模擬移動床技術(shù)在糖類分離制備中的應用

王尉，樂勝鋒，趙利新，張經(jīng)華

（1.北京市理化分析測試中心，北京100089；2.有機材料檢測技術(shù)與質(zhì)量評價北京市重點實驗室，北京100094；3.北京翔悅環(huán)宇科技發(fā)展有限公司，北京100094）

模擬移動床技術(shù)在糖類分離制備中的應用

王尉1，2，樂勝鋒1，2，趙利新3，張經(jīng)華1

（1.北京市理化分析測試中心，北京100089；2.有機材料檢測技術(shù)與質(zhì)量評價北京市重點實驗室，北京100094；3.北京翔悅環(huán)宇科技發(fā)展有限公司，北京100094）

簡述模擬移動床技術(shù)的發(fā)展和在糖類分離中的應用現(xiàn)狀，著重介紹模擬移動床技術(shù)在分離單糖和糖醇、以及寡糖中的應用。與傳統(tǒng)的制備色譜技術(shù)相比，模擬移動床采用連續(xù)操作手段，具有易于自動化操作，制備效率高，制備量大等特點，在糖醇工業(yè)上具有良好的發(fā)展前景。

模擬移動床；單糖；糖醇；寡糖；離子交換樹脂

模擬移動床（simulated moving bed，SMB）是一種基于色譜分離原理可連續(xù)操作的現(xiàn)代化色譜分離技術(shù)。SMB作為連續(xù)色譜技術(shù)中的最適于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的一類，以其操作連續(xù)化、流動相耗量少等優(yōu)點受到了廣泛重視。與傳統(tǒng)的制備色譜技術(shù)相比，SMB采用連續(xù)操作手段，具有易于自動化操作，制備效率高，制備量大等特點。

1 模擬移動床技術(shù)及其在糖類分離中的發(fā)展

1.1 模擬移動床技術(shù)的產(chǎn)生

SMB技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀60年代，Broughton[1]在專利中利用閥切換技術(shù)改變進樣口、流動相入口及分離物收集口的位置來實現(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，這也是最早有關(guān)SMB的論述。

在70年代初期美國環(huán)球油品公司（簡稱UOP公司）開發(fā)了一種基于SMB原理的色譜技術(shù)，采用該技術(shù)開發(fā)的色譜裝置被稱為Sorbex[2]。該裝置通過色譜填料和萃取劑的相對逆流運動來模擬固定相的移動，其分離效率和生產(chǎn)能力遠遠高于傳統(tǒng)的固定床吸附設備。Sorbex主要被用于分離各種石油餾出物。后來，UOP公司還將模擬移動床色譜技術(shù)成功用于對二甲苯和間二甲苯、對甲苯酚和間甲苯酚的分離，并從C8芳香族化合物中分離得到乙苯，從煤油C4烯烴混合物中分離丁烯-1，從蒎烯混合物中分離β-蒎烯等[3]。

1.2 模擬移動床技術(shù)的分離過程

典型的SMB由4個區(qū)域組成（見圖1），每3根色譜柱為一個區(qū)域。進料口、提取液、提余液、洗脫液（流動相）分布在各個區(qū)域之間。原料A+B（其中A為強吸附組分，B為弱吸附組分）從Ⅱ和Ⅲ區(qū)之間連續(xù)進入，流動相順時針移動。在一定時間內(nèi)，進料口、提取液、提余液、洗脫液的位置同時順時針切換，通過此過程來模擬色譜柱（固定相）逆時針移動。經(jīng)過不斷的周期性位置切換，A組分將隨固定相的移動從提取液出口流出。另一方面，由于固定相對B組分的吸附能力小于流動相的洗脫能力，B組分將隨流動相的移動從提余液出口流出，通過以上過程即可實現(xiàn)AB兩組分有效分離的目的。

圖1 模擬移動床色譜示意圖Fig.1 The sketch map of SMB chromatography

1.3 模擬移動床技術(shù)在糖類分離中的發(fā)展

近年來，隨著對模擬移動床色譜技術(shù)研究的深入，其應用領(lǐng)域也進一步擴大，從單一的石油化工制品的分離逐步涉及到精細化工、制糖業(yè)、化妝品和香料工業(yè)等領(lǐng)域[4]。我國早在20世紀80年代后期就開始了這方面的研究，其中果糖與葡萄糖的分離是SMB在糖類成分制備中起步最早的，也是目前制糖工業(yè)分離中規(guī)模最大的[5-6]。對于果糖與葡萄糖的分離是一個典型的二組分分離，充分利用了SMB的特點，節(jié)省了樹脂和洗脫劑用量，提高了生產(chǎn)自動化程度，而且過程中的排污很少，實現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，綠色環(huán)保。

在糖類的工業(yè)生產(chǎn)中，通常以淀粉等多糖作為底物，經(jīng)水解或酶工程轉(zhuǎn)化得到目標產(chǎn)品，或通過單糖、二糖合成而得。無論采用何種方法，都會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，主要的副產(chǎn)物為目標產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)類似物或降解產(chǎn)物等。隨著SMB技術(shù)的逐漸成熟和發(fā)展，非常適用樣品雜質(zhì)明確的兩組分或三組分樣品的分離，尤其是在糖類制備的應用更為廣泛。本文詳細敘述了SMB技術(shù)在單糖和糖醇、寡糖等方面的應用。

2 模擬移動床在糖類分離制備中的應用

2.1 單糖和糖醇的分離制備

2.1.1 果糖的分離制備

果糖是最甜的天然營養(yǎng)型甜味劑，具有高甜、冷甜和純正爽口的甜味特征，及代謝不依賴胰島素、不會引起血糖過大波動等優(yōu)良的代謝特征。果糖與葡萄糖互為同分異構(gòu)體，是己酮糖，富含于菊芋等菊科植物和蜂蜜、水果中。工業(yè)上常以果葡糖漿為原料開展果糖的分離制備工作。李良玉等[7]使用大慶宏源分離技術(shù)研究所研制的XZ12-1.2L模擬移動床對F42果葡糖漿進行分離制備。使用的色譜填料為Ca2+型離子交換樹脂，進料流速3.0mL/min，洗脫流速7.5mL/min，循環(huán)流速12.0mL/min，切換時間400 s，可以得到純度為95%的果糖，其收率高達85%。

2.1.2 木糖和木糖醇分離制備

木糖醇是一種五碳糖，是國際公認的安全的食品添加劑，它能預防齲齒，并可輔助治療糖尿病，因而在食品、醫(yī)藥、日化等行業(yè)中被越來越廣泛地應用。目前多采用酸水解玉米芯、中和脫色、催化加氫的方法生產(chǎn)木糖醇，其副產(chǎn)物包括木糖以及少量葡萄糖等。孫培冬等[8]使用德國Knauer公司的八柱四區(qū)SMB系統(tǒng)對木糖醇母液進行分離。色譜填料為732Na+型離子交換樹脂，進料流速0.4mL/min，洗脫流速1.5mL/min，萃取流速0.8mL/min，萃余流速1.1mL/min，切換時間20min，最終可分離得到高純度的木糖、木糖醇，其純度分別為99.3%和99.8%。何凡等[9]利用平衡理論模型分析和預測了木糖、木糖SMB色譜操作條件對系統(tǒng)分離性能的影響，使用Knauer CSEPC916型八柱SMB系統(tǒng)，色譜填料為大孔苯乙烯骨架Ca2+型離子交換樹脂，循環(huán)流速12mL/min，進料流速2mL/min，洗脫流速14mL/min，木糖流速6mL/min，木糖醇流速10mL/min，切換時間15min。所得木糖醇與木糖產(chǎn)品液的純度和收率均接近100%。

2.1.3 D-核糖的分離制備

D-核糖是存在于生物體內(nèi)的一種天然戊糖，是生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)核酸和能量物質(zhì)三磷酸腺苷的組成成分，具有重要的生理功能和廣泛的應用前景。工業(yè)上多以葡萄糖等為原料，在合適的工藝條件下，將葡萄糖轉(zhuǎn)化為D-核糖。高潤香[10]使用2臺L-120CSMB設備，分別用于分離去處陰、陽離子。通過條件優(yōu)化，進料速度4 250mL/h，切換時間1.2 h時，所得收集液中D-核糖產(chǎn)品濃度達到3.74%，回收率為97.8%。

2.1.4 L-阿拉伯糖的分離制備

L-阿拉伯糖是一種戊醛糖，可以選擇性地影響小腸二糖水解酶中消化蔗糖的蔗糖酶，從而抑制蔗糖的吸收。L-阿拉伯糖作為生產(chǎn)木糖的副產(chǎn)物，在木糖結(jié)晶后的母液富含大量的L-阿拉伯糖，如能提取利用將使成本大大降低。朱路甲等[11]采用分散聚合法合成苯乙烯骨架的Ca2+型離子交換樹脂，以此為色譜柱填料，通過SMB對木糖母液中的L-阿拉伯糖進行了分離。SMB設備為實驗室自制的8根色譜柱串聯(lián)的系統(tǒng)，母液進料濃度為30%，洗脫速度2.5mL/min，分離溫度為35℃，可以得到純度為99.5%的L-阿拉伯糖，其收率達到了96%。

2.1.5 甘露糖的分離制備

甘露糖作為果葡糖漿生產(chǎn)中的副產(chǎn)物，其含量在0.2%～1.5%之間[12]。甘露糖可以作為生產(chǎn)甘露醇的原料，廣泛用于醒酒藥、口中清涼劑等咀嚼片的制造。章朝暉等[13]以葡萄糖異構(gòu)化反應后所得到的混合糖液為原料，采用SMB裝置分離甘露糖與葡萄糖。吸附劑為強酸性陽離子交換樹脂，洗脫劑為蒸餾水，分離溫度40℃～85℃，最高壓力0.5MPa～1.5MPa，循環(huán)泵流速25 L/h～35 L/h，糖液進料量3.5 L/h～4.2 L/h，洗脫劑流速5.8 L/h～6.4 L/h，切換時間2min～12min。經(jīng)分離可以得到富含甘露糖的后餾份，濃度為18%～36%，甘露糖的含量在75%以上；得到富含葡萄糖的前餾份，濃度為15%～30%，餾分中的甘露糖含量低于8%。

2.1.6 山梨醇和甘露醇的分離制備

甘露醇和山梨醇是一對同分異構(gòu)體，同屬六元醇，在食品、醫(yī)藥和輕工業(yè)工業(yè)中有廣泛的用途。以蔗糖為原料合成方法獲得的甘露醇（約占25%）和山梨醇（約占75%）混合物，用傳統(tǒng)分離方法分離后，山梨醇液體中仍含約10%左右的甘露醇，無法采用結(jié)晶工藝提取高純度的山梨醇。而利用24根柱的SMB分離后，山梨醇母液中的甘露醇含量可降至1.8%以下，大大提高了液體山梨醇產(chǎn)品的質(zhì)量，消除了原液體山梨醇在低溫時易結(jié)晶或結(jié)凍的現(xiàn)象[14]。

2.2 寡糖的分離制備

2.2.1 低聚果糖的分離制備

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(jié)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[15]。通常低聚果糖是以蔗糖為原料通過微生物轉(zhuǎn)化而得，所以在商品化的普通產(chǎn)品中含有果糖、葡萄糖、蔗糖等副產(chǎn)物，對人體無保健作用，其中總低聚果糖的含量約為50%～60%之間。江波等[16]以普通低聚果糖為原料，使用美國先進技術(shù)分離公司CESPL-100中試型SMB，采用凝膠型的強酸性聚苯乙烯類樹脂作為分離填料，通過對切換時間的優(yōu)化，分離純化得到純度大于90%的高純度低聚果糖。劉宗利等[17]使用順序式SMB，Na+型離子交換樹脂，柱溫50℃～70℃，分離pH 5.5～6.5，進料濃度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%，大大增強了產(chǎn)品的功效性。

2.2.2 低聚異麥芽糖的分離制備

低聚異麥芽糖是2個～8個葡萄糖分子以α-1，6糖苷鍵連接起來的寡糖。具有促進腸道內(nèi)雙歧桿菌增殖，提高機體免疫力，甜度低、熱量低，不增加血糖血脂等功能[18]。工業(yè)化的生產(chǎn)工藝是以葡萄糖漿為底物，通過α-D-葡萄糖苷酶催化作用下發(fā)生葡萄糖基轉(zhuǎn)移生產(chǎn)而得，所得產(chǎn)品中往往含有大量葡萄糖、麥芽糖等副產(chǎn)物[19]。鮑元興等[20]采用納濾分離技術(shù)生產(chǎn)純度大于50%的低聚異麥芽糖，并對該樣品采用20根分離柱的CSEP中試SMB設備進行分離。采用強酸性陽離子交換樹脂作為分離填料，分離溫度60℃，進樣流速15mL/min，洗脫流速8mL/min，樣品收集流速43mL/ min，副產(chǎn)品收集流速51mL/min，可以得到純度大于85%的低聚異麥芽糖。劉宗利等[17]采用順序式SMB技術(shù)，強酸性Na+型離子交換樹脂作為分離填料，進料濃度為58%～63%，柱溫65℃～75℃，分離pH 5.0～6.5，切換時間15min～25min，得到的產(chǎn)品中低聚異麥芽糖占總質(zhì)量的95%以上。

2.2.3 低聚半乳糖的分離制備

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(jié)構(gòu)一般是在半乳糖或葡萄糖分子上連接1個～7個半乳糖基，具有提高免疫力，抗腫瘤、抗衰老，改善脂質(zhì)代謝，預防便秘等功能[21]。由于通常低聚半乳糖的工業(yè)化生產(chǎn)通常以高濃度乳糖為原料，在β-半乳糖苷酶水解作用下產(chǎn)生，產(chǎn)品中含有大量葡萄糖和乳糖等非功能性糖，大大影響了產(chǎn)品的功能性。劉宗利等[17]同樣采用順序式SMB技術(shù)，強酸性Na+型離子交換樹脂作為分離填料，進料濃度為50%～65%，柱溫55℃～75℃，分離pH 5.0～6.5，切換時間12min～30min，可以將原料分為單糖、雙糖及低聚半乳糖3種組分，其中低聚半乳糖有效組分最高可達95%以上。

2.2.4 帕拉金糖和海藻糖的分離制備

帕拉金糖又稱異麥芽酮糖，是一種蔗糖的異構(gòu)體，通過1→6糖苷鍵形成的還原性二糖。其主要功能為抗齲齒性，在腸道內(nèi)可被酶解，被人體吸收緩慢，對血糖值影響不大，有益于糖尿病人的防治和防止脂肪的過多積累。Kishihara等[22]采用16柱4個分區(qū)的SMB對商品化的帕拉金糖漿進行了制備分離。分離填料為日本三菱UBK 530Ca2+陽離子交換樹脂，分離溫度50℃，進料流速0.28×10-4m/s、洗脫流速1.69×10-4m/s，提取液流速1.26×10-4m/s，萃余液流速0.71×10-4m/s，切換時間130 s。通過上述條件，可以將原料中帕拉金糖的相對含量從33%提高至67%，海藻糖的相對含量從67%提高至87%。

2.2.5 麥芽糖和麥芽三糖的分離制備

麥芽糖和麥芽三糖具有低熱值、低甜度的特點，其甜度相當于蔗糖的30%～40%，熱值僅為蔗糖的5%，在功能性食品、糖果、巧克力、果汁飲料和冷凍食品中有廣泛的應用[23]。工業(yè)上常以小麥淀粉為原料，采用麥芽三糖淀粉酶解制備麥芽三糖糖漿，其產(chǎn)物以麥芽三糖為主，以及葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖等[24]。Kim等[25]采用16柱9個分區(qū)的順序式SMB對麥芽三糖糖漿進行了制備分離。分離填料為日本三菱UBK 530Na+型陽離子交換樹脂，分離溫度40℃，切換時間130 s，可以將原料中麥芽糖和麥芽三糖的純度分別從12%、15%提高至67%、76%。

2.2.6 海藻糖的分離制備

海藻糖是由兩個葡萄糖分子殘基通過一個α、αl，1糖苷鍵連接的非還原性二糖，具有抑制骨膠原分解的作用，可用于改善骨質(zhì)疏松癥。目前，海藻糖主要以麥芽糖或淀粉為底物通過酶轉(zhuǎn)化制備而得，其產(chǎn)品主要成分為海藻糖、葡萄糖、麥芽糖等。為了提高產(chǎn)品的功能活性，楊亞威等[26]采用旋轉(zhuǎn)式20柱模擬移動床設備對海藻糖樣品進行了分離制備，選用A216樹脂為分離填料，分離溫度58℃，進料流速13.8mL/min，洗脫液流速29.7mL/min，萃取液流速20mL/min，萃余液流速23.5mL/min、循環(huán)流速17.6mL/min，切換時間11min。最終分離得到了純度為97.6%的海藻糖。王成福等[27]對海藻糖樣品進行氫化，利用海藻糖無還原性的特點，將副產(chǎn)物麥芽糖轉(zhuǎn)化為麥芽糖醇，因此可得到海藻糖與麥芽糖醇的混合液，然后再采用SMB技術(shù)，成功將海藻糖與麥芽糖醇分離。

3 結(jié)論

模擬移動床技術(shù)作為分離技術(shù)中的一次革新，是一種真正的連續(xù)制備色譜技術(shù)。由于其具有分離效率高，填料和洗脫劑消耗少，易于實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點，在糖醇工業(yè)中引起人們的廣泛關(guān)注。在樣品的分離中，可以利用SMB技術(shù)的高靈活性，通過調(diào)整各分區(qū)的色譜柱數(shù)量，或更換不同的分離填料，就可以實現(xiàn)對不同的糖類混合物的制備工作，大大拓寬了該技術(shù)在糖類分離中的應用。但是，往往一個成功分離制備條件的建立，都需要大量復雜的數(shù)學計算和實驗操作，如何通過設計簡便模型用于計算工藝條件，減少實驗探索步驟是一個亟待解決的問題。

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Application of Simulate Moving Bed Chromatography in Separation and Preparation of Saccharides

WANG Wei1，2，LE Sheng-feng1，2，ZHAO Li-xin3，ZHANG Jing-hua1
（1.Beijing Centre for Physical and Chemical Analysis，Beijing100089，China；2.Beijing Key Laboratory of Detection Technology&Quality Evaluation of Organic Material，Beijing100094，China；3.Beijing Xiang Yue Huan Yu Science and Technology Development Co.，Ltd.，Beijing100094，China）

The development and application in separation and preparation of saccharides of the technology of simulation moving bed（SMB）were reviewed The major applications in monosaccharide，sugar alcohol and oligosaccharide of SMB were also reviewed.The SMB was an advanced separation-technology of chromatography compared with traditional technology of chromatography.It had good prospects in sugar alcohol industry with auto-control，high efficiency and great yield.

simulated moving bed；monosaccharide；sugar alcohol；oligosaccharide；ion exchange resin

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.04.051

2016-04-18

王尉（1984—），男（漢），助理研究員，碩士，研究方向：天然產(chǎn)物分離純化。