苯基硼酸/季铵盐离子溶剂萃取分离塔格糖

许贵强，冯 骉，江 波，沐万孟，张 涛

(江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡214122)

苯基硼酸/季铵盐离子溶剂萃取分离塔格糖

许贵强，冯 骉*，江 波*，沐万孟，张 涛

(江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡214122)

采用苯基硼酸/季铵盐离子对溶剂萃取塔格糖。通过单因素实验，考察pH、苯基硼酸浓度、溶剂比对塔格糖萃取率和选择性的影响。进一步利用响应面分析优化得到最佳萃取条件为:pH11.0，苯基硼酸浓度0.10mol/L，溶剂比1.0，此时塔格糖的萃取率为65.7%，选择性系数为36.8，塔格糖的回收率为92.3%。

萃取，苯基硼酸，塔格糖，响应面分析

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

塔格糖是一种稀少的天然己酮糖，是D-半乳糖的同分异构体，也是D-果糖在C-4上的差向异构体［1］。人造甜味剂阿斯巴甜遇高温即会分解，而塔格糖，具有较高的熔点温度(134℃)，可应用于烘焙食品中［2-3］。塔格糖还具有降血糖、改善肠道菌群、抗龋齿等多种生理功能［4-6］。由于天然存在的塔格糖很少，用半乳糖酶将半乳糖异构化以生产塔格糖的工艺具有很强的竞争优势。在此工艺中，塔格糖的提纯分离是重要的环节。目前国际上分离塔格糖的方法尚没有定论，但单糖间分离的常用方法有色谱法、离子交换膜法［7］、液膜分离 法［8］和 溶剂萃取法［9-10］等。为着眼于工业化生产，本研究选择溶剂萃取法分离塔格糖。亲脂性的苯基硼酸能与具有二醇结构的糖类化合物反应，生成环状酯类化合物。呈三角形状态的硼酸盐在水溶液中不稳定，但在碱性环境下能与单糖反应，生成稳定的四面体酯类化合物。不同的糖与苯基硼酸结合的能力是不同的，利用这一效应，可以用苯基硼酸为萃取剂，使单糖分离。为使单糖从水相中萃取到有机相中，通常加入助萃取剂三辛基甲基氯化铵(以下简称TOMAC)来中和其负电荷［10-12］。本研究在 Griffin 和 Shu［13］的工作基础上进一步改进，用萃取及反萃取法分离塔格糖和半乳糖。

1 材料与方法

1.1 实验材料

塔格糖标样 sigma公司分析纯;D-半乳糖 生化试剂;苯基硼酸、TOMAC 化学纯;其它试剂 均为国产分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 溶液配制

1.2.1.1 料液准备 将化学法合成塔格糖的料液稀释至一定浓度，分别用 NaOH溶液、0.10mol/L的Na2HPO4-NaH2PO4缓冲液或Na2CO3-NaHCO3缓冲液调节其pH。

1.2.1.2 萃取剂配制 将一定量苯基硼酸及其TOMAC 溶解在正己烷∶正辛醇(V∶V=85∶15)的有机溶剂中，使溶液中TOMAC的量大于苯基硼酸的量，以确使苯基硼酸完全溶解在有机溶剂中。

1.2.1.3 反萃取溶剂配制 配制一定浓度的HCl取代含糖的水相溶液，作为反萃取的水相溶液。

1.2.2 塔格糖的化学法合成［5，16］以20%的半乳糖为原料，加入等体积的3mol/L的Ca(OH)2浆状物、0.02mol/L的CaCl2催化剂，混合反应30min，异构生成金属氢氧化物-塔格糖复合物中间体沉淀，用磷酸中和此复合物中间体，调节pH至5.4，得到塔格糖初样。

1.2.3 萃取和反萃取 将一定比例的料液和萃取剂盛在50mL的具塞锥形瓶中，置于30℃的水浴摇床中，在200r/min下振荡2h。然后将其倒入250mL的分液漏斗中静置0.5h。测定两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选择性。塔格糖和半乳糖的萃取率分别定义为:

选择性系数定义为:

式中，CE、CR分别为塔格糖(或半乳糖)在有机相和水相中的浓度，g/L;VE、VR分别为有机相和水相的体积，mL。

1.2.4 测定方法

1.2.4.1 塔格糖的测定 用半胱氨酸-咔唑法［5，14］。分别吸取 50μg/mL 塔格糖标准溶液 0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8mL 于试管中，用去离子水补足至1.0mL，加入0.2mL 1.5%半胱氨酸盐酸盐溶液，6mL硫酸溶液(190mL H2O+450mL浓H2SO4)，混匀后立即加入0.2mL 0.12%咔唑酒精溶液并混匀。于60℃恒温水浴10min，取出冰浴10min，在560nm下比色。

1.2.4.2 还原糖的测定 用3，5-二硝基水杨酸(DNS)法［15］。

2 结果与讨论

2.1 溶剂比对萃取效果的影响

塔格糖与水的溶剂比是影响萃取效果的首要因素，其影响如图1所示。从图中可以看出，随着溶剂比的增加，塔格糖和半乳糖的萃取率均有所增加，但选择性系数先增后减，在溶剂比为1时达到最大值。当溶剂比再增加时，不仅选择性系数减小，后续分离的成本也增加，故选取溶剂比为1较为合适。图1中的选择性系数值较小，不仅因为实验的pH较低，而且溶剂比的增加使溶液浓度降低是又一原因。

2.2 苯基硼酸浓度对萃取效果的影响

苯基硼酸的浓度对萃取的影响如图2所示。苯基硼酸浓度的增加对苯基硼酸与塔格糖和半乳糖的成酯反应有利，萃取率也有所增加。塔格糖与苯基硼酸的结合更强一些，因此苯基硼酸浓度增加时塔格糖的萃取率增加比半乳糖更显著一些，从而导致选择性系数的增大。不过，当苯基硼酸浓度达到0.10mol/L后，选择性系数基本保持不变，考虑到原料的成本，选取0.10mol/L的苯基硼酸浓度较为合适。

图1 溶剂比对萃取效果的影响(pH9.0，苯基硼酸浓度0.1mol/L)

图2 苯基硼酸浓度对塔格糖和半乳糖萃取效果的影响(pH9，溶剂比 1.0)

2.3 pH对萃取效果的影响

在不同pH下进行萃取实验，结果如图3。由图可知，塔格糖的萃取率先是随pH的增加而增加，因为苯基硼酸在碱性的环境下，易与塔格糖反应成酯;而当pH超过11.0以后，萃取率急剧下降，可能是过高的碱性会破坏其结构。对半乳糖而言，其萃取率随着pH的增加而逐渐减小。这与两种糖的结构有关，塔格糖具有1，3-顺式二醇和1，3-反式二醇结构，与苯基硼酸具有较强的亲和力;半乳糖则具有1，2-顺式二醇和1，3-反式二醇结构，与苯基硼酸结合力相对较弱。这种差异正是萃取分离的基础，从图中可以看到，当pH为11.0时，选择性系数达到最大值。

图3 pH对萃取效果的影响(溶剂比1.0，苯基硼酸0.10mol/L)

2.4 响应面分析法优化萃取条件

根据单因素实验的结果，确定了因素的3个水平。3因素3水平的CCFD的中心组合设计，见表1。根据响应面设计原理，以相关性密切的三个因素:pH、苯基硼酸浓度和溶剂比为自变量，得到塔格糖萃取率Etag(%)、半乳糖萃取率Egal(%)和选择性系数三个响应值。采用STAT-EASE design expert 7.1.6软件对数据进行响应面分析，得回归方程为:

式中，Y1、Y2、Y3分别为塔格糖萃取率，%;半乳糖萃取率和选择性系数;A、B、C分别为pH、苯基硼酸浓度和溶剂比。

表1 CCFD的中心组合因素水平表

对实验点的响应值塔格糖萃取率进行回归分析可知，苯基硼酸浓度与塔格糖萃取率和选择性不是简单的线性关系，其平方项均显著。从图4可知，所选因素对塔格糖萃取率和选择性是高度卷曲的，等高线呈椭圆形，说明pH和溶剂比具有明显的交互作用。

图4 pH和溶剂比对D-塔格糖萃取率和选择性的交互影响

在响应面法优化后的最佳条件下，即pH11.0，苯基硼酸浓度0.10mol/L，溶剂比1.0，进行三次平行验证实验，塔格糖萃取率为65.7%，RSD为0.56%。模型预测值为68.4%，误差为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机相中的含量分别为3.16g/L和0.36g/L。利用不同浓度的HCl进行反萃取，在反萃取过程中，OH-与 Cl-进行离子交换［13］。初始HCl浓度对塔格糖和半乳糖回收率的影响见图5。由图可知，随着HCl浓度的增加，塔格糖和半乳糖的回收率都有所增加，当HCl浓度达到0.75mol/L后，再增加HCl浓度不会显著改变塔格糖和半乳糖的回收率，回收率仅略有增加。

3 结论与讨论

以TOMAC为助剂，用苯基硼酸为萃取剂分离塔格糖和半乳糖，收到了良好的效果。综合单因素和响应面优化，得到最佳的萃取条件为pH11.0，苯基硼酸浓度0.10mol/L，溶剂比1.0，单级萃取得到的塔格糖萃取率为65.7%，回收率为92.3%。

为进一步提高塔格糖萃取率，可进行多级萃取。由于选择性系数较高，所需的萃取级数不会太多。本研究所用的塔格糖原料液由化学法合成，其中含有盐类等成分，可能对萃取工艺有影响，将是进一步研究的内容。

图5 HCl浓度对糖回收率的影响(溶剂比1.0)

［1］张宝顺，李学刚，冯敏.D-塔格糖研究进展［J］.粮食与油脂，2004(12):39-42.

［2］扶雄，黄强，罗发兴.新型功能甜味剂-塔格糖［J］.食品工业，2004(3):28-29.

［3］Larry W.A doctor’s guide to sweeteners［J］.Clinical Tearout，2003，2(2):80-86.

［4］袁尔东.新型功能甜味剂-塔格糖［J］.广州食品工业科技，2004，20(4):166-167.

［5］黄闻霞，江波，沐万孟，等.化学法合成D-塔格糖的研究［J］.食品工业科技，2008(1):247-248.

［6］刘清，姚慧源.一种新型功能甜味剂-塔格糖［J］.中国食品添加剂，2004(4):55-58.

［7］Ouahid S，Métayer M，Langevin D，et al.Sorption of glucose by an anion-exchange membrane in the borate form.Stability of the complexes and the facilitated transport of glucose［J］.Membr Sci，1996，114:13-25.

［8］Luccio M D，Smith B D，Kida T，et al.Alves Separation of fructose from a mixture ofsugars using supported liquid membranes［J］.Membr Sci，2000，174:217-224.

［9］Matsumoto M，Ueba K，Kondo K.Seperation of sugar by solvent extraction with phenylboronic acid and trioctylmethylammonium chloride［J］.Seperation and Purification Technology，2005，43:269-274.

［10］Matsumoto M，Tanaka T，Kondo K.Selective separation of d-glucose by solvent extraction with ion-pair extractant［J］.Ion Exch，2003，14:341-344.

［11］Takeuchi M，Koumoto K，Goto M，et al.Efficient glucoside extraction mediated by a boronic acid with an intramolecular quaternary ammonium ion［J］.Tetrahedron，1996，52:12931-12940.

［12］Aziz H A，Kamaruddin A H，Abu Bakar M Z，et al.Process optimization studies on solvent extraction with naphthalene-2-boronic acid ion-paring with trioctylmethylammonium chloride in sugar purification using design of experiments［J］.Separation and Purification Technology，2007:1-8.

［13］Griffi G J，Shu L.Solvent extraction and purification of sugars from hemicellulose hydrolysates using boronic acid carriers［J］.Chem Technol Biotechnol，2004，79:505-511.

［14］Dische Z，Borenfreund E.A new spectro photometric method for the detection and determination of keto sugars and trioses［J］.The Journal of Biological Chemistry，1951(1):583-587.

［15］齐香君，苟金霞，韩戌珺.3，5-二硝基水杨酸比色法测定溶液中还原糖的研究［J］.纤维素科学与技术，2004(3):17-20.

［16］Beadle JR，Saunders JP，Wajda TJ，et al.Process for manufacturing tagatose［P］.US Patent，1991，5002612.

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

许贵强(1986-)，男，硕士研究生，研究方向:食品科学与工程。

“十一五”国家863资助项目(2006AA10Z334)。