三组分色谱分离技术制备高纯度结晶麦芽糖醇工艺研究

丘春洪

（肇庆焕发生物科技有限公司技术部，广东 肇庆 526000）

0 引言

生产单位通常以淀粉为原料，通过酶水解、加氢反应等工序生产麦芽糖醇，由于该工艺所生产的麦芽糖醇中掺杂较多影响黏度和结晶效率的杂糖醇、麦芽三糖醇等杂质，因此为满足产品结晶需求，生产单位选择利用两组分色谱分离技术有效地对麦芽糖醇和其他杂质进行分类。然而，该方法在杂糖醇的去除效率方面存在一定缺陷，导致企业需要消耗更高的成本去完成高纯度结晶麦芽糖醇的制备工作，从而会对企业的生产效益产生负面影响。因此，该文提出改善两组分色谱分离技术的三组分色谱分离技术，并通过试验对比的方式验证了新工艺的可行性和优势特性。

1 三组分色谱分离技术

对均相混合液来说，三组分色谱分离技术能够结合各组分在色谱树脂的出峰速度有效分离A（慢）、B（中）和C（快）3种组分，应用该技术时通常选择集中进料大放送进行分离，能够一次性将一个大周期的原料送入中间组分区域，通过多次分离实现A、C组分的分离，通过持续的分离纯化最终得到纯度更高的B组分。该分离技术所得到的产品具有较高的纯度，对杂醇的分离效率更高，能够进一步提升结晶麦芽糖醇产品的质量，分离得到的其他组分也能够得到有效应用。当然，该技术还存在色谱处理量不足、水耗高的缺陷，需要尽可能提升原料质量，以满足固定值进料需求，在实际应用时，需要按照标准对原料蛋白含量进行控制，同时也需要对色谱进水和来料的电导率进行严格控制，避免电导数值超出10 μs/cm，从而确保分离工作的正常开展。

2 基于三组分色谱分离技术的麦芽糖醇高纯度结晶制备工艺试验方法

2.1 材料与仪器

选择应用混杂杂糖醇、麦芽糖三糖醇以及山梨糖醇3种杂质组分的麦芽糖醇产品作为原料，将陶氏化学生产的99Ca310型树脂作为色谱分离树脂。为满足试验检测需求，须应用PHB-3pH计、200 μL移液枪（JOAN）、电子天平（DT-500）、阿贝折光仪（WAY-ZT）、0.45 μm 微滤膜、水浴恒温振荡器（HZS- HA）、纯化水机（UPHW-1V- 90T）、真空抽滤泵（SHZ-DⅢ）以及高效液相色谱仪（Waters e2695）；工艺测试所应用的试验设备为中试色谱装置，该仪器由上海兆光生产；须装填3.5 m³的树脂，操作模式为SSMB三子布顺序，控制系统为PLC。

2.2 结晶麦芽糖醇生产工艺

麦芽糖醇结晶前需要通过糖化酶处理的方式来完成纯度大于90%的麦芽糖醇的生产制备工作，基于高纯度麦芽糖醇进行加氢反应、过滤交互以及色谱分离等一系列操作，将麦芽糖醇的纯度由85%提纯至91%，从而基于高纯度的麦芽糖醇进行结晶处理，最终得到所需的结晶麦芽糖醇，相关制备工艺流程如下：对高纯度的麦芽糖进行加氢处理、脱色处理、过滤处理以及离子交互处理，并进行蒸发浓缩、色谱分离以及蒸发浓缩操作，对浓缩后的麦芽糖醇进行结晶处理，结晶后进行离心和烘干处理，获取所需的结晶麦芽糖醇。

为了有效验证两组分色谱分离工艺所生成麦芽糖醇结晶的数据指标为了，该文针对该工艺设计了相应的试验方法。在制取超高麦芽糖浆的操作过程中，试验人员须选择值≤10%的糖化液作为原料，确保其在无碘试反应、清亮透明且液化均匀的情况下，将糖化液导入糖化罐中进行加热灭酶处理，加热前需要将其酸碱度调整至3，加热灭酶处理后需要利用蒸馏水（已煮沸）将糖化液浓度调整至20%级别，并快速将其温度调整至60 ℃，同时按照5.3左右的标准调整其酸碱度，并按照干基控制加酶量，最终以0.5 g/kg的标准添加β-淀粉酶，以0.39 g/kg的标准添加普鲁兰酶，以0.58 g/kg的标准添加麦芽三糖酶，添加完成后在均匀搅拌的基础上将其放入60 ℃的恒温环境中保存48 h，达到既定时间后按照0.16 g/kg 的标准添加真菌酶，并在相同环境中保温60 h，最终得到大于90%浓度的超高麦芽糖浆。在加氢反应制备麦芽糖醇的环节，使用人员须将超高麦芽糖浆浓缩50%的液量，并按照7.5～8.0的标准对其酸碱度进行调整，确认无误后加入镍催化剂（10%干物质标准），加氢反应的环境为125 ℃～135 ℃（温度范围）与9 MPa～10 MPa（氢气压力范围），按照300 r/min的搅拌转速进行2 h的加氢反应，最终得到纯度超出85%的麦芽糖醇。在脱色处理阶段，试验人员需要利用0.5%～1.0%比例的粉末活性炭在4.5pH～5.0pH与80℃环境中按照25 r/min的搅拌速度进行0.5 h的搅拌处理；在过滤处理阶段，试验人员需要利用硅藻土和压滤机进行压滤处理，硅藻土用量为0.5 kg/m，须将压滤机压滤控制在不超出0.1 MPa的状态，并按照0.2 MPa～0.3 MPa的压力进行过滤。在离子交换期间，须将温度控制在40 ℃，并按照700 kg/h的流速进行交互，去除色素、含氮可溶性物质以及金属离子等杂质。在蒸发浓缩阶段，试验人员则需要在-0.092 MPa的真空度环境中进行蒸发浓缩处理，最终基于60%的浓度标准完成出料。在色谱分离阶段，试验人员则需要采取两组分色谱分离的方式进行处理，该处理方式容易导致山梨糖醇富集并降低麦芽糖醇纯度，对麦芽糖醇结晶生产效率和成本造成负面影响，而三组分色谱分离技术则能够有效实现对山梨糖醇杂质的分离，满足高纯度解决麦芽糖醇的高效、低成本生产需求。

三组分色谱分离技术在麦芽糖醇生产工艺中能够实现其纯度从85%到95%的提升，从而有效提升麦芽糖醇结晶纯度与效率[4]。该工艺不仅能够满足麦芽糖醇清洁生产地需求，而且也能够实现多种不同产品的同步分离制备，对提升企业的经济效益具有积极意义，相关工艺流程如下：将原料与纯水混合，通过三组分色谱分离技术与相关技术设备将溶液分离为3种溶液（AD、CD与BD），对麦芽糖醇纯度高、杂质少的BD溶液进行蒸发浓缩与结晶处理，再对结晶麦芽糖醇进行离心与烘干处理，最终得到所需的高纯度结晶麦芽糖醇。

2.3 设备操作与组分检测方法

在应用色谱分离装置的过程中，工作人员需要提前准备试验所需的色谱分离树脂，并将其装填至隔膜泵中，确认无误后通过补压排空的方式处理各色谱柱。然而，工作人员需要借助热水提升装置温度，待达到标准温度范围后，按要求配置系统参数，采取自控模式，并对泵频进行调整。待完成一个大周期的设备运行后，装置内的压力和温度达到平衡状态，此时则需要利用原料取代装置料罐里的水分，开始进行进料操作。待装置运行4 h后，进行取样和各组分检测工作。

该文所选取的麦芽糖醇组分检测方法为面积归一法，基于标准盐垢确认的糖醇归属，并结合各组分峰面积与总面积的比值对组分相对含量进行计算分析。Sugar Park-1色谱柱（7.8×300 mm ）液相条件要求保持85 ℃的柱温，应用示差检测器并将温度控制在40 ℃，基于0.6 mL/min速度控制流动相（超纯水）流速，设定10 μL的进样量。

3 结晶麦芽糖醇生产工艺结果分析

3.1 两组分色谱分离结果分析

由于进料组成难以维持在稳定状态，因此通过两组分色谱分离得到的组分数据存在较大的波动情况，分离得到的慢组分与洗脱剂混合样品检测结果见表1，分离得到的快组分与洗脱剂混合样品检测结果见表2。在快慢组分样品的多次检测过程中存在的偏差与仪器测量精度关联性不高，为进一步提升测量精度，有效规避进料组成差异带来的误差，选择5次测量的平均值作为最终结果，以反馈色谱分离的真实效果。其中，表1与表2中的A为慢组分，B为快组分，D为解析组分的纯水洗脱剂。

表1 两组分色谱分离得到的AD 组分含量数据（单位：%）

表2 两组分色谱分离得到的BD 组分含量数据（单位：%）

由表1、表2可知，慢组分分离得到的麦芽糖醇产品中含有0.28%的杂糖醇、0.27%的麦芽三糖醇以及7.3%的山梨糖醇（均为平均值），获取的麦芽糖醇的纯度可达92.15%（平均值）；快组分分离得到的麦芽糖醇产品中含有18.7%的杂糖醇、5.9%的麦芽三糖醇以及10.9%的山梨糖醇（均为平均值），获取的麦芽糖醇的纯度仅为64.50%（平均值）；最终可以得到的麦芽糖产品的纯度可以达到92%。表2的数据结果表明，在制备高纯度的麦芽糖醇的过程中，如果存在含量较高的山梨糖醇，就会导致麦芽糖醇的含量始终难以得到有效提升，因此为提升产品纯度，还需要确保原料中山梨糖醇的含量较低。

3.2 三组分中试色谱分离结果分析

由于进料组成难以维持在稳定状态，因此通过三组分色谱分离得到的组分数据存在较大的波动情况，分离得到的慢组分（A）与洗脱剂（D）混合样品检测结果见表3，分离得到的中组分（B）与洗脱剂（D）混合样品检测结果见表4，分离得到的快组分（C）与洗脱剂（D）混合样品检测结果见表35。在快、慢组分样品的多次检测过程中存在的偏差与仪器测量精度关联性不高，为进一步提升测量精度，有效规避进料组成差异性带来的误差，选择5次测量的平均值作为最终结果，以反馈色谱分离的真实效果。其中，表3、表4中的A即为前文所述的慢组分，B为中组分，C为快组分，D为解析组分的纯水洗脱剂。

表4 三组分色谱分离得到的BD 组分含量数据（单位：%）

由表3～表5可知，慢组分分离得到的麦芽糖醇产品中含有9.7%的杂糖醇、0.78%的麦芽三糖醇以及36.25%的山梨糖醇（均为平均值），获取的麦芽糖醇的纯度仅为53.28%（平均值）；中组分分离得到的麦芽糖醇产品中含有1.95%的杂糖醇、0.27%的麦芽三糖醇以及2.15%的山梨糖醇（均为平均值），获取的麦芽糖醇的纯度可达95.64%（平均值）；快组分分离得到的麦芽糖醇产品中含有57.07%的杂糖醇、9.51%的麦芽三糖醇以及25.74%的山梨糖醇（均为平均值），获取的麦芽糖醇的纯度仅为7.80%（平均值）；最终可以得到的麦芽糖产品的纯度可以达到95.64%，具有95%以上的收率，杂糖醇能够达到65%以上的收率。

表3 三组分色谱分离得到的AD 组分含量数据（单位：%）

表5 三组分色谱分离得到的CD 组分含量数据（单位：%）

3.3 两种色谱分离工艺结果的对比

由于生产单位利用高压液相色谱仪对麦芽糖醇纯度进行测定，仪器检测结果即为麦芽糖醇干基在总干基中的质量占比，山梨糖醇、麦芽糖醇以及杂醇的收率即为产品响应组分干基与进料时相关组分干基的质量比，麦芽糖醇结晶收率则为结晶产品中的干基与结晶前投入麦芽糖醇原料干基的质量比。物料相同时应用2种不同色谱分离工艺得到的样品指标数据对比见表6。数据结果表明，两组分色谱分离能够得到纯度为92.08%的麦芽糖醇以及纯度为7.42%的山梨糖醇，最终结晶生产得到的麦芽糖醇产品将具有富含山梨糖醇的特性；三组分色谱分离得到的重组分BD样品中不仅麦芽糖醇的纯度能够提升至95.63%（其中的山梨糖醇仅为2.15%，杂糖醇也仅为1.95%），而且能够有效提升高纯度结晶麦芽糖醇的收率。

表6 物料相同时两种色谱分离工艺出料指标对比数据（单位：%）

在保持相同的50%进料浓度时，三组分工艺需设定6.7的水料比（即色谱进料为1 t 时，需要应用2.7 t 的水进行洗脱），两组分工艺则需要设定5.5的水料比（即色谱进料为1 t 时，需要应用2.2 t 的水进行洗脱），因此三组分工艺生产期，需要应用的洗脱剂纯水含量相对更低，能够进一步降低生产成本。为了对2种工艺的生产成本差值进行验证，该文以年产量10 000 t麦芽糖醇结晶为例，对两者的成本消耗单价进行计算，得到的数据结果见表7。设定麦芽糖醇原料单价均为6 000 元/t，两组分工艺生产1 t产品需要消耗1.79 t原料，三组分工艺生产1 t产品仅需要消耗1.43 t原料，两组分工艺消耗的水比对三组分工艺多4.05 t，两组分工艺消耗的蒸汽比三组分工艺多1.44 t，两组分工艺消耗的蒸汽比三组分工艺多4.5 t ，最终2种工艺成本的差值为2 427.795 元，换算为10 000 t结晶麦芽糖醇产品生产成本消耗差价则为2 427.795万元 ，由此可见，三组分工艺不仅提升了产品的质量，而且还大幅缩减了材料成本消耗，对提升企业生产效益具有积极意义。

表7 年产量10 000 t结晶麦芽糖醇时2种生产工艺的成本差价

4 结语

综上所述，三组分色谱分离技术能够在与两组分色谱分离技术使用相同物料的情况下，完成纯度大于95%的麦芽糖醇的生产制备工作，所得到产品中的山梨糖醇与杂糖醇含量极低；而传统工艺得到的麦芽糖醇不仅收率低，而且混杂了较多的山梨糖醇，影响了产品加工效率；此外，三组分工艺对洗脱水的应用数量要求更低，能够进一步降低生产成本，对提升高纯度结晶麦芽糖醇生产效益具有积极意义。