酶法常壓水解輔助離子交換技術從脫脂米糠中提取肌醇

肇立春，朱旭東，劉 婷，劉 娣，范怡蒙

（1.沈陽師范大學 糧食學院，沈陽 110034；2.遼寧省糧油檢驗監(jiān)測所，沈陽 110000）

0 引 言

肌醇是飽和環(huán)狀多元醇，即六羥基環(huán)己烷，具有類似維生素B1和維生素H的作用，是人類和動物維持正常生理功能不可缺少的低分子有機物。近年來，肌醇在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、飼料工業(yè)等領域的應用日趨廣泛。食品工業(yè)中肌醇常作為營養(yǎng)強化劑。人體每天對肌醇需求量是l～2g，許多保健飲料和兒童食品中都添加有微量肌醇。醫(yī)藥工業(yè)中肌醇主要用于治療肝硬化、脂肪肝、血管硬化、血液中膽固醇過高、四氯化碳中毒癥等疾病，同時肌醇具有促進細胞生長和防止老化的醫(yī)療作用［1］。

中國和日本是世界上兩大肌醇生產國，中國始終占有原料優(yōu)勢，日本占盡技術優(yōu)勢。目前日本生產廠少但規(guī)模較大、工藝先進、產率高，肌醇得率接近13.5%，其技術封鎖嚴重；我國有30多個生產廠，但規(guī)模較小、工藝落后、產率不足10%。因此，加強肌醇生產反應的機理研究，改進生產技術，實施資金密集、技術密集的集約化經營，提升肌醇的產率是第一要素。在傳統(tǒng)工藝研究的基礎上，采用酶法輔助植酸鹽常壓水解替代高壓水解，離子交換技術替代沉淀法提取肌醇，取得了初步的成效，與老工藝沉淀法平行試驗，肌醇產率從7%提高到了13%左右。

1 實驗內容

1.1 儀器材料

高壓反應鍋，層析柱（φ150mm×1 000mm），D318陰離子交換樹脂，732陽離子交換樹脂，701陰離子交換樹脂，LC－10A高效液相色譜儀，SCL－10A紫外可見檢測器，AlltimaC18色譜柱，CR7A數(shù)據處理儀，Q－100型超聲清洗儀（江蘇）。工業(yè)鹽酸，乙氰（色譜級），二乙二醇醚（分析純），植酸酶、磷酸酯酶、肌醇（藥用），脫脂米糠（遼寧中稻）。

1.2 實驗方法

1.2.1 植酸鹽的制備

取脫脂米糠放入燒杯中；向脫脂米糠中加入8倍量的蒸餾水，攪拌均勻放入微波反應儀中，輻射溫度40℃、輻射功率200W、輻射時間（液體）40min，取出后加入200mL稀鹽酸和0.2g尿素攪拌浸提。將此浸提液以一定的流速通過D318陰離子交換樹脂，再用水洗滌樹脂直至流出液澄清。然后用堿溶液通過陰離子交換樹脂洗脫吸附在樹脂上的植酸。將流出液（植酸鹽溶液）濃縮至濃度為15%～18%（以植酸計）后備用。

1.2.2 植酸鹽的水解

植酸鹽水解是肌醇提取的關鍵環(huán)節(jié)。為了縮短生產周期，提高水解率，在實驗中改原來的高壓水解為植酸酶催化常壓水解［2］，收到了較好的效果。

1.2.3 肌醇的精制

將上述水解液以一定的流速依次通過701和732陰、陽離子交換樹脂，除掉溶液中的各種鹽類和色素［3］。此操作重復至溶液中的陰、陽離子濃度達到規(guī)定的要求。之后將流出液濃縮，濃縮終點是溶液比重為1.290，再冷卻結晶，離心分離后得到精制肌醇。

2 結果與分析

2.1 工藝確定

米糠中肌醇是以植酸鈣復鹽存在的，在酸性條件下水解出來。傳統(tǒng)的工藝是將米糠酸浸液加堿沉淀后制備菲汀，然后水解菲汀制備肌醇［4］；而改用離子交換技術處理浸提液時，植酸根離子被交換在樹脂上，用堿性溶液洗脫后，植酸根便與堿成鹽從而被洗脫下來。一般使用燒堿，生成可溶性的植酸鈉，利于后續(xù)工段操作，水解也易行。工藝路線如下：

米糠→微波浸提→過濾→離子交換→洗脫→濃縮→水解→過濾→離子交換→濃縮→冷卻結晶→過濾→干燥→成品

研究表明，在菲汀制備與植酸鹽水解液除雜工段采用離子交換技術替代中和反應，有以下優(yōu)點：1）由于減少了菲汀沉淀工序、磷酸與磷酸酸式鹽沉淀反應以及可溶性植酸鹽水解速度快等因素，縮短了生產周期，減低成本；2）因不使用石灰與堿土金屬碳酸鹽等堿性物質，避免了沉淀法中上述物質殘留于肌醇中，提高了肌醇的純度；3）避免了沉淀法米糠中蛋白質與糖類會在酸浸時部分來到溶液中，沉淀反應后也會混于菲汀中，使肌醇的純度和收率受影響的問題；4）植酸鹽水解液采用離子交換技術處理，能有效的除掉各種陰、陽雜質離子，純化肌醇溶液，簡化結晶后的精制工序。

2.2 洗脫劑的選擇

2.2.1 洗脫劑的種類

前面酸浸液經過離子交換后，植酸以植酸根的形式吸附在樹脂柱上。洗脫時，通常采用NaOH、KOH、NH3·H2O等堿性溶液或NaCl、KCl、NH4Cl等鹽溶液，實驗中試用了4種洗脫劑，濃度均為5%，以2mL／min的流速洗脫，實驗結果如表1。

表1 洗脫劑對植酸鈉收率的影響（n＝4）

表1中可以看出，使用各種洗脫劑，植酸的收率均在97%以上，蛋白質與淀粉的殘留也都比較小。由于使用鹽溶液會帶來新的陰離子，影響后面陰離子樹脂的交換能力，綜合考慮以使用NaOH做洗脫劑為好。

2.2.2 洗脫劑流速

洗脫劑通過離子交換柱的速度對洗脫效果影響較大。筆者試驗了流速分別為1、2、3、4、5、6mL／min的洗脫效果。結果證明，流速大了洗脫效果明顯降低，必須要給洗脫劑和植酸根離子足夠的時間接觸，方能保證效果。從洗脫率與流速的對應關系圖1中可以看出，流速以2mL／min為宜。

2.2.3 洗脫劑的濃度

確定了洗脫劑的種類與流速之后，對洗脫劑的濃度實驗了3%，4%，5%，6%的NaOH溶液進行解吸，流速確定在2mL／min，洗脫結果見圖2。

圖1 洗脫液流速與洗脫率的關系

圖2 洗脫液濃度對洗脫效果的影響

5%與6%NaOH溶液相比，在相同的體積下達到洗脫平衡，但使用的量較6%NaOH溶液少，3%和4%的NaOH溶液最終達到洗脫平衡時的量同5%的NaOH溶液相差不大，但是所用時間長，降低了洗脫效率。綜合考慮，選擇濃度為5%NaOH溶液作為洗脫濃度。

2.3 植酸鹽的水解

用無花果曲霉的發(fā)酵液40mL（植酸酶活性5.7μ／mL、磷酸酯酶活性0.533μ／mL）水解植酸，將pH調至5.5，在55℃［5］時發(fā)現(xiàn)，肌醇對植酸的轉化率為10.3%（關于酶的激活，增加酶活性以提高肌醇的轉化率問題將在項目的后續(xù)研究中予以報告）。水解液過濾除去大量鹽類備用。

2.4 水解液的處理

按照常規(guī)的工藝，水解后采用中和沉淀過濾的方法，除去磷酸及磷酸鹽。然后再脫色濃縮結晶與重結晶。此法得到的肌醇后面的精制較繁瑣，需要除掉各種雜質與色素，且得率低［6］。而采用離子交換樹脂處理水解液，通過陰、陽離子交換樹脂，可以除掉各種雜質離子和色素，簡化精制工序，提高得率。實驗中將兩種方法制得的肌醇的各項參數(shù)做了對比（見表2），肌醇的色譜圖見圖3和圖4。

表2 離子交換法與沉淀法制得肌醇指標比較

圖3 肌醇標樣高效液相色譜圖

圖4 肌醇產品高效液相色譜圖（離子交換法）

從表1中可以看出，采用離子交換樹脂法，肌醇的收率遠遠高于沉淀法，總的收率相當于脫脂米糠的13%以上，對比沉淀法的不足10%有了較大的突破。且其熔點、純度、離子含量等各項指標均達到藥典要求。

3 結 論

采用微波輔助浸提法提取菲汀，D318陰離子交換樹脂吸附植酸，弱堿溶液洗脫植酸，植酸鹽的常壓酶法水解［7］，732陽離子與701陰離子交換樹脂進行脫色與除雜（各種離子），再行簡單的結晶與精制［8］，得到的肌醇產品質量達標，收率較常規(guī)工藝顯著提升，達到了預期的效果。

實驗表明，離子交換樹脂技術的引入是提升肌醇收率的有效方法，微波輔助浸提［9］是縮短生產周期的主要措施。后續(xù)研究還需對酶法催化水解的工藝進行進一步探討，從輔助縮短周期與提高水解率［10］的角度進行有效地研究。

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