基于大孔吸附樹脂純化羅漢果甜苷V的工藝優(yōu)化研究

劉庚貴 何安樂 黃華學(xué) 黃俊 熊瑤

【摘 要】以羅漢果鮮果為原料，通過單因素和多指標(biāo)正交試驗(yàn)優(yōu)化基于大孔吸附樹脂純化羅漢果甜苷V的工藝。結(jié)果表明：大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V的最佳工藝參數(shù)為乙醇濃度為60%、上柱流速為1 BV/h、徑高比為1∶4.5、pH值為8.0，最佳工藝參數(shù)得到98.8 g高純度天然羅漢果甜苷V產(chǎn)品，含量為71.1%。上柱流速對(duì)大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V的重量與含量都具有顯著的影響，同時(shí)乙醇濃度對(duì)重量也有顯著影響，徑高比和pH值對(duì)重量與含量影響不顯著。

【關(guān)鍵詞】羅漢果;甜苷V;正交試驗(yàn);多指標(biāo);優(yōu)化

【中圖分類號(hào)】TS202.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）06-0042-03

0 引言

羅漢果甜苷V，是從羅漢果果實(shí)中提取的極甜的非糖類物質(zhì)，它的甜度是蔗糖的300倍且不含任何熱量，是一種不影響正常人血糖含量、安全且對(duì)人體有多種藥理活性的天然甜味劑。近幾年，國(guó)際市場(chǎng)上羅漢果甜苷V的消費(fèi)量呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)趨勢(shì)，在食品飲料行業(yè)尤為顯著。例如，“可口可樂”（美國(guó)）、“通用磨坊”（法國(guó)）、“喬巴尼”（美國(guó)）等大型的食品飲料企業(yè)都使用羅漢果甜苷V作為甜味劑[1]。據(jù)Innova Database最新數(shù)據(jù)公布，2011年，羅漢果甜苷V的消費(fèi)量接近20 t/d，2015年消費(fèi)量接近300 t/d，2017年1～5月，單在美國(guó)市場(chǎng)上發(fā)布的使用羅漢果苷V作為甜味劑的產(chǎn)品就達(dá)217種，同比增加140%。預(yù)計(jì)到2020年，全球羅漢果甜苷市場(chǎng)規(guī)模將從2016年的約2.5億美元增長(zhǎng)到超過10億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率超過40%。國(guó)家衛(wèi)健委也于2017年1月1日正式實(shí)施《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——食品添加劑羅漢果甜苷》，自此，羅漢果甜苷可作為食品添加劑應(yīng)用于各類食品中[2]。市場(chǎng)研究咨詢公司CCM認(rèn)為，隨著羅漢果甜苷特有的低糖低熱量特點(diǎn)及其下游飲料行業(yè)的應(yīng)用，預(yù)計(jì)2020年羅漢果甜苷V中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模可呈現(xiàn)400%的增長(zhǎng)，因此羅漢果甜苷V在國(guó)內(nèi)外都具有非常大的市場(chǎng)前景。此外，受種植環(huán)境限制，羅漢果目前只在中國(guó)生長(zhǎng)和培育，為了實(shí)施原產(chǎn)地保護(hù)，我國(guó)立法禁止將羅漢果的種子和遺傳基因帶出國(guó)外，因此羅漢果甜苷只能在中國(guó)生產(chǎn)，這對(duì)于國(guó)內(nèi)的羅漢果甜苷生產(chǎn)企業(yè)是不可錯(cuò)失的機(jī)遇。

1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1 材料

1.1.1 原材料

羅漢果鮮果（湖南華誠(chéng)生物資源股份有限公司提供）。

1.1.2 試劑

羅漢果甜苷V（≥98%）AR、無水乙醇AR、氫氧化鈉AR、鹽酸AR、乙腈AR等。

1.2 主要儀器

大孔吸附樹脂LX-100B（陜西省西安市西安藍(lán)曉科技新材料股份有限公司生產(chǎn)）、高效液相色譜儀（型號(hào)：Waters 2695）、DDSJ-308A型pH計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司生產(chǎn)）、分析天平（日本島津儀器有限公司生產(chǎn)）等。

2 方法

2.1 羅漢果甜苷V含量測(cè)定方法

羅漢果甜苷V含量測(cè)定依照?qǐng)F(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《T/CCCMHPIE 14-2016》附錄A.4中規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定[3]。

2.2 工藝路線

（1）羅漢果上柱液的制備：將新鮮的羅漢果通過連續(xù)逆流提取設(shè)備浸提，制得的浸提液依次過碟式分離機(jī)和陶瓷膜后，得羅漢果清液（上柱液）備用。

（2）大孔吸附樹脂層析柱的準(zhǔn)備：將1 L LX-100B型大孔吸附樹脂裝入玻璃層析柱內(nèi)（濕法裝柱），然后用4 L 95%乙醇以0.5 BV/h流速循環(huán)洗柱12 h后，用去離子水洗柱至無醇味，待用。

（3）純化層析上柱：將制得的羅漢果上柱液調(diào)節(jié)pH后，以一定的流速上柱，流出液有甜感即停止上柱。

（4）洗柱與解吸：停止上柱后，用去離子水以1 BV/h進(jìn)行洗柱至中性，然后以3倍柱體積、一定濃度的乙醇水溶液，以一定的流速解吸，收集解吸液。

（5）濃縮與干燥：將收集的解吸液進(jìn)行真空濃縮和微波干燥，最后稱重與檢測(cè)。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Office 2020軟件，數(shù)據(jù)分析處理采用SPSS 8.0軟件。

2.4 大孔吸附樹脂純化工藝優(yōu)化方法

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，以乙醇濃度（A）、上柱流速（B）、徑高比（C）及pH值（D）4個(gè)因素3個(gè)水平做多指標(biāo)正交試驗(yàn)表L9（34）進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)制得羅漢果甜苷V重量及含量進(jìn)行綜合評(píng)分[4-5]。正交試驗(yàn)因素水平表見表1，多指標(biāo)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

3 結(jié)果與分析

3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)乙醇濃度（A）、上柱流速（B）、徑高比（C）及pH值（D）4個(gè)單因素進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)并針對(duì)重量和含量2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行考察和分析，同時(shí)進(jìn)行方差分析，從而確定羅漢果甜苷V層析的最佳工藝參數(shù)及影響主次因素順序，其重量和含量結(jié)果見表2。

針對(duì)制得羅漢果甜苷V產(chǎn)品的重量情況來看，由表1可以看出，大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V的最佳工藝參數(shù)為A2B3C2D3，即解吸乙醇濃度為60%、上柱流速為1.5 BV/h、徑高比為1∶4.5、pH值為8.0。4個(gè)因素對(duì)大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V影響的主次因素為B>A>D>C。說明上柱流速對(duì)制得的質(zhì)量影響最大，其次是乙醇濃度，再次是pH值，最后是徑高比。

針對(duì)制得羅漢果甜苷V產(chǎn)品的含量情況來看，由表1可以看出，大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V的最佳工藝參數(shù)為：A3B1C3D3，即解吸乙醇濃度為70%、上柱流速為0.5 BV/h、徑高比為1∶6.0、pH值為8.0。4個(gè)因素對(duì)大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V的影響的主次因素為A=B>D>C。即說明乙醇濃度和上柱流速對(duì)產(chǎn)品含量的影響最大，且兩者的影響相同，其次是pH值，最后是徑高比。

乙醇濃度對(duì)各指標(biāo)的影響：從表3可以看出，乙醇濃度對(duì)重量和含量的極差都是最大的或者其次的，也就是說，乙醇濃度對(duì)大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V的影響最大。由于高濃度乙醇成本較高，綜合考慮A2和A3，選擇最佳方案為A2，即乙醇濃度為60%。

上柱流速對(duì)各指標(biāo)的影響：從表3可以看出，上柱流速對(duì)重量和含量的極差都是最大的或者等同，也就是說，上柱流速對(duì)大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V的影響最大。綜合考慮B3和B1，折中選擇最佳方案為B2，即上柱流速為1BV/h。

徑高比對(duì)各指標(biāo)的影響：從表1可以看出，徑高比對(duì)重量與含量的極差都是最小的，即影響最小，也就是說，徑高比對(duì)大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V的影響最小，綜合考慮C2和C3，折中選擇最佳方案為C2，即徑高比為1∶4.5。

pH值對(duì)各指標(biāo)的影響：從表1可以看出，pH值對(duì)重量與含量的極差都是較大的，即影響較大，也就是說，pH值對(duì)大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V的影響較大，綜合考慮D3和D3，選擇最佳方案為D3，即pH值為8.0。

通過對(duì)各因素對(duì)兩個(gè)指標(biāo)影響的綜合分析，得到理論上的最佳工藝參數(shù)為A2B2C2D3，即乙醇濃度為60%、上柱流速為1 BV/h、徑高比為1∶4.5、pH值為8.0。

3.2 方差分析

為了判斷以上4種受控因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響情況，將多指標(biāo)正交表進(jìn)行方差分析，找出其影響質(zhì)量和含量的主要來源。正交實(shí)驗(yàn)的方差分析結(jié)果見表4。

由表4可以看出：A和B因素對(duì)感官評(píng)價(jià)得分的影響顯著性，C和D因素對(duì)重量的影響不顯著。說明乙醇濃度和上柱流速對(duì)大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V具有顯著的影響。同時(shí)，B因素對(duì)含量的影響呈現(xiàn)顯著性，B、C和D 3個(gè)因素對(duì)含量的影響不顯著。說明上柱流速對(duì)含量具有顯著影響。

綜上所述，上柱流速對(duì)大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V的重量與含量都具有顯著的影響，同時(shí)乙醇濃度對(duì)重量也有顯著影響，徑高比和pH值對(duì)重量與含量影響不顯著。

大孔吸附樹脂純化過程是一個(gè)吸附與競(jìng)爭(zhēng)吸附的過程，大孔吸附樹脂的官能團(tuán)與有效成分之間必須發(fā)生有效近距離接觸，同時(shí)保持一定的時(shí)間，在吸附過程中周圍環(huán)境要保持相對(duì)穩(wěn)定，這就需要有效成分隨同上柱液保持恒定的流速流經(jīng)大孔吸附樹脂的孔隙，確保連續(xù)吸附，流速也不能太快，從而確保吸附完全，否則會(huì)造成上柱泄露或吸附不飽和。

乙醇作為常用的解吸溶劑，其濃度的高低直接決定最終產(chǎn)品的品質(zhì)，濃度過高會(huì)使大量的雜質(zhì)隨同被解吸下來導(dǎo)致含量偏低，反之，濃度過低則可能會(huì)導(dǎo)致解吸不完全，最終產(chǎn)量降低。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)最佳工藝參數(shù)A2B2C2D3，即乙醇濃度為60%、上柱流速為1 BV/h、徑高比為1∶4.5、pH值為8.0。重復(fù)試驗(yàn)，并進(jìn)行質(zhì)量和含量的測(cè)定，得到98.8 g、含量為71.1%的高純度天然羅漢果甜苷V產(chǎn)品，與理論值預(yù)期相符。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V的最佳工藝參數(shù)：乙醇濃度為60%、上柱流速為1 BV/h、徑高比為1∶4.5、pH值為8.0。

（2）驗(yàn)證試驗(yàn)得到98.8 g、含量為71.1%的高純度天然羅漢果甜苷V產(chǎn)品，與理論值預(yù)期相符。

（3）上柱流速對(duì)大孔吸附樹脂層析純化羅漢果甜苷V的重量與含量都具有顯著的影響，同時(shí)乙醇濃度對(duì)重量也有顯著影響，徑高比和pH值對(duì)重量與含量影響不顯著。

4.2 建議

在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，在羅漢果上柱液的處理過程中，只涉及簡(jiǎn)單的提取、碟式分離和陶瓷膜過濾，沒有對(duì)浸提液進(jìn)行深入的除雜工藝，如脫蛋白、脫鞣質(zhì)、脫去大分子等。如果能通過超濾膜、絮凝沉淀及冷凍脫蛋白等方式進(jìn)行進(jìn)一步的純化，然后再進(jìn)行上柱層析純化，極可能大幅度提高純化效果。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)只針對(duì)質(zhì)量和含量進(jìn)行考察，未對(duì)羅漢果甜苷V產(chǎn)品的食品感官進(jìn)行評(píng)定。羅漢果甜苷V作為食品甜味劑，其口感滋味極為重要，口感不佳的產(chǎn)品很難有好的市場(chǎng)價(jià)值，后續(xù)試驗(yàn)應(yīng)重點(diǎn)考察純化過程對(duì)口感滋味的影響。

本試驗(yàn)中在解吸環(huán)節(jié)只涉及一個(gè)梯度解吸，下一步試驗(yàn)可以考慮多個(gè)梯度解吸，如第一次解吸用低濃度乙醇溶液，然后再用高濃度乙醇溶液解吸，同時(shí)考慮各種梯度乙醇溶液解吸對(duì)制得不同規(guī)格羅漢果甜苷V產(chǎn)品的口感影響，這對(duì)于未來制得高含量和口感極佳的羅漢果甜苷V產(chǎn)品具有重大的意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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