乳糖异构生产乳果糖的条件优化

信成夫，景文利，于丽，任尚美

（山东绿健生物技术有限公司，山东禹城 251200）

乳果糖是一种功能性稀有糖，由乳糖异构生成，是半乳糖和果糖以β-1.4糖苷键结合的二糖，被人们称为“双歧杆菌增殖因子”[1]，其甜度略高于乳糖，易溶于水。乳果糖不仅是一种良好的甜味剂，而且还具有健胃、润肠、防止便秘等生理功能，还可用作乳品、饮料、婴儿及老年食品的功能性添加剂，亦可制成保健饮品供直接服用。另外，乳果糖对治疗肝脏疾病和脑部疾病有明显疗效[2]，因此这是一种具有药用和保健价值，同时又具有巨大经济效益的新一代保健品，对于它的制备研究和开发应用已成为人们研究的热点。

乳果糖是乳糖在碱性试剂催化下发生异构反应生成的，目前采用的碱性催化剂作用于乳糖，乳果糖的产率低，同时生成了相当数量的降解产物如半乳糖、果糖等，产物不仅难以分离，而且颜色常常较深。副产物的产生，不但降低了乳果糖的产率，也给糖浆的进一步纯化及制取结晶带来困难[3]。因此减少副产物生成、提高乳果糖的异构产率的研究具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

乳果糖标样：Sigma公司；原料乳糖：青岛天新食品添加剂有限公司；氢氧化钠：北京益利精细化学品有限公司；偏铝酸钠：淄博利尔化工有限公司；四硼酸钠：无锡展望化工试剂有限公司；亚磷酸氢二钠：如东县振丰精细化工厂；氧化镁：营口仁恒镁业有限公司；亚硫酸氢钠：淄川精细化工厂均为国内分析纯；活性炭：安丘市维立净化材料科技开发有限公司；阳离子交换树脂001×7、阴离子交换树脂D301-F：江苏苏青水处理工程集团有限公司。

KDM型恒温电热套：山东鄄城华鲁电热仪器有限公司；圆底烧瓶；冷凝回流管；离子交换柱：禹城市超越不锈钢厂；WYT-4型折光仪：泉州中友光学仪器有限公司；OOH-0135-KO型高效液相色谱柱：广州菲罗门科学仪器有限公司；ShodexRI-101型示差折光检测器：天津伏尼克科技发展有限公司。

1.2 方法

1.2.1 方法

向不同浓度的乳糖溶液中，加入等量不同种类的异构剂，加热进行异构反应，反应后将异构混合液进行活性炭脱色、阴阳离子树脂净化，然后用高效液相色谱法测定其组成。

1.2.2 分析方法

利用高效液相色谱法测定反应混合物组成，高效液相色谱条件：

流动相：超纯水；色谱柱：碳水化合物柱；柱温：80 ℃～85℃；流速：0.6 mL/min；检测器：示差折光检测器；进样量：20 μL。

2 结果与讨论

2.1 异构剂的筛选

选择氢氧化钠、偏铝酸钠、四硼酸钠、亚磷酸氢二钠以及氧化镁和亚硫酸氢钠的混合物为乳糖异构剂进行实验[4-5]，异构剂添加质量为乳糖质量的1.5%，乳糖浓度为60%，反应温度110℃，反应3 h后取样检测混合物组成，实验结果如图1所示。

图1 异构剂种类对乳果糖生产的影响Fig.1 The effect of is omerizing agent on lactulose yield

图1实验结果表明，5种选择的异构剂中，偏铝酸钠和亚磷酸氢二钠的异构效果明显优于其他3种，考虑到铝离子对人体的危害，因此选择对人体无害的亚磷酸氢二钠作为乳糖异构为乳果糖的异构剂。

2.2 乳糖浓度对异构结果的影响

以亚磷酸氢二钠为异构剂，选择乳糖浓度为30%、40%、50%、60%、70%进行实验，亚磷酸氢二钠的添加质量为乳糖质量的1.5%，反应温度110℃，反应3 h后取样检测混合物组成，实验结果如图2所示。

图2实验结果表明，初始乳糖浓度为60%时，得到的糖浆中乳果糖含量最高。初始浓度过高过低都不利于乳果糖的生成。

2.3 异构剂加量对异构反应的影响

以亚磷酸氢二钠为异构剂，选择亚磷酸氢二钠添加质量为乳糖质量的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%进行实验，乳糖浓度为60%，反应温度110℃，反应3 h后取样检测混合物组成，实验结果如图3所示。

图2 乳糖浓度对异构反应的影响Fig.2 The effect of lactose concenyration on is omrization

图3 亚磷酸氢二钠加量对异构反应的影响Fig.3 The effect of sodium phosphite quantity on is omrization

图3实验结果表明，亚磷酸氢二钠添加质量为乳糖质量的1.5%时，得到异构混合液中乳果糖含量最高，达56.72%。异构剂加量过低时，乳糖异构不充分，乳果糖产率低；加量过多，异构液碱性增强，乳糖降解严重，并且生成的乳果糖也会有一定程度的降解，同样会降低乳果糖的产率。

2.4 温度对异构反应的影响

以亚磷酸氢二钠为异构剂，选择异构反应温度为80、90、100、110、120℃进行实验，乳糖浓度为 60%，亚磷酸氢二钠的添加质量为乳糖质量的1.5%，反应3 h后取样检测混合物组成，实验结果如图4所示。

图4 温度对异构反应的影响Fig.4 The effect of temperature on is omrization

图4实验结果表明，异构反应温度为110℃时，异构混合液中乳果糖含量最高。温度过低，达不到异构所需温度，温度过高，无论是乳糖还是产物乳果糖都会有一定量的降解，也会影响乳果糖产率。

2.5 反应时间对异构反应的影响

以亚磷酸氢二钠为异构剂，选择异构反应时间为1、2、3、4、5 h 进行实验，乳糖浓度为 60%，亚磷酸氢二钠的添加质量为乳糖质量的1.5%，110℃反应后取样检测混合物组成，实验结果如图5所示。

图5 反应时间异构反应的影响Fig.5 The effect of time on is omrization

图5实验结果表明，反应时间为3 h时，得到的糖浆中乳果糖含量最高。反应时间过短，乳糖的异构反应进行不完全，反应时间过长，乳糖及得到的乳果糖会发生降解，也得不到高含量的乳果糖。

2.6 正交试验

结合单因素试验，选择了如表1所示的4个因素及3个水平进行试验，并进行了正交试验设计，正交试验的设计及结果分析见表2。

表1 四因素三水平表Table 1 The table of four factors and three levels

由于因素B的极差最大，所以B因素对结果的影响最大，它的3个水平对应的乳果糖含量平均值中，第三水平对应的平均值最大，所以第三水平最好。因素A的极差次于因素C，所以因素A对结果的影响次于因素C，它的三个水平中第二水平对应的乳果糖含量平均值最大，所以第二水平最好。C因素的极差最小，所以他对结果的影响最小，C因素的第三水平对应的乳果糖含量平均值最大，所以第三水平最好。综上，各因素对结果影响的大小次序为B（异构剂加量），A（反应时间），D（反应温度），C（乳糖浓度），最好方案为B3A2D2C3。方案B3A2D2C3不在上述实验中，通过验证，此方案得到的乳果糖含量为56.84%，优于正交表中方案，所以乳糖异构为乳果糖的最佳条件为B3A2D2C3，即：异构剂加量为2.0%，反应时间为3 h，反应温度为110℃，乳糖浓度为70%。

表2 正交设计及结果分析Table 2 Orthogonal design and results analysis

3 结论

首先通过异构剂筛选实验，寻找到乳糖异构生产乳果糖的最佳异构剂为亚磷酸氢二钠，然后以亚磷酸氢二钠为异构剂，优化得出乳糖异构生产乳果糖的最佳条件为：异构剂加量为2.0%，反应时间为3 h，反应温度为110℃，乳糖浓度为70%，在此最佳条件下得到异构混合液中乳果糖含量为56.84%。

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[1]桂彪.肠道菌群与乳果糖研究新进展[J].实用老年医学,1998,12(6):270-271

[2]Carobbi.Method for preparing high-purity crystalline lactuloseUS:07/141,786[P].1988-01-11

[3]于海,杜昱光.乳果糖的制备、分离及纯化的研究发展现状[J].中国科学院大连化学物理研究所,1998,10(3):184-186

[4]Carobbi.Process for preparing lactulose from lactose,in the form of a syrup or a crystalline productUS:06/518,846[P].1983-08-01

[5]Gasparotti；Franca A.Process for producing lactuloseUS:06/076,585[P].1979-09-18