專利名稱：碳酸酐酶催化法生產(chǎn)硬質(zhì)礦泉水的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于二氧化碳溶蝕法生產(chǎn)人工礦泉水的范疇。
硬水是指水中溶解有以鈣、鎂為主的堿土金屬鹽的水，通常以其碳酸氫鹽，即Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2為主。因煮沸后二氧化碳的逸去而沉淀，失去這部分硬度，稱暫時(shí)硬水;鈣、鎂的硫酸鹽溶于水中構(gòu)成部分硬度，但不因煮沸而沉淀故稱為永久硬水。無論暫時(shí)硬水或永久硬水，只要是溶解狀態(tài)的鈣、鎂均可被人體吸收利用。
硬水在營養(yǎng)保健中的作用已越來越為人們所認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)心腦血管的保健作用國外已有不少證據(jù)，此外，硬質(zhì)水對(duì)兒童骨骼的發(fā)育，婦女哺乳期鈣質(zhì)的補(bǔ)充，老年性骨質(zhì)疏松癥的防治均大為有益。營養(yǎng)學(xué)研究表明，一般人日常飲食中鈣和鎂的攝入往往處于低水平，甚至不足，除膳食結(jié)構(gòu)不合理外(如食物中草酸鹽含量較多)，日常飲用水多先經(jīng)煮沸，其中鈣、鎂的碳酸氫鹽沉淀生成鍋垢而損失也是原因之一。因此，不需煮沸可直接飲用的硬質(zhì)水被認(rèn)為是日常對(duì)鈣、鎂補(bǔ)充的最佳選擇。
天然礦泉水不是普遍存在的，而且它們的成分也不一定符合理想。利用優(yōu)質(zhì)泉水或地下水進(jìn)行人工礦化可以制得硬度高于天然礦泉水的人工礦泉水，其優(yōu)點(diǎn)是不受地區(qū)、規(guī)模限制，可以生產(chǎn)任何類型和硬度的礦泉水。生產(chǎn)硬質(zhì)人工礦泉水大致有兩種方法1、直接溶化法。即在天然水中直接添加碳酸氫鈉、氯化鈣、氯化鎂等，再充以二氧化碳。這種方法生產(chǎn)的礦泉水“堿性”低，難以提高礦泉水中鈣、鎂的含量，并且含多余的氯化鈉。2、二氧化碳浸蝕法。用這種方法可以制成一切類型的礦泉水。
其基本原理是在壓力下使含二氧化碳的原料水作用于粉狀的碳酸堿土金屬鹽，使其轉(zhuǎn)化為碳酸氫鹽溶于水中。另有一種改進(jìn)的二氧化碳浸蝕法，是在反應(yīng)罐的一側(cè)裝一超聲波發(fā)生器，利用超聲波促使礦物溶解。(《軟飲料工藝學(xué)》1998年1月中國輕工業(yè)出版社邵長富、趙晉府主編)。礦化時(shí)進(jìn)行的主要化學(xué)反應(yīng)為
上列反應(yīng)中，第一步反應(yīng)是限速的慢反應(yīng)，為關(guān)鍵所在。水壓必須高于二氧化碳?xì)鈮翰拍茼樌V化，實(shí)際上不易做到，壓力的微小差異都可能影響礦化的速度和礦物的溶解度。
由于Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2的生成速率取決于H2CO3的生成量和穩(wěn)定性。為了達(dá)到這一目的，本發(fā)明采用了有極高催化效率的碳酸酐酶。在充入二氧化碳的原料水中用碳酸酐酶催化碳酸生成，碳酸鈣(鎂)溶化在碳酸水溶液中生成含碳酸氫鈣(鎂)的硬質(zhì)水。反應(yīng)為
碳酸酐酶(EC 4.2.1.1)分子量29000，是已知的所有酶中效率最高的，其轉(zhuǎn)化率(turn over rate)達(dá)到3.6×107底物分子/酶分子/分鐘，比多數(shù)酶高出千倍以上。計(jì)算表明1毫克碳酸酐酶在最適條件下每分鐘可催化1.24摩爾數(shù)的碳酸的生成，只要所采用的碳酸鈣(鎂)有足夠細(xì)的粒度，在此條件下幾乎可以立即溶解，因此大大縮短了反應(yīng)時(shí)間，提高了設(shè)備利用率。
水的硬度有幾種表示法，常稱為“度”。不同國家水質(zhì)硬度的單位是可以換算的，現(xiàn)以美國度-每百萬份水中所含鈣、鎂離子均折合為碳酸鈣的份數(shù)表示，一個(gè)鎂離子也當(dāng)作一個(gè)鈣離子折算，因CaCO3的分子量恰為100，便于從摩爾濃度換算成百分濃度，即碳酸鈣的ppm值。以此硬度表示，55ppm以下屬軟水，55-100ppm為微硬水，101-200ppm為中硬水，200ppm以上稱甚硬水(據(jù)科學(xué)出版社《科學(xué)單位辭典》)。各地水源相差頗大，200ppm以上的甚硬水并不常見，實(shí)際飲用的經(jīng)煮沸過的水(冷開水)的硬度都很低，因鈣、鎂已大部分沉淀，本技術(shù)生產(chǎn)的硬質(zhì)人工礦泉水的硬度可根據(jù)市場(chǎng)需要，硬度在200-1000ppm(美國度)之間，化學(xué)成分與天然硬質(zhì)礦泉水相同，而硬度可達(dá)到或超過天然硬水，添加的碳酸酐酶還能提供微量的鋅，由于二氧化碳水有清涼感并對(duì)味蕾有輕微的刺激作用，而鈣離子略有甜味，因此，本工藝生產(chǎn)的硬質(zhì)人工礦泉水十分可口、甘美、開胃，有益于心腦健康，老少皆宜。
實(shí)施例一添加溶解狀碳酸酐酶的實(shí)例1、選擇原料水。選擇無工農(nóng)業(yè)污染，也無居民生活污染的水源是生產(chǎn)關(guān)鍵，有符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、口味純正的高山泉水、礦泉水或深井水是較理想的水源，未經(jīng)污染的地面水也可用作原料水;
2、原料水的預(yù)處理。主要是過濾和滅菌，原料水濾除固體懸浮物后進(jìn)行滅菌處理，視需要也可增加一道用活性陶土吸附的工序以提高水的質(zhì)量。滅菌處理采用紫外燈照射或臭氧滅菌因不產(chǎn)生異味可首先考慮;煮沸或通入蒸汽能耗較高并可損失部分原有硬度，但設(shè)備簡(jiǎn)單易行;
3、硬化處理。
(1)測(cè)定原料水硬度，根據(jù)產(chǎn)品所需達(dá)到之硬度計(jì)算碳酸鈣(鎂)的添加量。假定原料水的硬度為50ppm，需生產(chǎn)硬度為300ppm的硬質(zhì)人工礦泉水，應(yīng)增加硬度為250ppm。設(shè)計(jì)所增硬度的組成85%為碳酸鈣，15%為碳酸鎂(這一比例基本符合人體對(duì)鈣、鎂的需要)，則每噸水中應(yīng)溶入碳酸鈣250×0.85＝212.5(克)，碳酸鎂250×0.15×0.84＝81.5(克)，式中0.84為碳酸鎂(分子量84)替代碳酸鈣應(yīng)乘的系數(shù)。
(2)添加溶解狀態(tài)的碳酸酐酶。采用比活性為每毫克2500W-A單位的酶制品作原料，按每升配入250W-A單位計(jì)，每噸硬質(zhì)人工礦泉水需加入此酶100毫克，可將此酶先溶于幾十毫升無菌水中再注入反應(yīng)罐。因碳酸酐酶為一含鋅的酶，為保證其催化活性可于水中添加微量硫酸鋅(ZnSO4·7H2O)，每噸水添加4.5克即可達(dá)到1ppm濃度。
上述方法中碳酸酐酶的純度應(yīng)達(dá)到每毫克酶制劑含有2000個(gè)W-A單位以上的比活性，每升原料水中配入200-1000-W-A單位的酶即能成百倍地加速碳酸的生成。
(3)攪拌并通入高壓二氧化碳。生產(chǎn)硬質(zhì)人工礦泉水的壓力反應(yīng)器與一般發(fā)酵罐或密封反應(yīng)罐相似，內(nèi)具攪拌器，并能承受10kg/cm2以上的壓力，以不銹鋼制為宜，視生產(chǎn)規(guī)模選定適當(dāng)容量，反應(yīng)可在室溫條件下進(jìn)行。原料水經(jīng)預(yù)處理后注入反應(yīng)器中，稱取設(shè)計(jì)量的輕質(zhì)碳酸鈣(鎂)投入反應(yīng)器中，添加溶解狀態(tài)的碳酸酐酶后，開動(dòng)攪拌器，攪拌速度以攪起固體原料物而液面無氣泡產(chǎn)生為度，通入高壓二氧化碳并使壓力維持在3-5kg/cm2，繼續(xù)攪拌，從窺視窗可見反應(yīng)液由混濁變?yōu)橥该髑宄杭礊榉磻?yīng)終點(diǎn)，所需時(shí)間視原料粒度和溶解性、投料量(產(chǎn)品所需硬度)及每升水中酶活性單位數(shù)等有所差異。產(chǎn)品在維持二氧化碳?jí)毫ο铝鹘?jīng)管道過濾器后直接裝瓶，裝瓶時(shí)調(diào)整二氧化碳?jí)毫υ诎踩秶?，產(chǎn)品為充氣型飲料。
實(shí)施例二采用固定化碳酸酐酶的實(shí)例。
原則上任何固相化方法(如共價(jià)交連法、電荷交聯(lián)法、吸附法、包埋法等)，任何種類的支持物(纖維素及其衍生物、多糖衍生物、聚酰胺樹脂、聚砜樹脂、多孔玻璃等)均可用于碳酸酐酶的固定化，有關(guān)技術(shù)為公開技術(shù)，可參看固相酶技術(shù)有關(guān)書籍，固相化碳酸酐酶因可多次反復(fù)使用直至其酶活性逐漸降低至不合要求為止，因此開始投資較高，但總生產(chǎn)成本較低，此外，用作固相化酶生產(chǎn)的原料酶純度要求相對(duì)較低，成本有所節(jié)省。
固定化碳酸酐酶可按下述二種方式之一用于硬質(zhì)礦泉水的生產(chǎn)。
1、原料水經(jīng)過過濾和滅菌、測(cè)定其硬度，計(jì)算出碳酸鈣(鎂)的添加量，充入二氧化碳，充二氧化碳水在進(jìn)入反應(yīng)罐前先流經(jīng)一固定化碳酸酐酶柱(或床)，將高壓下溶解的二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸。柱的尺寸和固定化總酶活性與反應(yīng)罐容積成一定比例，一般1-10噸反應(yīng)罐配套的催化柱有10-100萬W-A單位活性已足，經(jīng)催化生成的碳酸進(jìn)入反應(yīng)罐后與預(yù)置于罐中計(jì)算量的碳酸鈣(鎂)作用使之溶解，生產(chǎn)時(shí)當(dāng)碳酸水在罐中達(dá)到一定容積時(shí)開動(dòng)攪拌器，碳酸水源源而來，罐內(nèi)水的體積漸增最終達(dá)到設(shè)計(jì)體積，反應(yīng)液由濁變清而透明即為終點(diǎn)。
2、將固定化碳酸酐酶制成顆粒狀，如固定在離子交換樹脂顆粒表面或包埋在聚酰胺凝膠塊中等，在反應(yīng)結(jié)束過濾收回固定化酶顆粒以備下批生產(chǎn)再用。
以上兩實(shí)施例介紹了三種引入碳酸酐酶生產(chǎn)人工硬質(zhì)礦泉水的方法，均能有效地加速碳酸鈣(鎂)的溶解，達(dá)到設(shè)計(jì)所需硬度。采用本工藝生產(chǎn)的硬質(zhì)礦泉水十分可口甘美，有益心腦健康，老少皆宜。
權(quán)利要求
1.一種碳酸酐酶催化法生產(chǎn)硬質(zhì)礦泉水的方法，屬于二氧化碳溶蝕法的范疇，其特征在于在充滿二氧化碳的原料水中用碳酸酐酶催化碳酸的生成，碳酸鈣(鎂)溶化在碳酸水溶液中制成含碳酸氫鈣(鎂)的硬質(zhì)水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用碳酸酐酶催化法生產(chǎn)硬質(zhì)礦泉水的方法，其特征在于碳酸酐酶直接添加在原料水中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用碳酸酐酶催化法生產(chǎn)硬質(zhì)礦泉水的方法，其特征在于用充二氧化碳的原料水先流經(jīng)固定化的碳酸酐酶柱(或床)轉(zhuǎn)化為碳酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用碳酸酐酶催化法生產(chǎn)硬質(zhì)礦泉水的方法，其特征在于在原料水中投入顆粒狀的固相化碳酸酐酶，完成催化反應(yīng)后過濾回收。
全文摘要
一種利用碳酸酐酶催化法生產(chǎn)硬質(zhì)礦泉水的方法，其特點(diǎn)是在加壓二氧化碳水溶蝕碳酸鈣(鎂)為硬水的過程中，在原料水中添加極微量碳酸酐酶，或讓充二氧化碳水流經(jīng)固定化的碳酸酐酶柱(床)先轉(zhuǎn)化為碳酸，或在反應(yīng)器中投入顆粒狀的固相化碳酸酐酶，從而成千倍地加速碳酸的生成，使碳酸鈣(鎂)溶化生成碳酸氫鈣(鎂)的反應(yīng)時(shí)間大為縮短，碳酸酐酶為一含鋅的蛋白，溶解狀的碳酸酐酶還可提供少量易吸收的鋅。
文檔編號(hào)C12N9/88GK1101626SQ9311828
公開日1995年4月19日 申請(qǐng)日期1993年10月9日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月9日
發(fā)明者邵靖宇, 胡元強(qiáng) 申請(qǐng)人:胡元強(qiáng), 邵靖宇