用色谱分离纯化低聚果糖的技术

用色谱分离纯化低聚果糖的技术
用色谱分离纯化低聚果糖的技术
浣金刚
摘要：利用色谱分离可以得到高纯低聚果糖，关键在于分离剂，分离工业装置，工艺操作规程。

本文简要叙述用该方法分离低聚果糖的原理，选用树脂及一般工艺。

关键词：色谱分离，模拟移动床，树脂
色谱分离是一种物理的分离方法，利用多组分混合物中各组分物理化学性质（如吸附力，分子极性，分子形状和大小，分子亲和力，分配系数等）的差别，使各组分以不同程度分布在两相中。

其中一个相为固定的，称为固定相；另一个相则流过此固定相，称为流动相。

当多组分混合物随流动相流动时，由于各组分物理化学性质的差别，而以不同的速率移动，使之分离。

色谱分离能够实现的内因是由于固定相与被分离的各组分发生的吸附（或分配）作用的差别，其宏观表现为吸附（或分配）系数的差别。

其微观解释就是分子间相互作用力（取向力、诱导力、色散力、氢键力、络合作用力）的差别。

实现色谱分离的外因是由于流动相的不间断的流动，由于流动相的流动使被分离的组分与固定相发生反复多次（达几百、几千次）的吸附（或溶解）、解吸（或挥发）过程，这样就使那些在同一固定相上吸附（或分配）系数只有微小差别的组分，在固定相上的移动速度产生了很大的差别，从而达到了各个组分的完全分离的目的。

此外，色谱分离具有物理分离方法的一般优点，即进行操作时，不会损失混合物中的各个组分，不改变原有组分的存在、形态，也不生成新的物质。

因此，若用色谱法分离出某一物质，则此物质必存在于原始样品之中。

用酶法生产的低聚果糖，其中除含有50%~55%的蔗果三糖、四糖、五糖以外，还有30%单糖（葡萄糖和果糖）和15~20%双糖（蔗糖）,而去除单糖（葡萄糖和果糖）和双糖（蔗糖），生产高纯度之低
聚果糖一般方法有双酶法、葡萄糖氧化法和色谱分离法，而最有效的方法，通过我们在实验中验证，目前应该是色谱分离法。

运用色谱分离技术最大的成本费用是能耗，而全部生产成本估计与回收副产品（单糖和蔗糖）价值相当。

色谱分离技术主要由：（1）、适用的阳离子交换树脂；（2）、色谱分离工业装置；（3）、先进的糖浆分离工艺三部分组成。

筛选适用树脂，主要研究树脂交联度、粒径、均匀性和树脂改型技术；根据色谱分离工艺要求设计或选购工业色谱分离装置（设备），一般可分为间歇式、半连续式和连续生产方式三种，前两种可以自行设计制造，但是生产效率低，回收率没有绝对保证，有待进一步优化设计；色谱分离工艺主要研究探索糖浆分离过程中的固形物含量、温度、PH值、进料量、洗脱剂和流速等工艺条件以及分离柱结构和树脂再生处理方法。

使用离子交换色谱分离低聚果糖的机制可以描述如下：
糖分子是呈电中性的，它不具有离子的特征。

用来分离低聚果糖类等分子较小物质的树脂，一般都为凝胶型树脂。

凝胶型树脂具有均相凝结的结构，在溶胀状态下才显示出孔穴，树脂颗粒的毛细孔径很小，一般为30?以下，所以凝胶型孔被称为“微网格”结构。

如果糖分子要与树脂发生作用，它首先要进入树脂中，一个葡萄糖分子的直径约为5.13?，而蔗糖、蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖均为线性分子，可以估计，最大的五糖分子直径约在25?左右，一般凝胶型树脂的孔径如前所述都小于30?，因此，不同的孔径就对不同的糖分子产生了选择。

如果去除离子交换树脂中的功能团而保留其多孔骨架，树脂就可看作一种具有一定微孔结构的凝胶或无序结构的多孔性网络，对于各种糖类的分离起到一种体积排阻效应，这是离子交换树脂分离小分子低聚果糖的主要机制之一。

除凝胶过滤的作用外，树脂分离低聚果糖与蔗糖和葡萄糖的另一个重要的机制是：通过静电固定在强酸阳离子交换树脂上的金属阳离子和糖上的羟基（OH）形成给体—受体配合物。

大多数的碱金属和碱土金属离子在水溶液中都以水合离子的形式存在，且一般配位数为6，
构成八面体结构。

当柱中产生移动时，会取代和置换一部分被阳离子水合的水分子，之后，洗脱液中的水分子又会反过来替代已成为阳离子配位体的糖分子。

因此，各种糖的分离直接与它们和金属离子形成有关，配合物越稳定，此类糖分子就越受阻滞，而那些不形成配合物或是形成很弱的配合物的糖分子很快就从柱中消失。

于是，固定在树脂上的阳离子形式成为影响低聚果糖分离过程的一个重要参数，而此时树脂的功能仅是将阳离子固定在一定的位置上。

以这种机制进行分离的色谱属于配位体交换色谱中的一种。

使用色谱分离法分离低聚果糖，最主要的缺点是不能将各组分一个一个分离，而只能分成两部分，一部分为低聚果糖（FOS）占主要组分，而另一部分以单糖和蔗糖为主。

在实验过程中，PH，温度非常重要，一般取PH为5到6，温度不能超过70℃，温度太低不利糖液流动，温度太高则易生成色素物质，破坏树脂。

通过我们和树脂供应商漂莱特、罗门哈斯、三菱化学联系，先后选用了三种色谱分离树脂作为固定相分离低聚果糖，树脂牌号分别为PCR642Na、Amberlite CR1320Ca、UBK530（或UBK510L）.
PCR642Na是漂莱特公司产品，目前已广泛用于分离麦芽糖、葡萄糖、果糖及低聚麦芽糖等方面，并取得了理想的分离效果，尤其对果糖/葡萄糖分离，可以使果糖富集浓度达85~90%，用来和42%果糖配制55%果糖。

Amberlite CR1320Ca是一种色谱级凝胶阳树脂，其用途是适合从葡萄糖中分离果糖；其它色谱分离过程也有应用。

UBK530(或UBK510L)为日本三菱化学产品。

有资料显示该树脂已经成功使用在日本明治制果公司分离低聚果糖，生产一种名为P型的95纯度的商品低聚果糖。

我们实验的样品是江门量子高科生物工程有限公司产低聚果糖，其组成为：50%~55%的蔗果三糖、四糖、五糖，30%左右的葡萄糖和果糖，15%~20%的蔗糖，总含量为100%；解吸水为实验室蒸馏水。

分析的方法采用高效液相色谱法和阿贝折光仪法。

色谱分离柱为φ25×1400带夹套不锈钢柱，分离操作方法为单柱、常压、恒温、人工间歇加料和进解吸水。

本实验分别采用以上三种树脂作分离剂，其结果分别如下：
用PCR642Na作分离剂
样品号
分离物中各组份蔗果三糖、四
糖、五糖%
样品体积ml DS%还原糖%蔗糖%
0610.20 6.9793.0340
0720.5 3.1215.1781.7140
0822.518.9721.3559.6840
0920.531.8021.1247.0840
1019.546.6020.5232.8840 111563.6211.9824.4040
用Amberlite CR1320Ca作分离剂
序号体积ml DS%G+F%GF%GF2%GF3%GF4%FOS% 0130130 6.1230.341.3522.2493.89 0235207.517.832.4431.6910.6275.32 03402216.524.5629.0123.09 6.7458.93 04452423.9126.7625.2518.83 5.2549.33 05502128.3828.8322.6215.66 4.5042.78 06501636.9530.1619.4411.3 2.1332.9
0760936.8931.9219.110.41 2.4131.92
用日本三菱化学UBK530作分离剂
样品DS%体积
ml
G+F%GF%GF2%GF3%GF4%FOS%
#410250 2.0834.3547.2216.3597.92 #71425
4.9017.0340.0130.617.4678.07 #815309.3522.5437.992
5.04
5.0868.11 #9153012.9123.6434.3423.19 5.9263.45 #13124038.6627.2121.0711.34 1.7334.13由上面三个列表可以得出
馏分物中各组分变化趋势相同的结论：
1、葡萄糖和果糖含量随样品号增加，说明这三种树脂床对葡萄糖和果糖有较好的吸附；
2、蔗糖和蔗果三糖含量随样品号基本上是先增加然后降低，说明树脂对蔗糖和蔗果三糖有
弱吸附；
3、蔗果四糖、五糖含量则是随样品号增加而降低，说明树脂对蔗果四糖、五糖没有吸附。

三种树脂馏分物中各组分变化趋势不同之处是：
1、PCR642Na中，蔗糖含量是随样品号先增加然后降低，而蔗果三糖含量则是随样品增加
而降低。

2、CR1320Ca和UBK530中，UBK530蔗果三糖含量变化比CR1320Ca明显。

3、由上比较，小实验中UBK530效果最好，CR1320Ca次，PCR642Na再次。

在实验过程中，我们收集产品检测，可以知道蔗糖大部分和三糖、四糖、五糖一起流
影响产品质量，故减少原料中蔗糖含量显得非常必要。

三种树脂的比较
PCR642Na CR1320Ca UBK530
类型强酸阳离子强酸阳离子强酸阳离子
体积交换容量
mmol/ml
1.4~
2.0 1.5 1.6
装载密度g/l810~840753~865830
粒径目10080120
离子型式Na Ca Na
耐压性能好差好
价格（元/Kg）644260~70在单柱实验过程中，我们采用分段收集馏分物的办法，可以得到相对纯度大于70的低聚果糖，分析结果如下：G+F%14.16、GF%14.56、GF2%28.28、GF3%29.21、GF4%13.80。

从上面结果中可以知道：蔗糖大部分仍残留在低聚蔗果糖中，所以使用合理的工业色谱分离装置显得非常重要。

我们可以选用的装置有模拟移动床（SMB）、改良型模拟移动床（ISMB）、连续旋转分离工业装置（CSEP/ISEP）。