高纯度莱鲍迪苷A的制备和甜菊苷的酶法改性研究

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甜菊糖苷是从菊科植物甜叶菊(Stevia rebaudiana Bertoni)中提取分离的非营养性高倍甜味剂,主要成分为甜菊苷(S)和莱鲍迪苷A(RA)。联合国粮农组织和世界卫生组织联合食品添加剂专家委员会(JECFA)第73次会议批准纯度不低于95%的甜菊糖苷可作为甜味剂使用。目前,市售普通甜菊糖苷产品存在余味绵延、后苦味重等不足,其应用受到限制。S是余味和后苦味的主要成分。RA在甜度、理化性质等方面优于其他甜菊糖苷,而且口感接近蔗糖,是蔗糖的极佳替代品。目前主要用重结晶法来纯化RA,用环糊精葡萄糖基转移酶对S进行修饰来改善口感。重结晶法存在能耗高、有机溶剂大量使用、耗时长,以及酶法修饰产物组成复杂等问题,致使产品品质和成本远未达到令人满意的程度。本研究旨在制备甜菊糖苷分离纯化专用树脂,采用树脂法分离技术和工艺,获得高纯度RA,并通过酶转化体系改性S,改善其口感。首先,采用间氨基苯硼酸改性羧基树脂D151,得到了D151M树脂,并建立了树脂柱色谱法分离RA和S的工艺。结果表明:pH7.0时,D151M对RA和S的选择性因数为1.68,比D151的提高了20.9%。将D151M填装径长比1:80的色谱柱,柱温318.15K,纯水洗脱,流速0.15BV/h,收集RA和S的洗脱峰,RA和S纯度分别为96.3%、96.0%,回收率分别为86.1%、89.9%。RA和S在D151M上的吸附过程均符合准二级动力学模型,粒内扩散不是吸附过程唯一的速率控制步骤。RA和S在D151M上的等温吸附需采用Dubinin-Radushkevich模型描述,不同于RA和S在D151上的等温吸附(符合Freundlich模型)。RA和S在D151M上吸附的吉布斯自由能变、焓变和熵变均为负值,表明其吸附为自发进行的放热过程。RA和S在D151M上的吸附活化能分别为47.554、15.896kJ/mol。采用苯硼酸基团修饰方法提升大孔树脂对RA和S的吸附选择性。研究发现,pH7.0时,带有伯氨基的D392树脂对RA和S的选择性因数为2.32,对RA的吸附容量为26.4mg/g,对S的吸附容量为39.2mg/g,解吸相对容易,20%乙醇就能很好地解吸。为此,采用对甲酰基苯硼酸改性D392树脂,得到D392M。苯硼酸基含量1470μmol/g、氨基含量3330μmol/g的D392M,其选择性因数达到3.06,对RA和S的吸附容量均高于D392。RA和S在D392和D392M上的吸附过程均符合准二级动力学模型,吸附过程受到粒内扩散和液膜扩散的共同控制。RA和S在D392和D392M上的等温吸附同时符合Freundlich等温方程和Langmuir等温方程。RA和S在D392和D392M上的吸附均是自发进行的放热过程。熵变为正值,表明吸附质分子吸附到树脂表面后,体系混乱度增加。建立了从甜叶菊水提液中提取纯化RA的三步树脂法工艺。第一步为水提液的脱色除杂。结果表明:J-1树脂对水提液中的色素和其他杂质具有选择性吸附能力,柱温308.15K,水提液0.2BV/h过J-1树脂柱,甜菊糖苷的纯度由原来的42.6%提高到67.3%,收率为84.9%。第二步为水提液中甜菊糖苷的提纯。结果表明:柱温298.15K,脱色除杂后的水提液经J-3树脂柱处理,甜菊糖苷纯度提高到92.9%,收率91.1%。第三步为RA的纯化。结果表明:初始浓度为4mg/mL甜菊糖苷水溶液采用D392M静态法处理,树脂添加量为0.7g/20mL水溶液时,吸附液中RA纯度升高到92.2%,RA保留率为46.1%。初始浓度为4mg/mL甜菊糖苷水溶液采用D392M动态法处理,柱温298.15K,通液流量1.0BV/h,可收集8.2BV RA纯度为90%的过柱液。进一步开展了利用分子印迹技术制备分子印迹聚合物,并利用制备得到的分子印迹聚合物直接从甜叶菊水提液中提取纯化RA的研究。以RA为模板分子,甲基丙烯酸二乙氨基乙酯为功能单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,合成了对RA具有识别性能的分子印迹聚合物。分子印迹聚合物对RA的印迹效率为2.74。Scatchard模型分析表明,该分子印迹聚合物在识别RA的过程中存在两类结合位点,高亲和位点的离解常数为0.055μmol/mL,最大表观结合量为111.6μmol/g,低亲和位点的离解常数为1.173μmol/mL,最大表观结合量为304.1μmol/g。将RA分子印迹聚合物填装固相萃取柱,并用于甜叶菊提取液中的RA的提取纯化,可得到纯度为90.6%的RA,回收率为87.5%。最后,研究了酶转化体系对S的改性。结果表明:高峰淀粉酶催化S的糖基化,S转化率达到50.2%,采用液质联用仪可检测出6个转化产物,分别为连接了1~4个葡萄糖基的S衍生物,其中单葡萄糖基-甜菊苷为主要转化产物,占总产物的62.9%;此外,经高峰淀粉酶催化,RA也能发生糖基化修饰,共生成3种连接了1~3个葡萄糖基的衍生物。Bacillus amyloliquefaciens来源α-淀粉酶BAN480L改性S,S转化率为38.3%,可检测出5个产物,分别为连接了1~3个葡萄糖基的衍生物,其中单葡萄糖基-甜菊苷为主要转化产物,占总产物的85.0%。在BAN480L作用下,RA几乎不发生转化。感官评定结果表明,改性后的甜菊糖苷产品,甜度显著增加,后苦味显著降低,整体可接受性显著提升,而且BAN480L改性甜菊苷产品的后苦味阈值浓度显著高于高峰淀粉酶改性的甜菊苷产品的后苦味阈值浓度。
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