Septor IX分離木糖母液中木糖與阿拉伯糖技術(shù)研究

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，L-阿拉伯糖的生產(chǎn)方法主要有水解法、微生物酶法、微生物除雜發(fā)、化學(xué)合成法等。L-阿拉伯糖早期的提取方法為Tschiersch B等發(fā)明的堿提取法[1]，主要利用甜菜粕為原料，先堿提、酸解、色譜分離等工序，得到阿拉伯糖，該方法分離難度大、設(shè)備投入高。馮亞青等發(fā)明了用兩柱法從阿拉伯膠中提取L-阿拉伯糖的方法[2]，主要以阿拉伯膠為原料，經(jīng)酸解、中和、濃縮、乙酸沉淀、兩柱分離，得到L-阿拉伯糖，但該方法處理工作量大，難于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。Loeza-Come J.M.[3]等利用具有α-L-阿拉伯糖苷酶活性的天然酶水解牧豆樹膠生產(chǎn)L-阿拉伯糖，L-阿拉伯糖收率僅為17.04%。李道義等使用酵母菌發(fā)酵玉米皮酸水解液來制備結(jié)晶L-阿拉伯糖[4]，阿拉伯糖晶體得率為9.6%(以玉米皮干基計)，該方法的分離純化過程簡單易行，適用于以玉米皮為原料工業(yè)化制備L-阿拉伯糖。Kim KS等[5]用3，4二氫-2H-吡喃經(jīng)硒的羥基化反應(yīng)合成了阿拉伯糖，但此方法產(chǎn)物D、L型的消旋體，需要拆分，且所用原料較貴、步驟較多。Wulff G等[6]報道了另一種化學(xué)合成L-阿拉伯糖的方法，但同時生成了4種L-戊醛糖，其中L-阿拉伯糖的含量只有32.5%，分離困難。木糖主要是通過無機(jī)酸水解富含半纖維素的原料生成，制備方法主要有中和脫酸法、離子交換脫酸法、電滲析脫酸法、結(jié)晶法、層析分離法[7]；用木聚糖酶進(jìn)行玉米芯的水解試驗，技術(shù)上完全是可能的，但必須是外切型木聚糖酶，才可以酶解得較多的木糖，酶法生產(chǎn)木糖得率較低，周期較長，目前尚處于研究階段[8]。

蔗髓是甘蔗莖的中心部分，由薄壁的細(xì)胞組成，有貯藏營養(yǎng)的功能，約為蔗渣的30%，即如果1 000萬t干蔗渣可篩分出300萬t干蔗髓，蔗髓中纖維素含量為38%～42%，半纖維素含量為22%～27%，木質(zhì)素含量為20%～24%[9]，蔗髓半纖維素中L-阿拉伯糖的糖基與木糖基之比為1∶（6～7）[10]，且價廉易得，是生產(chǎn)L-阿拉伯糖和D-木糖比較理想的原料。

本試驗采用的Septor IX轉(zhuǎn)盤系與模擬移動床不同，該系統(tǒng)樹脂柱安放在同一個轉(zhuǎn)盤上，旋轉(zhuǎn)閥板與轉(zhuǎn)盤同步旋轉(zhuǎn)，真正實(shí)現(xiàn)柱床移動，可大量節(jié)省樹脂量；可以通過切換固定部分的水解方式，實(shí)現(xiàn)不同工藝的變更和調(diào)整，簡單直觀，木糖、L-阿拉伯糖收率、濃度計純度高且穩(wěn)定性高；一般只采用水或某一種解析劑，不具有強(qiáng)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 試驗材料

試驗原料：甘蔗髓，來自糖廠。

主要試劑：活性干酵母，購自安琪酵母股份有限公司；離子交換樹脂，購自江蘇蘇青水處理有限公司；鹽酸、氫氧化鈉等均為分析純。

1.2 主要設(shè)備

有機(jī)玻璃離子交換柱（江蘇金三陽水處理科技江蘇有限公司），SGD-Ⅳ型全自動還原糖測定儀（山東科學(xué)院生物研究所），高效液相色譜儀（浙江大學(xué)智達(dá)信息工程有限公司），Rezex RCM-Monosaccharide Ca2+色譜柱（帶鈣型保護(hù)柱，廣州菲羅門儀器有限公司）；20柱連續(xù)色譜Septor IX轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)（三達(dá)膜環(huán)境技術(shù)股份有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗流程

試驗工藝路線如圖1所示。

圖1 試驗工藝路線圖

1.3.2 組分收率的計算

收率按照式（1）計算：

式（1）中，M1為分離后阿拉伯糖（木糖）組分溶液的重量；C1為分離后阿拉伯糖組分（木糖）的折光濃度（%）；M1為分離后阿拉伯糖組分（木糖）的純度（%）；M0為分離前料液溶液的重量；C0為分離前料液中阿拉伯糖（木糖）組分的折光濃度（%）；A0為分離前料液中阿拉伯糖（木糖）組分的純度（%）。

1.3.3 連續(xù)色譜分離實(shí)驗

采用20根柱的Septor IX連續(xù)移動床設(shè)備來分離母液，柱子中共裝填色譜層析樹脂16 L。連續(xù)色譜技術(shù)處理甘蔗髓木糖母液時的柱子連接示意圖如圖2所示，流程簡介如下。

（1）將連續(xù)移動床的20根樹脂柱分為4個區(qū)，每個區(qū)實(shí)現(xiàn)不同的功能，其中第Ⅰ區(qū)1～5號柱為洗脫區(qū)，用于洗脫已經(jīng)分離出來的L-阿拉伯糖；第Ⅱ區(qū)6～10號為二級分離區(qū)，主要是提高L-阿拉伯糖純度、濃度；第Ⅲ區(qū)11～15號為一級分離區(qū)，主要是分離出D-木糖；第Ⅳ區(qū)16～20號為濃縮回流區(qū)，提高D-木糖濃度，第Ⅳ區(qū)的出水，可以回用到Ⅰ區(qū)作為進(jìn)水。

（2）待分離的物料從第Ⅲ區(qū)進(jìn)入系統(tǒng)，液流方向從左到右推動結(jié)合力弱的D-木糖組分遷移，而樹脂柱則由右向左逆向移動，把結(jié)合力強(qiáng)的組分L-木糖夾帶逆向移動，從而實(shí)現(xiàn)分離。

（3）經(jīng)過第Ⅱ區(qū)和第Ⅲ區(qū)的分離，基本實(shí)現(xiàn)L-阿拉伯糖和D-木糖的分離，D-木糖從第Ⅲ區(qū)流出；而L-阿拉伯糖則在樹脂柱的逆向運(yùn)動作用下帶到第Ⅰ區(qū)。

（4）L-阿拉伯糖到達(dá)第Ⅰ區(qū)后，在洗脫水的推動力作用下流出。

（5）D-木糖進(jìn)入第Ⅳ區(qū)后，經(jīng)過反復(fù)上下柱，實(shí)現(xiàn)D-木糖組分的濃縮，出水可返回到第Ⅰ區(qū)循環(huán)利用。

以料液處理量、產(chǎn)品的濃度、純度、收率等為考察指標(biāo)，經(jīng)過反復(fù)驗證，系統(tǒng)運(yùn)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)。實(shí)驗結(jié)果匯總后，計算各組分的純度和收率。

圖2 連續(xù)色譜技術(shù)處理母液時的柱子連接示意圖

1.4 分析方法

總可溶性固形物含量采用折光儀法：作用手持式折光儀測定可溶性固形物含量[11]。

組分定量測定采用高效液相色譜分析：以面積歸一法計算組分含量，以超純水為流動相，柱溫80℃，檢測器溫度35℃，流速0.6mL／min，進(jìn)樣量10 μL。樣品經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后進(jìn)樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 甘蔗髓水解工藝條件優(yōu)化

甘蔗髓中木聚糖水解時，在酸為低濃度時，反應(yīng)速度隨著酸濃度的增加而增加，當(dāng)酸濃度增加到一定程度時，反應(yīng)速度的增加不再明顯，而且會加大副反應(yīng)，增加了水解液中的非糖物質(zhì)、有機(jī)酸和色素的含量，加大了水解液的凈化難度；增加反應(yīng)溫度會提高甘蔗髓中木聚糖的水解速度，增加水解的收率，但溫度過高會使木糖脫水生產(chǎn)糠醛，也會使木糖和其他糖反應(yīng)生產(chǎn)焦糖，增加水解液的色素，影響水解液的質(zhì)量；水解時間越短越好，時間短可以提高設(shè)備利用率，降低消耗，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，而從化學(xué)反應(yīng)角度來看，反應(yīng)時間越長，反應(yīng)越充分，產(chǎn)率越高，但時間過長，也會造成副產(chǎn)物的生產(chǎn)，影響水解液的質(zhì)量。經(jīng)正交試驗優(yōu)化出最佳的水解工藝參數(shù)，見表1。

表1 甘蔗髓最佳水解參數(shù)表

2.2 木糖的提取工藝

離心后的水解液經(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%，即11.11 kg純干蔗葉生產(chǎn)1 kg木糖。

高效液相色譜檢測木糖產(chǎn)品的條件：以超純水為流動相，采用Phynomenex公司的Rezex系列Ca2+型糖醇柱（帶保護(hù)柱）作為分離柱，選用示差折光檢測器，柱溫80℃，檢測器溫度35℃，分離流速為0.6mL/min，木糖產(chǎn)品經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后進(jìn)樣，進(jìn)樣量10 μL。產(chǎn)品色譜檢測如圖3所示、產(chǎn)品組成見表2。

圖3 高效液相檢測甘蔗髓提取的木糖產(chǎn)品色譜圖

表2 高效液相檢測甘蔗葉提取的木糖產(chǎn)品組成

經(jīng)高效液相色譜檢測，木糖產(chǎn)品的純度為98.25%，符合GB/T 23532-2009的要求。離心后的結(jié)晶木糖母液備用。

2.3 連續(xù)色譜分離系統(tǒng)分離蔗髓木糖母液

木糖母液稀釋至折光濃度20%左右時，按稀釋后的料液重量的0.2%添加活性干酵母粉，pH自然，溫度25℃，攪拌器轉(zhuǎn)速100 r/min，開放式發(fā)酵，定時用生物傳感儀或高效液相色譜儀檢測葡萄糖含量，當(dāng)葡萄含量＜1%時，結(jié)束發(fā)酵，用布氏漏斗真空抽濾發(fā)酵液回收酵母，按濾液重量的0.5%添加粉末活性炭，80℃保溫30 min，用布氏漏斗抽濾真空過濾，得到脫色液，脫色液經(jīng)過離子交換柱進(jìn)行凈化處理，離子交換順序為弱陰離子交換樹脂柱-強(qiáng)陽離子交換樹脂柱-強(qiáng)陰離子交換樹脂柱；離子交換后的母液濃縮后進(jìn)入連續(xù)色譜分離系統(tǒng)。

以PCR-642 Ca2+樹脂為固定相，純水為流動相，將濃縮液泵入連續(xù)色譜分離移動床中，分離溫度為60℃，單柱裝樹脂量為800mL，20根柱子樹脂總裝填量16 L，樹脂柱10.7 min轉(zhuǎn)動一次，樹脂柱轉(zhuǎn)到速率為214 min/圈。探討Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)流量，進(jìn)料流速，進(jìn)料濃度等操作條件對連續(xù)移動床色譜分離效果的影響。試驗采用了三個工藝條件，得出不同的結(jié)果，分離操作條件和試驗結(jié)果見3。

連續(xù)分離得到的木糖組分色譜檢測如圖4所示，組分含量見表4。

圖4 工藝條件2的分離的木糖組分色譜圖

表3 連續(xù)色譜分離系統(tǒng)操作條件和試驗結(jié)果

表4 高效液相檢測工藝條件2分離的木糖組成

連續(xù)分離得到的阿拉伯糖組分色譜檢測如圖5所示，組分含量見表5。

圖5 工藝條件2的分離的阿拉伯糖組分色譜圖

表5 高效液相檢測工藝條件2分離的阿拉伯糖組成

經(jīng)過三次工藝條件對比，得出結(jié)果：當(dāng)進(jìn)料可溶性固形物濃度為46.5%、進(jìn)料流速9mL/min，木糖流出時的流速為12mL/min，L-阿拉伯糖的流速為14mL/min，補(bǔ)水流速17mL/min。1～5號Ⅰ區(qū)流速為67.5mL/min，6～10號Ⅱ區(qū)流速為57.5mL/min，11～15號Ⅲ區(qū)流速為69mL/min，16～20號Ⅳ區(qū)59mL/min時，從柱5的出口收集的L-阿拉伯糖組分溶液中L-阿拉伯糖的純度90.41%，其阿拉伯糖相對于進(jìn)料中的阿拉伯糖得率為93.69%，從柱15的出口處收集的木糖組分溶液中木糖的純度92.07%，其木糖相對于進(jìn)料中的木糖得率為92.12%。

3 結(jié)論

以硫酸為酸化劑水解蔗髓，硫酸濃度1.0%、固液比1∶8、水解時間150 min、水解溫度123℃，離心后的水解液經(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%，經(jīng)高效液相色譜檢測，木糖產(chǎn)品的純度為98.25%，符合GB/T 23532-2009的要求。利用連續(xù)色譜分離系統(tǒng)（Septor IX）分離蔗髓提取液的木糖結(jié)晶母液，以鈣型樹脂為分離劑，純水為洗脫液，分離溫度為60℃，樹脂柱轉(zhuǎn)到速率為214 min/圈，處理后的母液進(jìn)料濃度46.5%，進(jìn)料流速9mL/min，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)的流速分別為67.5 57.5、69、59mL/min，L-阿拉伯糖出口流速14mL/min，木糖出口流速12mL/min，L-阿拉伯糖和D-木糖得到了最佳分離。在此條件下L-阿拉伯糖純度達(dá)到90.01%，收率達(dá)到為91.52%；D-木糖純度達(dá)到93.05%，收率達(dá)到90.88%。

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