大孔吸附樹脂分離大豆乳清廢液中低聚糖技術(shù)的研究

李書海，陳洪生，唐秋菊，刁靜靜，李娟，朱紅梅

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)國(guó)家雜糧工程技術(shù)研究中心）

大豆乳清是生產(chǎn)大豆分離蛋白產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物，據(jù)分析表明大豆乳清廢液中含有1.2%乳清球蛋白和1.0%大豆低聚糖，另外還含有很多有益的生理活性成分，如：大豆異黃酮、皂甙、維生素、胰蛋白酶抑制劑等。一直以來，國(guó)內(nèi)的乳清廢液多是以廢水的形式被排放掉，造成了資源的浪費(fèi)[1]。目前，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)已開始利用膜分離技術(shù)從大豆乳清廢液中回收低聚糖[2]，但由于膜分離設(shè)備的造價(jià)較高，且容易受到污染，常會(huì)給生產(chǎn)帶來不便，所以難于普及。

大孔吸附樹脂是一類不含交換基團(tuán)，且有大孔結(jié)構(gòu)的高分子吸附樹脂，具有良好的大孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，可以通過物理吸附從水溶液中有選擇地吸附有機(jī)物[3]，是近代發(fā)展起來的一類有機(jī)高聚物吸附劑，上世紀(jì)70年代末就已經(jīng)將其應(yīng)用在中草藥成分的提取分離上。試驗(yàn)通過比較不同樹脂對(duì)大豆低聚糖的吸附和解吸效果，篩選出適于分離大豆低聚糖的吸附樹脂，進(jìn)而考察不同進(jìn)樣量、不同進(jìn)樣濃度、不同進(jìn)樣溫度和不同洗脫速度對(duì)低聚糖分離效果的影響，以此來探索一條更高效、經(jīng)濟(jì)的分離大豆低聚糖的新工藝。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

大豆乳清廢液來自日月星股份有限公司。

蔗糖、棉籽糖、水蘇糖標(biāo)準(zhǔn)品、乙腈（色譜純），購(gòu)于Sigma公司；DSK530型樹脂、AB-8型樹脂、漂萊特Ca2+型樹脂、陶氏99Ca2+型樹脂，鹽酸、氫氧化鈉等試劑均為分析純。

1.2 儀器設(shè)備

制備型色譜分離設(shè)備，自行研制；DK-S24型電熱恒溫水浴鍋，上海森信試驗(yàn)儀器有限公司；LNK-871型凱式定氮儀，江蘇省宜興市科教儀器研究所；AL104精密電子天平、DELTA 320 pH計(jì)，梅特勒-托利多儀器有限公司；LGJ-1冷凍干燥機(jī)，上海醫(yī)用分析儀器廠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品的制備

取一定量的大豆乳清廢液，采用活性炭進(jìn)行脫色，用堿溶酸沉、硫酸銨分級(jí)沉淀、膜分離等預(yù)處理方法去除廢液中的蛋白質(zhì)，采用pull膜分離系統(tǒng)中的65 kDa膜包進(jìn)行脫鹽處理，處理后的溶液作為樣品留用。

1.3.2 樹脂的處理

將不同類型的吸附樹脂用95%的乙醇浸泡24 h，再對(duì)樹脂進(jìn)行脫氣[4]。

1.3.3 吸附試驗(yàn)

將預(yù)處理好的四種不同吸附樹脂，DSK530型樹脂、AB-8型樹脂、漂萊特Ca2+型樹脂、陶氏99-Ca2+型樹脂裝入制備柱（1 000×10 mm）中，分別將制備柱充填飽滿，用蒸餾水沖洗制備柱至流出液無色透明。將脫鹽脫色處理后的大豆乳清廢液通入制備柱中進(jìn)行吸附，分別測(cè)定不同流速（1、2、3、4、5 mL·min-1）、不同進(jìn)樣量（10、15、20、25、30 mL）、不同進(jìn)樣濃度（5%、15%、25%、35%、45%）、不同進(jìn)樣溫度（45、55、65、75、85℃）條件下流出液中低聚糖和單糖的分離度及總糖的回收率[5]。

式中Rsij為各組分間的分離度，ti和tj分別為峰i和峰j的保留時(shí)間；Wi和Wj分別為峰i和峰j在峰底（基線）的峰寬。

1.3.4 統(tǒng)計(jì)分析

所得數(shù)據(jù)均為三次重復(fù)的平均值，用Statistix 8.0（分析軟件，St Paul，MN）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，平均數(shù)之間顯著性差異（P＜0.05）通過Turkey HSD進(jìn)行，用Sigmaplot 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型樹脂對(duì)大豆低聚糖分離效果的影響

大孔吸附樹脂通過吸附性和分子篩原理，有機(jī)化合物根據(jù)吸附力的不同及分子量的大小，在大孔吸附樹脂上經(jīng)一定的溶劑洗脫而達(dá)到分離的目的。從圖1可以看出，不同型號(hào)的吸附樹脂對(duì)大豆乳清廢液中的低聚糖都有一定的吸附分離作用，而且不同樹脂的吸附分離能力也不同。其中A型樹脂的分離度最高，總糖回收率也較高，其次是B型樹脂，D型樹脂的分離度最低。這可能是由于四種樹脂的極性、分離性質(zhì)不同，對(duì)大豆低聚糖的吸附能力也不同，因此，在同等分離條件下，分離度也顯著不同。如AB-8樹脂是一種球狀、弱極性聚合物吸附劑，它通過較大的孔徑，從水溶液中提取有機(jī)物。DSK530型樹脂和陶氏310型樹脂屬于聚苯乙烯型螯合型樹脂，該樹脂具有較強(qiáng)的吸附陽(yáng)離子的能力，可與吸附樣品發(fā)生氫鍵作用并形成絡(luò)合物，從而達(dá)到分離的目的。因此，研究中將DSK530型號(hào)樹脂確定為分離大豆乳清廢液中低聚糖的最適樹脂。

2.2 不同流速對(duì)大豆低聚糖分離效果的影響

圖2是不同流速對(duì)大孔吸附樹脂分離大豆低聚糖效果的影響。由圖2可知，隨著流速的增大，分離度逐漸下降，這是由于隨著速度的增加，在一定吸附率條件下，樹脂中低聚糖的解吸速率隨之降低，根據(jù)大孔樹脂的吸附作用主要是物理吸附（范德華力或產(chǎn)生氫鍵的結(jié)果），所以流速對(duì)其解吸率具有較大的影響[6]，因此隨著流速的增加低聚糖的分離度下降，總糖的回收率也隨之下降，綜合考慮樹脂的吸附效果及工作效率，確定流速2 mL·min-1為最適流速。

圖1 不同類型樹脂對(duì)大豆低聚糖分離度和總糖回收率的影響Fig.1 The effect of different resins on resolution and total sugar recovery rate

圖2 不同洗脫流速對(duì)大豆低聚糖分離度和總糖回收率的影響Fig.2 The effect of different desorption velocity on resolution and total sugar recovery rate

2.3 不同進(jìn)料量對(duì)大豆低聚糖分離效果的影響

配制濃度為20%的大豆低聚糖粗提液分別以10、15、20、25、30 mL的進(jìn)料量上DSK530型大孔吸附樹脂柱，在50℃條件下以2 mL·min-1流速的蒸餾水進(jìn)行分離，計(jì)算大豆低聚糖的分離度和總糖回收率。圖3是不同進(jìn)料量對(duì)大豆低聚糖分離度和總糖回收率的影響曲線，由圖3可知，隨著進(jìn)料量的增加，大豆低聚糖的分離度和總糖回收率都逐漸降低，而且差異顯著（P＜0.05）。分離度的高低直接影響到大豆低聚糖的純度，進(jìn)樣量為10 mL時(shí)，分離度達(dá)到0.57，總糖回收率達(dá)到90%以上，當(dāng)進(jìn)料量增加到30 mL時(shí)，分離度低于0.4，總糖回收率約81%，差異顯著（P＜0.05），這可能是由于在不超過DSK530型吸附樹脂的吸附量時(shí)，該樹脂吸附量隨著被吸附物質(zhì)含量的增加而增加[7-9]，而當(dāng)大于該樹脂的吸附量時(shí)，由于被吸附物質(zhì)含量過多，則會(huì)造成分離度的下降。因此，綜合試驗(yàn)效果和回收率確定進(jìn)料量15 mL為宜。

圖3 不同進(jìn)料量對(duì)大豆低聚糖分離度和總糖回收率的影響Fig.3 The effect of different feeding amount on resolution and total sugar recovery rate

2.4 不同料液濃度對(duì)大豆低聚糖分離效果的影響

分別配制5%、15%、25%、35%、45%的大豆低聚糖粗提液，在溫度50℃、流速2 mL·min-1、進(jìn)樣量15 mL條件下進(jìn)行分離，測(cè)定不同料液濃度下大豆低聚糖粗提液在DSK530樹脂上的分離度和總糖回收率。由圖4可知，隨著料液濃度的增加，大豆低聚糖粗提液的分離度和總糖回收率逐漸降低，其中料液濃度為5%時(shí)，其分離度和總糖回收率最高，45%條件下其分離度和總糖回收率最低，這可能是由于隨著料液濃度的增加，樹脂的吸附量增加，在一定解吸流速下，解吸物質(zhì)也逐漸增多，影響到吸附物質(zhì)的純度，從而引起分離度的下降。而另一方面隨著進(jìn)料濃度的增加，被吸附物質(zhì)也隨著增多，不同物質(zhì)的吸附能力不同，因此在一定流速條件下其總糖回收率也不同。從工作效率和分離效果方面考慮確定15%為最佳的料液濃度。

圖4 不同進(jìn)料濃度對(duì)大豆低聚糖分離度和總糖回收率的影響Fig.4 The effect of different feeding concentration on resolution and total sugar recovery rate

2.5 不同分離溫度對(duì)大豆低聚糖分離效果的影響

一般而言，吸附是一個(gè)放熱過程，因此較低的溫度有利于提高吸附量和增加吸附速率[8，10-12]。但是樣品不同，填料不同，吸附物質(zhì)的相應(yīng)遷移速度也不同。由圖5可知，樣品的分離度、總糖回收率在45～65℃之間是隨溫度的升高而增大，當(dāng)溫度大于65℃，其分離度和總糖回收率又逐漸降低。其中65℃時(shí)，分離度和總糖回收率都達(dá)到較高的程度，因此確定65℃為最適分離溫度。

圖5 不同洗脫溫度對(duì)大豆低聚糖分離度和總糖回收率的影響Fig.5 The effect of different separation temperature on resolution and total sugar recovery rate

3 結(jié)論

（1）研究以分離度和總糖回收率為分析指標(biāo)對(duì)DSK530型樹脂、AB-8型樹脂、漂萊特Ca2+型樹脂和陶氏99-Ca2+型樹脂進(jìn)行分析，確定了DSK530型樹脂為分離大豆乳清廢液中低聚糖的最適樹脂。

（2）通過對(duì)洗脫流速、進(jìn)樣量、進(jìn)料濃度、分離溫度等因素的分析，得出洗脫流速為2 mL·min-1、分離溫度65℃、進(jìn)料濃度15%，進(jìn)樣量15 mL條件下，樣品的分離度和總糖回收率較高。且大孔吸附樹脂再生簡(jiǎn)單，可重復(fù)使用，成本低，適于工業(yè)化應(yīng)用[13]。

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