王 瑩 劉鳳霞 薛 剛 婁源民 何際芳
(南陽(yáng)理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院1,南陽(yáng) 473004)(河南省工業(yè)微生物資源與發(fā)酵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2,南陽(yáng) 473004)(河南恒天久大實(shí)業(yè)有限公司3,鄭州 450001)
雄烯二酮在甾體激素類藥物中是不可或缺的重要中間體,現(xiàn)代工業(yè)主要采用雙液相體系甾體微生物轉(zhuǎn)換法生產(chǎn)雄烯二酮[1-2]。微生物轉(zhuǎn)化甾醇的培養(yǎng)系統(tǒng)需要添加20%的植物油和0.4%的甾醇,經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化、甲醇提取、脫色、濃縮、結(jié)晶、重結(jié)晶得合格的雄烯二酮[3-6]?;厥占状己蟮娜榛褐泻?0%~80%油脂和沒(méi)被轉(zhuǎn)化的甾醇,且含有較高濃度油脂和微生物菌體、蛋白質(zhì)、多糖等物質(zhì),最終結(jié)合產(chǎn)生高度穩(wěn)定的乳化液廢棄物,其處理問(wèn)題成為目前制約企業(yè)發(fā)展的一個(gè)難點(diǎn)[7-11]。
本研究探索一套合理的回收油脂和甾醇工藝,使回收的油脂經(jīng)過(guò)初步精煉后能夠循環(huán)使用,或者將回收油脂能夠作為生物柴油的原料,并將回收的甾醇作為雄烯二酮生產(chǎn)的原料,研究雄烯二酮發(fā)酵廢液的變廢為寶及資源化綜合利用,以期為其進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供參考。
1 材料與方法
實(shí)驗(yàn)所用乙酸乙酯、石油醚、甲醇、三氯甲烷、正丁醇等試劑均為分析純;雄烯二酮發(fā)酵廢液由河南恒天久大實(shí)業(yè)有限公司提供。
7890B氣相色譜儀;GL-20G-C高速冷凍離心機(jī);RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器。
樣品處理:取發(fā)酵液中上層樣品1~2 mL,用同樣體積的乙酸乙酯充分溶解,靜置分層,取上層清液稀釋100倍后進(jìn)樣檢測(cè)。
氣相色譜檢測(cè)條件:色譜柱mxt 5,柱溫210 ℃,保持3 min,以30 ℃/min的速度升溫到290 ℃保持10 min,進(jìn)樣口溫度300 ℃,F(xiàn)ID 300 ℃,載氣分流比是20∶1,氮?dú)饬魉? mL/min,空氣流速500 mL/min,進(jìn)樣量5 μL。
將雄烯二酮發(fā)酵廢液進(jìn)行預(yù)熱處理,按一定比例加入萃取溶劑,經(jīng)過(guò)在一定的溫度條件下,進(jìn)行萃取,經(jīng)離心后,去沉淀,上清液放入一定溫度條件的冰箱里,冷卻結(jié)晶后,離心,沉淀物即為甾醇粗品,上清液進(jìn)行減壓蒸餾濃縮,回收溶劑,并得到副產(chǎn)品大豆油,在大豆油中加入溶解雄烯二酮效果較好的有機(jī)溶劑,同樣進(jìn)行萃取,離心后冷凍結(jié)晶,待結(jié)晶養(yǎng)成后,經(jīng)離心得到雄烯二酮粗品。上清液再次濃縮,回收溶劑和副產(chǎn)品大豆油。分離甾醇和雄烯二酮工藝示意圖如圖1所示。
圖1 分離甾醇和油脂工藝示意圖
1.5.1 有機(jī)溶劑的選擇
稱取雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,分別按體積比為1∶3在試管加入有機(jī)溶劑甲醇、乙酸乙酯、石油醚、三氯甲烷、乙醇、丙酮、正丁醇各15 mL,并標(biāo)記名稱,置于50 ℃恒溫水浴鍋中2 h后,觀察其分相情況以及現(xiàn)象,以萃取液上相高度為基準(zhǔn),確定最佳的有機(jī)溶劑。
1.5.2 料液比的選擇
稱取五份雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,按1∶1、1 ∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3的不同料液比加入最佳有機(jī)溶劑,置于恒溫水浴50 ℃條件下2 h后,觀察其分相情況,以萃取液上相溶液的高度為基準(zhǔn),確定最佳的料液比。平行實(shí)驗(yàn),重復(fù)3次。
1.5.3 萃取溫度的選擇
稱取四份雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,選擇確定的最佳料液比加入有機(jī)溶劑,分別在室溫(19 ℃)、30、40、50 ℃條件下2 h后,觀察其分相情況與現(xiàn)象,以萃取液上相溶液的高度為基準(zhǔn),確定最佳的萃取溫度。平行實(shí)驗(yàn),重復(fù)3次。
1.5.4 萃取時(shí)間的選擇
稱取3份雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,選擇確定的最佳萃取溫度加入有機(jī)溶劑,分別在30、60、90、120 min的不同時(shí)間條件下,觀察其分相情況與溶液的透明度,以萃取液上相溶液的高度為基準(zhǔn),確定最佳的萃取時(shí)間。平行實(shí)驗(yàn),重復(fù)3次。
1.5.5 萃取次數(shù)的選擇
分別稱3份取雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,分別萃取1、2、3次,在恒溫水浴50 ℃下2 h,吸取上相溶液,在-10 ℃條件下,離心10 min,轉(zhuǎn)速4 000 r/min,取上清液到試管中,放入0 ℃的冰箱中結(jié)晶6 h,然后過(guò)濾,稱量沉淀物的濕重。平行實(shí)驗(yàn),重復(fù)3次。
1.5.6 不同濃度有機(jī)溶劑對(duì)分離甾醇工藝的影響
分別稱取4份雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,按優(yōu)選的最佳條件,分別加濃度為100%、96%、93%、90%的有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取,在恒溫水浴50 ℃下萃取2 h,吸取上相溶液在-10 ℃離心10 min,轉(zhuǎn)速4 000 r/min,并記錄上相溶液體積。經(jīng)離心后,取上清液倒入試管中,在0 ℃下結(jié)晶6 h,再次離心,稱量沉淀物濕重。平行實(shí)驗(yàn),重復(fù)3次。
1.6.1 結(jié)晶溫度的選擇
分別稱取3份雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,按實(shí)驗(yàn)確定的最佳萃取次數(shù),在恒溫水浴50 ℃下2 h后,經(jīng)萃取后,取上相于-10 ℃離心10 min,轉(zhuǎn)速4 000 r/min,取上清液倒入小試管中,并編號(hào),在10、0、-10 ℃條件下冷卻結(jié)晶6 h,觀察其結(jié)晶情況與現(xiàn)象。然后過(guò)濾,稱量沉淀物的濕重。平行實(shí)驗(yàn),重復(fù)3次。
1.6.2 結(jié)晶次數(shù)的選擇
分別稱取3份雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,在實(shí)驗(yàn)確定的最佳條件下,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后,取萃取上相溶液于-10 ℃離心10 min,轉(zhuǎn)速4 000 r/min,取上清液倒入小試管中,并編號(hào),放在確定的最佳條件下,結(jié)晶6 h后,經(jīng)過(guò)濾,沉淀物稱量其濕重,而濾液再次倒入試管,放入冰箱繼續(xù)結(jié)晶6 h,然后過(guò)濾,并再次稱量其濕重,取濾液再次結(jié)晶6 h。再次過(guò)濾,稱量沉淀物濕重。觀察3次結(jié)晶的情況與現(xiàn)象。平行實(shí)驗(yàn),重復(fù)3次。
將分離甾醇后的上清液進(jìn)行減壓蒸餾回收溶劑。并得到一定濃度的濃縮物,然后向濃縮物中添加溶劑甲醇進(jìn)行萃取,濃縮甲醇相到一半,冷凍結(jié)晶,冷凍離心沉淀物即雄烯二酮及其他副產(chǎn)品。再將上清液進(jìn)行濃縮回收有機(jī)溶劑以及其他副產(chǎn)品。
2.1.1 有機(jī)溶劑的選擇比較
稱取質(zhì)量5 g的雄烯二酮發(fā)酵廢液,按料液比1∶3分別加入丙酮、甲醇、石油醚、三氯甲烷、乙酸乙酯、乙醇等有機(jī)溶劑15 mL,充分搖勻,在恒溫水浴50 ℃下萃取2 h后,觀察溶劑的萃取情況。結(jié)果顯示:甲醇、乙醇、丙酮雖然能夠快速分出沉淀,但得到的甾醇和油較少。石油醚和三氯甲烷則無(wú)法高效地實(shí)現(xiàn)破乳效果,影響后續(xù)工藝操作;只有乙酸乙酯作為萃取劑時(shí),不會(huì)形成乳化液,因此破乳劑優(yōu)選為乙酸乙酯。乙酸乙酯與乙醇最好,其余溶劑的效果不佳。乙酸乙酯作為中等極性溶劑,在萃取油水兩相中不會(huì)形成乳化液,且較容易過(guò)濾。而其他非極性溶劑在分離時(shí)會(huì)形成乳化液,對(duì)甾醇的分離造成很大的影響,使得分離甾醇較難。因此,本實(shí)驗(yàn)初步選擇的最佳溶劑為乙酸乙酯。
2.1.2 料液比對(duì)分離工藝的影響
稱取5份雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,按1∶1、1 ∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3的不同料液比加入溶劑乙酸乙酯,置于恒溫水浴50 ℃條件下2 h后,觀察其分相情況以及萃取液的顏色透明度變化,以萃取液上相溶液的高度為基準(zhǔn),有機(jī)溶劑不同料液比的沉降高度比較見(jiàn)圖2。
為判斷不同料液比對(duì)分離甾醇工藝的影響是否顯著,以確定最佳的料液比,對(duì)上述單因素進(jìn)行方差分析,不同料液比對(duì)萃取量的影響方差分析見(jiàn)表1。
結(jié)果顯示:料液比對(duì)萃取分離甾醇的結(jié)果達(dá)到極顯著水平,為了確定不同料液比與分離效果的影響差異,采用LSD(最少顯著數(shù)法)進(jìn)行顯著性比較。不同料液比對(duì)乙酸乙酯高度的顯著性比較見(jiàn)表2。
圖2 有機(jī)溶劑不同料液比、不同萃取時(shí)間及溫度的乙酸乙酯相沉降高度比較
料液比平均數(shù)差異顯著性α=0.05α=0.01萃取次數(shù)平均數(shù)差異顯著性α=0.05α=0.011∶39.167aA2次1.267aA1∶2.57.567bB3次0.778bB1∶26.733cC1次0.633cC1∶1.54.033dD1∶13.433eE
由結(jié)果分析:在料液比在1∶1到1∶3之間,乙酸乙酯的萃取率在隨料液比的增加不斷增大,五組不同料液比均達(dá)到極顯著水平。因此選取料液比為1∶3最佳。
2.1.3 萃取溫度對(duì)分離工藝的影響
稱取4份雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,按料液比為1 ∶3加入15 mL的乙酸乙酯溶劑,分別在室溫(19 ℃)、30、40、50 ℃條件下2 h后,觀察其分相情況與現(xiàn)象,以萃取液上相溶液的高度為基準(zhǔn),不同萃取溫度的分析比較見(jiàn)圖2。為判斷不同萃取溫度對(duì)分離甾醇工藝的影響是否顯著,以確定最佳的溫度,對(duì)上述單因素進(jìn)行方差分析,不同萃取溫度對(duì)分離工藝的影響方差分析見(jiàn)表3。
結(jié)果顯示,萃取溫度對(duì)萃取分離甾醇的結(jié)果達(dá)到極顯著水平,為了確定不同溫度與分離效果的影響差異,采用LSD(最少顯著數(shù)法)進(jìn)行顯著比較。不同萃取溫度對(duì)萃取量的顯著性比較見(jiàn)表4。
表1 不同料液比及萃取次數(shù)對(duì)萃取量的影響方差分析
注:*表示顯著水平,**表示極顯著水平。
表3 不同萃取溫度、萃取時(shí)間及乙酸乙酯濃度對(duì)分離工藝的影響方差分析
注:*表示顯著水平,**表示極顯著水平。
表4 不同萃取溫度、萃取次數(shù)、乙酸乙酯濃度對(duì)萃取量的顯著性比較
結(jié)果顯示在溫度19~50 ℃之間,乙酸乙酯的萃取率隨溫度的增加而增大,四組數(shù)據(jù)均達(dá)到極顯著水平。因此,選取萃取溫度為50 ℃為最佳。
2.1.4 萃取時(shí)間對(duì)分離工藝的影響
稱取3份雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,按1∶3的料液比加入乙酸乙酯,分別在30、60、90、120 min的不同時(shí)間條件下,觀察其分相情況與溶液的透明度,以萃取液上相溶液的高度為基準(zhǔn)。不同萃取時(shí)間的分析比較見(jiàn)圖1。
為判斷不同萃取時(shí)間對(duì)分離甾醇工藝的影響是否顯著,以確定最佳的萃取時(shí)間,對(duì)上述單因素進(jìn)行方差分析,不同萃取時(shí)間對(duì)分離工藝的影響方差分析見(jiàn)表3。結(jié)果顯示,不同萃取時(shí)間對(duì)萃取分離甾醇的結(jié)果未達(dá)到極顯著水平,為了確定不同萃取時(shí)間與分離效果的影響差異,采用LSD(最少顯著數(shù)法)進(jìn)行顯著性比較。不同萃取時(shí)間對(duì)工藝影響的顯著性比較見(jiàn)表4。結(jié)果表明萃取時(shí)間在30~120 min范圍內(nèi),30 min與120 min有顯著性差異,60 min與90 min差異不顯著,考慮對(duì)分離提取率的效果,選擇萃取時(shí)間為120 min為佳。
2.1.5 萃取次數(shù)對(duì)分離工藝的影響
稱取雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,按料液比1∶3加入乙酸乙酯15 mL,分別按1、2、3次進(jìn)行萃取,在恒溫水浴50 ℃放置2 h后,上相離心后置于0 ℃條件下結(jié)晶6 h,離心稱量沉淀物濕重,不同萃取次數(shù)的比較見(jiàn)表5。
表5 不同萃取次數(shù)的比較
為判斷不同萃取次數(shù)對(duì)分離甾醇工藝的影響是否顯著,以確定最佳的萃取次數(shù),對(duì)上述單因素進(jìn)行方差分析,不同萃取次數(shù)對(duì)分離工藝的影響方差分析見(jiàn)表1。結(jié)果顯示,不同萃取次數(shù)對(duì)萃取分離甾醇的結(jié)果達(dá)到極顯著水平,為了確定不同萃取次數(shù)與分離效果的影響差異,采用LSD(最少顯著數(shù)法)進(jìn)行顯著性比較。不同萃取次數(shù)對(duì)工藝影響的顯著性比較見(jiàn)表2。
結(jié)果分析:在萃取次數(shù)分別為1、2、3次萃取范圍內(nèi),對(duì)甾醇的分離均達(dá)到極顯著差異,根據(jù)分離的效果比較,選擇萃取次數(shù)為兩次最佳。
2.1.6 不同濃度乙酸乙酯對(duì)分離效果的影響比較
分別稱取四份雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,按料液比1∶3分別加濃度為100%、96%、93%、90%的有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取,在恒溫水浴50 ℃下萃取2 h,吸取上相溶液在-10 ℃離心10 min,轉(zhuǎn)速4 000 r/min,并記錄上相溶液體積。經(jīng)離心后,取上清液倒入試管中,在0 ℃下結(jié)晶6 h,再次離心,稱量沉淀物濕重,乙酸乙酯的濃度對(duì)分離效果的比較見(jiàn)表6。
表6 乙酸乙酯的濃度對(duì)分離效果的比較
為判斷不同乙酸乙酯濃度對(duì)分離甾醇工藝的影響是否顯著,以確定最佳的乙酸乙酯濃度,對(duì)上述單因素進(jìn)行方差分析,不同純度乙酸乙酯對(duì)工藝的方差分析見(jiàn)表3。結(jié)果顯示,不同乙酸乙酯濃度對(duì)萃取分離甾醇的結(jié)果達(dá)到顯著水平,為了確定不同乙酸乙酯濃度對(duì)分離效果的影響差異,采用LSD(最少顯著數(shù)法)進(jìn)行顯著性比較。不同濃度乙酸乙酯對(duì)工藝影響的顯著性比較見(jiàn)表4。
結(jié)果分析:在乙酸乙酯不同濃度的范圍中,純度為100%、90%達(dá)到顯著性差異,96%、93%未達(dá)到顯著性差異,根據(jù)乙酸乙酯分離甾醇效果的比較,考慮溶劑的循環(huán)有效利用,選擇乙酸乙酯濃度為90%為最佳條件。
2.2.1 不同結(jié)晶溫度對(duì)工藝影響的單因素實(shí)驗(yàn)
分別稱取3份雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,萃取兩次,在恒溫水浴50 ℃下2 h后,經(jīng)萃取后,取上相于-10 ℃離心10 min,轉(zhuǎn)速4 000 r/min,取上清液倒入小試管中,并編號(hào),在10、0、-10 ℃條件下冷卻結(jié)晶6 h,觀察其結(jié)晶情況與現(xiàn)象。然后過(guò)濾,稱量沉淀物的濕重。不同結(jié)晶溫度的分析比較見(jiàn)表7。
表7 不同結(jié)晶溫度的分析比較
為判斷不同結(jié)晶溫度對(duì)分離甾醇工藝的影響是否顯著,以確定最佳的結(jié)晶溫度,對(duì)上述單因素進(jìn)行方差分析,不同結(jié)晶溫度的對(duì)分離工藝影響的方差分析見(jiàn)表8。
表8 不同結(jié)晶溫度的對(duì)分離工藝影響的方差分析
注:*表示顯著水平,**表示極顯著水平。
結(jié)果顯示,不同結(jié)晶溫度對(duì)萃取分離甾醇的結(jié)果達(dá)到顯著水平,為了確定不同結(jié)晶溫度與分離效果的影響差異,采用LSD(最少顯著數(shù)法)進(jìn)行顯著性比較。不同結(jié)晶溫度對(duì)工藝影響的顯著性比較見(jiàn)表9。
表9 不同結(jié)晶溫度對(duì)工藝影響的顯著性比較
結(jié)果分析:在0、10、-10 ℃之間,只有0 ℃與-10 ℃達(dá)到顯著性差異,10 ℃未能達(dá)到顯著性差異,根據(jù)對(duì)分離甾醇提取率的影響,選擇0 ℃為最佳結(jié)晶溫度。
2.2.2 不同結(jié)晶次數(shù)及結(jié)晶溫度對(duì)工藝影響的兩因素實(shí)驗(yàn)
分別稱取3份雄烯二酮發(fā)酵廢液5 g,按1∶3的料液比加入乙酸乙酯,在恒溫50 ℃水浴中萃取2 h,并萃取兩次,取萃取上相溶液于-10 ℃離心10 min,轉(zhuǎn)速4 000 r/min,取上清液倒入小試管中,并編號(hào),在0 ℃條件下,結(jié)晶6 h后,經(jīng)過(guò)濾,沉淀物稱量其濕重,而濾液再次倒入試管,放入冰箱結(jié)晶6 h,然后過(guò)濾,并再次稱量其濕重,取濾液再次結(jié)晶6 h。再次過(guò)濾,稱量沉淀物濕重。不同結(jié)晶次數(shù)及結(jié)晶溫度的分析比較見(jiàn)表10。
表10 不同結(jié)晶次數(shù)及結(jié)晶溫度的分析比較
為判斷不同結(jié)晶次對(duì)分離甾醇工藝的影響是否顯著,以確定最佳的結(jié)晶次數(shù),對(duì)上述單因素進(jìn)行方差分析,不同結(jié)晶次數(shù)對(duì)分離工藝影響的方差分析見(jiàn)表11。
表11 不同結(jié)晶次數(shù)及結(jié)晶溫度對(duì)分離工藝影響的方差分析
注:*表示顯著水平,**表示極顯著水平。
結(jié)果顯示,不同結(jié)晶次數(shù)對(duì)萃取分離甾醇的結(jié)果均達(dá)到極顯著水平,為了確定不同結(jié)晶溫度和結(jié)晶次數(shù)對(duì)分離效果的影響差異,采用LSD(最少顯著數(shù)法)進(jìn)行顯著性比較。不同結(jié)晶次數(shù)對(duì)工藝影響的顯著性比較見(jiàn)表12。
表12 不同結(jié)晶次數(shù)對(duì)工藝影響的顯著性比較
結(jié)果表明在不同的結(jié)晶次數(shù)下,1、2次均達(dá)到顯著性差異,3次未能達(dá)到顯著性差異,根據(jù)結(jié)晶次數(shù)對(duì)分離甾醇提取率的影響,選擇最佳結(jié)晶次數(shù)為2次。
按照上述工藝進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),以乙酸乙酯為溶劑,按料液比(1∶3)萃取溫度50 ℃、萃取兩次、結(jié)晶溫度為0 ℃、結(jié)晶時(shí)間為6 h、結(jié)晶二次得到甾醇提取率為46%,純度達(dá)到80%以上;按料液比1∶3加入甲醇溶解濃縮物,濃縮到體積的一半后,冷卻結(jié)晶18h,離心,沉淀物得到含雄烯二酮粗品的產(chǎn)品,提取率為66.61%。上清液再次濃縮,回收溶劑和副產(chǎn)品大豆油。
3.1 有機(jī)溶劑異丙醇、正己烷、石油醚對(duì)甾醇和雄烯二酮均有良好的溶解性,但在一定溫度條件下分相效果上不佳,原因是發(fā)酵液中會(huì)形成乳化劑,使得分相難。實(shí)驗(yàn)選擇采用中等極性的乙酸乙酯溶劑,在不需加任何助濾劑的情況下就可以自然沉降,從而解決工業(yè)上需要離心需消耗大量試劑的問(wèn)題。
3.2 甾醇和雄烯二酮在大豆油中均具有良好的溶解,在發(fā)酵液中加入20%的大豆油時(shí),甾醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)到到85%以上,在經(jīng)過(guò)乙酸乙酯萃取后,分離甾醇后,可以濃縮回收溶劑以及大豆油,使得大豆都可以同時(shí)重復(fù)使用,與其他研究學(xué)者所研究的兩相系統(tǒng)比較[2],工藝更加簡(jiǎn)便,在工業(yè)上更具有可行性,而且分離效果也較好。
3.3 通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)考察乙酸乙酯的倍數(shù)、萃取溫度、萃取時(shí)間、萃取次數(shù)對(duì)分離甾醇的影響,確定最佳工藝條件為:萃取料液比1∶3,萃取溫度50 ℃,萃取次數(shù)為二次,萃取時(shí)間為2 h。與文獻(xiàn)報(bào)道酶法甲酯化提取甾醇相比較[12],該工藝操作更加簡(jiǎn)單可行。