阴离子交换树脂D318分离提取发酵液中的2- 酮基 -D- 葡萄糖酸

余泗莲，周 强，余 彬，彭化南，郑大贵

（1.百勤异Vc钠有限公司，江西 德兴 334221；2.上饶师范学院，江西省普通高校应用有机化学重点实验室，江西 上饶 334001）

异Vc钠（D- 异抗坏血酸钠）是一种广泛使用的水溶性食品抗氧化剂。现有的生产工艺一般是：葡萄糖、玉米浆等原料经发酵得到2- 酮基 -D- 葡萄糖酸（2-keto-D-gluconic acid，2-KGA），发酵液经阳离子交换树脂去除金属离子后，再经浓缩、甲酯化、碱转化，分离得到异Vc钠粗品[1]。过程如下：

由于2-KGA发酵液中的杂质（如发酵过程中没有消耗完全的糖，发酵过程中细菌所产生的杂酸、蛋白质等）在浓缩、酯化前均未去除，会带入到异Vc钠粗品中。另外，发酵液中2-KGA浓度较低，大量的水需要通过真空浓缩去除，浓缩过程既要消耗大量的热能，2-KGA受热又容易发生分解反应[2]，损失较大，同时产生新的杂质及色素。上述因素均会导致异Vc钠粗品含量较低，色泽褐黄，质量较差。

弱碱性阴离子交换树脂含有-NH2、-NHR或-NR2等弱碱性基团。游离氨基与有机酸离解的质子结合后，产生的铵基阳离子可以吸附有机酸根阴离子。待吸附饱和后，采用合适的方法，可以将被树脂吸附的有机酸根解吸，达到分离纯化的目的。这一技术已广泛用于有机酸尤其是发酵有机酸的分离提取[3~11]。

依据上述原理，本文提出了一种2-KGA的分离提取新方法，包括如下步骤：（1）用弱碱性阴离子交换树脂D318去除2-KGA发酵液中的无机酸根；（2）用D318树脂吸附步骤（1）得到的发酵液中的2-KGA；（3）吸交完成后，用去离子水顶出树脂床中未被吸附的2-KGA；（4）用甲醇顶出树脂床中的水；（5）用H2SO4-CH3OH混合液从树脂床中解吸2-KGA；（6）树脂再生重复使用。主要原理是：

吸附过程：

其中， 代表树脂中高分子骨架；2-D-KGCO2H代表 2-KGA；R为烃基或H原子。

解吸过程：

与传统工艺相比，该方法减少了真空浓缩2-KGA发酵液所需要的能耗；将得到的解吸液加热进行酯化反应得到2-酮基-D-葡萄糖酸甲酯，进一步经碱转化后，得到的异Vc钠粗品纯度高，易于精制，总收率也得到提高。

本文还探讨了离交液浓度、离交液流速和树脂高径比对单位树脂吸交量的影响。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

2-酮基 -D- 葡萄糖酸发酵液，D315离子交换树脂，甲醇、浓硫酸(工业品)，其它所用试剂均为化学纯。

PHS-3C型酸度计，W22旋光仪，TA2003分析天平。

1.2 实验方法

1.2.1 树脂的预处理和再生

对于首次使用的D318树脂，按照GB/T 5476-1996的方法进行预处理。将一定量的树脂用去离子水浸泡24h；然后用4BV的1N HCl分4次浸泡，每次用1BV，每次浸泡2h；将HCl浸泡过的树脂用去离子水洗至中性后装柱；用3~4BV的4% NaOH顺流经过树脂，速度为2BV·h-1；最后，用去离子水将树脂洗至酚酞不显红色。

对于使用过的D318树脂，按如下过程进行再生：用3~4BV的4%NaOH流经树脂，流速为2BV·h-1；之后，再用去离子水将树脂洗至酚酞不显红色。

1.2.2 离交液的预处理

由于发酵过程中使用了无机盐和无机酸，2-KGA发酵液中含有SO42-、Cl-等无机酸根。离交液预处理的目的，就是去除这些无机酸根。将2-KGA发酵液用顺流交换法经过装有一定量的经过预处理的或再生的D318树脂，一开始，所有的酸根离子均被树脂吸附。由于树脂对不同阴离子吸附能力不同，随着流出液体积的增大，开始取代已被树脂吸附的2-KGA阴离子，此时，几乎没有流出，流出液的2-KGA浓度则不断增大。当、Cl－吸附饱和时，开始从树脂中流出，此时停止吸交。

SO42-和Cl-的定性检出：吸取约0.1mL离交液，稀释至25mL，加入10% HCl 1mL后，再加入浓度125g·L-的BaCl2溶液2mL，若有白色沉淀生成，说明有SO42-；吸取约0.1mL离交液，稀释到25mL，依次加入浓度2mol·L-的硝酸1mL和浓度7g·L-1的AgNO3溶液1mL，若有白色沉淀生成，说明有Cl-。

1.2.3 吸交实验及吸交量

将一定浓度已去除无机酸根的2-KGA发酵液按照一定的流速，顺流经过一定体积、一定高度的D318树脂床，每次收集一定体积的流出液，并测试流出液的pH。在pH大于3之前用广泛pH试纸测pH值，在pH小于3后，用精密pH计测pH值，同时用旋光法[12]测定流出液的2-KGA浓度。当流出液中2-KGA的浓度接近或等于进料液中2-KGA的浓度时，停止吸交。用去离子水冲出树脂中未吸附的2-KGA。所用料液中含2-KGA的净质量减去流出液中含2-KGA的净质量，再除以所用湿树脂的体积，即为单位湿树脂的吸交量。

1.2.4 解吸实验

吸交完成后，用去离子水顶出树脂床中未被吸附的2-KGA，接着用甲醇顶出树脂床中的水（直至流出液的密度与所用甲醇密度相同），再用不同浓度的H2SO4-CH3OH混合液从树脂床中梯度解吸2-KGA。

1.3 代表性的实施步骤

（1）将去除无机酸根离子、2-KGA含量为0.1656 g·mL-1的发酵液（pH为1.62）以2BV·h-1的流速流经再生好的150mL D318树脂床。当流出液的2-KGA含量为0.1620g·mL-1时停止吸交，共用发酵液743 mL（含2-KGA 123.04g）。收集pH＜3.0、2-KGA平均含量为0.1023g·mL-1的流出液540mL（含2-KGA 55.24 g）。

（2）用270mL去离子水顶出树脂床中未被吸附的2-KGA发酵液（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和工业甲醇210mL，以3 BV·h-1的流速流经树脂床，去除树脂床中的水。

（4）依次用8% (v/v) H2SO4-CH3OH溶液145mL、5% (v/v)H2SO4-CH3OH溶液200mL对树脂进行解吸。第一梯度解吸液流速为1.2BV·h-1；第二梯度解吸液流速为0.8BV·h-1。

（5）上述解吸液在蒸出180mL 甲醇后于66~70℃下搅拌反应2h，分离得到纯度为96.0%（HPLC法）的2-酮基 -D- 葡萄糖酸甲酯47.77g，折纯45.86g，解吸和甲酯化两步总收率为92.0%。

（6）步骤（5）得到的2- 酮基 -D- 葡萄糖酸甲酯经碱转化，分离得到异Vc钠粗品48.6g，纯度94.6%，收率95.0%。

2 结果与讨论

2.1 离交液浓度对单位树脂吸交量的影响

将60mL经过预处理的湿树脂装入离子交换柱中，固定树脂床高径比17，离交流速2.0BV·h-1，用不同浓度的料液进行吸交实验，结果见表1。其中，穿透体积为流出液与进料液中2-KGA的浓度接近或相等时所用的料液体积，即离交液用量。吸交量为每mL湿树脂所吸附的2-KGA的质量（g）。

表1 料液浓度对单位树脂吸交量的影响

结果表明，料液浓度越低，穿透体积越大；在其它实验参数固定的情况下，随着料液2-KGA浓度的增大，树脂单位吸交量也增大。可能的原因是：2-KGA的浓度越大，离解出的H+浓度越高，与弱碱性阴离子交换树脂中游离胺形成铵盐的机会增大，吸附2-KGA阴离子的机会增大，即吸交量增大。这一结果与弱碱性阴离子交换树脂的吸附原理是一致的。

2.2 离交液流速对单位树脂吸交量的影响

将60mL经过预处理的湿树脂装入离子交换柱中，树脂床高径比17，料液浓度0.1513g·mL-1（料液pH 1.82），控制不同的料液流速进行吸交实验，结果见表2。

表2 料液流速对单位树脂吸交量的影响

结果表明，流速越慢，树脂吸附量越大，柱效率越高，流速太快，部分2-KGA来不及吸附而流出，使得树脂吸附量降低。但是流速太慢将延长吸交周期，所以综合考虑采用离交速度为2BV·h-1进行实验较为理想。

2.3 不同的树脂高径比对单位树脂吸交量的影响

将等量预处理好的60mL湿树脂装填2种不同直径的离交柱。在相同的流速（2.0BV·h-1）、相同的料液浓度（0.1812g·mL-1）下进行吸交实验，结果见表3。

表3 料液流速对单位树脂吸交量的影响

表3的结果表明，树脂床的高径比对树脂的吸交量影响不大。可能的原因是流速一定的情况下，离交液在树脂中交换的时间是固定的。

3 结论

（1）提供了一种用弱碱性阴离子交换树脂D318从发酵液中分离提取2- 酮基 -D- 葡萄糖酸（2-KGA）的方法。该法得到的2-KGA甲醇溶液，加热直接甲酯化，再碱转化，得到的异Vc钠粗品纯度高，易于精制，总收率也得到提高。

（2）对发酵液中2-KGA的浓度、离交速度、树脂填装的高径比对树脂单位吸交量的影响进行了探讨，得到的结果是：离交液浓度越高，离交速度越慢，单位树脂吸交量越大；高径比对树脂 单位吸交量的影响不大。

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