模擬移動床分離高純果糖的研究

李良玉，李洪飛，王學(xué)群，馮興元，*

（1.黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品加工工程技術(shù)研究中心，黑龍江大慶163319；2.大慶宏源分離技術(shù)研究所，黑龍江大慶163319；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命學(xué)院，黑龍江大慶163319）

模擬移動床分離高純果糖的研究

李良玉1，2，李洪飛1，3，王學(xué)群1，2，馮興元1，2，*

（1.黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品加工工程技術(shù)研究中心，黑龍江大慶163319；2.大慶宏源分離技術(shù)研究所，黑龍江大慶163319；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命學(xué)院，黑龍江大慶163319）

模擬移動床是一種先進(jìn)的色譜分離設(shè)備，其廣泛應(yīng)用于有效成分的提取與分離。利用模擬移動床設(shè)備從果葡糖漿中分離高純果糖，通過單柱實驗計算出模擬移動床的分區(qū)方式及初始工藝參數(shù)為：進(jìn)料速度3.0mL/min、洗脫速度7.5mL/min、循環(huán)速度12.0mL/min、切換時間400s，最終所得果糖的純度為95%、收率為85%。

模擬移動床，果糖分離，工藝技術(shù)

果糖是一種提煉自各種水果和谷物，全天然、甜味濃郁的新糖類，因不易導(dǎo)致高血糖[1]，也不易產(chǎn)生脂肪堆積而發(fā)胖，更不會產(chǎn)生齲齒[2]，而被更多的人們所認(rèn)識。工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)果糖的原料是蔗糖，用稀鹽酸或轉(zhuǎn)化酶都可以使蔗糖發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)物是果糖和葡萄糖的混合溶液，再經(jīng)加工結(jié)晶制得高純果糖。另一生產(chǎn)果糖的方法是用淀粉做原料，淀粉水解后經(jīng)固定化葡萄糖異構(gòu)酶轉(zhuǎn)化為糖，其中含有42%的果糖和58%的葡萄糖，這種混合物稱為果葡糖漿或高果糖漿，42%的果糖已到了酶轉(zhuǎn)化的極限[3]。葡萄糖與果糖互為同分異構(gòu)體，葡萄糖是一種多羥基醛（醛糖），果糖是一種多羥基酮[4]（酮糖），在果葡糖漿中分離純化果糖也就成為了一個難題。模擬移動床色譜分離技術(shù)是一種高效、先進(jìn)的分離純化技術(shù)，屬于工業(yè)高新技術(shù)。目前，在精細(xì)分離領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用市場，在國外已遍及石油化工、食品、精細(xì)化工、生物發(fā)酵和醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用。作為一種新型的分離技術(shù)，特別對現(xiàn)代功能糖與功能糖醇的發(fā)展起到了重要技術(shù)提升作用。目前人們知道的各種功能糖與功能糖醇，都存在一個提取與精制的問題。由于大部分功能糖與功能糖醇在精制過程中，都需要與分子量及結(jié)構(gòu)十分相近的其他不具備功能性質(zhì)的糖與糖醇分離、提純，此時，常規(guī)分離手段，如過濾、鹽析、結(jié)晶、蒸發(fā)、甚至膜分離都很難達(dá)到目的[5-7]。模擬移動床由于具備其特有的連續(xù)、高效分離性能，完全可以將功能糖與功能糖醇分離出來。因此，本實驗利用模擬移動床技術(shù)成功地將果糖與葡萄糖分離，制備出高純果糖。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

F42果葡糖漿 自制；Ca2+樹脂 山東膠南金泰源提供。

不銹鋼柱Φ16×500mm、模擬移動床XZ12-1.2L 大慶宏源分離技術(shù)研究所；阿貝折射儀2-WAJ上海光學(xué)儀器五廠；高效液相色譜1200series 美國安捷倫科技公司。

1.2 檢測方法

1.2.1 液相檢測方法 實驗采用高效液相色譜法對果糖進(jìn)行分析。液相條件：色譜柱Rezex RPMMonosaccharide Pb++（8%）300×7.8mm；檢測器；示差折光檢測器SPD-10A；柱溫：70℃；流動相：純水；流速：0.8mL/min；進(jìn)樣量：20μL。

1.2.2 分離度計算方法 分離度又稱分辨率，為了判斷分離物質(zhì)在色譜柱中的分離情況，常用分離度作為柱的總分離效能指標(biāo)，用R表示，R等于相鄰色譜峰保留時間之差與兩色譜峰峰寬均值之比。R越大，表明相鄰兩組分分離越好。一般來說，當(dāng)R＜1時，兩峰有部分重疊；當(dāng)R=1.0時，分離度可達(dá)98%；當(dāng)R= 1.5時，分離度可達(dá)99.7%。通常用R=1.5作為相鄰兩組分已完全分離的標(biāo)志。當(dāng)R＝1時，稱為4σ分離，兩峰基本分離，裸露峰面積為95.4%，內(nèi)側(cè)峰基重疊約2%；R＝1.5時，稱為6σ分離，裸露峰面積為99.7%；R≥1.5稱為完全分離。《中國藥典》規(guī)定R應(yīng)大于1.5。

式中：tR1：峰1的保留時間；tR2：峰2的保留時間；W1：峰1峰寬；W2：峰2峰寬。

1.3 實驗方法

模擬移動床的色譜分離系統(tǒng)通常可分為四個區(qū)，每區(qū)都有各自特有的流速。在相對于全程分離系統(tǒng)中，一旦達(dá)到穩(wěn)定的濃度曲線，它將會在循環(huán)流的助動下緩慢流過系統(tǒng)。在系統(tǒng)分離中保持濃度穩(wěn)定是通過移動料液入口和解吸劑注入進(jìn)口位置以及產(chǎn)品和副產(chǎn)品的出口位置來實現(xiàn)的[8]，如圖1所示。進(jìn)出料位置的變換是關(guān)鍵技術(shù)，其由多孔旋轉(zhuǎn)閥或自控閥來實現(xiàn)。

圖1 模擬移動床工作原理Fig.1 The working principle of SMB

模擬移動床技術(shù)的過程設(shè)計主要是為了減少實驗次數(shù)，利用數(shù)學(xué)模型的方法可以獲得其最佳操作參數(shù)。采用相應(yīng)的TMB模型，假設(shè)了柱內(nèi)兩相的真正逆流，由于忽略了循環(huán)口的切換，因而可以得到一個連續(xù)逆流吸附過程的平衡方程，大大簡化了模型，模型較為簡單，求解方便。Pais等通過大量實驗研究，認(rèn)為SMB和TMB兩個模型之間只有很小的差別，而且兩者模擬預(yù)測的產(chǎn)品純度及收率也極為接近。因此利用TMB模型就可以有效地進(jìn)行SMB運行過程的研究。本文中主要采用了基于TMB的優(yōu)化策略，來實現(xiàn)SMB運行參數(shù)的設(shè)計。1.3.1 進(jìn)樣量對果糖分離的影響 取處理好的Ca2+樹脂裝制備柱，進(jìn)樣溫度為60℃，進(jìn)樣濃度為50%，洗脫流速為1.5mL/min，進(jìn)樣量分別為5、10、15、20、25mL，以分離度為指標(biāo)，研究進(jìn)樣量對果糖分離的影響。

1.3.2 洗脫流速對果糖分離的影響 取處理好的Ca2+樹脂裝制備柱，進(jìn)樣溫度為60℃，進(jìn)樣濃度為50%，進(jìn)樣量20mL，洗脫流速分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mL/min，以分離度R為指標(biāo)，研究洗脫流速對果糖分離的影響。

1.3.3 柱溫度對果糖分離的影響 取處理好的Ca2+樹脂裝制備柱，進(jìn)樣濃度為50%，進(jìn)樣量20mL，洗脫流速1.5mL/min，進(jìn)樣溫度分別為45、50、55、60、65℃，以分離度R為指標(biāo)，研究柱溫度對果糖分離的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 單柱實驗結(jié)果與分析

2.1.1 進(jìn)樣量對果糖分離影響的研究結(jié)果 結(jié)果見圖2。

圖2 進(jìn)樣量對分離度R的影響Fig.2 Effect of feed rate on resolution（R）

由圖2可知，隨著糖漿進(jìn)料量的增大，果糖與葡萄糖分離度逐漸減小。由于進(jìn)料量的增加，柱吸附果糖效果差、吸附能力下降，導(dǎo)致分離度降低。因此，在保證分離度較高的情況下，兼顧生產(chǎn)效率，確定20mL為最佳進(jìn)料量。

2.1.2 洗脫流速對果糖分離影響的研究結(jié)果 結(jié)果見圖3。

圖3 洗脫速度對分離度R的影響Fig.3 Effect of the elution rate on resolution（R）

由圖3可以看出，隨著洗脫流速的不斷增大，分離度呈下降趨勢。洗脫流速對果葡糖漿的分離有很大的影響。在低洗脫流速下，吸附劑對果糖的吸附充分，分離效果好；洗脫流速快，使組分在柱中的停留時間短，溶液中的離子來不及擴(kuò)散到樹脂內(nèi)部，分離時間短，分離效果差。綜合考慮，選擇洗脫流速為1.5mL/min。

2.1.3 柱溫度對果糖分離影響的研究結(jié)果 結(jié)果見圖4。

如圖4所示，分離度隨著柱溫的增加而增大，當(dāng)溫度達(dá)到55℃時，分離度最高。隨著操作溫度的升高可促進(jìn)分離過程的進(jìn)行，使分離效果提高，但由于吸附過程放熱，溫度過高，反而會影響吸附分離的效果。當(dāng)溫度超過60℃時，果糖液會發(fā)生部分變黃，有氧化分解的現(xiàn)象。因此，選擇最佳的柱溫度為55℃。

在單因素實驗的基礎(chǔ)上繪制洗脫曲線圖，見圖5。

圖4 柱溫度對分離度R的影響Fig.4 Effect of temperature on resolution（R）

圖5 單柱洗脫曲線Fig.5 The curve of single column elution

2.2 模擬移動床分離果糖各區(qū)分配方式的確定

根據(jù)SMB與TMB間的等效性和轉(zhuǎn)換關(guān)系，考慮樹脂對果糖和葡萄糖吸附強弱的不同，水洗的流速和水洗的效果，以及樹脂柱和設(shè)備的實際操作性能，確定模擬移動床色譜分離區(qū)各區(qū)的分配方式，如表1所示。

表1 模擬移動床分離各區(qū)分配方式Table 1 Distribution mode of SMB sections

2.3 模擬移動床分離果糖各區(qū)分配方式的確定

根據(jù)單柱動態(tài)實驗結(jié)果和TMB模型的物料平衡方程推算所得初始工藝參數(shù)為：進(jìn)料速度3.0mL/min、洗脫速度7.5mL/min、循環(huán)速度12.0mL/min、切換時間400s。

2.4 驗證實驗

以上述分區(qū)方式和初始工藝參數(shù)進(jìn)行驗證實驗，實驗首先進(jìn)行模擬移動床的平衡，然后以24h為一個周期，連續(xù)實驗7個周期，結(jié)果SMB分離純化果糖純度可達(dá)95%以上、收率為85%以上，所得果糖的液相結(jié)果見圖6。

圖6 果糖的液相分析結(jié)果Fig.6 The liquid phase analysis result of fructose

3 結(jié)論

通過研究可以看出，模擬移動床分離純化果糖的工藝路線可行，技術(shù)參數(shù)可靠。隨著生命科學(xué)、生物技術(shù)和醫(yī)藥技術(shù)的快速發(fā)展，各種原材料組分應(yīng)用價值的研究開發(fā)，越來越多的單體成分及手性藥物需要分離。由于模擬移動床色譜在分離兩組分體系上的高效性，并伴隨著模擬移動床設(shè)備的不斷更新、發(fā)展，必將在精細(xì)分離技術(shù)上得到大量的應(yīng)用。

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Study on simulated moving bed equipment and its application in fructose separation

LI Liang-yu1，2，LI Hong-fei1，3，WANG Xue-qun1，2，F(xiàn)ENG Xing-yuan1，2，*
（1.Agri-Food Processing and Engineering Technology Research Center of Heilongjiang Province，Daqing 163319，China；2.Daqing Hongyuan Separation Technology Research Institute，Daqing 163319，China；3.College of Life Science and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319，China）

Simulated moving bed chromatography is a kind of advanced chromatographic separation equipment，it is widely used in the extraction and separation of functional ingredients.Simulated moving bed equipment was used to separated fructose from the high purity fructose syrup，calculated simulated moving bed partition and the initial process parameters were studied by single-column test.The results showed that feed rate 3.0mL/min，elution rate 7.5mL/min，circulation rate 12.0mL/min，switching time 400s.The purity of fructose was 95% and the yield was 85%.

simulated moving bed；fructose separation；processing technology

TS245.4

A

1002-0306（2012）03-0302-03

2011－01－25 *通訊聯(lián)系人

李良玉（1982-），男，助理研究員，主要從事天然活性成分分離與純化方面的研究。

大慶高新區(qū)創(chuàng)新基金類項目（DQGX08YF047）；黑龍江省科技廳“十一五”重點科技攻關(guān)項目（GC09A511）。