实验二离子交换法提取谷氨酸分析解析

实验二离子交换法提取谷氨酸
一、实验目的
掌握离子交换装置的结构和使用方法。

掌握离子交换法提取谷氨酸的工艺流程。

掌握等电点沉淀法提取谷氨酸。

了解认识离子交换树脂的处理和再生。

二、实验原理
谷氨酸是两性电解质，是一种酸性氨基酸，等电点为pH3.22，当pH＞3.22时，羧基离解而带负电荷，能被阴离子交换树脂交换吸附；当pH＜3.22时，氨基离解带正电荷，能被阳离子交换树脂交换吸附。

也就是说，谷氨酸可被阴离子交换树脂吸附也可以被阳离子交换树脂吸附。

由于谷氨酸是酸性氨基酸，被阴离子交换树脂的吸附能力强而被阳离子交换树脂的吸附能力弱，因此可选用弱碱性阴离子交换树脂或强酸性阳离子交换树脂来吸附氨基酸。

但是由于弱碱性阴离子交换树脂的机械强度和稳定性都比强酸性阳离子交换树脂差，价格又较贵，因此就都选强酸性阳离子交换树脂而不选用弱碱性阴离子交换树脂。

目前各味精厂均采用732#强酸性阳离子交换树脂，本实验就是采用732#树脂。

谷氨酸溶液中既含有谷氨酸也含有其他如蛋白质、残糖、色素等妨碍谷氨酸结晶的杂质存在，通过控制合适的交换条件，在根据树脂对谷氨酸以及对杂质吸附能力的差异，选择合适的洗脱剂和控制合适的洗脱条件，使谷氨酸和其他杂质分离，以达到浓缩提纯谷氨酸的目的。

三、实验装置
1、离子交换装置
本实验采用动态法固定床的单床式离子交换装置。

离子交换柱是有机玻璃柱，柱底用玻璃珠及玻璃碎片装填，以防树脂漏出。

2、树脂
本实验用苯乙烯型强酸性阳离子交换树脂，编号为732#，其性能如下表：
732#树脂的主要性能常数
3、树脂的处理
对市售干树脂，先经水充分溶胀后，经浮选得到颗粒大小合适的树脂，然后加3倍量的2mol/L HCL溶液，在水浴中不断搅拌加热到80℃，30min后自水溶液中取出，倾去酸液，用蒸馏水洗至中性，然后用2mol/L NaOH溶液，同上洗树脂30min后，用蒸馏水洗至中性，这样用酸碱反复轮洗，直到溶液无黄色为止。

用6%（W/W）盐酸溶液转树脂为氢型，蒸馏水洗至中性备用。

过剩的树脂浸入1mol/L NaOH溶液中保存，以防细菌生长。

四、试剂配制
1、上柱交换液
谷氨酸发酵液或等电点母液，含谷氨酸2%左右。

配制方法；取工厂购回的谷氨酸干粉20g溶于200ml自来水中，再加进约8ml浓盐酸使谷氨酸粉全部溶解，此时pH值约为1.5，最后稀释至1.0L。

2、洗脱用碱
4%NaOH溶液。

其配制方法有两种：
①40gNaOH溶于1000ml自来水中；
②工业用碱配成4%浓度（W/W），（约9°Bx，相对密度1.04）
3、再生用酸
6%（W/W）盐酸溶液。

把大约80ml浓盐酸（36%含量）用自来水稀释至500ml。

配成约4°Be，相对密度1.027的溶液。

4、0.5%茚三酮溶液
0.5g茚三酮溶于100mL丙酮溶液中配制成。

五、离子交换工艺流程
在本实验中，低流分和尾流分都弃去不要。

六、实验步骤
1、检查离交柱工作状况。

检查阀门，管道是否安装妥当，若有渗漏，及时报告。

2、计算上柱量
先测量浸水后湿树脂的体积及上柱液总氮含量（其方法见后面附录），再按下式计算上柱量。

根据实践，湿树脂实际交换当量为1.2～1.3mmoL/mL 湿树脂。

3、上柱交换
本实验用顺上柱方式。

先把树脂上的水从底阀排走，排至清水高出树脂面2cm 左右，同时调节柱底流出液速度，控制其流速为30ml/min 左右。

然后把上柱液放入高位槽中，开启阀门，进行交换吸附。

注意使柱的上、下流速平衡，既不“干柱”，也要避免上柱液溢出离交柱。

前期流速为30mL/min 左右，后期流速
直接等电点提取谷氨酸
）
总氮含量（湿树脂）
湿树脂实际交换当量（）湿树脂体积（）上柱量（mL mmol mL mmol mL mL //⨯=
为25mL/min 左右。

每流出100mL 流出液，用pH 试纸及糖度计测量其pH 值及浓度，记录下来。

间断用茚三酮溶液检查是否有谷氨酸漏出。

如有漏出，应减慢流速。

上柱液交换完毕，加入1/3树脂体积的清水将未交换的上柱液全部加入树脂中交换。

4、水洗杂质及疏松树脂
开启柱底清水阀门，使水从下面进入反冲洗净树脂中的杂质，注意不要让树脂冲走。

反冲至树脂顶部溢流液清净为止，再把液位降至离树脂面5cm 左右，反冲后树脂也被疏松了。

5、热水预热树脂
加入树脂体积3倍左右的60-70℃热水到柱上预热树脂，柱下流速控制为30～35mL/min 。

6、热碱洗脱
把水位降至离树脂面2cm 左右，接着加入60～65℃的4% NaOH 溶液到柱上进行洗脱，用碱量按下式计算：
式中：147 —— 谷氨酸分子量
3 —— 被吸附谷氨酸当量数的倍数 40 —— NaOH 分子量 1.0
4 —— 4%NaOH 的相对密度
每收集50mL 流出液检查并记录其pH 值及浓度。

柱下流速前期30mL/min ，后期为50-60mL/min 。

到流出液pH2.5（浓度约为0.5°Bx ）时，开始收集高流分，此时应加快流速以免“结柱”。

如出现“结柱”，应用热布把阀门加热使结晶溶化。

一直收集到pH9为止。

流完热碱，用60℃热水把碱液压入树脂内，开启柱底阀门，用自来水反冲树脂，直至溢出液清亮，pH 值为中性为止。

7、收集
把高流分集中在一起，用浓盐酸把全部谷氨酸结晶溶解，测量其总体积及总
04
.1%4403147%
%4⨯⨯⨯⨯
=
GA mL mL NaOH ）上柱量（）用量（
氮摩尔含量。

8、等电点提取谷氨酸
把收集液pH 调至3.2左右，稍搅拌使谷氨酸结晶析出，静置冷却过滤。

9、树脂再生
洗净树脂后，降低液面至树脂面以上5cm 左右，然后通入6%盐酸（W/W ），对树脂进行再生。

用酸量按下式计算：
式中：1.8——树脂全交换当量，mmol/ml 湿树脂
1.2——树脂全交换当量的倍数 6%——盐酸含量 36.5——盐酸分子量 1.027——6%盐酸相对密度
再生树脂流速控制在（25～30）mL/min 。

再生完毕，离交柱则处在可交换状态（树脂为H 型）。

七、实验报告 （一）实验记录
1、离子交换树脂型号 ， 离子交换柱直径 mm ，湿树脂高度 mm ，湿树脂装量 mL 。

湿树脂全交换当量1.8mmol/mL 湿树脂。

2、上柱液状态
含谷氨酸量 ，总体积 ml ，浓度 °Be ，总氮含量 mmol/mL 。

3、谷氨酸上柱交换吸附记录表
1000
027.1%65
.362.18.1⨯⨯⨯⨯⨯=
）树脂体积（）用酸量（mL mL
4、反冲洗柱时间 min 。

5、谷氨酸解吸
热水温度 ℃ ，热水用量 mL 。

NaOH 浓度 ，温度 ℃ ，用量 mL 。

洗脱记录表
6、树脂再生
再生剂种类 ，浓度 °Be ，用量 ml ， 再生过程流速 mL/min ，再生总时间 min 。

（二）谷氨酸在732#树脂吸附曲线图
（即流出液的pH ～T 、Be ～T 或pH ～V 、Be ～V 图）
（三）谷氨酸在732#树脂解吸曲线图
（即流出液的pH ～T 、Be ～T 或pH ～V 、Be ～V 图）
（四）离子交换谷氨酸提取率计算
%
100%⨯⨯⨯=
量
上柱液的谷氨酸摩尔含）上柱液体积（含量
高流分液的谷氨酸摩尔）收集高流分液量（）提取率（mL mL
（五）问题讨论
1、通过所学的离交知识，结合本实验，试分析影响离子交换谷氨酸提取率的主要因素。

2、对谷氨酸在732#树脂的吸附以及解吸曲线图进行解释说明。

3、对本实验存在的问题提出你的意见。

附录：
（一）谷氨酸含量的测定
一、原理
基。

它们相互作用而使氨基酸成为氨基酸具有酸性的-COOH基和碱性的-NH
2
基与甲醛中性的内盐，因此不能用氢氧化钠直接测定。

当加入甲醛溶液时，-NH
2
结合，从而使其碱性消失，这样就可以用强碱标准溶液来滴定-COOH基，便可测定氨基酸含量。

二、试剂配制
1、40% 中性甲醛溶液：加两滴百里香酚酞指示剂，用NaOH滴定至淡蓝色。

使用前中和。

2、0.1mol/L氢氧化钠标准溶液
3、0.5％酚酞指示剂：称取酚酞0.5克，溶解于100毫升95％酒精中。

4、0.1％百里香酚酞指示剂：称取百里香酚酞0.1克，溶解于100毫升95％酒精中。

三、测定步骤
取两个250mL三角瓶，分别准确加入检测液2mL，加蒸馏水30～40mL。

其中一个三角瓶中加2滴酚酞指示剂，用0.1mol/LNaOH滴至微红色（pH 8.2），记下消耗的NaOH的毫升数V1。

另一个三角瓶加2滴百里香酚酞指示剂及中性甲醛溶液5mL摇匀，静置1分钟，用0.1mol/LNaOH滴定至淡蓝色（pH 9.4），记录所消耗的NaOH体积V2，两次消耗NaOH的体积差（V2-V1）用于计算谷氨酸的含量。

四、谷氨酸含量计算
（二）0.1N 氢氧化钠溶液的标定
称取4克分析纯氢氧化钠，溶于少量已煮沸并放冷的蒸馏水中，弃去下面碳酸钠沉淀物，取上层清液，用上述蒸馏水稀释至1000ml 。

此溶液浓度约为0.1N ，准确浓度可用酚酞作指示剂，用邻苯二甲酸氢钾标定。

标定方法如下:取分析纯邻苯二甲酸氢钾在l05℃烘箱内烘至恒重，准确称取0.5克，共称三份，分别置于250毫升三角瓶内。

加无二氧化碳的蒸馏水100毫升，使邻苯二甲酸氢钾完全溶解，加2～3滴酚酞指示剂,用0.1N 氢氧化钠滴至粉红色为终点。

式中: 204.22 —— 邻苯二甲酸氢钾的当量 W —— 称取邻苯二甲酸氢钾的克数 V —— 滴定时消耗氢氧化钠的毫升数
样品毫升数
浓度
）体积差（两次消耗）谷氨酸含量（NaOH V V NaOH ⨯-=
12mmol/mL。