微型近紅外光譜儀用于氨基葡萄糖關(guān)鍵生產(chǎn)過程中的質(zhì)量分析研究.pdf

1、氨基葡萄糖(glucosamine，GlcN)是一種廣受歡迎的骨關(guān)節(jié)保健品，市場前景廣闊，目前主要生產(chǎn)方式包括甲殼類動(dòng)物外殼水解法、甲殼素酶解法和微生物發(fā)酵法。由于受到原材料供應(yīng)、價(jià)格、環(huán)保等諸多方面制約，微生物發(fā)酵法將逐漸取代其它兩種方法成為GlcN的主要生產(chǎn)法。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)GlcN雖然具有諸多方面的優(yōu)勢，但復(fù)雜度高、參數(shù)眾多的非線性動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過程帶來了較高的分析檢測成本，這使得企業(yè)的利潤被大大壓縮，并且傳統(tǒng)的分析檢測技術(shù)耗時(shí)較長，

2、無法將檢測結(jié)果及時(shí)反饋給生產(chǎn)部門，影響產(chǎn)品的質(zhì)量特別是產(chǎn)品品質(zhì)的批間一致性。因此，將先進(jìn)的過程分析技術(shù)(Process Analytical Technological，PAT)引入到GlcN的生產(chǎn)過程中，借助快速、準(zhǔn)確、綠色、檢測成本低的PAT工具一近紅外光譜分析技術(shù)(Near Infrared Spectroscopy，NIRS)，對實(shí)現(xiàn)GlcN關(guān)鍵生產(chǎn)過程中的質(zhì)量指標(biāo)快速檢測從而降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量有重要的研究意義。目前，N

3、IRS經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)成為一個(gè)比較成熟、應(yīng)用廣泛的PAT工具，并且隨著科技的發(fā)展，近紅外光譜儀的種類已十分繁多，微型化、便攜化、低成本化成為儀器研發(fā)的潮流與趨勢，在制藥過程中也有著越來越多的應(yīng)用。
　　由于采用發(fā)酵法生產(chǎn)GlcN時(shí)，直接得到GlcN產(chǎn)物時(shí)收率低，所以采用先發(fā)酵生產(chǎn)N-乙酰-D-氨基葡萄糖(N-acetyl-D-glucosamine，GlcNAc)，然后脫乙酰得到目標(biāo)產(chǎn)品GlcN。因此，本研究首先對NIR

4、S用于GlcNAc濃度測定的可行性進(jìn)行分析，然后將NIRS引入到關(guān)鍵生產(chǎn)過程一發(fā)酵過程和濃縮過程，探究NIRS在發(fā)酵法生產(chǎn)GlcN過程中應(yīng)用的可行性。
　　本文具體內(nèi)容如下:
　　(1)微型近紅外光譜儀用于發(fā)酵過程中GlcNAc濃度測定的可行性研究
　　本研究分析了傅里葉變換近紅外光譜儀和微型近紅外光譜儀測定不同體系下GlcNAc濃度的可行性，對兩種儀器的測定結(jié)果進(jìn)行了對比分析，為下一步生產(chǎn)過程引入微型近紅外光譜儀奠定

5、基礎(chǔ)。首先，以純水-GlcNAc體系為研究對象，實(shí)驗(yàn)室條件下配制得到濃度為4.00-160.00 g/L的GlcNAc水溶液樣品40個(gè)，分別以FT-NIR光譜儀和Micro-NIR1700型微型近紅外光譜儀采集光譜;然后，采用含量梯度法將40個(gè)樣品劃分得到校正集27個(gè)、驗(yàn)證集13個(gè)樣品，經(jīng)過預(yù)處理后建立用于GlcNAc濃度測定的偏最小二乘回歸(Partial Least Square Regression，PLSR)定量分析模型;最后，

6、以Passing-Bablok回歸法對兩種近紅外光譜儀測定純水體系下GlcNAc濃度的準(zhǔn)確性進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明Micro-NIR1700型微型近紅外光譜儀與FT-NIR光譜儀間的預(yù)測結(jié)果沒有顯著性差異。隨后，采用同樣的研究方法對NIRS，特別是微型近紅外光譜儀用于發(fā)酵液復(fù)雜體系下GlcNAc濃度測定的可行性進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示NIRS可實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液復(fù)雜體系下GlcNAc濃度的測定，并且Micro-NIR1700型微型近紅外光譜儀與FT

7、-NIR光譜儀間的預(yù)測結(jié)果沒有顯著性差異。
　　(2)微型近紅外光譜儀用于發(fā)酵過程中GlcNAc濃度和光密度(Optical Density，OD)值的測定研究
　　本研究將Micro-NIR1700型微型近紅外光譜儀引入發(fā)酵過程中，探究NIRS測定發(fā)酵液中GlcNAc濃度和OD值的可行性。首先在正常生產(chǎn)條件下采集135個(gè)樣品，以高效液相色譜法(High Performance Liquid Chromatography，H

8、PLC)測定GlcNAc濃度，分光光度法測定OD值;然后以90個(gè)樣品為校正集，45個(gè)樣品為驗(yàn)證集，分別建立起GlcNAc濃度和OD值的PLSR定量模型，并通過比較不同的數(shù)據(jù)集劃分方法、光譜預(yù)處理方法及變量選擇方法對模型進(jìn)行優(yōu)化，最終得到的GlcNAc濃度和OD值定量模型的R2c、R2p、RMSECV和RMSEP值分別為0.994、0.995、2.7927 g/L和1.9468 g/L及0.957、0.947、7.8032和7.1084。

9、研究結(jié)果表明建立的模型擁有良好的預(yù)測能力，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程中GlcNAc濃度和OD值的快速、同時(shí)測定。
　　(3)微型近紅外光譜儀用于濃縮過程中GlcNAc含量的測定研究
　　本研究將Micro-NIR1700型微型近紅外光譜儀用于氨基葡萄糖濃縮過程中GlcNAc含量的測定，以實(shí)現(xiàn)濃縮過程中GlcNAc含量的快速測定及濃縮終點(diǎn)的判斷。首先在實(shí)驗(yàn)室條件下平行模擬兩批濃縮過程，從過程中取樣37個(gè)，然后從正常生產(chǎn)過程中取樣13個(gè)，

10、總共采集樣品50個(gè)。接著以50個(gè)樣品建立起GlcNAc含量的定量分析模型，在建模過程中，分別對數(shù)據(jù)集劃分方法、光譜預(yù)處理方及變量選擇方法進(jìn)行詳細(xì)探討以進(jìn)一步優(yōu)化模型，最終以38個(gè)變量建立GlcNAc含量定量模型，模型的R2c、R2p、RMSECV和RMSEP值分別為0.992、0.991、1.3436％和0.9496％。研究結(jié)果表明建立的模型擁有良好的預(yù)測能力，可以實(shí)現(xiàn)濃縮過程中GlcNAc含量的快速測定及濃縮終點(diǎn)的判斷。
　　本