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模擬移動床色譜分離技術(shù)在功能糖生產(chǎn)中的應(yīng)用

2012-04-29 20:58:33劉宗利王乃強(qiáng)王明珠王彩梅楊海軍
食品安全導(dǎo)刊 2012年3期
關(guān)鍵詞:低聚糖麥芽糖半乳糖

劉宗利 王乃強(qiáng) 王明珠 王彩梅 楊海軍

色譜分離技術(shù)又稱層析分離技術(shù)或色層分離技術(shù),是種分離復(fù)雜混合物中各個組分的有效方法。它是利用不同物質(zhì)在由固定相和流動相構(gòu)成的體系中具有不同的分配系數(shù),當(dāng)兩相作相對運(yùn)動時,這些物質(zhì)隨流動相起運(yùn)動,并在兩相間進(jìn)行反復(fù)多次的分配,從而使各物質(zhì)達(dá)到分離。色譜分離技術(shù)能夠分離物化性能差別很小的化合物,當(dāng)混合物各組成部分的化學(xué)或物理性質(zhì)十分接近,而其他分離技術(shù)很難或根本無法應(yīng)用時,色譜技術(shù)便顯示出其實際有效的優(yōu)越性。因而在醫(yī)藥、生物和精細(xì)化工工業(yè)中,發(fā)展色譜分離技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模純物質(zhì)分離提取的重要性日益增加。

傳統(tǒng)色譜分離技術(shù)采用固定的色譜塔進(jìn)行,先進(jìn)入定量物料,然后采用洗脫劑不斷洗脫,在同

出口在不同時問段就可接到不同的產(chǎn)品組分,此過程分離效率低,分離效果差。目前工業(yè)上采用的色譜分離技術(shù)多為模擬移動床色譜分離技術(shù)(Simulatlon Moving Bed),簡稱SMB技術(shù)。SMB技術(shù)最早出現(xiàn)于上世紀(jì)六十年代,Broughton的專利中利用閥切換技術(shù)改變進(jìn)樣、流動相注入點及分離物收集點的位置來實現(xiàn)逆流操作,產(chǎn)生相當(dāng)于吸附劑連續(xù)向下移動,而物料連續(xù)向上移動的效果。這種設(shè)備的生產(chǎn)能力和分離效率比固定吸附床高,又可避免移動床吸附劑磨損、碎片或粉塵堵塞設(shè)備或管道以及固體顆??p問的溝流,操作連續(xù)化,總柱效高,流動相消耗量少,在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。但SMB分離技術(shù)只能夠進(jìn)行二元組分的分離,應(yīng)運(yùn)而生的SSMB(順序式模擬移動床色譜分離)技術(shù)則有效解決了這難題。SSMB是一種間歇順序操作的模擬移動床,增加了可以供分離中間組分流出的出口,并采用了間歇進(jìn)料、間歇出料的不同順序、不同程序的運(yùn)行模式,傳統(tǒng)sMB的每步均被分為3-4個子步驟進(jìn)行,實現(xiàn)了三種不同組分的分離,大大提高了產(chǎn)品純度,同時得到高純度副產(chǎn)物,有效降低了成本。

功能性低聚糖是指對人、動物、植物等具有特殊生理作用的單糖數(shù)在2~10之間的一類寡糖,主要包括低聚異麥芽糖、低聚果糖、低聚半乳糖、水蘇糖、棉子糖、低聚木糖等。其甜度般只有蔗糖的30%~50%,具有低熱量、抗齲齒、防治糖尿病、改善腸道菌落結(jié)構(gòu)等生理作用,在功能性食品的配料中十分重要,正日益受到消費(fèi)者的青昧。功能性低聚糖的生產(chǎn)般是以淀粉或蔗糖為原料利用糖苷酶的糖基轉(zhuǎn)移作用進(jìn)行的。由于糖苷酶對底物專性要求不高的催化特性,功能性低聚糖的轉(zhuǎn)化率較低,產(chǎn)品中除含有目標(biāo)產(chǎn)品功能性低聚糖外,隨產(chǎn)品種類不同還含有大量的葡萄糖、蔗糖、麥芽低聚糖等副產(chǎn)物。這些副產(chǎn)物的存在,在很大程度上降低了功能性氐聚糖的生理功能。因此,功能性低聚糖的分離純化已成為生產(chǎn)廠家亟待解決的研究課題。然而,由于功能性低聚糖產(chǎn)品成分復(fù)雜且往往性質(zhì)較為接近,其分離純化就變得比較困難,常規(guī)分離法如結(jié)晶法難以適用。目前雖已有數(shù)種功能性低聚糖產(chǎn)品的純度達(dá)到90%以上,但由于生產(chǎn)成本高而影響其生產(chǎn)和使用。因此,開發(fā)功能性低聚糖的新型低成本分離方法將大有前途。

目前,SMB和ISSMB技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、生物、精細(xì)化工工業(yè)中,顯示出良好的應(yīng)用優(yōu)勢。在功能性低聚糖的分離純化中也表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用特性和成本優(yōu)勢,現(xiàn)就模擬移動床色譜分離技術(shù)在幾種主要功能性低聚糖生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

色譜分離技術(shù)在低聚異麥芽糖產(chǎn)品分離純化中的應(yīng)用

低聚異麥芽糖是2-8個葡萄糖分子以α-1,6糖苷鍵連接起來的寡糖。通常情況下,低聚異麥芽糖不被酵母所發(fā)酵,系非發(fā)酵性低聚糖。低聚異麥芽糖能有效的促進(jìn)入體內(nèi)有益細(xì)菌一雙歧桿菌的生長繁殖,故又稱為“雙歧桿菌生長促進(jìn)因子”,簡稱“雙歧因子”。經(jīng)多年臨床與實際應(yīng)用表明,雙歧桿菌有許多保健功能,而作為雙歧桿菌促進(jìn)因子的低聚異麥芽糖自然就受到了人們的關(guān)注。

目前生產(chǎn)低聚異麥芽糖最常用的方法是利用α-D葡萄糖苷酶的糖基轉(zhuǎn)移作用。在生產(chǎn)過程中,由于轉(zhuǎn)苷酶的轉(zhuǎn)化率較低,粗產(chǎn)品中含有大量的葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖等非功能性糖,同時還含有大量聚合度4以上的糖類,大大影響了產(chǎn)品的功能性。目前使用較為廣泛的低聚異麥芽糖500產(chǎn)品,功能性三糖(異麥芽糖+異麥芽三糖+潘糖)含量僅在35%~38%,經(jīng)過發(fā)酵精制后的900產(chǎn)品中功能性三糖的含量也只有45%~49%,且發(fā)酵過程中葡萄糖全部被微生物消耗,不能得到有效利用,提高了產(chǎn)品成本。

傳統(tǒng)的模擬移動床應(yīng)用于低聚異麥芽糖的分離,由于只能實現(xiàn)兩種組分的分離,使得最終產(chǎn)物中還含有很多的葡萄糖以及四糖以上的聚合糖類,因此采用順序式模擬移動床用于低聚異麥芽糖產(chǎn)品的分離純化,取得了良好效果。

(1)樹脂選型

采用強(qiáng)酸性聚苯乙烯大孔樹脂對低聚異麥芽糖進(jìn)行分離,首先用不同金屬陽離子對樹脂進(jìn)行改型后,按照普通樹脂的一般承受溫度60℃,料液濃度濃縮至50%,流速1 5BV,測定三種樹脂的分離效果。結(jié)果表明,相對于鈣型樹脂和鉀型樹脂,鈉型樹脂具有最好的分離效果,單柱分離低聚異麥芽糖中功能性三糖含量顯著高于其他兩種書時脂(見表1)。

(2)分離參數(shù)優(yōu)化

選用鈉型樹脂作為分離用樹脂,樹脂裝填內(nèi)徑為140mm,裝填高度為360mm,在此條件下對其他分離參數(shù)(進(jìn)料濃度、分離溫度、分離pH等)進(jìn)行優(yōu)化,各參數(shù)對分離結(jié)果的影響如下:由圖1可以看出,低聚異麥芽糖色譜分離的各最優(yōu)參數(shù)分別為柱溫70℃,pH值5.8,進(jìn)料濃度60%。在此工藝條件下,進(jìn)行放大生產(chǎn),最終確定采用順序式模擬移動床分離低聚異麥芽糖的最佳參數(shù)為:采用鈉離子改型的強(qiáng)酸性聚苯乙烯的大孔樹脂,分離條件為料液濃度58%~63%,柱溫65—75℃,分離pH為5.5~6.0,切換時間為15-25min,所得到的低聚異麥芽糖產(chǎn)品中功能性三糖的含量可占總重量的80%以上,葡萄糖含量和四糖以上聚合糖類含量顯著降低,大大提高了產(chǎn)品純度,增加了產(chǎn)品的功能性。此外,分離過程中收集到的高純度葡萄糖可以直接用于工業(yè)化生產(chǎn)四糖以上的聚合糖類則可以返回至低聚異麥芽糖前期生產(chǎn)工藝重新進(jìn)行酶解,提高低聚異麥芽糖得率的同時,也大大降低了成本。圖2為采用順序式模擬移動床分離到的低聚異麥芽糖組分檢測結(jié)果。色譜分離技術(shù)在低聚果糖產(chǎn)品分離純化中的應(yīng)用

低聚果糖又稱蔗果低聚糖,是由1-3個果糖基通過β(2-1)糖苷鍵與蔗糖中的果糖基結(jié)合生成的蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖等的混合物。低聚果糖甜味柔和清爽,熱量值低,且具有良好的生理活性,得到了廣泛認(rèn)可與應(yīng)用。

采用酶法生產(chǎn)低聚果糖,產(chǎn)品中除含有蔗果三糖、四糖、五糖等功能性成分以外,還含有較高含量的單糖(葡萄糖、果糖)和雙糖(蔗糖),產(chǎn)品的次

轉(zhuǎn)化率僅能夠滿足50型產(chǎn)品的指標(biāo)要求。在目前所采用的分離方法中,色譜分離是最有效的方法,同時具有較好的成本優(yōu)勢。

采用上述方法對低聚果糖色譜分離條件進(jìn)行優(yōu)化,得到低聚果糖色譜分離的最佳條件為:采用鈉型分離棚旨,柱溫50~70℃、分離pH值5.5~6.5,進(jìn)料濃度濃度55%-70%,所得產(chǎn)品中低聚果糖純度在95%以上,其中蔗果三糖含量超過55%,葡萄糖含量在1%以下,大大增強(qiáng)了產(chǎn)品的功效性。圖3為SSMB技術(shù)分離純化得到的低聚果糖HPLC檢測圖。

色譜分離技術(shù)在低聚半乳糖產(chǎn)品分離純化中的應(yīng)用

低聚半乳糖是一種具有天然屬性的功能性低聚糖,其分子結(jié)構(gòu)般是在半乳糖或葡萄糖分子上連接1-7個半乳糖基,即Gal-(Gal)n-Glc/Gal(n為0-6)。在自然界中,動物的乳汁中存在微量的GOS,而人母乳中含量較多,嬰兒體內(nèi)的雙歧桿菌菌群的建立很大程度上依賴母乳中的GOsA分,因此,低聚半乳糖是功能性低聚糖中令人矚目的種,具有很多的生理活性。商業(yè)GOS般采用乳糖為原料生產(chǎn)產(chǎn)品中含有大量葡萄糖、半乳糖和乳糖,而目的產(chǎn)品低聚半乳糖的含量則較低。由于產(chǎn)品中含有較多的乳糖,會引起人群的乳糖不耐癥反應(yīng),葡萄糖的存在則使產(chǎn)品不能夠作為糖尿病患者的食品,大大限制了其適用范圍,因此市場上急需種高純度低聚半乳糖來突破這一瓶頸,也成為各生產(chǎn)廠家的努力方向。

同樣采用順序式模擬移動床色譜分離技術(shù)純化低聚半乳糖,并采用上述方法和步驟對各項工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到低聚半乳糖分離純化最佳工藝條件為:采用鈉型改型樹脂進(jìn)行分離,進(jìn)料濃度50~65%,柱溫55~75℃、pH5.0~6.5,切換時間12~30min,在此條件下,反應(yīng)液被分為單糖、雙糖及低聚半乳糖三種組分,其中低聚半乳糖有效組分最高可達(dá)95%以上,葡萄糖和乳糖含量大大降低,提高了產(chǎn)品功能性的同時,也擴(kuò)大了產(chǎn)品應(yīng)用范圍。此外,分離出來的二糖組分為高純度乳糖,可以作為原料乳糖循環(huán)使用,提高了產(chǎn)品產(chǎn)率。采用該技術(shù)分離純化后的低聚半乳糖HPLC組分檢測結(jié)果如圖4所示。

色譜分離技術(shù)在其他功能糖和糖醇產(chǎn)品分離純化中的應(yīng)用

除了上述3種功能性低聚糖之外,色譜分離技術(shù)在其他功能糖生產(chǎn)和功能糖醇領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。在低聚木糖、海藻糖以及麥芽糖醇、木糖醇的分離純化中,都取得了良好的應(yīng)用效果。

總之,在功能糖及相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中,模擬移動床色譜分離技術(shù)是種非常有發(fā)展前景的純化技術(shù),其分離效果好、能耗低,且對環(huán)境無污染。但目前的應(yīng)用過程中還存在些難題,如設(shè)備成本高、洗脫劑消耗量高等,此外在應(yīng)用于不同種類產(chǎn)品時,工藝條件還需經(jīng)過較為復(fù)雜的探索和優(yōu)化過程。如何破解這些技術(shù)難題,并對模擬移動床色譜分離設(shè)備和技術(shù)不斷進(jìn)行升級和優(yōu)化,同時將色譜分離與其他分離方法聯(lián)用,將對提高功能糖產(chǎn)品附加值以及整個功能糖領(lǐng)域的進(jìn)步發(fā)展有重要意義。

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