色譜分離在高純糖化液生產(chǎn)中的應(yīng)用

李秋紅，孫學(xué)謙, ，崔強(qiáng), ，夏穎穎

1.山東西王糖業(yè)有限公司技術(shù)中心（鄒平 256209）；2.山東省玉米生物加工循環(huán)經(jīng)濟(jì)工程技術(shù)研究中心（鄒平 256209）

玉米淀粉乳經(jīng)過液化、糖化后葡萄糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在96.5%左右，達(dá)不到玉米果糖原料大于99.5%的要求。傳統(tǒng)工藝采用結(jié)晶工藝對糖液中的葡萄糖進(jìn)行提純，具有生產(chǎn)周期長、能耗高、易染菌的問題。此次研究在糖化液經(jīng)過板框除渣、顆粒炭脫色和連續(xù)離交后，增加了色譜分離系統(tǒng)，利用色譜分離代替結(jié)晶用于葡萄糖提純，這是現(xiàn)有結(jié)晶葡萄糖生產(chǎn)工藝中不存在的工序。試驗(yàn)主要對色譜分離的運(yùn)行條件進(jìn)行了優(yōu)化，以最大程度地提高糖化液中葡萄糖的收率。

1 材料及方法

1.1 材料與試劑

糖化液，西王糖業(yè)一水糖廠；樹脂，美國陶氏/朗盛；石英砂，江蘇名望。

1.2 主要儀器與設(shè)備

色譜分離設(shè)備（上海兆光公司）；JOAN 1 mL移液槍（杭州天裕化工儀器）；PHB-3 pH計（上海三信儀表廠）；WAY-ZT阿貝折光儀（上海精科儀器廠）；Waters e2695高效液相色譜儀（沃特斯儀器）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 高純糖化液中葡萄糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)（DX值）測定方法

高效液相色譜儀：流動相為超純水，流速1.0 mL/min，柱溫85 ℃，進(jìn)樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，測樣時間20 min，葡萄糖出峰時間10.2 min。

1.3.2 色譜分離系統(tǒng)樹脂類型的選用

用粒徑150～180 μm的不同陽離子樹脂作為固定相，試驗(yàn)各種不同的Na+型、K+型、Ca2+型、Fe3+型、Mg2+型陽離子樹脂，以各離子柱出料DX值作為指標(biāo)，選擇合適的色譜分離用樹脂。

1.3.3 進(jìn)料溫度對高純糖化液DX值的影響

進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%，料水比1∶2，將糖化液溫度分別維持55，60，65和70 ℃進(jìn)色譜分離系統(tǒng)，洗提水均高5 ℃，出料穩(wěn)定后分別取樣，使用HPLC檢測糖組分。

1.3.4 進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對高純糖化液DX值的影響

色譜分離進(jìn)料前糖化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別蒸發(fā)濃縮至35%，45%，55%和65%，料水比1∶2，進(jìn)料溫度60℃，洗提水進(jìn)柱溫度65 ℃，六柱運(yùn)行。色譜分離提取液干物濃度穩(wěn)定時，取樣，使用HPLC測定糖組分。

1.3.5 料水比對高純糖化液DX值的影響

進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%，進(jìn)料溫度60 ℃，洗提水進(jìn)柱溫度65 ℃，料水比分別為1∶0.5，1∶1，1∶1.5和1∶2，六柱運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，進(jìn)出物料平衡后，取出料高純糖化液進(jìn)行HPLC，測定DX值，選擇合適的料水比。

1.3.6 色譜分離柱運(yùn)行數(shù)量對高純糖化液DX值的影響

進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%，進(jìn)料溫度60 ℃，洗提水進(jìn)柱溫度65 ℃，料水比1∶2，比較四柱法與六柱法的分離效果。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，進(jìn)出物料平衡后，分別取出料高純糖化液進(jìn)行HPLC，測定DX值，選擇合適的分離柱數(shù)量。

1.3.7 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素結(jié)果，選擇不同水平的進(jìn)料溫度、進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)和料水比，見表1，對色譜分離系統(tǒng)運(yùn)行條件進(jìn)行優(yōu)化。

表1 正交設(shè)計表

2 結(jié)果與分析

2.1 色譜分離用樹脂選型研究

糖和糖醇都能與金屬離子形成絡(luò)合物，但它們的絡(luò)合物穩(wěn)定程度不同，利用這一機(jī)理，糖化液中葡萄糖可以通過色譜分離方式與其他糖組分分開，進(jìn)行糖化液中葡萄糖組分的提純。以不同型號的色譜分離樹脂作為固定相，試驗(yàn)各種不同的陽離子樹脂對葡萄糖與多糖的分離度。由表2可以看出，鉀型樹脂對于葡萄糖和多糖的分離度較高，因此，色譜分離用樹脂型號選擇鉀型。

表2 不同型號樹脂色譜分離度對比

2.2 進(jìn)料溫度對色譜提取液DX值的影響

色譜運(yùn)行溫度影響色譜分離對各組分的分離度，溫度高，糖組分?jǐn)U散系數(shù)增大，有利于改善傳質(zhì)、提高分離速度。但是，運(yùn)行溫度過高會使縱向擴(kuò)散加劇，導(dǎo)致分離選擇性下降，不利于組分分離。運(yùn)行溫度低，糖化液黏度較大，不利于在色譜柱中的流動，甚至?xí)斐山M分出峰拖尾，分離不徹底。所以色譜分離應(yīng)該選擇合適的進(jìn)料溫度。不同溫度下進(jìn)料對提取液DX值影響結(jié)果如表3所示。當(dāng)進(jìn)料溫度為55 ℃時，溫度過低，料液黏度較大，不利于擴(kuò)散分離，所以需要繼續(xù)升高進(jìn)料溫度。隨著進(jìn)料溫度的升高，葡萄糖和其他糖組分分離得越徹底，DX值越高，但是考慮到溫度過高樹脂容易破碎，樹脂使用壽命減少，導(dǎo)致色譜分離用樹脂投入成本增加，且不利于連續(xù)生產(chǎn)。在滿足色譜提取液DX值≥99.50%的前提下，料液進(jìn)入色譜系統(tǒng)的溫度維持在60～65 ℃較為合適。

表3 溫度對色譜分離提取液DX值的影響

2.3 進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對色譜提取液DX值的影響

如表4所示：進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%～60%范圍內(nèi)，物料濃度越低，葡萄糖和其他糖組分分離得越徹底，色譜提取液的DX值越高，越容易滿足色譜分離的要求。當(dāng)進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過70%時，各組分出料峰寬增加，容易重疊，不易分離徹底。但是進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，色譜系統(tǒng)單位時間的物料干基處理量就少，增加色譜運(yùn)行時間，且會增加后續(xù)工段的蒸發(fā)成本。綜合考慮，進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇50%～60%比較合適。

表4 進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對色譜分離提取液DX值的影響

2.4 料水比對色譜提取液DX值的影響

由表5可以看出：降低料水比有利于提高提取液的純度，但是出料干物濃度會下降，后期需要消耗大量的蒸汽去蒸發(fā)濃縮，能耗高，當(dāng)料水比為1∶1.5和1∶2時，色譜提取液DX值變化不大，所以色譜進(jìn)料與進(jìn)水的流量比例選擇1∶1.5為宜。

表5 料水比對色譜分離提取液DX值的影響

2.5 色譜柱數(shù)量對色譜提取液DX值的影響

四柱模式是一種結(jié)構(gòu)最簡單、控制模式最簡單、投資最省的模式。它適合分離難度較小或純度要求不高的物料分離，但對于分離難度大、純度要求高的物料不太適合，因?yàn)樗闹Ｊ降闹w總長度較短，分離行程短，較難分離組分，且不易充分分開。六柱模式由于其色譜柱總長較長，分離行程長，被分離組分可以充分地分開，所以這種模式適合分離難度較大或分離純度要求較高的物料分離。四柱和六柱模式色譜提取液的糖組分對比情況如表6所示。結(jié)果顯示，六柱模式對葡萄糖的分離提純效果優(yōu)于四柱模式。

表6 不同色譜柱運(yùn)行數(shù)量條件下色譜提取液HPLC結(jié)果

2.6 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表7可以看出，各因素對色譜分離提取液DX值的影響大小為料水比＞進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞進(jìn)料溫度。進(jìn)料溫度65 ℃、進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%和料水比1∶1.5為最優(yōu)組合。

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.7 色譜出料HPLC色譜圖

色譜分離系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行條件為鉀型樹脂、進(jìn)料溫度65 ℃、進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%、料水比1∶1.5、六柱同時運(yùn)行，則糖化液通過色譜分離，分成兩部分料液，一部分為干物濃度≥38%、DX值≥99.5%的色譜提取液，另一部分為干物濃度≤5%、DX值≤76.0%的色譜提余液。色譜提取液和色譜提余液的糖組分色譜圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 色譜提取液色譜圖

圖2 色譜提余液色譜圖

3 結(jié)論

色譜分離用樹脂為鉀型樹脂，色譜分離運(yùn)行最優(yōu)條件為進(jìn)料溫度65 ℃，進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%，料水比1∶1.5，六柱同時運(yùn)行。此條件下運(yùn)行的色譜分離系統(tǒng)得到的高純糖化液DX值≥99.5%。