CN111978423B - 一种高纯度低聚半乳糖的制备方法 - Google Patents

一种高纯度低聚半乳糖的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高纯度低聚半乳糖的制备方法。生物酶法制备的低聚半乳糖混合溶液经过超滤、脱色工艺流程后，采用满室床离交技术与顺序式六床模拟移动床色谱相结合的方法制备高纯度的低聚半乳糖产品。此方法制备高纯度低聚半乳糖，分离效果好，产品品质得到提升。利用满室床离交技术与传统离交技术相比，酸的用量减少了47%，碱的用量减少了45%，可节约48%的用水量，降低了生产成本。色谱分离技术改良，顺序式模拟移动床采用钠型大孔径阳离子树脂，能更好的分离单糖、二糖组分，低聚半乳糖含量可由原来的95%提高到98%以上，可满足客户对高纯度低聚半乳糖产品的要求。

Description

一种高纯度低聚半乳糖的制备方法
技术领域
本发明属于低聚半乳糖化学合成技术领域，具体涉及一种高纯度低聚半乳糖的制备方法。
背景技术
低聚半乳糖（Galacto-oligosaccharide，简称 GOS）是一种低分子量水溶性膳食纤维，一般由葡萄糖或半乳糖分子与1~7 个半乳糖基β（1—6）、β（1—4）、β（1—3）糖苷键结合形成，多存在于动物的乳汁和乳清中，在母乳中的含量和种类最为丰富。随着科学的发展，人们对食品的要求不仅仅局限于色、香、味，而是更加注重营养与健康，因此GOS正是这种趋势下被瞩目的一种新型食品及配料。低聚半乳糖是一种天然存在的功能性低聚糖，具有多种益生功能，如改善肠道微环境，尤其是新生儿肠道内有益菌群的建立；促进脂质代谢；促进矿物元素的吸收；降低血清中胆固醇的浓度；降血压；预防龋齿等。
现有技术中，低聚半乳糖的提纯工艺多以微生物发酵为主，但是这种方法并不能有效地去除GOS中的其他杂糖组分，GOS纯度提高程度有限且生产成本高，不利于大规模产业化生产。
目前，工业化的GOS产品一般是含有葡萄糖、半乳糖、乳糖和GOS的混合物，没有经过分离纯化，其中低聚半乳糖的纯度仅在24~57%，其中含有较多的乳糖可能不适用于乳糖不耐受人群，含有的葡萄糖也不适用于糖尿病患者，因此需要去除其他杂糖成分，制备高纯度GOS以适应特殊的受众人群，扩大GOS的市场应用范围。
中国专利CN 102676604A公开了一种连续模拟移动床色谱分离高纯度低聚半乳糖的方法，采用十床式连续模拟移动床色谱分离制备，产品纯度可达95％以上，但利用该方法单糖、二糖的分离效果较差，得到的低聚半乳糖的纯度仍然在98%以下，而且离子交换过程采用传统固定床离交方式，该方法酸碱和水的消耗量大，分离速度慢，分离成本高。在实际应用中仍不易推广。
发明内容
针对现有技术中存在的低聚半乳糖纯度低，分离困难、酸碱消耗大及成本高的问题，本发明提供了一种高纯度低聚半乳糖的制备方法，该方法采用满室床离交技术和六床式顺式模拟移动床色谱分离技术（钠型大孔阳离子树脂），分离效果更好，能实现葡萄糖、乳糖、半乳糖和低聚半乳糖的精细分离，得到98%以上高纯度低聚半乳糖产品。
本发明通过以下技术方案实现：
一种高纯度低聚半乳糖的制备方法，低聚半乳糖混合液采用满室床离交技术进行分离，分离后采用顺序式模拟移动床色谱分离技术提纯得高纯度低聚半乳糖。
进一步地，所述的顺序式模拟移动床为六床式顺式模拟移动床。
进一步地，所述的满室床中的分离树脂为混合的强酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂；所述的阳阴离子交换树脂的体积比为1：1~1.8。
进一步地，所述的满室床进料质量浓度30%，进料温度40℃，流速为每小时1.5~2.5倍柱体积。
进一步地，所述的顺序式六床模拟色谱以钠型阳离子大孔树脂为载体，树脂装填高度为70cm，分配盘转速为3°/min，进料质量浓度60%，进料温度60~65℃，进料流速1.0-1.8L/h，进水流速1.8-2.8L/h，流出液流速1.3-2.0L/h，洗脱液流速1.6-2.6L/h。
进一步地，所得低聚半乳糖溶液的制备方法为：利用生物酶法催化乳糖得混合液，混合液经0.1𝛍m孔径陶瓷膜超滤，活性炭吸附得低聚半乳糖混合液。
进一步地，所述的生物酶为β-半乳糖苷酶，酶的加入量为50U/g乳糖干基。
进一步地，所述的酶反应条件为，乳糖浓度为45%，反应温度为50~60℃，反应pH为5.5~6.0。
有益效果
（1）采用满室床离交技术，树脂利用率高，提高了物料的精制效果及感官指标。满室床离交技术中的树脂混合装填，树脂破碎率低，稳定性好，与常规顺序式离交柱相比有较高的工作交换容量，减少了离交过程中酸碱和水的消耗，降低了生产成本；
（2）采用满室床离交技术对低聚半乳糖混合液进行分离，分离后降低了顺序式模拟移动床色谱分离难度，由原来的十床式缩减为现在的六床式，分离的速度明显加快，且分离得到的低聚半乳糖的纯度更高；
（3）采用六床式顺式模拟移动床色谱分离技术，采用钠型大孔阳离子树脂，相对于钙型阳离子树脂对低聚半乳糖的分离效果更好，能实现葡萄糖、乳糖、半乳糖和低聚半乳糖的精细分离，得到98%以上高纯度低聚半乳糖产品。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是进一步说明本发明的特征及优点，而不是对本发明进行限制。
实施例1:
（1）取精制乳糖，用反渗透水调至乳糖浓度为45%，调节pH值为5.5，β-半乳糖苷酶的添加量为50U/g乳糖干基，60℃发酵40h得混合液，混合液经陶瓷膜超滤，加入干基质量分数2%的活性炭脱色后得低聚半乳糖混合液，将混合液稀释至低聚半乳糖的质量百分浓度为30%；
（2）将质量比为1:1的强酸阳离子交换树脂和弱碱阴离子交换树脂混合，加入到在满室床分离柱中，树脂高度1m，进料浓度为30%，进料温度40℃，流速1.5倍柱体积，得到糖组分的混合液，经指标检测，糖浓为25%，透光率达到91.10%，pH5.01，电导率57us/cm；经HPLC检测，混合液中低聚半乳糖含量为57.13%，将混合液浓缩至低聚半乳糖的质量百分浓度为60%；
（3）六床式顺式模拟移动床色谱分离：色谱分离树脂为钠型大孔阳离子树脂，树脂柱装填高度为70cm，分配盘转速为3°/min，进料浓度60%，进料温度60℃，进料流速1.3L/h，进水流速1.8L/h，流出液流速1.3L/h，洗脱液流速1.6L/h，可分离得到98.73%的高纯度低聚半乳糖产品，六床式顺序式模拟移动床分离低聚半乳糖成分含量如下表1所示。
表1：应用六床式顺式模拟移动床分离低聚半乳糖
Figure 27044DEST_PATH_IMAGE001
实施例2
（1）取精制乳糖，用反渗透水调至乳糖浓度为45%，调节pH值为5.5，β-半乳糖苷酶的添加量为50U/g乳糖干基，60℃发酵40h得混合液，混合液经陶瓷膜超滤，加入干基质量分数2%的活性炭脱色后得低聚半乳糖混合液，将混合液稀释至低聚半乳糖的质量百分浓度为30%；
（2）将质量比为1:1.4的强酸阳离子交换树脂和弱碱阴离子交换树脂混合，加入到在满室床分离柱中，树脂高度1m，进料浓度30%，进料温度40℃，流速1.5倍柱体积进行脱盐处理，得到糖组分的混合液。经指标检测，糖浓为25%，透光率达到91.47%，pH5.23，电导率51us/cm。经HPLC检测，混合液中低聚半乳糖含量为57.02%，将混合液浓缩至低聚半乳糖的质量百分浓度为60%；
（3）六床式顺式模拟移动床色谱分离：色谱分离树脂为钠型大孔阳离子树脂，树脂柱装填高度为70cm，分配盘转速为3°/min，进料浓度60%，进料温度65℃，进料流速1.5L/h，进水流速2.3L/h，流出液流速1.8L/h，洗脱液流速2.0L/h，可分离得到98.41%的高纯度低聚半乳糖产品，六床式顺序式模拟移动床分离低聚半乳糖成分含量如下表2所示。
表2：应用六床式顺式模拟移动床分离低聚半乳糖
Figure 891094DEST_PATH_IMAGE002
实施例3
（1）取精制乳糖，用反渗透水调至乳糖浓度为45%，调节pH值为5.5，β-半乳糖苷酶的添加量为50U/g乳糖干基，60℃发酵40h得混合液，混合液经陶瓷膜超滤，加入干基质量分数2%的活性炭脱色后得低聚半乳糖混合液，将混合液稀释至低聚半乳糖的质量百分浓度为30%；
（2）将质量比为1:1.8的强酸阳离子交换树脂和弱碱阴离子交换树脂混合，加入到在满室床分离柱中，树脂高度1m，进料低聚半乳糖质量浓度为30%，进料温度40℃，流速2.5倍柱体积进行脱盐处理，得到糖组分的混合液。经指标检测，糖浓为25%，透光率达到90.01%，pH5.8，电导率72us/cm。经HPLC检测，混合液中低聚半乳糖含量为56.95%，将混合液浓缩至低聚半乳糖的质量百分浓度为60%；
（3）六床式顺式模拟移动床色谱分离：色谱分离树脂为钠型大孔阳离子树脂，树脂柱装填高度为70cm，分配盘转速为3°/min，进料低聚半乳糖质量浓度为60%，进料温度60℃，进料流速1.8L/h，进水流速2.8L/h，流出液流速2.0L/h，洗脱液流速2.5L/h，可分离得到98.19%的高纯度低聚半乳糖产品，六床式顺序式模拟移动床分离低聚半乳糖成分含量如下表3所示。
表3应用六床式顺式模拟移动床分离低聚半乳糖
Figure 672843DEST_PATH_IMAGE003
对比例1
（1）取精制乳糖，用反渗透水调至乳糖浓度为45%，调节pH值为5.5，β-半乳糖苷酶的添加量为50U/g乳糖干基，60℃发酵40h得混合液，混合液经陶瓷膜超滤，加入干基质量分数2%的活性炭脱色后得低聚半乳糖混合液，将混合液稀释至低聚半乳糖的质量百分浓度为30%
（2）采用强酸性阳离子-弱碱性阴离子-强酸性阳离子交换树脂，树脂高度1m，进料浓度30%，进料温度40℃，流速1.5倍柱体积进行脱盐处理，得到糖组分的混合液。经指标检测，糖浓为25%，透光率达到91.13%，pH5.09，电导率65us/cm。经HPLC检测，混合液中低聚半乳糖含量为56.53%，将混合液浓缩至低聚半乳糖的质量百分浓度为60%，实施例2与对比例1制备1吨料液离交成本对比如表4所示；
（3）六床式顺式模拟色谱分离：色谱分离树脂为钠型大孔阳离子树脂，树脂柱装填高度为70cm，分配盘转速为3°/min，进料质量浓度60%，进料温度65℃，进料流速1.5L/h，进水流速2.3L/h，流出液流速1.8L/h，洗脱液流速2.0L/h，可分离得到96.41%的高纯度低聚半乳糖产品。
表4 实施例2与对比例1制备1吨料液离交成本对比
Figure 698568DEST_PATH_IMAGE004
对比例1中的分离树脂采用顺序式装填方式，本专利采用混合式通过表4结果可知，实施例2与对比例1相比，酸的用量减少了47%，碱的用量减少了45%，可节约48%的用水量，节约了生产成本。
对比例2：
（1）取精制乳糖，用反渗透水调至乳糖浓度为45%，调节pH值为5.5，β-半乳糖苷酶的添加量为50U/g乳糖干基，60℃发酵40h得混合液，混合液经陶瓷膜超滤，加入干基质量分数2%的活性炭脱色后得低聚半乳糖混合液，将混合液稀释至低聚半乳糖的质量百分浓度为30%；
（2）将质量比为1:1.8的强酸阳离子交换树脂和弱碱阴离子交换树脂混合，加入到在满室床分离柱中，树脂高度1m，进料浓度30%，进料温度40℃，流速2.5倍柱体积进行脱盐处理，得到糖组分的混合液。经指标检测，糖浓为25%，透光率达到90.01%，pH5.8，电导率72us/cm。经HPLC检测，混合液中低聚半乳糖含量为56.95%，将混合液浓缩至低聚半乳糖的质量百分浓度为60%；
（3）色谱分离参数为：传统十床式连续模拟移动床色谱分离树脂为钙型树脂，树脂柱装填高度为70cm，分配盘转速为3°/min，进料质量浓度60%，进料温度60℃，进料流速1.8L/h，进水流速2.8L/h，流出液流速2.0L/h，洗脱液流速2.5L/h，可分离得到95.11%的高纯度低聚半乳糖产品，不同类型树脂对低聚半乳糖分离效果如表5所示。
表5实施例3与对比例1不同树脂对低聚半乳糖分离效果对比
Figure 434443DEST_PATH_IMAGE005
通过表5结果分析，传统模拟移动床对单糖、二糖的分离效果较差；在进料浓度、温度以及洗脱流速等条件不变的情况下，使用钠型大孔阳离子树脂制备高纯度低聚半乳糖效果优于钙型阳离子树脂，低聚半乳糖纯度由95.11%提高到98.19%。

Claims (6)

1.一种高纯度低聚半乳糖的制备方法，其特征在于，低聚半乳糖混合液采用满室床离交技术进行分离，分离后采用六床式顺式模拟移动床色谱分离技术提纯得高纯度低聚半乳糖；
所述的满室床中的分离树脂为混合的强酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂，阳阴离子交换树脂的体积比为1：1~1.8；
所述的六床式顺式模拟移动床以钠型阳离子大孔树脂为载体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的满室床进料质量浓度30%，进料温度40℃，流速为每小时1.5~2.5倍柱体积。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的六床式顺式模拟移动床中树脂装填高度为70cm，分配盘转速为3°/min，进料质量浓度60%，进料温度60~65℃，进料流速1.0-1.8L/h，进水流速1.8-2.8L/h，流出液流速1.3-2.0L/h，洗脱液流速1.6-2.6L/h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所得低聚半乳糖溶液的制备方法为：利用生物酶法催化乳糖得混合液，混合液经0.1𝛍m孔径陶瓷膜超滤、活性炭吸附得低聚半乳糖混合液。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的生物酶为β-半乳糖苷酶，酶的加入量为50U/g乳糖干基。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的酶反应条件为，乳糖浓度为45%，反应温度为50~60℃，反应pH为5.5~6.0。
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