γ-氨基丁酸工艺开发书

γ-氨基丁酸的工艺开发书
一、项目来源
销售部-热销产品转换成公司生产产品
二、项目目标
γ-氨基丁酸含量≥98%
三、项目负责人
负责人：
执行人：
四、项目开发
1、项目开发进度表
项目执行人计划时间
项目准备项目计划拟定（包
括资料准备、实验
计划的拟定等）
采购准备
检测方法确定
检测方法待定
工艺开发活性炭脱色实验D-101树脂脱色实验
XDA-6树脂脱色实验
γ-氨基丁酸结晶工艺探索实验
γ-氨基丁酸膜提纯工艺
项目总结及验收
2、实验准备及步骤
2.1γ-氨基丁酸资料整理
1）γ-氨基丁酸的基本信息
化学名称：4-氨基丁酸，别名：γ-氨基丁酸，氨酪酸，哌啶酸。

分子式：
C 4H
9
NO
2。

分子量：103.1。

白色片状或针状结晶；微臭，具有潮解性；极易溶于水，微溶于热乙醇，不溶于冷乙醇、乙醚和苯；分解点为202℃；
2）γ-氨基丁酸的制备方法
化学合成和生物合成
3）γ-氨基丁酸的检测方法
HPLC和其他
4）γ-氨基丁酸的原料
目前用于开发高含量的γ-氨基丁酸的原料为生物发酵法生产的初加工的发酵液，混合了碳酸钙做赋形剂的粉末。

原料的主要成分为碳酸钙，其次为γ-氨基丁酸及杂质。

提取液中成分为γ-氨基丁酸、色素及蛋白质等大分子物质，其中影响产品质量的主要为色素。

提取液中色素主要为焦糖类色素和酚酸类色素，色素来源为：
⑴培养基原料中含有大量天然色素及含氮物质；
⑵微生物分泌的一些含有颜色的次级代谢产物；
⑶制的发酵设备接触酸、碱后发生化学反应，从而造成设备被腐蚀，游离出许多铁离子，这一方面使得发酵液变为红棕色，另一方面铁离子与发酵液中酚类物质结合，生成紫黑色色素；
⑷生产工艺中高温灭菌、加热处理以及浓缩等操作，可能产生大量色素：
①类物质受热时发生焦糖化反应产生深咖啡色的焦糖色素：
②还原糖同发酵液中的游离氨基酸或蛋白质链上氨基酸残基的游离氨基发生美拉德反应产生的褐色色素。

补充：焦糖类色素主要呈棕褐色，易溶于水，难溶于乙醇；酚酸类色素主要呈黄色，易溶于水、乙醇等极性较强的试剂。

而焦糖类色素对产品质量影响较大，由于结晶时的γ-氨基丁酸与焦糖类色素同时析出，后又难被高度醇洗脱，而酚酸类色素则能被高度醇洗脱。

5）γ-氨基丁酸提取工艺研究
由于γ-氨基丁酸极易溶于水，25℃时饱和度浓度达774.49g/L，固形物约为43%，5℃时饱和浓度为650g/L，固形物约为39%，可见γ-氨基丁酸的饱和度随温度影响不大；
根据文献报道γ-氨基丁酸的饱和浓度与温度关系图如下；
根据以上资料可以得出γ-氨基丁酸的提取为常温下水提，具体的水提料液比及次数可根据原料中的γ-氨基丁酸的量以及该温度下的饱和浓度来设定，原则保持在加饱和浓度以下的水量，提取时一直处于搅拌状态。

在料液比及次数确定条件下，考虑到γ-氨基丁酸极易溶于水，提取时间梯度设定为0.5h、1h、1.5h、2h，然后考察不同时间的提取率(%)大小；
2.2活性炭脱色实验
1）目的
考察活性炭对γ-氨基丁酸提取液的脱色效果，活性炭吸附脱色为非选择性吸附，对非极性物质吸附效果较好，对进行物质吸附效果较差。

2）实验过程及记录
1）提取
水提2次，温度60℃，料液比为1:5,2h；1:4,2h;统一收集提取液。

记录：提取液呈棕红色，考虑到γ-氨基丁酸水溶性很好，因此提取时常温即可，提取时间大概0.5h即可，开始阶段要不断搅拌，使提取充分，可根据颜色的变化来确定提取溶剂量及次数，最好提取三次，提取液沉淀多且呈西稀泥状，易过200目纱布，因此应该过300目纱布。

2）抽滤
记录：有较多悬浊物，较难抽滤，抽滤液呈棕红色。

3）脱色
取适量的抽滤液，过已处理好的活性炭层析柱，流速1BV/h。

记录：开始阶段流出液颜色由无色渐渐变成淡黄色，大概1BV后流出液颜色慢慢加深，由淡黄色慢慢变为红棕色，本次实验共连续过了3根活性炭柱，总的来看，活性炭对提取液中的呈黄色的酚酸性色素吸附能力较差，对呈棕色的焦糖类色素吸附稍好，但整体来看，活性炭脱色效果较差。

4）浓缩
减压浓缩，浓缩温度80℃，浓缩至稀稠状，过饱和。

5）结晶
按1:3加入80℃左右95%的乙醇结晶，搅拌一段时间，放置常温，静置12h，待结晶完全；
记录：加入95%乙醇后，溶液出现分层，上层呈黄色，可能为酚酸性色素，下层呈棕红色，主要为焦糖类色素，但未出现结晶现象，可能原因是浓缩液未达到饱和状态。

后将黄色上层液回收乙醇，直接一直浓缩，到某一程度，有晶体析出，但无明显晶型，用95%的乙醇淋洗3～4次，颜色由淡黄慢慢变浅，变成无色，
说明酚酸性色素大部分被洗掉，然后将白色结晶在60℃下鼓风干燥，装袋密封保存。

3）实验数据及分析
未检测
4）总结
2.3D-101脱色实验
1）目的
考查D-101树脂对γ-氨基丁酸提取液的脱色效果。

2）实验过程及记录
（1）上柱
取γ-氨基丁酸提取液，上已经处理好的D-101树脂柱进行脱色，流速1BV/h，每1BV收集一次，观察流出液的颜色变化现象。

记录：第1BV流出液颜色较淡，呈淡黄色，后来慢慢加深，到第3BV时颜色变为红棕色，然后慢慢加深，到第5BV时已经与上柱液颜色相近。

整体来看脱色效果较活性炭好，D-101为非极性树脂，对黄色酚酸性物质吸附效果较好，对焦糖类色素吸附效果较差，没有达到理想的脱色效果。

（2）水洗
（3）树脂的再生
还未确定树脂的再生方法，一般为先碱洗后酸性。

3）实验数据及分析
4）结论
D-101树脂对γ-氨基丁酸提取液的脱色效果较差。

2.4XDA-6脱色实验
3）目的
考查XDA-6树脂对γ-氨基丁酸提取液的脱色效果。

4）实验过程及记录
（4）上柱
取γ-氨基丁酸提取液，上已经处理好的XDA-6树脂柱进行脱色，流速1BV/h，每1BV收集一次，观察流出液的颜色变化现象。

记录：第1BV流出液颜色较淡，呈淡黄色，后来慢慢加深，到第3BV时颜色变为红棕色，然后慢慢加深，到第5BV时已经与上柱液颜色相近。

整体来看脱色效果较活性炭好，与D-101的脱色效果相近，XDA-6为中等极性树脂，对黄色酚酸性物质吸附效果较好，对焦糖类色素吸附效果较差，没有达到理想的脱色效果。

（5）水洗
（6）树脂的再生
还未确定树脂的再生方法，一般为先碱洗后酸性。

5）实验数据及分析
6）结论
XDA-6树脂对γ-氨基丁酸提取液的脱色效果较差。

2.4γ-氨基丁酸结晶工艺探索实验
1）目的
由于γ-氨基丁酸极易溶于水，25℃时饱和度浓度达774.49g/L，固形物约为43%，预实验主要考察结晶的最佳饱和固形物。

2）实验过程及记录
（1）结晶预实验
取适量的已经初结晶的γ-氨基丁酸晶体，然后按50%、60%、70%、80%的固形物加水溶解，然后加入1:3的95%的乙醇，冷冻下结晶12h，然后抽滤晶体，用适量的95%乙醇取淋洗，林洗完60℃鼓风干燥0.5h，称重，计算收率。

现象记录：50%的固形物没出现晶体，60%需要加热80℃才能完全溶解，70%、80%加热不能完全溶解，65%的加热能完全溶解，溶解后冷却慢慢有针状结晶出现，加95%乙醇后，没有马上出现结晶，冷冻放置后，结晶增多。

抽滤时，应当使用95%乙醇淋洗，醇度低洗的效果好，但γ-氨基丁酸的损耗量多。

（2）结晶工艺优化实验
初步确定结晶液的固形物为60～65%，其余参数为乙醇浓度及量、结晶时间、结晶温度、晶种的添加量、搅拌速率、浓缩液的PH
γ-氨基丁酸的等电点为PH7.2，测定提取液PH值为7.59，接近等电点，所以不用考虑调节PH值。

A、乙醇浓度
结晶浓度梯度设定为80%、85%、90%、95%，常温下结晶12h，每2h观察结晶现
象，考察结晶收率及晶形。

B、乙醇的量
乙醇量梯度设定为1BV、2BV、3BV、4BV，常温下结晶12h，每2h观察结晶现象，考察结晶收率及晶形。

C、结晶时间
结晶时间设定为4、8、12、16、20、24h，常温下结晶，每2h观察结晶现象，考察结晶收率及晶形。

D、温度的确定
由于大规模生产温度梯度比较难控制，结合实际生产情况，设定为常温下12h、迅速冷冻12h，常温6h再冷冻6h，考察结晶收率及晶形。

E、晶种的添加量
添加量设定为0.1%、0.2%、0.3%、0.5%，考察结晶收率及晶形。

F、搅拌速率
根据文献拟定为30、60、90、120，考察结晶收率及晶形。

3）实验数据整理及分析
预实验结果数据表
回收率(%)备注
试验编号固形物结晶初始量(g)重结晶量
(g)
⑴50% 4.07不产生结晶70%、80%的
固形物无⑵60% 4.03 1.8846.65%
4）结论
初步确定结晶饱和浓度为固形物60～65%，冷却后会自然结晶，但晶体量较少，加入95%乙醇会加速结晶，增加晶体量，适当冷冻会加速结晶，搅拌会使结的晶体变细。

由于酚酸性色素易溶于水和乙醇，而焦糖类色素易溶于水，不溶于乙醇，所以可以用适当醇度的乙醇进行色素分离，一般使用70%～80%乙醇可以使色素分层，此方法缺点γ-氨基丁酸损耗较大，会有大量留在下层焦糖色素层，较难分离。

2.6γ-氨基丁酸膜提纯工艺1）目的
γ-氨基丁酸的分子量较小，其他色素分子量较大，而且使用上面的几种脱色方法效果不理想，使用合适的纳滤膜可以有效地实现分离。

2）实验过程及记录（1）提取常温水提取（2）管式离心（3）超滤
超滤膜截留量为5万级（4）纳滤
法达到。

⑶60% 4.01 1.9548.63%⑷
65%
4.04
2.02
50.00%
使用纳滤膜截留分子量为150～300进行分离，纳滤液呈无色，截留液呈棕红色，颜色较深，将纳滤液浓缩进行结晶，得到纯白色结晶，说明可以采用150～300截留分子量的膜进行纯化。

使用150～300截留量的膜确缺点为分离效率比较低，容易堵膜，建议采用300～500截留量的纳滤膜。

（5）浓缩结晶
（6）重结晶
根据结晶晶体含量，再决定是否重结晶。

2.7……。