以阿拉伯膠為原料生成一種含塔格糖的糖漿工藝優(yōu)化

白亞瓊 閆景通 鄭建仙（華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640）

阿拉伯膠是最古老的、使用范圍最廣的一種樹(shù)膠，它價(jià)格低廉，原料來(lái)源廣泛。阿拉伯膠經(jīng)過(guò)水解后，水解液中主要含有 L－阿拉伯糖（L－arabinose）、L－鼠李糖（L－rhamnose）、D－半乳糖以及D－葡萄糖醛酸等單糖［1］，其中半乳糖單體可高達(dá)42%。塔格糖是一種罕見(jiàn)的己酮糖，天然微量地存在于一些奶制品和水果中［2］。目前商品用塔格糖主要是以乳糖或半乳糖為原料通過(guò)一系列生物或化學(xué)方法進(jìn)行合成的。D－塔格糖（D－tagatose）是 D－半乳糖的同分異構(gòu)體，在 C－4位置上是D－果糖的對(duì)映異構(gòu)體［3］。L－阿拉伯糖和D－塔格糖都具有一些功能特性，如L－阿拉伯糖能降低人體對(duì)蔗糖的吸收，具有降血糖和減肥的功效［4］，且L－阿拉伯糖還是重要的醫(yī)藥合成中間體［5］；D－塔格糖是一種低能量甜味劑［6］，能夠調(diào)節(jié)腸道菌群、抑制齒蝕斑［7］，是一種新型的能夠抗糖尿病和控制肥胖的原料［3］。雖然L－鼠李糖不屬于功能性糖，但在合成強(qiáng)心藥物和合成香料Furaneol等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛［8］。由于生產(chǎn)方法受限，這幾種單糖在市場(chǎng)上價(jià)格都比同類產(chǎn)品昂貴，尤其是塔格糖，價(jià)格高達(dá)850元/kg左右，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍大大受限。目前化學(xué)法合成塔格糖的直接原料主要為半乳糖［9，10］，關(guān)于半乳糖的來(lái)源研究較多的是乳糖［11］，未見(jiàn)有研究利用阿拉伯膠作為原料來(lái)源的相關(guān)報(bào)道。鑒于阿拉伯膠的低廉價(jià)格和優(yōu)良性質(zhì)，本研究擬采用阿拉伯膠作為原料，將其水解后生成含有半乳糖的水解液。利用水解液中的半乳糖轉(zhuǎn)化合成具有功能特性的塔格糖，以期獲得一種含有高含量塔格糖的功能性糖漿，為阿拉伯膠的應(yīng)用拓寬范圍，為塔格糖的合成提供一種新的原料來(lái)源。

1 材料與方法

1.1 材料

阿拉伯膠粉：食品級(jí)，品種為Acacia Seyal，其中L－阿拉伯糖含量31%、半乳糖含量42%、鼠李糖含量13%，鑫宇食品添加劑有限公司；

濃硫酸、八水氫氧化鋇：分析純，廣州化學(xué)試劑廠；

塔格糖標(biāo)品：分析純，美國(guó)Sigma公司；

L－半胱氨酸鹽酸鹽：層析純，上海博奧生物科技有限公司；

咔唑：化學(xué)純，中國(guó)上海試劑一廠；

無(wú)水乙醇、NaOH、活性炭、鋁酸鈉等：分析純，廣州市東紅化工廠。

1.2 儀器

快速恒溫水浴鍋：HH－42型，常州國(guó)華電器有限公司；

高速冷凍離心機(jī)：Beckman Avanti J－E型，美國(guó)Beckman Coulter公司；

臺(tái)式酸度計(jì)：pH211HANNA型，葡萄牙HANNA公司；

磁力攪拌器：JB－3型，上海雷磁儀器廠；

可見(jiàn)分光光度計(jì)：Spectrumlab22pc型，上海棱光技術(shù)有限公司；

高效液相色譜儀：LC－20A型，日本島津公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 阿拉伯膠的水解 根據(jù)文獻(xiàn)［12］，修改如下：將阿拉伯膠粉末緩慢加入到80℃的稀硫酸溶液中進(jìn)行水解反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，加入Ba（OH）2溶液進(jìn)行中和。Ba（OH）2與稀硫酸溶液等摩爾，溶解在其兩倍質(zhì)量的80℃左右的蒸餾水中。中和結(jié)束后，冷卻至30℃左右，離心（5 000r/min，15 min）去除沉淀，調(diào)節(jié)pH至8以上，4℃冰箱中儲(chǔ)存以備異構(gòu)化反應(yīng)。本試驗(yàn)用水解液中半乳糖質(zhì)量的多少來(lái)反應(yīng)阿拉伯膠的水解程度，采用HPLC法［13］測(cè)定半乳糖濃度。

1.3.2 塔格糖的合成 根據(jù)文獻(xiàn)［9］和［10］，修改如下：取100mL的水解液，放置于水浴鍋中加熱，加入一定質(zhì)量的鋁酸鈉（鋁酸鈉提前用10mL蒸餾水溶解），一定溫度下水浴一段時(shí)間，反應(yīng)結(jié)束后，立即冰浴冷卻，加入一定體積的30%的硫酸溶液，待溶液中不再出現(xiàn)沉淀時(shí)，過(guò)濾除去沉淀，全程溫度需低于10℃。上清液用活性炭進(jìn)行脫色。

1.3.3 塔格糖含量的測(cè)定以及轉(zhuǎn)化率的計(jì)算 采用半胱氨酸—咔唑法測(cè)塔格糖含量［14］。繪制塔格糖標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖1，以塔格糖作為標(biāo)準(zhǔn)品，得出其標(biāo)準(zhǔn)曲線為y＝0.021x－0.001（R2＝0.999）。測(cè)定反應(yīng)液中塔格糖含量時(shí)，需將原液稀釋1 500倍。塔格糖轉(zhuǎn)化率按式（1）計(jì)算：

圖1 D－塔格糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Figure 1 The standard curve of D－tagatose

1.3.4 單因素試驗(yàn) 每次取100mL水解液，分別以不同的鋁酸鈉加入量、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度進(jìn)行處理，以D－塔格糖的轉(zhuǎn)化率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)平行，結(jié)果取平均值。3個(gè)單因素的試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

（1）鋁酸鈉的影響：固定反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時(shí)間3h，加入鋁酸鈉進(jìn)行異構(gòu)化反應(yīng)。鋁酸鈉的添加量分別取2，4，6，8，10g。

（2）反應(yīng)溫度的影響：固定鋁酸鈉加入量4g，反應(yīng)時(shí)間3h，在一定溫度下反應(yīng)。溫度分別取30，40，50，60，70℃。

（3）反應(yīng)時(shí)間的影響：固定鋁酸鈉加入量4g，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)一定時(shí)間。反應(yīng)時(shí)間分別取2，3，4，5，6h。

1.3.5 塔格糖合成的響應(yīng)曲面優(yōu)化 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析確定鋁酸鈉加入量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間作為即將優(yōu)化的3個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)定3個(gè)水平。響應(yīng)值確定為D－塔格糖的轉(zhuǎn)化率，用響應(yīng)曲面法對(duì)塔格糖的合成條件進(jìn)行優(yōu)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 阿拉伯膠的水解

由表1可知，當(dāng)硫酸濃度較低時(shí)，阿拉伯膠的水解程度不高，水解液中半乳糖的含量比較少，100mL水解液中僅含2～5g左右的半乳糖。隨著硫酸濃度的增大，阿拉伯膠的水解程度也隨之變大，水解液中的半乳糖含量逐步增多。但是當(dāng)硫酸為2.0%時(shí)，水解液比較粘稠，流動(dòng)性差，而反應(yīng)溶液粘稠及半乳糖濃度稀薄均不利于轉(zhuǎn)化反應(yīng)中轉(zhuǎn)化率的提高，故綜合考慮選用1.5%的稀硫酸水解阿拉伯膠，得到的水解液中每100mL含有8.90g的半乳糖。

表1 水解液中半乳糖的質(zhì)量Table 1 The weight of galactose in the hydrolysate

2.2 單因素試驗(yàn)

2.2.1 鋁酸鈉加入量對(duì)塔格糖轉(zhuǎn)化率的影響 由表2可知，隨著鋁酸鈉加入量的增大，塔格糖的轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)。當(dāng)鋁酸鈉的加入量為2g時(shí)，塔格糖的轉(zhuǎn)化率最低，只有21.03%。當(dāng)鋁酸鈉的加入量為4g時(shí)，塔格糖的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高點(diǎn)，有63.64%的半乳糖轉(zhuǎn)化為塔格糖。當(dāng)鋁酸鈉的加入量大于4g時(shí)，塔格糖的轉(zhuǎn)化率變化不大。所以選用4，5，6g作為中心組合試驗(yàn)的3個(gè)水平。

2.2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)塔格糖轉(zhuǎn)化率的影響 由表3可知，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為2h，塔格糖的轉(zhuǎn)化率最低。反應(yīng)時(shí)間太短，異構(gòu)化反應(yīng)未充分進(jìn)行，轉(zhuǎn)化半乳糖的量也很少。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到3～4h時(shí)，異構(gòu)化反應(yīng)充分，塔格糖的轉(zhuǎn)化率達(dá)到63%左右。隨著反應(yīng)時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，塔格糖的轉(zhuǎn)化率開(kāi)始下降，反應(yīng)液顏色也逐漸加深，發(fā)生很多副反應(yīng)，生成很多非還原糖的其他物質(zhì)。所以選用3.0，3.5，4.0h作為中心組合試驗(yàn)的3個(gè)水平。

表2 鋁酸鈉加入量對(duì)塔格糖轉(zhuǎn)化率的影響Table 2 The influence of the addition of sodium aluminate on the conversion rate of tagatose

表3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)塔格糖合成的影響Table 3 The effect of time on the synthesis of tagatose

2.2.3 反應(yīng)溫度對(duì)塔格糖轉(zhuǎn)化率的影響 任何化學(xué)反應(yīng)都需要一定的反應(yīng)溫度，異構(gòu)化反應(yīng)也不例外。由表4可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，塔格糖的轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)。當(dāng)反應(yīng)溫度為50℃時(shí)，塔格糖的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大，有62.76%的半乳糖轉(zhuǎn)化為塔格糖。反應(yīng)溫度低于50℃時(shí)，塔格糖的轉(zhuǎn)化率逐漸上升。但當(dāng)反應(yīng)溫度高于50℃時(shí)，塔格糖的轉(zhuǎn)化率急劇下降，反應(yīng)液的顏色加深，變?yōu)楹稚固腔磻?yīng)加劇，副反應(yīng)增大，非還原糖等的副產(chǎn)物增多。所以選用40，45，50℃作為中心組合試驗(yàn)的3個(gè)水平。

表4 反應(yīng)溫度對(duì)塔格糖轉(zhuǎn)化率的影響Table 4 The influence of reaction temperature on the conversion rate of tagatose

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

選取鋁酸鈉加入量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度作為響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)的3個(gè)因素，以塔格糖轉(zhuǎn)化率作為響應(yīng)值，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用 Design－Expert V8.0.6軟件中的Box－Behnken Design（BBD）對(duì)塔格糖的合成試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。塔格糖合成試驗(yàn)的因素和水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 塔格糖合成的因素與水平表Table 5 Elements and levels of the synthetic of tagatose

以鋁酸鈉加入量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度為自變量，以塔格糖轉(zhuǎn)化率為響應(yīng)值，響應(yīng)面優(yōu)化的試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

用響應(yīng)面分析法對(duì)表6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和建立回歸模型。方差分析結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 塔格糖合成的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 6 Experimental design and result of the synthetic of tagatose

表7 試驗(yàn)結(jié)果的方差分析Table 7 Variance Analysis of results

表7 試驗(yàn)結(jié)果的方差分析Table 7 Variance Analysis of results

＊表示5%為水平顯著，＊＊表示1%為水平極顯著。

方差來(lái)源 平方和 自由度 均方 F值 P 值 顯著性模型 456.86 9 50.76 126.64 ＜0.000 1＊＊A 10.63 1 10.63 26.51 0.003 6 ＊＊B 12.93 1 12.93 32.25 0.002 4 ＊＊C 0.021 1 0.021 0.052 0.828 0 AB 0.18 1 0.18 0.44 0.536 4 AC 4.33 1 4.33 10.79 0.021 8 ＊BC 0.75 1 0.75 1.87 0.230 1 A2 251.43 1 251.43 627.26 ＜0.000 1 ＊＊B2 93.59 1 93.59 233.48 ＜0.000 1 ＊＊C2 143.98 1 143.98 359.19 ＜0.000 1 ＊＊?dú)埐?2.00 5 0.40失擬項(xiàng) 1.25 3 0.42 1.11 0.507 4凈誤差 0.75 2 0.38總和458.86 14

由表7可知，塔格糖轉(zhuǎn)化率模型的P值在0.01以下，說(shuō)明該模型極顯著；失擬項(xiàng)P值為0.507 4，大于0.05，可知失擬檢驗(yàn)不成立，說(shuō)明該模擬模型是比較理想的；從決定系數(shù)（R2＝0.995 6）可知該模型與實(shí)際情況擬合程度比較好，試驗(yàn)的誤差?。粡哪Ｐ偷腞adj（0.987 8）、（0.952 7）、信噪比（Adeq Precisior）（32.383，大于4）3個(gè)系數(shù)可以看出該模型具有較好的預(yù)測(cè)能力，信號(hào)強(qiáng)度很強(qiáng)，滿足預(yù)測(cè)需求，且98.78%的試驗(yàn)結(jié)果都可以用這個(gè)模型進(jìn)行解釋，故該回歸模型可以對(duì)塔格糖的轉(zhuǎn)化率進(jìn)行分析、對(duì)塔格糖合成的最佳條件進(jìn)行確定。轉(zhuǎn)化率模型中二次項(xiàng)A2、B2、C2以及一次項(xiàng)A、B和交互項(xiàng)AC對(duì)得率有顯著影響（P＜0.05），其余一次項(xiàng)C和交互項(xiàng)AB、BC對(duì)塔格糖轉(zhuǎn)化率的影響均不顯著（P＞0.05）。對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到各因素與塔格糖轉(zhuǎn)化率（Y）之間的二元多項(xiàng)回歸方程為：

從表7還可以看出，3種因素對(duì)塔格糖轉(zhuǎn)化率的影響程度大小依次為：B＞A＞C，即反應(yīng)時(shí)間＞鋁酸鈉加入量＞反應(yīng)溫度。

2.4 塔格糖合成的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

對(duì)轉(zhuǎn)化率回歸方程進(jìn)行一階偏導(dǎo)處理，使偏導(dǎo)后的式子等于零可計(jì)算得到：A＝4.93、B＝3.45、C＝45.01，與其相對(duì)應(yīng)的合成塔格糖的最佳反應(yīng)條件為：鋁酸鈉加入量為4.93g、反應(yīng)時(shí)間為3.45h、反應(yīng)溫度為45.01℃，理論最佳轉(zhuǎn)化率為66.39%。

但考慮到實(shí)際的可操作性，將試驗(yàn)條件修改為鋁酸鈉加入量為4.93g，反應(yīng)時(shí)間為3.5h，反應(yīng)溫度為45℃。在修改后的試驗(yàn)條件下進(jìn)行塔格糖的合成，得到塔格糖的實(shí)際平均轉(zhuǎn)化率為66.18%，與理論值（66.39%）相比較，得到的絕對(duì)誤差不超0.05。由上可知，選用響應(yīng)曲面法對(duì)鋁酸鈉催化合成塔格糖的反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化是可靠的，優(yōu)化獲得的最佳工藝參數(shù)也能夠運(yùn)用到實(shí)際的生產(chǎn)操作過(guò)程中，具有一定的參考價(jià)值。

3 結(jié)論

塔格糖的合成經(jīng)過(guò)響應(yīng)曲面法優(yōu)化和修正參數(shù)后確定出鋁酸鈉催化合成塔格糖的最優(yōu)反應(yīng)條件為：當(dāng)鋁酸鈉加入量4.93g，反應(yīng)時(shí)間3.5h，反應(yīng)溫度45℃，此時(shí)塔格糖的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到66.18%。得到的混合糖漿經(jīng)過(guò)除雜凈化后用HPLC法測(cè)定其單糖組成，每100mL糖漿中含有5.89g D－塔格糖、5.14g L－阿拉伯糖和1.75g鼠李糖，塔格糖、阿拉伯糖和鼠李糖是糖漿中的主要單糖。用阿拉伯膠作為原料，來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜，塔格糖的轉(zhuǎn)化率也比較高，制得的糖漿中包括L－阿拉伯糖、D－塔格糖等功能性單糖在內(nèi)的總還原糖含量也高達(dá)50%以上。本試驗(yàn)優(yōu)化出的塔格糖合成工藝反應(yīng)步驟簡(jiǎn)單、流程短，反應(yīng)條件相對(duì)比較溫和、對(duì)儀器的要求低，且由于阿拉伯膠原料的低廉價(jià)格，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的成本也不高，非常適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，為塔格糖的應(yīng)用拓寬范圍，為功能性糖漿的開(kāi)發(fā)提供一定的理論基礎(chǔ)。

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