連續色譜移動床分離甘蔗渣提取物制備阿拉伯糖和木糖的研究與應用

錢朋智，張梅娟

（1.齊齊哈爾大學食品與生物工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學生命科學與農林學院，黑龍江齊齊哈爾 161006）

目前，國內制備L-阿拉伯糖、D-木糖主要集中在北方，多以玉米芯、玉米皮等農作物廢棄料中的半纖維素和木糖生產中產生的母液為原料[1]。甘蔗渣是制糖工業的主要副產品，是甘蔗機械壓榨提汁后所剩的主要部分，甘蔗渣成分中纖維素含量32%～48%，多縮戊糖含量24%～25%，木質素含量18%～20%，灰分含量2%～4%[2]。甘蔗渣來源集中、產量大、價格低廉，是理想的生產L-阿拉伯糖和D-木糖的原料。

連續色譜移動床主要采用Septor IX轉盤系統，其多孔旋轉分配閥，運行過程中可以實現同時切換，可以保證閥門切換的同步；可以根據需要采用孔數不同的閥門；樹脂柱安放在同一個轉盤上同閥門同步轉動，真正實現柱床移動，可大量節省樹脂量；木糖、L-阿拉伯糖收率、濃度及純度高和穩定性高；一般只采用水或某一種解析劑，不具有強腐蝕性，三廢排放量極少，減少環保壓力。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

甘蔗渣，購自當地甘蔗糖廠，堆放時間3個月以上。

濃硫酸、濃鹽酸、氫氧化鈉等試劑和藥品，均為分析純；活性干酵母，安琪酵母股份有限公司提供；D001苯乙烯大孔型強陽離子交換樹脂、D301-FD苯乙烯大孔型弱陰離子交換樹脂、DOC2001苯乙烯大孔型強陰離子交換樹脂，江蘇蘇青水處理有限公司提供。

1.2 主要設備

SGD-Ⅳ型全自動還原糖測定儀，山東科學院生物研究所產品；YS-10L型雙層玻璃立式結晶槽，廣州乙勝實驗儀器有限公司產品；CD-UPTL-I-40L型超純水器，成都越純科技有限公司產品；20柱連續色譜Septor IX轉盤系統，三達膜環境技術股份有限公司產品。

1.3 工藝流程

甘蔗渣→稀硫酸水解→水洗回收糖→一次脫色→一次濃縮→二次脫色→一次離子交換→二次濃縮→二次離子交換→三次濃縮→結晶→分離→木糖母液→稀釋→脫色→離子交換→濃縮→連續色譜移動→阿拉伯糖。

2 結果與討論

2.1 甘蔗渣提取工藝

正交試驗優化得出最佳水解參數為硫酸質量分數1.2%，料液比1∶8，酶解時間120 min，酶解溫度123℃，經過脫色、離子交換、濃縮、結晶等多步分離純化工序，制備出外觀潔白、晶體均勻一致、流動性好的木糖晶體。107 kg絕干甘蔗渣生產10 kg木糖產品，產品得率為9.35%。經高效液相色譜檢測，木糖產品的純度為99.68%，符合GB/T 23532—2009的要求，得到的木糖母液質量為9.5 kg。

2.2 木糖母液的稀釋

工藝參數為溫度45℃，攪拌器轉速120 r/min，用純水將黏稠的木糖母液稀釋至折光質量分數20%左右。稀釋前，木糖母液質量9.5 kg，折光度60%，透光4.88%，電導500 μs/cm，高效液相色譜儀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%。稀釋后，料液透光12.7%，pH值 4.5，電導1 806 μs/cm，折光度20.52%。

2.3 發酵去除葡萄糖

經多次試驗，確定工藝參數是活性干酵母添加量為料液質量的0.2%；料液pH值自然，溫度25℃，鼓風充氧，攪拌器轉速100 r/min，用生物傳感儀或高效液相色譜儀檢測葡萄糖含量，當葡萄糖含量＜1%時，結束發酵，布氏漏斗抽濾。濾液折光度20.13%，pH值4.33，電導1 784 μs/cm，高效液相色譜儀檢測葡萄糖含量0.41%，木糖含量72.3%，L-阿拉伯糖含量17.50%。

2.4 脫色

正交試驗優化得出最佳參數是活性炭添加量為料液質量的0.5%，溫度80℃，保溫30 min，布氏漏斗抽濾。脫色液折光度20.0%，電導1 759 μs/cm，pH值4.20，透光90.52%。

2.5 離子交換

經多次試驗，確定脫色液離交順序為弱陰離子交換樹脂柱-強陽離子交換樹脂柱-強陰離子交換樹脂柱。離交液質量27.46 kg，折光度16.07%，透光100%，電導5.33 μs/cm，pH值6.48。

2.6 濃縮

工藝參數為真空度-0.089 MPa，溫度80℃，轉速25 r/min。濃縮液質量為9.87 kg，折光度45%，高效液相色譜儀分析木糖含量72.38%，L-阿拉伯糖含量17.53%。

2.7 連續色譜移動床分離

連續色譜分離移動床分離劑為鈣型陽離子色譜分離樹脂，分離溫度60℃，單柱裝樹脂量800 mL；20根柱子樹脂總裝填量16 L，其中1～5號柱為洗脫區，6～10號柱為二級分離區，11～15號柱為一級分離區，16～20號柱為水回收區。L-阿拉伯糖組分從柱5的出口處收集，D-木糖組分從柱15的出口處收集。以料液處理量，產品的濃度、純度、收率等為考查指標，經過反復驗證，系統運行穩定后，確定最佳的轉盤周期、各區域流速等參數：樹脂柱轉到速率為214 r/min。濃縮液進料流速9 mL/min，木糖組分流速13.5 mL/min，L-阿拉伯糖組分流速12 mL/min，補水流速16.5 mL/min。一級分離區流速66.5 mL/min，二級分離區流速58 mL/min，三區洗脫區69 mL/min，四區水回收區流速52.5 mL/min。L-阿拉伯糖組分質量8.28 kg，折光度9.46%，純度92.29%，得率為92.84%；木糖組分質量15.15 kg，折光度21.03%，純度91.46%，得率為9.67%。

2.8 濃縮、結晶

2.8.1 L-阿拉伯糖組分的濃縮、結晶

工藝過程及參數是收集的L-阿拉伯糖組分溶液蒸發為折光度83%，測得糖漿質量為0.731 kg，導入立式結晶器中，冷卻降溫，降溫幅度2.5～3.5℃，進行循環水觀察糖漿狀態。當起晶時，按L-阿拉伯糖漿質量的0.5%添加晶種4.28 g（L-阿拉伯糖晶種研磨為100目的粉末，用適量無水乙醇配成晶種糊），降溫幅度1℃/h，調節轉速12 r/min，當降至35℃左右時，結晶結束，經離心機分離、干燥工序得到L-阿拉伯糖成品。L-阿拉伯糖成品質量0.549 kg，外觀為潔白無暇、流動性好、結構松散的結晶性粉末，純度為99.90%。2.8.2 木糖的回收

工藝參數是收集的D-木糖組分溶液蒸發為折光度83%，測得糖漿質量為3.48 kg，導入立式結晶器中，冷卻降溫，降溫幅度2.5～3.5℃，進行循環水觀察糖漿狀態。當起晶時，按D-木糖漿質量的0.5%添加晶種17.4 g（D-木糖晶種研磨為100目的粉末，用適量無水乙醇配成晶種糊），降溫幅度1℃/h，調節轉速12 r/min，當降至35℃左右時，結晶結束，經離心機分離、干燥工序得到D-木糖糖成品。D-木糖成品質量2.21 kg，外觀為潔白無暇、流動性好、結構松散的結晶性粉末，純度為99.93%。

3 結論

以硫酸為酸化劑酶解甘蔗渣，硫酸質量分數1.2%，料液比1∶8，酶解時間120 min，酶解溫度123℃，離心后的酶解液經過脫色、離子交換、濃縮、結晶等多步分離純化工序，制備出外觀潔白、晶體均勻一致、流動性好的木糖晶體，產品得率為9.35%，經高效液相色譜檢測，木糖產品的純度為99.68%，符合GB/T 23532—2009的要求。利用連續色譜移動床（Septor IX）分離甘蔗渣提取液的木糖結晶母液，L-阿拉伯糖和D-木糖得到了最佳分離，組分純度分別達92.29%和91.46%，組分得率分別為92.84%和90.67%。分別結晶后，高效液相色譜分析L-阿拉伯糖成品純度為99.90%，木糖產品純度為99.90%。

參考文獻：

[1]朱路甲，張雪梅，趙守明，等.L-阿拉伯糖從木糖母液中色譜分離樹脂的合成研究 [J].中國食品添加劑，2012 （1）：144-147.

[2]尤新，李明杰．木糖與木糖醇的生產技術及應用 [M].北京：中國輕工業出版社，2006：17-19.◇