余泗蓮，周 強(qiáng)，余 彬，彭化南，鄭大貴

（1.百勤異Vc鈉有限公司，江西 德興 334221；2.上饒師范學(xué)院，江西省普通高校應(yīng)用有機(jī)化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 上饒 334001）

異Vc鈉（D- 異抗壞血酸鈉）是一種廣泛使用的水溶性食品抗氧化劑?，F(xiàn)有的生產(chǎn)工藝一般是：葡萄糖、玉米漿等原料經(jīng)發(fā)酵得到2- 酮基 -D- 葡萄糖酸（2-keto-D-gluconic acid，2-KGA），發(fā)酵液經(jīng)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂去除金屬離子后，再經(jīng)濃縮、甲酯化、堿轉(zhuǎn)化，分離得到異Vc鈉粗品[1]。過(guò)程如下：

由于2-KGA發(fā)酵液中的雜質(zhì)（如發(fā)酵過(guò)程中沒(méi)有消耗完全的糖，發(fā)酵過(guò)程中細(xì)菌所產(chǎn)生的雜酸、蛋白質(zhì)等）在濃縮、酯化前均未去除，會(huì)帶入到異Vc鈉粗品中。另外，發(fā)酵液中2-KGA濃度較低，大量的水需要通過(guò)真空濃縮去除，濃縮過(guò)程既要消耗大量的熱能，2-KGA受熱又容易發(fā)生分解反應(yīng)[2]，損失較大，同時(shí)產(chǎn)生新的雜質(zhì)及色素。上述因素均會(huì)導(dǎo)致異Vc鈉粗品含量較低，色澤褐黃，質(zhì)量較差。

弱堿性陰離子交換樹(shù)脂含有-NH2、-NHR或-NR2等弱堿性基團(tuán)。游離氨基與有機(jī)酸離解的質(zhì)子結(jié)合后，產(chǎn)生的銨基陽(yáng)離子可以吸附有機(jī)酸根陰離子。待吸附飽和后，采用合適的方法，可以將被樹(shù)脂吸附的有機(jī)酸根解吸，達(dá)到分離純化的目的。這一技術(shù)已廣泛用于有機(jī)酸尤其是發(fā)酵有機(jī)酸的分離提取[3~11]。

依據(jù)上述原理，本文提出了一種2-KGA的分離提取新方法，包括如下步驟：（1）用弱堿性陰離子交換樹(shù)脂D318去除2-KGA發(fā)酵液中的無(wú)機(jī)酸根；（2）用D318樹(shù)脂吸附步驟（1）得到的發(fā)酵液中的2-KGA；（3）吸交完成后，用去離子水頂出樹(shù)脂床中未被吸附的2-KGA；（4）用甲醇頂出樹(shù)脂床中的水；（5）用H2SO4-CH3OH混合液從樹(shù)脂床中解吸2-KGA；（6）樹(shù)脂再生重復(fù)使用。主要原理是：

吸附過(guò)程：

其中， 代表樹(shù)脂中高分子骨架；2-D-KGCO2H代表 2-KGA；R為烴基或H原子。

解吸過(guò)程：

與傳統(tǒng)工藝相比，該方法減少了真空濃縮2-KGA發(fā)酵液所需要的能耗；將得到的解吸液加熱進(jìn)行酯化反應(yīng)得到2-酮基-D-葡萄糖酸甲酯，進(jìn)一步經(jīng)堿轉(zhuǎn)化后，得到的異Vc鈉粗品純度高，易于精制，總收率也得到提高。

本文還探討了離交液濃度、離交液流速和樹(shù)脂高徑比對(duì)單位樹(shù)脂吸交量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

2-酮基 -D- 葡萄糖酸發(fā)酵液，D315離子交換樹(shù)脂，甲醇、濃硫酸(工業(yè)品)，其它所用試劑均為化學(xué)純。

PHS-3C型酸度計(jì)，W22旋光儀，TA2003分析天平。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樹(shù)脂的預(yù)處理和再生

對(duì)于首次使用的D318樹(shù)脂，按照GB/T 5476-1996的方法進(jìn)行預(yù)處理。將一定量的樹(shù)脂用去離子水浸泡24h；然后用4BV的1N HCl分4次浸泡，每次用1BV，每次浸泡2h；將HCl浸泡過(guò)的樹(shù)脂用去離子水洗至中性后裝柱；用3~4BV的4% NaOH順流經(jīng)過(guò)樹(shù)脂，速度為2BV·h-1；最后，用去離子水將樹(shù)脂洗至酚酞不顯紅色。

對(duì)于使用過(guò)的D318樹(shù)脂，按如下過(guò)程進(jìn)行再生：用3~4BV的4%NaOH流經(jīng)樹(shù)脂，流速為2BV·h-1；之后，再用去離子水將樹(shù)脂洗至酚酞不顯紅色。

1.2.2 離交液的預(yù)處理

由于發(fā)酵過(guò)程中使用了無(wú)機(jī)鹽和無(wú)機(jī)酸，2-KGA發(fā)酵液中含有SO42-、Cl-等無(wú)機(jī)酸根。離交液預(yù)處理的目的，就是去除這些無(wú)機(jī)酸根。將2-KGA發(fā)酵液用順流交換法經(jīng)過(guò)裝有一定量的經(jīng)過(guò)預(yù)處理的或再生的D318樹(shù)脂，一開(kāi)始，所有的酸根離子均被樹(shù)脂吸附。由于樹(shù)脂對(duì)不同陰離子吸附能力不同，隨著流出液體積的增大，開(kāi)始取代已被樹(shù)脂吸附的2-KGA陰離子，此時(shí)，幾乎沒(méi)有流出，流出液的2-KGA濃度則不斷增大。當(dāng)、Cl－吸附飽和時(shí)，開(kāi)始從樹(shù)脂中流出，此時(shí)停止吸交。

SO42-和Cl-的定性檢出：吸取約0.1mL離交液，稀釋至25mL，加入10% HCl 1mL后，再加入濃度125g·L-的BaCl2溶液2mL，若有白色沉淀生成，說(shuō)明有SO42-；吸取約0.1mL離交液，稀釋到25mL，依次加入濃度2mol·L-的硝酸1mL和濃度7g·L-1的AgNO3溶液1mL，若有白色沉淀生成，說(shuō)明有Cl-。

1.2.3 吸交實(shí)驗(yàn)及吸交量

將一定濃度已去除無(wú)機(jī)酸根的2-KGA發(fā)酵液按照一定的流速，順流經(jīng)過(guò)一定體積、一定高度的D318樹(shù)脂床，每次收集一定體積的流出液，并測(cè)試流出液的pH。在pH大于3之前用廣泛pH試紙測(cè)pH值，在pH小于3后，用精密pH計(jì)測(cè)pH值，同時(shí)用旋光法[12]測(cè)定流出液的2-KGA濃度。當(dāng)流出液中2-KGA的濃度接近或等于進(jìn)料液中2-KGA的濃度時(shí)，停止吸交。用去離子水沖出樹(shù)脂中未吸附的2-KGA。所用料液中含2-KGA的凈質(zhì)量減去流出液中含2-KGA的凈質(zhì)量，再除以所用濕樹(shù)脂的體積，即為單位濕樹(shù)脂的吸交量。

1.2.4 解吸實(shí)驗(yàn)

吸交完成后，用去離子水頂出樹(shù)脂床中未被吸附的2-KGA，接著用甲醇頂出樹(shù)脂床中的水（直至流出液的密度與所用甲醇密度相同），再用不同濃度的H2SO4-CH3OH混合液從樹(shù)脂床中梯度解吸2-KGA。

1.3 代表性的實(shí)施步驟

（1）將去除無(wú)機(jī)酸根離子、2-KGA含量為0.1656 g·mL-1的發(fā)酵液（pH為1.62）以2BV·h-1的流速流經(jīng)再生好的150mL D318樹(shù)脂床。當(dāng)流出液的2-KGA含量為0.1620g·mL-1時(shí)停止吸交，共用發(fā)酵液743 mL（含2-KGA 123.04g）。收集pH＜3.0、2-KGA平均含量為0.1023g·mL-1的流出液540mL（含2-KGA 55.24 g）。

（2）用270mL去離子水頂出樹(shù)脂床中未被吸附的2-KGA發(fā)酵液（其中含2-KGA 21.30g）。

（3）依次用54% (v/v)的甲醇水溶液75mL、75%(v/v)的甲醇水溶液75mL和工業(yè)甲醇210mL，以3 BV·h-1的流速流經(jīng)樹(shù)脂床，去除樹(shù)脂床中的水。

（4）依次用8% (v/v) H2SO4-CH3OH溶液145mL、5% (v/v)H2SO4-CH3OH溶液200mL對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行解吸。第一梯度解吸液流速為1.2BV·h-1；第二梯度解吸液流速為0.8BV·h-1。

（5）上述解吸液在蒸出180mL 甲醇后于66~70℃下攪拌反應(yīng)2h，分離得到純度為96.0%（HPLC法）的2-酮基 -D- 葡萄糖酸甲酯47.77g，折純45.86g，解吸和甲酯化兩步總收率為92.0%。

（6）步驟（5）得到的2- 酮基 -D- 葡萄糖酸甲酯經(jīng)堿轉(zhuǎn)化，分離得到異Vc鈉粗品48.6g，純度94.6%，收率95.0%。

2 結(jié)果與討論

2.1 離交液濃度對(duì)單位樹(shù)脂吸交量的影響

將60mL經(jīng)過(guò)預(yù)處理的濕樹(shù)脂裝入離子交換柱中，固定樹(shù)脂床高徑比17，離交流速2.0BV·h-1，用不同濃度的料液進(jìn)行吸交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。其中，穿透體積為流出液與進(jìn)料液中2-KGA的濃度接近或相等時(shí)所用的料液體積，即離交液用量。吸交量為每mL濕樹(shù)脂所吸附的2-KGA的質(zhì)量（g）。

表1 料液濃度對(duì)單位樹(shù)脂吸交量的影響

結(jié)果表明，料液濃度越低，穿透體積越大；在其它實(shí)驗(yàn)參數(shù)固定的情況下，隨著料液2-KGA濃度的增大，樹(shù)脂單位吸交量也增大?？赡艿脑蚴牵?-KGA的濃度越大，離解出的H+濃度越高，與弱堿性陰離子交換樹(shù)脂中游離胺形成銨鹽的機(jī)會(huì)增大，吸附2-KGA陰離子的機(jī)會(huì)增大，即吸交量增大。這一結(jié)果與弱堿性陰離子交換樹(shù)脂的吸附原理是一致的。

2.2 離交液流速對(duì)單位樹(shù)脂吸交量的影響

將60mL經(jīng)過(guò)預(yù)處理的濕樹(shù)脂裝入離子交換柱中，樹(shù)脂床高徑比17，料液濃度0.1513g·mL-1（料液pH 1.82），控制不同的料液流速進(jìn)行吸交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 料液流速對(duì)單位樹(shù)脂吸交量的影響

結(jié)果表明，流速越慢，樹(shù)脂吸附量越大，柱效率越高，流速太快，部分2-KGA來(lái)不及吸附而流出，使得樹(shù)脂吸附量降低。但是流速太慢將延長(zhǎng)吸交周期，所以綜合考慮采用離交速度為2BV·h-1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)較為理想。

2.3 不同的樹(shù)脂高徑比對(duì)單位樹(shù)脂吸交量的影響

將等量預(yù)處理好的60mL濕樹(shù)脂裝填2種不同直徑的離交柱。在相同的流速（2.0BV·h-1）、相同的料液濃度（0.1812g·mL-1）下進(jìn)行吸交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 料液流速對(duì)單位樹(shù)脂吸交量的影響

表3的結(jié)果表明，樹(shù)脂床的高徑比對(duì)樹(shù)脂的吸交量影響不大。可能的原因是流速一定的情況下，離交液在樹(shù)脂中交換的時(shí)間是固定的。

3 結(jié)論

（1）提供了一種用弱堿性陰離子交換樹(shù)脂D318從發(fā)酵液中分離提取2- 酮基 -D- 葡萄糖酸（2-KGA）的方法。該法得到的2-KGA甲醇溶液，加熱直接甲酯化，再堿轉(zhuǎn)化，得到的異Vc鈉粗品純度高，易于精制，總收率也得到提高。

（2）對(duì)發(fā)酵液中2-KGA的濃度、離交速度、樹(shù)脂填裝的高徑比對(duì)樹(shù)脂單位吸交量的影響進(jìn)行了探討，得到的結(jié)果是：離交液濃度越高，離交速度越慢，單位樹(shù)脂吸交量越大；高徑比對(duì)樹(shù)脂 單位吸交量的影響不大。

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