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，L-阿拉伯糖的生產方法主要有水解法、微生物酶法、微生物除雜發、化學合成法等。L-阿拉伯糖早期的提取方法為Tschiersch B等發明的堿提取法[1]，主要利用甜菜粕為原料，先堿提、酸解、色譜分離等工序，得到阿拉伯糖，該方法分離難度大、設備投入高。馮亞青等發明了用兩柱法從阿拉伯膠中提取L-阿拉伯糖的方法[2]，主要以阿拉伯膠為原料，經酸解、中和、濃縮、乙酸沉淀、兩柱分離，得到L-阿拉伯糖，但該方法處理工作量大，難于大規模工業化生產。Loeza-Come J.M.[3]等利用具有α-L-阿拉伯糖苷酶活性的天然酶水解牧豆樹膠生產L-阿拉伯糖，L-阿拉伯糖收率僅為17.04%。李道義等使用酵母菌發酵玉米皮酸水解液來制備結晶L-阿拉伯糖[4]，阿拉伯糖晶體得率為9.6%(以玉米皮干基計)，該方法的分離純化過程簡單易行，適用于以玉米皮為原料工業化制備L-阿拉伯糖。Kim KS等[5]用3，4二氫-2H-吡喃經硒的羥基化反應合成了阿拉伯糖，但此方法產物D、L型的消旋體，需要拆分，且所用原料較貴、步驟較多。Wulff G等[6]報道了另一種化學合成L-阿拉伯糖的方法，但同時生成了4種L-戊醛糖，其中L-阿拉伯糖的含量只有32.5%，分離困難。木糖主要是通過無機酸水解富含半纖維素的原料生成，制備方法主要有中和脫酸法、離子交換脫酸法、電滲析脫酸法、結晶法、層析分離法[7]；用木聚糖酶進行玉米芯的水解試驗，技術上完全是可能的，但必須是外切型木聚糖酶，才可以酶解得較多的木糖，酶法生產木糖得率較低，周期較長，目前尚處于研究階段[8]。

蔗髓是甘蔗莖的中心部分，由薄壁的細胞組成，有貯藏營養的功能，約為蔗渣的30%，即如果1 000萬t干蔗渣可篩分出300萬t干蔗髓，蔗髓中纖維素含量為38%～42%，半纖維素含量為22%～27%，木質素含量為20%～24%[9]，蔗髓半纖維素中L-阿拉伯糖的糖基與木糖基之比為1∶（6～7）[10]，且價廉易得，是生產L-阿拉伯糖和D-木糖比較理想的原料。

本試驗采用的Septor IX轉盤系與模擬移動床不同，該系統樹脂柱安放在同一個轉盤上，旋轉閥板與轉盤同步旋轉，真正實現柱床移動，可大量節省樹脂量；可以通過切換固定部分的水解方式，實現不同工藝的變更和調整，簡單直觀，木糖、L-阿拉伯糖收率、濃度計純度高且穩定性高；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 試驗材料

試驗原料：甘蔗髓，來自糖廠。

主要試劑：活性干酵母，購自安琪酵母股份有限公司；離子交換樹脂，購自江蘇蘇青水處理有限公司；鹽酸、氫氧化鈉等均為分析純。

1.2 主要設備

有機玻璃離子交換柱（江蘇金三陽水處理科技江蘇有限公司），SGD-Ⅳ型全自動還原糖測定儀（山東科學院生物研究所），高效液相色譜儀（浙江大學智達信息工程有限公司），Rezex RCM-Monosaccharide Ca2+色譜柱（帶鈣型保護柱，廣州菲羅門儀器有限公司）；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）。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗流程

試驗工藝路線如圖1所示。

圖1 試驗工藝路線圖

1.3.2 組分收率的計算

收率按照式（1）計算：

式（1）中，M1為分離后阿拉伯糖（木糖）組分溶液的重量；C1為分離后阿拉伯糖組分（木糖）的折光濃度（%）；M1為分離后阿拉伯糖組分（木糖）的純度（%）；M0為分離前料液溶液的重量；C0為分離前料液中阿拉伯糖（木糖）組分的折光濃度（%）；A0為分離前料液中阿拉伯糖（木糖）組分的純度（%）。

1.3.3 連續色譜分離實驗

采用20根柱的Septor IX連續移動床設備來分離母液，柱子中共裝填色譜層析樹脂16 L。連續色譜技術處理甘蔗髓木糖母液時的柱子連接示意圖如圖2所示，流程簡介如下。

（1）將連續移動床的20根樹脂柱分為4個區，每個區實現不同的功能，其中第Ⅰ區1～5號柱為洗脫區，用于洗脫已經分離出來的L-阿拉伯糖；第Ⅱ區6～10號為二級分離區，主要是提高L-阿拉伯糖純度、濃度；第Ⅲ區11～15號為一級分離區，主要是分離出D-木糖；第Ⅳ區16～20號為濃縮回流區，提高D-木糖濃度，第Ⅳ區的出水，可以回用到Ⅰ區作為進水。

（2）待分離的物料從第Ⅲ區進入系統，液流方向從左到右推動結合力弱的D-木糖組分遷移，而樹脂柱則由右向左逆向移動，把結合力強的組分L-木糖夾帶逆向移動，從而實現分離。

（3）經過第Ⅱ區和第Ⅲ區的分離，基本實現L-阿拉伯糖和D-木糖的分離，D-木糖從第Ⅲ區流出；而L-阿拉伯糖則在樹脂柱的逆向運動作用下帶到第Ⅰ區。

（4）L-阿拉伯糖到達第Ⅰ區后，在洗脫水的推動力作用下流出。

（5）D-木糖進入第Ⅳ區后，經過反復上下柱，實現D-木糖組分的濃縮，出水可返回到第Ⅰ區循環利用。

以料液處理量、產品的濃度、純度、收率等為考察指標，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。實驗結果匯總后，計算各組分的純度和收率。

圖2 連續色譜技術處理母液時的柱子連接示意圖

1.4 分析方法

總可溶性固形物含量采用折光儀法：作用手持式折光儀測定可溶性固形物含量[11]。

組分定量測定采用高效液相色譜分析：以面積歸一法計算組分含量，以超純水為流動相，柱溫80℃，檢測器溫度35℃，流速0.6mL／min，進樣量10 μL。樣品經0.22 μm濾膜過濾后進樣。

2 結果與討論

2.1 甘蔗髓水解工藝條件優化

甘蔗髓中木聚糖水解時，在酸為低濃度時，反應速度隨著酸濃度的增加而增加，當酸濃度增加到一定程度時，反應速度的增加不再明顯，而且會加大副反應，增加了水解液中的非糖物質、有機酸和色素的含量，加大了水解液的凈化難度；增加反應溫度會提高甘蔗髓中木聚糖的水解速度，增加水解的收率，但溫度過高會使木糖脫水生產糠醛，也會使木糖和其他糖反應生產焦糖，增加水解液的色素，影響水解液的質量；水解時間越短越好，時間短可以提高設備利用率，降低消耗，降低成本，提高經濟效益，而從化學反應角度來看，反應時間越長，反應越充分，產率越高，但時間過長，也會造成副產物的生產，影響水解液的質量。經正交試驗優化出最佳的水解工藝參數，見表1。

表1 甘蔗髓最佳水解參數表

2.2 木糖的提取工藝

離心后的水解液經過脫色、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%，即11.11 kg純干蔗葉生產1 kg木糖。

高效液相色譜檢測木糖產品的條件：以超純水為流動相，采用Phynomenex公司的Rezex系列Ca2+型糖醇柱（帶保護柱）作為分離柱，選用示差折光檢測器，柱溫80℃，檢測器溫度35℃，分離流速為0.6mL/min，木糖產品經0.22 μm濾膜過濾后進樣，進樣量10 μL。產品色譜檢測如圖3所示、產品組成見表2。

圖3 高效液相檢測甘蔗髓提取的木糖產品色譜圖

表2 高效液相檢測甘蔗葉提取的木糖產品組成

經高效液相色譜檢測，木糖產品的純度為98.25%，符合GB/T 23532-2009的要求。離心后的結晶木糖母液備用。

2.3 連續色譜分離系統分離蔗髓木糖母液

木糖母液稀釋至折光濃度20%左右時，按稀釋后的料液重量的0.2%添加活性干酵母粉，pH自然，溫度25℃，攪拌器轉速100 r/min，開放式發酵，定時用生物傳感儀或高效液相色譜儀檢測葡萄糖含量，當葡萄含量＜1%時，結束發酵，用布氏漏斗真空抽濾發酵液回收酵母，按濾液重量的0.5%添加粉末活性炭，80℃保溫30 min，用布氏漏斗抽濾真空過濾，得到脫色液，脫色液經過離子交換柱進行凈化處理，離子交換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；離子交換后的母液濃縮后進入連續色譜分離系統。

以PCR-642 Ca2+樹脂為固定相，純水為流動相，將濃縮液泵入連續色譜分離移動床中，分離溫度為60℃，單柱裝樹脂量為800mL，20根柱子樹脂總裝填量16 L，樹脂柱10.7 min轉動一次，樹脂柱轉到速率為214 min/圈。探討Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區流量，進料流速，進料濃度等操作條件對連續移動床色譜分離效果的影響。試驗采用了三個工藝條件，得出不同的結果，分離操作條件和試驗結果見3。

連續分離得到的木糖組分色譜檢測如圖4所示，組分含量見表4。

圖4 工藝條件2的分離的木糖組分色譜圖

表3 連續色譜分離系統操作條件和試驗結果

表4 高效液相檢測工藝條件2分離的木糖組成

連續分離得到的阿拉伯糖組分色譜檢測如圖5所示，組分含量見表5。

圖5 工藝條件2的分離的阿拉伯糖組分色譜圖

表5 高效液相檢測工藝條件2分離的阿拉伯糖組成

經過三次工藝條件對比，得出結果：當進料可溶性固形物濃度為46.5%、進料流速9mL/min，木糖流出時的流速為12mL/min，L-阿拉伯糖的流速為14mL/min，補水流速17mL/min。1～5號Ⅰ區流速為67.5mL/min，6～10號Ⅱ區流速為57.5mL/min，11～15號Ⅲ區流速為69mL/min，16～20號Ⅳ區59mL/min時，從柱5的出口收集的L-阿拉伯糖組分溶液中L-阿拉伯糖的純度90.41%，其阿拉伯糖相對于進料中的阿拉伯糖得率為93.69%，從柱15的出口處收集的木糖組分溶液中木糖的純度92.07%，其木糖相對于進料中的木糖得率為92.12%。

3 結論

以硫酸為酸化劑水解蔗髓，硫酸濃度1.0%、固液比1∶8、水解時間150 min、水解溫度123℃，離心后的水解液經過脫色、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%，經高效液相色譜檢測，木糖產品的純度為98.25%，符合GB/T 23532-2009的要求。利用連續色譜分離系統（Septor IX）分離蔗髓提取液的木糖結晶母液，以鈣型樹脂為分離劑，純水為洗脫液，分離溫度為60℃，樹脂柱轉到速率為214 min/圈，處理后的母液進料濃度46.5%，進料流速9mL/min，Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區的流速分別為67.5 57.5、69、59mL/min，L-阿拉伯糖出口流速14mL/min，木糖出口流速12mL/min，L-阿拉伯糖和D-木糖得到了最佳分離。在此條件下L-阿拉伯糖純度達到90.01%，收率達到為91.52%；D-木糖純度達到93.05%，收率達到90.88%。

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