连续色谱移动床分离甘蔗渣提取物制备阿拉伯糖和木糖的研究与应用

钱朋智，张梅娟

（1.齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔大学生命科学与农林学院，黑龙江齐齐哈尔 161006）

目前，国内制备L-阿拉伯糖、D-木糖主要集中在北方，多以玉米芯、玉米皮等农作物废弃料中的半纤维素和木糖生产中产生的母液为原料[1]。甘蔗渣是制糖工业的主要副产品，是甘蔗机械压榨提汁后所剩的主要部分，甘蔗渣成分中纤维素含量32%～48%，多缩戊糖含量24%～25%，木质素含量18%～20%，灰分含量2%～4%[2]。甘蔗渣来源集中、产量大、价格低廉，是理想的生产L-阿拉伯糖和D-木糖的原料。

连续色谱移动床主要采用Septor IX转盘系统，其多孔旋转分配阀，运行过程中可以实现同时切换，可以保证阀门切换的同步；可以根据需要采用孔数不同的阀门；树脂柱安放在同一个转盘上同阀门同步转动，真正实现柱床移动，可大量节省树脂量；木糖、L-阿拉伯糖收率、浓度及纯度高和稳定性高；一般只采用水或某一种解析剂，不具有强腐蚀性，三废排放量极少，减少环保压力。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

甘蔗渣，购自当地甘蔗糖厂，堆放时间3个月以上。

浓硫酸、浓盐酸、氢氧化钠等试剂和药品，均为分析纯；活性干酵母，安琪酵母股份有限公司提供；D001苯乙烯大孔型强阳离子交换树脂、D301-FD苯乙烯大孔型弱阴离子交换树脂、DOC2001苯乙烯大孔型强阴离子交换树脂，江苏苏青水处理有限公司提供。

1.2 主要设备

SGD-Ⅳ型全自动还原糖测定仪，山东科学院生物研究所产品；YS-10L型双层玻璃立式结晶槽，广州乙胜实验仪器有限公司产品；CD-UPTL-I-40L型超纯水器，成都越纯科技有限公司产品；20柱连续色谱Septor IX转盘系统，三达膜环境技术股份有限公司产品。

1.3 工艺流程

甘蔗渣→稀硫酸水解→水洗回收糖→一次脱色→一次浓缩→二次脱色→一次离子交换→二次浓缩→二次离子交换→三次浓缩→结晶→分离→木糖母液→稀释→脱色→离子交换→浓缩→连续色谱移动→阿拉伯糖。

2 结果与讨论

2.1 甘蔗渣提取工艺

正交试验优化得出最佳水解参数为硫酸质量分数1.2%，料液比1∶8，酶解时间120 min，酶解温度123℃，经过脱色、离子交换、浓缩、结晶等多步分离纯化工序，制备出外观洁白、晶体均匀一致、流动性好的木糖晶体。107 kg绝干甘蔗渣生产10 kg木糖产品，产品得率为9.35%。经高效液相色谱检测，木糖产品的纯度为99.68%，符合GB/T 23532—2009的要求，得到的木糖母液质量为9.5 kg。

2.2 木糖母液的稀释

工艺参数为温度45℃，搅拌器转速120 r/min，用纯水将黏稠的木糖母液稀释至折光质量分数20%左右。稀释前，木糖母液质量9.5 kg，折光度60%，透光4.88%，电导500 μs/cm，高效液相色谱仪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%。稀释后，料液透光12.7%，pH值 4.5，电导1 806 μs/cm，折光度20.52%。

2.3 发酵去除葡萄糖

经多次试验，确定工艺参数是活性干酵母添加量为料液质量的0.2%；料液pH值自然，温度25℃，鼓风充氧，搅拌器转速100 r/min，用生物传感仪或高效液相色谱仪检测葡萄糖含量，当葡萄糖含量＜1%时，结束发酵，布氏漏斗抽滤。滤液折光度20.13%，pH值4.33，电导1 784 μs/cm，高效液相色谱仪检测葡萄糖含量0.41%，木糖含量72.3%，L-阿拉伯糖含量17.50%。

2.4 脱色

正交试验优化得出最佳参数是活性炭添加量为料液质量的0.5%，温度80℃，保温30 min，布氏漏斗抽滤。脱色液折光度20.0%，电导1 759 μs/cm，pH值4.20，透光90.52%。

2.5 离子交换

经多次试验，确定脱色液离交顺序为弱阴离子交换树脂柱-强阳离子交换树脂柱-强阴离子交换树脂柱。离交液质量27.46 kg，折光度16.07%，透光100%，电导5.33 μs/cm，pH值6.48。

2.6 浓缩

工艺参数为真空度-0.089 MPa，温度80℃，转速25 r/min。浓缩液质量为9.87 kg，折光度45%，高效液相色谱仪分析木糖含量72.38%，L-阿拉伯糖含量17.53%。

2.7 连续色谱移动床分离

连续色谱分离移动床分离剂为钙型阳离子色谱分离树脂，分离温度60℃，单柱装树脂量800 mL；20根柱子树脂总装填量16 L，其中1～5号柱为洗脱区，6～10号柱为二级分离区，11～15号柱为一级分离区，16～20号柱为水回收区。L-阿拉伯糖组分从柱5的出口处收集，D-木糖组分从柱15的出口处收集。以料液处理量，产品的浓度、纯度、收率等为考查指标，经过反复验证，系统运行稳定后，确定最佳的转盘周期、各区域流速等参数：树脂柱转到速率为214 r/min。浓缩液进料流速9 mL/min，木糖组分流速13.5 mL/min，L-阿拉伯糖组分流速12 mL/min，补水流速16.5 mL/min。一级分离区流速66.5 mL/min，二级分离区流速58 mL/min，三区洗脱区69 mL/min，四区水回收区流速52.5 mL/min。L-阿拉伯糖组分质量8.28 kg，折光度9.46%，纯度92.29%，得率为92.84%；木糖组分质量15.15 kg，折光度21.03%，纯度91.46%，得率为9.67%。

2.8 浓缩、结晶

2.8.1 L-阿拉伯糖组分的浓缩、结晶

工艺过程及参数是收集的L-阿拉伯糖组分溶液蒸发为折光度83%，测得糖浆质量为0.731 kg，导入立式结晶器中，冷却降温，降温幅度2.5～3.5℃，进行循环水观察糖浆状态。当起晶时，按L-阿拉伯糖浆质量的0.5%添加晶种4.28 g（L-阿拉伯糖晶种研磨为100目的粉末，用适量无水乙醇配成晶种糊），降温幅度1℃/h，调节转速12 r/min，当降至35℃左右时，结晶结束，经离心机分离、干燥工序得到L-阿拉伯糖成品。L-阿拉伯糖成品质量0.549 kg，外观为洁白无暇、流动性好、结构松散的结晶性粉末，纯度为99.90%。2.8.2 木糖的回收

工艺参数是收集的D-木糖组分溶液蒸发为折光度83%，测得糖浆质量为3.48 kg，导入立式结晶器中，冷却降温，降温幅度2.5～3.5℃，进行循环水观察糖浆状态。当起晶时，按D-木糖浆质量的0.5%添加晶种17.4 g（D-木糖晶种研磨为100目的粉末，用适量无水乙醇配成晶种糊），降温幅度1℃/h，调节转速12 r/min，当降至35℃左右时，结晶结束，经离心机分离、干燥工序得到D-木糖糖成品。D-木糖成品质量2.21 kg，外观为洁白无暇、流动性好、结构松散的结晶性粉末，纯度为99.93%。

3 结论

以硫酸为酸化剂酶解甘蔗渣，硫酸质量分数1.2%，料液比1∶8，酶解时间120 min，酶解温度123℃，离心后的酶解液经过脱色、离子交换、浓缩、结晶等多步分离纯化工序，制备出外观洁白、晶体均匀一致、流动性好的木糖晶体，产品得率为9.35%，经高效液相色谱检测，木糖产品的纯度为99.68%，符合GB/T 23532—2009的要求。利用连续色谱移动床（Septor IX）分离甘蔗渣提取液的木糖结晶母液，L-阿拉伯糖和D-木糖得到了最佳分离，组分纯度分别达92.29%和91.46%，组分得率分别为92.84%和90.67%。分别结晶后，高效液相色谱分析L-阿拉伯糖成品纯度为99.90%，木糖产品纯度为99.90%。

参考文献：

[1]朱路甲，张雪梅，赵守明，等.L-阿拉伯糖从木糖母液中色谱分离树脂的合成研究 [J].中国食品添加剂，2012 （1）：144-147.

[2]尤新，李明杰．木糖与木糖醇的生产技术及应用 [M].北京：中国轻工业出版社，2006：17-19.◇