模擬移動床色譜分離技術在功能糖生產(chǎn)中的應用

劉宗利 王乃強 王明珠 王彩梅 楊海軍

色譜分離技術又稱層析分離技術或色層分離技術，是種分離復雜混合物中各個組分的有效方法。它是利用不同物質(zhì)在由固定相和流動相構成的體系中具有不同的分配系數(shù)，當兩相作相對運動時，這些物質(zhì)隨流動相起運動，并在兩相間進行反復多次的分配，從而使各物質(zhì)達到分離。色譜分離技術能夠分離物化性能差別很小的化合物，當混合物各組成部分的化學或物理性質(zhì)十分接近，而其他分離技術很難或根本無法應用時，色譜技術便顯示出其實際有效的優(yōu)越性。因而在醫(yī)藥、生物和精細化工工業(yè)中，發(fā)展色譜分離技術進行大規(guī)模純物質(zhì)分離提取的重要性日益增加。

傳統(tǒng)色譜分離技術采用固定的色譜塔進行，先進入定量物料，然后采用洗脫劑不斷洗脫，在同

出口在不同時問段就可接到不同的產(chǎn)品組分，此過程分離效率低，分離效果差。目前工業(yè)上采用的色譜分離技術多為模擬移動床色譜分離技術(Simulatlon Moving Bed)，簡稱SMB技術。SMB技術最早出現(xiàn)于上世紀六十年代，Broughton的專利中利用閥切換技術改變進樣、流動相注入點及分離物收集點的位置來實現(xiàn)逆流操作，產(chǎn)生相當于吸附劑連續(xù)向下移動，而物料連續(xù)向上移動的效果。這種設備的生產(chǎn)能力和分離效率比固定吸附床高，又可避免移動床吸附劑磨損、碎片或粉塵堵塞設備或管道以及固體顆粒縫問的溝流，操作連續(xù)化，總柱效高，流動相消耗量少，在工業(yè)上得到了廣泛應用。但SMB分離技術只能夠進行二元組分的分離，應運而生的SSMB(順序式模擬移動床色譜分離)技術則有效解決了這難題。SSMB是一種間歇順序操作的模擬移動床，增加了可以供分離中間組分流出的出口，并采用了間歇進料、間歇出料的不同順序、不同程序的運行模式，傳統(tǒng)sMB的每步均被分為3-4個子步驟進行，實現(xiàn)了三種不同組分的分離，大大提高了產(chǎn)品純度，同時得到高純度副產(chǎn)物，有效降低了成本。

功能性低聚糖是指對人、動物、植物等具有特殊生理作用的單糖數(shù)在2～10之間的一類寡糖，主要包括低聚異麥芽糖、低聚果糖、低聚半乳糖、水蘇糖、棉子糖、低聚木糖等。其甜度般只有蔗糖的30％～50％，具有低熱量、抗齲齒、防治糖尿病、改善腸道菌落結構等生理作用，在功能性食品的配料中十分重要，正日益受到消費者的青昧。功能性低聚糖的生產(chǎn)般是以淀粉或蔗糖為原料利用糖苷酶的糖基轉移作用進行的。由于糖苷酶對底物專性要求不高的催化特性，功能性低聚糖的轉化率較低，產(chǎn)品中除含有目標產(chǎn)品功能性低聚糖外，隨產(chǎn)品種類不同還含有大量的葡萄糖、蔗糖、麥芽低聚糖等副產(chǎn)物。這些副產(chǎn)物的存在，在很大程度上降低了功能性氐聚糖的生理功能。因此，功能性低聚糖的分離純化已成為生產(chǎn)廠家亟待解決的研究課題。然而，由于功能性低聚糖產(chǎn)品成分復雜且往往性質(zhì)較為接近，其分離純化就變得比較困難，常規(guī)分離法如結晶法難以適用。目前雖已有數(shù)種功能性低聚糖產(chǎn)品的純度達到90％以上，但由于生產(chǎn)成本高而影響其生產(chǎn)和使用。因此，開發(fā)功能性低聚糖的新型低成本分離方法將大有前途。

目前，SMB和ISSMB技術已廣泛應用于醫(yī)藥、生物、精細化工工業(yè)中，顯示出良好的應用優(yōu)勢。在功能性低聚糖的分離純化中也表現(xiàn)出了良好的應用特性和成本優(yōu)勢，現(xiàn)就模擬移動床色譜分離技術在幾種主要功能性低聚糖生產(chǎn)中的應用進行介紹。

色譜分離技術在低聚異麥芽糖產(chǎn)品分離純化中的應用

低聚異麥芽糖是2-8個葡萄糖分子以α-1，6糖苷鍵連接起來的寡糖。通常情況下，低聚異麥芽糖不被酵母所發(fā)酵，系非發(fā)酵性低聚糖。低聚異麥芽糖能有效的促進入體內(nèi)有益細菌一雙歧桿菌的生長繁殖，故又稱為“雙歧桿菌生長促進因子”，簡稱“雙歧因子”。經(jīng)多年臨床與實際應用表明，雙歧桿菌有許多保健功能，而作為雙歧桿菌促進因子的低聚異麥芽糖自然就受到了人們的關注。

目前生產(chǎn)低聚異麥芽糖最常用的方法是利用α-D葡萄糖苷酶的糖基轉移作用。在生產(chǎn)過程中，由于轉苷酶的轉化率較低，粗產(chǎn)品中含有大量的葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖等非功能性糖，同時還含有大量聚合度4以上的糖類，大大影響了產(chǎn)品的功能性。目前使用較為廣泛的低聚異麥芽糖500產(chǎn)品，功能性三糖(異麥芽糖+異麥芽三糖+潘糖)含量僅在35％～38％，經(jīng)過發(fā)酵精制后的900產(chǎn)品中功能性三糖的含量也只有45％～49％，且發(fā)酵過程中葡萄糖全部被微生物消耗，不能得到有效利用，提高了產(chǎn)品成本。

傳統(tǒng)的模擬移動床應用于低聚異麥芽糖的分離，由于只能實現(xiàn)兩種組分的分離，使得最終產(chǎn)物中還含有很多的葡萄糖以及四糖以上的聚合糖類，因此采用順序式模擬移動床用于低聚異麥芽糖產(chǎn)品的分離純化，取得了良好效果。

(1)樹脂選型

采用強酸性聚苯乙烯大孔樹脂對低聚異麥芽糖進行分離，首先用不同金屬陽離子對樹脂進行改型后，按照普通樹脂的一般承受溫度60℃，料液濃度濃縮至50％，流速1 5BV，測定三種樹脂的分離效果。結果表明，相對于鈣型樹脂和鉀型樹脂，鈉型樹脂具有最好的分離效果，單柱分離低聚異麥芽糖中功能性三糖含量顯著高于其他兩種書時脂(見表1)。

(2)分離參數(shù)優(yōu)化

選用鈉型樹脂作為分離用樹脂，樹脂裝填內(nèi)徑為140mm，裝填高度為360mm，在此條件下對其他分離參數(shù)(進料濃度、分離溫度、分離pH等)進行優(yōu)化，各參數(shù)對分離結果的影響如下：由圖1可以看出，低聚異麥芽糖色譜分離的各最優(yōu)參數(shù)分別為柱溫70℃，pH值5.8，進料濃度60％。在此工藝條件下，進行放大生產(chǎn)，最終確定采用順序式模擬移動床分離低聚異麥芽糖的最佳參數(shù)為：采用鈉離子改型的強酸性聚苯乙烯的大孔樹脂，分離條件為料液濃度58％～63％，柱溫65—75℃，分離pH為5.5～6.0，切換時間為15-25min，所得到的低聚異麥芽糖產(chǎn)品中功能性三糖的含量可占總重量的80％以上，葡萄糖含量和四糖以上聚合糖類含量顯著降低，大大提高了產(chǎn)品純度，增加了產(chǎn)品的功能性。此外，分離過程中收集到的高純度葡萄糖可以直接用于工業(yè)化生產(chǎn)四糖以上的聚合糖類則可以返回至低聚異麥芽糖前期生產(chǎn)工藝重新進行酶解，提高低聚異麥芽糖得率的同時，也大大降低了成本。圖2為采用順序式模擬移動床分離到的低聚異麥芽糖組分檢測結果。色譜分離技術在低聚果糖產(chǎn)品分離純化中的應用

低聚果糖又稱蔗果低聚糖，是由1-3個果糖基通過β(2-1)糖苷鍵與蔗糖中的果糖基結合生成的蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖等的混合物。低聚果糖甜味柔和清爽，熱量值低，且具有良好的生理活性，得到了廣泛認可與應用。

采用酶法生產(chǎn)低聚果糖，產(chǎn)品中除含有蔗果三糖、四糖、五糖等功能性成分以外，還含有較高含量的單糖(葡萄糖、果糖)和雙糖(蔗糖)，產(chǎn)品的次

轉化率僅能夠滿足50型產(chǎn)品的指標要求。在目前所采用的分離方法中，色譜分離是最有效的方法，同時具有較好的成本優(yōu)勢。

采用上述方法對低聚果糖色譜分離條件進行優(yōu)化，得到低聚果糖色譜分離的最佳條件為：采用鈉型分離棚旨，柱溫50～70℃、分離pH值5.5～6.5，進料濃度濃度55％-70％，所得產(chǎn)品中低聚果糖純度在95％以上，其中蔗果三糖含量超過55％，葡萄糖含量在1％以下，大大增強了產(chǎn)品的功效性。圖3為SSMB技術分離純化得到的低聚果糖HPLC檢測圖。

色譜分離技術在低聚半乳糖產(chǎn)品分離純化中的應用

低聚半乳糖是一種具有天然屬性的功能性低聚糖，其分子結構般是在半乳糖或葡萄糖分子上連接1-7個半乳糖基，即Gal-(Gal)n-Glc／Gal(n為0-6)。在自然界中，動物的乳汁中存在微量的GOS，而人母乳中含量較多，嬰兒體內(nèi)的雙歧桿菌菌群的建立很大程度上依賴母乳中的GOsA分，因此，低聚半乳糖是功能性低聚糖中令人矚目的種，具有很多的生理活性。商業(yè)GOS般采用乳糖為原料生產(chǎn)產(chǎn)品中含有大量葡萄糖、半乳糖和乳糖，而目的產(chǎn)品低聚半乳糖的含量則較低。由于產(chǎn)品中含有較多的乳糖，會引起人群的乳糖不耐癥反應，葡萄糖的存在則使產(chǎn)品不能夠作為糖尿病患者的食品，大大限制了其適用范圍，因此市場上急需種高純度低聚半乳糖來突破這一瓶頸，也成為各生產(chǎn)廠家的努力方向。

同樣采用順序式模擬移動床色譜分離技術純化低聚半乳糖，并采用上述方法和步驟對各項工藝參數(shù)進行優(yōu)化，得到低聚半乳糖分離純化最佳工藝條件為：采用鈉型改型樹脂進行分離，進料濃度50～65％，柱溫55～75℃、pH5.0～6.5，切換時間12～30min，在此條件下，反應液被分為單糖、雙糖及低聚半乳糖三種組分，其中低聚半乳糖有效組分最高可達95％以上，葡萄糖和乳糖含量大大降低，提高了產(chǎn)品功能性的同時，也擴大了產(chǎn)品應用范圍。此外，分離出來的二糖組分為高純度乳糖，可以作為原料乳糖循環(huán)使用，提高了產(chǎn)品產(chǎn)率。采用該技術分離純化后的低聚半乳糖HPLC組分檢測結果如圖4所示。

色譜分離技術在其他功能糖和糖醇產(chǎn)品分離純化中的應用

除了上述3種功能性低聚糖之外，色譜分離技術在其他功能糖生產(chǎn)和功能糖醇領域也得到了廣泛應用。在低聚木糖、海藻糖以及麥芽糖醇、木糖醇的分離純化中，都取得了良好的應用效果。

總之，在功能糖及相關領域產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，模擬移動床色譜分離技術是種非常有發(fā)展前景的純化技術，其分離效果好、能耗低，且對環(huán)境無污染。但目前的應用過程中還存在些難題，如設備成本高、洗脫劑消耗量高等，此外在應用于不同種類產(chǎn)品時，工藝條件還需經(jīng)過較為復雜的探索和優(yōu)化過程。如何破解這些技術難題，并對模擬移動床色譜分離設備和技術不斷進行升級和優(yōu)化，同時將色譜分離與其他分離方法聯(lián)用，將對提高功能糖產(chǎn)品附加值以及整個功能糖領域的進步發(fā)展有重要意義。