連續(xù)色譜移動床分離甘蔗渣提取物制備阿拉伯糖和木糖的研究與應(yīng)用

錢朋智，張梅娟

（1.齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué)生命科學(xué)與農(nóng)林學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006）

目前，國內(nèi)制備L-阿拉伯糖、D-木糖主要集中在北方，多以玉米芯、玉米皮等農(nóng)作物廢棄料中的半纖維素和木糖生產(chǎn)中產(chǎn)生的母液為原料[1]。甘蔗渣是制糖工業(yè)的主要副產(chǎn)品，是甘蔗機械壓榨提汁后所剩的主要部分，甘蔗渣成分中纖維素含量32%～48%，多縮戊糖含量24%～25%，木質(zhì)素含量18%～20%，灰分含量2%～4%[2]。甘蔗渣來源集中、產(chǎn)量大、價格低廉，是理想的生產(chǎn)L-阿拉伯糖和D-木糖的原料。

連續(xù)色譜移動床主要采用Septor IX轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)，其多孔旋轉(zhuǎn)分配閥，運行過程中可以實現(xiàn)同時切換，可以保證閥門切換的同步；可以根據(jù)需要采用孔數(shù)不同的閥門；樹脂柱安放在同一個轉(zhuǎn)盤上同閥門同步轉(zhuǎn)動，真正實現(xiàn)柱床移動，可大量節(jié)省樹脂量；木糖、L-阿拉伯糖收率、濃度及純度高和穩(wěn)定性高；一般只采用水或某一種解析劑，不具有強腐蝕性，三廢排放量極少，減少環(huán)保壓力。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

甘蔗渣，購自當(dāng)?shù)馗收崽菑S，堆放時間3個月以上。

濃硫酸、濃鹽酸、氫氧化鈉等試劑和藥品，均為分析純；活性干酵母，安琪酵母股份有限公司提供；D001苯乙烯大孔型強陽離子交換樹脂、D301-FD苯乙烯大孔型弱陰離子交換樹脂、DOC2001苯乙烯大孔型強陰離子交換樹脂，江蘇蘇青水處理有限公司提供。

1.2 主要設(shè)備

SGD-Ⅳ型全自動還原糖測定儀，山東科學(xué)院生物研究所產(chǎn)品；YS-10L型雙層玻璃立式結(jié)晶槽，廣州乙勝實驗儀器有限公司產(chǎn)品；CD-UPTL-I-40L型超純水器，成都越純科技有限公司產(chǎn)品；20柱連續(xù)色譜Septor IX轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)，三達膜環(huán)境技術(shù)股份有限公司產(chǎn)品。

1.3 工藝流程

甘蔗渣→稀硫酸水解→水洗回收糖→一次脫色→一次濃縮→二次脫色→一次離子交換→二次濃縮→二次離子交換→三次濃縮→結(jié)晶→分離→木糖母液→稀釋→脫色→離子交換→濃縮→連續(xù)色譜移動→阿拉伯糖。

2 結(jié)果與討論

2.1 甘蔗渣提取工藝

正交試驗優(yōu)化得出最佳水解參數(shù)為硫酸質(zhì)量分數(shù)1.2%，料液比1∶8，酶解時間120 min，酶解溫度123℃，經(jīng)過脫色、離子交換、濃縮、結(jié)晶等多步分離純化工序，制備出外觀潔白、晶體均勻一致、流動性好的木糖晶體。107 kg絕干甘蔗渣生產(chǎn)10 kg木糖產(chǎn)品，產(chǎn)品得率為9.35%。經(jīng)高效液相色譜檢測，木糖產(chǎn)品的純度為99.68%，符合GB/T 23532—2009的要求，得到的木糖母液質(zhì)量為9.5 kg。

2.2 木糖母液的稀釋

工藝參數(shù)為溫度45℃，攪拌器轉(zhuǎn)速120 r/min，用純水將黏稠的木糖母液稀釋至折光質(zhì)量分數(shù)20%左右。稀釋前，木糖母液質(zhì)量9.5 kg，折光度60%，透光4.88%，電導(dǎo)500 μs/cm，高效液相色譜儀分析木糖母液中的葡萄糖含量10.5%，木糖含量60.53%，L-阿拉伯糖含量13.72%。稀釋后，料液透光12.7%，pH值 4.5，電導(dǎo)1 806 μs/cm，折光度20.52%。

2.3 發(fā)酵去除葡萄糖

經(jīng)多次試驗，確定工藝參數(shù)是活性干酵母添加量為料液質(zhì)量的0.2%；料液pH值自然，溫度25℃，鼓風(fēng)充氧，攪拌器轉(zhuǎn)速100 r/min，用生物傳感儀或高效液相色譜儀檢測葡萄糖含量，當(dāng)葡萄糖含量＜1%時，結(jié)束發(fā)酵，布氏漏斗抽濾。濾液折光度20.13%，pH值4.33，電導(dǎo)1 784 μs/cm，高效液相色譜儀檢測葡萄糖含量0.41%，木糖含量72.3%，L-阿拉伯糖含量17.50%。

2.4 脫色

正交試驗優(yōu)化得出最佳參數(shù)是活性炭添加量為料液質(zhì)量的0.5%，溫度80℃，保溫30 min，布氏漏斗抽濾。脫色液折光度20.0%，電導(dǎo)1 759 μs/cm，pH值4.20，透光90.52%。

2.5 離子交換

經(jīng)多次試驗，確定脫色液離交順序為弱陰離子交換樹脂柱-強陽離子交換樹脂柱-強陰離子交換樹脂柱。離交液質(zhì)量27.46 kg，折光度16.07%，透光100%，電導(dǎo)5.33 μs/cm，pH值6.48。

2.6 濃縮

工藝參數(shù)為真空度-0.089 MPa，溫度80℃，轉(zhuǎn)速25 r/min。濃縮液質(zhì)量為9.87 kg，折光度45%，高效液相色譜儀分析木糖含量72.38%，L-阿拉伯糖含量17.53%。

2.7 連續(xù)色譜移動床分離

連續(xù)色譜分離移動床分離劑為鈣型陽離子色譜分離樹脂，分離溫度60℃，單柱裝樹脂量800 mL；20根柱子樹脂總裝填量16 L，其中1～5號柱為洗脫區(qū)，6～10號柱為二級分離區(qū)，11～15號柱為一級分離區(qū)，16～20號柱為水回收區(qū)。L-阿拉伯糖組分從柱5的出口處收集，D-木糖組分從柱15的出口處收集。以料液處理量，產(chǎn)品的濃度、純度、收率等為考查指標，經(jīng)過反復(fù)驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，確定最佳的轉(zhuǎn)盤周期、各區(qū)域流速等參數(shù)：樹脂柱轉(zhuǎn)到速率為214 r/min。濃縮液進料流速9 mL/min，木糖組分流速13.5 mL/min，L-阿拉伯糖組分流速12 mL/min，補水流速16.5 mL/min。一級分離區(qū)流速66.5 mL/min，二級分離區(qū)流速58 mL/min，三區(qū)洗脫區(qū)69 mL/min，四區(qū)水回收區(qū)流速52.5 mL/min。L-阿拉伯糖組分質(zhì)量8.28 kg，折光度9.46%，純度92.29%，得率為92.84%；木糖組分質(zhì)量15.15 kg，折光度21.03%，純度91.46%，得率為9.67%。

2.8 濃縮、結(jié)晶

2.8.1 L-阿拉伯糖組分的濃縮、結(jié)晶

工藝過程及參數(shù)是收集的L-阿拉伯糖組分溶液蒸發(fā)為折光度83%，測得糖漿質(zhì)量為0.731 kg，導(dǎo)入立式結(jié)晶器中，冷卻降溫，降溫幅度2.5～3.5℃，進行循環(huán)水觀察糖漿狀態(tài)。當(dāng)起晶時，按L-阿拉伯糖漿質(zhì)量的0.5%添加晶種4.28 g（L-阿拉伯糖晶種研磨為100目的粉末，用適量無水乙醇配成晶種糊），降溫幅度1℃/h，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速12 r/min，當(dāng)降至35℃左右時，結(jié)晶結(jié)束，經(jīng)離心機分離、干燥工序得到L-阿拉伯糖成品。L-阿拉伯糖成品質(zhì)量0.549 kg，外觀為潔白無暇、流動性好、結(jié)構(gòu)松散的結(jié)晶性粉末，純度為99.90%。2.8.2 木糖的回收

工藝參數(shù)是收集的D-木糖組分溶液蒸發(fā)為折光度83%，測得糖漿質(zhì)量為3.48 kg，導(dǎo)入立式結(jié)晶器中，冷卻降溫，降溫幅度2.5～3.5℃，進行循環(huán)水觀察糖漿狀態(tài)。當(dāng)起晶時，按D-木糖漿質(zhì)量的0.5%添加晶種17.4 g（D-木糖晶種研磨為100目的粉末，用適量無水乙醇配成晶種糊），降溫幅度1℃/h，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速12 r/min，當(dāng)降至35℃左右時，結(jié)晶結(jié)束，經(jīng)離心機分離、干燥工序得到D-木糖糖成品。D-木糖成品質(zhì)量2.21 kg，外觀為潔白無暇、流動性好、結(jié)構(gòu)松散的結(jié)晶性粉末，純度為99.93%。

3 結(jié)論

以硫酸為酸化劑酶解甘蔗渣，硫酸質(zhì)量分數(shù)1.2%，料液比1∶8，酶解時間120 min，酶解溫度123℃，離心后的酶解液經(jīng)過脫色、離子交換、濃縮、結(jié)晶等多步分離純化工序，制備出外觀潔白、晶體均勻一致、流動性好的木糖晶體，產(chǎn)品得率為9.35%，經(jīng)高效液相色譜檢測，木糖產(chǎn)品的純度為99.68%，符合GB/T 23532—2009的要求。利用連續(xù)色譜移動床（Septor IX）分離甘蔗渣提取液的木糖結(jié)晶母液，L-阿拉伯糖和D-木糖得到了最佳分離，組分純度分別達92.29%和91.46%，組分得率分別為92.84%和90.67%。分別結(jié)晶后，高效液相色譜分析L-阿拉伯糖成品純度為99.90%，木糖產(chǎn)品純度為99.90%。

參考文獻：

[1]朱路甲，張雪梅，趙守明，等.L-阿拉伯糖從木糖母液中色譜分離樹脂的合成研究 [J].中國食品添加劑，2012 （1）：144-147.

[2]尤新，李明杰．木糖與木糖醇的生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用 [M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2006：17-19.◇