郭元亨, 皮冬偉, 陶進(jìn), 曹敏, 武麗達(dá), 張媛, 王小艷*

1(中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院有限公司,北京,102209)2(營(yíng)養(yǎng)健康與食品安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,102209)3(吉林中糧生化有限公司玉米深加工國(guó)家工程研究中心,吉林 長(zhǎng)春,130033)4(武漢中糧食品科技有限公司,湖北 武漢,430415)

人類生活水平提高和生活方式改變,伴隨的能量過(guò)度攝入引起的超重、糖尿病、“三高”之類的慢性疾病在全球范圍內(nèi)發(fā)病率呈逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。國(guó)際糖尿病聯(lián)盟的預(yù)測(cè)顯示,截止2030年,全球?qū)?huì)有高達(dá)5.78億的成年人患有糖尿病,當(dāng)前僅在我國(guó)就有1.35億糖尿病患者。民眾對(duì)美味和健康的雙重需求,使得低熱量甜味替代品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用成為“健康攝取”糖分的最有效途徑之一。

赤蘚糖醇是一種少量存在于海藻、蘑菇、梨、葡萄和西瓜等食物以及發(fā)酵食品(如醬油、葡萄酒)中的天然糖醇[1-2],常溫下為白色結(jié)晶體,易溶于水,對(duì)酸和熱的穩(wěn)定性高,口感接近于蔗糖,熱量?jī)H為蔗糖的1/10(0.4 kcal/g),人體對(duì)其耐受性高,對(duì)血糖沒(méi)有影響[3-4]。此外,赤蘚糖醇還具有防齲齒[5-6]、血糖調(diào)控、減緩肥胖、保護(hù)肝臟和心血管等功效[7-10]。赤蘚糖醇先后通過(guò)日本食品法規(guī)[11]、美國(guó)食品與藥品監(jiān)督局[12]、聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織下的食品添加劑聯(lián)合專家委員會(huì)[13]的安全認(rèn)證。2008年5月,我國(guó)衛(wèi)生部批準(zhǔn)赤蘚糖醇作為新資源食品,并在2014年對(duì)其進(jìn)行了增補(bǔ)[14-15],公告中允許赤蘚糖醇在各類食品中按實(shí)際需要適量使用。

赤蘚糖醇的生產(chǎn)通常是以葡萄糖為發(fā)酵底物,通過(guò)微生物發(fā)酵(主要使用包括Yarrowia,Pichia,Candida,Torulopsis,Moniliella,Trichospornides在內(nèi)的耐高滲透性酵母菌)獲得[16-18]。赤蘚糖醇的商品形式是晶體。然而,赤蘚糖醇在水中溶解度高,結(jié)晶難度較大,當(dāng)前行業(yè)未能對(duì)結(jié)晶工藝細(xì)化研究,現(xiàn)行的結(jié)晶方法是在較高溫度下通過(guò)蒸發(fā)濃縮達(dá)到結(jié)晶目的,能耗較高[19],母液中殘留赤蘚糖醇含量較高,導(dǎo)致晶體收率偏低,造成一定程度浪費(fèi)。近兩年,隨著赤蘚糖醇進(jìn)入“紅?！笔袌?chǎng),售價(jià)一路走低,必然要求對(duì)成本的進(jìn)一步降低和對(duì)工藝和進(jìn)一步優(yōu)化。其中,優(yōu)化赤蘚糖醇的結(jié)晶工藝對(duì)其產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展十分重要。因此,本文旨在優(yōu)化赤蘚糖醇的結(jié)晶工藝,研究影響結(jié)晶收率的主要因素和影響規(guī)律,并在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)曲面法對(duì)結(jié)晶工藝進(jìn)行綜合性優(yōu)化,大幅提升了赤蘚糖醇的單次結(jié)晶收率。為赤蘚糖醇的產(chǎn)業(yè)的降本減耗、提質(zhì)增效提供參考依據(jù),對(duì)赤蘚糖醇行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

改良解脂耶氏酵母、赤蘚糖醇發(fā)酵液,中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院提供;赤蘚糖醇標(biāo)準(zhǔn)品,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;實(shí)驗(yàn)中用于高效液相色譜檢測(cè)的流動(dòng)相均為色譜純級(jí);液相檢測(cè)使用的水為Milli-Q水凈化系統(tǒng)(Millipore, Bedford, MA, USA)制備的18.2 MΩ超純水;其余所涉及化學(xué)試劑皆為分析純級(jí)。

1260型高效液相色譜系統(tǒng),美國(guó)Agilent公司;XMTD-6000型恒溫真空干燥箱,重慶長(zhǎng)風(fēng)生物科技有限公司;陶瓷膜過(guò)濾系統(tǒng),安徽普朗膜技術(shù)有限公司;Centrifuge 5424型控溫水浴鍋,德國(guó)Eppendorf公司;TDL-5-A型離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;PAL-1型糖度儀,北京陽(yáng)光億事達(dá)貿(mào)易有限公司;RE-2002型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)系統(tǒng),北京神泰偉業(yè)儀器設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 赤蘚糖醇的定量分析

配制10.0 mg/mL的赤蘚糖醇標(biāo)準(zhǔn)溶液,并將此標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋成10.0、8.0、6.0、4.0、2.0、1.0、0.5、0.25 mg/mL的質(zhì)量濃度梯度溶液。使用HPLC檢測(cè)赤蘚糖醇梯度溶液的峰面積,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,并求回歸方程。依據(jù)回歸方程對(duì)待檢樣品定量分析。色譜條件如下:HPLC系統(tǒng)(Agilent 1260型),配置G 1316 A型柱溫箱、G 1329 B型自動(dòng)進(jìn)樣器、G 1311C型四元泵、G 1236A型示差檢測(cè)器和waters sugar-PakI型專用糖分析色譜柱(10 μm,6.5 mm×300 mm);色譜柱溫度和示差折光檢測(cè)器檢測(cè)溫度均設(shè)為55 ℃;流動(dòng)相0.005 mol/L H2SO4水溶液,流速0.5 mL/min。流動(dòng)相和所有待檢測(cè)樣品進(jìn)樣前均通過(guò)0.22 μm的微濾膜過(guò)濾除雜。

結(jié)晶過(guò)程中,赤蘚糖醇結(jié)晶率的計(jì)算如公式(1)所示:

赤蘚糖醇結(jié)晶率/%=(me-ms)/(Vs×Cs)×100

(1)

式中:me,結(jié)晶后得到的赤蘚糖醇晶體總質(zhì)量,g;Vs,赤蘚糖醇溶液的初始體積,mL;Cs,溶液中赤蘚糖醇的初始質(zhì)量濃度,mg/mL;ms,晶種添加質(zhì)量,g。

1.2.2 赤蘚糖醇溶液制備

采用改良解脂耶氏酵母,發(fā)酵生產(chǎn)赤蘚糖醇,終質(zhì)量濃度約為220 mg/mL。發(fā)酵液使用陶瓷過(guò)濾膜(孔徑50 nm,膜面積0.25 m2)固液分離,收集透過(guò)液。透過(guò)液采用活性炭脫色(固液比1∶200,g∶mL)。脫色液依次通過(guò)LX-160強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂脫鹽和D-354強(qiáng)堿型陰離子交換樹(shù)脂脫鹽,真空減壓濃縮。按如下流程制備赤蘚糖醇。

基因工程菌→一級(jí)種子培養(yǎng)→二級(jí)種子培養(yǎng)→補(bǔ)料發(fā)酵培養(yǎng)→陶瓷膜固液分離→活性炭脫色→離子交換樹(shù)脂純化→減壓濃縮

1.2.3 赤蘚糖醇的介穩(wěn)曲線繪制

取赤蘚糖醇晶體45.0 g放入50 mL離心管,加去離子水定容到50 mL。8組樣品依次放置在0、10、20、30、40、50、60、70 ℃的水浴中加熱保溫,振蕩至充分溶解,取上清液稀釋100倍測(cè)定濃度。以赤蘚糖醇溶液溫度為橫坐標(biāo),濃度為縱坐標(biāo)繪制其溶解度曲線。

將一系列不同溫度下的飽和赤蘚糖醇溶液(700、650、600、550、500、450、400 mg/mL)以0.1 ℃/min的速率降溫,同時(shí)觀察赤蘚糖醇溶液。當(dāng)赤蘚糖醇溶液透光率突然降低時(shí),認(rèn)為此時(shí)溶液達(dá)到了極限超溶解濃度,記錄其溶液溫度[20]。為排除赤蘚糖醇溶液中存在晶核的影響,降溫起點(diǎn)從高于溶液飽和溫度5 ℃開(kāi)始[21]。以溶液達(dá)到極限超溶解時(shí)刻的溫度為橫坐標(biāo),對(duì)應(yīng)濃度為縱坐標(biāo)繪制赤蘚糖醇的超溶解曲線。

1.2.4 單因素試驗(yàn)

1.2.2節(jié)所獲得的赤蘚糖醇溶液,其純度可達(dá)98.0%以上。將前述赤蘚糖醇溶液濃縮到550 mg/mL,分別按固含物質(zhì)量的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%加入赤蘚糖醇晶種,25 ℃條件下結(jié)晶1 h,抽濾干燥稱取晶體質(zhì)量,研究晶種添加量對(duì)赤蘚糖醇結(jié)晶率的影響。將1.2.2節(jié)所獲得的赤蘚糖醇濃縮到600 mg/mL以上的質(zhì)量濃度,依次加水稀釋配制成250、300、350、400、450、500、550、600 mg/mL溶液,環(huán)境溫度25 ℃,并加少量晶種,結(jié)晶1 h。研究赤蘚糖醇質(zhì)量濃度在250～600 mg/mL變化時(shí)對(duì)結(jié)晶率的影響。配制550 mg/mL赤蘚糖醇溶液,加少量晶種,分別在25 ℃結(jié)晶0.5、1、2、3、4、5、6 h后,研究結(jié)晶時(shí)間在0.5～6 h內(nèi)變化時(shí)對(duì)其結(jié)晶率的影響。配制550 mg/mL赤蘚糖醇溶液,加少量晶種,分別在-10、-5、0、5、10、15、20、25 ℃的環(huán)境溫度下結(jié)晶3 h,研究赤蘚糖醇在環(huán)境溫度從-10～25 ℃對(duì)其結(jié)晶率的影響。

1.2.5 Box-Behnken(BBD)設(shè)計(jì)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步優(yōu)化赤蘚糖醇的結(jié)晶工藝,依據(jù)1.2.4節(jié)所述的單因素試驗(yàn)結(jié)果,使用BBD中心復(fù)合法設(shè)計(jì)試驗(yàn)[22-23]。將赤蘚糖醇的晶種添加量(X1),初始濃度(X2),結(jié)晶時(shí)間(X3)和結(jié)晶溫度(X4)設(shè)定為自變量,赤蘚糖醇結(jié)晶率(Y)設(shè)為因變量。設(shè)計(jì)4因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面因素及水平Table 1 Experimental design and variables levels for Box-Behnken design

依據(jù)公式(2)模擬二次回歸方程。

(2)

式中:Y,因變量;β0,βi,βii,βij依次為常數(shù)項(xiàng)、一次項(xiàng)、二次項(xiàng)和交互項(xiàng)的系數(shù);Xi和Xj為獨(dú)立變量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用3組平行實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用Design-Expert軟件(V.12)對(duì)赤蘚糖醇結(jié)晶工藝進(jìn)行響應(yīng)面法優(yōu)化。研究數(shù)據(jù)通過(guò)單因素方差分析(ANOVA)和回歸分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 赤蘚糖醇的定量分析

赤蘚糖醇的高效液相色譜詳見(jiàn)圖1-a,赤蘚糖醇的保留時(shí)間為13 min左右,峰型對(duì)稱。根據(jù)不同濃度梯度的標(biāo)準(zhǔn)溶液與其對(duì)應(yīng)的高效液相色譜峰面積關(guān)系,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,詳見(jiàn)圖1-b,標(biāo)準(zhǔn)曲線R2為0.999 8,表明線性關(guān)系良好。

a-高效液相色譜圖;b-標(biāo)準(zhǔn)曲線

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線獲得的回歸方程如公式(3)所示。

A=310 347Cs+738.82

(3)

式中:A,高效液相色譜測(cè)得的赤蘚糖醇峰面積;Cs,溶液中赤蘚糖醇的質(zhì)量濃度,mg/mL;R2=0.999 8。

2.2 赤蘚糖醇的介穩(wěn)區(qū)間及晶種對(duì)降溫結(jié)晶的影響

過(guò)飽和是一種溶質(zhì)在溶液中以高于飽和度的濃度存在,且保持穩(wěn)定的溶解狀態(tài)而不結(jié)晶析出的現(xiàn)象。溶液中溶質(zhì)處于過(guò)飽和狀態(tài)而欲自發(fā)產(chǎn)生晶核時(shí)的極限溶解度稱為超溶解度,宏觀表現(xiàn)為一定溫度下溶質(zhì)結(jié)晶析出的起始濃度[20]。一系列變化的溫度下測(cè)定出溶質(zhì)的超溶解度,順次連接各點(diǎn)即可繪制出超溶解度曲線。介于溶解度曲線和超溶解度曲線之間的區(qū)域,即為溶質(zhì)在該溶液體系中的介穩(wěn)區(qū)。

如圖2所示,右下方的曲線為赤蘚糖醇的溶解度曲線,溶解度曲線右下方是穩(wěn)定區(qū)。在穩(wěn)定區(qū)中溶液尚未達(dá)到飽和狀態(tài),赤蘚糖醇無(wú)結(jié)晶析出的可能性。左上方的曲線為赤蘚糖醇的超溶解度曲線,此曲線左上方的區(qū)域?yàn)椴环€(wěn)定區(qū)。在不穩(wěn)定區(qū),赤蘚糖醇溶液處在過(guò)飽和狀態(tài),可以自發(fā)地產(chǎn)生晶核。介于溶解度曲線與超溶解度曲線之間的區(qū)域,即為赤蘚糖醇的介穩(wěn)區(qū)。在介穩(wěn)區(qū)中,赤蘚糖醇溶液無(wú)法自然地產(chǎn)生晶核,但如果溶液中已存在或引入一定量的晶種,晶種便會(huì)生長(zhǎng)、變大。介穩(wěn)區(qū)寬度是指超溶解度曲線與溶解度曲線之間的直線距離,其垂直方向的距離代表赤蘚糖醇的最大過(guò)超溶解度,水平方向的距離則代表最大過(guò)冷卻溫度。介穩(wěn)區(qū)的研究對(duì)于赤蘚糖醇的結(jié)晶過(guò)程具有重要意義,在工業(yè)生產(chǎn)中,可作為選擇結(jié)晶操作條件的重要依據(jù)。介穩(wěn)區(qū)寬度越大,往往結(jié)晶操作彈性較大,結(jié)晶率較高。

圖2 赤蘚糖醇介穩(wěn)曲線Fig.2 Metastable curve of erythritol

在降溫結(jié)晶過(guò)程中,降溫速率與添加晶種的時(shí)機(jī)對(duì)結(jié)晶過(guò)程有著重要的影響[19]。若在不添加晶種的情況下直接快速降溫,則溶液的狀態(tài)迅速達(dá)到不穩(wěn)定區(qū)域,此刻溶液中就會(huì)發(fā)生初級(jí)成核現(xiàn)象,大量微小的晶核驟然產(chǎn)生。這種工況屬于無(wú)控制結(jié)晶,大量微小、不規(guī)則晶體影響后續(xù)固液分離;且無(wú)控制結(jié)晶會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品晶體夾帶、包裹少量母液中的雜質(zhì),從而影響產(chǎn)品最終品質(zhì)(圖3-a)。

a-不存在晶種,快速降溫;b-不存在晶種,緩慢降溫;c-存在晶種,快速降溫;d-存在晶種,緩慢降溫

若體系中不存在晶種而緩慢冷卻,體系的狀態(tài)會(huì)從穩(wěn)定區(qū)平穩(wěn)穿越介穩(wěn)區(qū),到達(dá)超溶解度曲線,此時(shí)會(huì)溶液中會(huì)生成較多的晶核。當(dāng)溶液的過(guò)飽和度因成核而有一定量的消耗后,體系的狀態(tài)便會(huì)脫離超溶解度曲線而回歸到介穩(wěn)區(qū),此時(shí)便不再有晶核生成,但已形成的晶體顆粒會(huì)逐漸生長(zhǎng)。由于初級(jí)成核速率過(guò)快,其晶核的生成量無(wú)法與晶體顆粒生長(zhǎng)速率匹配,導(dǎo)致所得晶體的粒度分布范圍較寬,也會(huì)影響后續(xù)分離和產(chǎn)品品質(zhì)(圖3-b)。

若體系中有晶種存在且以較快速度降溫,則溶液的狀態(tài)從穩(wěn)定區(qū)快速越過(guò)溶解度曲線到達(dá)介穩(wěn)區(qū),此時(shí)晶種開(kāi)始長(zhǎng)大。但由于降溫迅速,晶粒生長(zhǎng)速度無(wú)法消耗掉體系的過(guò)飽和度。溶液仍有可能越過(guò)超溶解度曲線而到達(dá)不穩(wěn)區(qū),從而發(fā)生初級(jí)核,影響后續(xù)分離工藝和產(chǎn)品品質(zhì)(圖3-c)。

若溶液中存在晶種且緩慢降溫,則在溶液狀態(tài)從穩(wěn)定區(qū)越過(guò)溶解度曲線后,會(huì)始終保持在介穩(wěn)區(qū)狀態(tài)。此種操作情況下,體系的降溫速率決定了晶體的生長(zhǎng)速率。因溶液體系不會(huì)越過(guò)超溶解度曲線而進(jìn)入不穩(wěn)區(qū),故不會(huì)有初級(jí)成核現(xiàn)象出現(xiàn)。這種操作方法所得的晶體形態(tài)一致,粒度均勻,后續(xù)分離容易,晶體顆粒不會(huì)夾帶包裹母液中的雜質(zhì)。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,一般追求這種操作方式(圖3-d)。

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

赤蘚糖醇結(jié)晶過(guò)程中,晶種的添加量對(duì)結(jié)晶率的影響如圖4-a所示,在1 h的結(jié)晶時(shí)間內(nèi),赤蘚糖醇的結(jié)晶率隨著晶種的添加量增加而呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。當(dāng)晶種的添加量達(dá)到赤蘚糖醇溶液中固含物質(zhì)量的1%后,結(jié)晶率不再隨著晶種添加量有顯著提升。對(duì)應(yīng)前述降溫結(jié)晶機(jī)理,當(dāng)晶種添加量<1%時(shí),意味著體系中晶粒的數(shù)量達(dá)不到晶體析出速率的要求,因此結(jié)晶率較低。這種情況下,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),赤蘚糖醇晶體會(huì)長(zhǎng)的過(guò)大,晶體顆粒的規(guī)則性和粒度均勻性也會(huì)受影響。因此后續(xù)結(jié)晶過(guò)程中,將晶種的添加量維持在固含物質(zhì)量的1%左右。

a-晶種添加量;b-初始質(zhì)量濃度;c-結(jié)晶時(shí)間;d-溫度

圖4-b表明,水溶液中赤蘚糖醇質(zhì)量濃度<250 mg/mL,25 ℃的條件下基本不會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶,在赤蘚糖醇溶液的質(zhì)量濃度<600 mg/mL時(shí),結(jié)晶率隨著初始濃度的升高而增高。但在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,若赤蘚糖醇溶液的質(zhì)量濃度達(dá)到600 mg/mL,降溫過(guò)程中容易(結(jié)晶過(guò)程中冷媒一般在10 ℃以下)穿過(guò)介穩(wěn)區(qū)到達(dá)不穩(wěn)定區(qū),形成初級(jí)晶核。除此之外,加熱濃縮過(guò)程中,隨著溶液的濃度升高,黏度會(huì)隨之增大,導(dǎo)致液體傳熱速率下降,局部受熱現(xiàn)象加劇,濃縮液中殘留還原糖類受熱促使溶液顏色褐變,影響產(chǎn)品品質(zhì)。因此初始質(zhì)量濃度不宜過(guò)高,控制在500～550 mg/mL。

圖4-c表明,在3 h之前,赤蘚糖醇的結(jié)晶率隨著結(jié)晶時(shí)間的延長(zhǎng)快速增高。3 h之后,赤蘚糖醇的結(jié)晶率增加速率明顯放緩,盡管整體而言還是略有所增。其內(nèi)在原因是隨著赤蘚糖醇以固態(tài)形式結(jié)晶析出,溶液中的赤蘚糖醇濃度逐漸降低。從而致使溶解-結(jié)晶平衡過(guò)程中,溶解速率隨著晶體總量升高而逐漸加快,結(jié)晶速率隨溶液濃度減小而逐漸降低。當(dāng)溶液中結(jié)晶速率和溶解速率最終趨同時(shí),結(jié)晶率便不再增高[23]。整體權(quán)衡結(jié)晶率和時(shí)間成本,將合適的結(jié)晶時(shí)間選在3 h左右。

圖4-d顯示,溫度在-10～-5 ℃時(shí)赤蘚糖醇的結(jié)晶率隨著溶液的溫度升高而增大,當(dāng)溫度>-5 ℃時(shí),赤蘚糖醇結(jié)晶率隨著溶液溫度的升高而降低。這是因?yàn)?溫度在較低范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí),隨著溫度升高,溶液黏度有所下降,微觀環(huán)境中分子運(yùn)動(dòng)加快,有利于赤蘚糖醇分子相互碰撞,加快赤蘚糖醇結(jié)晶析出。但當(dāng)溫度超過(guò)臨界值時(shí),一方面赤蘚糖醇的過(guò)飽和度下降,另一方面,溶液黏度對(duì)分子運(yùn)動(dòng)的約束程度也降低,致使赤蘚糖醇結(jié)晶率下降[24]。赤蘚糖醇最適結(jié)晶溫度宜選在-5 ℃左右。

2.4 模型擬合與統(tǒng)計(jì)分析

將表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)Design-Expert V.12統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行多元回歸分析,即可得到因變量Y與4個(gè)自變量(X1、X2、X3和X4)之間的模擬回歸方程,如公式(4)所示。

表2 BBD設(shè)計(jì)表與實(shí)測(cè)的赤蘚糖醇結(jié)晶率Table 2 The Box-Behnken design matrix and response values for erythritol yield

Y=39.57+0.48X1+8.18X2+6.07X3+1.83X4+0.88X1X2+0.23X1X3+0.28X1X4+0.53X2X3+1.23X2X4-1.90X3X4-0.83X12-0.99X22-2.35X32-4.02X42

(4)

式中:Y,赤蘚糖醇的結(jié)晶率;X1,晶種添加量,%;X2,赤蘚糖醇初始質(zhì)量濃度,mg/mL;X3,結(jié)晶時(shí)間,h;X4,結(jié)晶溫度,℃。

P>0.05意味著自變量對(duì)響應(yīng)值的影響不顯著,P<0.05則意味著變量對(duì)響應(yīng)值的影響顯著。如表3所示,模型P<0.000 1,意味著由擾動(dòng)所導(dǎo)致的模型失真概率低于0.01%,因此回歸模型具有顯著性。失擬檢驗(yàn)的P=0.469 1,意味著失擬檢驗(yàn)相比純誤差不顯著,根據(jù)BBD分析原理,失擬檢驗(yàn)不顯著表示結(jié)果良好。在所有的變量中,二次項(xiàng)X12對(duì)響應(yīng)值Y具有顯著影響(P<0.05),一次項(xiàng)X2和X3,以及二次項(xiàng)X42對(duì)響應(yīng)值Y有著極顯著影響(P<0.01)。

表3 響應(yīng)面回歸模型的單因素方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance (ANOVA) for the response surface regression model

2.5 響應(yīng)曲面及結(jié)晶工藝的優(yōu)化

如圖5所示,將4個(gè)自變量中的2個(gè)保持在中間水平,則另外2個(gè)自變量的投影組成一系列同心圓或橢圓,這一系列同心圓或橢圓便代表了變量之間相互影響的顯著程度。若曲線呈現(xiàn)橢圓狀,意味著相應(yīng)的變量之間的交互作用對(duì)響應(yīng)值存在顯著影響;若曲線呈圓形則意味著變量之間的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響不顯著[25]。結(jié)晶溫度和晶種添加量之間的投影近似橢圓形,意味著兩者交互作用對(duì)響應(yīng)值有顯著性影響。

a-晶種添加量與初始質(zhì)量濃度;b-晶種添加量與結(jié)晶時(shí)間;c-晶種添加量與結(jié)晶溫度;d-初始質(zhì)量濃度與結(jié)晶時(shí)間;e-初始質(zhì)量濃度與結(jié)晶溫度;f-結(jié)晶時(shí)間與結(jié)晶溫度

通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)赤蘚糖醇的結(jié)晶工藝進(jìn)行優(yōu)化,最優(yōu)條件為晶種添加量赤蘚糖醇溶液中固含物質(zhì)量的1.11%,初始質(zhì)量濃度550 mg/L,結(jié)晶時(shí)間3 h,結(jié)晶溫度-4.36 ℃?？紤]工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程操作的方便性,將晶種添加量設(shè)定為1%,溶液初始質(zhì)量濃度設(shè)定為550 mg/mL,結(jié)晶終止溫度設(shè)定為-4.5 ℃,結(jié)晶持續(xù)時(shí)間為3 h。在修正的條件下,使用BBD預(yù)測(cè)的赤蘚糖醇結(jié)晶率為53.10%。為發(fā)進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可信度,在修正條件下進(jìn)行了3組平行結(jié)晶實(shí)驗(yàn),平均結(jié)晶率為52.78%。

本工藝不同于蒸發(fā)結(jié)晶[22],因此省去了長(zhǎng)時(shí)間蒸發(fā)所消耗的大量熱損耗,利用溫差所致的溶解度差異實(shí)現(xiàn)赤蘚糖醇結(jié)晶,工藝更加經(jīng)濟(jì)。此外,與現(xiàn)有降溫結(jié)晶工藝中一次結(jié)晶收率僅為40%～50%相比[24],工藝更加穩(wěn)定,收率明顯提高?？傮w而言,該模型與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差僅為0.60%,模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際驗(yàn)證值基本吻合,對(duì)實(shí)際應(yīng)用模擬效果較佳。

3 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前赤蘚糖醇產(chǎn)業(yè)中面臨的工藝粗放,結(jié)晶收率偏低的問(wèn)題,為了獲得在水溶液體系中結(jié)晶赤蘚糖醇的最優(yōu)工藝技術(shù),本文研究了晶種添加量、溶液初始濃度、結(jié)晶時(shí)間和結(jié)晶溫度等4個(gè)主要影響因素對(duì)赤蘚糖醇結(jié)晶率的影響規(guī)律。單因素結(jié)果表明,晶種添加量、溶液初始濃度和結(jié)晶時(shí)間與結(jié)晶收率呈正相關(guān)性,且晶種添加量和結(jié)晶時(shí)間對(duì)結(jié)晶收率的影響有封頂現(xiàn)象。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步通過(guò)通過(guò)響應(yīng)曲面法優(yōu)化工藝。結(jié)果顯示赤蘚糖醇在水系中結(jié)晶的最優(yōu)操作參數(shù)為:晶種添加量為1%,溶液初始質(zhì)量濃度為550 mg/mL,結(jié)晶終止溫度為-4.5 ℃,結(jié)晶持續(xù)時(shí)間為3 h。在此條件下,赤蘚糖醇的結(jié)晶率可達(dá)52.78%。結(jié)晶收率高于當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)水平。此工藝操作簡(jiǎn)單易于放大,工藝優(yōu)化方案可靠,可以為赤蘚糖醇的工業(yè)化結(jié)晶提供參考依據(jù)。