食品生物技术中的发酵产物精制方法

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：在获得发酵产物的粗产品后，需要进一步精制以提高产品的质量与应用价值。常用的精制方法有色谱分离、结晶以及干燥等。其中，适用于大规模生物分子分离纯化的主要色谱方法见表6-10。过饱和程度通常用过饱和溶液的浓度与饱和溶液浓度之比来表示，称为过饱和率。因此结晶必须控制在介稳区中进行。晶种起晶法是一个普遍被采用的方法。（三）干燥技术干燥是发酵产品提取与精制过程中最后的操作单元。

在获得发酵产物的粗产品后，需要进一步精制以提高产品的质量与应用价值。常用的精制方法有色谱分离、结晶以及干燥等。

（一）色谱分离技术

色谱分离是一种物理分离方法，是依据混合物中各组分在互不相溶的两相中分配系数、吸附能力或其他亲和作用性能的差异进行分离的方法。用高灵敏度的检测器，将要分离组分的浓度变化转化为电信号（电压或电流），然后通过记录仪绘制成色谱图，最后根据色谱图中各个色谱峰的峰高或峰面积得出各组分的含量。

1.色谱的基本原理

色谱是利用物质在两相中分配系数的差异来进行分离的，当两相相对移动时，被测物质在两相之间反复多次分配，原来微小的分配差异即会产生很大的效果，从而实现样品中各组分的分离。其中，分配系数的差异可以是物质在溶解度、吸附能力、立体化学特性、分子的大小、带点情况、离子交换、亲和力的大小及特异的生物学反应等方面的差异。

色谱的主要装置有泵、进样器、色谱柱、检测器、记录仪等，见图6-3。将样品输送到色谱柱和检测器，通过色谱柱将混合样品的复杂组分分离成单一组分；然后检测器把浓度或质量信号转化为电信号，或者把组分信号转变为光信号，然后再转变为电信号；最后由记录检测器输出电压信号，进行样品组分的定量与定性分析。

与其他分离纯化方法相比，色谱分离具有以下特点：分离效率高、应用范围广、选择性强、在线检测灵敏度高、分离快速、易于实现过程控制和自动化操作。

图6-3　色谱的主要装置

2.色谱的分类

色谱技术根据不同的分类方法有着不同的分类体系。按照分离相和固定相的状态，色谱技术可分为液相色谱法、液固色谱法、液液色谱法、气相色谱法、气固色谱法、气液色谱法；根据固定相的几何形状，色谱技术可分为柱色谱法、纸色谱法和薄层色谱法等；按照分离操作方式可分为间歇色谱和连续色谱；按照分离原理或者物理化学性质的不同，色谱法又可分为吸附色谱法、分配色谱法、离子交换色谱法、尺寸排阻色谱法和亲和色谱法，其中吸附色谱、离子交换色谱和亲和色谱在我国目前工业生产中应用广泛。

气相色谱主要用于挥发性成分的分析，在生物产品的分离纯化中主要采用的是液相色谱。液相色谱分离的主要特点：分离效率高、选择性好，适用于多种多元组分复杂混合物的分离；应用范围从无机物到有机物，从天然物质到合成产物，从小分子到大分子，从一般化合物到生物活性物质等，几乎包括了所有类型的物质。其中，适用于大规模生物分子分离纯化的主要色谱方法见表6-10。

表6-10　适用于大规模生物分子分离纯化的主要色谱方法

（二）结晶技术

工业结晶技术是一种高效、低能耗、低污染，并能控制固体特定物理形态的分离纯化技术，是发酵工业生产过程中重要的单元操作之一，现已广泛应用于抗生素、氨基酸、有机酸等发酵产品的精制过程。

1.结晶的基本原理

结晶是使溶质呈晶态从溶液中析出的过程。晶体为化学性均一的固体，具有一定规则的晶形，特征为以分子（或离子、原子）在空间晶格的结点上进行对称排列。按照结晶化学的理论，晶体具有以下特性：①在宏观上具有连续性、均匀性，一个晶体由许多性质相同的单位粒子有规律地排列而成；②具有方向性或向量性，区别一个物质是晶态或非晶态，最主要的特点在于晶体的许多性质（如电学性质和光学性质）在晶体同一方向上相同；③具有晶体各向异性，即在晶体的不同方向上具有相异性质，一切晶体均具有各向异性；④晶体还具有对称性。因此，晶体可定义为许多性质相同的粒子（包括原子、离子、分子）在空间有规律地排列成格子状的固体。每个格子常称为晶胞，每个晶胞中所含原子或分子数可依据测量计算求出。

为了进行结晶，必须使溶液达到过饱和后，过量的溶质才会以固体态结晶出来。晶体的产生最初形成极细小的晶核，然后晶核再成长为一定大小形状的晶体，溶质浓度达到饱和浓度时，溶质的溶解度与结晶速度相等，尚不能使晶体析出。当浓度超过饱和浓度达到一定的过饱和程度时才可能析出晶体。过饱和程度通常用过饱和溶液的浓度与饱和溶液浓度之比来表示，称为过饱和率。因此，结晶的全过程应包括形成过饱和溶液、晶核形成和晶体生长等三个阶段。

溶液达到过饱和是结晶的前提。溶解度和温度的关系可用饱和曲线表示，开始有晶核形成的过饱和浓度和温度的关系用过饱和曲线表示（见图6-4）。饱和曲线和过饱和曲线根据实验大体相互平行。可以把温度-浓度图分成三个区域：①稳定区，不饱和状态，不会发生结晶；②不稳定区，过饱和状态，结晶能自动进行；③介稳区，饱和状态，介于稳定区和不稳定区之间。结晶不能自动进行，但如果加入晶体，则能诱导产生结晶，这种加入的晶体称为晶种。也可以采用其他方法诱导结晶形成。在介稳区主要是晶体长大，在不稳定区（过饱和区），主要是新晶核形成。因此结晶必须控制在介稳区中进行。

图6-4　饱和曲线与过饱和曲线

2.结晶的方法

结晶的首要条件是使溶液达到过饱和状态，制备过饱和溶液一般有4种方法：①将热饱和溶液冷却，此法适用于溶液溶解度随温度降低而显著减少的情况；②将部分溶剂蒸发，使溶液中溶剂减少，就会使溶液浓度升高直至过饱和溶液，是工业上用得较多的一种方法；③化学反应结晶，加入反应剂或调节pH产生新物质，当其浓度超过溶解度时，就有结晶析出；④盐析结晶，加一种物质于溶液中，以使溶质的溶解度降低，形成过饱和溶液而结晶的方法称为盐析法。这种物质可以是另一种溶剂或能溶于溶液中的另一种溶质。加入的溶剂必须和原溶剂能互溶。(www.chuimin.cn)

当溶液浓度达到某种过饱和程度时，致使溶质分子能互相吸引自然聚合形成微小的颗粒，这就是晶核。外界因素也可以促进晶核的形成，称为起晶。根据是否达到不稳区的操作条件，工业结晶有三种不同的起晶方法：①自然起晶法，在一定温度下使溶液浓缩进入不稳定区析出晶核，这是一种古老的起晶方法；②刺激起晶法，将溶液浓缩至介稳区，再加以冷却而至不稳定区，从而生成一定量的晶核；③晶种起晶法，将溶液蒸发或冷却到介稳区的较低浓度，加入一定量和一定大小的晶种，使溶液中的过饱和溶质在所加的晶种表面上长大。晶种起晶法是一个普遍被采用的方法。

（三）干燥技术

干燥是发酵产品提取与精制过程中最后的操作单元。干燥的主要目的是：除去发酵产品中水分，使发酵产品能够长期保存而不变质；同时减少发酵产品的体积和质量，便于包装和运输。对于具有生理活性的、食用的和药用的发酵产品，如酶制剂、抗生素和维生素等，在干燥过程中应注意保存其活性、药效和营养价值。

1.干燥的基本原理

干燥是将潮湿的固体、半固体或浓缩液中的水分（或溶剂）蒸发除去的过程。根据水分在固体中的分布情况，可分为表面水分、毛细管水分和膜包围的水分等三种。表面水分又称自由水分，它不与物料结合而是附着于固体表面，蒸发时完全暴露于外界空气中，干燥最快、最均匀。毛细管水分是一种结合水分，如化学结合水和吸附结合水，存在于固体极细孔隙的毛细管中，水分子逸出比较困难，蒸发时间长并需较高温度。膜包围的水分，如细胞中被细胞质膜包围的水分，需经缓慢扩散于胞外才能蒸发，最难除去。

干燥过程的实质是在不沸腾的状态下用加热汽化方法驱除湿材料中所含液体（水分）的过程。这个过程既受传热规律的影响，又受水分性质、物料与水分结合的特性、水气运动和转化规律的影响。当热空气流过固体材料表面时，传热与传质过程同时进行。空气将热量传给物料，物料表面的水分汽化进入空气中。由于空气与物料表面的温度相差很大，传热速率很快；又由于物料表面水分的蒸气压大大超过热空气中的水蒸气分压，故水分汽化的速率也很快。以后由于内部扩散速率减慢，微粒表面被蒸干，蒸发面向物料内部推移，一直进行到干燥过程结束。由此可见，干燥过程是传热与传质同时进行的过程。

2.常规干燥方法

目前，工业发酵生产较常用的干燥方法有3种：对流加热干燥法、接触加热干燥法和冷冻升华干燥法。

（1）对流加热干燥法　是指热能以对流给热的方式由热干燥介质（通常是热空气）传给湿物料，使物料中的水分汽化，物料内部的水分以气态或液态形式扩散至物料表面，然后汽化的蒸汽从表面扩散至干燥介质主体，再由介质带走的干燥过程。对流干燥过程中，传热和传质同时发生。干燥过程必需的热量，由气体干燥介质传送，它起热载体和介质的作用，将水分从物料上转入到周围介质中。

对流加热干燥法在工业发酵中获得广泛应用，常用的有气流干燥、沸腾干燥和喷雾干燥等。应用设备主要有转筒干燥器、洞道式干燥器、气流干燥器、空气喷射干燥器、喷雾干燥器和沸腾床干燥器等。燥器、空气喷射干燥器、喷雾干燥器和沸腾床干燥器等。

（2）接触加热干燥法　又称为加热面传热干燥法，即用某种加热面与物料直接接触，热量通过加热的表面（金属方板、辊子）的导热性传给需干燥的湿物料，使其中的水分汽化，然后，所产生的蒸汽被干燥介质带走，或用真空泵抽走的干燥过程。根据这一方法建立的，并用于微生物合成产品干燥的干燥器有单滚筒和双滚筒干燥器、厢式干燥器、耙式干燥器、真空冷冻干燥器等。该法热能利用较高，但与传热壁面接触的物料在干燥时，如接触面温度较高，易局部过热而变质。

（3）冷冻升华干燥法　是将被干燥物料冷冻成固体，在低温减压条件下利用冰的升华性能，使物料低温脱水而达到干燥目的的一种方法。冷冻升华干燥法是先将物料冷冻至冰点以下，使水分结冰，然后在较高的真空条件下，使冰直接升华为水蒸气而除去。整个过程分为三个阶段：①冷冻阶段，即将样品低温冷冻；②升华阶段，即在低温真空条件下冰直接升华；③剩余水分的蒸发阶段。此法适用于具有生理活性的生物大分子和酶制剂、维生素及抗生素等热敏发酵产品的干燥。

冷冻升华干燥也可不先将物料进行预冻结，而是利用高度真空时汽化吸热而将物料进行冻结，这种方法称为蒸发冻结。其优点是可以节约能量，但易产生泡沫或飞溅现象而导致物料损失，同时不易获得均匀的多孔性干燥物。

冷冻干燥有如下特点：

①因物料处于冷冻状态下干燥，水分以冰的状态直接升华成水蒸气，故物料的物理结构和分子结构变化极小。

②由于物料在低温真空条件下进行干燥，故对热敏感的物料，也能在不丧失活力或生物试样原来性质的条件下长期保存，故干燥产品十分稳定。

③由于干燥后的物料在被除去水分后，原组织的多孔性能不变，所以冷冻制品复水后易于恢复原来的性质和形状。

④干燥后物料的残存水分很低，如防湿包装效果优良，产品可在常温条件下长期贮存。

⑤因物料处于冷冻的状态，升华所需的热量可采用常温或温度稍高的液体或气体为加热剂，所以热量利用经济。干燥设备往往无须绝热，甚至可以导热性较好的材料制成，以利用外界的热量。