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，L-阿拉伯糖的生产方法主要有水解法、微生物酶法、微生物除杂发、化学合成法等。L-阿拉伯糖早期的提取方法为Tschiersch B等发明的碱提取法[1]，主要利用甜菜粕为原料，先碱提、酸解、色谱分离等工序，得到阿拉伯糖，该方法分离难度大、设备投入高。冯亚青等发明了用两柱法从阿拉伯胶中提取L-阿拉伯糖的方法[2]，主要以阿拉伯胶为原料，经酸解、中和、浓缩、乙酸沉淀、两柱分离，得到L-阿拉伯糖，但该方法处理工作量大，难于大规模工业化生产。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树胶生产L-阿拉伯糖，L-阿拉伯糖收率仅为17.04%。李道义等使用酵母菌发酵玉米皮酸水解液来制备结晶L-阿拉伯糖[4]，阿拉伯糖晶体得率为9.6%(以玉米皮干基计)，该方法的分离纯化过程简单易行，适用于以玉米皮为原料工业化制备L-阿拉伯糖。Kim KS等[5]用3，4二氢-2H-吡喃经硒的羟基化反应合成了阿拉伯糖，但此方法产物D、L型的消旋体，需要拆分，且所用原料较贵、步骤较多。Wulff G等[6]报道了另一种化学合成L-阿拉伯糖的方法，但同时生成了4种L-戊醛糖，其中L-阿拉伯糖的含量只有32.5%，分离困难。木糖主要是通过无机酸水解富含半纤维素的原料生成，制备方法主要有中和脱酸法、离子交换脱酸法、电渗析脱酸法、结晶法、层析分离法[7]；用木聚糖酶进行玉米芯的水解试验，技术上完全是可能的，但必须是外切型木聚糖酶，才可以酶解得较多的木糖，酶法生产木糖得率较低，周期较长，目前尚处于研究阶段[8]。

蔗髓是甘蔗茎的中心部分，由薄壁的细胞组成，有贮藏营养的功能，约为蔗渣的30%，即如果1 000万t干蔗渣可筛分出300万t干蔗髓，蔗髓中纤维素含量为38%～42%，半纤维素含量为22%～27%，木质素含量为20%～24%[9]，蔗髓半纤维素中L-阿拉伯糖的糖基与木糖基之比为1∶（6～7）[10]，且价廉易得，是生产L-阿拉伯糖和D-木糖比较理想的原料。

本试验采用的Septor IX转盘系与模拟移动床不同，该系统树脂柱安放在同一个转盘上，旋转阀板与转盘同步旋转，真正实现柱床移动，可大量节省树脂量；可以通过切换固定部分的水解方式，实现不同工艺的变更和调整，简单直观，木糖、L-阿拉伯糖收率、浓度计纯度高且稳定性高；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 试验材料

试验原料：甘蔗髓，来自糖厂。

主要试剂：活性干酵母，购自安琪酵母股份有限公司；离子交换树脂，购自江苏苏青水处理有限公司；盐酸、氢氧化钠等均为分析纯。

1.2 主要设备

有机玻璃离子交换柱（江苏金三阳水处理科技江苏有限公司），SGD-Ⅳ型全自动还原糖测定仪（山东科学院生物研究所），高效液相色谱仪（浙江大学智达信息工程有限公司），Rezex RCM-Monosaccharide Ca2+色谱柱（带钙型保护柱，广州菲罗门仪器有限公司）；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）。

1.3 试验方法

1.3.1 试验流程

试验工艺路线如图1所示。

图1 试验工艺路线图

1.3.2 组分收率的计算

收率按照式（1）计算：

式（1）中，M1为分离后阿拉伯糖（木糖）组分溶液的重量；C1为分离后阿拉伯糖组分（木糖）的折光浓度（%）；M1为分离后阿拉伯糖组分（木糖）的纯度（%）；M0为分离前料液溶液的重量；C0为分离前料液中阿拉伯糖（木糖）组分的折光浓度（%）；A0为分离前料液中阿拉伯糖（木糖）组分的纯度（%）。

1.3.3 连续色谱分离实验

采用20根柱的Septor IX连续移动床设备来分离母液，柱子中共装填色谱层析树脂16 L。连续色谱技术处理甘蔗髓木糖母液时的柱子连接示意图如图2所示，流程简介如下。

（1）将连续移动床的20根树脂柱分为4个区，每个区实现不同的功能，其中第Ⅰ区1～5号柱为洗脱区，用于洗脱已经分离出来的L-阿拉伯糖；第Ⅱ区6～10号为二级分离区，主要是提高L-阿拉伯糖纯度、浓度；第Ⅲ区11～15号为一级分离区，主要是分离出D-木糖；第Ⅳ区16～20号为浓缩回流区，提高D-木糖浓度，第Ⅳ区的出水，可以回用到Ⅰ区作为进水。

（2）待分离的物料从第Ⅲ区进入系统，液流方向从左到右推动结合力弱的D-木糖组分迁移，而树脂柱则由右向左逆向移动，把结合力强的组分L-木糖夹带逆向移动，从而实现分离。

（3）经过第Ⅱ区和第Ⅲ区的分离，基本实现L-阿拉伯糖和D-木糖的分离，D-木糖从第Ⅲ区流出；而L-阿拉伯糖则在树脂柱的逆向运动作用下带到第Ⅰ区。

（4）L-阿拉伯糖到达第Ⅰ区后，在洗脱水的推动力作用下流出。

（5）D-木糖进入第Ⅳ区后，经过反复上下柱，实现D-木糖组分的浓缩，出水可返回到第Ⅰ区循环利用。

以料液处理量、产品的浓度、纯度、收率等为考察指标，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。实验结果汇总后，计算各组分的纯度和收率。

图2 连续色谱技术处理母液时的柱子连接示意图

1.4 分析方法

总可溶性固形物含量采用折光仪法：作用手持式折光仪测定可溶性固形物含量[11]。

组分定量测定采用高效液相色谱分析：以面积归一法计算组分含量，以超纯水为流动相，柱温80℃，检测器温度35℃，流速0.6mL／min，进样量10 μL。样品经0.22 μm滤膜过滤后进样。

2 结果与讨论

2.1 甘蔗髓水解工艺条件优化

甘蔗髓中木聚糖水解时，在酸为低浓度时，反应速度随着酸浓度的增加而增加，当酸浓度增加到一定程度时，反应速度的增加不再明显，而且会加大副反应，增加了水解液中的非糖物质、有机酸和色素的含量，加大了水解液的净化难度；增加反应温度会提高甘蔗髓中木聚糖的水解速度，增加水解的收率，但温度过高会使木糖脱水生产糠醛，也会使木糖和其他糖反应生产焦糖，增加水解液的色素，影响水解液的质量；水解时间越短越好，时间短可以提高设备利用率，降低消耗，降低成本，提高经济效益，而从化学反应角度来看，反应时间越长，反应越充分，产率越高，但时间过长，也会造成副产物的生产，影响水解液的质量。经正交试验优化出最佳的水解工艺参数，见表1。

表1 甘蔗髓最佳水解参数表

2.2 木糖的提取工艺

离心后的水解液经过脱色、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%，即11.11 kg纯干蔗叶生产1 kg木糖。

高效液相色谱检测木糖产品的条件：以超纯水为流动相，采用Phynomenex公司的Rezex系列Ca2+型糖醇柱（带保护柱）作为分离柱，选用示差折光检测器，柱温80℃，检测器温度35℃，分离流速为0.6mL/min，木糖产品经0.22 μm滤膜过滤后进样，进样量10 μL。产品色谱检测如图3所示、产品组成见表2。

图3 高效液相检测甘蔗髓提取的木糖产品色谱图

表2 高效液相检测甘蔗叶提取的木糖产品组成

经高效液相色谱检测，木糖产品的纯度为98.25%，符合GB/T 23532-2009的要求。离心后的结晶木糖母液备用。

2.3 连续色谱分离系统分离蔗髓木糖母液

木糖母液稀释至折光浓度20%左右时，按稀释后的料液重量的0.2%添加活性干酵母粉，pH自然，温度25℃，搅拌器转速100 r/min，开放式发酵，定时用生物传感仪或高效液相色谱仪检测葡萄糖含量，当葡萄含量＜1%时，结束发酵，用布氏漏斗真空抽滤发酵液回收酵母，按滤液重量的0.5%添加粉末活性炭，80℃保温30 min，用布氏漏斗抽滤真空过滤，得到脱色液，脱色液经过离子交换柱进行净化处理，离子交换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；离子交换后的母液浓缩后进入连续色谱分离系统。

以PCR-642 Ca2+树脂为固定相，纯水为流动相，将浓缩液泵入连续色谱分离移动床中，分离温度为60℃，单柱装树脂量为800mL，20根柱子树脂总装填量16 L，树脂柱10.7 min转动一次，树脂柱转到速率为214 min/圈。探讨Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区流量，进料流速，进料浓度等操作条件对连续移动床色谱分离效果的影响。试验采用了三个工艺条件，得出不同的结果，分离操作条件和试验结果见3。

连续分离得到的木糖组分色谱检测如图4所示，组分含量见表4。

图4 工艺条件2的分离的木糖组分色谱图

表3 连续色谱分离系统操作条件和试验结果

表4 高效液相检测工艺条件2分离的木糖组成

连续分离得到的阿拉伯糖组分色谱检测如图5所示，组分含量见表5。

图5 工艺条件2的分离的阿拉伯糖组分色谱图

表5 高效液相检测工艺条件2分离的阿拉伯糖组成

经过三次工艺条件对比，得出结果：当进料可溶性固形物浓度为46.5%、进料流速9mL/min，木糖流出时的流速为12mL/min，L-阿拉伯糖的流速为14mL/min，补水流速17mL/min。1～5号Ⅰ区流速为67.5mL/min，6～10号Ⅱ区流速为57.5mL/min，11～15号Ⅲ区流速为69mL/min，16～20号Ⅳ区59mL/min时，从柱5的出口收集的L-阿拉伯糖组分溶液中L-阿拉伯糖的纯度90.41%，其阿拉伯糖相对于进料中的阿拉伯糖得率为93.69%，从柱15的出口处收集的木糖组分溶液中木糖的纯度92.07%，其木糖相对于进料中的木糖得率为92.12%。

3 结论

以硫酸为酸化剂水解蔗髓，硫酸浓度1.0%、固液比1∶8、水解时间150 min、水解温度123℃，离心后的水解液经过脱色、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%，经高效液相色谱检测，木糖产品的纯度为98.25%，符合GB/T 23532-2009的要求。利用连续色谱分离系统（Septor IX）分离蔗髓提取液的木糖结晶母液，以钙型树脂为分离剂，纯水为洗脱液，分离温度为60℃，树脂柱转到速率为214 min/圈，处理后的母液进料浓度46.5%，进料流速9mL/min，Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区的流速分别为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-木糖得到了最佳分离。在此条件下L-阿拉伯糖纯度达到90.01%，收率达到为91.52%；D-木糖纯度达到93.05%，收率达到90.88%。

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