色谱分离在高纯糖化液生产中的应用

李秋红，孙学谦, ，崔强, ，夏颖颖

1.山东西王糖业有限公司技术中心（邹平 256209）；2.山东省玉米生物加工循环经济工程技术研究中心（邹平 256209）

玉米淀粉乳经过液化、糖化后葡萄糖质量分数一般在96.5%左右，达不到玉米果糖原料大于99.5%的要求。传统工艺采用结晶工艺对糖液中的葡萄糖进行提纯，具有生产周期长、能耗高、易染菌的问题。此次研究在糖化液经过板框除渣、颗粒炭脱色和连续离交后，增加了色谱分离系统，利用色谱分离代替结晶用于葡萄糖提纯，这是现有结晶葡萄糖生产工艺中不存在的工序。试验主要对色谱分离的运行条件进行了优化，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 材料与试剂

糖化液，西王糖业一水糖厂；树脂，美国陶氏/朗盛；石英砂，江苏名望。

1.2 主要仪器与设备

色谱分离设备（上海兆光公司）；JOAN 1 mL移液枪（杭州天裕化工仪器）；PHB-3 pH计（上海三信仪表厂）；WAY-ZT阿贝折光仪（上海精科仪器厂）；Waters e2695高效液相色谱仪（沃特斯仪器）。

1.3 试验方法

1.3.1 高纯糖化液中葡萄糖质量分数（DX值）测定方法

高效液相色谱仪：流动相为超纯水，流速1.0 mL/min，柱温85 ℃，进样质量分数0.5%，测样时间20 min，葡萄糖出峰时间10.2 min。

1.3.2 色谱分离系统树脂类型的选用

用粒径150～180 μm的不同阳离子树脂作为固定相，试验各种不同的Na+型、K+型、Ca2+型、Fe3+型、Mg2+型阳离子树脂，以各离子柱出料DX值作为指标，选择合适的色谱分离用树脂。

1.3.3 进料温度对高纯糖化液DX值的影响

进料质量分数60%，料水比1∶2，将糖化液温度分别维持55，60，65和70 ℃进色谱分离系统，洗提水均高5 ℃，出料稳定后分别取样，使用HPLC检测糖组分。

1.3.4 进料质量分数对高纯糖化液DX值的影响

色谱分离进料前糖化液质量分数分别蒸发浓缩至35%，45%，55%和65%，料水比1∶2，进料温度60℃，洗提水进柱温度65 ℃，六柱运行。色谱分离提取液干物浓度稳定时，取样，使用HPLC测定糖组分。

1.3.5 料水比对高纯糖化液DX值的影响

进料质量分数60%，进料温度60 ℃，洗提水进柱温度65 ℃，料水比分别为1∶0.5，1∶1，1∶1.5和1∶2，六柱运行，当系统运行稳定，进出物料平衡后，取出料高纯糖化液进行HPLC，测定DX值，选择合适的料水比。

1.3.6 色谱分离柱运行数量对高纯糖化液DX值的影响

进料质量分数60%，进料温度60 ℃，洗提水进柱温度65 ℃，料水比1∶2，比较四柱法与六柱法的分离效果。当系统运行稳定，进出物料平衡后，分别取出料高纯糖化液进行HPLC，测定DX值，选择合适的分离柱数量。

1.3.7 正交试验

根据单因素结果，选择不同水平的进料温度、进料质量分数和料水比，见表1，对色谱分离系统运行条件进行优化。

表1 正交设计表

2 结果与分析

2.1 色谱分离用树脂选型研究

糖和糖醇都能与金属离子形成络合物，但它们的络合物稳定程度不同，利用这一机理，糖化液中葡萄糖可以通过色谱分离方式与其他糖组分分开，进行糖化液中葡萄糖组分的提纯。以不同型号的色谱分离树脂作为固定相，试验各种不同的阳离子树脂对葡萄糖与多糖的分离度。由表2可以看出，钾型树脂对于葡萄糖和多糖的分离度较高，因此，色谱分离用树脂型号选择钾型。

表2 不同型号树脂色谱分离度对比

2.2 进料温度对色谱提取液DX值的影响

色谱运行温度影响色谱分离对各组分的分离度，温度高，糖组分扩散系数增大，有利于改善传质、提高分离速度。但是，运行温度过高会使纵向扩散加剧，导致分离选择性下降，不利于组分分离。运行温度低，糖化液黏度较大，不利于在色谱柱中的流动，甚至会造成组分出峰拖尾，分离不彻底。所以色谱分离应该选择合适的进料温度。不同温度下进料对提取液DX值影响结果如表3所示。当进料温度为55 ℃时，温度过低，料液黏度较大，不利于扩散分离，所以需要继续升高进料温度。随着进料温度的升高，葡萄糖和其他糖组分分离得越彻底，DX值越高，但是考虑到温度过高树脂容易破碎，树脂使用寿命减少，导致色谱分离用树脂投入成本增加，且不利于连续生产。在满足色谱提取液DX值≥99.50%的前提下，料液进入色谱系统的温度维持在60～65 ℃较为合适。

表3 温度对色谱分离提取液DX值的影响

2.3 进料质量分数对色谱提取液DX值的影响

如表4所示：进料质量分数在40%～60%范围内，物料浓度越低，葡萄糖和其他糖组分分离得越彻底，色谱提取液的DX值越高，越容易满足色谱分离的要求。当进料质量分数超过70%时，各组分出料峰宽增加，容易重叠，不易分离彻底。但是进料质量分数低，色谱系统单位时间的物料干基处理量就少，增加色谱运行时间，且会增加后续工段的蒸发成本。综合考虑，进料质量分数选择50%～60%比较合适。

表4 进料质量分数对色谱分离提取液DX值的影响

2.4 料水比对色谱提取液DX值的影响

由表5可以看出：降低料水比有利于提高提取液的纯度，但是出料干物浓度会下降，后期需要消耗大量的蒸汽去蒸发浓缩，能耗高，当料水比为1∶1.5和1∶2时，色谱提取液DX值变化不大，所以色谱进料与进水的流量比例选择1∶1.5为宜。

表5 料水比对色谱分离提取液DX值的影响

2.5 色谱柱数量对色谱提取液DX值的影响

四柱模式是一种结构最简单、控制模式最简单、投资最省的模式。它适合分离难度较小或纯度要求不高的物料分离，但对于分离难度大、纯度要求高的物料不太适合，因为四柱模式的柱体总长度较短，分离行程短，较难分离组分，且不易充分分开。六柱模式由于其色谱柱总长较长，分离行程长，被分离组分可以充分地分开，所以这种模式适合分离难度较大或分离纯度要求较高的物料分离。四柱和六柱模式色谱提取液的糖组分对比情况如表6所示。结果显示，六柱模式对葡萄糖的分离提纯效果优于四柱模式。

表6 不同色谱柱运行数量条件下色谱提取液HPLC结果

2.6 正交试验结果

由表7可以看出，各因素对色谱分离提取液DX值的影响大小为料水比＞进料质量分数＞进料温度。进料温度65 ℃、进料质量分数55%和料水比1∶1.5为最优组合。

表7 正交试验结果

2.7 色谱出料HPLC色谱图

色谱分离系统设备运行条件为钾型树脂、进料温度65 ℃、进料质量分数55%、料水比1∶1.5、六柱同时运行，则糖化液通过色谱分离，分成两部分料液，一部分为干物浓度≥38%、DX值≥99.5%的色谱提取液，另一部分为干物浓度≤5%、DX值≤76.0%的色谱提余液。色谱提取液和色谱提余液的糖组分色谱图分别如图1和图2所示。

图1 色谱提取液色谱图

图2 色谱提余液色谱图

3 结论

色谱分离用树脂为钾型树脂，色谱分离运行最优条件为进料温度65 ℃，进料质量分数55%，料水比1∶1.5，六柱同时运行。此条件下运行的色谱分离系统得到的高纯糖化液DX值≥99.5%。