CN103113422B

CN103113422B - 一种用模拟流动床分离精制高纯度l-阿拉伯糖、d-木糖的方法

Info

Publication number: CN103113422B
Application number: CN201310046954.1A
Authority: CN
Inventors: 姜毅; 雷光鸿; 魏承厚; 罗左青; 曹敏; 黄忠华; 姚晓麦; 韦艳君; 梁智; 滕碧蔚
Original assignee: GUANGXI ACADEMY OF LIGHT INDUSTRY SCIENCE AND TECHNOLOGY
Current assignee: GUANGXI ACADEMY OF LIGHT INDUSTRY SCIENCE AND TECHNOLOGY
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2033-02-06
Also published as: CN103113422A

Abstract

本发明公开了一种用模拟流动床分离精制高纯度L-阿拉伯糖、D-木糖的方法。蔗渣、蔗髓或甘蔗叶为原料，经水解、纯化后，用模拟移动床色谱分离装置进行分离，得到纯度＞90%的L-阿拉伯糖溶液及纯度＞85%的D-木糖溶液，结晶得纯度达99%的L-阿拉伯糖和D-木糖。本方法工艺操作简便、糖纯度高、得率高、成本低廉、设备稳定性高，适于工业化生产。

Description

一种用模拟流动床分离精制高纯度L-阿拉伯糖、D-木糖的方法

技术领域

本发明属于功能糖技术领域，尤其涉及模拟移动床色谱分离技术，具体是一种利用蔗渣、蔗髓或甘蔗叶生产高纯度L-阿拉伯糖、D-木糖的方法。

背景技术

L-阿拉伯糖是一种稀有功能糖，属于五碳醛糖，主要存在于植物的半纤维素以及阿拉伯胶中，是一种无热量的代糖甜味剂。L-阿拉伯糖可以选择性对肠道内蔗糖酶的活性起非竞争性抑制作用，能够阻断蔗糖在体内的代谢，具有抑制肥胖，辅助降血糖、降血脂等作用。L-阿拉伯糖也是一种重要的医药中间体，可用来合成抗癌、抗病毒和治疗心血管疾病的药物。此外，L-阿拉伯糖还具有治疗便秘，保肝解酒的作用。

D-木糖也属于五碳醛糖，和L-阿拉伯糖互为同分异构体。D-木糖具有很好的生物功能，如不被人体消化，无能量，可以作为无热量甜味剂，适用于肥胖者和糖尿病患者，活化人体肠道内双歧杆菌并促其生长，改善人体微环境，提高人体免疫力；不被口腔微生物利用，具有膳食纤维的部分生理功能，可降低血清胆固醇，预防肠癌，并且其与食物的配伍性好，使食品具有很好的保健功能。

国内制备L-阿拉伯糖、D-木糖现主要集中在北方，多以玉米芯、玉米皮等农作物废弃料以及木糖生产中产生的母液为原料，利用蔗渣、蔗髓或甘蔗叶为原料的报道很少。蔗髓是蔗渣造纸时被分离出来的废弃物，广西一年可产生约250~300万吨的蔗髓，但目前蔗髓基本上是作为燃料烧掉，附加值很低。甘蔗叶也是丰富而廉价的可再生资源，但大多被燃烧或丢弃于田中，造成很大的资源浪费。

蔗渣、蔗髓和甘蔗叶均含有丰富的半纤维素，含量为30%左右，主要成分是多缩戊糖，稀酸很容易将其水解为D-木糖、L-阿拉伯糖、葡萄糖等单糖。蔗髓和甘蔗叶在我国南方是丰富的半纤维素原料，虽然蔗髓和甘蔗叶中的多缩戊糖含量比玉米芯稍低，但L-阿拉伯糖含量较其他植物高，而所含的蛋白质及其他单糖等杂质低，利于分离提纯，并且蔗渣、蔗髓和甘蔗叶采收集中，价格低廉，生产成本上远低于玉米皮、玉米芯等原料，所以蔗渣、蔗髓和甘蔗叶是比较理想的生产L-阿拉伯糖的原料。利用蔗髓和甘蔗叶为原材料精制L-阿拉伯糖和D-木糖，对功能性糖产品生产产业向南方转移有着重要的意义。

中国专利200910039185.6公开了一种制备植物半纤维素水解液及提取木糖和阿拉伯糖的方法，生产过程中使用了大量的有机溶剂，生产成本高，易对环境造成污染，且操作复杂，难以实现工业化。中国专利200910255812.X公开了一种玉米皮为原料制备L-阿拉伯糖的方法，该方法以草酸水解玉米皮，经分离纯化得到L-阿拉伯糖含量为75%的糖液，所得L-阿拉伯糖产品纯度较低，且玉米皮价格远高于蔗髓和甘蔗叶，生产成本高。至今尚未有以蔗渣、蔗髓或甘蔗叶为原料制备L-阿拉伯糖的专利报道。

目前制备L-阿拉伯糖的方法大多数采用的都是单一的离子交换法脱盐，需要经过多次阴、阳离子交换树脂才能达到要求，树脂需求量大，且清洗需大量纯化水，再生需消耗大量的酸碱，产生废液多，操作繁琐。双极膜电渗析技术是利用双极膜在电场作用下将水电解成氢离子和氢氧根离子，无机盐在电场作用下选择性透过离子交换膜，可在不引入新组份的情况下将水溶液中的盐转化成为对应的酸和碱。双极膜电渗析技术在化工领域脱盐、酸碱和高纯水制备领域已得到应用，但至今未有应用于L-阿拉伯糖生产的技术报道。

因此需要一种工艺流程简便、生产成本低、产品纯度高、适于工业化生产L-阿拉伯糖的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产成本低，产品纯度高，技术工艺简便，原料来源广泛的L-阿拉伯糖、D-木糖生产方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种用模拟流动床分离精制高纯度L-阿拉伯糖、D-木糖的方法，方法以蔗渣、蔗髓或甘蔗叶为原料，按1.原料水解；2.提取液纯化；3.模拟流动床连续分离；4.L-阿拉伯糖、D-木糖精制进行操作，具体步骤如下：

1.原料水解：

蔗渣、蔗髓或甘蔗叶经适当预处理后，加入酸质量百分浓度为0.5~2.5%的稀硫酸或稀盐酸进行水解，蔗渣、蔗髓或甘蔗叶与稀酸的固液比为1∶5~1∶15，水解温度为110~130℃，水解时间为1~4h；

2.提取液纯化：

将蔗渣、蔗髓或甘蔗叶水解液过滤，滤液浓缩至锤度为5~30°Bx，浓缩液接种酵母菌进行有氧发酵，使其中的葡萄糖转化为二氧化碳和水，发酵至葡萄糖质量比含量小于0.5%；将发酵液离心去除酵母细胞，上清液经活性炭脱色后：

1)再经阳离子交换树脂、阴离子交换树脂脱盐去除杂质，得到纯化液，将纯化液浓缩至锤度为30°Bx~60°Bx；

2)或者再经过双极膜电渗析系统所述双极膜电渗析系统是由隔板、双极膜、阳离子膜和阴离子膜组成一个膜组单元，数个膜组单元串联组装在一对电极之间组成；双极膜电渗析装置分为酸室、盐室和碱室，原料液经泵作循环流动，电流密度为40~120mA/cm²，反应时间为2~6h，将反应后盐室内液体浓缩至浓度为50％~60％，再经阳离子交换树脂和阴离子交换树脂进一步脱盐去除杂质，得到纯化液，将纯化液浓缩至锤度为40°Bx~60°Bx；

3.模拟流动床连续分离：

利用由6~12个色谱分离柱经管道首尾相接串联组成的模拟移动床色谱分离装置对浓缩后纯化液进行分离，以纯化水为洗脱剂，分离温度40~80℃，由程序控制进行连续进料，连续出料，分别得到纯度大于90%的L-阿拉伯糖溶液，以及纯度大于85%的D-木糖溶液；

4.L-阿拉伯糖、D-木糖的精制：

将分离出来的L-阿拉伯糖液和D-木糖液分别经过浓缩、脱色、脱盐，得到L-阿拉伯糖浆和D-木糖浆；

分别将L-阿拉伯糖浆和D-木糖浆进一步浓缩至浓度为75~85%后进行结晶、重结晶，经离心干燥得到精制的纯度达99%的L-阿拉伯糖晶体和D-木糖晶体。

上述步骤2中酵母菌为酿酒酵母或面包酵母，菌种形式为酵母菌株、活性干酵母或固定化酵母。

上述步骤3中模拟移动床色谱分离装置是以钙型阳离子交换树脂为吸附剂，装填于色谱柱内；以纯化水为洗脱剂；分离温度为60℃。

上述步骤3中模拟流动床色谱分离装置，每个色谱柱由1组自控阀控制进出料，所用的自控阀为电磁阀；每组自控阀由1个进原料阀，1个进纯水阀，1个出富含L-阿拉伯糖组份的阀和1个出富含木糖组份的阀组成。

5．如权利要求1所述的一种以蔗渣、蔗髓或甘蔗叶为原料用模拟流动床分离精制高纯度L-阿拉伯糖、D-木糖的方法，其特征在于：所述步骤3)由程序控制进行连续进料，连续出料，是由PLC程序控制进行连续进料，连续出料。

上述步骤3由程序控制进行连续进料，连续出料，是由PLC程序控制进行连续进料，连续出料。

本发明所取得的技术进步在于：

1.本发明采用双极膜电渗析技术对水解液进行脱盐去除杂质，脱盐率可达80%以上，之后仅需经过一次阳、阴离子交换树脂，模拟流动床进料的电导率就能达到要求；相比目前单一的离子交换脱盐工艺，本发明对树脂需求量少，产生废液少，对环境污染小，节约了酸碱消耗，降低生产成本。

2.本发明采用模拟流动床色谱分离装置对L-阿拉伯糖和D-木糖进行连续分离，由PLC程序控制进行连续进料，连续出料。分离所得糖浆单一组分含量高，从而可以精制出高纯度的L-阿拉伯糖和D-木糖晶体。

3.本发明原料蔗髓和甘蔗叶来源广泛，生产成本低，工艺条件成熟，操作简便，设备稳定性高，不使用任何有机溶剂，产品纯度高，适于工业化生产。具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

用模拟流动床分离精制高纯度L-阿拉伯糖、D-木糖的方法以蔗渣、蔗髓或甘蔗叶为原料，操作步骤如下：

1.原料水解：

蔗髓经适当预处理后，加入酸质量百分浓度为0.5%的稀硫酸进行水解，蔗髓与稀硫酸的固液比为1:15，水解温度为110℃，水解时间为4h；

2.提取液纯化：

将水解液过滤，滤液浓缩至锤度为5°Bx，浓缩液接种酵母菌进行有氧发酵，使其中的葡萄糖转化为二氧化碳和水，发酵至葡萄糖质量比含量小于0.5%；将发酵液离心去除酵母细胞，上清液经活性炭脱色后，再经阳离子交换树脂、阴离子交换树脂脱盐，得到纯化液，将纯化液浓缩至锤度为30°Bx；

3.模拟流动床连续分离：

利用由12个色谱分离柱经管道首尾相接串联组成的模拟移动床色谱分离装置对浓缩后纯化液进行分离，以纯化水为洗脱剂，分离温度40℃，由程序控制进行连续进料，连续出料，分别得到纯度为91%的L-阿拉伯糖溶液，以及纯度为89%的D-木糖溶液；

4.L-阿拉伯糖、D-木糖的精制：

分别将L-阿拉伯糖浆和D-木糖浆进一步浓缩至浓度为85%后进行结晶、重结晶，经离心干燥得到精制的纯度达99.5%的L-阿拉伯糖晶体和99.8%D-木糖晶体。

实施例2

1.原料水解：

甘蔗叶经预处理后，加入酸质量百分浓度为2.5%的稀盐酸进行水解，甘蔗叶与稀盐酸的固液比为1:5，水解温度为130℃，水解时间为1h；

2.提取液纯化：

将水解液过滤，滤液浓缩至锤度为30°Bx，浓缩液接种酵母菌进行有氧发酵，使其中的葡萄糖转化为二氧化碳和水，发酵至葡萄糖质量比含量小于0.5%；将发酵液离心去除酵母细胞，上清液经活性炭脱色后，送入双极膜电渗析系统的盐室脱盐，电流密度为120mA/cm²，反应时间为2h，将反应后盐室内液体浓缩至浓度为50%，再经阳离子交换树脂和阴离子交换树脂进一步脱盐去除杂质，得到纯化液，将纯化液浓缩至锤度为60°Bx；

3.模拟流动床连续分离：

利用由6个色谱分离柱经管道首尾相接串联组成的模拟移动床色谱分离装置对浓缩后纯化液进行分离，以纯化水为洗脱剂，分离温度80℃，由程序控制进行连续进料，连续出料，分别得到纯度为90.5%的L-阿拉伯糖溶液，以及纯度为85.8%的D-木糖溶液；

4.L-阿拉伯糖、D-木糖的精制：

分别将L-阿拉伯糖浆和D-木糖浆进一步浓缩至浓度为75%后进行结晶、重结晶，经离心干燥得到精制的纯度为99.1%的L-阿拉伯糖晶体和99.5%D-木糖晶体。

实施例3

1.原料水解：

蔗渣经预处理后，加入酸质量百分浓度为1.2%的稀盐酸进行水解，蔗髓与稀盐酸的固液比为1:8，水解温度为120℃，水解时间为3h；

2.提取液纯化：

将水解液过滤，滤液浓缩至锤度为25°Bx，浓缩液接种酵母菌进行有氧发酵，使其中的葡萄糖转化为二氧化碳和水，发酵至葡萄糖质量比含量小于0.5%；将发酵液离心去除酵母细胞，上清液经活性炭脱色后，送入双极膜电渗析系统的盐室脱盐，电流密度为40mA/cm²，反应时间为6h，将反应后盐室内液体浓缩至浓度为60%，再经阳离子交换树脂和阴离子交换树脂进一步脱盐去除杂质，得到纯化液，将纯化液浓缩至锤度为40°Bx；

3.模拟流动床连续分离：

利用由9个色谱分离柱经管道首尾相接串联组成的模拟移动床色谱分离装置对浓缩后纯化液进行分离，以纯化水为洗脱剂，分离温度65℃，由程序控制进行连续进料，连续出料，分别得到纯度为92.7%的L-阿拉伯糖溶液，以及纯度为88.3%的D-木糖溶液；

4.L-阿拉伯糖、D-木糖的精制：

分别将L-阿拉伯糖浆和D-木糖浆进一步浓缩至浓度为78%后进行结晶、重结晶，经离心干燥得到精制的纯度为99.7%的L-阿拉伯糖晶体和99.6%D-木糖晶体。

实施例4

1.原料水解：

蔗髓经预处理后，加入酸质量百分浓度为1.5%的稀硫酸进行水解，甘蔗叶与稀硫酸的固液比为1:7，水解温度为125℃，水解时间为3.5h；

2.提取液纯化：

将水解液过滤，滤液浓缩至锤度为15°Bx，浓缩液接种酵母菌进行有氧发酵，使其中的葡萄糖转化为二氧化碳和水，发酵至葡萄糖质量比含量小于0.5%；将发酵液离心去除酵母细胞，上清液经活性炭脱色后，再经阳离子交换树脂和阴离子交换树脂进一步脱盐去除杂质，得到纯化液，将纯化液浓缩至锤度为50°Bx；

3.模拟流动床连续分离：

利用由9个色谱分离柱经管道首尾相接串联组成的模拟移动床色谱分离装置对浓缩后纯化液进行分离，以纯化水为洗脱剂，分离温度60℃，由程序控制进行连续进料，连续出料，分别得到纯度为93.8%的L-阿拉伯糖溶液，以及纯度为89.4%的D-木糖溶液；

4.L-阿拉伯糖、D-木糖的精制：

分别将L-阿拉伯糖浆和D-木糖浆进一步浓缩至浓度为76%后进行结晶、重结晶，经离心干燥得到精制的纯度为99.9%的L-阿拉伯糖晶体和99.7%D-木糖晶体。

Claims

1.一种用模拟流动床分离精制高纯度L-阿拉伯糖、D-木糖的方法，其特征在于:方法以蔗渣、蔗髓或甘蔗叶为原料，按1）原料水解；2）提取液纯化；3）模拟流动床连续分离；4）L-阿拉伯糖、D-木糖精制进行操作，具体步骤如下：

1）原料水解：

2）提取液纯化：

2.1)再经阳离子交换树脂、阴离子交换树脂脱盐去除杂质，得到纯化液，将纯化液浓缩至锤度为30°Bx~60°Bx；

2.2)或者再经过双极膜电渗析系统所述双极膜电渗析系统是由隔板、双极膜、阳离子膜和阴离子膜组成一个膜组单元，数个膜组单元串联组装在一对电极之间组成；双极膜电渗析装置分为酸室、盐室和碱室，原料液经泵作循环流动，电流密度为40~120mA/cm²，反应时间为2~6h，将反应后盐室内液体浓缩至浓度为50％~60％，再经阳离子交换树脂和阴离子交换树脂进一步脱盐去除杂质，得到纯化液，将纯化液浓缩至锤度为40°Bx~60°Bx；

3）模拟流动床连续分离：

4）L-阿拉伯糖、D-木糖的精制：

2.如权利要求1所述的一种以蔗渣、蔗髓或甘蔗叶为原料用模拟流动床分离精制高纯度L-阿拉伯糖、D-木糖的方法，其特征在于：所述酵母菌为酿酒酵母或面包酵母，菌种形式为酵母菌株、活性干酵母或固定化酵母。

3.如权利要求1所述的一种以蔗渣、蔗髓或甘蔗叶为原料用模拟流动床分离精制高纯度L-阿拉伯糖、D-木糖的方法，其特征在于：所述模拟移动床色谱分离装置是以钙型阳离子交换树脂为吸附剂，装填于色谱柱内；以纯化水为洗脱剂；分离温度为60℃。

4.如权利要求1所述的一种以蔗渣、蔗髓或甘蔗叶为原料用模拟流动床分离精制高纯度L-阿拉伯糖、D-木糖的方法，其特征在于：所述模拟流动床色谱分离装置，每个色谱柱由1组自控阀控制进出料，所用的自控阀为电磁阀；每组自控阀由1个进原料阀，1个进纯水阀，1个出富含L-阿拉伯糖组份的阀和1个出富含木糖组份的阀组成。

5.如权利要求1所述的一种以蔗渣、蔗髓或甘蔗叶为原料用模拟流动床分离精制高纯度L-阿拉伯糖、D-木糖的方法，其特征在于：所述步骤3)由程序控制进行连续进料，连续出料，是由PLC程序控制进行连续进料，连续出料。