三組分色譜分離技術(shù)制備高純度結(jié)晶麥芽糖醇工藝研究

丘春洪

（肇慶煥發(fā)生物科技有限公司技術(shù)部，廣東 肇慶 526000）

0 引言

生產(chǎn)單位通常以淀粉為原料，通過酶水解、加氫反應(yīng)等工序生產(chǎn)麥芽糖醇，由于該工藝所生產(chǎn)的麥芽糖醇中摻雜較多影響?zhàn)ざ群徒Y(jié)晶效率的雜糖醇、麥芽三糖醇等雜質(zhì)，因此為滿足產(chǎn)品結(jié)晶需求，生產(chǎn)單位選擇利用兩組分色譜分離技術(shù)有效地對麥芽糖醇和其他雜質(zhì)進(jìn)行分類。然而，該方法在雜糖醇的去除效率方面存在一定缺陷，導(dǎo)致企業(yè)需要消耗更高的成本去完成高純度結(jié)晶麥芽糖醇的制備工作，從而會對企業(yè)的生產(chǎn)效益產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，該文提出改善兩組分色譜分離技術(shù)的三組分色譜分離技術(shù)，并通過試驗對比的方式驗證了新工藝的可行性和優(yōu)勢特性。

1 三組分色譜分離技術(shù)

對均相混合液來說，三組分色譜分離技術(shù)能夠結(jié)合各組分在色譜樹脂的出峰速度有效分離A（慢）、B（中）和C（快）3種組分，應(yīng)用該技術(shù)時通常選擇集中進(jìn)料大放送進(jìn)行分離，能夠一次性將一個大周期的原料送入中間組分區(qū)域，通過多次分離實現(xiàn)A、C組分的分離，通過持續(xù)的分離純化最終得到純度更高的B組分。該分離技術(shù)所得到的產(chǎn)品具有較高的純度，對雜醇的分離效率更高，能夠進(jìn)一步提升結(jié)晶麥芽糖醇產(chǎn)品的質(zhì)量，分離得到的其他組分也能夠得到有效應(yīng)用。當(dāng)然，該技術(shù)還存在色譜處理量不足、水耗高的缺陷，需要盡可能提升原料質(zhì)量，以滿足固定值進(jìn)料需求，在實際應(yīng)用時，需要按照標(biāo)準(zhǔn)對原料蛋白含量進(jìn)行控制，同時也需要對色譜進(jìn)水和來料的電導(dǎo)率進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免電導(dǎo)數(shù)值超出10 μs/cm，從而確保分離工作的正常開展。

2 基于三組分色譜分離技術(shù)的麥芽糖醇高純度結(jié)晶制備工藝試驗方法

2.1 材料與儀器

選擇應(yīng)用混雜雜糖醇、麥芽糖三糖醇以及山梨糖醇3種雜質(zhì)組分的麥芽糖醇產(chǎn)品作為原料，將陶氏化學(xué)生產(chǎn)的99Ca310型樹脂作為色譜分離樹脂。為滿足試驗檢測需求，須應(yīng)用PHB-3pH計、200 μL移液槍（JOAN）、電子天平（DT-500）、阿貝折光儀（WAY-ZT）、0.45 μm 微濾膜、水浴恒溫振蕩器（HZS- HA）、純化水機(jī)（UPHW-1V- 90T）、真空抽濾泵（SHZ-DⅢ）以及高效液相色譜儀（Waters e2695）；工藝測試所應(yīng)用的試驗設(shè)備為中試色譜裝置，該儀器由上海兆光生產(chǎn)；須裝填3.5 m3的樹脂，操作模式為SSMB三子布順序，控制系統(tǒng)為PLC。

2.2 結(jié)晶麥芽糖醇生產(chǎn)工藝

麥芽糖醇結(jié)晶前需要通過糖化酶處理的方式來完成純度大于90%的麥芽糖醇的生產(chǎn)制備工作，基于高純度麥芽糖醇進(jìn)行加氫反應(yīng)、過濾交互以及色譜分離等一系列操作，將麥芽糖醇的純度由85%提純至91%，從而基于高純度的麥芽糖醇進(jìn)行結(jié)晶處理，最終得到所需的結(jié)晶麥芽糖醇，相關(guān)制備工藝流程如下：對高純度的麥芽糖進(jìn)行加氫處理、脫色處理、過濾處理以及離子交互處理，并進(jìn)行蒸發(fā)濃縮、色譜分離以及蒸發(fā)濃縮操作，對濃縮后的麥芽糖醇進(jìn)行結(jié)晶處理，結(jié)晶后進(jìn)行離心和烘干處理，獲取所需的結(jié)晶麥芽糖醇。

為了有效驗證兩組分色譜分離工藝所生成麥芽糖醇結(jié)晶的數(shù)據(jù)指標(biāo)為了，該文針對該工藝設(shè)計了相應(yīng)的試驗方法。在制取超高麥芽糖漿的操作過程中，試驗人員須選擇值≤10%的糖化液作為原料，確保其在無碘試反應(yīng)、清亮透明且液化均勻的情況下，將糖化液導(dǎo)入糖化罐中進(jìn)行加熱滅酶處理，加熱前需要將其酸堿度調(diào)整至3，加熱滅酶處理后需要利用蒸餾水（已煮沸）將糖化液濃度調(diào)整至20%級別，并快速將其溫度調(diào)整至60 ℃，同時按照5.3左右的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整其酸堿度，并按照干基控制加酶量，最終以0.5 g/kg的標(biāo)準(zhǔn)添加β-淀粉酶，以0.39 g/kg的標(biāo)準(zhǔn)添加普魯蘭酶，以0.58 g/kg的標(biāo)準(zhǔn)添加麥芽三糖酶，添加完成后在均勻攪拌的基礎(chǔ)上將其放入60 ℃的恒溫環(huán)境中保存48 h，達(dá)到既定時間后按照0.16 g/kg 的標(biāo)準(zhǔn)添加真菌酶，并在相同環(huán)境中保溫60 h，最終得到大于90%濃度的超高麥芽糖漿。在加氫反應(yīng)制備麥芽糖醇的環(huán)節(jié)，使用人員須將超高麥芽糖漿濃縮50%的液量，并按照7.5～8.0的標(biāo)準(zhǔn)對其酸堿度進(jìn)行調(diào)整，確認(rèn)無誤后加入鎳催化劑（10%干物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)），加氫反應(yīng)的環(huán)境為125 ℃～135 ℃（溫度范圍）與9 MPa～10 MPa（氫氣壓力范圍），按照300 r/min的攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)行2 h的加氫反應(yīng)，最終得到純度超出85%的麥芽糖醇。在脫色處理階段，試驗人員需要利用0.5%～1.0%比例的粉末活性炭在4.5pH～5.0pH與80℃環(huán)境中按照25 r/min的攪拌速度進(jìn)行0.5 h的攪拌處理；在過濾處理階段，試驗人員需要利用硅藻土和壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾處理，硅藻土用量為0.5 kg/m，須將壓濾機(jī)壓濾控制在不超出0.1 MPa的狀態(tài)，并按照0.2 MPa～0.3 MPa的壓力進(jìn)行過濾。在離子交換期間，須將溫度控制在40 ℃，并按照700 kg/h的流速進(jìn)行交互，去除色素、含氮可溶性物質(zhì)以及金屬離子等雜質(zhì)。在蒸發(fā)濃縮階段，試驗人員則需要在-0.092 MPa的真空度環(huán)境中進(jìn)行蒸發(fā)濃縮處理，最終基于60%的濃度標(biāo)準(zhǔn)完成出料。在色譜分離階段，試驗人員則需要采取兩組分色譜分離的方式進(jìn)行處理，該處理方式容易導(dǎo)致山梨糖醇富集并降低麥芽糖醇純度，對麥芽糖醇結(jié)晶生產(chǎn)效率和成本造成負(fù)面影響，而三組分色譜分離技術(shù)則能夠有效實現(xiàn)對山梨糖醇雜質(zhì)的分離，滿足高純度解決麥芽糖醇的高效、低成本生產(chǎn)需求。

三組分色譜分離技術(shù)在麥芽糖醇生產(chǎn)工藝中能夠?qū)崿F(xiàn)其純度從85%到95%的提升，從而有效提升麥芽糖醇結(jié)晶純度與效率[4]。該工藝不僅能夠滿足麥芽糖醇清潔生產(chǎn)地需求，而且也能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同產(chǎn)品的同步分離制備，對提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有積極意義，相關(guān)工藝流程如下：將原料與純水混合，通過三組分色譜分離技術(shù)與相關(guān)技術(shù)設(shè)備將溶液分離為3種溶液（AD、CD與BD），對麥芽糖醇純度高、雜質(zhì)少的BD溶液進(jìn)行蒸發(fā)濃縮與結(jié)晶處理，再對結(jié)晶麥芽糖醇進(jìn)行離心與烘干處理，最終得到所需的高純度結(jié)晶麥芽糖醇。

2.3 設(shè)備操作與組分檢測方法

在應(yīng)用色譜分離裝置的過程中，工作人員需要提前準(zhǔn)備試驗所需的色譜分離樹脂，并將其裝填至隔膜泵中，確認(rèn)無誤后通過補(bǔ)壓排空的方式處理各色譜柱。然而，工作人員需要借助熱水提升裝置溫度，待達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍后，按要求配置系統(tǒng)參數(shù)，采取自控模式，并對泵頻進(jìn)行調(diào)整。待完成一個大周期的設(shè)備運(yùn)行后，裝置內(nèi)的壓力和溫度達(dá)到平衡狀態(tài)，此時則需要利用原料取代裝置料罐里的水分，開始進(jìn)行進(jìn)料操作。待裝置運(yùn)行4 h后，進(jìn)行取樣和各組分檢測工作。

該文所選取的麥芽糖醇組分檢測方法為面積歸一法，基于標(biāo)準(zhǔn)鹽垢確認(rèn)的糖醇?xì)w屬，并結(jié)合各組分峰面積與總面積的比值對組分相對含量進(jìn)行計算分析。Sugar Park-1色譜柱（7.8×300 mm ）液相條件要求保持85 ℃的柱溫，應(yīng)用示差檢測器并將溫度控制在40 ℃，基于0.6 mL/min速度控制流動相（超純水）流速，設(shè)定10 μL的進(jìn)樣量。

3 結(jié)晶麥芽糖醇生產(chǎn)工藝結(jié)果分析

3.1 兩組分色譜分離結(jié)果分析

由于進(jìn)料組成難以維持在穩(wěn)定狀態(tài)，因此通過兩組分色譜分離得到的組分?jǐn)?shù)據(jù)存在較大的波動情況，分離得到的慢組分與洗脫劑混合樣品檢測結(jié)果見表1，分離得到的快組分與洗脫劑混合樣品檢測結(jié)果見表2。在快慢組分樣品的多次檢測過程中存在的偏差與儀器測量精度關(guān)聯(lián)性不高，為進(jìn)一步提升測量精度，有效規(guī)避進(jìn)料組成差異帶來的誤差，選擇5次測量的平均值作為最終結(jié)果，以反饋色譜分離的真實效果。其中，表1與表2中的A為慢組分，B為快組分，D為解析組分的純水洗脫劑。

表1 兩組分色譜分離得到的AD 組分含量數(shù)據(jù)（單位：%）

表2 兩組分色譜分離得到的BD 組分含量數(shù)據(jù)（單位：%）

由表1、表2可知，慢組分分離得到的麥芽糖醇產(chǎn)品中含有0.28%的雜糖醇、0.27%的麥芽三糖醇以及7.3%的山梨糖醇（均為平均值），獲取的麥芽糖醇的純度可達(dá)92.15%（平均值）；快組分分離得到的麥芽糖醇產(chǎn)品中含有18.7%的雜糖醇、5.9%的麥芽三糖醇以及10.9%的山梨糖醇（均為平均值），獲取的麥芽糖醇的純度僅為64.50%（平均值）；最終可以得到的麥芽糖產(chǎn)品的純度可以達(dá)到92%。表2的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在制備高純度的麥芽糖醇的過程中，如果存在含量較高的山梨糖醇，就會導(dǎo)致麥芽糖醇的含量始終難以得到有效提升，因此為提升產(chǎn)品純度，還需要確保原料中山梨糖醇的含量較低。

3.2 三組分中試色譜分離結(jié)果分析

由于進(jìn)料組成難以維持在穩(wěn)定狀態(tài)，因此通過三組分色譜分離得到的組分?jǐn)?shù)據(jù)存在較大的波動情況，分離得到的慢組分（A）與洗脫劑（D）混合樣品檢測結(jié)果見表3，分離得到的中組分（B）與洗脫劑（D）混合樣品檢測結(jié)果見表4，分離得到的快組分（C）與洗脫劑（D）混合樣品檢測結(jié)果見表35。在快、慢組分樣品的多次檢測過程中存在的偏差與儀器測量精度關(guān)聯(lián)性不高，為進(jìn)一步提升測量精度，有效規(guī)避進(jìn)料組成差異性帶來的誤差，選擇5次測量的平均值作為最終結(jié)果，以反饋色譜分離的真實效果。其中，表3、表4中的A即為前文所述的慢組分，B為中組分，C為快組分，D為解析組分的純水洗脫劑。

表4 三組分色譜分離得到的BD 組分含量數(shù)據(jù)（單位：%）

由表3～表5可知，慢組分分離得到的麥芽糖醇產(chǎn)品中含有9.7%的雜糖醇、0.78%的麥芽三糖醇以及36.25%的山梨糖醇（均為平均值），獲取的麥芽糖醇的純度僅為53.28%（平均值）；中組分分離得到的麥芽糖醇產(chǎn)品中含有1.95%的雜糖醇、0.27%的麥芽三糖醇以及2.15%的山梨糖醇（均為平均值），獲取的麥芽糖醇的純度可達(dá)95.64%（平均值）；快組分分離得到的麥芽糖醇產(chǎn)品中含有57.07%的雜糖醇、9.51%的麥芽三糖醇以及25.74%的山梨糖醇（均為平均值），獲取的麥芽糖醇的純度僅為7.80%（平均值）；最終可以得到的麥芽糖產(chǎn)品的純度可以達(dá)到95.64%，具有95%以上的收率，雜糖醇能夠達(dá)到65%以上的收率。

表3 三組分色譜分離得到的AD 組分含量數(shù)據(jù)（單位：%）

表5 三組分色譜分離得到的CD 組分含量數(shù)據(jù)（單位：%）

3.3 兩種色譜分離工藝結(jié)果的對比

由于生產(chǎn)單位利用高壓液相色譜儀對麥芽糖醇純度進(jìn)行測定，儀器檢測結(jié)果即為麥芽糖醇干基在總干基中的質(zhì)量占比，山梨糖醇、麥芽糖醇以及雜醇的收率即為產(chǎn)品響應(yīng)組分干基與進(jìn)料時相關(guān)組分干基的質(zhì)量比，麥芽糖醇結(jié)晶收率則為結(jié)晶產(chǎn)品中的干基與結(jié)晶前投入麥芽糖醇原料干基的質(zhì)量比。物料相同時應(yīng)用2種不同色譜分離工藝得到的樣品指標(biāo)數(shù)據(jù)對比見表6。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，兩組分色譜分離能夠得到純度為92.08%的麥芽糖醇以及純度為7.42%的山梨糖醇，最終結(jié)晶生產(chǎn)得到的麥芽糖醇產(chǎn)品將具有富含山梨糖醇的特性；三組分色譜分離得到的重組分BD樣品中不僅麥芽糖醇的純度能夠提升至95.63%（其中的山梨糖醇僅為2.15%，雜糖醇也僅為1.95%），而且能夠有效提升高純度結(jié)晶麥芽糖醇的收率。

表6 物料相同時兩種色譜分離工藝出料指標(biāo)對比數(shù)據(jù)（單位：%）

在保持相同的50%進(jìn)料濃度時，三組分工藝需設(shè)定6.7的水料比（即色譜進(jìn)料為1 t 時，需要應(yīng)用2.7 t 的水進(jìn)行洗脫），兩組分工藝則需要設(shè)定5.5的水料比（即色譜進(jìn)料為1 t 時，需要應(yīng)用2.2 t 的水進(jìn)行洗脫），因此三組分工藝生產(chǎn)期，需要應(yīng)用的洗脫劑純水含量相對更低，能夠進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。為了對2種工藝的生產(chǎn)成本差值進(jìn)行驗證，該文以年產(chǎn)量10 000 t麥芽糖醇結(jié)晶為例，對兩者的成本消耗單價進(jìn)行計算，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果見表7。設(shè)定麥芽糖醇原料單價均為6 000 元/t，兩組分工藝生產(chǎn)1 t產(chǎn)品需要消耗1.79 t原料，三組分工藝生產(chǎn)1 t產(chǎn)品僅需要消耗1.43 t原料，兩組分工藝消耗的水比對三組分工藝多4.05 t，兩組分工藝消耗的蒸汽比三組分工藝多1.44 t，兩組分工藝消耗的蒸汽比三組分工藝多4.5 t ，最終2種工藝成本的差值為2 427.795 元，換算為10 000 t結(jié)晶麥芽糖醇產(chǎn)品生產(chǎn)成本消耗差價則為2 427.795萬元 ，由此可見，三組分工藝不僅提升了產(chǎn)品的質(zhì)量，而且還大幅縮減了材料成本消耗，對提升企業(yè)生產(chǎn)效益具有積極意義。

表7 年產(chǎn)量10 000 t結(jié)晶麥芽糖醇時2種生產(chǎn)工藝的成本差價

4 結(jié)語

綜上所述，三組分色譜分離技術(shù)能夠在與兩組分色譜分離技術(shù)使用相同物料的情況下，完成純度大于95%的麥芽糖醇的生產(chǎn)制備工作，所得到產(chǎn)品中的山梨糖醇與雜糖醇含量極低；而傳統(tǒng)工藝得到的麥芽糖醇不僅收率低，而且混雜了較多的山梨糖醇，影響了產(chǎn)品加工效率；此外，三組分工藝對洗脫水的應(yīng)用數(shù)量要求更低，能夠進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，對提升高純度結(jié)晶麥芽糖醇生產(chǎn)效益具有積極意義。