乳糖異構生產(chǎn)乳果糖的條件優(yōu)化

信成夫，景文利，于麗，任尚美

（山東綠健生物技術有限公司，山東禹城 251200）

乳果糖是一種功能性稀有糖，由乳糖異構生成，是半乳糖和果糖以β-1.4糖苷鍵結合的二糖，被人們稱為“雙歧桿菌增殖因子”[1]，其甜度略高于乳糖，易溶于水。乳果糖不僅是一種良好的甜味劑，而且還具有健胃、潤腸、防止便秘等生理功能，還可用作乳品、飲料、嬰兒及老年食品的功能性添加劑，亦可制成保健飲品供直接服用。另外，乳果糖對治療肝臟疾病和腦部疾病有明顯療效[2]，因此這是一種具有藥用和保健價值，同時又具有巨大經(jīng)濟效益的新一代保健品，對于它的制備研究和開發(fā)應用已成為人們研究的熱點。

乳果糖是乳糖在堿性試劑催化下發(fā)生異構反應生成的，目前采用的堿性催化劑作用于乳糖，乳果糖的產(chǎn)率低，同時生成了相當數(shù)量的降解產(chǎn)物如半乳糖、果糖等，產(chǎn)物不僅難以分離，而且顏色常常較深。副產(chǎn)物的產(chǎn)生，不但降低了乳果糖的產(chǎn)率，也給糖漿的進一步純化及制取結晶帶來困難[3]。因此減少副產(chǎn)物生成、提高乳果糖的異構產(chǎn)率的研究具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

乳果糖標樣：Sigma公司；原料乳糖：青島天新食品添加劑有限公司；氫氧化鈉：北京益利精細化學品有限公司；偏鋁酸鈉：淄博利爾化工有限公司；四硼酸鈉：無錫展望化工試劑有限公司；亞磷酸氫二鈉：如東縣振豐精細化工廠；氧化鎂：營口仁恒鎂業(yè)有限公司；亞硫酸氫鈉：淄川精細化工廠均為國內(nèi)分析純；活性炭：安丘市維立凈化材料科技開發(fā)有限公司；陽離子交換樹脂001×7、陰離子交換樹脂D301-F：江蘇蘇青水處理工程集團有限公司。

KDM型恒溫電熱套：山東鄄城華魯電熱儀器有限公司；圓底燒瓶；冷凝回流管；離子交換柱：禹城市超越不銹鋼廠；WYT-4型折光儀：泉州中友光學儀器有限公司；OOH-0135-KO型高效液相色譜柱：廣州菲羅門科學儀器有限公司；ShodexRI-101型示差折光檢測器：天津伏尼克科技發(fā)展有限公司。

1.2 方法

1.2.1 方法

向不同濃度的乳糖溶液中，加入等量不同種類的異構劑，加熱進行異構反應，反應后將異構混合液進行活性炭脫色、陰陽離子樹脂凈化，然后用高效液相色譜法測定其組成。

1.2.2 分析方法

利用高效液相色譜法測定反應混合物組成，高效液相色譜條件：

流動相：超純水；色譜柱：碳水化合物柱；柱溫：80 ℃～85℃；流速：0.6 mL/min；檢測器：示差折光檢測器；進樣量：20 μL。

2 結果與討論

2.1 異構劑的篩選

選擇氫氧化鈉、偏鋁酸鈉、四硼酸鈉、亞磷酸氫二鈉以及氧化鎂和亞硫酸氫鈉的混合物為乳糖異構劑進行實驗[4-5]，異構劑添加質(zhì)量為乳糖質(zhì)量的1.5%，乳糖濃度為60%，反應溫度110℃，反應3 h后取樣檢測混合物組成，實驗結果如圖1所示。

圖1 異構劑種類對乳果糖生產(chǎn)的影響Fig.1 The effect of is omerizing agent on lactulose yield

圖1實驗結果表明，5種選擇的異構劑中，偏鋁酸鈉和亞磷酸氫二鈉的異構效果明顯優(yōu)于其他3種，考慮到鋁離子對人體的危害，因此選擇對人體無害的亞磷酸氫二鈉作為乳糖異構為乳果糖的異構劑。

2.2 乳糖濃度對異構結果的影響

以亞磷酸氫二鈉為異構劑，選擇乳糖濃度為30%、40%、50%、60%、70%進行實驗，亞磷酸氫二鈉的添加質(zhì)量為乳糖質(zhì)量的1.5%，反應溫度110℃，反應3 h后取樣檢測混合物組成，實驗結果如圖2所示。

圖2實驗結果表明，初始乳糖濃度為60%時，得到的糖漿中乳果糖含量最高。初始濃度過高過低都不利于乳果糖的生成。

2.3 異構劑加量對異構反應的影響

以亞磷酸氫二鈉為異構劑，選擇亞磷酸氫二鈉添加質(zhì)量為乳糖質(zhì)量的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%進行實驗，乳糖濃度為60%，反應溫度110℃，反應3 h后取樣檢測混合物組成，實驗結果如圖3所示。

圖2 乳糖濃度對異構反應的影響Fig.2 The effect of lactose concenyration on is omrization

圖3 亞磷酸氫二鈉加量對異構反應的影響Fig.3 The effect of sodium phosphite quantity on is omrization

圖3實驗結果表明，亞磷酸氫二鈉添加質(zhì)量為乳糖質(zhì)量的1.5%時，得到異構混合液中乳果糖含量最高，達56.72%。異構劑加量過低時，乳糖異構不充分，乳果糖產(chǎn)率低；加量過多，異構液堿性增強，乳糖降解嚴重，并且生成的乳果糖也會有一定程度的降解，同樣會降低乳果糖的產(chǎn)率。

2.4 溫度對異構反應的影響

以亞磷酸氫二鈉為異構劑，選擇異構反應溫度為80、90、100、110、120℃進行實驗，乳糖濃度為 60%，亞磷酸氫二鈉的添加質(zhì)量為乳糖質(zhì)量的1.5%，反應3 h后取樣檢測混合物組成，實驗結果如圖4所示。

圖4 溫度對異構反應的影響Fig.4 The effect of temperature on is omrization

圖4實驗結果表明，異構反應溫度為110℃時，異構混合液中乳果糖含量最高。溫度過低，達不到異構所需溫度，溫度過高，無論是乳糖還是產(chǎn)物乳果糖都會有一定量的降解，也會影響乳果糖產(chǎn)率。

2.5 反應時間對異構反應的影響

以亞磷酸氫二鈉為異構劑，選擇異構反應時間為1、2、3、4、5 h 進行實驗，乳糖濃度為 60%，亞磷酸氫二鈉的添加質(zhì)量為乳糖質(zhì)量的1.5%，110℃反應后取樣檢測混合物組成，實驗結果如圖5所示。

圖5 反應時間異構反應的影響Fig.5 The effect of time on is omrization

圖5實驗結果表明，反應時間為3 h時，得到的糖漿中乳果糖含量最高。反應時間過短，乳糖的異構反應進行不完全，反應時間過長，乳糖及得到的乳果糖會發(fā)生降解，也得不到高含量的乳果糖。

2.6 正交試驗

結合單因素試驗，選擇了如表1所示的4個因素及3個水平進行試驗，并進行了正交試驗設計，正交試驗的設計及結果分析見表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的極差最大，所以B因素對結果的影響最大，它的3個水平對應的乳果糖含量平均值中，第三水平對應的平均值最大，所以第三水平最好。因素A的極差次于因素C，所以因素A對結果的影響次于因素C，它的三個水平中第二水平對應的乳果糖含量平均值最大，所以第二水平最好。C因素的極差最小，所以他對結果的影響最小，C因素的第三水平對應的乳果糖含量平均值最大，所以第三水平最好。綜上，各因素對結果影響的大小次序為B（異構劑加量），A（反應時間），D（反應溫度），C（乳糖濃度），最好方案為B3A2D2C3。方案B3A2D2C3不在上述實驗中，通過驗證，此方案得到的乳果糖含量為56.84%，優(yōu)于正交表中方案，所以乳糖異構為乳果糖的最佳條件為B3A2D2C3，即：異構劑加量為2.0%，反應時間為3 h，反應溫度為110℃，乳糖濃度為70%。

表2 正交設計及結果分析Table 2 Orthogonal design and results analysis

3 結論

首先通過異構劑篩選實驗，尋找到乳糖異構生產(chǎn)乳果糖的最佳異構劑為亞磷酸氫二鈉，然后以亞磷酸氫二鈉為異構劑，優(yōu)化得出乳糖異構生產(chǎn)乳果糖的最佳條件為：異構劑加量為2.0%，反應時間為3 h，反應溫度為110℃，乳糖濃度為70%，在此最佳條件下得到異構混合液中乳果糖含量為56.84%。

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[1]桂彪.腸道菌群與乳果糖研究新進展[J].實用老年醫(yī)學,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.乳果糖的制備、分離及純化的研究發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國科學院大連化學物理研究所,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