苯基硼酸/季銨鹽離子溶劑萃取分離塔格糖

許貴強，馮 骉，江 波，沐萬孟，張 濤

(江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，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，馮 骉*，江 波*，沐萬孟，張 濤

(江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫214122)

采用苯基硼酸/季銨鹽離子對溶劑萃取塔格糖。通過單因素實驗，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。進一步利用響應面分析優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%，選擇性系數為36.8，塔格糖的回收率為92.3%。

萃取，苯基硼酸，塔格糖，響應面分析

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-半乳糖的同分異構體，也是D-果糖在C-4上的差向異構體［1］。人造甜味劑阿斯巴甜遇高溫即會分解，而塔格糖，具有較高的熔點溫度(134℃)，可應用于烘焙食品中［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化以生產塔格糖的工藝具有很強的競爭優勢。在此工藝中，塔格糖的提純分離是重要的環節。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。為著眼于工業化生產，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構的糖類化合物反應，生成環狀酯類化合物。呈三角形狀態的硼酸鹽在水溶液中不穩定，但在堿性環境下能與單糖反應，生成穩定的四面體酯類化合物。不同的糖與苯基硼酸結合的能力是不同的，利用這一效應，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)來中和其負電荷［10-12］。本研究在 Griffin 和 Shu［13］的工作基礎上進一步改進，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 實驗材料

塔格糖標樣 sigma公司分析純;D-半乳糖 生化試劑;苯基硼酸、TOMAC 化學純;其它試劑 均為國產分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 溶液配制

1.2.1.1 料液準備 將化學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緩沖液調節其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30min，異構生成金屬氫氧化物-塔格糖復合物中間體沉淀，用磷酸中和此復合物中間體，調節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:

選擇性系數定義為:

式中，CE、CR分別為塔格糖(或半乳糖)在有機相和水相中的濃度，g/L;VE、VR分別為有機相和水相的體積，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 塔格糖標準溶液 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，但選擇性系數先增后減，在溶劑比為1時達到最大值。當溶劑比再增加時，不僅選擇性系數減小，后續分離的成本也增加，故選取溶劑比為1較為合適。圖1中的選擇性系數值較小，不僅因為實驗的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有利，萃取率也有所增加。塔格糖與苯基硼酸的結合更強一些，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，從而導致選擇性系數的增大。不過，當苯基硼酸濃度達到0.10mol/L后，選擇性系數基本保持不變，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下進行萃取實驗，結果如圖3。由圖可知，塔格糖的萃取率先是隨pH的增加而增加，因為苯基硼酸在堿性的環境下，易與塔格糖反應成酯;而當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構。對半乳糖而言，其萃取率隨著pH的增加而逐漸減小。這與兩種糖的結構有關，塔格糖具有1，3-順式二醇和1，3-反式二醇結構，與苯基硼酸具有較強的親和力;半乳糖則具有1，2-順式二醇和1，3-反式二醇結構，與苯基硼酸結合力相對較弱。這種差異正是萃取分離的基礎，從圖中可以看到，當pH為11.0時，選擇性系數達到最大值。

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 響應面分析法優化萃取條件

根據單因素實驗的結果，確定了因素的3個水平。3因素3水平的CCFD的中心組合設計，見表1。根據響應面設計原理，以相關性密切的三個因素: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(%)和選擇性系數三個響應值。采用STAT-EASE design expert 7.1.6軟件對數據進行響應面分析，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;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

對實驗點的響應值塔格糖萃取率進行回歸分析可知，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系，其平方項均顯著。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

在響應面法優化后的最佳條件下，即pH11.0，苯基硼酸濃度0.10mol/L，溶劑比1.0，進行三次平行驗證實驗，塔格糖萃取率為65.7%，RSD為0.56%。模型預測值為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相中的含量分別為3.16g/L和0.36g/L。利用不同濃度的HCl進行反萃取，在反萃取過程中，OH-與 Cl-進行離子交換［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HCl濃度達到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。綜合單因素和響應面優化，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%。

為進一步提高塔格糖萃取率，可進行多級萃取。由于選擇性系數較高，所需的萃取級數不會太多。本研究所用的塔格糖原料液由化學法合成，其中含有鹽類等成分，可能對萃取工藝有影響，將是進一步研究的內容。

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，FENG 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(1986-)，男，碩士研究生，研究方向:食品科學與工程。

“十一五”國家863資助項目(2006AA10Z334)。