黃華學(xué) 何安樂 劉庚貴 黃俊 熊瑤
【關(guān)鍵詞】甜菊糖;高純度;低溫;分步結(jié)晶
【中圖分類號】TS202.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688(2021)07-0049-03
0 引言
甜菊糖苷是從菊科草本植物甜葉菊中提取的極甜的非糖類物質(zhì),它的甜度可達(dá)蔗糖的250~450倍,而熱量只有蔗糖的1/300且口感非常接近蔗糖,是經(jīng)我國衛(wèi)計(jì)委批準(zhǔn),繼甘蔗、甜菜糖之外的第三種極具開發(fā)價(jià)值和保健功能的天然甜味劑,被國際上譽(yù)為“世界第三糖源”。目前,甜菊糖苷的純化工藝主要采用重結(jié)晶法,需要使用大量有機(jī)溶劑(甲醇和乙醇),由于結(jié)晶母液中甜菊糖苷純度低(10%~20%),現(xiàn)有技術(shù)無法得到高純度甜菊糖苷(98%),導(dǎo)致大量高含量產(chǎn)品收率低,造成資源的大量浪費(fèi)和環(huán)境的嚴(yán)重污染,所以不適合工業(yè)規(guī)?;a(chǎn)[1]。本研究采用分布結(jié)晶技術(shù),以含量為80%的甜菊糖苷為原料,制備含量不低于99%的高純度甜菊糖苷產(chǎn)品,并獲得最佳工藝參數(shù),從而為高純度甜菊糖苷產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化提供基礎(chǔ)依據(jù)。
1 試驗(yàn)材料與儀器
1.1 材料
(1)原材料:甜菊糖苷(總苷80%,江西海富生物工程有限公司生產(chǎn))。
(2)試劑:甜菊糖苷(≥99.0%)AR、無水乙醇AR、無水甲醇AR、氫氧化鈉AR、磷酸AR、乙腈AR等。
1.2 主要儀器
高效液相色譜儀(型號為Waters 2695)、恒溫水浴鍋(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)、分析天平(“日本島津”生產(chǎn))等。
2 方法
2.1 甜菊糖苷含量測定方法
甜菊糖苷含量的測定依照國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 8270—2014》附錄A.4中規(guī)定的方法進(jìn)行測定。
2.2 工藝路線
(1)溶劑的配置:將一定量的有機(jī)醇溶劑與純水按照一定的比例混合后,封閉待用。
(2)溶解:將100 g甜菊糖苷與溶劑按照一定的比例進(jìn)行混合,然后將其加熱至80 ℃進(jìn)行回流攪拌,直至全部溶解。
(3)常溫結(jié)晶:將溶解后的待結(jié)晶溶液置于常溫條件下24 h后進(jìn)行抽濾,并用95%的有機(jī)溶劑洗滌濾餅,收集濾餅并干燥稱重得甜菊糖苷T1。
(4)低溫結(jié)晶:將上述濾液置于低溫條件下,靜置24 h后,保持低溫快速抽濾,并用低溫的有機(jī)溶劑洗滌濾餅,收集濾餅并干燥稱重得甜菊糖苷T2。
(5)冷凍結(jié)晶:將上述濾液置于冷凍溫度條件下,靜置24 h后,保持低溫快速抽濾,并用冷凍溫度的有機(jī)溶劑洗滌濾餅,收集濾餅并干燥稱重得甜菊糖苷T3。
(6)母液回收:將上述得到的母液濃縮、干燥后稱重,即得甜菊糖苷T4。
(7)合并:將上述得到的3個結(jié)晶甜菊糖苷產(chǎn)品(T1、T2、T3)合并、稱重、檢測,即得高含量甜菊糖苷。
工藝路線如圖1所示。
2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析
數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Office 2020軟件,數(shù)據(jù)分析處理采用SPSS 8.0軟件。
2.4 低溫分步結(jié)晶工藝優(yōu)化方法
在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)之,以乙醇濃度(A)、甜菊糖苷濃度(B)、常溫(C)、低溫(D)及冷凍(E)5個因素4個水平做多指標(biāo)正交試驗(yàn)表L16(45)進(jìn)行試驗(yàn),對結(jié)晶制得甜菊糖苷重量及含量進(jìn)行綜合評分[2-3]。正交試驗(yàn)因素水平表見表1,多指標(biāo)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。
3 結(jié)果與分析
3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析
對乙醇濃度(A)、甜菊糖苷濃度(B)、常溫(C)、低溫(D)及冷凍(E)5個單因素進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)并針對所得甜菊糖苷重量和含量2個指標(biāo)進(jìn)行考察和分析,同時(shí)進(jìn)行方差分析,從而確定高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶的最佳工藝參數(shù)和影響主次因素的順序,其重量和含量結(jié)果見表2。
針對制得高純度甜菊糖苷產(chǎn)品的重量情況來看,由表1可以看出,高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶的最佳工藝參數(shù)為A2B2C4D4E2或A3B2C4D4E2,即乙醇濃度(A)為80%或85%、濃度(B)為30%、常溫(C)為30 ℃、低溫(D)為5 ℃及冷凍(E)為-25 ℃。5個因素對高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶影響的主次因素為C>A>B>D>E。說明常溫結(jié)晶溫度對高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶制得的產(chǎn)品質(zhì)量影響最大,其次是乙醇濃度,再次是甜菊糖苷濃度,最后分別是低溫結(jié)晶溫度和冷凍結(jié)晶溫度。
針對制得高純度甜菊糖苷產(chǎn)品的含量來看,高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶的最佳工藝參數(shù)為A1B1C2D2E1,即乙醇濃度(A)為75%、濃度(B)為20%、常溫(C)為20 ℃、低溫(D)為-5 ℃及冷凍(E)為-30 ℃(見表1)。5個因素對高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶影響的主次因素順序?yàn)锽>C>D>E>A。說明甜菊糖苷濃度對高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶制得的產(chǎn)品質(zhì)量影響最大,其次是常溫結(jié)晶溫度,再次是低溫結(jié)晶溫度,最后分別是冷凍結(jié)晶溫度和乙醇濃度。
乙醇濃度對各指標(biāo)的影響:從表3可以看出,乙醇濃度對含量的極差是最小的,也就是說,乙醇濃度對高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶所得產(chǎn)品的含量影響最小。乙醇濃度對產(chǎn)品重量的影響較大且A2和A3等同,由于高濃度乙醇成本較高,所以綜合考慮方案A2和A3,選擇最佳方案為A2,即乙醇濃度為80%。
甜菊糖苷濃度對各指標(biāo)的影響:從表3可以看出,甜菊糖苷濃度對含量的極差是最大,對產(chǎn)品重量影響適中,所以針對該研究是為了獲得高純度甜菊糖苷產(chǎn)品而言,優(yōu)先考慮獲得高純度,即選對含量影響最大的因素,選擇最佳方案為B1,即甜菊糖苷的濃度為20%。
常溫結(jié)晶對各指標(biāo)的影響:從表3可以看出,常溫結(jié)晶對重量的極差都是最大,即影響最大,同時(shí)常溫結(jié)晶對含量的影響也極大,也就是說,常溫結(jié)晶對高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶所得產(chǎn)品重量和含量的影響都最大或較大,所以針對該研究是為了獲得高純度甜菊糖苷產(chǎn)品而言,優(yōu)先考慮獲得高純度,即選對含量影響最大的因素,選擇最佳方案為C2,即常溫結(jié)晶溫度為20 ℃。
低溫結(jié)晶各指標(biāo)的影響:從表3可以看出,低溫結(jié)晶對重量與含量的極差都是較小的,即影響較小,也就是說,低溫結(jié)晶的溫度對高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶所得產(chǎn)品影響較小,綜合考慮后,選擇最佳方案為D3,即低溫結(jié)晶溫度為0 ℃。
冷凍結(jié)晶各指標(biāo)的影響:從表3可以看出,冷凍結(jié)晶對重量與含量的極差是較小,即影響較小,也就是說,冷凍結(jié)晶的溫度對高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶所得產(chǎn)品影響較小,從節(jié)能的角度分析,綜合考慮后,選擇最佳方案為E2,即冷凍結(jié)晶溫度為-25 ℃。
通過對各因素對兩個指標(biāo)影響的綜合分析,得到理論上的最佳工藝參數(shù)為A2B1C2D3E2,即乙醇濃度為80%、甜菊糖苷濃度為20%。常溫結(jié)晶溫度為20 ℃、低溫結(jié)晶溫度為0 ℃、冷凍結(jié)晶溫度為-25 ℃。
3.2 方差分析
為了判斷以上5種受控因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響情況,將多指標(biāo)正交表進(jìn)行方差分析,找出其影響質(zhì)量和含量的主要來源。正交實(shí)驗(yàn)的方差分析結(jié)果見表4。
由表4的方差分析可以看出:C因素對產(chǎn)品重量的影響極其顯著性,A因素對產(chǎn)品重量的影響顯著,B因素對產(chǎn)品含量的影響顯著,而D和E對含量和重量的影響都不顯著。
綜上所述,說明常溫結(jié)晶溫度對高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶所得產(chǎn)品的重量具有極其顯著的影響,乙醇濃度對高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶所得產(chǎn)品的重量具有顯著的影響,甜菊糖苷濃度對高純度甜菊糖苷分步結(jié)晶所得產(chǎn)品的含量具有顯著的影響,低溫結(jié)晶溫度和冷凍結(jié)晶溫度對制得的產(chǎn)品重量與含量影響不顯著。
3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)
最佳工藝參數(shù)為A2B1C2D3E2,即乙醇濃度為80%、甜菊糖苷的濃度為20%、常溫結(jié)晶溫度為20 ℃、低溫結(jié)晶溫度為0 ℃、冷凍結(jié)晶溫度為-25 ℃。重復(fù)試驗(yàn),并進(jìn)行質(zhì)量和含量的測定,得到重量為70.3 g、含量為99.5%的高純度甜菊糖苷產(chǎn)品,與理論值預(yù)期相符,高純度甜菊糖苷收率達(dá)87.4%,符合產(chǎn)業(yè)化需求。
4 結(jié)論與建議
4.1 結(jié)論
(1)高純度甜菊糖苷分布結(jié)晶的最佳工藝參數(shù)如下:乙醇的濃度為80%、甜菊糖苷的濃度為20%、常溫結(jié)晶溫度為20 ℃、低溫結(jié)晶溫度為0℃、冷凍結(jié)晶溫度為-25 ℃。
(2)得到重量為70.3 g、含量為99.5%的高純度甜菊糖苷產(chǎn)品,與理論值預(yù)期相符,高純度甜菊糖苷收率達(dá)87.4%,符合產(chǎn)業(yè)化需求。
(3)常溫結(jié)晶溫度對高純度甜菊糖苷重量具有顯著的影響,乙醇濃度對高純度甜菊糖苷重量具有顯著的影響,甜菊糖苷濃度對高純度甜菊糖苷含量具有顯著的影響,低溫結(jié)晶溫度和冷凍結(jié)晶溫度對制得的產(chǎn)品重量與含量影響不顯著。
4.2 建議
(1)在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中,考慮使用乙醇作為有機(jī)溶劑,但未針對結(jié)晶所用的有機(jī)溶劑進(jìn)行研究,例如甲醇、正丁醇或是各種有機(jī)醇的混合物,后續(xù)試驗(yàn)可以考慮將其他有機(jī)溶劑進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行優(yōu)化,從而獲得收率和含量更高且更易產(chǎn)業(yè)化的工藝。
(2)本試驗(yàn)中在分布結(jié)晶的過程中只考慮溫度對結(jié)晶的影響,沒有考慮每次分離之后所得母液有機(jī)溶劑濃度對結(jié)晶的影響,通過調(diào)整母液中有機(jī)溶劑的濃度,極有可能進(jìn)一步提升含量和收率。
(3)本試驗(yàn)設(shè)計(jì)只針對質(zhì)量和含量進(jìn)行考察,未對甜菊糖苷產(chǎn)品的食品感官進(jìn)行評定。甜菊糖苷為食品甜味劑,其口感滋味極為重要,口感不佳的產(chǎn)品很難有好的市場價(jià)值,后續(xù)試驗(yàn)應(yīng)該進(jìn)行重點(diǎn)考察純化過程對口感滋味的影響。
(4)本試驗(yàn)考察的是甜菊糖苷總苷的含量,分布結(jié)晶對各種單獨(dú)皂苷成分的影響情況沒有考察,下一步試驗(yàn)可以針對此影響開展研究。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]額爾敦巴雅爾,云雪艷,王琦銘,等.甜菊糖結(jié)晶過程中化學(xué)成分的分布及其總糖含量變化研究[J].中國食品添加劑,2020,31(11):10-19.
[2]何安樂,江玉姬,謝寶貴.靈芝多糖酶解-Sevage法聯(lián)合脫蛋白工藝研究[J].中國食品工藝,2012(3):54-58.
[3]劉庚貴,唐克軍,羅習(xí),等.利用“廣西甜茶”生產(chǎn)≥98%甜茶苷的新工藝[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2014(4):11-12.