酸催化水解阿拉伯胶制备L-阿拉伯糖工艺

黄敏慧，鲍宗必，段舒然，邢华斌，杨亦文，任其龙

（浙江大学化学工程与生物工程学院，生物质化工教育部重点实验室，浙江 杭州 310027）

引 言

L-阿拉伯糖[1-2]（L-arabinose, C5H10O5）属于五碳醛糖，是一种重要的医药中间体，可用于合成阿糖胞苷[3]、L-核糖[4-8]等抗癌、抗病毒和治疗心血管疾病的药物，且可用于细菌培养基及香料的制备等。近年来，研究表明L-阿拉伯糖还可非竞争性抑制蔗糖吸收所引起的血清葡萄糖浓度升高[9]，显示它在减肥、预防糖尿病等方面有广阔的应用前景。L-阿拉伯糖现已被美国 FDA和日本厚生省批准列入健康食品添加剂，美国医疗协会也将L-阿拉伯糖列入非处方药和抗肥胖剂的营养补充剂。L-阿拉伯糖在医药、食品行业的市场潜力巨大。

天然的 L-阿拉伯糖通常以半纤维素 L-阿拉伯聚糖和 L-阿拉伯聚糖-D-半乳糖的形式存在于植物中[10]。其中，阿拉伯胶含有高达30%以上的L-阿拉伯糖单体[11]，且其他非糖成分含量低，因此阿拉伯胶是制备阿拉伯糖的理想原料。目前，L-阿拉伯糖的提取方法主要有酸碱水解[3,12-15]和酶解法[7,16-18]。其中，酸水解制备工艺的成本较低，更适合于工业化生产[19]，但如何优化酸水解条件使水解液中 L-阿拉伯糖的含量和收率均达到最佳水平，是保证后续分离纯化工艺稳定性及产品品质的关键。

本文以工业级阿拉伯胶为原料，采用单因素实验考察了一系列影响阿拉伯胶酸水解提取 L-阿拉伯糖的工艺参数，找到相对较佳的水解条件，为后续分离提纯工艺的过程设计和优化提供依据。

1 实验材料和方法

1.1 材料

工业级阿拉伯胶购买于山东泰安鼎力胶业有限公司，50%发烟浓硫酸购于上海振兴化工二厂有限公司，氢氧化钠、邻苯二甲酸氢钾购于国药集团化学试剂有限公司，L-阿拉伯糖（C5H10O5，99%）、D-半乳糖（C6H12O6，99%）和 L-鼠李糖（C6H12O5·H2O，99%）标准品购于Aladdin公司，色谱纯乙腈购于德国Merck公司，水为二次蒸馏水。

1.2 分析方法建立

采用美国戴安D3000高效液相色谱仪建立液相分析方法，检测器为电喷雾化学检测器（CAD）；色谱柱为 GRACE Prevail Carbohydrate ES（250 mm×4.6 mm, 5 μm）；进液量 5 μl；流动相为乙腈-水（体积比3:1）；流速1 ml·min−1；柱温30℃。

1.3 水解实验

1.3.1 硫酸标准液的配制 取50 ml 50%发烟硫酸稀释至1 L，用氢氧化钠标准溶液标定，稀释后的硫酸浓度约为1 mol·L−1，以此硫酸溶液作为酸催化剂。

1.3.2 水解反应 在 250 ml三口烧瓶中加入适量水，加热至设定温度，再加入所需量的阿拉伯胶，磁力搅拌至完全溶解后加入一定体积经预热的硫酸标准试液，从加入硫酸开始计时，每隔10～30 min取样，样品稀释至线性浓度范围，采用HPLC对各单糖浓度进行测定。分别考察了以下不同因素对水解的影响。

（1）反应时间的影响 以90℃、0.1 mol·L−1H2SO4、固液比的质量体积比1:10为水解条件，从加入硫酸母液开始计时，每隔10～30 min取样，稀释至线性范围后，采用HPLC法对各单糖浓度进行测定。

（2）水解pH的影响 通过加入不同体积的硫酸标准液使水解原料液中硫酸浓度控制在0.3、0.2、0.1、0.05 mol·L−1。其余水解条件：T=90℃，固液比为1:10。

（3）温度的影响 考察了 60～100℃反应温度的水解情况。其余水解条件为：0.1 mol·L−1H2SO4，固液比为1:10。

（4）固液比的影响 通过加入不同量的阿拉伯胶，且控制水解原料液体积为100 ml，考察固液比分别为1:10、1:8和1:5的水解情况。其余水解条件：0.05 mol·L−1H2SO4，T=100℃。

2 实验结果与讨论

2.1 阿拉伯胶中各单糖含量的测定

取10 g阿拉伯胶在0.3 mol·L−1H2SO4、固液比为1:10、T=100℃的条件下水解12 h至3种单糖浓度均趋于平衡。反应结束后，量取水解液体积105 ml，取样分析可知L-阿拉伯糖、D-半乳糖和L-鼠李糖的终了浓度分别为40、20、7 g·L−1。由此可知阿拉伯胶中L-阿拉伯糖、D-半乳糖和L-鼠李糖的含量分别为42%、21%和7.35%。

2.2 反应时间对水解情况的影响

固液比为 1:10、T=90℃、H2SO4浓度为 0.1 mol·L−1时各单糖的浓度及L-阿拉伯糖在三单糖中的相对纯度随水解时间的变化如图1和图2所示。

由图1可知，在水解100 min内，L-阿拉伯糖浓度呈线性趋势增长，此后增长趋势减慢直至浓度为36 g·L−1时趋向平衡，但D-半乳糖在此情况下生成速率缓慢，10 h仍未能水解完全。同时发现，L-鼠李糖在酸加入前的热溶解过程就已游离，浓度达1.6 g·L−1且随反应时间无明显变化。

在阿拉伯胶的分子结构中，L-鼠李糖以1, 3糖苷键与L-阿拉伯糖连接[20]，处于端链。在无催化剂存在下加热至一定程度时，外界通过加热提供的能量克服糖苷键断裂所需的活化能，从而使糖苷键断裂而获得L-鼠李糖，但仍不足以使L-阿拉伯聚糖另一端与D-半乳糖相连的1, 3糖苷键断裂。只有加入一定酸时，大量的水合氢离子进攻糖苷键，使得阿拉伯聚糖进一步水解，而L-半乳糖处于大分子链的中间部分，其糖苷键不易受氢离子进攻，因此水解速率较慢。

图2表明，在0～140 min的水解时间内，L-阿拉伯糖相对纯度保持增大趋势，而后水解过程中随D-半乳糖浓度的增大而逐渐降低。综合考虑，较佳的水解时间为180～240 min，此时L-阿拉伯糖平均浓度为32～33 g·L−1，提取率为80%～82%，相对纯度为86.5%～87.5%。

图1 水解液中L-阿拉伯糖、D-半乳糖和L-鼠李糖浓度随时间的变化Fig.1 Concentration profiles of L-arabinose, D-galactose,L-rhamnose in hydrolysate vary with reaction time

图2 水解液中L-阿拉伯糖的相对纯度随时间的变化Fig.2 Relative purity of L-arabinose in hydrolysate varies with time

2.3 酸浓度对水解情况的影响

固液比为1:10、T=90℃时，考察H2SO4浓度在0.05、0.1、0.2 、0.3 mol·L−1时的水解情况，各单糖的浓度及 L-阿拉伯糖相对纯度随时间的变化如图3～图6所示。

图3 不同酸浓度下L-阿拉伯糖浓度随反应时间的变化Fig.3 Concentration profiles of L-arabinose in hydrolysate vary with reaction time under different concentrations of sulfur acid

图4 不同酸浓度下L-阿拉伯糖相对纯度随反应时间变化Fig.4 Relative purity of L-arabinose in hydrolysate vary with reaction time under different concentrations of sulfur acid

图5 不同酸浓度下D-半乳糖浓度随反应时间的变化Fig.5 Concentration profiles of D-galactose in hydrolysate vary with reaction time under different concentrations of sulfur acid

图6 不同酸浓度下L-鼠李糖浓度随反应时间的变化Fig.6 Concentration profiles of L-rhamnose in hydrolysate vary with reaction time under different concentrations of sulfur acid

由图3可知，在0.05～0.2 mol·L−1的酸浓度范围内，L-阿拉伯糖生成速率随酸浓度增大而增大，当酸浓度高于0.2 mol·L−1后无明显增大趋势。因为酸浓度为0.2 mol·L−1时，已有足够量的氢离子进攻 L-阿拉伯聚糖的糖苷键，使其以最大速率水解。此外，不同酸浓度催化下，L-阿拉伯糖的水解平衡浓度基本接近，说明在不同酸浓度下，L-阿拉伯糖经足够时间均能完成水解，最终浓度为36～39 g·L−1。此外，L-阿拉伯糖的相对纯度随 H2SO4浓度增加而有明显下降。从工业生产角度而言，较佳水解工艺条件为酸用量低、L-阿拉伯糖生成速率快、相对含量高且维持在较宽的时间范围。从图4可知，0.1 mol·L−1H2SO4为较佳酸浓度，L-阿拉伯糖的相对纯度于100～200 min内维持约为88%的较高水平。

如图5所示，D-半乳糖生成速率受H2SO4浓度影响明显，0.2、0.3 mol·L−1时显著大于0.05、0.1 mol·L−1。D-半乳糖浓度在 0.3 mol·L−1水解 11 h时高达18 g·L−1，但仍未达平衡。因为D-半乳糖处于阿拉伯胶网状结构中间主链上，pH增大时，更多量的水合氢离子进攻糖苷键，有利于D-半乳糖的生成，但D-半乳糖作为后续纯化工艺中最难分离的杂质，含量应越低越好。图6表明L-鼠李糖在酸催化剂加入前已大量水解，而浓度随酸性增加而略为增加，说明酸的加入使L-鼠李糖水解更充分。

上述结果表明：酸的加入有利于L-阿拉伯糖和D-半乳糖从阿拉伯胶中水解获得。综上所述，当H2SO4为 0.1 mol·L−1时，D-半乳糖水解量较少，此时的水解液便于工艺后续分离，且L-阿拉伯糖的水解率较高。

2.4 反应温度对水解情况的影响

取 H2SO4浓度为 0.1 mol·L−1、固液比为 1:10，比较温度对各单糖生成速率的影响。结果如图 7～图10所示。

图7 不同温度下L-阿拉伯糖浓度随反应时间的变化Fig.7 Concentration profiles of L-arabinose in hydrolysate vary with reaction time under different temperature

图8 不同温度下L-阿拉伯糖相对纯度随反应时间变化Fig.8 Relative purity of L-arabinose in hydrolysate vary with reaction time under different temperature

图9 不同温度下D-半乳糖浓度随反应时间的变化Fig.9 Concentration profiles of D-galactose in hydrolysate vary with reaction time under different temperature

图7表明温度是水解参数中的重要影响因素，温度越高，L-阿拉伯糖生成速率越大。当温度低于80℃时，L-阿拉伯糖浓度在水解10 h仍未能达平衡。随着水解温度升高，阿拉伯胶大分子链的运动更剧烈，多糖分子摆脱自身分子间的氢键作用力后溶解，溶解后的多糖分子更易受水合氢离子进攻而水解成单糖，水解速率随着增大。

由图8可知，L-阿拉伯糖相对纯度在100～200 min时均可达85%以上。L-阿拉伯糖浓度在80℃水解300 min和90℃水解140 min均可达30 g·L−1，相对纯度高达88%，随后纯度无明显变化。而T=100℃时，L-阿拉伯糖浓度在水解60 min时为34 g·L−1，相对纯度为86%，而D-半乳糖随时间延长而水解更充分，L-阿拉伯糖相对纯度在水解10 h后降至60%。

将图7与图3对比可知，相比pH，阿拉伯糖的生成速率更易受温度影响。图9与图5对比可知，pH对D-半乳糖生成速率的影响大于温度。由图10可知，温度和pH对L-鼠李糖的生成速率影响较小。

以上现象原因可能是温度主要影响糖苷键的最初断裂，L-阿拉伯糖主要存在于支链中，易在水解初始阶段断裂。氢离子在断裂发生后进攻聚合度小的主链上的糖苷键，水解出D-半乳糖。此外，L-鼠李糖与 L-阿拉伯聚糖之间的糖苷键易受温度影响，在较高温度下即可断裂得到L-鼠李糖。

图10 不同温度下L-鼠李糖浓度随反应时间的变化Fig.10 Concentration profiles of L-rhamnose in hydrolysate vary with reaction time under different temperature

2.5 固液比对水解情况的影响

考察了T=100℃，0.05 mol·L−1H2SO4，固液比分别为1:10、1:8和1:5（固定液体V=100 ml）时的水解情况，结果如图 11、图 12所示。图 11为L-阿拉伯糖浓度变化，为增加可对比性，用水解液中 L-阿拉伯糖浓度与阿拉伯胶质量的比值随反应时间的变化作图。

从图11可知，L-阿拉伯糖生成速率随固液比增大而降低，且水解更不充分，当固液比为1:5，100 ml水解液中含有3 g·L−1阿拉伯糖，水解率约为71%（以10 g阿拉伯胶含有4.2 g L-阿拉伯糖为基准）。固液比为1:10时，100 ml水解液中含有4.2 g·L−1阿拉伯糖，水解率约为 100%。但固液比越小，水解液中L-阿拉伯糖浓度越低，后续浓缩能耗增大，且提取周期长、生产效率低，因此固液比为1:10时相对较佳。

经上述各影响因素的考察，得到如下适宜的水解条件：0.1 mol·L−1H2SO4、固液比 1:10、90℃下水解200 min左右。此时水解液中阿拉伯糖相对含量87%，水解率为85%。

图11 不同固液比下L-阿拉伯糖浓度随反应时间的变化Fig.11 Concentration profiles of L-arabinose in hydrolysate vary with reaction time under different liquid-solid ratio

图12 不同固液比下阿拉伯糖相对纯度随反应时间的变化Fig.12 Relative purity of arabinose in hydrolysate vary time under different liquid-solid ratio

3 结 论

（1）阿拉伯胶水解过程中，L-阿拉伯糖受温度影响大于酸浓度，当温度达到80℃以上时，较低浓度的酸便使其水解充分，但酸的加入是L-阿拉伯糖水解必不可少的因素，L-阿拉伯糖水解完全时质量分数占阿拉伯胶的42%。

（2）L-鼠李糖的浓度受温度和酸浓度的影响均较小，随温度升高和酸浓度的增加，其浓度有小幅度增加，L-鼠李糖水解平衡时质量分数占阿拉伯胶的7%。

（3）D-半乳糖需要加入一定浓度的硫酸后才能顺利水解，因为在阿拉伯胶的网状结构中，D-半乳糖处于中间主链上，pH越大，越多的氢离子左右于糖苷键上，有助于D-半乳糖的生成。在所选用反应条件中，都未能使D-半乳糖水解达到平衡，需选用更剧烈的水解条件。

（4）本文得到的较佳的水解条件为：0.1 mol·L−1H2SO4，固液比 1:10，90℃水解 200 min左右，此时阿拉伯糖浓度为34 g·L−1，L-阿拉伯糖相对含量为87%，阿拉伯糖水解率为85%（以10 g阿拉伯胶含有4.2 g L-阿拉伯糖为基准）。

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