苯基硼酸/季銨鹽離子溶劑萃取分離塔格糖

許貴強(qiáng)，馮 骉，江 波，沐萬孟，張 濤

(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122)

苯基硼酸/季銨鹽離子溶劑萃取分離塔格糖

許貴強(qiáng)，馮 骉*，江 波*，沐萬孟，張 濤

(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122)

采用苯基硼酸/季銨鹽離子對溶劑萃取塔格糖。通過單因素實(shí)驗(yàn)，考察pH、苯基硼酸濃度、溶劑比對塔格糖萃取率和選擇性的影響。進(jìn)一步利用響應(yīng)面分析優(yōu)化得到最佳萃取條件為:pH11.0，苯基硼酸濃度0.10mol/L，溶劑比1.0，此時塔格糖的萃取率為65.7%，選擇性系數(shù)為36.8，塔格糖的回收率為92.3%。

萃取，苯基硼酸，塔格糖，響應(yīng)面分析

Abstract:The extraction of tagatose by an ion-pair solvent of phenyloronate acid and quaternary ammonium was investigated.The influence of pH，PBA concentration and volume ratio(O/W)on extraction rate of tagatose and the selectivity of tagatose extraction from the aqueous solution were examined.It was showed that the optimial conditions were pH11.0，PBA concentration 0.10 mol/L and volume ratio(O/W)1.0 using Central Composite Facecentered Experimental Design by Design Expert Version 7.1.6(Stat-Ease，USA)，and in this condition，the extraction percentage，selectivity for tagatose and the recovery extraction percentage was obtained to be 65.7%，36.8 and 92.3%，respectively.

Key words:extraction;PBA;tagatose;RSM

塔格糖是一種稀少的天然己酮糖，是D-半乳糖的同分異構(gòu)體，也是D-果糖在C-4上的差向異構(gòu)體［1］。人造甜味劑阿斯巴甜遇高溫即會分解，而塔格糖，具有較高的熔點(diǎn)溫度(134℃)，可應(yīng)用于烘焙食品中［2-3］。塔格糖還具有降血糖、改善腸道菌群、抗齲齒等多種生理功能［4-6］。由于天然存在的塔格糖很少，用半乳糖酶將半乳糖異構(gòu)化以生產(chǎn)塔格糖的工藝具有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。在此工藝中，塔格糖的提純分離是重要的環(huán)節(jié)。目前國際上分離塔格糖的方法尚沒有定論，但單糖間分離的常用方法有色譜法、離子交換膜法［7］、液膜分離 法［8］和 溶劑萃取法［9-10］等。為著眼于工業(yè)化生產(chǎn)，本研究選擇溶劑萃取法分離塔格糖。親脂性的苯基硼酸能與具有二醇結(jié)構(gòu)的糖類化合物反應(yīng)，生成環(huán)狀酯類化合物。呈三角形狀態(tài)的硼酸鹽在水溶液中不穩(wěn)定，但在堿性環(huán)境下能與單糖反應(yīng)，生成穩(wěn)定的四面體酯類化合物。不同的糖與苯基硼酸結(jié)合的能力是不同的，利用這一效應(yīng)，可以用苯基硼酸為萃取劑，使單糖分離。為使單糖從水相中萃取到有機(jī)相中，通常加入助萃取劑三辛基甲基氯化銨(以下簡稱TOMAC)來中和其負(fù)電荷［10-12］。本研究在 Griffin 和 Shu［13］的工作基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，用萃取及反萃取法分離塔格糖和半乳糖。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

塔格糖標(biāo)樣 sigma公司分析純;D-半乳糖 生化試劑;苯基硼酸、TOMAC 化學(xué)純;其它試劑 均為國產(chǎn)分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 溶液配制

1.2.1.1 料液準(zhǔn)備 將化學(xué)法合成塔格糖的料液稀釋至一定濃度，分別用 NaOH溶液、0.10mol/L的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖液或Na2CO3-NaHCO3緩沖液調(diào)節(jié)其pH。

1.2.1.2 萃取劑配制 將一定量苯基硼酸及其TOMAC 溶解在正己烷∶正辛醇(V∶V=85∶15)的有機(jī)溶劑中，使溶液中TOMAC的量大于苯基硼酸的量，以確使苯基硼酸完全溶解在有機(jī)溶劑中。

1.2.1.3 反萃取溶劑配制 配制一定濃度的HCl取代含糖的水相溶液，作為反萃取的水相溶液。

1.2.2 塔格糖的化學(xué)法合成［5，16］以20%的半乳糖為原料，加入等體積的3mol/L的Ca(OH)2漿狀物、0.02mol/L的CaCl2催化劑，混合反應(yīng)30min，異構(gòu)生成金屬氫氧化物-塔格糖復(fù)合物中間體沉淀，用磷酸中和此復(fù)合物中間體，調(diào)節(jié)pH至5.4，得到塔格糖初樣。

1.2.3 萃取和反萃取 將一定比例的料液和萃取劑盛在50mL的具塞錐形瓶中，置于30℃的水浴搖床中，在200r/min下振蕩2h。然后將其倒入250mL的分液漏斗中靜置0.5h。測定兩次水相中的塔格糖含量和半乳糖含量，求得萃取率和回收率及其選擇性。塔格糖和半乳糖的萃取率分別定義為:

選擇性系數(shù)定義為:

式中，CE、CR分別為塔格糖(或半乳糖)在有機(jī)相和水相中的濃度，g/L;VE、VR分別為有機(jī)相和水相的體積，mL。

1.2.4 測定方法

1.2.4.1 塔格糖的測定 用半胱氨酸-咔唑法［5，14］。分別吸取 50μg/mL 塔格糖標(biāo)準(zhǔn)溶液 0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8mL 于試管中，用去離子水補(bǔ)足至1.0mL，加入0.2mL 1.5%半胱氨酸鹽酸鹽溶液，6mL硫酸溶液(190mL H2O+450mL濃H2SO4)，混勻后立即加入0.2mL 0.12%咔唑酒精溶液并混勻。于60℃恒溫水浴10min，取出冰浴10min，在560nm下比色。

1.2.4.2 還原糖的測定 用3，5-二硝基水楊酸(DNS)法［15］。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑比對萃取效果的影響

塔格糖與水的溶劑比是影響萃取效果的首要因素，其影響如圖1所示。從圖中可以看出，隨著溶劑比的增加，塔格糖和半乳糖的萃取率均有所增加，但選擇性系數(shù)先增后減，在溶劑比為1時達(dá)到最大值。當(dāng)溶劑比再增加時，不僅選擇性系數(shù)減小，后續(xù)分離的成本也增加，故選取溶劑比為1較為合適。圖1中的選擇性系數(shù)值較小，不僅因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的pH較低，而且溶劑比的增加使溶液濃度降低是又一原因。

2.2 苯基硼酸濃度對萃取效果的影響

苯基硼酸的濃度對萃取的影響如圖2所示。苯基硼酸濃度的增加對苯基硼酸與塔格糖和半乳糖的成酯反應(yīng)有利，萃取率也有所增加。塔格糖與苯基硼酸的結(jié)合更強(qiáng)一些，因此苯基硼酸濃度增加時塔格糖的萃取率增加比半乳糖更顯著一些，從而導(dǎo)致選擇性系數(shù)的增大。不過，當(dāng)苯基硼酸濃度達(dá)到0.10mol/L后，選擇性系數(shù)基本保持不變，考慮到原料的成本，選取0.10mol/L的苯基硼酸濃度較為合適。

圖1 溶劑比對萃取效果的影響(pH9.0，苯基硼酸濃度0.1mol/L)

圖2 苯基硼酸濃度對塔格糖和半乳糖萃取效果的影響(pH9，溶劑比 1.0)

2.3 pH對萃取效果的影響

在不同pH下進(jìn)行萃取實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3。由圖可知，塔格糖的萃取率先是隨pH的增加而增加，因?yàn)楸交鹚嵩趬A性的環(huán)境下，易與塔格糖反應(yīng)成酯;而當(dāng)pH超過11.0以后，萃取率急劇下降，可能是過高的堿性會破壞其結(jié)構(gòu)。對半乳糖而言，其萃取率隨著pH的增加而逐漸減小。這與兩種糖的結(jié)構(gòu)有關(guān)，塔格糖具有1，3-順式二醇和1，3-反式二醇結(jié)構(gòu)，與苯基硼酸具有較強(qiáng)的親和力;半乳糖則具有1，2-順式二醇和1，3-反式二醇結(jié)構(gòu)，與苯基硼酸結(jié)合力相對較弱。這種差異正是萃取分離的基礎(chǔ)，從圖中可以看到，當(dāng)pH為11.0時，選擇性系數(shù)達(dá)到最大值。

圖3 pH對萃取效果的影響(溶劑比1.0，苯基硼酸0.10mol/L)

2.4 響應(yīng)面分析法優(yōu)化萃取條件

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，確定了因素的3個水平。3因素3水平的CCFD的中心組合設(shè)計，見表1。根據(jù)響應(yīng)面設(shè)計原理，以相關(guān)性密切的三個因素:pH、苯基硼酸濃度和溶劑比為自變量，得到塔格糖萃取率Etag(%)、半乳糖萃取率Egal(%)和選擇性系數(shù)三個響應(yīng)值。采用STAT-EASE design expert 7.1.6軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析，得回歸方程為:

式中，Y1、Y2、Y3分別為塔格糖萃取率，%;半乳糖萃取率和選擇性系數(shù);A、B、C分別為pH、苯基硼酸濃度和溶劑比。

表1 CCFD的中心組合因素水平表

對實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)值塔格糖萃取率進(jìn)行回歸分析可知，苯基硼酸濃度與塔格糖萃取率和選擇性不是簡單的線性關(guān)系，其平方項(xiàng)均顯著。從圖4可知，所選因素對塔格糖萃取率和選擇性是高度卷曲的，等高線呈橢圓形，說明pH和溶劑比具有明顯的交互作用。

圖4 pH和溶劑比對D-塔格糖萃取率和選擇性的交互影響

在響應(yīng)面法優(yōu)化后的最佳條件下，即pH11.0，苯基硼酸濃度0.10mol/L，溶劑比1.0，進(jìn)行三次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，塔格糖萃取率為65.7%，RSD為0.56%。模型預(yù)測值為68.4%，誤差為4.1%，基本吻合，模型可靠。

2.5 塔格糖的回收

塔格糖和半乳糖在有機(jī)相中的含量分別為3.16g/L和0.36g/L。利用不同濃度的HCl進(jìn)行反萃取，在反萃取過程中，OH-與 Cl-進(jìn)行離子交換［13］。初始HCl濃度對塔格糖和半乳糖回收率的影響見圖5。由圖可知，隨著HCl濃度的增加，塔格糖和半乳糖的回收率都有所增加，當(dāng)HCl濃度達(dá)到0.75mol/L后，再增加HCl濃度不會顯著改變塔格糖和半乳糖的回收率，回收率僅略有增加。

3 結(jié)論與討論

以TOMAC為助劑，用苯基硼酸為萃取劑分離塔格糖和半乳糖，收到了良好的效果。綜合單因素和響應(yīng)面優(yōu)化，得到最佳的萃取條件為pH11.0，苯基硼酸濃度0.10mol/L，溶劑比1.0，單級萃取得到的塔格糖萃取率為65.7%，回收率為92.3%。

為進(jìn)一步提高塔格糖萃取率，可進(jìn)行多級萃取。由于選擇性系數(shù)較高，所需的萃取級數(shù)不會太多。本研究所用的塔格糖原料液由化學(xué)法合成，其中含有鹽類等成分，可能對萃取工藝有影響，將是進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

圖5 HCl濃度對糖回收率的影響(溶劑比1.0)

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Selective separation of tagatose by solvent extraction with ion-pair extractant

XU Gui-qiang，F(xiàn)ENG Biao*，JIANG Bo*，MU Wan-meng，ZHANG Tao
(State Key Laboratory of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

TS241

A

1002-0306(2010)08-0351-04

2009-07-07

許貴強(qiáng)(1986-)，男，碩士研究生，研究方向:食品科學(xué)與工程。

“十一五”國家863資助項(xiàng)目(2006AA10Z334)。