CN102153598B - 一种结晶乳果糖的生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结晶乳果糖的生产工艺，是以乳糖为原料，步骤如下：(1)配制乳糖溶液，加入异构剂后将乳糖回流异构为乳果糖，离心去除结晶乳糖，得到离心液；(2)将步骤(1)中离心液经活性炭脱色、离子交换，然后蒸发浓缩、冷却、乳糖二次结晶、离心得到初步提纯液；(3)将步骤(2)中初步提纯液进行三元顺序式模拟移动床色谱分离，得到乳糖馏分、乳果糖馏分和杂糖馏分三个组份；(4)将步骤(3)中的乳果糖组分进行蒸发浓缩、冷却结晶、离心、干燥得到结晶乳果糖。本发明的工艺生产的结晶乳果糖质量好，成本低，具有显著的经济效益和社会效益，是乳果糖制备领域的一次重大突破。
Description
技术领域
本发明涉及一种结晶乳果糖的生产工艺。
背景技术
乳果糖是一种双糖，乳糖分子内的葡萄糖被果糖所代替，即为乳果糖，其甜度略高于乳糖。自然界中不存在乳果糖，它属于人工合成的双糖，但在煮沸的牛奶和炼乳中都含有少量的乳果糖。
乳果糖不仅是一种良好的甜味剂，而且还具有健胃、润肠、防止便秘等生理功能，还可用作乳品、饮料、婴儿及老年食品的功能性添加剂，亦可制成保健饮品供直接服用。另外，乳果糖对治疗肝脏疾病和脑部疾病有明显疗效，因此这是一种具有药用和保健价值，同时又具有巨大经济效益的新一代保健品，对于它的制备研究和开发应用已成为人们研究的热点。
生产乳果糖的原料为乳糖，乳糖是哺乳动物乳汁中的一种双糖，是从奶粉生产的副产品乳清中提取制得，近年来，我国乳业发展迅速，我国既是乳品生产大国，也是乳品的消费大国，奶粉生产过程中会产生大量的副产品乳清，乳清中含有乳糖，直接排放会给污水处理带来很大困难，将其中的乳糖提取后可以生产结晶乳果糖，这不仅实现了变废为宝，也减轻了污水处理的负担，保护了环境。
乳果糖是乳糖在碱性试剂的催化下发生异构化反应而生成的。在异构反应中，两种糖又会发生降解反应，生成单糖如半乳糖、果糖等，还会有有机酸及色素产生。关于乳果糖的制备方法报道的很多。
早期研究中较多使用的异构剂是强碱性试剂，如Ca(OH)2、NaOH、KOH及强有机碱类如叔胺等。这类强碱性试剂作用于乳糖，生成乳果糖的同时，两种糖的降解严重，并且还生成大量的色素，这不仅降低了乳果糖的产率，也给糖浆的净化与进一步纯化结晶带来困难。
一些弱碱性试剂如碱与碱土金属的磷酸盐、亚硫酸盐以及镁的化合物等，能够使反应中副产物的量大大减少，但此类反应的产率低，工业上并不理想。
还有报道用硼酸盐或铝酸盐作为碱性催化剂，由于该类试剂在反应中能同乳果糖形成络合物，使反应向有利于乳果糖的方向进行，从而使反应的产率较高。但是硼酸盐与铝酸盐的去除比较困难，曾有人提出将铝酸盐转化成氢氧化铝然后用过滤的方法除去，但实际上在操作过程中不可避免地带来大量糖的损失。
关于乳果糖的提纯方法，目前有采用活性炭色谱、硅胶柱色谱、硼树脂及阳离子树脂色谱进行分离的。其中，活性炭层析法与硅胶柱色谱法提纯效果差，使用周期短，而且不容易规模化，再就是洗脱时需要用大量的有机溶剂，不但成本高，还影响产品质量。目前已报道的硼树脂及阳离子树脂色谱法虽然可以实现规模化生产，但是分离效果差。
乳果糖较常用的结晶方法是用乙醇作溶剂，R.Carobbi，F.Vittorio等人用96％乙醇回流，去除不溶物，制得含量98％以上的结晶乳果糖。但是由于从醇中得到的晶体总是含有一定量的乙醇，这部分乙醇很难除去，可能是由于糖分子的羟基与醇羟基间形成氢键，即使是延长干燥时间，也不可能完全去除乙醇，而且成本较高，在工业生产中不理想。由于从醇中结晶存在一些缺点，很多研究人员采用真空冷冻干燥和喷雾干燥方法制备乳果糖固体，即使是用纯度很高的糖浆，也只能得到非晶体固体，并且得到的固体极易吸水，稳定性差。
发明内容
针对上述现有技术，为克服目前制备乳果糖存在的缺陷，本发明提供了一结晶种乳果糖的生产工艺，其不但产率较高，而且选用的异构剂容易去除，对食用及药用均无副作用，并且创造性的引入回流异构技术、三元顺序式模拟移动床技术及结晶技术，制得结晶乳果糖，不但成本低，而且产品质量好。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种结晶乳果糖的生产工艺，是以乳糖为原料，步骤如下：
(1)配制一定浓度的乳糖溶液，加入异构剂后在一定条件下将乳糖回流异构为乳果糖，将得到的乳果糖异构液冷却，使未反应的乳糖结晶析出，然后离心去除结晶乳糖，得到离心液；
回流异构是在异构反应过程中，安装冷凝回流装置，使反应过程中蒸发的水分通过冷凝水冷却，流回反应器，保证异构反应的整个过程乳糖浓度及异构剂浓度不变，控制了副反应，提高了乳糖异构率；
(2)将步骤(1)中离心液经活性炭脱色、离子交换，然后蒸发浓缩、冷却、乳糖二次结晶、离心得到初步提纯液；
(3)将步骤(2)中初步提纯液进行三元顺序式模拟移动床色谱分离，得到乳糖馏分、乳果糖馏分和杂糖馏分三个组份；
乳果糖易溶于水，所以结晶很困难，要想进行乳果糖结晶，最有效的方法是提高乳果糖纯度，本研究采用三元顺序式模拟移动床分离技术(色谱图上乳糖、半乳糖在乳果糖两侧，是三元分离的条件)，将初步提纯的乳果糖液分成乳糖馏分、乳果糖馏分及半乳糖馏分三个组分，乳果糖馏分纯度达90％以上，为水相结晶的成功奠定了基础。顺序式模拟移动床(即SSMB)是一种间歇顺序操作的模拟移动床。它可以通过变换程序的方法，将三元组分的混合液分离为3个单独的馏分。它与普通模拟移动床的不同之处在于，在装置上：循环管上多了一个可以将循环流量切断的开关阀和一个可以供中间组分流出的出口；从运行模式上：它的运行不是采用完全相同的连续模式，而是采用不同顺序、不同程序的模式，这种多顺序的运行，使得它可以用于分离3种成分的混合物；
(4)将步骤(3)中的乳果糖组份进行蒸发浓缩、冷却结晶、离心、干燥得到结晶乳果糖；
(5)步骤(1)和步骤(2)中离心得到的乳糖及步骤(3)中色谱分离得到的乳糖组分返回步骤(1)重新用作原料，步骤(4)离心得到的乳果糖母液返回步骤(3)重新进行三元顺序式模拟移动床分离。
所述步骤(1)中乳糖溶液浓度为50～70％，异构剂为一种钠盐，加入量为乳糖质量的0.252～2.52％，反应温度为90～120℃，反应时间为0.5～4h。优选的为：乳糖浓度为60％，钠盐异构剂加入量为乳糖质量的0.756％，反应温度为110℃，反应时间为2h。
所述步骤(2)中乳糖二次结晶的工艺参数为：料液浓度55～75％，冷却速度2～8℃/h，晶种添加量0.1～1.5％。优选的为：料液浓度65％，冷却速度2～4℃/h，晶种添加量1.0％。
所述步骤(3)中三元顺序式模拟移动床分离条件为：分离剂为钙型阳离子树脂，分离温度50～70℃，切换时间13～21min，进料浓度40～60％，进料流速2.0～4.0L/h。优选的为：分离温度60℃，切换时间17min，进料浓度50％，进料流速3.0L/h。
所述步骤(4)乳果糖结晶的工艺参数为：料液纯度80～95％，料液浓度为75～90％，晶种添加量1.0～3.0％，冷却速度0.5～0.9℃/h，加晶种时的温度为60℃，冷却后温度为24℃。优选的，料液纯度90～95％，料液浓度为85％，晶种添加量2.0％，冷却速度0.7℃/h，加晶种时的温度为60℃，冷却后温度为24℃。
工艺流程图如图1所示。
本项目是以乳糖为原料，经弱碱性催化剂回流异构、结晶分离得到乳果糖混合液，采用三元顺序式模拟移动床分离技术，得到高含量乳果糖组份，再经水相真空结晶制得结晶乳果糖。技术工艺先进，产品质量达国际水平，技术和产品填补了国内空白。
附图说明
图1：本发明的生产工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：称取250kg乳糖，加水使乳糖浓度为60％，再加入1.89kg无水钠盐异构剂后，然后加热至110℃，并维持110℃异构2h，然后冷却结晶、离心、活性炭脱色、离子交换得到乳果糖含量为54.42％的糖浆；将得到的乳果糖糖浆蒸发至浓度为65％，按1.0％加入乳糖晶种，以2～4℃/h的速度进行冷却结晶，离心后得到乳果糖含量为79.86％的乳果糖糖浆；将二次结晶得到的乳果糖糖浆浓度调至50％，以3.0L/h的速度进入三元顺序式模拟移动床，在60℃、切换时间为17min条件下进行分离，得到乳果糖组分中乳果糖含量为91.22％；最后将提纯得到的乳果糖浓缩至85％，按2.0％加入乳果糖晶种，以0.7℃/h的速度将糖浆从60℃冷却到24℃，离心、干燥后得到乳果糖含量为99.23％的结晶乳果糖174.3kg。
实施例2：称取250kg乳糖，加水使乳糖浓度为50％，再加入6.3kg无水钠盐异构剂后，然后加热至90℃，并维持90℃异构4h，然后冷却结晶、离心、活性炭脱色、离子交换得到乳果糖含量为50.49％的糖浆；将得到的乳果糖糖浆蒸发至浓度为75％，按0.1％加入乳糖晶种，以6～8℃/h的速度进行冷却结晶，离心后得到乳果糖含量为77.25％的乳果糖糖浆；将二次结晶得到的乳果糖糖浆浓度调至40％，以4.0L/h的速度进入三元顺序式模拟移动床，在50℃、切换时间为21min条件下进行分离，得到乳果糖组分中乳果糖含量为90.58％；最后将提纯得到的乳果糖浓缩至90％，按3.0％加入乳果糖晶种，以0.5℃/h的速度将糖浆从60℃冷却到24℃，离心、干燥后得到乳果糖含量为98.75％的结晶乳果糖151.3kg。
实施例3：称取250kg乳糖，加水使乳糖浓度为70％，再加入0.63kg无水钠盐异构剂后，然后加热至120℃，并维持120℃异构0.5h，然后冷却结晶、离心、活性炭脱色、离子交换得到乳果糖含量为52.19％的糖浆；将得到的乳果糖糖浆蒸发至浓度为55％，按1.5％加入乳糖晶种，以4～6℃/h的速度进行冷却结晶，离心后得到乳果糖含量为71.86％的乳果糖糖浆；将二次结晶得到的乳果糖糖浆浓度调至60％，以2.0L/h的速度进入三元顺序式模拟移动床，在70℃、切换时间为13min条件下进行分离，得到乳果糖组分中乳果糖含量为90.22％；最后将提纯得到的乳果糖浓缩至75％，按1.0％加入乳果糖晶种，以0.9℃/h的速度将糖浆从60℃冷却到24℃，离心、干燥后得到乳果糖含量为98.63％的结晶乳果糖126.6kg。
实施例4：称取250kg乳糖，加水使乳糖浓度为65％，再加入3.15kg无水钠盐异构剂后，然后加热至105℃，并维持105℃异构3h，然后冷却结晶、离心、活性炭脱色、离子交换得到乳果糖含量为54.16％的糖浆；将得到的乳果糖糖浆蒸发至浓度为55％，按0.1％加入乳糖晶种，以6～8℃/h的速度进行冷却结晶，离心后得到乳果糖含量为65.2％的乳果糖糖浆；将二次结晶得到的乳果糖糖浆浓度调至60％，以2.0L/h的速度进入三元顺序式模拟移动床，在70℃、切换时间为13min条件下进行分离，得到乳果糖组分中乳果糖含量为80.43％；最后将提纯得到的乳果糖浓缩至80％，按2.0％加入乳果糖晶种，以0.7℃/h的速度将糖浆从60℃冷却到24℃，离心、干燥后得到乳果糖含量为98.53％的结晶乳果糖83.78kg。
Claims (4)
1.一种结晶乳果糖的生产工艺，其特征在于，步骤如下：称取250kg乳糖，加水使乳糖浓度为60%，再加入1.89kg无水钠盐异构剂后，然后加热至110℃，并维持110℃异构2h，然后冷却结晶、离心、活性炭脱色、离子交换得到乳果糖含量为54.42%的糖浆；将得到的乳果糖糖浆蒸发至浓度为65%，按1.0%加入乳糖晶种，以2～4℃/h的速度进行冷却结晶，离心后得到乳果糖含量为79.86%的乳果糖糖浆；将二次结晶得到的乳果糖糖浆浓度调至50%，以3.0L/h的速度进入三元顺序式模拟移动床，在60℃、切换时间为17min条件下进行分离，得到乳果糖组分中乳果糖含量为91.22%；最后将提纯得到的乳果糖浓缩至85%，按2.0%加入乳果糖晶种，以0.7℃/h的速度将糖浆从60℃冷却到24℃，离心、干燥后得到结晶乳果糖。
2.一种结晶乳果糖的生产工艺，其特征在于，步骤如下：称取250kg乳糖，加水使乳糖浓度为50%，再加入6.3kg无水钠盐异构剂后，然后加热至90℃，并维持90℃异构4h，然后冷却结晶、离心、活性炭脱色、离子交换得到乳果糖含量为50.49%的糖浆；将得到的乳果糖糖浆蒸发至浓度为75%，按0.1%加入乳糖晶种，以6～8℃/h的速度进行冷却结晶，离心后得到乳果糖含量为77.25%的乳果糖糖浆；将二次结晶得到的乳果糖糖浆浓度调至40%，以4.0L/h的速度进入三元顺序式模拟移动床，在50℃、切换时间为21min条件下进行分离，得到乳果糖组分中乳果糖含量为90.58%；最后将提纯得到的乳果糖浓缩至90%，按3.0%加入乳果糖晶种，以0.5℃/h的速度将糖浆从60℃冷却到24℃，离心、干燥后得到结晶乳果糖。
3.一种结晶乳果糖的生产工艺，其特征在于，步骤如下：称取250kg乳糖，加水使乳糖浓度为70%，再加入0.63kg无水钠盐异构剂后，然后加热至120℃，并维持120℃异构0.5h，然后冷却结晶、离心、活性炭脱色、离子交换得到乳果糖含量为52.19%的糖浆；将得到的乳果糖糖浆蒸发至浓度为55%，按1.5%加入乳糖晶种，以4～6℃/h的速度进行冷却结晶，离心后得到乳果糖含量为71.86%的乳果糖糖浆；将二次结晶得到的乳果糖糖浆浓度调至60%，以2.0L/h的速度进入三元顺序式模拟移动床，在70℃、切换时间为13min条件下进行分离，得到乳果糖组分中乳果糖含量为90.22%；最后将提纯得到的乳果糖浓缩至75%，按1.0%加入乳果糖晶种，以0.9℃/h的速度将糖浆从60℃冷却到24℃，离心、干燥后得到结晶乳果糖。
4.一种结晶乳果糖的生产工艺，其特征在于，步骤如下：称取250kg乳糖，加水使乳糖浓度为65%，再加入3.15kg无水钠盐异构剂后，然后加热至105℃，并维持105℃异构3h，然后冷却结晶、离心、活性炭脱色、离子交换得到乳果糖含量为54.16%的糖浆；将得到的乳果糖糖浆蒸发至浓度为55%，按0.1%加入乳糖晶种，以6～8℃/h的速度进行冷却结晶，离心后得到乳果糖含量为65.2%的乳果糖糖浆；将二次结晶得到的乳果糖糖浆浓度调至60%，以2.0L/h的速度进入三元顺序式模拟移动床，在70℃、切换时间为13min条件下进行分离，得到乳果糖组分中乳果糖含量为80.43%；最后将提纯得到的乳果糖浓缩至80%，按2.0%加入乳果糖晶种，以0.7℃/h的速度将糖浆从60℃冷却到24℃，离心、干燥后得到结晶乳果糖。
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