CN105017339A - 一种模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法，包括如下步骤：(1)将含有棉籽糖和水苏糖的粗品溶于水中配置成进料溶液；(2)将进料溶液和洗脱剂连续通入模拟移动床色谱系统中，从模拟移动床色谱系统的萃余口连续收集水苏糖溶液，从萃取口连续收集棉籽糖溶液；模拟移动床色谱系统的固定相为强酸性阳离子交换树脂；(3)将所得水苏糖溶液和棉籽糖溶液分别进行后处理得棉籽糖产品和水苏糖产品。本发明的纯化方法得到的棉籽糖和水苏糖结晶产品纯度达到98％以上，产率高，工艺简单，溶剂消耗小，填料化学稳定性好，适于大规模的推广应用。

Description

一种模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法

技术领域

本发明涉及化工分离技术领域，尤其涉及一种利用模拟移动床色谱分离制备高纯度棉籽糖和水苏糖的方法。

背景技术

棉籽糖和水苏糖分别是一种功能性低聚三糖和四糖，同属棉籽低聚糖家族(ROFs)，广泛存在于棉籽、甜菜、糖蜜、豆类及麦类中，可以通过提取纯化或者酶法合成得到。它们对于人体健康有着多种生理功效及广泛的应用价值：(1)促进肠道内有益菌的增殖，抑制腐败菌的生长，并减少有毒发酵产物的形成；(2)刺激肠道蠕动、增加粪便润湿度并保持一定的渗透压，从而防止便秘的产生；(3)促进人体对钙的吸收，增强人体免疫力；(4)发挥与其他抗氧化剂有协同增效的作用，对预防疾病和抗衰老具有明显效果；(5)作为人体和动物活器官移植用保护输送液的主要成分及延长活菌体在常温下存活期的增效剂；(6)作为抗癌药物中的活性添加剂；(7)作为稳定剂加入含有高不饱和物质的体系，应用于食品、医药和化妆品中，可延长这类产品的货架寿命。

棉籽糖和水苏糖可以提取自棉粕、豆粕、甜菜糖蜜及麦麸等原料中。由于棉籽糖和水苏糖仅相差一个单糖分子，分子量差异小，分离难度大。目前，分离棉籽糖和水苏糖的公开报道的方法有高效液相色谱法和结晶法。

高效液相色谱法能够将两种物质较好地实现分离，但该法一般限于分析研究，不适合大批量的规模化生产。而单柱间歇色谱法大多使用氨基功能化硅胶为填料，固定相成本高，溶剂消耗大，能耗高。

US6224684B1公布了一种通过降温过程从甜菜糖蜜中制备棉籽糖晶体的工艺及设备，通过连续或者间歇循环含棉籽糖的溶液，精确并快速控制降温过程，能够使棉籽糖有效结晶。因棉籽糖晶体在降温过程中不会附着在设备上，所以无需频繁移除，该方法收率高，适合工业化生产。但结晶法的缺点是需要重复结晶，能耗大。

水苏糖的制备方法目前主要有天然提取法和酶法两种。酶法制备水苏糖是最近发展起来的方法，多处于试验研究阶段。目前，生产水苏糖主要以草石蚕、银白条或大豆等天然植物为原料，一般经水提、除杂、脱色、精制等过程制得。

CN200910264842.7公布了一种从草石蚕中高效制备水苏糖的方法。其特征在于采用纯水匀浆法高效提取水苏糖，匀浆液经布袋过滤、大孔树脂脱色、超滤纯化及反渗透浓缩等工序后喷雾干燥得到高纯度水苏糖产品。水苏糖提取率可达75％～85％，产品中水苏糖纯度达90％以上，整个过程中水苏糖总的回收率达到60％以上。然而，目前尚未有批量分离棉籽糖和水苏糖双组份的公开文献报道。

发明内容

本发明提供了一种模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法，能够实现棉籽糖和水苏糖的连续化生产，生产效率高且溶剂体系为纯水，绿色经济环保。

一种模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法，包括如下步骤：

(1)将含有棉籽糖和水苏糖的粗品溶于水中配置成进料溶液；

(2)将进料溶液和洗脱剂连续通入模拟移动床色谱系统中，从模拟移动床色谱系统的萃余口连续收集水苏糖溶液，从萃取口连续收集棉籽糖溶液；模拟移动床色谱系统的固定相为强酸性阳离子交换树脂；

(3)将所得水苏糖溶液和棉籽糖溶液分别进行后处理得棉籽糖产品和水苏糖产品。

分离棉籽糖和水苏糖的关键在于寻找合适的分离介质，棉籽糖和水苏糖之间的差异很小，仅仅相差一个半乳糖分子，分离难度大。本发明所述的强酸性阳离子交换树脂经离子转型后，可与棉籽糖和水苏糖分子中的羟基发生螯合作用，根据分子中羟基数量的多少，作用力大小不同，羟基数量多(本体系为水苏糖)，螯合作用强，保留时间长；羟基数量少(本体系为棉籽糖)，螯合作用弱，保留时间短；此外，不同金属离子的螯合半径不同，对两者的螯合作用力强弱也有差异；再者，不同交联度的树脂的孔径也不同，其筛分效应也会影响两种分子在其上面的保留作用。

优选地，所述强酸性阳离子交换树脂为Dowex 50W，但不限定于Dowex 50W。

所述强酸性阳离子交换树脂是颗粒均匀、孔径均一、具有高机械强度的聚苯乙烯系骨架的微球，粒径为20～150微米。粒径过小，会使柱压增大，系统压降增大，模拟移动床旋转阀易于损坏；而粒径过大，会使色谱柱内沿壁的沟流现象严重，不利于料液在色谱柱内的均匀分布，色谱柱内的填料无法得到充分均匀的利用。

优选地，所述强酸性阳离子交换树脂的交联度为2％～8％。树脂交联度过低，会使比表面积减小，螯合位点减少，螯合作用减弱，同时交联度小，筛分作用也将减弱，使得分离效果降低；而交联度过大，树脂孔道变窄，会使的两种糖分子无法进入孔道，无法发挥螯合作用，也起不到筛分的效果，失去分离能力。

优选地，所述强酸性阳离子交换树脂的离子型式为Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺中的一种。由常规的强酸性阳离子交换树脂(例如Dowex 50W)经离子转型后得到，离子转型过程为：使用3～5BV体积、浓度为1M的对应离子盐溶液进行离子转型，流速控制在0.5BV/h，最后用去离子水清洗得到对应离子形式的强酸性阳离子交换树脂。

金属离子Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺安全无毒，适用于食品加工工艺过程；研究发现，如果要和糖相邻的两个或三个羟基形成二齿或三齿螯合物，阳离子必须具有八面体的电子结构和最佳的配位尺寸，较佳的离子半径为10^-10m，同时，吸附量的大小还与金属离子的水合作用有关，本发明转型后的阳离子有利于与糖相邻的两个或三个羟基形成二齿或三齿螯合物和增加吸附量。

进一步优选地，固定相为Dowex 50W树脂，树脂交联度为4％，离子型式为Na⁺，粒径为38～75微米；或者固定相为Dowex 50W树脂，树脂交联度为8％，离子型式为Ca²⁺，粒径为38～75微米；或者固定相为Dowex50W树脂，树脂交联度为2％，离子型式为K⁺，粒径为75～150微米；或者固定相为Dowex 50W树脂，树脂交联度为4％，离子型式为Mg²⁺，粒径为75～150微米。

采用湿法装柱法将树脂填装到8根或以上的色谱柱中，装柱溶剂为纯水，保证每根色谱柱的总孔隙率、保留时间、分离度等指标一致。所述色谱柱的直径为4～20mm，长度100～500mm。

模拟移动床色谱系统是由8根或以上的色谱柱串联而成，首尾相接成一个闭合的系统。洗脱剂入口、进料液入口、萃取液出口、萃余液出口等四个进出口将所有色谱柱分成流速不同的四个区，分别承担不同的功能。通过定期切换四个区及出口来实现流动相与固定相的模拟逆流。在萃取液出口连续收集含强吸附组分和洗脱剂的混合溶液，而在萃余液出口连续收集含弱吸附组分和洗脱剂的混合溶液。

传统的四区模拟移动床系统适合于两组分的分离，混合原料需有较高含量的棉籽糖和水苏糖，而市场上棉籽低聚糖主要是通过结晶获得，其主要杂质一般为五糖及以上的低聚糖杂质，因此需进行预处理，得到棉籽糖和水苏糖总含量大于90％的原料，所述预处理方法包括吸附脱色、脱盐及预结晶除杂糖等方法。

本发明的粗品中含有棉籽糖、水苏糖及少量蔗糖及盐分杂质，该粗品可以由脱脂棉粕提取液为原料，经过常规的吸附脱色、脱盐及预结晶除杂糖等方法获得。优选地，所述的粗品中棉籽糖和水苏糖的总质量分数大于90％，盐分含量<1％。

所述洗脱剂为水。溶剂体系为纯水，绿色经济环保。

所述进料溶液的浓度为10-60g/L。原料用纯水配成固形物质量浓度为10～60g/L的原料液，溶液浓度过低，固定相生产率降低，溶剂消耗增大；溶液浓度过高，会增加溶液的粘度，从而增大系统的压降。

模拟移动床色谱系统中操作温度为30～80℃。温度增加，分子运动能量加大，传质速率增加，理论塔板数增加，因此较高的温度有利于分离过程的进行，且在高温条件有利于降低糖液的粘度，降低系统操作的压降，而且还有利于抑制细菌生长，但温度的升高会相应地增加操作能耗。

步骤(3)中所述后处理过程为：经浓缩干燥后采用75％乙醇水溶液为结晶溶剂进行结晶。萃取液和萃余液经过结晶、干燥后得到最终产品。结晶产品中棉籽糖和水苏糖的纯度大于98％。

模拟移动床色谱系统中的操作参数优选为，洗脱剂流速0.5ml/min，进料液流速0.05～0.12mL/min，萃取液流速0.25～0.3mL/min，萃余液流速0.25～0.32mL/min，切换时间0.9～1.0min。

最优选地，固定相为Dowex 50W树脂，树脂交联度为4％，离子型式为Na⁺，粒径为38～75微米；模拟移动床色谱系统中的操作参数为：洗脱剂流速0.5ml/min，进料液流速0.05mL/min，萃取液流速0.25mL/min，萃余液流速0.3mL/min，切换时间1min。

或者固定相为Dowex 50W树脂，树脂交联度为8％，离子型式为Ca²⁺，粒径为38～75微米；模拟移动床色谱系统中的操作参数优选为：洗脱剂流速0.5ml/min，进料液流速0.12mL/min，萃取液流速0.30mL/min，萃余液流速0.32mL/min，切换时间1min。

或者固定相为Dowex 50W树脂，树脂交联度为2％，离子型式为K⁺，粒径为75～150微米；模拟移动床色谱系统中的操作参数优选为：洗脱剂流速0.5ml/min，进料液流速0.05mL/min，萃取液流速0.3mL/min，萃余液流速0.25mL/min，切换时间0.9min。

或者固定相为Dowex 50W树脂，树脂交联度为4％，离子型式为Mg²⁺，粒径为75～150微米；模拟移动床色谱系统中的操作参数优选为：洗脱剂流速0.5ml/min，进料液流速0.08mL/min，萃取液流速0.3mL/min，萃余液流速0.28mL/min，切换时间1min。

棉籽糖和水苏糖在产品中的含量用高效液相色谱法法来测定，液相色谱的条件为：Dionex Ultimate 3000型高效液相色谱；CAD(Charged AerosolDetector)检测器；色谱柱：Prevail Carbohydrate ES 5u(250mm×4.6mm)；流动相：乙腈:水＝70:30；流速：1mL/min；柱温：30℃；进样量：5μL；外标法分别测定棉籽糖和水苏糖的标准曲线。

本发明纯度和回收率的计算方法如下：

回收率＝产品中棉籽糖的质量÷原料中棉籽糖的质量。

纯度＝产品中棉籽糖的质量÷产品的总质量。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)整个分离过程的溶剂仅使用纯水，环境友好而且价廉易得；

(2)棉籽糖和水苏糖在树脂上具有极佳的分离度，而且树脂化学稳定、耐用性好；

(3)实现连续生产，生产过程全自动化，劳动强度低，成本低；

(4)本发明的纯化方法得到的棉籽糖和水苏糖结晶产品纯度达到98％以上，产率高，工艺简单，溶剂消耗小，填料化学稳定性好，适于大规模的推广应用。

附图说明

图1为本发明模拟移动床色谱的操作示意图

图2为结晶后棉籽糖产品的液相图谱，其纯度高于98％。

图3为结晶后水苏糖产品的液相图谱，其纯度高于98％。

具体实施方式

以下实例中棉籽糖和水苏糖来源于脱脂棉粕的提取液，经常规的吸附脱色、脱盐、及结晶等工艺除去其中的色素、盐分、蔗糖等杂质制得，其中棉籽糖和水苏糖的总质量分数大于90％，蔗糖质量分数约8.0％，盐分<1％。

模拟移动床装置采用德国CESP C9116(诺尔，德国)，它装配多口旋转阀，最多可接16根色谱柱，每区色谱柱数相同，在2～4根内变动；配有四台S-100型液相泵，其中进料泵流速0～10mL/min，洗脱剂泵、萃取液泵和萃余液泵的流速0～50mL/min。洗脱剂从4区和1区之间注入，进料液在2区和3区之间注入，棉籽糖在3区和4区之间的萃取液出口收集，水苏糖在1区和2区之间的萃取液出口收集。每隔一定时间，色谱柱朝洗脱剂流向相反的方向切换一个位置。

棉籽糖和水苏糖在产品中的含量用高效液相色谱法分析。

实施例1

原料为棉粕提取液经分离纯化后所得料液，两种物质的总质量百分含量为91％，棉籽糖的质量百分含量为55％，水苏糖质量百分含量为36％，蔗糖8％，盐分<1％。用水配成浓度为15g/L的进料液。

模拟移动床装有8根色谱柱，尺寸0.46cm×25cm；固定相为Dowex50W树脂，树脂交联度为4％，离子型式为Na⁺，粒径为38～75微米；洗脱剂为水；操作温度60℃；操作参数经优化确定为：洗脱剂流速0.5ml/min，进料液流速0.05mL/min，萃取液流速0.25mL/min，萃余液流速0.3mL/min，切换时间1min。连续切换32次后，系统达到平衡。

从萃取液出口收集到棉籽糖的水溶液，从萃余液出口收集到水苏糖的水溶液，用高效液相色谱分析纯度得棉籽糖的纯度为86.2％，水苏糖的纯度为90.5％，棉籽糖和水苏糖分别采用75％乙醇溶液结晶，结晶棉籽糖纯度98.5％，总回收率大于70％；水苏糖纯度99.2％，总回收率大于80％。

实施例2

原料为棉粕提取液经分离纯化后所得料液，两种物质的总质量百分含量为90％，棉籽糖的质量百分含量为52％，水苏糖质量百分含量为38％，蔗糖9％，盐分<1％。用水配成浓度为30g/L的进料液。

模拟移动床装有16根色谱柱，尺寸1cm×25cm；固定相为Dowex 50W树脂，树脂交联度为8％，离子型式为Ca²⁺，粒径为38～75微米；洗脱剂为水；操作温度30℃；操作参数经优化确定为：洗脱剂流速0.5ml/min，进料液流速0.12mL/min，萃取液流速0.30mL/min，萃余液流速0.32mL/min，切换时间1min。连续切换32次后，系统达到平衡。

从萃取液出口收集到棉籽糖的水溶液，从萃余液出口收集到水苏糖的水溶液，用高效液相色谱分析纯度得棉籽糖的纯度为84.0％，水苏糖的纯度为90.9％，棉籽糖和水苏糖分别采用75％乙醇溶液结晶，结晶棉籽糖纯度98.2％，总回收率大于70％；水苏糖纯度99.5％，总回收率大于80％。

实施例3

原料为棉粕提取液经分离纯化后所得料液，两种物质的总质量百分含量为93％，棉籽糖的质量百分含量为58％，水苏糖质量百分含量为35％，蔗糖6％，盐分<1％。用水配成浓度为50g/L的进料液。

模拟移动床装有16根色谱柱，尺寸2cm×50cm；固定相为Dowex 50W树脂，交联度为2％，离子型式为K⁺，粒径为75～150微米；洗脱剂为水；操作温度40℃；操作参数经优化确定为：洗脱剂流速0.5ml/min，进料液流速0.05mL/min，萃取液流速0.3mL/min，萃余液流速0.25mL/min，切换时间0.9min。连续切换32次后，系统达到平衡。

从萃取液出口收集到棉籽糖的水溶液，从萃余液出口收集到水苏糖的水溶液，用高效液相色谱分析纯度得棉籽糖的纯度为89.7％，水苏糖的纯度为89.9％，棉籽糖和水苏糖分别采用75％乙醇溶液结晶，结晶棉籽糖纯度98.9％，总回收率大于70％；水苏糖纯度98.7％，总回收率大于80％。

实施例4

原料为棉粕提取液经分离纯化后所得料液，两种物质的总质量百分含量为92％，棉籽糖的质量百分含量为56％，水苏糖质量百分含量为36％，蔗糖7％，盐分<1％。用水配成浓度为20g/L的进料液。

模拟移动床装有8根色谱柱，尺寸0.46cm×25cm；固定相为Dowex50W树脂，交联度为4％，离子型式为Mg²⁺，粒径为75～150微米；洗脱剂为水；操作温度50℃；操作参数经优化确定为：洗脱剂流速0.5ml/min，进料液流速0.08mL/min，萃取液流速0.3mL/min，萃余液流速0.28mL/min，切换时间1min。连续切换64次后，系统达到平衡。

从萃取液出口收集到棉籽糖的水溶液，从萃余液出口收集到水苏糖的水溶液，用高效液相色谱分析纯度得棉籽糖的纯度为87.8％，水苏糖的纯度为90.4％，棉籽糖和水苏糖分别采用75％乙醇溶液结晶，结晶棉籽糖纯度98.8％，总回收率大于70％；水苏糖纯度99.0％，总回收率大于80％。

Claims (10)

1.一种模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将含有棉籽糖和水苏糖的粗品溶于水中配置成进料溶液；

(2)将进料溶液和洗脱剂连续通入模拟移动床色谱系统中，从模拟移动床色谱系统的萃余口连续收集水苏糖溶液，从萃取口连续收集棉籽糖溶液；模拟移动床色谱系统的固定相为强酸性阳离子交换树脂；

(3)将所得水苏糖溶液和棉籽糖溶液分别进行后处理得棉籽糖产品和水苏糖产品。

2.根据权利要求1所述模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法，其特征在于，所述强酸性阳离子交换树脂的粒径为20～150微米。

3.根据权利要求1所述模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法，其特征在于，所述强酸性阳离子交换树脂的交联度为2％～8％。

4.根据权利要求1所述模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法，其特征在于，所述强酸性阳离子交换树脂的离子型式为Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺中的一种。

5.根据权利要求1所述模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法，其特征在于，所述洗脱剂为水。

6.根据权利要求1所述模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法，其特征在于，所述的粗品中棉籽糖和水苏糖的总质量分数大于90％，盐分含量<1％。

7.根据权利要求1所述模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法，其特征在于，所述进料溶液的浓度为10-60g/L。

8.根据权利要求1所述模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法，其特征在于，模拟移动床色谱系统中操作温度为30～80℃。

9.根据权利要求1所述模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法，其特征在于，步骤(3)中所述后处理过程为：经浓缩干燥后采用75％乙醇水溶液为结晶溶剂进行结晶。

10.根据权利要求1所述模拟移动床色谱分离制备棉籽糖和水苏糖的方法，其特征在于，所述强酸性阳离子交换树脂为Dowex 50W。