CN111747997A - 一种利用间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法，属于食品工业分离技术领域。该方法包括以下步骤：(1)木糖母液预处理；(2)间歇模拟移动床色谱分离木糖、阿拉伯糖和半乳糖。本发明不仅能以高纯度和高产率从木糖母液或木糖发酵液中同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖，克服糖组分回收率不高、常规色谱不满足分离要求、现有色谱多组分分离系统复杂、固定相需求量大、分离功能区交叉污染等问题，还解决了因半乳糖导致木糖和阿拉伯糖结晶收率较低、发酵法难以消耗掉半乳糖等问题，实现了高价值糖类的充分回收，提高了资源利用率。

Description

一种利用间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半 乳糖的方法

技术领域

本发明属于食品工业分离技术领域，涉及一种利用间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法。

背景技术

木糖是一种戊糖，又称五碳醛糖，主要以杂多糖形式存在植物中。木糖是一种低热量糖甜味剂(甜度是蔗糖的72％，接近葡萄糖)，有促进生产双歧杆菌和肠道蠕动、抗龋齿等功效。木糖催化加氢后的产物(即木糖醇)是一种健康的甜味剂，甜度与蔗糖相当，木糖醇具有与木糖类似的生理功效。

阿拉伯糖是一种五碳糖，又称树胶醛糖，主要以杂多糖形式存在植物果浆、半纤维素等中。阿拉伯糖是一种新型的低热量甜味剂，现已经被美国、日本等批准列入健康食品添加剂，其代表性的生理作用是有选择性地影响小肠二糖水解酶中消化蔗糖的蔗糖酶，制约蔗糖和葡萄糖转化为糖原被肝脏吸收。

半乳糖是一种含有热量的六碳醛糖，是哺乳动物乳汁的组成成分和糖蛋白的重要成分，是构成脑神经系统中脑苷脂的成分。植物界中半乳糖以多糖形式存在于植物胶或常青藤浆果中。植物细胞壁的半纤维分支结构中，侧链取代基中含有半乳糖单元，在半纤维酸水解时会以单糖形式从植物细胞壁中溶出。

作为有特殊功效的三种糖类，最初用于营养保健和食品工业，现在逐步发展到化工、制药、化妆品、生物炼制、石油等非食品领域。

工业上，用玉米芯、秸秆、甘蔗渣、桉树等农林废弃物经稀酸水解或酶解获得初级糖液，再经过精制、浓缩和结晶制取木糖(或氢化制备木糖醇)和阿拉伯糖，此过程中会产生大量的木糖母液。然而，现有生产中无论是木糖或阿拉伯糖，只有达到较高纯度后才能体现科技或商业价值，因此分离纯化是其生产制造过程中极为重要的环节。

木糖母液是指木糖结晶后剩余的粘稠液体，一般含有木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖及少量其它杂质，根据原料及工艺不同，组分含量稍有差别，按质量分数计，大致是木糖含40％～52％、阿拉伯糖含25％～32％、葡萄糖含10％～18％、半乳糖含10％～16％和杂质含3％～7％。木糖结晶后导致母液中的半乳糖和葡萄糖比例增高，传统结晶工艺则无法提取木糖和阿拉伯糖。对于此问题，一般先对木糖母液发酵除去葡萄糖，再用色谱分离提取木糖和阿拉伯糖，其它组分作为杂糖。色谱分离获得富含木糖的组分回到上游再次进行木糖结晶，富含阿拉伯糖的组分则经过精制、浓缩和结晶制得晶体物。

中国专利(公开号CN1699587A)中以木糖水解液或木糖母液为原料，以酿酒酵母发酵除去其中葡萄糖，用模拟移动床色谱分离目标组分木糖与阿拉伯糖等杂糖，得到富含木糖组分用于再次结晶。中国专利(公开号CN104086607A)用活性干酵母分去除葡萄糖，经过脱色、离交及蒸发后，用连续色谱分离富含阿拉伯糖组分和木糖组分，结晶获得阿拉伯糖和木糖。中国专利(公开号CN107142337A)公开了以甘蔗渣为原料制备木糖和阿拉伯糖，用0.2％～2％酵母发酵木糖结晶母液，用色谱分离装置进行分离，获得富含木糖组分、以及富含阿拉伯糖组分。木糖母液通过发酵去除葡萄糖，分离提取阿拉伯糖和木糖，其它含半乳糖等作为杂糖，无法提取母液中含量高且附加值高的半乳糖、仅以低价处理杂糖。

为了减少木糖母液中糖组分种类及含量，用生物发酵或酶法辅助纯化，用特定微生物或酶选择性转化木糖水解液或木糖母液中不需要的糖类，提高目标单糖相对纯度。

中国专利(公开号CN101555503A)用特异性微生物赤酵母代谢木糖母液中除阿拉伯糖以外的单糖，以净化木糖母液、分离阿拉伯糖。中国专利(公开号CN101497904A)将特异性热带假丝酵母接种到脱毒后的半纤维素水解物中，木糖转化为木糖醇，提高色谱分离的效率和所得组分的纯度。中国专利(公开号CN101665523A)利用多种特异菌的协同，将木糖水解或木糖母液中除木糖和阿拉伯糖以外的糖组分转为乙醇、或核糖或柠檬的方法，经色谱分离提取木糖和阿拉伯糖。然而，特异性微生物或菌类转化糖组分存在：1)实施条件严格且周期长；2)非目标糖组分资源不能回收，无法实现其自身应有价值；3)多菌种协同转化所产生的物质影响色谱分离提取木糖和阿拉伯糖。

为了克服特异微生物发酵法的不利之处，用化学方法减少木糖母液中的非目标糖组分，以提高色谱分离所得组分的纯度和收率。

中国专利(公开号CN102093435A)利用糖类在不同含水量的有机溶剂中溶解与冷却结晶特性不同，从混合糖中提取阿拉伯糖，所用有机溶剂包括醇、醚、酮、羧酸、含氮有机溶剂等。美国专利(公开号US7498430B2)利用单糖与酮或醛反应生成糖乙醛，再根据糖乙醛对极性和非极性有机溶剂溶解的差异性，实现混合物中木糖和阿拉伯糖分离。然而，有机溶剂用在工业生产中的缺点是显而易见的，特别是食品工业领域，存在安全风险。

为此，许多学者或发明人对木糖母液精制或分离提取工艺进行了优化或改进，以期实现高效提取目标糖组分，最大程度地回收高价值糖组分。

中国专利(公开号CN101792822A)公布了半纤维素水解液经电渗析、膜过滤预浓缩后，用序批式模拟移动床色谱分离木糖和阿拉伯糖，如图1所示。然而，上述专利中：1)未说明葡萄糖、半乳糖等组分如何处理；2)序批式模拟移动床仅能实现两组分的分离提取。中国专利(公开号CN107142337A)公布了一种以甘蔗渣为原料制备木糖和阿拉伯糖的方法，先用脱色除离子和分离混合装置对浓缩液进行脱色、除离子和分离，获得富含木糖液和富含阿拉伯糖液，精制后再结晶获得结晶木糖和结晶阿拉伯糖，二者母液再用模拟移动床分离。但是文中未涉及除木糖和阿拉伯糖外的其它糖组分；且模拟移动床分离木糖母液和阿拉伯糖母液时，未说模拟移动床架构和运行模式。

中国专利(公开号CN1699587A)公布了一种四区模拟移动床色谱分离从木糖母液或木糖水解液提取木糖或木糖醇的方法，设提取区、富集区、解析区和循环区，如图2所示，可以将木糖母液分离出木糖、或木糖醇母液分离出木糖醇。然而，文中未涉及到除木糖或木糖醇以外其它糖组分的分离提取。中国专利(公开号CN102924538A)公布了一种六区模拟移动床色谱(如图3所示)分离木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法，以糖醇专用特种树脂为固定相，木糖纯度84％～95％、阿拉伯糖纯度73％～87％和半乳糖纯度55％～68％，三组分收率80％～90％。然而，上述专利存在：1)阀门多及管线复杂、控制位点很多，因色谱分区较多，固定相树脂需求量大；2)分离提取多个组分时，易出现管线内组分交叉污染，影响组分纯度，影响后续的结晶工序；3)料水比例较高，组分过度稀释问题不可避免。

综上，目前主要用发酵法预处理木糖母液，经精制、浓缩和结晶制得结晶木糖和结晶阿拉伯糖。现有模拟移动床色谱方法并不能有效地回收木糖母液中半乳糖，发酵法去除半乳糖需特异菌种和条件较为严格，导致后续处理过程操作成本增加，同时降低了后续木糖和阿拉伯糖结晶过程中的产品收率，降低了资源利用率。

间歇模拟移动床是一种新型色谱分离方法，间歇模拟移动床有四个色谱功能区域，以类似于常规四区模拟移动床结构方式布置四个端口。探索应用新型四区间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法，克服常规四区或顺序式模拟移动床色谱法、五区及以上模拟移动床色谱法等存在的不足。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种利用间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法。利用本发明提供的方法，木糖、阿拉伯糖和半乳糖能够连续且有效地从木糖母液中分离出来。

本发明的技术方案如下：

一种利用间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法，包括以下步骤：

(1)木糖母液预处理：木糖母液经过稀释并用酵母发酵去除葡萄糖、纤维二糖和甘露糖，过滤除去胶体、蛋白质、菌丝和固形物，得到木糖发酵液；使用活性炭联合阴阳离子交换树脂，除去木糖发酵液中的色泽物和无机离子，得到透光率高于80％的糖液，旋转蒸发，控制温度在65～80℃，将糖液蒸发浓缩至折光浓度为40％～60％(阿贝测光仪测得)，得到原料；

(2)间歇模拟移动床色谱分离：步骤(1)得到的原料经过间歇模拟移动床色谱进行分离，制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖；所述间歇模拟移动床色谱以钙型或铅型的强酸性阳离子树脂为固定相，以去离子水为洗脱剂，工作温度50～75℃；

所述间歇模拟移动床色谱由依次串联的1号色谱柱、2号色谱柱、3号色谱柱、4号色谱柱、5号色谱柱、6号色谱柱组成，包括I区带、II区带、III区带和IV区带，所述I区带、II区带、III区带分别含2根依次串换的色谱柱，所述IV区带含6根依次串换的色谱柱；所述I区带位于洗脱剂端口与进料端口之间；所述II区带位于进料端口与木糖组分端口之间；所述III区带为木糖组分端口与阿拉伯糖组分端口之间，所述IV区带位于洗脱剂端口与半乳糖组分端口之间。

进一步地，步骤(1)中，用去离子水稀释木糖母液，稀释后折光浓度为20％～25％，按0.1％～0.3％(m/V)比例将活性干酵母粉接种到木糖母液中，鼓风充氧并控温25～35℃，发酵15～30h，发酵后木糖发酵液中葡萄糖含量低于2％、杂糖含量低于0.5％。

进一步地，所述木糖母液是用农林废弃物玉米芯、甘蔗渣、秸秆、桉树或桦树生产结晶木糖后留下的粘稠糖液；所述木糖母液的总糖折光浓度为50％～60％，其中，按质量分数计，木糖含量为45％～52％、阿拉伯糖含量为20％～23％、半乳糖含量为7％～10％、葡萄糖含量为12％～13.5％、纤维二糖和甘露糖含量为2％～5％。

进一步地，所述固定相的交联剂为多烯苯类，交联水平6％～15％，钙型或铅型率为95％以上，树脂粒径为120～250μm。

进一步地，所述洗脱剂的流动方向为1号色谱柱至6号色谱柱，所述固定相的模拟移动方向为6号色谱柱至1号色谱柱；每根色谱柱的前后设有一个电机伺服的多通道旋转阀，所述洗脱剂端口、进料端口、木糖组分端口、阿拉伯糖组分端口和半乳糖组分端口设置有多通道旋转阀。

进一步地，所述进料端口和洗脱剂端口前设有流量计，木糖组分端口、阿拉伯糖组分端口和半乳糖组分端口后设有电导率仪、流量计、流量调节阀；所述色谱柱之间以管线连接；所述色谱柱的高径比为：15:1～25:1。

进一步地，所述色谱柱用夹套加热保温，温度为50℃～75℃；通过PLC程序控制色谱柱前后电机伺服的多通道旋转阀上指定端口的位置及开启或关闭，实现进原料、洗脱剂和出糖组分，以及固定相模拟移动。

进一步地，所述方法同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的每个周期内有两个子步骤：子步骤一和子步骤二；每个周期运行完后，各端口位置沿洗脱剂流动方向前移一根色谱柱，完成全部端口运行循环后恢复到端口初始位置。

进一步地，间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的每个周期内有两个子步骤，具体步骤如下：

(1)子步骤一：分别开启1号色谱柱和3号色谱柱前的多通道旋转阀上的洗脱剂端口和进料端口，分别流入洗脱剂、原料，在洗脱剂的推动下，固定相与原料中不同糖组分之间的亲和力存在差异性，木糖组分迁移速度快于其它组分，从4号色谱柱末的木糖组分端口流出；从6号色谱柱末的阿拉伯糖组分端口流出上一个周期的强保留组分阿拉伯糖；因1号色谱柱与6号色谱柱之间是间断的，即III区带出料不再进入I区带内，不存在交叉污染或组分被稀释的问题；

(2)子步骤二：子步骤一运行完毕后，关闭3号色谱柱前的进料端口、关闭4号色谱柱末的木糖组分端口，1号色谱柱至6号色谱柱组成一个独立的色谱分离区，即IV区带，洗脱剂流动方向为由1号色谱柱至6号色谱柱，半乳糖组分及本周期内的阿拉伯糖组分向6号色谱柱末端迁移；阿拉伯糖组分与固定相亲和力强，其迁移速度慢于半乳糖，半乳糖组分在6号色谱柱末的半乳糖组分端口流出；

子步骤二运行完毕后，洗脱剂端口由1号色谱柱前端切换至2号色谱柱前端；进料端口由3号色谱柱前端切换至4号色谱柱前端；木糖组分端口由4号色谱柱末端切换至5号色谱柱末端；阿拉伯糖组分端口由6号色谱柱末端切换至1号色谱柱末端；每个周期运行完后，各端口位置沿洗脱剂流动方向前移一根色谱柱，完成全部端口运行循环后恢复到端口初始位置，重复运行子步骤一和子步骤二，分别收集木糖组分、阿拉伯糖组分和半乳糖组分。

进一步地，所述洗脱剂的流量为4～5mL/min，所述原料流量为2～3mL/min，所述木糖组分的流量为2～4mL/min，所述阿拉伯糖组分的流量为3～5mL/min，所述半乳糖组分的流量为4～6mL/min，所述子步骤一的时间为5～6min，所述子步骤二的时间为8～11min。

本发明的工作机制：钙或铅离子与树脂上的磺酸基通过配位形成配位型强酸性阳离子树脂色谱固定相。糖分子上每一个羟基都带有一个非常弱的负电荷，端基异构碳上所带的羟基可被去质子化，从而带上一个很强的负电荷，糖分子上的负电荷与树脂表面上的钙或铅离子的正电荷之间的相互作用使糖分子被保留。单柱色谱中木糖分子保留时间短、半乳糖保留时间次之，阿拉伯糖保留时间最长，即阿拉伯糖与色谱固定亲和力最强，半乳糖次之，木糖最弱。向六根色谱柱组成四区间歇模拟移动床开环色谱系统中，连续流入木糖母液或发酵液，子步骤一收集弱保留组分木糖和上一个周期的强保留组分阿拉伯糖，子步骤二收集中等保留组分半乳糖。后沿洗脱剂流动方向切换端口以模拟固定相移动，连续高效地利用模拟移动床同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖。

本发明有益的技术效果在于：

(1)本发明可同时分离制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖三组分，且产品有较高的收率和纯度，充分挖掘了木糖母液中糖组分的价值；

(2)本发明可以避免提取液浓度的稀释、以及色谱功能分离区间交叉污染，组分出口浓度高于常规模拟移动床，降低了后续处理成本；克服现有技术中常规四区或顺序式模拟移动床法、五区及以上模拟移动床色谱等存在的问题和不足；

(3)本发明减少了树脂用量和色谱柱数量，降低投资和损耗；同时还减少料液反混，既提高木糖和阿拉伯糖两组分纯度和收率，又新增加了半乳糖组分；实现了木糖母液中高值糖组分的充分回收，提高了生物质资源利用率；

(4)本发明可连续回收的木糖、阿拉伯糖、半乳糖三种组分的纯度均为85％到95％、收率均高于90％。

附图说明

图1为顺序式模拟移动床色谱法分离木糖和阿拉伯糖的示意图。

图2为四区模拟移动床色谱法分离木糖或阿拉伯糖组分的示意图。

图3为六区模拟移动床色谱法分离木糖、阿拉伯糖、半乳糖和杂糖的示意图。

图4为I区带、II区带、III区带端口重排间歇模拟移动床色谱法分离木糖和半乳糖的示意图。

图5为IV区带端口重排间歇模拟移动床色谱法分离阿拉伯糖的示意图。

具体实施方式

下述实施例中所述的间歇模拟移动床色谱如图4、图5所示，由依次串联的1号色谱柱、2号色谱柱、3号色谱柱、4号色谱柱、5号色谱柱、6号色谱柱组成，包括I区带、II区带、III区带和IV区带，所述I区带、II区带、III区带分别含2根依次串换的色谱柱，所述IV区带含6根依次串换的色谱柱；所述I区带位于洗脱剂端口与进料端口之间；所述II区带位于进料端口与木糖组分端口之间；所述III区带为木糖组分端口与阿拉伯糖组分端口之间，所述IV区带位于洗脱剂端口与半乳糖组分端口之间。所述洗脱剂的流动方向为1号色谱柱至6号色谱柱，所述固定相的模拟移动方向为6号色谱柱至1号色谱柱；每根色谱柱的前后设有一个电机伺服的多通道旋转阀，所述洗脱剂端口、进料端口、木糖组分端口、阿拉伯糖组分端口和半乳糖组分端口设置有多通道旋转阀。所述进料端口和洗脱剂端口前设有流量计，木糖组分端口、阿拉伯糖组分端口和半乳糖组分端口后设有电导率仪、流量计、流量调节阀，并由PLC程序记录运行数据；所述色谱柱之间以管线连接；所述色谱柱的高径比为：15:1～25:1。所述色谱柱用夹套加热保温，温度为50～75℃；通过PLC程序控制色谱柱前后电机伺服的多通道旋转阀上指定端口的位置及开启或关闭，实现进原料、洗脱剂和出各糖组分，以及色谱固定相模拟移动。

下述实施例中间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法，每个周期内有两个子步骤，具体步骤如下：

(1)子步骤一：分别开启1号色谱柱和3号色谱柱前的多通道旋转阀上的洗脱剂端口和进料端口，分别流入洗脱剂、原料，在洗脱剂的推动下，固定相与原料中不同糖组分之间的亲和力存在差异性，木糖组分迁移速度快于其它组分，从4号色谱柱末的木糖组分端口流出；从6号色谱柱末的阿拉伯糖组分端口流出上一个周期的强保留组分阿拉伯糖；因1号色谱柱与6号色谱柱之间是间断的，即III区带出料不再进入I区带内，不存在交叉污染或组分被稀释的问题；

(2)子步骤二：子步骤一运行完毕后，关闭3号色谱柱前的进料端口、关闭4号色谱柱末的木糖组分端口，1号色谱柱至6号色谱柱组成一个独立的色谱分离区，即IV区带，洗脱剂流动方向为由1号色谱柱至6号色谱柱，半乳糖组分及本周期内的阿拉伯糖组分向6号色谱柱末端迁移；阿拉伯糖组分与固定相亲和力强，其迁移速度慢于半乳糖，半乳糖组分在6号色谱柱末的半乳糖组分端口流出；

子步骤二运行完毕后，洗脱剂端口由1号色谱柱前端切换至2号色谱柱前端；进料端口由3号色谱柱前端切换至4号色谱柱前端；木糖组分端口由4号色谱柱末端切换至5号色谱柱末端；阿拉伯糖组分端口由6号色谱柱末端切换至1号色谱柱末端；每个周期运行完后，各端口位置沿洗脱剂流动方向前移一根色谱柱，完成全部端口运行循环后恢复到端口初始位置，重复运行子步骤一和子步骤二，分别收集木糖组分、阿拉伯糖组分和半乳糖组分。

下述实施例中提及的“约”，范围为给出的数值百分比±1％。

实施例1

一种利用间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法如下。

(1)木糖母液预处理：木糖母液总糖折光约60％，其中，按质量分数计，木糖含量45％～52％、阿拉伯糖含量20％～23％、葡萄糖含量12％～13.5％、半乳糖含量7％～10％和纤维二糖和甘露糖含量2％～5％。去离子水稀释木糖母液，稀释后折光浓度约25％，按0.3％(m/V)比例将活性干酵母粉接种到木糖母液中，鼓风充氧并控温25～35℃，发酵24h，发酵后液体中葡萄糖含量低于1％、杂糖含量低于0.5％。

发酵后液体经精密过滤，除去液体中胶体、蛋白质、菌丝和固形物，再按液体重量0.5％添加糖用活性炭，在80℃温度下脱色30min，过滤脱色后透光率高于80％。阴阳离子交换去除溶液中的无机离子，用真空旋转蒸发或三效蒸发将糖液浓缩到折光浓度为55％左右，完成木糖母液的预处理，得到原料。

(2)间歇模拟移动床色谱分离工艺设计及分离：依据糖组分与钙型固定相树脂亲和力差异性，配置进料端口和洗脱剂端口，减少糖组分过度稀释和减少固定相树脂、色谱柱用量，并分成两个子步骤分别回收原料中的木糖、阿拉伯糖和半乳糖三种糖组分。

进料之前，先向间歇模拟移动床色谱系统中流入50℃去离子水作为洗脱剂，流量保持在2.5mL/min，同时停止其它泵的运行，排掉滞留在柱内气体。将洗脱剂流量增加到目标值5mL/min，进料流量2.9mL/min，木糖组分流量3.2mL/min，阿拉伯糖组分流量4.7mL/min，半乳糖组分流量5mL/min，一个周期16min(子步骤一6.5min，子步骤二9.5min)。控制阀的切换和切换时间由PLC程序同时控制。

两个子步骤运行完后，各端口依次后移一个色谱柱端口位置，重复两个子步骤。六个周期完成一个循环，之后进入下一个循环。经过连续运行，使间歇模拟移动床色谱系统达到稳定状态。

上述色谱分离操作后，木糖收率94％、纯度90％，阿拉伯糖收率87％、纯度91％，半乳糖收率95％、纯度96％。

实施例2

一种利用间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法如下。

(1)木糖母液预处理：木糖母液总糖折光约60％，其中，按质量分数计，木糖含量45％～52％、阿拉伯糖含量20％～23％、葡萄糖含量12％～13.5％、半乳糖含量7％～10％和纤维二糖和甘露糖含量2％～5％。去离子水稀释木糖母液，稀释后折光浓度约22％，按0.5％(m/V)比例将活性干酵母粉接种到木糖母液中，鼓风充氧并控温30～35℃，发酵15小时，发酵后液体中葡萄糖含量低于2％、纤维二糖和甘露糖含量低于0.5％。

发酵后液体经精密过滤，除去液体中胶体、蛋白质、菌丝和固形物，再按液体重量1％添加糖用活性炭，在70℃温度下脱色30min，过滤脱色后透光率高于85％。阴阳离子交换去除溶液中的无机离子，再用真空旋转蒸发或三效蒸发将糖液浓缩到折光浓度为50％左右，完成木糖母液的预处理，得到原料。

(2)间歇模拟移动床色谱分离工艺设计及分离：依据糖组分与铅型固定相树脂亲和力差异性，将配置进料端口和洗脱剂端口，减少糖组分过度稀释和减少固定相树脂、色谱柱用量，并分成两个子步骤分别回收原料中的木糖、阿拉伯糖和半乳糖三种糖组分。

进料之前，先向间歇模拟移动床色谱系统中流入60℃去离子水作为洗脱剂，流量保持在2mL/min，同时停止其它泵的运行，排掉滞留在柱内气体。将洗脱剂流量增加到目标值4.5mL/min，进料流量2.2mL/min，木糖组分流量2.8mL/min，阿拉伯糖组分流量3.9mL/min，半乳糖组分流量4.5mL/min，一个周期18min(子步骤一7.5min，子步骤二11.5min)。控制阀的切换和切换时间由PLC程序同时控制。

两个子步骤运行完后，各端口依次后移一个色谱柱端口位置，重复两个子步骤。六个周期完成一个循环，之后进入下一个循环。经过连续运行，使间歇模拟移动床色谱系统达到稳定状态。

上述色谱分离操作后，木糖收率92％、纯度88％，阿拉伯糖收率90％、纯度90％，半乳糖收率93％、纯度95％。

实施例3

一种利用间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法如下。

(1)木糖母液预处理：木糖母液总糖折光约60％，其中，按质量分数计，木糖含量45％～52％、阿拉伯糖含量20％～23％、葡萄糖含量12％～13.5％、半乳糖含量7％～10％和纤维二糖和甘露糖含量2％～5％。去离子水稀释木糖母液，稀释后折光浓度约25％，按1％(m/V)比例将活性干酵母粉接种到木糖母液中，鼓风充氧并控温30～35℃，发酵12小时，发酵后液体中葡萄糖含量低于1.5％、纤维二糖和甘露糖含量低于0.5％。

发酵后液体经精密过滤，除去液体中胶体、蛋白质、菌丝和固形物，再按液体重量0.5％添加糖用活性炭，在75℃温度下脱色30min，过滤脱色后透光率高于80％。阴阳离子交换去除溶液中的无机离子，再用真空旋转蒸发或三效蒸发将糖液浓缩到折光浓度为52％左右，完成木糖母液的预处理，得到原料。

(2)间歇模拟移动床色谱分离工艺设计及分离：依据糖组分与钙型固定相树脂亲和力差异性，将配置进料端口和洗脱剂端口，减少糖组分过度稀释和减少固定相树脂、色谱柱用量，并分成两个子步骤分别回收原料中的木糖、阿拉伯糖和半乳糖三种糖组分。

进料之前，先向间歇模拟移动床色谱系统中流入75℃去离子水作为洗脱剂，流量保持在2.5mL/min，同时停止其它泵的运行，排掉滞留在柱内气体。将洗脱剂流量增加到目标值5.5mL/min，进料流量2.2mL/min，木糖组分流量3.4mL/min，阿拉伯糖组分流量4.3mL/min，半乳糖组分流量5.5mL/min，一个周期14min(子步骤一5.5min，子步骤二8.5min)。控制阀的切换和切换时间由PLC程序同时控制。

两个子步骤运行完后，各端口依次后移一个色谱柱端口位置，重复两个子步骤。六个周期完成一个循环，之后进入下一个循环。经过连续运行，使间歇模拟移动床色谱系统达到稳定状态。

上述色谱分离操作后，木糖收率90％、纯度93％，阿拉伯糖收率92％、纯度86％，半乳糖收率92％、纯度89％。

对比例

在本发明提供的一种利用间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法中，为了探索适宜的色谱固定相树脂，比选了不同功能基及配位离子，具体如下：

(1)木糖母液折光浓度约60％，其中，按质量分数计，木糖含量约50％、阿拉伯糖含量约22％、葡萄糖含量约13％、半乳糖含量约8％和杂糖质量含量约4％。去离子水稀释木糖母液至折光浓度约20％，按液体重量0.3％接种活性干酵母粉，鼓风充氧并控温约在30℃，发酵24h，发酵后液体中葡萄糖质量含量低于1％、杂糖质量含量低于0.5％。发酵后液体经精密过滤，除去液体中胶体及固体悬浮物，再按液体重量0.5％添加糖用活性炭，在80℃温度下脱色30min，脱色过滤后再用阴阳离子交换去除溶液中的无机离子，获得原料。

(2)选择了含磺酸基强酸性的、含羧酸基弱酸性的两种阳离子树脂，以钙和铅离子为配位离子，评价分离木糖母液中木糖、阿拉伯糖和半乳糖的效能。将钙型或铅型的含磺酸基强酸性的、含羧酸基弱酸性的阳离子树脂(均为25g)分别装填成单柱并动态实验，原料上样5mL后用75℃的热水以1.5mL/min进行洗脱，收集洗脱剂并分析样品的折光浓度、组成及质量百分比含量。以动态形式评价树脂上配位功能基的差异性，钙型或铅型配位磺酸基的强酸性阳离子树脂分离效果较佳。

(3)选择了钙、铅、铁、镁、铜和钴为配位离子，以含磺酸基强酸性阳离子树脂为配位基体。钙、铅、铁、镁、铜和钴的盐溶液，以1.5mL/min分别通过树脂柱床至饱和态，将配位基体树脂转型为对应的配位体强酸性阳离子树脂，去离子水淋洗。六种转型后强酸性阳离子树脂各取25g分别装填成单柱，原料上样5mL后用70℃的热水以1.5mL/min进行洗脱，收集洗脱剂并分析样品的折光浓度、组成及质量百分比含量，钙型或铅型配位磺酸基的强酸性阳离子树脂分离效果最好。因此，本发明中选用钙型或铅型阳离子树脂作为固定相树脂分离木糖母液中的木糖、阿拉伯糖和半乳糖。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种利用间歇模拟移动床色谱同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)木糖母液预处理：木糖母液经过稀释并用酵母发酵去除葡萄糖、纤维二糖和甘露糖，过滤除去胶体、蛋白质、菌丝和固形物，得到木糖发酵液；使用活性炭联合阴阳离子交换树脂，除去木糖发酵液中的色泽物和无机离子，得到透光率高于80％的糖液，旋转蒸发，控制温度在65～80℃，将糖液蒸发浓缩至折光浓度为40％～60％，得到原料；

(2)间歇模拟移动床色谱分离：步骤(1)得到的原料经过间歇模拟移动床色谱进行分离，制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖；所述间歇模拟移动床色谱以钙型或铅型的强酸性阳离子树脂为固定相，以去离子水为洗脱剂，工作温度50～75℃；

所述间歇模拟移动床色谱由依次串联的1号色谱柱、2号色谱柱、3号色谱柱、4号色谱柱、5号色谱柱、6号色谱柱组成，包括I区带、II区带、III区带和IV区带，所述I区带、II区带、III区带分别含2根依次串换的色谱柱，所述IV区带含6根依次串换的色谱柱；所述I区带位于洗脱剂端口与进料端口之间；所述II区带位于进料端口与木糖组分端口之间；所述III区带为木糖组分端口与阿拉伯糖组分端口之间，所述IV区带位于洗脱剂端口与半乳糖组分端口之间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木糖母液是用农林废弃物玉米芯、甘蔗渣、秸秆、桉树或桦树生产结晶木糖后留下的粘稠糖液；所述木糖母液的总糖折光浓度为50％～60％，其中，按质量分数计，木糖含量为45％～52％、阿拉伯糖含量为20％～23％、半乳糖含量为7％～10％、葡萄糖含量为12％～13.5％、纤维二糖和甘露糖含量为2％～5％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定相的交联剂为多烯苯类，交联水平6％～15％，钙型或铅型率为95％以上，树脂粒径为120～250μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述洗脱剂的流动方向为1号色谱柱至6号色谱柱，所述固定相的模拟移动方向为6号色谱柱至1号色谱柱；每根色谱柱的前后设有一个电机伺服的多通道旋转阀，所述洗脱剂端口、进料端口、木糖组分端口、阿拉伯糖组分端口和半乳糖组分端口设置有多通道旋转阀。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述进料端口和洗脱剂端口前设有流量计，木糖组分端口、阿拉伯糖组分端口和半乳糖组分端口后设有电导率仪、流量计、流量调节阀；所述色谱柱之间以管线连接；所述色谱柱的高径比为：15:1～25:1。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述色谱柱用循环水夹套保温，温度为50℃～75℃；通过PLC程序控制色谱柱前后电机伺服的多通道旋转阀上指定端口的位置及开启或关闭，实现进原料、洗脱剂和出糖组分，以及固定相模拟移动。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法同时制取木糖、阿拉伯糖和半乳糖的每个周期内有两个子步骤：子步骤一和子步骤二；每个周期运行完后，各端口位置沿洗脱剂流动方向前移一根色谱柱，完成全部端口运行循环后恢复至端口初始位置。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述两个子步骤的具体步骤如下：

(a)子步骤一：分别开启1号色谱柱和3号色谱柱前的多通道旋转阀上的洗脱剂端口和进料端口，分别流入洗脱剂、原料，固定相与原料中不同糖组分之间的亲和力存在差异性，在洗脱剂的驱动下，木糖组分迁移速度快于其它组分，从4号色谱柱末的木糖组分端口流出；从6号色谱柱末的阿拉伯糖组分端口流出上一个周期的强保留组分阿拉伯糖；

(b)子步骤二：子步骤一运行完毕后，关闭3号色谱柱前的进料端口、关闭4号色谱柱末的木糖组分端口，1号色谱柱至6号色谱柱组成一个独立的色谱分离区，即IV区带，洗脱剂流动方向为由1号色谱柱至6号色谱柱，半乳糖组分及本周期内的阿拉伯糖组分向6号色谱柱末端迁移；阿拉伯糖组分与固定相亲和力强，其迁移速度慢于半乳糖，半乳糖组分在6号色谱柱末的半乳糖组分端口流出；

当子步骤二运行完毕后，洗脱剂端口由1号色谱柱前端切换至2号色谱柱前端；进料端口由3号色谱柱前端切换至4号色谱柱前端；木糖组分端口由4号色谱柱末端切换至5号色谱柱末端；阿拉伯糖组分端口由6号色谱柱末端切换至1号色谱柱末端；每个周期运行完后，各端口位置沿洗脱剂流动方向前移一根色谱柱，完成全部端口运行循环后恢复至端口初始位置，重复运行子步骤一和子步骤二，分别收集木糖组分、阿拉伯糖组分和半乳糖组分。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述洗脱剂的流量为4～5mL/min，所述原料流量为2～3mL/min，所述木糖组分的流量为2～4mL/min，所述阿拉伯糖组分的流量为3～5mL/min，所述半乳糖组分的流量为4～6mL/min，所述子步骤一的时间为5～6min，所述子步骤二的时间为8～11min。

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