乙醇沉淀與納濾脫鹽法制備葡萄糖酸的比較研究

馬超婕，歐仕益，*，周　華，姚勝文，吳泰鋼，曾永清，何金銀（.暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東廣州5063；.廣州市食品研究所有限公司，廣東廣州50663）

乙醇沉淀與納濾脫鹽法制備葡萄糖酸的比較研究

馬超婕1，歐仕益1，*，周華1，姚勝文1，吳泰鋼1，曾永清2，何金銀2
（1.暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東廣州510632；2.廣州市食品研究所有限公司，廣東廣州510663）

比較制備葡萄糖酸中兩種脫鹽方法。在葡萄糖酸鈉與鹽酸反應(yīng)后，分別采用乙醇沉淀和納濾脫鹽制備葡萄糖酸的工藝。在研究葡萄糖酸鈉與鹽酸的料液比、乙醇的體積分?jǐn)?shù)、靜置時間等單因子對葡萄糖酸產(chǎn)率及脫鹽效果影響的基礎(chǔ)上，通過正交實驗確定了乙醇沉淀法脫鹽的最佳工藝條件：料液比1∶2 g/mL、乙醇體積分?jǐn)?shù)75%、靜置時間24 h，葡萄糖酸產(chǎn)率最高達(dá)到61.09%，脫鹽率為80.44%。納濾（10 L溶液）脫鹽的最佳工藝為：采用截留分子量150 u的納濾膜（膜面積為0.25 m2），在0.3 MPa壓力，溫度30℃下濃縮110 min，葡萄糖酸的截留率為85.99%，膜通量為10.01 L/m2h，濃縮四次，脫鹽率為78.66%。兩種脫鹽方法均有較高的脫鹽率，納濾脫鹽法較乙醇沉淀鹽法更好。

葡萄糖酸，正交實驗，納濾，脫鹽率

葡萄糖酸及其內(nèi)酯是化工、食品、醫(yī)藥、輕工業(yè)等領(lǐng)域中重要的中間產(chǎn)物，在食品工業(yè)中主要用作酸味劑、營養(yǎng)補(bǔ)充劑、色調(diào)保持劑、蛋白質(zhì)凝固劑、發(fā)酵劑等，在化工工業(yè)中主要用作塑化劑、去藻劑、防沉淀劑等［1-4］。此外，近年來有研究發(fā)現(xiàn)葡萄糖酸對雙歧桿菌的增殖有一定的作用。工業(yè)上一般采用發(fā)酵法制得葡萄糖酸，然后用氫氧化鈉進(jìn)行中和，結(jié)晶葡萄糖酸鈉，再用離子交換法獲得葡萄糖酸。該法需要對樹脂進(jìn)行再生，且會產(chǎn)生大量廢水。納濾作為一種新型的膜分離技術(shù)，廣泛用于海水淡化、超純水制造的脫鹽工藝［5-6］，本實驗將葡萄糖酸鈉與鹽酸反應(yīng)，初步研究了利用乙醇沉淀和納濾脫鹽制備葡萄糖酸的技術(shù)，以期為葡萄糖酸工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)及拓展納濾在工業(yè)中的應(yīng)用。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

葡萄糖酸鈉廣州市齊云生物技術(shù)有限公司；葡萄糖酸標(biāo)準(zhǔn)品（95%） 百靈威試劑；高效液相用水華潤怡寶食品飲料有限公司；鹽酸、硫酸、無水乙醇、丙酮均為分析純。

LC-20AT高效液相色譜儀日本島津公司；contrAA700原子吸收分光光度計德國耶拿公司；聚砜納濾膜無錫超濾設(shè)備廠；納濾機(jī)無錫超濾設(shè)備廠；RE-52AAA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上海嘉鵬科技有限公司；0.45 mm微孔濾膜天津津騰實驗有限公司；恒溫水浴鍋江蘇金壇宏華儀器廠；SHA-B型恒溫振蕩器江蘇金壇宏華儀器廠。

1.2葡萄糖酸的制備

稱取一定質(zhì)量的葡萄糖酸鈉，加入一定體積濃度為3 mol/L的鹽酸，50℃下反應(yīng)4 h，采用乙醇或納濾脫鹽，常溫靜置24 h，上清液用HPLC檢測葡萄糖酸含量，用原子吸收測定鈉離子。

1.3乙醇沉淀法脫鹽

1.3.1工藝流程如下：

1.3.2單因素實驗設(shè)計

1.3.2.1料液比的確定制備葡萄糖酸的過程中，選取乙醇體積分?jǐn)?shù)70%，靜置時間24 h，考察葡萄糖酸鈉與鹽酸料液比1∶2、1∶3、1∶4、1∶5 g/mL對葡萄糖酸產(chǎn)率和脫鹽率的影響。

1.3.2.2乙醇體積分?jǐn)?shù)的確定選取葡萄糖酸鈉與鹽酸料液比1∶2 g/mL，靜置時間24 h，考察乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、65%、70%、75%、80%、85%對葡萄糖酸產(chǎn)率和脫鹽率的影響。

1.3.2.3靜置時間的確定選取葡萄糖酸鈉與鹽酸料液比1∶2 g/mL，乙醇體積分?jǐn)?shù)為75%，考察靜置時間8、16、24、32、40 h對葡萄糖酸產(chǎn)率和脫鹽率的影響。

1.3.3正交實驗設(shè)計在單因素實驗基礎(chǔ)上，以葡萄糖酸產(chǎn)率、脫鹽率的綜合評分為指標(biāo)，料液比、乙醇體積分?jǐn)?shù)、靜置時間為單因子，設(shè)計三因素三水平正交實驗表，確定最佳的工藝條件，見表1。

表1　正交因素水平表Table 1　Factors and levels of orthogonal test

1.4納濾脫鹽

1.4.1工藝流程如下：

1.4.2單因素實驗設(shè)計

1.4.2.1納濾壓力的確定納濾脫鹽過程中，納濾溫度30℃，納濾時間110 min，研究了不同壓力0.05、0.15、0.30、0.45、0.60 MPa對葡萄糖酸截留率、膜通量的影響。

1.4.2.2納濾溫度的確定納濾脫鹽過程中，設(shè)置納濾機(jī)壓力0.3 MPa，納濾時間110 min，研究不同溫度18、25、30、40、50℃對葡萄糖酸截留率、膜通量的影響。1.4.2.3納濾時間的確定納濾脫鹽過程中，設(shè)置納濾機(jī)壓力0.3 MPa，納濾溫度30℃，研究不同時間30、50、70、90、110、130、150、180 min對葡萄糖酸截留率、膜通量的影響。

1.4.3正交實驗設(shè)計在單因素實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，以葡萄糖酸截留率、膜通量的綜合評分為指標(biāo)，溫度、時間、壓力為因子進(jìn)行正交實驗，因素水平見表2。

表2　正交因素水平表Table 2　Factors and levels of orthogonal test

1.5葡萄糖酸的檢測

采用HPLC法測定葡萄糖酸含量。

葡萄糖酸標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作：稱取0.1 g葡萄糖酸標(biāo)準(zhǔn)樣品，用1.25 mmol/L硫酸定容至10 mL，得到10 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液，再用標(biāo)準(zhǔn)溶液配制成以下濃度的溶液：1、2、4、6、8、10 mg/mL（1.25 mmol/L硫酸配制），0.45 mm濾膜過濾，用HPLC測定葡萄糖酸含量［7-9］，以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到葡萄糖酸線性回歸方程：y=492780x-77818（R2=0.9937），葡萄糖酸在1～10 mg/mL內(nèi)呈良好的線性關(guān)系。葡萄糖酸產(chǎn)率按下列公式計算：

1.6色譜條件

色譜柱ZORBAX SB-Aq（4.6 mm×250 mm，5 mm），流動相：0.00125 mol/L硫酸，檢測波長210 nm，流速0.2 mL/min，柱溫：30℃，進(jìn)樣量：5 mL，所有實驗重復(fù)兩次。

1.7鈉含量的測定

采用原子分光光度計測定溶液中的鈉離子。

1.8指標(biāo)的計算

式中，Cr和Cf為截留液和原液的葡萄糖酸濃度（mol/L），Vr和Vf為截留液和原液的體積（L）。

式中，Vt為t時刻透過液的體積（L），Ap為膜面積（m2）。

式中，C1和V1為截留液和原液鹽的濃度（mol/L），V1和V2為截留液和原液的體積（L）。

2　結(jié)果與分析

圖1　葡萄糖酸鈉與鹽酸料液比對葡萄糖酸產(chǎn)率及脫鹽率的影響Fig.1　Effect of sodium gluconate to hydrochloric acid ratio and desalinization ratio on the yield of gluconic acid

圖2　無水乙醇體積分?jǐn)?shù)對葡萄糖酸產(chǎn)率及脫鹽率的影響Fig.2　Effect of volume fraction of ethanol on the yield of gluconic acid and desalinization ratio

2.1.2乙醇體積分?jǐn)?shù)由圖2可知，隨著無水乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，葡萄糖酸產(chǎn)率先增加后減少。葡萄糖酸溶于水，微溶于乙醇，葡萄糖酸鈉與鹽酸的化學(xué)反應(yīng)是可逆反應(yīng)，由于乙醇的含量高，生成的葡萄糖酸快速溶于乙醇溶液中，促使反應(yīng)向右進(jìn)行，這樣葡萄糖酸產(chǎn)率升高，但是乙醇溶液中葡萄糖酸含量高，會使葡萄糖酸與乙醇發(fā)生酯化反應(yīng)，這樣使得葡萄糖酸產(chǎn)率下降。所以葡萄糖酸產(chǎn)率先升高后下降，在75%達(dá)到最高值。

此外乙醇脫鹽率隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加先上升后下降，在體積分?jǐn)?shù)75%時達(dá)到最高脫鹽率69.09%。綜合考慮，選擇體積分?jǐn)?shù)為75%的無水乙醇作為沉淀劑，此時葡萄糖酸產(chǎn)率達(dá)到49.65%，脫鹽率為69.09%。

圖3　靜置時間對葡萄糖酸產(chǎn)率及脫鹽率的影響Fig.3　Effect of incubation time on the yield of gluconic acid and desalinization ratio

2.1.3靜置時間由圖3可知，在8～24 h，葡萄糖酸產(chǎn)率隨靜置時間的延長而增加，在24～40 h，產(chǎn)率略有下降。時間越長，葡萄糖酸鈉與鹽酸反應(yīng)越徹底，這樣生成的葡萄糖酸越多，但靜置時間過長，溶液中的乙醇與葡萄糖酸反應(yīng)，生成酯類，導(dǎo)致葡萄糖酸產(chǎn)率降低。所以葡萄糖酸產(chǎn)率隨時間的增加先上升后降低。而脫鹽率隨著靜置時間的增加先增加后呈平緩趨勢，時間越長，反應(yīng)達(dá)到平衡。綜合考慮，選擇24 h作為最佳靜置時間，此時葡萄糖酸產(chǎn)率達(dá)到最高值52.24%，脫鹽率為68.09%。

2.2正交實驗

由表3、表4得知，影響葡萄糖酸產(chǎn)率的主次因素為：乙醇體積分?jǐn)?shù)＞靜置時間＞料液比，最佳的工藝條件是A1B2C2，即葡萄糖酸鈉與鹽酸料液比為1∶2 g/mL，乙醇體積分?jǐn)?shù)為75%，靜置時間為24 h，恰為九組正交實驗中的第二組，此時綜合評分為141.53，葡萄糖酸產(chǎn)率為61.09%，脫鹽率為80.44%。

2.3納濾單因素實驗

2.3.1納濾溫度圖4的結(jié)果表明，壓力0.3 MPa，時間110 min時，溫度對葡萄糖酸截留率及膜通量有一定影響，溫度較低時截留率低，30℃達(dá)到最高值86.22%，溫度再增加截留率變化不大。一般來說，溫度升高，溶質(zhì)和溶劑的通量均增加，截留率取決于溶質(zhì)和溶劑通量增加程度的多少，若溶劑通量的增加量大于溶質(zhì)通量的增加量，則截留率增加，反之則減少。膜通量隨溫度的升高一直呈上升趨勢，在18～30℃

2.1乙醇沉淀法脫鹽單因素實驗

2.1.1料液比由圖1可知，隨著鹽酸的增加，葡萄糖酸產(chǎn)率逐漸增加，料液比1∶2 g/mL時葡萄糖酸產(chǎn)率為31.54%，料液比1∶5 g/mL時葡萄糖酸產(chǎn)率為44.1%，料液比越高，表明酸含量越高，葡萄糖酸鈉與鹽酸反應(yīng)是可逆反應(yīng)，增加酸的濃度，促使反應(yīng)向右進(jìn)行，所以酸的增加促進(jìn)葡萄糖酸產(chǎn)率的增加。但是酸含量過高，導(dǎo)致pH過低，對高效液相柱、工廠設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，不利于工廠設(shè)備的長期生產(chǎn)；此外，脫鹽率隨著料液比的增加而增加，但趨勢緩慢（p＞0.05）。綜上，選擇1∶2 g/mL溶劑用量少，生產(chǎn)成本低，利于后續(xù)生產(chǎn)。此時葡萄糖酸產(chǎn)率達(dá)到30.97%，脫鹽率為43.78%。增速較大，但在30～50℃，膜通量緩慢增加，沒有很大的提升，溫度升高可以增加擴(kuò)散系數(shù)［10］。綜合考慮耗能和生產(chǎn)成本，選擇納濾溫度為30℃。

表3　正交實驗結(jié)果Table 3　The result of orthogonal test

表4　實驗方差分析Table 4　Variance analysis of the data from the orthogonal test

圖4　溫度對葡萄酸截留率及膜通量的影響Fig.4　Effect of temperature on the retention rate of gluconic acid and permeate flux

圖5　時間對葡萄糖酸截留率和膜通量的影響Fig.5　Effect of time on the retention rate of gluconic acid and permeate flux

2.3.2納濾時間圖5可知，在壓力0.3 MPa，溫度30℃下，葡萄糖酸截留率隨時間的增加而降低，下降趨勢很緩慢。膜通量隨著時間延長呈衰減趨勢，可能是由于后期膜被污染，截留液濃度增大，濃差極化程度加重，導(dǎo)致膜通量下降［11-13］。隨著濃縮時間的增加，濃縮系數(shù)升高，但耗能較大，綜合考慮耗能與生產(chǎn)成本，選擇110 min為最佳濃縮時間，此時膜通量為4.94 L/m2·h，葡萄糖酸截留率為84.66%。

圖6　壓力對葡萄糖酸截留率的影響Fig.6　Effect of pressure on the retention rate of gluconic acid

2.3.3納濾壓力圖6可知，溫度30℃時間110 min時，壓力對葡萄糖酸截留率有影響，隨著壓力的增大，葡萄糖酸截留率先增加后減少，在0.3 MPa達(dá)到最高，這是因為料液的濃度一定，隨著納濾壓力的增加，膜表面溶質(zhì)濃度增加，溶劑通量也增加，而溶劑通量的影響大于溶質(zhì)通量，綜合考慮，選擇0.3 MPa，此時葡萄糖酸截留率為85.99%。

圖7　不同壓力下膜通量隨時間的變化Fig.7　Change in flux during nanofiltration at different pressure

由于過低的壓力膜通量流量過低，不利于生產(chǎn)的需要，所以未對0.05 MPa進(jìn)行研究。圖7可知，在溫度30℃，時間110 min下，不同壓力的膜通量隨時間的增加呈下降趨勢，壓力0.6 MPa時，膜通量大幅度衰減；壓力0.45 MPa時，膜通量從30 min的13.32 L/m2h到110 min的9.6 L/m2h，衰減了28%；壓力0.3 MPa膜通量從30 min的6.52 L/m2h到110 min的14.94 L/m2h，衰減了24%；壓力0.15 MPa，膜通量從30 min的1.56 L/m2h到110 min的1.00 L/m2h，衰減趨勢較平緩，說明壓力越大，膜通量衰減的程度越大，由于生產(chǎn)需要膜通量衰減程度較低的壓力，但是過低的壓力不能滿足工廠生產(chǎn)要求［14-15］，綜合考慮耗能與生產(chǎn)效率，選擇壓力0.3 MPa。

表5　正交實驗結(jié)果Table 5　The result of orthogonal test

表6　實驗方差分析Table 6　Variance analysis of the data from the orthogonal test

2.4納濾正交實驗

由表5、表6得知，影響葡萄糖酸截留率、膜通量的主次因素為：時間＞壓力＞溫度，最佳的工藝條件是A3B2C3，即納濾溫度為30℃，納濾時間110 min，納濾壓力0.30 MPa，此時綜合評分為96，葡萄糖酸截留率為85.99%，膜通量為10.01 L/m2h。

2.5濃縮次數(shù)的確定

在納濾溫度為30℃，納濾時間110 min，納濾壓力0.30 MPa條件下，研究濃縮次數(shù)對脫鹽率的影響。隨著濃縮次數(shù)的增加，脫鹽率先增加后趨于平緩，綜合考慮，濃縮4次，脫鹽率達(dá)到78.66%（圖8）。

圖8　濃縮次數(shù)對脫鹽率的影響Fig.8　Effect of concentration times on the desalinization rate

3　結(jié)論

采用乙醇沉淀鹽與納濾脫鹽制備葡萄糖酸，獲得了兩種方法制備葡萄糖酸的最佳工藝。乙醇沉淀法制備葡萄糖酸的最佳工藝為：葡萄糖酸鈉與鹽酸料液比1∶2 g/mL，乙醇體積分?jǐn)?shù)為75%，靜置時間為24 h，在此工藝下，葡萄糖酸產(chǎn)率為61.09%，脫鹽率為80.44%。納濾制備葡萄糖酸的最佳工藝為：納濾壓力0.3 MPa，納濾溫度30℃，納濾時間110 min，葡萄糖酸截留率為85.99%，膜通量為10.01 L/m2h，在此工藝下（濃縮4次），脫鹽率為78.66%。此兩種方法均有較高的脫鹽率，乙醇沉淀鹽方法靜置時間長，且消耗有機(jī)溶劑，成本高，此外有機(jī)溶劑殘留，對人身體有害，而納濾脫鹽法效率高，耗時短，綜上所述，納濾脫鹽法較乙醇沉淀法更好。

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Removing salt by ethanol precipitatation and nanofiltration to preparation gluconic acid

MA Chao-jie1，OU Shi-yi1，*，ZHOU Hua1，YAO Sheng-wen1，WU Tai-gang1，ZENG Yong-qing2，HE Jin-yin2
（1.Department of Food Science and Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China；2.Food Research Institute of Guangzhou，Co.Ltd.，Guangzhou 510663，China）

Two desalination methods were compared in preparation of gluconate.Ethanol precipitation and nanofiltration were respectively investigated to remove sodium chloride in the reaction mixture of sodium gluconate and hydrochloric acid.The optimal technology of ethanol precipitation was obtained by the orthogonal test.Effects of sodium gluconate to hydrochloric acid ratio，volume fraction of ethanol and incubation time on the yield of gluconic acid and desalinization ratio were investigated under single factor test.The results showed that it yielded 61.09%of gluconic acid and removed 80.44%of salt under the following optimal condition：one part of sodium gluconate was reacted with 2 volume of HCl（in equimolar ratio），and then ethanol was added to 75%（final concentration）and incubated at room temperature for 24 h.The optimal nanofiltration（150 D molecular cut-off）technology was：10.0 L solution was nanofiltrated at 0.3 MPa and 30℃for 110 min. Under this condition，85.99%of gluconic acid was recovered，10.01 L/m2h of membrane flux was produced and 78.66%of salt was removed after nanofiltrated for four rounds.Two methods of desalination had high desalination rate，nanofiltration was better than ethanol precipitation.

gluconic acid；orthogonal test；nanofiltration；desalinization ratio

TS201.1

B

1002-0306（2015）20-0299-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.20.053

2014－10－29

馬超婕（1991-），女，碩士研究生，研究方向：功能性食品，E-mail：584480895@qq.com。

歐仕益（1963-），男，博士，教授，研究方向：食品化學(xué)，E-mail：tosy@jnu.edu.cn。

廣州市工程中心項目資助。