TWI648286B

TWI648286B - 阿拉伯糖的生產方法

Info

Publication number: TWI648286B
Application number: TW106122999A
Authority: TW
Inventors: 梁茹茜; 梁明在
Original assignee: 喬璞科技有限公司
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2019-01-21
Also published as: TW201908329A; CN107586309A

Abstract

一種阿拉伯糖的生產方法，包括提供糖混合物，糖混合物包括半乳糖以及阿拉伯糖。以模擬移動床層析法將糖混合物中的半乳糖以及阿拉伯糖分離開來，藉此得到高純度阿拉伯糖。

Description

阿拉伯糖的生產方法

本發明是有關於一種糖類的生產方法，且特別是有關於一種阿拉伯糖的生產方法。

阿拉伯糖（又稱樹膠醛糖、果膠糖）為含有5個碳原子並且帶有醛基的單糖。阿拉伯糖有8種立體異構體，常見的為β-L-阿拉伯糖和β-D-阿拉伯糖。天然的L-阿拉伯糖廣泛存在於食物中，通常與其他單糖結合，以雜多糖的形式存在於膠質、半纖維素、果膠酸、細菌多糖及某些糖苷中。D-阿拉伯糖通常由人工合成而得，在自然界很少見，偶見於某些大腸桿菌或結核桿菌的細胞內。阿拉伯糖可廣泛應用在醫藥和保健食品領域、生物試驗、生物工程、香精香料中。

阿拉伯糖主要存在於植物的半纖維素中，特別是在松葉中。目前從半纖維素中提取阿拉伯糖的方法主要包括先將半纖維素進行水解，接著再從水解產物中分離阿拉伯糖。因此，如何找出一種可生產出高純度阿拉伯糖的方法，是目前研究人員急欲解決的問題。

本發明提供一種阿拉伯糖的生產方法，可有效地分離出高純度的阿拉伯糖。

本發明的實施例提供一種阿拉伯糖的生產方法。所述方法包括以下步驟。首先，提供糖混合物，糖混合物包括半乳糖以及阿拉伯糖。接著，以模擬移動床層析法將糖混合物中的半乳糖以及阿拉伯糖分離開來，其中模擬移動床層析法包含：（i）提供模擬移動床，模擬移動床依序包括第一區段、第二區段以及第三區段，其中模擬移動床是由移動相及固定相所組成，固定相顆粒內部是具有孔隙，移動相對於模擬移動床中是朝同一方向流經第一區段、第二區段以及第三區段之間，固定相是相對於所述移動相朝反方向模擬移動；（ii）將糖混合物注入模擬移動床的第二區段與第三區段之間，並使阿拉伯糖隨固定相移動至第一區段與第二區段之間的萃出端，並使半乳糖隨移動相移動至第三區段的萃餘端，以分離半乳糖以及阿拉伯糖。

在本發明的一實施例中，上述的第一區段、第二區段以及第三區段各自包含2根管柱、3根管柱與3根管柱，且每根管柱內填充顆粒內部具有孔隙的固定相。

在本發明的一實施例中，上述的模擬移動床使用的分離條件為：流動相注入的流速為6.0毫升/分鐘，進料端的流速為0.1毫升/分鐘，萃出端的流速為2.0毫升/分鐘，萃餘端的流速為4.1毫升/分鐘，且所述模擬移動床的切換時間為3.33分鐘。

在本發明的一實施例中，上述所分離的阿拉伯糖的純度為90%以上。

在本發明的一實施例中，上述的第一區段、第二區段以及第三區段各自包含2根管柱、11根管柱與11根管柱，且每根管柱內填充顆粒內部具有孔隙的固定相。

在本發明的一實施例中，上述的模擬移動床使用的分離條件為：流動相注入的流速為216.0毫升/分鐘，進料端的流速為15.0毫升/分鐘，萃出端的流速為72.0毫升/分鐘，萃餘端的流速為159.0毫升/分鐘，且模擬移動床的切換時間為4.3分鐘。

在本發明的一實施例中，上述所分離的阿拉伯糖的純度為96%以上。

在本發明的一實施例中，上述的移動相例如是去離子水。

在本發明的一實施例中，上述的固定相例如是強酸型離子交換樹脂。

在本發明的一實施例中，上述的固定相例如是UBK555離子交換樹脂。

在本發明的一實施例中，上述的糖混合物包括30 g/L的半乳糖以及30 g/L的阿拉伯糖。

基於上述，本發明的阿拉伯糖的生產方法透過應用模擬移動床層析法來分離阿拉伯糖與半乳糖，不僅可有效提升分離效率，更可獲得高純度的阿拉伯糖。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為依照本發明之一實施例的一種阿拉伯糖的生產方法的流程步驟圖。

請參照圖1。首先，進行步驟S100，提供糖混合物，所述糖混合物包括半乳糖以及阿拉伯糖。在本實施例中，糖混合物例如是阿拉伯糖以及半乳糖的混合溶液。在另一實施例中，糖混合物例如是松葉或廢棄木材的水解產物，其中水解產物包括阿拉伯糖以及半乳糖。

接著，進行步驟S110，以模擬移動床層析法將所述糖混合物（主要包括半乳糖以及阿拉伯糖）中的半乳糖以及阿拉伯糖分離開來。

以下列舉實施例以說明本發明的生產方法的細節或條件，但這些實施例非用以限制本發明保護範圍。所繪圖式係為示意圖僅為說明方便而繪製，並非代表限制其實際的方法、條件或裝置等。

實施例1：半乳糖與阿拉伯糖的分析方法

在本實施例中，使用HPLC/RI（Pump: 2130，Hitachi； RI: L-7490，Hitachi）進行成份分析，其中管柱為Xtimate Sugar-H (月旭(Welch)科技股份有限公司，5 μm)，管柱尺寸為7.8 × 300 mm，並以80 mM硫酸水溶液作為移動相，流速為0.4 mL/min，所使用的注射迴圈體積為20 μL。同時以不同濃度的半乳糖標準品（0.270 g/L、0.540 g/L、1.08 g/L、3.16 g/L、5.11 g/L、7.06 g/L、10.05 g/L）以及阿拉伯糖標準品（0.255 g/L、0.510 g/L、1.02 g/L、3.06 g/L、5.11 g/L、7.06 g/L、10.05 g/L）來建立檢量線。

圖2為半乳糖與阿拉伯糖的HPLC/RI分析圖譜，其中半乳糖與阿拉伯糖的滯留時間分別為14.17分鐘與15.23分鐘。而所得到的半乳糖標準品的檢量線與阿拉伯糖標準品的檢量線分別如式（1）及式（2）： A _Gal= 917314 × C _Gal（g/L）式（1）； A _Ara= 884621 × C _Ara（g/L）式（2）在式（1）與式（2）中，A _Gal與A _Ara分別為半乳糖及阿拉伯糖的波峰面積，C _Gal與C _Ara分別為半乳糖及阿拉伯糖的濃度。

實施例2：半乳糖與阿拉伯糖的分離

[模擬移動床的組態設計]

在本實施例中，是以提供有圖3所示的模擬移動床100來進行模擬移動床層析法。圖3是依照本發明實施例的一種阿拉伯糖的生產方法中所使用的模擬移動床的組態設計圖。請參照圖3，模擬移動床包括第一區段、第二區段與第三區段。模擬移動床是由移動相(未繪示)及固定相(未繪示)所組成，其中移動相例如是去離子水。而固定相顆粒內部是具有孔隙。移動相是相對於模擬移動床中是朝同一方向從沖滌端入口流經第一區段、第二區段以及第三區段之間，而固定相是相對於移動相朝反方向模擬移動。

此外，在本實施例中，第一區段由兩根管柱C1與C2串聯而成，第二區段由三根管柱C3、C4以及C5串聯而成，且第三區段由三根管柱C6、C7與C8串聯而成。第二區段以及第三區段主要功能在進行阿拉伯糖與半乳糖的分離，而第一區段的功能在進行沖滌。上述每根管柱（C1~C8）內是填充顆粒內部具有孔隙之固定相。在一實施例中，固定相例如是強酸型離子交換樹脂。在本實施例中，固定相例如是填料UBK555（Ca型）離子交換樹脂。每一根管柱的直徑為1 cm，而長度為25 cm。

[半乳糖與阿拉伯糖的分離]

半乳糖（30 g/L）與阿拉伯糖（30 g/L）的混合溶液（進料成分A/B）透過位於在在第二區段與第三區段之間（亦即管柱C5與管柱C6之間）的進料端以0.1 mL/min的流速注入模擬移動床，而去離子水則以6.0 mL/min的流速從管柱C1注入。同時，在第一區段與第二區段間（亦即管柱C2與管柱C3之間）的萃出端（萃取液出口端）則計量引出2.0 mL/min的溶液（即萃出液），並讓多餘的溶液（亦即萃餘液，4.1 mL/min）從管柱C8出口（萃餘端）流出。在本實施例的模擬移動床中，是以半乳糖與阿拉伯糖兩種成分作為進料，萃出端主要收集阿拉伯糖（成分B），萃餘端主要收集半乳糖（成分A）。

當使用上述的方式操作一段時間以後，如3.33分鐘，便將所有的出口以及入口，同時往下一根管柱切換。再持續一段相同時間後，再一次將所有出入口移往下一根管柱，如此持續的切換管柱，便可模擬固體沿著圖3的左手方向移動，而形成與液體逆向流動的行為。在本實施例中，測試了五種不同切換時間（2.83分鐘、2.92分鐘、3.33分鐘、3.50分鐘以及3.67分鐘）。

當模擬移動床進行4次循環操作後，開始在萃出端以及萃餘端收集樣品，並進行HPLC分析。

表1為進料總濃度為60 g/L (半乳糖及阿拉伯糖各為30 g/L)時，不同管柱切換時間所得分離實驗結果。

表1 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 切換時間(分) </td><td> 濃度(g/L) </td><td> 純度 </td><td> 回收率 </td></tr><tr><td> 萃餘液 </td><td> 萃出液 </td></tr><tr><td> 半乳糖 </td><td> 阿拉伯糖 </td><td> 半乳糖 </td><td> 阿拉伯糖 </td><td> 萃餘液 </td><td> 萃出液 </td><td> 萃餘液 </td><td> 萃出液 </td></tr><tr><td> 2.83 </td><td> 0.251 </td><td> 0.072 </td><td> 0.839 </td><td> 1.481 </td><td> 0.777 </td><td> 0.638 </td><td> 0.251 </td><td> 0.072 </td></tr><tr><td> 2.92 </td><td> 0.352 </td><td> 0.131 </td><td> 0.674 </td><td> 1.463 </td><td> 0.729 </td><td> 0.685 </td><td> 0.352 </td><td> 0.131 </td></tr><tr><td> 3.33 </td><td> 0.899 </td><td> 0.524 </td><td> 0.151 </td><td> 1.491 </td><td> 0.632 </td><td> 0.908 </td><td> 0.899 </td><td> 0.524 </td></tr><tr><td> 3.50 </td><td> 0.719 </td><td> 0.464 </td><td> 0.077 </td><td> 0.438 </td><td> 0.608 </td><td> 0.850 </td><td> 0.719 </td><td> 0.464 </td></tr><tr><td> 3.67 </td><td> 0.707 </td><td> 0.621 </td><td> 0.065 </td><td> 0.376 </td><td> 0.532 </td><td> 0.853 </td><td> 0.707 </td><td> 0.621 </td></tr></TBODY></TABLE>

表1中所定義的純度定義如下：式（3）式（4）在式（3）與式（4）中，P _E與P _R分別代表在萃出端與萃餘端的純度。C代表濃度，其下標A與G分別代表阿拉伯糖與半乳糖，而其上標E與R則分別代表在萃取端與萃餘端。

表1中所定義的回收率定義如下：式（5）式（6）在式（5）與式（6）中，Y _A與Y _B分別分代表阿拉伯糖回收率與半乳糖回收率。Q _R與Q _E分別代表萃出端的流速以及萃餘端的流速。C代表濃度，其A與G分別代表阿拉伯糖與半乳糖，而其上標E與R則代表萃出端與萃餘端。

由表1的數據可以看出，當切換時間延長時，在萃餘端的半乳糖及阿拉伯糖濃度大致呈現逐漸上升的趨勢，同時在萃出端的半乳糖及阿拉伯糖濃度則逐漸下降。當切換時間為3.33分鐘時，在萃出端可得到最高純度的阿拉伯糖，其純度為90.8%，回收率為52.4%。當切換時間為3.50分鐘時，雖純度及回收率不及切換時間為3.33分鐘的實驗成果，但亦能獲純度高於85%的阿拉伯糖。當切換時間為3.67分鐘時，雖純度不及切換時間為3.33分鐘的實驗成果，但其回收率（62.1%）高於切換時間為3.33分鐘的實驗成果，且亦能獲純度高於85%的阿拉伯糖。

本發明的實驗進一步假設模擬移動床的質傳速率很快，搭配ASPEN模擬軟體進行上面表1實驗結果的模擬，其中ASPEN模擬的系統參數如表2所示。

表2 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 半乳糖 </td><td> 阿拉伯糖 </td></tr><tr><td> 分散係數 (m<sup>2</sup>/s) </td><td> 1.0 × 10<sup>-4</sup></td><td> 1.2 × 10<sup>-4</sup></td></tr><tr><td> 質傳係數 (min<sup>-1</sup>) </td><td> 1.0 × 10<sup>-4</sup></td><td> 1.0 × 10<sup>-4</sup></td></tr><tr><td> 粒子間的孔隙度 </td><td> 0.221 </td></tr><tr><td> 粒子內的孔隙度 </td><td> 0.311 </td><td> 0.430 </td></tr><tr><td> 死體積的總當量長度 (cm) </td><td> 3.5 </td></tr></TBODY></TABLE>

ASPEN模擬軟體所得數據如表3所示，而模擬所得數據與表1實驗所得數據的比較顯示於圖4。

表3 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 切換時間(分) </td><td> 濃度(g/L) </td><td> 純度 </td><td> 回收率 </td></tr><tr><td> 萃餘液 </td><td> 萃出液 </td></tr><tr><td> 半乳糖 </td><td> 阿拉伯糖 </td><td> 半乳糖 </td><td> 阿拉伯糖 </td><td> 萃餘液 </td><td> 萃出液 </td><td> 萃餘液 </td><td> 萃出液 </td></tr><tr><td> 2.83 </td><td> 0.316 </td><td> 0.082 </td><td> 0.845 </td><td> 1.327 </td><td> 0.794 </td><td> 0.611 </td><td> 0.434 </td><td> 0.888 </td></tr><tr><td> 2.92 </td><td> 0.407 </td><td> 0.105 </td><td> 0.654 </td><td> 1.279 </td><td> 0.795 </td><td> 0.662 </td><td> 0.561 </td><td> 0.856 </td></tr><tr><td> 3.33 </td><td> 0.659 </td><td> 0.384 </td><td> 0.146 </td><td> 0.696 </td><td> 0.632 </td><td> 0.827 </td><td> 0.902 </td><td> 0.469 </td></tr><tr><td> 3.50 </td><td> 0.688 </td><td> 0.516 </td><td> 0.090 </td><td> 0.427 </td><td> 0.571 </td><td> 0.826 </td><td> 0.940 </td><td> 0.288 </td></tr><tr><td> 3.67 </td><td> 0.703 </td><td> 0.606 </td><td> 0.062 </td><td> 0.246 </td><td> 0.537 </td><td> 0.799 </td><td> 0.959 </td><td> 0.165 </td></tr></TBODY></TABLE>

在圖4中，空心菱形符號代表為萃餘液的純度，空心三角形符號代表萃出液的純度，實線為萃餘液純度的模擬結果，而虛線則為萃出液純度的模擬結果。其結果顯示實線與虛線所代表的模擬數據與空心菱形及空心三角形所代表的實驗數據相互頗為吻合。

本發明進一步進行量產設備的模擬。本發明利用小型模擬移動床所獲得的模擬參數，進行量產設備的放大設計。量產設備的管柱數量為24柱，其管柱組態為2管/11管/11管。所採用的管柱為直徑3.0公分而高度為100公分。流動相注入、進料端、萃出端、萃餘端的流速分別為216.0 mL/min、15.0 mL/min、72.0 mL/min以及159.0 mL/min，其中死體積的當量長度則設定為3.5公分。利用ASPEN模擬軟體計算在半乳糖及阿拉伯糖純度為95%以上的條件下，各成分在不同出口端的濃度。在進行放大的模擬時，進料溶液中各含有30 g/L的半乳糖及阿拉伯糖。結果如表4所示，當設備在切換時間為4.3鐘時，半乳糖及阿拉伯糖的純度皆為96%以上。

表4 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 切換時間(分) </td><td> 濃度(g/L) </td><td> 純度 </td><td> 回收率 </td></tr><tr><td> 萃餘液 </td><td> 萃出液 </td></tr><tr><td> 半乳糖 </td><td> 阿拉伯糖 </td><td> 半乳糖 </td><td> 阿拉伯糖 </td><td> 萃餘液 </td><td> 萃出液 </td><td> 萃餘液 </td><td> 萃出液 </td></tr><tr><td> 4.30 </td><td> 2.693 </td><td> 0.0733 </td><td> 0.246 </td><td> 6.024 </td><td> 0.974 </td><td> 0.961 </td><td> 0.957 </td><td> 0.976 </td></tr></TBODY></TABLE>

綜合上述，本發明的阿拉伯糖的生產方法透過應用模擬移動床層析法來分離阿拉伯糖與半乳糖，不僅可有效提升分離效率，更可獲得高純度的阿拉伯糖。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8‧‧‧管柱

圖1為依照本發明之一實施例的一種阿拉伯糖的生產方法的流程步驟圖。圖2為半乳糖與阿拉伯糖的HPLC/RI分析圖譜。圖3是依照本發明實施例的一種阿拉伯糖的生產方法中所使用的模擬移動床的組態設計圖。圖4顯示實驗純度數據與電腦模擬數據之比較。

Claims

一種阿拉伯糖的生產方法，包括：提供糖混合物，所述糖混合物包括30g/L的半乳糖以及30g/L的阿拉伯糖；以及以模擬移動床層析法將所述糖混合物中的半乳糖以及阿拉伯糖分離開來，其中所述模擬移動床層析法包含：(i)提供模擬移動床，所述模擬移動床依序包括第一區段、第二區段以及第三區段，其中所述模擬移動床是由移動相及固定相所組成，所述固定相顆粒內部是具有孔隙，所述移動相對於所述模擬移動床中是朝同一方向流經所述第一區段、所述第二區段以及所述第三區段之間，所述固定相是相對於所述移動相朝反方向模擬移動，所述第一區段、所述第二區段以及所述第三區段各自包含2根管柱、11根管柱與11根管柱，且每根管柱內填充顆粒內部具有所述孔隙的所述固定相；(ii)將所述糖混合物注入所述模擬移動床的所述第二區段與所述第三區段之間，並使阿拉伯糖隨所述固定相移動至所述第一區段與所述第二區段之間的萃出端，並使半乳糖隨所述移動相移動至所述第三區段的萃餘端，以分離半乳糖以及阿拉伯糖，其中所述模擬移動床使用的分離條件為：所述移動相注入的流速為216.0毫升/分鐘，進料端的流速為15.0毫升/分鐘，所述萃出端的流速為72.0毫升/分鐘，所述萃餘端的流速為159.0毫升/分鐘，且所述模擬移動床的切換時間為4.3分鐘。
如申請專利範圍第1項所述的阿拉伯糖的生產方法，其中所分離的阿拉伯糖的純度為96%以上。
如申請專利範圍第1項所述的阿拉伯糖的生產方法，其中所述移動相為去離子水。
如申請專利範圍第1項所述的阿拉伯糖的生產方法，其中所述固定相為強酸型離子交換樹脂。
如申請專利範圍第4項所述的阿拉伯糖的生產方法，其中所述固定相為UBK555離子交換樹脂。