模拟移动床技术在糖类分离制备中的应用

王尉，乐胜锋，赵利新，张经华

（1.北京市理化分析测试中心，北京100089；2.有机材料检测技术与质量评价北京市重点实验室，北京100094；3.北京翔悦环宇科技发展有限公司，北京100094）

模拟移动床技术在糖类分离制备中的应用

王尉1，2，乐胜锋1，2，赵利新3，张经华1

（1.北京市理化分析测试中心，北京100089；2.有机材料检测技术与质量评价北京市重点实验室，北京100094；3.北京翔悦环宇科技发展有限公司，北京100094）

简述模拟移动床技术的发展和在糖类分离中的应用现状，着重介绍模拟移动床技术在分离单糖和糖醇、以及寡糖中的应用。与传统的制备色谱技术相比，模拟移动床采用连续操作手段，具有易于自动化操作，制备效率高，制备量大等特点，在糖醇工业上具有良好的发展前景。

模拟移动床；单糖；糖醇；寡糖；离子交换树脂

模拟移动床（simulated moving bed，SMB）是一种基于色谱分离原理可连续操作的现代化色谱分离技术。SMB作为连续色谱技术中的最适于工业化大规模生产的一类，以其操作连续化、流动相耗量少等优点受到了广泛重视。与传统的制备色谱技术相比，SMB采用连续操作手段，具有易于自动化操作，制备效率高，制备量大等特点。

1 模拟移动床技术及其在糖类分离中的发展

1.1 模拟移动床技术的产生

SMB技术最早出现于20世纪60年代，Broughton[1]在专利中利用阀切换技术改变进样口、流动相入口及分离物收集口的位置来实现逆流操作，产生相当于吸附剂连续向下移动，而物料连续向上移动的效果，这也是最早有关SMB的论述。

在70年代初期美国环球油品公司（简称UOP公司）开发了一种基于SMB原理的色谱技术，采用该技术开发的色谱装置被称为Sorbex[2]。该装置通过色谱填料和萃取剂的相对逆流运动来模拟固定相的移动，其分离效率和生产能力远远高于传统的固定床吸附设备。Sorbex主要被用于分离各种石油馏出物。后来，UOP公司还将模拟移动床色谱技术成功用于对二甲苯和间二甲苯、对甲苯酚和间甲苯酚的分离，并从C8芳香族化合物中分离得到乙苯，从煤油C4烯烃混合物中分离丁烯-1，从蒎烯混合物中分离β-蒎烯等[3]。

1.2 模拟移动床技术的分离过程

典型的SMB由4个区域组成（见图1），每3根色谱柱为一个区域。进料口、提取液、提余液、洗脱液（流动相）分布在各个区域之间。原料A+B（其中A为强吸附组分，B为弱吸附组分）从Ⅱ和Ⅲ区之间连续进入，流动相顺时针移动。在一定时间内，进料口、提取液、提余液、洗脱液的位置同时顺时针切换，通过此过程来模拟色谱柱（固定相）逆时针移动。经过不断的周期性位置切换，A组分将随固定相的移动从提取液出口流出。另一方面，由于固定相对B组分的吸附能力小于流动相的洗脱能力，B组分将随流动相的移动从提余液出口流出，通过以上过程即可实现AB两组分有效分离的目的。

图1 模拟移动床色谱示意图Fig.1 The sketch map of SMB chromatography

1.3 模拟移动床技术在糖类分离中的发展

近年来，随着对模拟移动床色谱技术研究的深入，其应用领域也进一步扩大，从单一的石油化工制品的分离逐步涉及到精细化工、制糖业、化妆品和香料工业等领域[4]。我国早在20世纪80年代后期就开始了这方面的研究，其中果糖与葡萄糖的分离是SMB在糖类成分制备中起步最早的，也是目前制糖工业分离中规模最大的[5-6]。对于果糖与葡萄糖的分离是一个典型的二组分分离，充分利用了SMB的特点，节省了树脂和洗脱剂用量，提高了生产自动化程度，而且过程中的排污很少，实现了清洁生产，绿色环保。

在糖类的工业生产中，通常以淀粉等多糖作为底物，经水解或酶工程转化得到目标产品，或通过单糖、二糖合成而得。无论采用何种方法，都会产生大量的副产物，主要的副产物为目标产品的结构类似物或降解产物等。随着SMB技术的逐渐成熟和发展，非常适用样品杂质明确的两组分或三组分样品的分离，尤其是在糖类制备的应用更为广泛。本文详细叙述了SMB技术在单糖和糖醇、寡糖等方面的应用。

2 模拟移动床在糖类分离制备中的应用

2.1 单糖和糖醇的分离制备

2.1.1 果糖的分离制备

果糖是最甜的天然营养型甜味剂，具有高甜、冷甜和纯正爽口的甜味特征，及代谢不依赖胰岛素、不会引起血糖过大波动等优良的代谢特征。果糖与葡萄糖互为同分异构体，是己酮糖，富含于菊芋等菊科植物和蜂蜜、水果中。工业上常以果葡糖浆为原料开展果糖的分离制备工作。李良玉等[7]使用大庆宏源分离技术研究所研制的XZ12-1.2L模拟移动床对F42果葡糖浆进行分离制备。使用的色谱填料为Ca2+型离子交换树脂，进料流速3.0mL/min，洗脱流速7.5mL/min，循环流速12.0mL/min，切换时间400 s，可以得到纯度为95%的果糖，其收率高达85%。

2.1.2 木糖和木糖醇分离制备

木糖醇是一种五碳糖，是国际公认的安全的食品添加剂，它能预防龋齿，并可辅助治疗糖尿病，因而在食品、医药、日化等行业中被越来越广泛地应用。目前多采用酸水解玉米芯、中和脱色、催化加氢的方法生产木糖醇，其副产物包括木糖以及少量葡萄糖等。孙培冬等[8]使用德国Knauer公司的八柱四区SMB系统对木糖醇母液进行分离。色谱填料为732Na+型离子交换树脂，进料流速0.4mL/min，洗脱流速1.5mL/min，萃取流速0.8mL/min，萃余流速1.1mL/min，切换时间20min，最终可分离得到高纯度的木糖、木糖醇，其纯度分别为99.3%和99.8%。何凡等[9]利用平衡理论模型分析和预测了木糖、木糖SMB色谱操作条件对系统分离性能的影响，使用Knauer CSEPC916型八柱SMB系统，色谱填料为大孔苯乙烯骨架Ca2+型离子交换树脂，循环流速12mL/min，进料流速2mL/min，洗脱流速14mL/min，木糖流速6mL/min，木糖醇流速10mL/min，切换时间15min。所得木糖醇与木糖产品液的纯度和收率均接近100%。

2.1.3 D-核糖的分离制备

D-核糖是存在于生物体内的一种天然戊糖，是生物体内遗传物质核酸和能量物质三磷酸腺苷的组成成分，具有重要的生理功能和广泛的应用前景。工业上多以葡萄糖等为原料，在合适的工艺条件下，将葡萄糖转化为D-核糖。高润香[10]使用2台L-120CSMB设备，分别用于分离去处阴、阳离子。通过条件优化，进料速度4 250mL/h，切换时间1.2 h时，所得收集液中D-核糖产品浓度达到3.74%，回收率为97.8%。

2.1.4 L-阿拉伯糖的分离制备

L-阿拉伯糖是一种戊醛糖，可以选择性地影响小肠二糖水解酶中消化蔗糖的蔗糖酶，从而抑制蔗糖的吸收。L-阿拉伯糖作为生产木糖的副产物，在木糖结晶后的母液富含大量的L-阿拉伯糖，如能提取利用将使成本大大降低。朱路甲等[11]采用分散聚合法合成苯乙烯骨架的Ca2+型离子交换树脂，以此为色谱柱填料，通过SMB对木糖母液中的L-阿拉伯糖进行了分离。SMB设备为实验室自制的8根色谱柱串联的系统，母液进料浓度为30%，洗脱速度2.5mL/min，分离温度为35℃，可以得到纯度为99.5%的L-阿拉伯糖，其收率达到了96%。

2.1.5 甘露糖的分离制备

甘露糖作为果葡糖浆生产中的副产物，其含量在0.2%～1.5%之间[12]。甘露糖可以作为生产甘露醇的原料，广泛用于醒酒药、口中清凉剂等咀嚼片的制造。章朝晖等[13]以葡萄糖异构化反应后所得到的混合糖液为原料，采用SMB装置分离甘露糖与葡萄糖。吸附剂为强酸性阳离子交换树脂，洗脱剂为蒸馏水，分离温度40℃～85℃，最高压力0.5MPa～1.5MPa，循环泵流速25 L/h～35 L/h，糖液进料量3.5 L/h～4.2 L/h，洗脱剂流速5.8 L/h～6.4 L/h，切换时间2min～12min。经分离可以得到富含甘露糖的后馏份，浓度为18%～36%，甘露糖的含量在75%以上；得到富含葡萄糖的前馏份，浓度为15%～30%，馏分中的甘露糖含量低于8%。

2.1.6 山梨醇和甘露醇的分离制备

甘露醇和山梨醇是一对同分异构体，同属六元醇，在食品、医药和轻工业工业中有广泛的用途。以蔗糖为原料合成方法获得的甘露醇（约占25%）和山梨醇（约占75%）混合物，用传统分离方法分离后，山梨醇液体中仍含约10%左右的甘露醇，无法采用结晶工艺提取高纯度的山梨醇。而利用24根柱的SMB分离后，山梨醇母液中的甘露醇含量可降至1.8%以下，大大提高了液体山梨醇产品的质量，消除了原液体山梨醇在低温时易结晶或结冻的现象[14]。

2.2 寡糖的分离制备

2.2.1 低聚果糖的分离制备

低聚果糖又称蔗果低聚糖，是由1～3个果糖基通过β（2-1）糖苷键与蔗糖中的果糖基结合生成的蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖等的混合物。低聚果糖甜味柔和清爽，热量值低，且具有良好的生理活性，得到了广泛认可与应用[15]。通常低聚果糖是以蔗糖为原料通过微生物转化而得，所以在商品化的普通产品中含有果糖、葡萄糖、蔗糖等副产物，对人体无保健作用，其中总低聚果糖的含量约为50%～60%之间。江波等[16]以普通低聚果糖为原料，使用美国先进技术分离公司CESPL-100中试型SMB，采用凝胶型的强酸性聚苯乙烯类树脂作为分离填料，通过对切换时间的优化，分离纯化得到纯度大于90%的高纯度低聚果糖。刘宗利等[17]使用顺序式SMB，Na+型离子交换树脂，柱温50℃～70℃，分离pH 5.5～6.5，进料浓度55%～70%，所得产品中低聚果糖纯度在95%以上，其中蔗果三糖含量超过55%，大大增强了产品的功效性。

2.2.2 低聚异麦芽糖的分离制备

低聚异麦芽糖是2个～8个葡萄糖分子以α-1，6糖苷键连接起来的寡糖。具有促进肠道内双歧杆菌增殖，提高机体免疫力，甜度低、热量低，不增加血糖血脂等功能[18]。工业化的生产工艺是以葡萄糖浆为底物，通过α-D-葡萄糖苷酶催化作用下发生葡萄糖基转移生产而得，所得产品中往往含有大量葡萄糖、麦芽糖等副产物[19]。鲍元兴等[20]采用纳滤分离技术生产纯度大于50%的低聚异麦芽糖，并对该样品采用20根分离柱的CSEP中试SMB设备进行分离。采用强酸性阳离子交换树脂作为分离填料，分离温度60℃，进样流速15mL/min，洗脱流速8mL/min，样品收集流速43mL/ min，副产品收集流速51mL/min，可以得到纯度大于85%的低聚异麦芽糖。刘宗利等[17]采用顺序式SMB技术，强酸性Na+型离子交换树脂作为分离填料，进料浓度为58%～63%，柱温65℃～75℃，分离pH 5.0～6.5，切换时间15min～25min，得到的产品中低聚异麦芽糖占总质量的95%以上。

2.2.3 低聚半乳糖的分离制备

低聚半乳糖是一种具有天然属性的功能性低聚糖，其分子结构一般是在半乳糖或葡萄糖分子上连接1个～7个半乳糖基，具有提高免疫力，抗肿瘤、抗衰老，改善脂质代谢，预防便秘等功能[21]。由于通常低聚半乳糖的工业化生产通常以高浓度乳糖为原料，在β-半乳糖苷酶水解作用下产生，产品中含有大量葡萄糖和乳糖等非功能性糖，大大影响了产品的功能性。刘宗利等[17]同样采用顺序式SMB技术，强酸性Na+型离子交换树脂作为分离填料，进料浓度为50%～65%，柱温55℃～75℃，分离pH 5.0～6.5，切换时间12min～30min，可以将原料分为单糖、双糖及低聚半乳糖3种组分，其中低聚半乳糖有效组分最高可达95%以上。

2.2.4 帕拉金糖和海藻糖的分离制备

帕拉金糖又称异麦芽酮糖，是一种蔗糖的异构体，通过1→6糖苷键形成的还原性二糖。其主要功能为抗龋齿性，在肠道内可被酶解，被人体吸收缓慢，对血糖值影响不大，有益于糖尿病人的防治和防止脂肪的过多积累。Kishihara等[22]采用16柱4个分区的SMB对商品化的帕拉金糖浆进行了制备分离。分离填料为日本三菱UBK 530Ca2+阳离子交换树脂，分离温度50℃，进料流速0.28×10-4m/s、洗脱流速1.69×10-4m/s，提取液流速1.26×10-4m/s，萃余液流速0.71×10-4m/s，切换时间130 s。通过上述条件，可以将原料中帕拉金糖的相对含量从33%提高至67%，海藻糖的相对含量从67%提高至87%。

2.2.5 麦芽糖和麦芽三糖的分离制备

麦芽糖和麦芽三糖具有低热值、低甜度的特点，其甜度相当于蔗糖的30%～40%，热值仅为蔗糖的5%，在功能性食品、糖果、巧克力、果汁饮料和冷冻食品中有广泛的应用[23]。工业上常以小麦淀粉为原料，采用麦芽三糖淀粉酶解制备麦芽三糖糖浆，其产物以麦芽三糖为主，以及葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖等[24]。Kim等[25]采用16柱9个分区的顺序式SMB对麦芽三糖糖浆进行了制备分离。分离填料为日本三菱UBK 530Na+型阳离子交换树脂，分离温度40℃，切换时间130 s，可以将原料中麦芽糖和麦芽三糖的纯度分别从12%、15%提高至67%、76%。

2.2.6 海藻糖的分离制备

海藻糖是由两个葡萄糖分子残基通过一个α、αl，1糖苷键连接的非还原性二糖，具有抑制骨胶原分解的作用，可用于改善骨质疏松症。目前，海藻糖主要以麦芽糖或淀粉为底物通过酶转化制备而得，其产品主要成分为海藻糖、葡萄糖、麦芽糖等。为了提高产品的功能活性，杨亚威等[26]采用旋转式20柱模拟移动床设备对海藻糖样品进行了分离制备，选用A216树脂为分离填料，分离温度58℃，进料流速13.8mL/min，洗脱液流速29.7mL/min，萃取液流速20mL/min，萃余液流速23.5mL/min、循环流速17.6mL/min，切换时间11min。最终分离得到了纯度为97.6%的海藻糖。王成福等[27]对海藻糖样品进行氢化，利用海藻糖无还原性的特点，将副产物麦芽糖转化为麦芽糖醇，因此可得到海藻糖与麦芽糖醇的混合液，然后再采用SMB技术，成功将海藻糖与麦芽糖醇分离。

3 结论

模拟移动床技术作为分离技术中的一次革新，是一种真正的连续制备色谱技术。由于其具有分离效率高，填料和洗脱剂消耗少，易于实现自动化控制等优点，在糖醇工业中引起人们的广泛关注。在样品的分离中，可以利用SMB技术的高灵活性，通过调整各分区的色谱柱数量，或更换不同的分离填料，就可以实现对不同的糖类混合物的制备工作，大大拓宽了该技术在糖类分离中的应用。但是，往往一个成功分离制备条件的建立，都需要大量复杂的数学计算和实验操作，如何通过设计简便模型用于计算工艺条件，减少实验探索步骤是一个亟待解决的问题。

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Application of Simulate Moving Bed Chromatography in Separation and Preparation of Saccharides

WANG Wei1，2，LE Sheng-feng1，2，ZHAO Li-xin3，ZHANG Jing-hua1
（1.Beijing Centre for Physical and Chemical Analysis，Beijing100089，China；2.Beijing Key Laboratory of Detection Technology&Quality Evaluation of Organic Material，Beijing100094，China；3.Beijing Xiang Yue Huan Yu Science and Technology Development Co.，Ltd.，Beijing100094，China）

The development and application in separation and preparation of saccharides of the technology of simulation moving bed（SMB）were reviewed The major applications in monosaccharide，sugar alcohol and oligosaccharide of SMB were also reviewed.The SMB was an advanced separation-technology of chromatography compared with traditional technology of chromatography.It had good prospects in sugar alcohol industry with auto-control，high efficiency and great yield.

simulated moving bed；monosaccharide；sugar alcohol；oligosaccharide；ion exchange resin

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.04.051

2016-04-18

王尉（1984—），男（汉），助理研究员，硕士，研究方向：天然产物分离纯化。