等电点-冷却结晶去除谷氨酸中的焦谷氨酸

冯旭东1,刘明明1,路 娟2,展 侠1

(1.北京工商大学食品学院,北京 100048;2.中国医学科学院药用植物研究所,北京 100193)

 

要:研究搅拌转速、育晶时间、调酸速率、冷却温度4个因素对降低谷氨酸结晶中焦谷氨酸含量的影响。在保证谷氨酸回收率的基础上,确定焦谷氨酸含量达到欧盟E621标准(≤0.2%),其最优结晶组合为搅拌转速150r/min、育晶时间30min、调酸速率3drops/min、冷却温度5℃。在上述实验中,焦谷氨酸的初始含量均小于1%。通过延长育晶时间至60min,可使初始焦谷氨酸含量为1.27%的谷氨酸,在结晶后,焦谷氨酸含量降至0.18%。

关键词:等电点-冷却结晶;谷氨酸;焦谷氨酸;正交试验

 

Removal of Pyroglutamic Acid from Glutamic Acid through Isoelectric Point Combined with Cooling Crystallization

 

Feng Xu-dong1,Liu Ming-ming1,Lu Juan2,Zhan Xia1

(1. School of Food Science and Technology, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China;

2. Institute of Medicinal Plant Development, Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100193, China)

 

Abstract:The stirring speed, crystallization time, acid-adjusting rate and cooling temperature could affect the removal of pyroglutamic acid (PCA) from glutamic acid. The optimal crystallization of PCA to ensure that the content of PCA can meet the standard of European Union E621 was explored. The recovery rate of glutamic acid was high. The optimal crystallization
conditions were determined as follows: stirring speed of 150 r/min, crystallization time of 30 min, acid-adjusting rate of 3 drops/min and temperature-cooling speed of 5 ℃. Under these conditions, the initial PCA content was below 1.0%. Through prolonging the crystallization time to 60 min, the final PCA content in glutamic acid could be reduced to 0.18% when the initial PCA content was 1.27%.

Key words:isoelectric point-cooling crystallization;glutamic acid;pyroglutamic acid;orthogonal array experiments

中图分类号:TS264.2;TQ922.1 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2013)20-0019-04

doi:10.7506/spkx1002-6630-201320004

我国是味精生产大国,2010年我国谷氨酸总产能已接近200万t,实际产量估计在150~160万t,约占世界谷氨酸总产量的2/3左右[1]。焦谷氨酸是味精生产过程中的副产物,是无效的物质,主要来源于谷氨酸生产、精制过程中,由于受到高温,谷氨酸分子内α碳原子上氨基与自身γ碳原子上羧基失去一个水分子从而缩合成一个呈环状的化合物[2]。反应方程式如图1所示。

428010.jpg 

图 1 焦谷氨酸的生成

Fig.1 Schematic diagram of isoelectric point-cooling crystallization

焦谷氨酸的存在会影响味精的质量[3]。首先,该物质没有鲜味,在味精中的存在会影响其产品质量;其次,到目前为止,对食用焦谷氨酸的安全性尚未定性,有文献[4]提到焦谷氨酸能使小白鼠致癌。小白鼠实验结果显示焦谷氨酸钠的口服毒性(急性)LD50为10.4g/kg,与NaCl、谷氨酸钠相近[5] 。有文献[6]报道,如果焦谷氨酸直接注射到小鼠大脑中,会产生神经毒性。基于此,欧盟规定味精中焦谷氨酸的含量应不大于0.2%。而我国的相关味精标准中并未对焦谷氨酸的含量做出限定,也未见有关从谷氨酸中分离焦谷氨酸的研究和报道。

研究表明:在等电点时,谷氨酸分子以两性离子形式存在,其分子净电荷为零(即正负电荷相等),此时谷氨酸分子在溶液中因没有相同电荷的相互排斥,分子相互之间的作用力减弱,其颗粒极易碰撞、凝聚而产生沉淀,故谷氨酸在等电点时溶解度最小,利用此原理可使谷氨酸得以分离[7-10]。谷氨酸溶于水时吸收热量,根据平衡移动原理,当温度升高时,平衡有利于向吸热的方向移动,所以谷氨酸的溶解度随温度的降低而逐渐下降,溶液逐渐从饱和态到达过饱和态直至不断析出谷氨酸晶体,而焦谷氨酸在水中的溶解度较大,会存留在母液中,因此可采用等电点和冷却结晶的方法在提取谷氨酸的同时达到去除焦谷氨酸的目的。影响谷氨酸结晶的因素较多[11-17],搅拌转速、调酸速率、冷却温度、育晶时间、氨基酸组成、表面活性剂、结晶环境等都对结晶产生影响,且以前4种因素对等电点-冷却结晶的影响为主。通过合理控制结晶因素水平可以使结晶得率及纯度达到最优。

本实验采用等电点-冷却结晶[18]从谷氨酸中分离焦谷氨酸,研究了转速、调酸速率、冷却温度、育晶时间对谷氨酸回收率和焦谷氨酸去除率的影响。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

某味精股份有限公司的谷氨酸结晶粗品,其中谷氨酸含量为92.76%,焦谷氨酸含量为谷氨酸含量的0.67%;焦谷氨酸(含量为99%) 阿拉丁试剂有限公司。

LC-10Avp Plus高效液相色谱仪 日本岛津公司;pH计 梅特勒-托利多仪器有限公司;数显直流调速搅拌器 郑州长城科工贸有限公司;数显电子恒温水浴锅 金坛市至翔科教仪器厂;玻璃夹套杯 北京科实玻璃仪器有限公司;蠕动泵 保定兰格恒流泵有限公司;电子天平 丹佛仪器公司;电热恒温干燥箱 江苏省南通县实验电器厂;超声波清洗器 上海之信仪器有限公司;循环水真空泵 上海亚荣生化仪器厂。

1.2 正交试验

由于必须在保证谷氨酸结晶收率的基础上控制焦谷氨酸的含量,因此本实验在选择焦谷氨酸的影响参数时,主要参考某味精企业生产的控制参数,如搅拌转速、调酸速率、冷却温度、育晶时间。在现有控制参数的基础上,对每个影响因素分别选择3个水平进行研究,设计了L9(34)正交试验,考察这些因素对谷氨酸回收率和焦谷氨酸含量的影响,以确定既能保证谷氨酸结晶收率又能控制焦谷氨酸含量的最佳工艺条件。四因素三水平试验见表1。

表 1 等电点-冷却结晶正交试验因素水平表

Table 1 Factors and levels used in orthogonal array design for the optimization of isoelectric point-cooling crystallization

水平

A转速/(r/min)

B冷却温度/℃

C调酸速率/(drops/min)

D育晶时间/min

1

100

5

2

15

2

150

10

3

20

3

200

15

4

30

 

 

使用谷氨酸结晶粗品及焦谷氨酸配制100mL初始谷氨酸质量浓度为10g/dL的溶液,溶液中含焦谷氨酸的总量为谷氨酸含量的0.97%,初始温度为(46±2)℃,采用氨水调pH5.0。将此100mL溶液转入预热的玻璃夹套杯中,按正交表进行各因素水平的控制。

1.3 结晶实验装置

428028.jpg 

图 2 等电点-冷却结晶实验装置图

Fig.2 Experimental device diagram of isoelectric point-cooling crystallization

结晶实验装置见图2,恒温水浴锅中的水通过蠕动泵的控制,对玻璃夹套杯中的谷氨酸溶液进行降温及保温作用,具有数显功能的搅拌器对搅拌转速进行控制,温度计和酸式滴定管分别进行温度测定及滴酸速率控制。

1.4 分析方法

采用岛津公司LC-10Avp Plus高效液相色谱仪,外标法测定等电点-冷却结晶产品中谷氨酸和焦谷氨酸的含量。经反复实验和比较不同类型的流动相[19-21],确定谷氨酸结晶产品中谷氨酸和焦谷氨酸的液相色谱分离条件如下:色谱柱Kromasil C18(200mm×4.60mm,5μm);流动相磷酸盐缓冲液(pH2.0)-甲醇(80:20,V/V);流速0.5mL/min;紫外检测波长212nm;进样量20μL。

利用流动相配制质量浓度分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0mg/mL谷氨酸标准溶液和0.5、1、2、3、5、10、15、20μg/mL焦谷氨酸标准溶液,用0.45μm滤器过滤后,采用高效液相色谱仪进行测试。标准曲线见表2。

表 2 谷氨酸和焦谷氨酸标准曲线

Table 2 Standard curves of glutamic acid and PCA

标准曲线名称

标准曲线公式

相关系数

谷氨酸

a=7.1b+0.073

0.9993

焦谷氨酸

c=6.5d-0.061

0.9994

 

注:a.谷氨酸质量浓度/(mg/mL);b.谷氨酸积分面积(×10-7);c.焦谷氨酸质量浓度/(μg/mL);d.焦谷氨酸积分面积(×10-5)。

 

2 结果与分析

2.1 谷氨酸回收率和焦谷氨酸含量的L9(34)正交试验分析

使用谷氨酸结晶粗品配制100mL初始质量浓度为10g/dL的谷氨酸溶液,并添加0.03g的焦谷氨酸。此时,溶液中含焦谷氨酸的总量为谷氨酸含量的0.97%,进行L9(34)正交试验。通过滴加浓硫酸,调节pH值至3.2~3.3,分别以谷氨酸回收率和焦谷氨酸含量为目标,采用极差法对试验结果进行分析,试验结果见表3。

表 3 等电点-冷却结晶正交试验设计及结果

Table 3 Orthogonal array design and results for the optimization of isoelectric point-cooling crystallization

试验号

A

B

C

D

谷氨酸回收率/%

焦谷氨酸含量/%

1

1

1

1

1

88.9

0.44

2

1

2

2

2

90.5

0.47

3

1

3

3

3

96.4

0.47

4

2

1

2

3

100.0

0.11

5

2

2

3

1

95.1

0.52

6

2

3

1

2

95.4

0.41

7

3

1

3

2

91.3

0.44

8

3

2

1

3

95.8

0.38

9

3

3

2

1

98.8

0.45

谷氨酸

k1

91.9

93.4

93.4

94.3

 

 

k2

96.8

93.8

96.4

92.4

 

 

k3

95.3

96.9

94.3

97.4

 

 

极差

4.90

3.47

3.07

5.00

 

 

最优水平

A2

B3

C2

D3

 

 

焦谷

氨酸

k1

0.46

0.33

0.41

0.47

 

 

k2

0.35

0.46

0.34

0.44

 

 

k3

0.42

0.44

0.48

0.32

 

 

极差

0.113

0.127

0.134

0.150

 

 

最优水平

A2

B1

C2

D3

 

 

 

 

由表3可知,在考虑谷氨酸回收率时,最优组合为A2B3C2D3,根据极差水平分析,DABC,即育晶时间的影响最大,其次为转速,根据极差数值可知,二者对谷氨酸收率的影响相差不大;调酸速率的影响最小。在考虑焦谷氨酸含量指标的情况下,最优组合为A2B1C2D3,育晶时间的影响最大,其次分别是调酸速率、冷却温度、搅拌转速。结合极差结果,可以知道,育晶时间对两指标影响都为最大,是关键影响因素。并且只有A2B1C2D3组合中结晶产品中焦谷氨酸的含量为0.11%满足欧盟E621标准味精中焦谷氨酸的含量不大于0.2%的规定。由此可知,最优的结晶组合为转速150r/min、育晶时间30min、调酸速率3drops/min、冷却温度5℃。

2.2 不同焦谷氨酸添加量去除率实验

在最优结晶组合基础上考察不同焦谷氨酸添加量条件下结晶产品中谷氨酸回收率、焦谷氨酸含量及其去除率,结果见表4。

表 4 结晶产品中谷氨酸回收率、焦谷氨酸含量

Table 4 Glumatic acid recovery rate and PCA content in crystallization products

焦谷氨酸添加量/%

谷氨酸回收率/%

焦谷氨酸含量/%

焦谷氨酸去除率/%

0.3

98.4

0.15

84.5

0.4

95.7

0.20

80.9

0.5

99.7

0.25

79.0

0.6

100

0.27

78.9

 

 

表4表明,随着焦谷氨酸添加量的不断增加,结晶产品中焦谷氨酸含量也相对有所增加,0.5%和0.6%焦谷氨酸添加量的结晶产品谷氨酸回收率略高于0.3%和0.4%焦谷氨酸添加量的结晶产品,但只有0.3%和0.4%焦谷氨酸添加量的结晶产品中焦谷氨酸含量达到欧盟E621标准,0.5%和0.6%焦谷氨酸添加量的结晶产品中焦谷氨酸去除率都低于前两者,且焦谷氨酸含量都超过0.2%。结果表明,焦谷氨酸并非以母液夹带的形式随机存在于谷氨酸结晶中,而是在谷氨酸结晶和母液之间存在一定的分配;若在最优结晶组合的基础上进行等电点-冷却结晶,结晶初始谷氨酸溶液中焦谷氨酸含量不得超过1.0%。这就要求,在谷氨酸生产过程中,要保证产品质量,必须对母液中的焦谷氨酸含量进行控制。

2.3 改变结晶最优组合实验

因正交试验中育晶时间对谷氨酸回收率和焦谷氨酸含量两指标影响都为最大,在初始焦谷氨酸添加量为0.5%和0.6%的前提下延长育晶时间至60min。结晶产品中谷氨酸回收率和焦谷氨酸含量见表5。

表 5 结晶产品中谷氨酸回收率、焦谷氨酸含量及其去除率

(育晶时间60min)

Table 5 Glumatic acid recovery rate and PCA content in

crystallization products (60 min)

焦谷氨酸添加量/%

谷氨酸回收率/%

焦谷氨酸含量/%

焦谷氨酸去除率/%

0.5

101

0.14

87.8

0.6

102

0.18

85.9

 

 

表5表明,对于0.5%和0.6%焦谷氨酸添加量的谷氨酸溶液,在最优结晶组合下不能满足焦谷氨酸含量要求时,通过延长育晶时间至60min,谷氨酸晶体中焦谷氨酸含量分别为0.14%和0.18%,达到欧盟E621标准。

3 结 论

3.1 采用正交试验,确定出使得结晶产品中焦谷氨酸含量低于0.2%的最优结晶组合为转速150r/min、育晶时间30min、调酸速率3drops/min、冷却温度5℃。育晶时间对产品中焦谷氨酸含量和谷氨酸回收率的影响都为最大。

3.2 确定出最优结晶组合下结晶产品中焦谷氨酸含量低于0.2%的谷氨酸溶液中焦谷氨酸最大初始含量为1.0%。

3.3 通过延长育晶时间,可以降低产品谷氨酸中的焦谷氨酸初始含量。

3.4 因实验是在参考某味精企业生产控制参数的基础上进行的,且实验所用初始结晶粗品均来自实际味精企业,故实验所得结晶最优条件对实际味精企业中谷氨酸结晶环节具有重要参考价值。

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收稿日期:2013-09-10

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAK17B11)

作者简介:冯旭东(1971—),男,副教授,博士,研究方向为水处理技术及化工分离。E-mail: fengxd10@163.com