菊芋多聚果糖的纯化技术研究

李朝阳李良玉刁静静张丽萍

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

多聚果糖又名菊粉、菊糖，具有清热解毒、抗菌、降血脂、降血糖和抗病毒等功效[1-4]。已发现含有多聚果糖的植物约3.6万种，其中菊苣、菊芋中含量最高[5-9]，目前中国已采用菊芋、菊苣生产多聚果糖初级加工产品，但其多聚果糖含量仅80%左右，只能作为多聚果糖的前体原材料，严重限制了多聚果糖作为新食源的发展与应用。曾有学者[10]尝试采用膜分离、离子交换、制备色谱等方法对多聚果糖进行纯化，但是由于产品含量不高、生产成本高等原因，始终无法实现大规模产业化生产。

目前，模拟移动色谱作为一种高效的分离纯化技术，较传统单柱色谱分离技术有了较大的进步，其应用领域主要包括精细化工、药物分离、生物发酵、食品功能活性物质富集等领域中[11]，但是传统的模拟移动色谱却存在着处理量小、回收率低、产品纯度低等缺陷，无法实现大规模化的产业化应用。而顺序式模拟移动色谱是一种先进的分离技术，可以实现连续、稳态的生产，生产效率高[12-15]，是目前国际上最为先进的模拟移动色谱设备[16-18]。但是关于色谱分离方法之间的比较及模拟移动色谱在纯化菊芋多聚果糖上的研究较少，尤其是顺序模拟移动色谱和旋转阀式模拟移动色谱技术在纯化菊芋多聚果糖方面的优劣性尚未知。研究拟采用模拟移动色谱技术纯化菊芋多聚果糖，旨在探索高效低耗的菊芋多聚果糖纯化方法，以实现产业化生产。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

菊芋多聚果糖粗品：依安恒新生物工程科技有限公司；

去离子水：实验室自制；

树脂：强酸性阳离子ZG106Na+，杭州争光树脂有限公司；

装柱机：RPL-ZD10型，大连日普利科技仪器有限公司；

单柱色谱分离设备(见图1)、旋转阀式模拟移动色谱分离设备(见图2)、顺序式模拟移动色谱分离设备(见图3)：实验室自制；

高效液相色谱仪：Nexera Quaternary型，日本岛津公司。

1. 解吸剂 2. 计量泵 3. 六通切换阀 4. 定量管 5. 压力表 6. 吸附柱 7. 恒温水浴 8. 采集管

1. 原料 2. 原料泵 3. 水洗泵 4. 超纯水 5. 产品 6. 废液 7. 操控系统 8. 旋转阀 9. 柱温箱 10. 色谱柱

1. 原料 2. 原料泵 3. 超纯水 4. 解析泵 5. 柱温箱 6. 色谱柱 7. 操控系统 8. AD 9. BD 10. CD

1.2 试验方法

1.2.1 检测方法

(1) 糖浓度：采用WYT糖度计测定。

(2) 菊芋多聚果糖含量：采用液相色谱法测定[19]。

(3) 收率计算：

(1)

式中：

W——收率，%；

C1——纯化后样品总糖浓度，mg/mL；

C0——原料总糖浓度，mg/mL；

ρ1——纯化后菊芋多聚果糖含量，%；

ρ0——原料液中菊芋多聚果糖含量，%；

V1——分离后溶液体积，mL；

V0——原料液体积，mL。

(4) 分离度计算：

(2)

式中：

Rs——分离度；

t2——杂糖的保留时间，min；

t1——菊芋多聚果糖的保留时间，min；

W1——菊芋多聚果糖色谱峰峰宽，min；

W2——杂糖色谱峰峰宽，min。

1.2.2 制备色谱评价菊芋多聚果糖纯度试验 采用装柱机装置装柱，在柱温60 ℃，通过六通定量阀进料10 mL 30%的多聚果糖，纯净水为洗脱剂，洗脱流速1.6 mL/min，并2 min/管收集一个样品，测其糖浓度与样品的含量[20]。制备色谱系统流程：解吸剂通过计量泵进入六通切换阀将定量管中菊芋多聚果糖原料顶入吸附柱中，通过自动收集器收集流出液体。

1.2.3 模拟移动色谱试验 将菊芋多聚果糖用去离子水进行稀释，稀释至30%左右，以达到进料的要求；将预处理好的多聚果糖放入原料罐中进行预热，同时预热洗脱剂，然后设定工艺参数进行模拟移动色谱连续分离，一般需要连续分离24 h以上；膜过滤进行浓缩，喷雾干燥，得到多聚果糖成品。

1.2.4 旋转阀式模拟移动色谱纯化菊芋多聚果糖 采用自制的旋转阀式模拟移动色谱(16 mm×500 mm)分离设备进行试验，在制备色谱试验的基础上设计分区，再根据单柱色谱分离设备与旋转阀式模拟移动色谱的转化方法来确定初始参数。根据不断检测流出液浓度及含量来计算菊芋多聚果糖的收率，更改进料的流速和运行时间来优化菊芋多聚果糖分离的工艺参数，得到纯化的最佳工艺参数[21]。旋转阀式模拟移动色谱工艺流程：原料和解吸剂水通过计量泵进入柱子，在吸附区进料，在解吸区出料，每个区域同时进行。

1.2.5 顺序式模拟移动色谱纯化菊芋多聚果糖 采用实验室自制的顺序式模拟移动色谱(35 mm×1 000 mm)进行分离试验。采用顺序式模拟移动色谱纯化的工艺流程中首先进行大循环S1，之后进行小循环S2，最后进行全进全出S3[22]。顺序式模拟移动色谱工艺流程：原料F和洗脱剂水D通过计量泵进入吸附柱，按照设定好的工艺路线，通过电磁阀控制，经过流量计流出AD、BD、CD。

1.2.6 统计处理 试验平行3次，采用SAS软件进行单因素方差分析及Duncan分析。

2 结果与分析

2.1 原料液分析

由图4和表1可以看出，试验所用菊芋原料中多聚果糖的含量为79.202 8%，其他杂糖(蔗糖和单糖)的含量为20.797 2%，由此可以看出试验原料为常规的菊芋多聚果糖粗品。

2.2 制备色谱单柱评价试验

从图5可以看出，菊芋多聚果糖的保留时间在24 min 左右而杂糖的保留时间在34 min左右，两者的保留时间相差较大，说明两种物质的分离度越高。经计算菊芋多聚果糖与杂糖分离度为0.35，虽然两者在制备色谱上没有完全分离，但通过模拟移动床色谱工艺可以延长分离过程，增加两者的富集度，将两者有效的分离。

2.3 旋转阀式模拟移动色谱纯化菊芋多聚果糖

考虑树脂对菊芋多聚果糖与单糖、双糖吸附能力的不同，根据实际情况，确定模拟移动色谱分离区各区的分配方式为吸附区4根柱，精馏区与解吸区各3根柱，缓冲区2根柱。根据单柱色谱分离评价试验结果，以及单柱色谱分离与旋转阀式模拟移动色谱间的等效性，初步确定纯化的初始旋转阀式模拟移动色谱理论工作参数，并通过条件的优化得到最佳的工艺参数，见表2。

图4 菊芋多聚果糖原料分析图谱

表1 菊芋多聚果糖原料分析结果

图5 洗脱曲线图

旋转阀式模拟移动色谱纯化菊芋多聚果糖分析图谱见图6，菊芋多聚果糖原料分析结果见表3。

在该条件下，菊芋多聚果糖组分的浓度为8.2%，含量为92.5%，收率为91.5%，利用旋转阀式模拟移动色谱虽然将菊芋多聚果糖的含量提高到了92.5%，但仍低于95%，而且收率和产品的浓度较低，相对成本较高，不适于工业化生产。这主要是由于旋转阀式模拟移动色谱的进料方式为连续性的，对色谱柱进行了分区，导致树脂不能充分利用，因此产品含量低、收率低；此外这种方式的进料浓度不高，其需要大量的洗脱剂进行洗脱，造成产品浓度低。

表2 旋转阀式模拟移动色谱最佳工作参数

图6 旋转阀式模拟移动色谱纯化菊芋多聚果糖分析图谱

表3 菊芋多聚果糖原料分析结果

2.4 顺序式模拟移动色谱分离工艺参数优化结果

由表4可看出，最佳分离工艺参数为第4组试验参数，此时出口浓度为17.9%，含量达到96.9%，收率达到95.8%。利用顺序式模拟移动色谱显著提高了菊芋多聚果糖的含量，此外其收率高、产品的浓度高，相对成本较低，可用于工业化生产。顺序式模拟移动床色谱是间接式的进料方式，树脂利用率高，产品含量及收率高；此外这种方式的进料浓度高，洗脱剂相对较少，出口产品浓度高，生产成本低。

由图7(a)和表5可知，杂糖组分(出口A)中多聚果糖含量9.76%，浓度只有4.5%，说明多聚果糖的损失很少，收率较高；由图7(b)和表6可知，多聚果糖组分(出口B)中多聚果糖的含量达到了99.84%，含量高；由图7(c)和表7可知，多聚果糖组分(出口C)中多聚果糖的含量为96.66%，含量较高；由图7(d)和表8可知，多聚果糖组分(出口B、C混合液)中多聚果糖的含量为96.92%，含量较高。

2.5 不同方式纯化菊芋多聚果糖效果的对比

制备色谱分离、旋转阀式模拟移动色谱与顺序式模拟移动色谱纯化菊芋多聚果糖效果的对比分析结果见表9。

表4 顺序式模拟移动色谱分离操作条件和试验结果†

图7 多聚果糖各组分液相分析图谱

表5 出口A图谱分析结果

表6 出口B图谱分析结果

表7 出口C图谱分析结果

表8 出口B、C混合图谱分析结果

表9 3种方法试验结果比较

由表9可知，旋转阀式模拟移动色谱及制备色谱分离工艺的各项指标均低于顺序式模拟移动色谱工艺，单柱色谱是最基础的分离模式，各种指标均低于其他两种，不能进行产业化生产。与顺序式模拟移动色谱相比，旋转阀式模拟移动色谱的色谱柱数量多6根，设备投资相对较多；用水量增加2.4倍，增加了运行成本；进料浓度和出口浓度低，处理量小，增加了物料浓缩成本。此外，旋转阀式模拟移动色谱工艺的菊芋多聚果糖含量(92.5%)及收率(91.5%)均低于(P<0.05)顺序式模拟移动色谱工艺的(96.9%和95.8%)，均明显高于制备色谱分离法。而且顺序式模拟移动色谱的自动化程度、运行成本、日处理量较旋转阀式模拟移动色谱有很大的优势，更利于大规模的产业化生产[23-25]。

3 结论

通过比较分析，认为3种方法中顺序式模拟移动色谱技术是最适于菊芋多聚果糖纯化的技术，是一种低耗、高效、环保的纯化技术，能实现大规模的产业化生产。较之前的研究[26]有一定的进步，可显著降低多聚果糖的生产成本。同时研究尚未对顺序式模拟移动床分离多聚果糖的分离过程进行全面分析，未进行树脂的疲劳试验等，需要进一步的试验研究，以真正实现产业化生产。