SSMB分离木糖母液中木糖与阿拉伯糖技术研究

 张丽萍1，2*，李洪飞2，李良玉2，贾鹏禹2

(1.黑龙江八一农垦大学，大庆 163319；2.国家杂粮工程技术研究中心，大庆 163319)

摘  要：利用先进的SSMB色谱分离设备，对木糖母液中木糖、阿拉伯糖和葡萄糖的两种分离工艺进行了深入研究。在最佳的分离工艺条件下，木糖和阿拉伯糖纯度分别达到86.3%和88.41%、77.73%和79.94%，收率达到85.2%和89.26%、82%和87%。两种分离工艺均可以有效地解决我国目前普遍存在的木糖母液低效回收处理的难题，并且具有分离连续化、运行自动化和产品均一等优点，为我国木糖企业的升级改造，提供了强有力的技术支持。

关键词：木糖母液；顺序式模拟移动色谱；纯度；收率

中图分类号：TS244+.1    文献标识码：A              文章编号：

Research on Separarion of Xylose and Arabinose from Xylose Mother Liquor with SSMB

ZHANG Li-ping 1，2*,LI Hong-fei2, LI Liang-yu2,JIA Peng-yu2

(1.Hei Long Jiang August Frist Land Reclamation Universiy,Daqing 163319;2.National Coarse Cereals Engineering Research Center,Daqing 163319)

Abstract：The two kinds of sepatation process about the xylose mother liquor of xylose、Arabia sugar and glucose was studied which used the SSMB chromatographic separation equipment.In the optimal separation conditions,the purity of xylose and Arabia sugar reached 86.3% and 88.41%、77.73% and 79.94%,the yield reached 85.2% and 89.26%、82% and 87%.Xylose mother liquor recovery processing was very difficult,the problem can be effectively solved with the two kinds of separation process which haved separate continuous、operation automation and products homogenization advantages,strong technical support for our country xylose enterprise upgrading was provided.

Key words：Xylose mother liquor;SSMBC;Purity;Yield

20世纪60年代美国UOP公司利用色谱吸附原理和逆流色谱分离工艺制造出了一种新型分离制备工艺及装备，即模拟移动床技术(SMB)，但由于当时缺少可供工艺模拟的理论模型、有效地数值计算方法和相关的计算机软件，SMB技术发明至今虽然已有40多年的历史，但其技术成熟和快速发展则在近10年[1]。

近年，法国N0VASEP公司新开发了一种顺序式模拟移动床(SSMB)技术，被称为第二代SMB技术。SSMB是一种改进的间歇顺序操作的SMB。SSMB在保留了传统SMB高效分离、便于操作、利于工业化优点的同时，采用了间歇进料、间歇出料，完全解决了系统内物料的反混问题[2]；将传统SMB的每一步骤都分解为3~4个子步骤，实现了更精确地控制，

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作者简介：张丽萍（1957-），女，博士生导师，从事天然产物活性成分提取分离研究。E-mail: zlp77@126.com。电话：13836962323。

使各组分都在最佳调节下分离[3]；增加了可供分离中间组分流出的出口，实现了三元组分的分离，大大提高了产品纯度，有效降低了成本。基于以上优势，SSMB技术正迅速取代传统SMB技术，在石油化工、生物发酵、食品、医药等领域迅猛发展[4]，在大规模纯物质分离提取中的重要性日益增加。

木糖母液是木糖生产中产生的主要副产物，其中主要含有木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等单糖。对于木糖母液综合回收利用的研究，美国、日本等发达国家十分重视，已经开发出多种低耗、高效的回收利用方法。而在我国木糖母液主要被用来制备焦糖色素[5]、生产饲料酵母[6]等低端产品，木糖母液利用效率低，不但造成了资源浪费，同时也给环境带来了一定的污染。因此，研究一种高效、环保的木糖母液综合回收技术将具有十分重要的意义[7,8,9]。

目前SSMB技术在国外发达国家已得到较为广泛的应用，但在国内SSMB技术的研究和应用处于起步阶段。本研究利用先进的SSMB色谱分离设备，对木糖母液中木糖、阿拉伯糖和葡萄糖的分离回收工艺进行了深入研究。木糖母液经发酵、SSMB分离、结晶等处理后，可以得到高附加值的木糖和阿拉伯糖产品，其中葡萄糖转化为饲料酵母，本研究有效地解决了木糖母液低效利用的难题，不但可为企业增加可观的经济效益，而且可为我国木糖产业的提档升级提供强有力的技术支持。

1 材料与方法

1.1  材料与仪器

木糖母液购于鹤岗经纬糖醇有限公司；其他试剂均为分析纯；顺序式模拟移动色谱分离设备（SSMB-12型；实验室级），黑龙江省农产品加工工程技术研究中心；安捷伦1200s液相色谱仪，德国；电导率仪，梅特勒—托利仪器有限公司；发酵罐，南京润泽生物工程设备有限公司；全温振荡器，哈尔滨市东联电子技术开发有限公司；WYT糖度计，成都豪创光电仪器有限公司。

1.2  方法

nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False">1.2.1  检测方法

    总糖浓度的测定方法  采用糖度计测定溶液中总糖的浓度。

葡萄糖、木糖及阿拉伯糖纯度的测定方法  采用高效液相色谱法测定木糖母液中葡萄糖、木糖及阿拉伯糖的纯度[10,11]。色谱条件：色谱柱为糖基柱；流动相：水；柱温：value="75" unitname="℃">75℃；流速：0.6mL/min；进样量：10μL；视差检测器；

收率的测定方法 

收率（%）=nnecttype="rect" gradientshapeok="t" o:extrusionok="f">

式中，C1—分离后木糖（阿拉伯糖）组分总糖浓度（mg/mL）；C0—原料液总糖浓度（mg/mL）；ρ1—分离后木糖（阿拉伯糖）组分中木糖纯度（%）；ρ0—原料液中木糖组分浓度（%）；V1—分离后木糖（阿拉伯糖）组分溶液体积（mL）；V0—原料液的体积（mL）；

溶剂消耗率计算

                   溶剂消耗率（L/g）=

式中，QD—解吸流速（mL/min）；QF—进料流速（mL/min）；QE—流出组分（以木糖计）流速（mL/min）；CE—流出组分（以木糖计）平衡时浓度（g/L）；

固定相生产率计算

固定相生产率 （g/h·L）=

式中，QE—流出组分（以木糖计）流速（mL/min）；CE—流出组分（以木糖计）平衡时浓度（g/L）；Vcolumn—固定相体积（950mL）；ε—色谱柱总空隙率（0.3609）；

nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False">1.2.2 试验方法

nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False">1.2.2.1原料液的制备

⑴两组分分离原料液的制备

取70%浓度的木糖母液value="50" unitname="kg">50Kg，以去离子水稀释至浓度为25%，以1%添加量加入酵母，在温度value="37" unitname="℃">37℃下发酵24h，添加5‰的活性炭进行脱色，过滤浓缩至60%浓度，即为两组分分离的原料液[12]。

⑵三组分分离原料液的制备

取70%浓度的木糖母液value="50" unitname="kg">50Kg，以去离子水稀释至浓度50%，添加1%的活性炭进行脱色，过滤浓缩至60%浓度，即为三组分分离的原料液。

nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False">1.2.2.2分离工艺参数的优化

以60%浓度的木糖母液为原料，采用SSMB色谱分离设备，设定切换时间、进料流速、解吸流速和循环流速四个主要参数，在温度value="60" unitname="℃">60℃下进行SSMB的平衡稳定试验，每个色谱柱切换一次包括三个步骤，即循环步（S1）、解吸步（S2）、进料解吸步（S3），这三步完成后切换到下一根色谱柱。一般色谱柱切换12次SSMB色谱系统才能达到稳定状态，此时在各出料口收集流出液，测定溶液中葡萄糖、木糖及阿拉伯糖的纯度，以木糖和阿拉伯糖纯度为指标，优化切换时间、进料流速、解吸流速及循环流速四个技术参数。

nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False">1.2.4 工艺流程

两组分分离工艺是将木糖母液稀释至浓度25%，加入1%酵母，于value="37" unitname="℃">37℃下处理24h，过滤去除酵母，阴阳离子柱脱盐脱色后，将物料浓缩至折光60%，利用SSMB色谱分离，分离后木糖及阿拉伯糖分别进行浓缩、结晶、离心和干燥，最后得到成品木糖及阿拉伯糖。两组分分离工艺流程见图1。

三组分分离工艺是将木糖母液通过阴阳离子柱脱盐脱色，物料浓缩至折光60%，利用SSMB色谱分离，分离后得到木糖、阿拉伯糖及葡萄糖三个组分，木糖组分加入1%酵母，于value="37" unitname="℃">37℃下处理24h，过滤去除酵母，经浓缩、结晶、离心和干燥，最后得到成品木糖，阿拉伯糖组分经浓缩、结晶、离心和干燥，最后得到成品阿拉伯糖。三组分分离工艺流程见图2。

图1两组分分离工艺流程图

Fig.1 Two components separation process flow diagram

图2三组 分分离工艺流程图

Fig.2 Three components separation process flow diagram

2 结果与分析

2.1 二组分分离最佳工艺的确定

通过SSMB法对木糖母液进行二组分分离试验，试验结果如表1所示。

表1 二组分分离操作条件和试验结果

Table1 Two components separation operation conditions and test results

在二组分分离最佳工艺分析中，采用SAS8.2统计系统进行分析，以木糖和阿拉伯糖纯度和收率为指标，分别得出F值为4212.28、7361.74、63004.2和1192057，P值均小于0.001，说明二组分分离操作条件的变化对木糖和阿拉伯糖的纯度、收率影响达到极显著水平。

由表1可看出，木糖纯度最高为87.53%，在此工艺条件下得到阿拉伯糖纯度为83.41%，木糖及阿拉伯糖收率分别为80.32%和83.35%；当阿拉伯糖纯度最高为88.41%时，木糖纯度为86.3%，此时木糖及阿拉伯糖收率都达到最大值分别为85.2%和89.26%，较前者分别提高4.88%和1.91%，而采用SAS8.2统计系统进行分析得出P>0.01，两种单糖的纯度与前者差异不显著，依据纯度及收率两个指标的要求，得出SSMB法二组分分离木糖母液的最佳工艺条件为进料流速35mL/min、解吸流速30mL/min、切换时间1230s和循环流速30mL/min。

2.2三组分分离最佳工艺的确定

    通过SSMB法对木糖母液进行三组分分离试验，试验结果如表2所示。

表2 三组分分离操作条件和试验结果

Table2 Three components separation operation conditions and test results

由于木糖母液单柱试验得出葡萄糖与木糖及阿拉伯糖不能够完全分离，色谱峰存在重叠部分，因此，木糖及阿拉伯糖纯度与收率的最大值不可能在同一工艺条件下出现[13,14]。由表2可看出，当木糖最高纯度为77.43%时，阿拉伯糖纯度为79.94%，此时，木糖及阿拉伯糖收率最高为82%和87%；当阿拉伯糖最高纯度为80.1%时，木糖纯度为75.4%，此时，木糖及阿拉伯糖收率仅为75.8%和79.3%，比前者最高收率分别低6.2%和7.7%，采用SAS8.2统计系统进行分析得出P>0.01，木糖及阿拉伯糖纯度与前者没有明显差异，因此，根据纯度、收率两个指标的要求，确定SSMB法三组分分离木糖母液的最佳工艺参数为进料流速33mL/min、解吸流速30mL/min、切换时间795s和循环流速30mL/min。

3 讨论

    本研究利用SSMB技术对木糖母液进行了两种不同分离工艺技术的研究，在两种分离工艺的最佳条件下，木糖组分中木糖纯度均≥77%，阿拉伯糖组分中阿拉伯糖纯度均≥79%，木糖收率均≥82%，阿拉伯糖收率均≥87%。木糖和阿拉伯糖均可以达到回收再利用的要求，有效地解决了木糖母液回收利用的难题。

为了进一步比较分析两种分离工艺的各项指标，进而考察两种分离工艺的各自优势，我们将两种分离工艺的主要指标进行了比较，结果如表3所示。

表3 两种分离工艺各指标比较结果

Table3 two kinds of process indexes comparison results

由表3可看出，两组分分离工艺的各项指标均优于三组分分离工艺，其木糖、阿拉伯糖纯度分别高于三组分8.87%和8.47%，收率高出3.2%和2.26%，日处理量增加value="2.16" unitname="kg">2.16Kg/d，溶剂消耗率降低了10.48%，固定相生产率提高了1.17倍。原因在于二组分分离时原料中的葡萄糖已被发酵去除，剩余的木糖与阿拉伯糖可全完分离，而三组分分离时原料中13%的葡萄糖色谱层对木糖和阿拉伯糖产生较强的干扰，难于完全分离[15,16]，从而导致木糖与阿拉伯糖的纯度及收率明显降低。同时，由于三组分的分离难度大，为达到最佳的分离效率，在分离工艺中必将降低进料量，增加解吸剂用量，致使溶剂消耗率上升，固定相生产率下降，相应的日处理量也有所降低。因此，仅从SSMB法分离工序来看，两组分分离工艺的各指标全面优于三组分分离。

从两种生产工艺整体来看（见图1，图2），两组分分离工艺在原料前处理过程中，通过发酵去除葡萄糖时，酵母添加量比三组分分离工艺超出61.5%，因此增加了一定的生产成本。原因在于采用三组分分离工艺时，发酵之前木糖母液中已有61.5%的葡萄糖被分离，木糖组分中仅剩余38.5%的葡萄糖需要通过发酵法去除。所以，从整体生产工艺角度来讲，虽然两组分分离工艺在SSMB分离工序中优势显著，但两组分分离工艺在发酵成本上要高于三组分分离工艺，在这一点上稍显不足。

综上所述，本研究两种木糖母液分离工艺都可以有效地将木糖母液中木糖和阿拉伯糖进行分离纯化，同时将葡萄糖转化为饲料酵母，为木糖母液综合回收利用提供了一种高效、低耗、环保的分离回收技术，为我国木糖生产企业的升级改造和进一步发展，提供强有力的技术支持。

4结论

    本研究确定了分离木糖母液中木糖和阿拉伯糖的两种分离工艺，最佳的工艺条件分别为：进料流速35mL/min、解吸流速30mL/min、切换时间1230s、循环流速30mL/min和进料流速33mL/min、解吸流速30mL/min、切换时间795s、循环流速30mL/min。最佳工艺条件下木糖与阿拉伯糖纯度分别达到86.3%和88.41%、77.73%和79.94%，收率达到85.2%和89.26%、82%和87%，这两种分离工艺均可用于木糖母液回收再利用，便于工业化生产控制。 
 

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