及由其制備的單糖。
背景技術：
當制備生物材料時，最初使用單糖。將作為用于制備單糖的原料的生物質主要分類為：碳水化合物(蔗糖、甜菜等)、淀粉(玉米、馬鈴薯、甘薯等)、木質纖維素(木材、稻草、廢紙等)。通過進行預處理過程和隨后的過程，由碳水化合物直接制備單糖。通過進行適當的預處理過程和糖化過程，使用淀粉和木質纖維素作為燃料，制備單糖。
當使用淀粉作為能量來源時，可能存在其原料的供應和需求方面的問題。進一步地，為了獲得淀粉而生長玉米需要顯著大量的農藥和氮肥，從而嚴重地損壞了土壤，并且排出二氧化碳等。由于木質纖維素不用于食物，因此木質纖維素在原料的供應和需求方面確保了穩定性。然而，由于除去木質素和強酸的預處理過程，因此木質纖維素的加工成本較高。進一步地， 由于作為木質纖維素纖維素基質特性的其中形成了氫鍵的晶體結構，因此在糖化過程中使用了強堿，使得糖化產率較低或出現副產物。因此，海藻作為生物質近來已經受到關注。將海藻主要分類為大型藻類(macroalgae)和微藻類。大型藻類包括紅藻(紅藻類，red algae)、褐藻(brown algae)、綠藻等，并且微藻類包括小球藻(chlorella)、螺旋藻(spirulina)等。與其他生物質(在亞熱帶地區，在一年中收獲4至6次)相比，海藻具有顯著優異的生長，具有大的可用栽培面積，并且以少量使用高價資源如淡水、陸地、肥料等。與陸生植物相比，具有軟組織的海藻的結構特性使得預處理過程容易，這對于用作工業生物質是有利的。
可以將通過使用海藻作為原料制備單糖的方法分為其中由海藻制備多糖的預處理過程和其中制備單糖的糖化過程。在根據相關技術的糖化過程中，通過降解酶或對從原始海藻或海洋種子(sea seeds)提取的多糖物質進行化學處理制備單糖。例如，通過來自海洋資源的紅藻的預處理過程以及其中制備單糖的糖化過程，提取并且制備了半乳糖。
為了制備瓊脂糖，需要降解瓊脂，其中，瓊脂是來自紅藻如用于如食物原料、微生物培養基、化妝品、分子生物學研究等各種應用的石花菜(錫蘭苔，ceylon moss)的具有高密度的復合多糖。瓊脂的主要組分包括通常以約7:3的比率包含的瓊脂糖和瓊脂膠(agaropectin)。
現有的制備單糖的技術使用酸性化學材料和酶來制備最終的單糖，因此，已經要求開發簡單并且低價的技術。
技術實現要素：
本公開內容已經致力于提供通過使用經濟且有效的方法從海藻制備單糖的方法。
本公開內容提供了通過降解瓊脂糖用于制備單糖的固體酸催化劑、以及使用其制備單糖的方法。
進一步地，本公開內容提供了從海藻制備單糖的方法，包括通過使瓊脂糖與固體酸催化劑反應制備單糖。
此外，本公開內容提供了從海藻制備單糖的方法，包括以下步驟：用堿性水溶液處理來自海藻的瓊脂以獲得瓊脂，通過使用選自由有機硫溶劑(organosulfur solvent)和二甲基甲酰胺組成的組中的溶劑從瓊脂獲得瓊脂糖，以及通過使瓊脂糖與固體酸催化劑反應制備單糖。
此外，本公開內容提供了通過從海藻制備單糖的方法獲得的單糖。
根據本發明構思的一個示例性實施方式，通過降解瓊脂糖用于制備單糖的固體酸催化劑包括具有碳化的殼(碳化的谷殼，carbonized chaff)與化學鍵合在碳化的殼表面上的磺酰基基團的顆粒。
與液體形式的硫酸相比，固體酸催化劑較便宜，在反應和回收之后是可重復使用的，并且能夠在寬的反應溫度范圍下使用。進一步地，在工藝之后不存在另外的分離過程的需要。
根據本發明構思的另一個示例性實施方式，從海藻制備單糖的方法包括通過使用固體酸催化劑降解瓊脂糖來獲得單糖。
與根據相關技術使用酶處理方法的糖化過程相比，根據本公開內容的從海藻制備單糖的方法具有相同水平的單糖產量。然而，利用根據本公開內容從海藻制備單糖的方法，在沒有使用高價格酶的情況下，經濟地制備了單糖，從而降低了制造成本，可以防止副產物出現，并且可以經濟地制備單糖。
附圖說明
圖1示意性地示出了根據本發明構思的一個示例性實施方式使用紅藻粉末的制備方法。
具體實施方式
在下文中，將更詳細地描述本公開內容。
本發明構思的一個示例性實施方式涉及通過降解瓊脂糖用于制備單糖的固體酸催化劑。固體酸催化劑包括通過用磺酸處理碳化的殼而化學鍵合至碳化的殼的磺酰基基團。
本公開內容的固體酸催化劑是指基于催化劑表面的酸度提供催化作用的反應催化劑。因此，根據陽離子機理進行催化作用，并且能夠使用碳鎓陽離子或氧鎓離子作為中間體。固體酸催化劑可以包括各種材料如沸石、二氧化硅-氧化鋁等，但根據本公開內容的一個實施方式的固體酸催化劑通過使多孔二氧化硅與氯磺酸反應而制備，其中，多孔二氧化硅通過碳化稻殼(rice chaff)而獲得。
制備固體酸催化劑的步驟包括在約550℃至700℃的溫度下在加熱爐中碳化稻殼，持續3至5小時。將碳化的殼浸入氫氧化鈉水溶液中以形成鈉-硅酸鹽鍵(sodium-silicate bond)。通過用氯磺酸處理產物將磺酰基基團鍵合至碳化的殼以取代鈉。用酸溶液處理獲得的產物以將pH調節至3至4，以制備固體酸催化劑顆粒。
此外，可以通過制備顆粒，然后另外分離、洗滌、并且干燥顆粒以獲得顆粒形式的固體酸，進行制備固體酸的方法。
氫氧化鈉水溶液可以具有30w/v至70w/v的濃度，并且反應時間可以是30分鐘至90分鐘。碳化材料的重量與氫氧化鈉水溶液的體積的比率可以是0.01g/mL至0.1g/mL以有效地產生鈉-硅酸鹽。
可以添加氯磺酸直至溶液的pH變成約7。通過在鈉-硅酸鹽中取代鈉，氯磺酸能夠將磺酰基基團引入在固體酸催化劑的表面上。
可以通過添加酸例如硝酸在3至4的pH范圍下進行制備顆粒的步驟。當在所述范圍之外進行制備顆粒的步驟時，最終產物可能具有非常低的酸度并且可能不能形成顆粒。
可以使用根據本公開內容的固體酸催化劑用于從瓊脂糖制備單糖。在下面詳細地描述了使用固體酸催化劑制備單糖的方法。
根據本發明構思的另一個示例性實施方式，使用固體酸催化劑從海藻制備單糖的方法包括使瓊脂糖與固體酸催化劑進行反應以制備單糖。
制備單糖的方法可以進一步包括以下步驟：在制備單糖的步驟之前，通過用堿性水溶液處理海藻獲得瓊脂，以及從瓊脂獲得瓊脂糖。在下文中，詳細地描述了每個步驟。
通過瓊脂糖與固體酸催化劑的反應制備單糖
根據本發明構思的一個示例性實施方式，從瓊脂糖制備單糖的方法包括使溶解在水溶液中的固體酸催化劑與瓊脂糖接觸。例如，使瓊脂糖溶液與將固體酸催化劑注入其中的水溶液混合從而進行化學反應。可以通過其中基于水和固體酸的總量以10至40重量/體積(w/v)％的量添加固體酸的固體酸溶液來制備固體酸催化劑。
具體地，可以在80℃至120℃的溫度范圍下在反應器中進行混合瓊脂糖的步驟。瓊脂糖與固體酸催化劑的重量比(瓊脂糖：固體酸催化劑)可以是1:1至1:5，或1:1至1:4。可以通過注射固體酸催化劑，使得在上述條件下固體酸催化劑與水溶液的比率是0.1g/mL至0.4g/mL并且通過將固體酸催化劑維持在該溫度范圍內持續3至5小時，來制備單糖。考慮 到單糖的制備效率，可以確定使用的瓊脂糖和水溶液的量、反應溫度、以及反應時間。
根據本公開內容的固體酸催化劑的原料可以是商業上可獲得的瓊脂糖或從瓊脂獲得，或可以是通過用堿性水溶液處理海藻以獲得瓊脂并且通過使瓊脂與選自由有機硫溶劑和二甲基甲酰胺組成的組中的溶劑反應而獲得的瓊脂糖。
通過用堿性水溶液處理海藻獲得瓊脂
本公開內容中的海藻可以包括所有綠藻、褐藻、紅藻等。例如，海藻可以包括選自由石花菜、江籬(sea string)、膠質植物(glue plant)、以及紫菜組成的組中的至少一種。紅藻包括以約40％至75％的量的多糖，并且多糖包括纖維素、木聚糖、甘露聚糖、瓊脂、角叉菜膠等。瓊脂是作為復合多糖并且由兩種多糖(即，瓊脂糖和瓊脂膠)組成的半乳糖體(galactan)。瓊脂糖是包含兩種單糖(D-半乳糖和3,6-脫水-L-吡喃半乳糖(3,6-anhydro-L-galactopyranose))作為重復單元的線性聚合物。通過從由海藻獲得的一般瓊脂中除去其他多糖(例如，瓊脂膠)，可以獲得瓊脂糖。
本公開內容中的海藻可以是新鮮海藻(fresh seaweed)，或可以是用淡水洗滌并且對海藻進行干燥的海藻。可以在15℃至25℃的溫度下干燥海藻，在一些實施方式中持續10至60小時的干燥時間，或在其他實施方式中持續25至40小時的干燥時間。然而，本公開內容不具體限于此。干燥方法可以包括海藻的一般干燥方法。
此外，可以用堿性水溶液處理海藻或干燥的材料。可以首先制備具有預定粒徑的粉碎材料，然后，考慮到瓊脂的產率和處理所消耗的反應時間，用堿性水溶液處理制備的材料。可以通過球磨粉碎機或普通粉碎機粉碎新鮮海藻或干燥的材料，并且粉碎材料可以具有100微米至300微米的粒徑。
當粒徑過小時，材料可能在提取過程中起到作為雜質的作用，并且當粒徑過大時，可能劣化了提取過程的效率。
根據本公開內容從海藻獲得瓊脂的步驟可以通過使用堿性水溶液使海藻或粉碎材料水解而進行。堿性水溶液可以優選具有pH 7.5至9.5的范圍。當堿性水溶液的pH小于7.5時，可能劣化提取效率，并且當堿性水溶液的pH大于9.5時，海藻可能不必要地降解，使得副產物增加。
用于制備堿性水溶液的堿性材料可以包括氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鉀等，并且沒有對其進行具體限制，只要能夠將水溶液的pH范圍調節至pH 7.5至9.5。
用堿性水溶液處理海藻的步驟可以在95℃至130℃的高溫范圍下進行。當處理溫度小于95℃時，可能劣化提取效率，并且當處理溫度是130℃或更高時，可能出現不必要的副產物。考慮到提取效率，處理時間可以是30分鐘至80分鐘。
基于堿性水溶液，可以以0.01g/mL至0.04g/mL的量使用海藻或其粉碎材料(基于100mL的堿性水溶液，以1g至4g的量使用海藻粉末)，并且考慮到制備方法的經濟可行性和瓊脂的提取效率確定所述量。
根據本公開內容的通過用堿性水溶液處理海藻獲得的產物可以包括固體組分和粘性液體組分。可以通過各種固體-液體分離方法，例如離心、過濾等，分離粘性液體組分，從而獲得瓊脂。
通過使用溶劑從瓊脂獲得瓊脂糖
根據本發明構思的一個示例性實施方式，通過使瓊脂與選自由有機硫溶劑和二甲基甲酰胺組成的組中的溶劑進行反應，獲得瓊脂糖。
用于制備瓊脂糖的步驟的合適的溶劑可以包括二甲亞砜(DMSO)和/或二甲基甲酰胺，但本公開內容不限于此。
可以以范圍從1:2至1:5的瓊脂重量與溶劑體積的比率，使用瓊脂和溶劑。
當使用的溶劑的量較少時，可能降低提取效率。即使使用大量的溶劑，提高提取的效果可能不充分，并且可能增加在后續過程中使用的丙酮的量。
根據本公開內容的瓊脂和有機硫溶劑和/或二甲基甲酰胺可以在50℃至100℃的反應溫度范圍下進行反應，持續0.5至5小時的反應時間。
在用有機硫溶劑和/或二甲基甲酰胺處理瓊脂之后，可以回收上清液。可以用丙酮處理回收的上清液以沉淀瓊脂糖，并且可以通過固體-液體分離方法，例如，離心、過濾等，容易地分離沉淀的瓊脂糖。為了使瓊脂糖沉淀或固化，需要將上清液緩慢地注入丙酮中，從而制備以沉淀物形式獲得的瓊脂糖。可以以上清液體積的1至5倍的量使用添加到回收的上清液中的丙酮。
在下文中，將參照實施例詳細地描述本公開內容。提供以下實施例僅用于例證本發明構思，因此，本公開內容的范圍不限于以下實施例。
實施例1：制備固體酸催化劑
將稻殼在600℃的溫度下在加熱爐中碳化3小時。然后，將碳化的殼浸入具有50％濃度的氫氧化鈉水溶液中，并且保持約30分鐘。碳化的殼的質量與氫氧化鈉水溶液的體積之間的比率是0.03g/mL(碳化材料：3g，氫氧化鈉水溶液：100mL)。
然后，將氯磺酸注入到獲得的溶液中直至pH達到7，并且將硝酸注入其中直至最終溶液具有4的pH，從而獲得顆粒。將獲得的顆粒進行離心，并且用丙酮洗滌回收的顆粒幾次，并且干燥，從而使用碳化的殼以顆粒形式獲得固體酸催化劑。以具有100nm至500nm粒徑的顆粒形式形成固體酸催化劑。
實施例2：使用固體酸催化劑制備單糖
將干燥的原江籬通過粉碎機(Shreco Company，韓國)粉碎以制備具有100微米粒徑的粉碎的江籬。
通過將1N氫氧化鈉溶液添加至水中制備具有9的pH的堿性水溶液。將4g粉碎的江籬注入到200mL的堿性水溶液中以具有0.02g/mL的濃度，并且在100℃的溫度下攪拌的同時保持60分鐘。從混合物中分離固體組分和粘性液體組分以獲得瓊脂。
將作為分離的液體組分的粘性瓊脂注入到具有液體組分體積3倍大體積的二甲亞砜(Daejung Chemicals&Metals Co.Ltd.，韓國)中并且攪拌(粘性瓊脂液體組分的體積：約100mL，DMSO：300mL)。將溫度調節至80℃。將混合物維持在上述狀態中持續約1小時，以獲得300mL的上清液，并且將具有900mL體積(上清液體積的3倍大)的丙酮緩慢地逐滴添加至上清液中從而獲得1g的以白色沉淀物形式的瓊脂糖。
將10g的白色沉淀物注入將20g根據實施例1的固體酸注入其中的100mL水溶液中，并且在120℃的溫度下維持2小時。在反應時間過去之后，提取上清液，并且通過DNS還原糖分析法分析單糖。作為分析結果，相對于4g獲得的瓊脂糖，獲得了2g單糖，并且相對于原瓊脂糖，單糖的產率是50％。
根據DNS還原糖分析法，通過與還原糖反應將DNS(3,5-二硝基水楊酸)還原成3-氨基-5-硝基水楊酸(紅棕色(紅棕色顏色，reddish brown color))，并且通過分光光度計以吸光度測定紅棕色的濃度，以獲得還原糖的濃度。
此外，作為通過測量在糖化過程之后保留在糖化液體中的酸組分的量獲得的結果，糖化液體具有7的pH，這證實了在糖化過程之后在溶液中不包含釋放酸(loose acid)組分。
實施例3：使用石花菜和膠質植物制備單糖
通過與實施例2相同的方法制備瓊脂糖，不同之處在于，使用具有150微米粒徑的粉碎的石花菜和膠質植物代替使用江籬作為原料。結果，從海藻粉末獲得4g瓊脂糖。
將10g的白色沉淀物注入將20g根據實施例1的固體酸注入其中的100mL水溶液中，并且在120℃的溫度下維持2小時。在反應時間過去之后，提取上清液，并且通過DNS糖分析法進行分析。作為獲得產物的分析結果，相對于4g瓊脂糖，以50％的產率獲得了2g單糖。
實施例4：使用石花菜和膠質植物制備單糖
通過與實施例3相同的方法制備瓊脂糖，不同之處在于，將用作原料的粉碎的石花菜和膠質植物的粒徑改變成200微米，代替實施例3中的150微米粒徑。從海藻粉末獲得了4g瓊脂糖。
將10g的白色沉淀物注入將20g根據實施例1的固體酸注入其中的100mL水溶液中，并且在120℃的溫度下維持2小時。在反應時間過去之后，提取上清液，并且通過DNS糖分析法進行分析。作為獲得產物的分析結果，相對于4g瓊脂糖，以50％的產率獲得了2g單糖。
實施例5：使用固體酸催化劑制備單糖
通過與實施例2相同的方法制備瓊脂糖和單糖，不同之處在于，使用二甲基甲酰胺代替在實施例2的瓊脂糖制備中使用的二甲亞砜溶劑。
作為獲得產物的分析結果，相對于從海藻獲得的4g瓊脂糖，單糖的產率是51％。
實施例6：使用固體酸催化劑制備單糖
通過與實施例2相同的方法制備瓊脂糖和單糖，不同之處在于，在使瓊脂糖與實施例2中的固體酸催化劑接觸并且反應的步驟中使用30g固體酸催化劑和10g瓊脂糖。
作為獲得產物的分析結果，相對于從海藻獲得的4g瓊脂糖，單糖的產率是51％。
比較例1：使用鹽酸水溶液制備單糖
通過與實施例2相同的方法制備作為白色沉淀物的瓊脂糖。然后，在實施例2的使用瓊脂糖的單糖制備中，將10g制備的瓊脂糖沉淀物注入100mL的0.1N鹽酸(HCl)水溶液(pH＝2)中代替使用固體酸，并且維持在120℃的溫度下2小時。
在反應時間過去之后，提取上清液，并且通過作為與實施例2相同方法的DNS還原糖分析法分析了單糖。作為結果，相對于4g瓊脂糖，以38％的產率獲得了1.5g單糖。
此外，作為通過由pH計分析在單糖制備中保留的酸組分的量獲得的結果，pH是3，這證實了在溶液中包含酸組分。
比較例2：使用硫酸水溶液催化劑制備單糖
通過與實施例2相同的方法制備作為白色沉淀物的瓊脂糖。然后，在實施例2的使用瓊脂糖的單糖制備中，將10g制備的瓊脂糖沉淀物注入100mL的0.1N硫酸(H2SO4)水溶液中代替使用固體酸，并且維持在120℃的溫度下2小時。
在反應時間過去之后，提取上清液，并且通過作為與實施例2相同方法的DNS還原糖分析法分析了單糖。作為結果，相對于4g瓊脂糖，以45％的產率獲得了1.8g單糖。
此外，作為通過由pH計分析在單糖制備中保留的酸組分的量獲得的結果，pH是3，這證實了在溶液中包含酸組分。
比較例3
通過與實施例2相同的方法制備瓊脂糖和單糖，不同之處在于，在實施例2中使瓊脂糖與固體酸催化劑反應的步驟中使用5g固體酸催化劑和10g瓊脂糖。
作為獲得產物的分析結果，相對于從海藻獲得的4g瓊脂糖，單糖的產率是40％。
根據本公開內容的通過降解瓊脂糖用于制備單糖的固體酸催化劑以及使用其制備單糖的方法的有利之處在于：與液態的硫酸相比，固體酸催化劑價格較低，在回收之后可重復使用，并且可用在較寬的溫度范圍下。因此，固體酸催化劑具有相對高的環境相容性和經濟可行性。進一步地，由于在使用之后固體酸催化劑不會單獨需要另外的分離過程，因此簡化了過程。