（制糖工程专业论文）磁化技术提取地黄水苏糖及分离纯化的研究.pdf

磁化技术提取地黄水苏糖及分离纯化的研究摘要本研究采用磁化技术强化水苏糖提取过程，讨论磁化对地黄水苏糖产率、含量及膜清洗的影响。采用磁化的自来水作为提取溶剂，参考中药煎煮方法，在煮沸条件下提取地黄中水苏糖。应用中心复合旋转设计，响应曲面分析法来研究磁场强度、磁化时间、提取时间和料液比对响应变量的影响，各因素对水苏糖产率和含量影响显著性，从大到小依次为：磁场强度、磁化时间、提取时间、料液比。建立了地黄水苏糖产率及含量的二次多项式数学模型，得到的优化工艺参数为：磁场强度为0 2 8 7 8 t ，磁化时间为7 4 3 4 m i n ，提取时间为1 9 6 h ，料液比为l ：1 1 。在此条件下水苏糖产率理论值可达2 8 3 3 ，水苏糖含量理论值达4 8 9 4 。对优化工艺进行验证，水苏糖产率和含量分别为2 8 2 0 和4 8 1 2 。提出了活性炭脱色的优化工艺条件：活性炭用量2 ( w ) ，脱色温度7 0 ，脱色时间5 0 m i n ，p h 值4 0 。此条件下，脱色率可达8 0 2 。采用膜耦合技术对地黄水苏糖进行分离提纯。在膜通量实验基础上，讨论料液浓度、操作压力、料液温度和p h 对水苏糖含量、蛋白质截留率及总糖截留率的影响，并确定膜分离的最佳条件为：m w c 0 1 0 0 0 0 ：操作压力为1 5 p s i ，料液温度为室温2 5 。c ，p h 6 0 ，3 倍洗脱；m w c o l 0 0 0 ：操作压力为1 5 p s i ，料液温度为室温2 5 。c ，5 倍洗脱；m w c 0 3 0 0 ：操作压力为0 3m p a ，料液温度为室温2 5 。c ，4 倍洗脱。在上述条件下，水苏糖含量达到7 4 3 6 ，蛋白质的总去除率为9 2 8 7 ，总糖截留率为2 5 2 7 。地黄经磁化处理后，m w c o l 0 0 0 0 、m w c o l 0 0 0 、m w c 0 3 0 0 膜管的膜通量恢复率比未经磁化分别提高了3 8 7 、4 5 4 、3 2 9 。对地黄提取液进行了h p l c 色谱图效果分析。与自来水提取液对比分析可知，经磁化处理后的杂峰数量减少，说明提取液中水苏糖含量得到提高。磁化提取液经微滤、超滤( m w c o l 0 0 0 0 和m w c o l 0 0 0 ) 和纳滤( m w c 0 3 0 0 )处理后，提取液中杂峰消失，得到了以水苏糖为主的提取液。其最终水苏糖含量比未磁化水提液提高了8 5 8 5 ，比磁化提取液提高了5 4 5 3 。采用磁化和膜技术联用对于提高地黄水苏糖含量在技术上是可行的。关键词：地黄水苏糖磁化技术膜s t u d yo ne x t r a c tlo na n dp u rific a tio n0 fs t a c h y o s ef r o mr a dixr e h m a n nia e b ym a g n e tiz a tl0 na b s t a r ctt h em a g n e t i z a t i o nt e c h n o l o g yw a sa d o p t e di nt h ee x t r a c t i o no fs t a c h y o s ef r o mr a d i xr e h m a n n i a ei nt h er e s e a r c h ，a n dt h ee f f e c to fm a g n e t i z a t i o no nt h ey i e l da n dc o n t e n to fs t a c h y o s e ，a sw e l la st h em e m b r a n ec l e a n i n gw e r ed i s c u s s e d r e f e r e n c et ot r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n ed e c o c t i o nm e t h o d ，t h es t a c h y o s ei nr a d i xr e h m a n n i a ew a se x t r a c t e db ym a g n e t i z e dw a t e r m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y , m a g n e t i z e dt i m e ，e x t r a c t i o nt i m ea n dr a t i oo fl i q u i d s o l i dw e r es t u d i e dw i t hc e n t r a lc o m p o s i t er o t a t i o nd e s i g na n dt h e i ri n t e r a c t i o n so nr e s p o n s ev a r i a b l e s t h ep r e d i c t i v ep o l y n o m i a lq u a d r a t i ce q u a t i o n sm o d e l so fy i e l da n dc o n t e n t so fs t a c h y o s ei nr a d i xr e h m a n n i a ew e r ea l s od e v e l o p e db ys a ss o f t w a r e t h eo r d e ro fe f f e c ts i g n i f i c e n c eo ft h ef a c t so ny i e l da n dc o n t e n t so fs t a c h y o s ei nr a d i xr e h m a n n i a ei s ：m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y , m a g n e t i z e dt i m e ，e x t r a c t i o nt i m ea n dr a t i oo fl i q u i d s o l i d t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sw e r es u p p o s e dt ob ef o l l o w s ：m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y0 2 8 7 8t ，m a g n e t i z e dt i m e7 4 3 4m i n ，e x t r a c t i o nt i m e1 9 6ha n dr a t i oo fl i q u i d s o l i d1 ：11 u n d e rt h e s ec o n d i t i o n st h ey i e l dw a s2 8 3 3 a n dc o n t e n tw a s4 8 9 4 ，t h er e s u l t sv e r i f i e db yt e s t i n gw e r e2 8 2 0 a n d4 8 12 ，r e s p e c t i v e l y t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fc a r b o nd e c o l o u r i z i n gw e r ep u tf o r w a r da si i if o l l o w s ：c a r b o nu s a g e2 ，t e m p e r a t u r e7 0 c ，t i m e5 0m i n ，p h4 0 u n d e rt h e s ec o n d i t i o n sd e c o l o u r i z i n gr a t ew a s8 0 2 t h es t a c h y o s ei nr a d i xr e h m a n n i a ew a se x t r a c t e da n ds e p a r a t e dw i t hm e m b r a n ec o u p l i n gt e c h n o l o g y o nt h eb a s eo fm e m b r a n ef l u xe x p e r i m e n t ，c o n c e n t r a t i o n ，p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dp hw e r es t u d i e dw i t hs i n g l ef a c t o rs y n t h e s i sa n dt h e i ri n t e r a c t i o n so ns t a c h y o s ec o n t e n t ，r e t e n t i o nr a t eo fp r o t e i na n dt o t a ls u g a rw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sw e r es u p p o s e dt 0b ef o l l o w s ：m w c o10 0 0 0 ：p r e s s u r e15p s i ，t e m p e r a t u r e2 5 c ，p h6 0a n de l u t i o nm u l t i p l e s3 ；m w c o10 0 0 ：p r e s s u r e15p s i ，t e m p e r a t u r e2 5 ca n de l u t i o nm u l t i p l e s5 ；m w c 0 3 0 0 ：p r e s s u r e0 3m p a ，t e m p e r a t u r e2 5 ca n de l u t i o nm u l t i p l e s4 ；u n d e rt h e s ec o n d i t i o n ss t a c h y o s ec o n t e n tw a s7 4 3 6 ，r e t e n t i o nr a t eo fp r o t e i nw a s9 2 8 7 a n dt o t a ls u g a rw a s2 5 2 7 c o m p a r e dw i t hu n m a g n e t i ce x t r a c t i o nm e t h o do fw a t e r , t h er e c o v e r yr a t eo fm e m b r a n ef l u xo fm w c o10 0 0 0 、m w c oi0 0 0 、m w c 0 30 0w e r es e p a r a t e l yi n c r e a s e db y3 8 7 、4 5 4 、3 2 9 t h er a d i xr e h m a n n i a ee x t r a c t i o nw a sa n a l y z e db yh p l c c o m p a r e dw i t hu n m a g n e t i z e dr a d i xr e h m a n n i a ee x t r a c t i o n ，t h en u m b e ro fp e a k sw e r ed e c r e a s e dw i t hm a g n e t i z a t i o n ，w h i c hm e a n st h ec o n t e n to fs t a c h y o s ei nt h ee x t r a c t i o nw a si n c r e a s e d c o m p a r e dw i t hu n m a g e n t i z e de x t r a c t i o nm e t h o do fw a t e ra n dm a g n e t i z e dm e t h o d ，t h es t a c h y o s ec o n t e n to fm a g n e t i z e dm e t h o dw e r er e s p e c t i v e l yi n c r e a s e db y8 5 8 5 a n d5 4 5 3 b ym e m b r a n et e c h n o l o g y i ti sp r a c t i c a lt oi m p r o v et h ec o n t e n to fs t a c h y o s eb ym a g n e t i z a t i o nc o m b i n e dw i t hm e m b r a n et e c h n o l o g y k e yw o r d s ：r a d i xr e h m a n n i a e ；s t a c h y o s e ；m a g n e t i z a t i o nt e c h n o l o g y ；m e m b r a n ev广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明学位论文原创性声明本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。论文作者签名：季汐沙7 等6 乒b b学位论文使用授权说明本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容；按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。请选择发布时间：，叼即时发布口解密后发布( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定)论文作者签名：南刁剔磁轹p 细易月f 仟广西大掌硕士学位论文嗣“匕技术提取地黄水窃q 窘a 分离纯化的研究第一章绪论功能性食品已成为2 l 世纪的食品，功能性低聚糖则是一种极好的功能性食品基料。在日本和欧洲用功能性低聚糖开发的食品多达4 0 0 - 5 0 0 种。日本是对功能性低聚糖研究开发最早、技术水平最高的国家之一。2 0 0 3 年日本特定保健用食品市场的销售额达到5 4 亿美元，其中改善胃肠道功能( 用低聚糖) 的为3 4 5 6亿美元。由日本厚生省批准的6 9 种特定保健食品中有4 0 种加有低聚糖。水苏糖作为一种新兴的功能性低聚糖，其产品功效显著，故它的开发和应用日益受到重视。我国低聚糖研究开发始于上个世纪8 0 年代，目前能够工业化生产的低聚糖有低聚果糖、低聚异麦芽糖、低聚木糖、大豆低聚糖、水苏糖等，以低聚异麦芽糖的产量最大【l 埘。1 1 水苏糖的研究概述水苏糖是自然界存在的一种四糖，广泛分布于豆科植物中，属于棉子糖属半乳糖苷类非还原性功能性低聚糖。它能显著促进双歧杆菌增殖，因此又被誉为“超强双歧因子 ，成为近年来保健食品市场上比较受欢迎的一种功能原料【孓5 1 。日本在十多年前就从大豆中以工业化方式生产出水苏糖，现在已经成为全球水苏糖产业化规模最大的国家，对功能性水苏糖的需求已经比较成熟。但就全球范围而言，美国利用水苏糖的开发力度最大，程度最深，因而水苏糖在美国市场的应用范围也最为广泛。有关水苏糖产品的应用专利在美国专利局已有3 0 6 项以上。在我 t 6 j ，2 0 0 2 年，内蒙古仕奇集团和香港中威医药集团将合资开发生产水苏糖。该项目是国家科委批准的高技术产业化示范工程。项目总投资1 4 亿元，年产水苏糖固体粉末3 0 0 0 吨，并开发以水苏糖固体粉末为基料的系列产品。西安大鹏生物科技股份有限公司于2 0 0 2 年6 月建成了国内第一条从天然植物中萃取水苏糖的现代化生产线，实现了国家重点科技成果( z x 9 7 3 4 ) 5 叹歧因子低聚糖水苏糖的产业化。年生产能力达到2 0 0 0 吨。2 0 0 6 年，西安大鹏生物科技股份有限公司与天狮集团签订了o e m 生产合作合同，嗣杆匕技术提取地黄水苏糖及分离纯化的研究合同约定大鹏生物的水苏糖含嚼片产品将由天狮集团销往全球1 3 0 多个国家。同年与日本东京客商签订了出口水苏糖3 0 0 吨的供货合同。至此，我国拥有自主知识产权的高科技产品水苏糖已行销日本、泰国、新加坡等国家及香港、澳门特别行政区。国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “高纯水苏糖生物提取与工业色谱分离技术研究”项目的承担单位中国食品发酵工业研究院和河北承德顺天食品有限公司于2 0 0 7 年合作建立了承德京天食品科技有限公司，注册资金3 0 0 万元，投资2 0 0 0 万元人民币，合作生产水苏糖产品。至2 0 0 8 年底已经建成年产3 0 0 吨的水苏糖的中试生产线，生产含量7 0 以上的水苏糖产品，开发生产的水苏糖产品被上市公司承德露露股份有限公司新产品“美颜坊 、北京圣唐本草“儿童排铅口服液”、北京东方红生物技术公司的“骨源片 、云南永吉普洱科技有限公司的“大米蛋白粉 等多种产品所使用。目前，全球保健产业销售额达上千亿美元，而且每年都以很高的速度增长。美国添加水苏糖的保健食品销售额达7 5 0 亿美元，日本近两年的保健品销售额为7 0 0 0 亿日元，欧洲的保健食品也有2 0 0 0 余种，销售额以每年1 7 的速度递增，市场潜力巨大。1 1 1 水苏糖在自然界中的分布水苏糖在自然界中分布极其广泛，存在于4 6 个科的1 6 5 种植物中，主要聚集在种子、根茎、果实等贮存器官中。水苏糖是种子中分布最广泛的低分子量a 低聚半乳糖系列寡糖。表1 1 一些食物中水苏糖的百分含量t a b l e1 1c o n t e n to fs t a c h y o s ei ns o m ef o o d许多植物的正常性种子发育伴随着水苏糖等a 一低聚半乳糖系列寡糖的累积，这些低聚果糖的累积已被认为在种子脱水耐性获得、种子活力、糖的运输及植物的抗冷驯化等过程中起着重要的作用。1 1 2 水苏糖的结构和物化性质1 7 l水苏糖是蔗糖的葡萄糖基一侧以1 , 6 糖苷键结合2 个a 半乳糖而形成的非还原性糖，分子式为c 2 4 h 4 2 0 2 1 ，相对分子量6 6 6 5 8 6 1 4 ，化学结构如图1 1 所示。2广西大学硕士学位论文磁化彭p 代提取地黄水苏糖及分离纯化的研究图1 - 1 水苏糖的化学结构f i g 1 1c h e m i c a ls t r u c t u r eo fs t a c h y o s c纯水苏糖为白色粉末，微甜，甜度为蔗糖的2 2 ，口感清爽，无任何不良味道。水苏糖溶于水，溶解度为1 3 0 9 l o o g ( 2 0 。c ) ，不溶于乙醚、乙醇等有机溶剂。纯晶体水苏糖为带4 分子结晶水的片状物，熔点1 0 1 ，真空中1 1 5 ( 2 失水，无水物的熔点为1 6 7 - 1 7 0 。水苏糖具有良好的热稳定性，加热至1 4 0 的不会受热分解，加热至1 6 0 破坏很少，但在酸条件下热稳定性有所下降，在酸性条件下( p h 5 6 ) 加热至1 2 0 ( 2 ，仍很稳定。在p h 3 5 时，其稳定性优于蔗糖。它在酸性环境中的贮藏稳定性和温度有关，温度低于2 0 c 时相当稳定。由于水苏糖分子中的2 个a 半乳糖不能被人体内p 半乳糖苷酶、蔗糖酶所分解，所以为难消化糖。在8 0 以上，p h 7 8 水苏糖具有着色性，因此，可在焙烤食品中加入水苏糖，令食品呈现出诱人的焦黄色。1 1 3 水苏糖与其他低聚糖的比较与水苏糖有相似作用的还有其他的一些低聚糖类，如低聚异麦芽糖、低聚木糖、低聚乳果糖等，它们也有一定的有益菌增殖作用，但从食物中提取的水苏糖优势十分明显。水苏糖的有效剂量和起效时间与低聚木糖相当，且低于其他的低聚糖。而且水苏糖是惟一一种从自然界直接提取的低聚糖。其副作用少、安全性高。与其它低聚糖比较，水苏糖对双歧杆菌增殖效果最好，同时它还具有其他低聚糖类产品所没有的功能一分解产生多重免疫功效因子，具有提高人体免疫力的作用。3磁化垄翻乞提取地黄水苏糖及分离纯化的研究表1 - 2 水苏糖与其他低聚糖的用量比较【8 】t a b l e1 - 2c o m p a r a t i o no fs t a c h y o s ew i t h o t h e r s品名有效剂量( 幻起效时间( 大约值)水苏糖0535 天低聚异麦芽糖1 5 3 01 0 天大豆低聚糖l o7 天低聚果糖8 1 58 天低聚木糖0 7 35 天低聚半乳糖8 1 07 天1 1 3 1 与低聚异麦芽糖的比较9 ，1 0 1低聚异麦芽糖增殖双歧杆菌效果差，同时还可能被肠内其它的部分细菌分解利用，副作用大；这类低聚糖中含有大量的葡萄糖和蔗糖，对于糖尿病人的食用受限；食用量大，一般要达到2 0 - - 3 0 9 d ；成本高，大量商品化的功能性低聚糖是用淀粉或蔗糖经人工合成，存在化学成分不稳定等不利因素。1 1 3 2 与低聚果糖的比较h 1 - 1 3 1水苏糖性质十分稳定，在1 4 0 。c 高温下也不会分解，p h = 3 时，加热到1 2 0 仍残存7 0 ，低聚果糖的溶液的热稳定性受酸碱度影响较大，当p h 值为中性时，1 2 0 c 条件下还相当稳定，但在酸性条件下( p h = 3 ) 时，温度达到7 0 以后极易分解。水苏糖为单一制剂，分子结构、功效原理十分清楚，这为开发新产品，研究药物的配伍、药效原理、作用靶点等都提供了很好的分子生物学基础。低聚果糖依据其生产工艺决定了它是一种混合物，含有未反应完的蔗糖，果糖，反应的终产物为葡萄糖，和产物蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖等等，且其含量随反应时间、反应温度、底物含量等的变化而变化，虽然目前已知蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖等都有增殖双歧杆菌的效果，但不知其每一种又有什么特性，在功效上又有什么差别，这也给低聚果糖的使用带来影响，这也限制了低聚果糖在药品中的应用。1 1 3 3 与大豆低聚糖的比较1 4 ，1 卯大豆低聚糖中功效成分为水苏糖和棉子糖，含量仅为1 8 - - 2 4 ，含有大量的葡萄糖和蔗糖，对于糖尿病人的使用受限；大量服食后会有胀气、打嗝等不良反应。1 1 - 3 4 与低聚木糖的比较1 6 ，1 7 3低聚木糖虽然用量和水苏糖相当，虽然，也有资料报道木糖也具有增殖肠道内双歧杆菌的作用，但增殖的效果相当微弱，远远低于水苏糖。它不能分解产生多重免疫功效因子，而且该糖目前的市场价较高。在实际应用中，木糖只是作为一种不被消化吸收的4广西大学硕士掌位论文砑杆匕堑p k 提取地黄水苏稠 及分离纯化的研究单糖应用于一些特定的食品中，如爱吃甜品又担心发胖的人群的食品、糖尿病人的食品等等，当然，由于它不被口腔内微生物所利用，也具有防龋齿的功能，但其作用有很大的局限性；水苏糖对人体有多种优良的保健效果，其作用远远大于木糖。从目前来看，水苏糖具有用量少、功效确切、安全无副作用等优良特性，被国内著名专家尤新教授评价为“高活性双歧因子”。1 1 4 水苏糖的生理功能1 1 4 1 增殖双歧杆菌、改善肠道内环境1 8 ，1 9 1水苏糖不能被人体直接分解利用是因为人体没有专一性水解a 半乳糖的a d 半乳糖苷酶。但人体肠道内的有益菌双歧杆菌能够通过其产生的a d 半乳糖苷酶高选择性地水解水苏糖，为其提供生长与繁殖的营养和能量。水苏糖能够选择性增殖肠道内双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌，抑制肠杆菌、拟杆菌等有害菌的生成，调节肠道微生态平衡，改善肠道功能。双歧杆菌在酵解水苏糖的过程中，产生大量醋酸、乳酸，同时产生生物素、抗菌素，提高人体肠道抵抗力，激活全身免疫系统，抑制内毒素合成；在细胞水平、分子水平上清除菌毒和衰老、死亡细胞碎片；达成人体整体清理的神奇效果。李迎慧等人通过实验鼠及志愿者进行调节肠道菌群试验，观察以水苏糖为主要功能组分的长康双歧菌增殖胶囊的作用。实验发现小鼠肠道内双歧杆菌数量明显增加；受试人群肠道内肠杆菌、拟杆菌明显减少，肠球菌、乳酸杆菌、双歧杆菌数量明显增加，产气荚膜梭菌数量增加。说明水苏糖具有调节肠道菌群、改善肠道内环境的功能。1 1 4 2 促进人体的营养合成和吸收眨o ，2 1 1水苏糖能高选择性地增殖人体肠道内的双歧杆菌等有益菌，而培育起来的双歧杆菌又能合成人体必需的多种维生素，如维生素b l 、维生素b 6 、维生素b 1 2 、叶酸等，保证人体的生理需求。并增加人体对维生素b 1 的利用率。水苏糖可通过增殖人体肠道内的双歧杆菌等有益菌从而增加人体对氮的保留，促进氨基酸代谢。另外，双歧杆菌通过抑制人体肠道内的腐败菌，减少蛋白质或氨基酸在腐败菌产生的脱羧酶的作用下脱羧基而产生各种胺类腐败物质。从而提高人体对蛋白质的利用率。改善人体的营养状态。水苏糖能有效提高钙等矿物质的吸收率和利用率。1 1 4 3 缓解便秘，促进机体健康2 2 2 3 15广西大学硕士掌位论文耐化茧0 术提取地黄水苏糖及分离纯化的研究水苏糖作为双歧杆菌等有益菌的高效营养物质而使人体肠道内的双歧杆菌等有益茵快速增殖，重建和恢复肠道微生态平衡，改善肠道功能。同时，双歧杆菌酵解水苏糖产生醋酸、乳酸等短链脂肪酸，促进肠道蠕动，而使肠道推进运动能力增强。另外，水苏糖有较强的吸水性，能增加粪便中的含水量，使大便易于排出体外。陕西省疾病预防控制中心按照人体试食试验规程，采用双盲法自身与安慰剂对照。试验组口服水苏糖产品，对照组口服安慰剂，每次l o m l ，每日1 次，连续服用3 0 天。根据保健食品检验与评价技术规范的判定标准，认为水苏糖具有通便作用。可以缓解和改善普通便秘人群的便秘状态，促进机体健康。1 1 4 4 预防龋齿2 4 。2 们龋齿是由口腔微生物，特别是突变链球菌发酵糖类大量繁殖、产酸并侵蚀牙齿形成的。水苏糖不能作为口腔微生物的合适底物，因此不能被吸收利用，不会引起龋齿。1 1 4 5 低热值，人体难消化眩7 之9 1由于人体消化酶中缺少能够分解水苏糖的a - d 半乳糖酶，故水苏糖很难被人体消化吸收，提供的能量很低。曾有文献认为，水苏糖等一些寡糖在胃肠道不吸收而经肠道细菌代谢为c 0 2 、h 2 、短链脂肪酸等。研究者通过对水苏糖的吸收动力学进行研究发现，口服水苏糖吸收快但吸收很少，生物利用率为3 8 2 。在胃、十二指肠、空肠和回肠的吸收率分别为6 6 3 、1 3 8 0 、8 3 3 和0 5 3 ，在大肠内不吸收。证明水苏糖主要吸收部位在小肠上部，未吸收的水苏糖在肠内被细菌破坏。1 2 磁化技术的研究概述1 2 1 磁化技术的发展磁场对水性质的影响首先是从医学上被发现的。两千多年前，我国劳动人民就用过磁石治病。在南北朝时期的“名医别录 中有饮用磁石“练水以治病的例子。二十世纪初，g 德维尔( g 晰i l l e ) 在他的医学著作中也介绍了用磁化水治愈伤口和溃疡的例子。1 9 4 5 年比利时的机械工程师t 弗梅里文( t v c ：n 1 1 嘶v e l l ) 发现了利用磁化水可以有效地减少锅垢并获得专利。这项技术虽很快应用于实际，但未引起学者们的应用重视。六十年代初，前苏联的研究人员提出磁化处理对锅垢沉积的影响与水系统的物理化学性质的变化有关；由于认识到这种影响在其它情况下也可能存在，人们对磁化处理产生了兴趣，进而促进了磁化处理技术的迅速发展。如今磁技术已在许多领域得到应用，例如：6广西大掌硕士掌位论文嗣杆匕技术提取地黄水苏糖反分离纯化的研究缩短水泥固化时间、提高凝聚土强度、增加农作物产量、防止锅炉结垢、节省机车燃油、提高人体机能以及在油田除蜡防蜡增注降粘，在酿酒、环保、制糖、造纸、制陶、化工等部门应用，可创造巨大的经济效益【3 6 1 。1 2 2 磁化技术对水性质的影响研究水被磁化时，普通水中被氢键缔合在一起的分子集团在洛仑兹力的作用下被破坏，从而裂解成小分子集团或单个的水分子。这样一来，就有更多的水分子的h 和o 暴露出来，而不再被氢键连接在一起。另一方面，较小的水分子集团的自由度也增加了，这就使它们与其它物质的分子、原子结合的机会增多，结合的能力也加强了，这在宏观上我们说水分子的活性增加了。有资料表明，磁化水中单个水分子的数目增多。这必然会引起水的部分物理、化学性质发生变化，例如表面张力、p h 值、密度和挥发性的变化、溶解氧及溶解其它物质的能力的变化等。1 2 2 1 磁化水的p h 值有研究结果表明，磁化后水的p h 值有所升高。这是磁场的作用改变了水分子的解离度，使水合氢离子浓度减小。不同的磁感应强度，p h 值有少许波动【3 7 3 引。1 2 2 2 磁化水的电导率对于磁化水电导率的变化，不同学者得到的结论不同。部分学者认为，磁化后水的电导率将增大。自来水之所以有电导是由于水中含有杂质所致，水分子将杂质分子水解成正负离子，这些正负离子再与水分子结合成一个大的带电粒子，从而形成了载流子。水分子经过磁化以后，形成较小的分子，且一般地说，其能量较高，因而更容易使杂质分子水解，从而形成更多的离子，增大了水的导电性。同时，水在自然状态下，将发生弱电离，使水分子离解成h + 和o h 离子，从而也使水的导电性有所增大。但水在一般情况下，这种电离非常弱。水在磁化过程中，可能由于h 或。原子的能量提高，使得这种电离加强，从而使水的电导率增大【3 9 】。而另外一些结论则是在不同的磁场条件下电导率有增有减，电导率随放置时间产生波动【3 8 1 。1 2 2 3 磁化水的表面张力磁化后，水的表面张力会发生改变，变化与水中杂质有关。所以，不同的水在同一磁化条件下及同样的水在不同的磁化条件下，其表面张力的变化是不相同的【4 0 ，4 1 1 。研究表明磁化水的表面张力与普通水的表面张力相比有所降低【4 2 1 。1 2 2 4 磁化水的溶解性磁化处理能使大多数物质在水中的溶解度增大，其程度取决于磁场强度及处理后放7广西大掌硕士掌位论文习宅技术提取地黄水苏糖及分离纯化的研究置的时间等。试验证明【4 3 】，除了钙、镁、碳酸盐和其它无机物在磁化水中能较好溶解外，部分有机物的溶解性能也能得到改善。同时发现磁化水中溶解氧的浓度明显增加。据推测，磁化处理过程中溶解氧具有某种化学活化作用，导致水的物理化学性质、润湿性及生物活性都有变化。磁化水的杀菌作用也证明了这点。这可能因为氧是顺磁性分子，在磁场作用下能聚集于磁场中所致。磁化使m g s 0 4 的溶解度在去离子水和自来水中有不同程度的降低，说明s 0 4 2 对磁化有抑制作用。1 2 2 5 磁化水的挥发性磁化后水的挥发性增大。磁场强度增大，挥发性也增大。这可能是因为磁场给水分子提供了能量，使水分子之间的吸引力减弱所致啪1 。1 2 2 6 磁场的记忆效应多数研究磁化水的学者都报道了“磁记忆 现象，即经过磁化处理后一段时间，被处理水的磁化效应的保持力。所报道的磁记忆时间从几分钟到数百小时不等。b a r r e t t 和p a r s o n s 1 的试验结果表明磁化效应在磁处理后至少可以保持6 0 h 。c o e y 哺5 1 的研究不但证明了磁场效应确实存在，而且磁处理的影响可以持续2 0 0 h 以上。在c o l i c 和m o r s e 阱印关于水的磁记忆机理的专题研究中，他们认为电磁水处理后长时间的效应是由于扰动气一水界面的松弛所造成的。这是目前为数不多关于磁记忆效应机理研究中的代表作。1 3 本课题的立题背景和研究内容及研究意义1 3 1 本课题的立题背景与研究意义地黄中的低聚糖水苏糖是“新一代超强双歧因子 ，其作为肠内营养因子能以4 0 倍递增的速率增殖人体肠道内的双歧杆菌等有益菌，被认为是“寡糖中的贵族 。近年来，一种新型乳品水苏糖乳品正在市场悄然兴起。特别是我国神舟五号成功邀游太空，广大消费者从媒体获悉杨利伟等航天员的太空保健食品是以水苏糖为核心配料之后，对水苏糖乳品表现出了极大的热情。据悉，伊利、娃哈哈等为适应市场需求，也在加紧研发水苏糖乳品。相信随着科学饮食观念的深化，水苏糖乳品会加快进入我们的日常生活，成为深受人们欢迎的新的时尚饮品。据统计分析，到2 0 1 0 年国内水苏糖的供应量为8 7 0 0 吨，国际供应量为2 9 0 0 吨；到时，国内需求量将达到1 0 0 0 0 吨左右，国际需求量将达到3 0 0 0 0 吨以上，供需之间存8广西大学硕士掌位论文磁化技术提取地黄水苏糖及分离纯化的研究在较大差距。产品价格在目前国际销价1 7 2 0 万元吨，国内1 2 1 3 万元吨的基础上将出现上涨。现在水苏糖的应用范围正逐步扩大，大量用于医药、保健品、功能性食品等方面。且随着水苏糖应用范围的不断拓展，供需不平衡将进一步拉大，市场前景广阔。2 0 0 2 年以前，世界范围内的报道只提及“大豆低聚糖的主要功效成分为水苏糖，含量仅在1 8 3 2 之间，未见高纯度水苏糖工业化生产的报道。近年来出现以草石蚕和中药地黄为原料提取水苏糖的报道。草石蚕又名宝塔菜，地灵，银条，地瘤等，在我国重庆、河北、江苏等地都有种植【4 7 1 ，其中含约1 2 哆缸1 5 以水苏糖为主的低聚糖【4 引。梁丽心【7 1 研究了热水浸提的最佳提取工艺：温度4 0 ，时间6 0 m i n ，固液比1 ：1 4 。在此条件下水苏糖得率达4 6 0 2 。向志刚【4 9 】等以草石蚕鲜基为原料，用乙醇一水提取水苏糖的最佳工艺条件为：提取温度5 0，溶剂体积分数为7 0 ，物料溶剂比为1 ：1 6 ，提取时间为3 0 m i n ，该条件下水苏糖产率为7 0 4 。西安大鹏以纯水提取的方式从宝塔菜中直接提取的水苏糖系列产品纯度达8 0 以上。地黄为玄参科植物地黄的块根，为补益中药中常用用药物。具有滋明清热，补血止血等功效【5 0 1 。地黄作为我国传统的中药材而广泛栽培。我国北京、天津、河南、河北、辽宁、山东、浙江等地均有大量分布，其中生地中水苏糖含量达到干重的3 0 3 5 嘣5 ，占总糖的5 0 5 2 , 5 3 】。地黄中水苏糖以水提为主，赵学芳5 4 1 、王晓莉5 5 3 等对地黄中水苏糖的水提工艺进行了研究。日本学者t o m o d a 等早在1 9 7 1 年就已经报道了地黄中低聚糖的提取分离方法，文献中采用鲜地黄，用热乙醇和热水提取，以阳离子和阴离子交换，层析得到中性部分，后经活性炭柱层析使寡糖得到初步分离，该方法后被收入我国出版的天然药物化学教科书中5 们。张汝学等5 7 1 采用正交试验优化地黄提取物的提取工艺，对水提物进一步用离子交换树脂进一步纯化，再进行活性炭柱层析分离低聚糖。董艳巧羽、樊海燕巧9 1 等采用膜技术分离纯化地黄低聚糖。迄今为止，未见到采用磁化技术对水苏糖进行提取并结合膜耦合技术分离纯化水苏糖的文献报道。本研究首次尝试将磁场应用于水苏糖提取工艺中，以自来水为提取溶剂对地黄水苏糖进行提取，并以微滤、超滤结合纳滤分离纯化水苏糖，对于水苏糖的提取分离具有理论意义和应用价值。9广西大萼明页士学位论文u t 化t t - m 提取地黄才黼及5 3 t g 重c f e t v a a e t 究1 3 2 本课题研究的主要内容1 3 2 1 提取工艺研究运用磁化技术强化水苏糖的提取过程，研究磁处理后的自来水应用于地黄水苏糖的提取，拟解决的关键问题为磁场强度、磁化时间、提取时间及料液比对水苏糖提取的影响并利用响应曲面分析确定优化工艺参数。1 3 2 2 活性炭脱色工艺的研究选用不同的活性炭用量、p h 值、脱色时间、脱色温度对提取液进行脱色，通过正交实验确定活性炭脱色的优化参数。1 3 2 3 膜纯化利用微滤、超滤结合纳滤膜纯化水苏糖。拟解决的关键问题为膜的选择，确定料液p h 值、料液初始浓度、温度及洗脱倍数等因素的影响。1 0广西大掌硕士掌位论文嗣杆匕技术提取地黄水苏糖及分离纯化的研究第二章磁化技术强化提取地黄水苏糖近年来，磁场在工业、农业、国防、医药和生物工程等方面都有重要的应用【6 0 。6 7 】。随着磁学理论和新型磁性材料的发展，磁场的应用更加广泛。磁场对溶液作用时不改变物质的化学成分，但改变物质的某些物理性质。2 1 磁场强化理论i 碍i水经磁化处理后，部分阶段物理性质发生了变化，这表明磁化处理已引起水结构的改变。对于磁场对水作用的机理目前尚未解决，有学者认为磁化处理会破坏水原来的结构，使较大的缔合水分子集团变成较小的缔合水分子团，甚至是单个的水分子。他们认为是磁处理中水的氢键被破坏，主要原因是氢键是一种分子间的力，不像化学键那样牢固。在液态水中，它处于一种不停地断开、结合的动态平衡中【6 9 】：l 碣o k 茹= ：= 篇确x h z o + ( h ：o ，。( 2 1 )在一定条件下，这种动态平衡所需要的能量是由水分子的热运动所提供。虽然，磁场对水分子提供的能量很小，但能给水分子的热运动提供能量，有利于平衡向右移动，这必然导致部分氢键被破坏，从而使原来缔合的水分子集团变成较小的水分子团或单一的水分子。其次，水分子是极性分子，在磁场作用下因受洛仑兹力的影响而趋于定向排列，使偶极的取向发生变化，氢键将发生畸变；此外，存在于水中的水合离子也受到磁场的影响，当水合离子受洛仑兹力作用时，将作螺旋式的运动，且正、负离子旋转方向相反。根据b u r t o n 和d a l y 离子溶剂化的氢键理论模型，离子的溶剂化主要是由离子和极性溶剂分子间的氢键作用。正负离子通过水分子的氢键结合，如式2 2 ：旷r 糟p h ”r 嘲筇hhh( 2 - 2 )当正负离子做相反方向旋转时就会将连接在它们之间的氢键扭断，使水的结构发生变化。根据氢键受到破坏这一观点可解释水磁化过程中的许多实验事实，如磁化水的p h值将增大，表面张力发生变化，挥发性加快，难溶赫的溶解度增加，磁化水的密度变小等等。广西 掌碘士学位论文磁化技术提取地t 水苏糖a 分离纯化的研究磁处理水理化性质的芹异是由十磁处邢条件小同而引起的，水小管是切割磁力线流动还是静置在磁场中处理都能引起水的理化性质变化，且加热不影响磁化水效应【矧。2 2 实验材料2 2 1 主要材料地黄r 购f i 南j 市图人大药房，产地h 肃2 2 2 主要化学试剂乙腈( h p l c 级) ；水苏糖标准品( 购丁北京百灵威试剂公司) ；蔗糖、棉子糖标准品( 购j ：s i g m a 公司)2 2 3 主要实验设备d f 1 1 0 型电子分析天平( 叶 国轻工业机械总公司常熟衡器工业公司) ；1 0 1 1 一b s 电热陋温鼓风干燥箱( 上海跃进医疗器械厂) ；f w l 0 0 高速万能粉碎机( 天津巾泰斯特仪器有驳公司) ；磁化设备( 自制，如图2 1 所示) ：a n k e t d l 一4 0 b 离心机( b 鸽牌)“l 圈2 1 磁化醍箭f i g2 - im a g n e t i cm s 叽m e l t广西大掌硕士掌位论文嗣“匕堑p k 提取地黄水苏糖及分离纯化的研究2 3 方法2 3 1 实验方法原料处理：地黄置于恒温鼓风干燥箱中，5 0 烘干2 4 h ，粉碎后过1 0 0 目筛。磁化：将自来水置于自制的磁化装置中，在室温下( 2 5 c ) 进行磁化处理。浸提：参考中药煎煮方法，加热经磁化后的自来水，煮沸时刻起开始记时，并加入干燥的地黄粉( 1 0 0 目) ，实验过程中保持液面一定【1 7 0 】。除杂：浸提液冷却后以2 0 0 目滤布除去残渣。离心：滤液离- l , ( 4 0 0 0 r m i n ) 2 0 m i n ，取上清液，得到地黄水苏糖粗提液。冷冻干燥：取一定量粗提液，经冷冻干燥后测定相应指标。2 3 2 分析方法地黄粗提液中水苏糖的测定：高效液相法2 3 3 计算方法水苏糖产率( 呦：型二- 1 0 0 1 0 0 0 w式中：c l 样液中水苏糖浓度m g m l卜样液体积m l陟乙- 称取地黄粉末的质量g水苏糖含量( ) ：兰! 1 0 0 1 0 0 0 m式中：c _ 一样液中水苏糖浓度m g m l卜样液体积m l 卜称取粗提物的质量g2 3 4 单因素实验方法( 2 - 3 )( 2 - 4 )参考相关的技术资料和单因素实验结果，以水苏糖产率及含量作为衡量提取工艺优广西大掌硕士掌位论文磁化蛰瞄代提取地黄水苏稠 及分离纯化的研究劣的指标，选取磁场强度、磁化时间、提取时间和料液比作为考察因素，进行单因素实验。实验方案如下：2 3 4 1 磁场强度的选择称取1 0 0 0 9 地黄粉末，使磁化时间( 6 0 m i n ) 、提取时间( 1 o h ) 和料液比( 1 ：l o ) 固定不变，分别选取磁场强度0 0 5 t 、0 1 t 、0 2 t 、0 3 t 和0 4 t 进行提取实验，测定水苏糖的产率及含量。2 3 4 2 磁化时间的选择称取1 0 0 0 9 地黄粉末，使磁场强度( o 3 t ) 、提取时间( 1 o h ) 和料液比( 1 ：1 0 ) 固定不变，分别选取磁化时间4 0 m i n 、6 0 m i n 、8 0 m i n 、1 0 0 m i n 和1 2 0 m i n 进行提取实验，测定水苏糖的产率及含量。2 3 4 3 提取时间的选择称取l o 0 0 9 地黄粉末，使磁化时间( 6 0 m i n ) 、磁场强度( 0 3 t ) 和料液比( 1 ：1 0 ) 固定不变，分别选取提取时间0 5 h 、1 o h 、1 5 h 、2 o h 和2 5 h 进行提取实验，测定水苏糖的产率及含量。2 3 4 4 料液比的选择称取1 0 0 0 9 地黄粉末，使磁化时间( 6 0 m i n ) 、磁场强度( o 3 t ) 和提取时间( 1 0 h ) 固定不变，分别选取料液比1 ：6 、l ：8 、l 1 0 、1 1 2 和l ：1 4 进行提取实验，测定水苏糖的产率及含量。2 3 5 响应曲面法限s m ) 实验设计采用中心复合旋转设计法，以磁场强度、磁化时间、提取时间和料液比四个因子为自变量，分别以x l 、x 2 、x 3 、x 4 表示，按方程x i = ( x i x o ) a x 对自变量进行编码，x i 为自变量的编码值，x i 为自变量的真实值，) ( 0 为实验中心点处自变量的真实值，a x为自变量的变化步长。水苏糖产率y l 、水苏糖含量y 2 为响应值，建立二次多项式回归方程模型：y = p + p ；x ；+ x i x j + d m 2( 2 5 )i - - - - ii = 1 j g ：ii = l其中b 为常数项，p i 为线性系数，p i j 为交叉项系数，p i i 为二次项系数。利用统计软件s a s9 1 3 来