引用本文:刘硕，刘鲁杰，王永红，等. 响应面法优化N-乙酰氨基葡萄糖发酵液精制纯化工艺[J]. 化学试剂，2023，45（7）：1-9.DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0176
N-乙酰氨基葡萄糖（NAG）是生物体内的一种含氮单糖，广泛存在于细菌、植物和动物体内，是甲壳素的结构单元，NAG具有消炎、抗肿瘤和抗氧化等多种生物活性，被广泛应用于食品、医药、材料、农业等多个领域。通过微生物发酵将葡萄糖等生物质稳定高效地转化为NAG及其衍生物是氨糖产品目前主流的工业化生产方式。但发酵过程中产生的发酵液组成复杂，关键杂质不明确，现有纯化和精制工艺尚不能解决制约产品纯度和品质的难题。因此针对实际工业生产的发酵液，开发适用于NAG分离纯化的新工艺，发现并鉴定出影响产品品质的关键杂质，降低企业的产品损失与母液处理量具有重大的经济与社会意义。
1. 针对实际工业生产的发酵液，开发了适用于发酵液中NAG分离纯化的新工艺，筛选出关键分离介质并优化了分离工艺；
2.测定了分离介质的再生性能并获得了可应用于实践的脱盐率、脱色率和NAG回收率的回归方程；
3.确定了影响产品品质的关键杂质，提高了NAG纯度与结晶率并减少母液量，降低了企业的产品损失并解决了部分废液处理问题。
1.1 主要仪器与试剂
1.2 实验方法
1.2.1 发酵液的预处理
NAG发酵液由山东润德生物科技有限公司提供，通过超滤膜除去发酵液中的蛋白质，收集超滤膜透过液作为预处理发酵液，将超滤膜透过液中NAG浓度稀释至20 mg/mL作为树脂精制纯化的初始原料。1.2.2 树脂的预处理
将干树脂置于饱和NaCl溶液中溶胀24 h并用去离子水洗净，阳离子交换树脂先用3%NaOH溶液清洗3 h，树脂用去离子水洗净后，再用5%HCl溶液清洗6 h，最后用去离子水洗至树脂流出液为中性。2.1 预处理发酵液成分分析
采用超滤膜对NAG发酵液进行预处理，收集超滤膜透过液并以NAG、蛋白质含量、电导率、OD420为检测指标进行测定，结果如表1所示。
2.2 树脂筛选结果
如图1与图2所示，对比不同型号树脂对发酵液脱盐率与脱色率的影响，发现弱酸性阳离子交换树脂DS-1对发酵液的脱盐效果最佳，强碱性阴离子交换树脂HS-3对发酵液的脱色效果最佳，因此，选择DS-1树脂与HS-3树脂对发酵液进行精制纯化。
图1 不同树脂脱盐效果对比
图2 不同树脂脱色效果对比
2.3 单因素实验结果
2.3.1 阴阳离子交换树脂体积比对发酵液精制纯化效果影响
阴阳离子交换树脂体积比对发酵液精制纯化效果的影响如图3所示。
图3 阴阳离子交换树脂体积比对发酵液精制纯化效果影响
2.4 响应面优化精制纯化工艺
根据单因素实验结果，选择阴阳离子交换树脂体积比、上样浓度、温度为实验因素，进行三因素三水平的响应面分析实验，将温度、上样浓度、阴阳离子交换树脂体积比分别固定，发酵液脱盐率随其余2个参数变化的响应面图与等高线图如图4所示。
a、b分别为 上样浓度、阴阳离子交换树脂体积比的响应面图和等高线图；c、d分别为 温度、阴阳离子交换树脂体积比的响应面图和等高线图；e、f分别为 温度、上样浓度的响应面图和等高线图针对复杂的NAG发酵液体系，本文开发了适用于NAG精制纯化的新工艺。筛选了由DS-1树脂与HS-3树脂组成的适用于NAG发酵液精制纯化的树脂组合，在单因素实验的基础上，通过对阴阳离子交换树脂体积比、上样浓度、温度进行响应面分析实验，得到NAG发酵液精制纯化的最佳条件为阴阳离子交换树脂体积比0.35:1、上样浓度65 mg/mL、温度41 ℃，此时发酵液脱盐率为96.9%，脱色率79.5%，NAG回收率84.5%，NAG结晶纯度可达99.8%。通过对比纯化前后发酵液的各项指标变化与NAG晶体品质可以看出，精制纯化新工艺可有效去除无机盐与色素杂质，提高NAG纯度与结晶率并减少母液量。
