从异麦芽酮糖母液中分离异麦芽酮糖和海藻酮方法的研究

 梁荣荣，李丕武，辛跃强

齐鲁工业大学生物工程学院山东省微生物工程重点实验室（济南250353）

摘要针对异麦芽酮糖母液中产品分离难的问题，研究了一种可行的从异麦芽酮糖母液中分离异麦芽酮糖和海藻酮糖的方法。采用大孔吸附树脂、Na+型阳离子交换树脂和Ca2+型阳离子交换树脂分别对异麦芽酮糖母液进行分离并采用高效液相色谱法对分离效果、异麦芽酮糖和海藻酮糖的含量进行检测分析，以确定最佳分离方法。异麦芽酮糖分离前的含量为53.8%，经Na+型树脂分离后含量为89.3%,大孔吸附树脂分离后含量67.5%，Ca2+型树脂分离后含量为76.1%。经分离效果比较，确定采用Na+型阳离子交换树脂为异麦芽酮糖和海藻酮糖分离的最佳方法。

关键词异麦芽酮糖；海藻酮糖；树脂：分离

 异麦芽酮糖( Isomaltulose，C12H22O11．H2O)，又称帕拉金糖、益寿糖，是葡萄糖和果糖以a-1，6糖苷键连接而成的右旋糖，是一种还原性双糖，与蔗糖、海藻酮糖均为同分异构体。异麦芽酮糖拥有优于蔗糖的特性，它的甜度低，仅为蔗糖的42%，砂糖的70%，且甜味纯正，有着与蔗糖同样的口感。它具有  非致龋齿性，能量值低，消化吸收率低，在血液中释放单糖的速度缓慢，且不刺激胰岛素的生成，有益于糖尿病的防治并可防止脂肪的过多积累。它不具有吸湿的特性，对于添加到含有有机酸或者维生素C的食品来说，用异麦芽酮糖做增稠剂比蔗糖更为稳定。最新发现它对人体脑部具有特殊功能，食用异麦芽酮糖后可以提高精神集中力。有资料显示，人体一次性食用85 g异麦芽酮糖，也不会像其他糖一样导致腹鸣或腹泻。由于异麦芽酮糖拥有以上等优越的特性，非常适合应用于糖果、饮料、面包加工等食品生产中，对于添加入保健、医疗等产品中，它同样具有潜在的应用价值。除此之外，异麦芽酮糖还具有遮蔽异味效果，例如可用来遮蔽DHA的鱼油味、蔬果汁的异味和豆奶的豆腥味等。由于异麦芽酮糖具有以上独特的理化性质、生理功能和使用安全性，在欧美等发达国家近年来的需求量急剧上升，已占据无糖食品所用糖醇类甜味剂的50%以上。随着人民生活水平的快速提高和保健意识的增强，国内对食用糖的需求量也越来越高，低热量、低甜度的优质糖倍受人们欢迎，因此异麦芽酮糖具有广阔的市场前景。

 目前正在应用和开发的异麦芽酮糖的制取方法主要为生物发酵法，是通过微生物中的蔗糖异构酶( EC5.4.99.11)催化蔗糖生产而得的，反应式如图1。发酵法生产异麦芽酮糖的生产流程：菌种培养→发酵→菌体过滤→脱色→离交斗浓缩→结晶→离心→千燥。 该方法中的核心技术是利用微生物酶进行产品转化，经酶催化的蔗糖会生成异麦芽酮糖和海藻酮糖，根据蔗糖异构酶的报道可知，不同蔗糖异构酶的菌种来源，都会在催化生成异麦芽酮糖的同时，生成海藻酮糖，只是二者比例不同。由于菌种的代谢途径相对较多，因此发酵液的成分复杂，经过结晶分离后，纯的异麦芽酮糖被提取出来，其它成分会最终留在分离母液中，而当发酵液中的杂质成分达到一定的浓度后，将直接导致母液中的异麦芽酮糖产品不能结晶，特别是海藻酮糖的存在，影响了异麦芽酮糖的品质。现有工艺的母液的生成量接近提取液体积的1/3，母液中残留的大量异麦芽酮糖无法充分利用。母液中除含有浓度饱合的异麦芽酮糖外，主要含有副产物海藻酮糖，现有条件下，只能低价出售。因此，如何从母液中提取出更多的异麦芽酮糖产品，同时获得副产品海藻酮糖，提高产品收率和经济效益，成为改进该生产工艺的关键。

 目前，国内分离异麦芽酮糖和海藻酮糖的研究尚少，特别是异麦芽酮糖和海藻酮糖属于同分异构体，使分离难度增加。为了能够解决异麦芽酮糖生产过程中分离难的问题，试验采用单柱试验，选择具有代表性的三种树脂ZGSPC 106 Na+型强酸性阳离子交换树脂、鲁抗大孔吸附树脂、ZGSPC 106 Ca2+型强酸性阳离子交换树脂分别进行异麦芽酮糖母液的分离，并通过高效液相色色谱法进行检测分析，最终确定了最佳的分离方法。

1  材料与方法

1.1材料与仪器

1.1.1材料与试剂

 异麦芽酮糖生产中产生的母液，主要成分为异麦芽酮糖和海藻酮糖，异麦芽酮糖质量浓度为35%～40%，海藻酮糖质量浓度为30%～35%，余量为水和不可避免的杂质，青岛科海生物有限公司。

 ZGSPC 106 Na+型强酸性阳离子交换树脂、ZGSPC 106 Ca2+型强酸性阳离子交换树脂：江苏苏青水处理工程集团有限公司；鲁抗大孔吸附树脂：鲁抗股份有限公司树脂分厂；乙腈、甲醇等试剂，均为国产色谱纯。

1.1.2仪器

 高效液相色谱仪（LC-20A，RID-10A示差检测器）：日本岛津；色谱柱Inertsil NH2( 250 mm×4.6mm)：日本岛津；DBS-10电脑全自动部分收集器：上海沪西仪器厂；SCQ-6201C超声清洗器：上海声彦超声波仪器有限公司；阿贝斯折光仪NRA-1T型：日本ATAGO公司。

1.2方法

1.2.1样品预处理

 取异麦芽酮糖母液，8 000 r/min室温离心15 min，取离心后上清液即为上清母液；按质量体积百分比2.0%的比例向上清母液中加入颗粒状活性炭(g/L)，50℃条件下，于磁力搅拌器上匀速搅拌40 min。经布氏漏斗抽滤2次，除去活性炭，收集滤液，即制得脱色异麦芽酮糖母液。

1.2.2单柱分离

 采用玻璃柱(2 cm×100 cm)进行湿法装柱，将ZGSPC 106 Na+型强酸性阳离子交换树脂装入玻璃柱中，保持液面始终高于树脂层，装柱体积为100 m L。然后用300 m L的蒸馏水正向冲洗树脂柱，用200 m L的蒸馏水反向冲洗树脂，保持液面高于树脂层2 m L高度，使树脂压实。将脱色后的异麦芽糖母液用蒸馏水稀释至糖度为100，样品体积为15 m L，控制流速2m L/min，用蒸馏水洗脱，洗脱体积为250 m L，收集糖度≥10Be’的洗脱液，每隔1 min收集一次，温度控制在25℃，收集液经孔径为0.22μ m有机微孔滤膜除菌，以备分析。

1.2.3高效液相色谱分析

 经分离后的样品进行异麦芽酮糖和海藻酮糖成分及含量的分析，条件为：色谱柱，Inertsil NH2( 250m L×4.6 m L，粒径5μm)；流动相：V（乙腈）：V（水）=75：25的混合液；流速1m L/min；柱温400C；检测器，示差检测器（RID-10A）；检测池温40℃；进样量10μL。

1.2.4分离效果的比较

更换大孔吸附树脂和ZGSPC 106 Ca2+型强酸性阳离子交换树脂进行上述方法试验，比较三种树脂的分离效果。

1.3结果计算

 异麦芽酮糖纯度=异麦芽酮糖峰面积／异麦芽酮糖和海藻酮糖峰面积之和×100% (1)

 海藻酮糖纯度=异麦芽酮糖峰面积／异麦芽酮糖和海藻酮糖峰面积之和×100% (2)

2结果与分析

2.1  高效液相色谱图分析树脂分离前后糖液组分变化

 图2~图4显示了动态树脂分离过程中的收集糖液的变化，表明异麦芽酮糖母液中不含其它糖杂质，主要为异麦芽酮糖和海藻酮糖。图2采用Na+型树脂分离，通过图2A和图2B的对比可知，海藻酮糖峰最先分离出，峰面积大，含量高，而异麦芽酮糖峰面积极小，含量极低；通过图2C和图2A比较可知，异麦芽酮糖后分离出，峰面积较大，含量大，而海藻酮糖峰含量极少；表明异麦芽酮糖和海藻酮糖有一定分离度。图3采用大孔吸附树脂分离，图3A和图3B对比得，异麦芽酮糖和海藻酮糖的峰面积大小相似，即含量相当，经树脂吸附前后变化不大；图3B和图3C对比得，最后收集的糖液中异麦芽酮糖和海藻酮糖的峰面积大小仍相似，含量相当；由此说明大孔吸附树脂对异麦芽酮糖和海藻酮糖分离度小，效果差。图4采用Ca2+型树脂分离，图4B和图4A对比得，海藻酮糖峰较异麦芽酮糖峰面积较大，说明初始情况下，海藻酮糖最先分离出；图4C和图4A对比得，异麦芽酮糖峰面积较海藻酮糖峰面积大，说明异麦芽酮糖最后分离开；表明Ca2+型强酸性阳离子交换树脂对异麦芽酮糖母液具有一定的分离度，显效不明显。图2~图4直观反映了采用三种树脂分离异麦芽酮糖母液前后的变化，Na+型树脂较其他两种树脂，分离时组分流出前后变化明显．分离度较高。

2.2异麦芽酮糖和海藻酮糖分离曲线的效果比较

 图5反映了三种树脂分离异麦芽酮糖和海藻酮糖的曲线。图5A、B和C中，海藻酮糖和异麦芽酮糖先后被洗脱下来，说明三种固定相对异麦芽酮糖的保留相对较强。经三种树脂分离后的异麦芽酮糖含量最高都能达到20%以上。但通过异麦芽酮糖和海藻酮糖分离曲线重叠区域大小比较，经大孔树脂分离的重叠区域最大，即分离度低，效果差；其次是C a2+型交换树脂，分离度一般；重叠区域最小的是Na+型交换树脂，较其他两种而言，分离效果最好。

2.3树脂分离异麦芽酮糖母液前后组分含量结果

 经高效液相色谱法分析后，将异麦芽酮糖液和海藻酮糖液分别合并，通过高效液相色谱进行含量检测，并记录树脂分离前后母液中组分纯度，比较分离前和分离后糖液组分含量的变化（表1所示）。分离前，异麦芽酮糖母液中异麦芽酮糖的纯度是53.8%：幺Na+型阳离子交换树脂、大孔吸附树脂和C a2+型阳离子交换树脂分离后，异麦芽酮糖纯度分别为89.3%，

67.5%和76.1%。分离结果表明，通过三种树脂分离，异麦芽酮糖母液的中异麦芽酮糖的含量得到提高，海藻酮糖含量降低，都具有一定峰分离效果。但从异麦芽酮糖分离后纯度高低比较而言，经Na+型阳离子交换树脂分离后的异麦芽酮糖含量最高，为89.3%，分离效果最好。

3讨论与结论

3.1讨论

 异麦芽酮糖和海藻酮糖属于同分异构体，性质相似，分离难度较大。可通过化学转化方法去除海藻酮糖，但会使用大量有机溶剂，不适合食品级糖类的生产。膜分离方法是利用分子排阻效应进行分离的，该方法一般适用于分子量较大差别的糖类分离，但异麦芽酮糖和海藻酮糖二者的分子量相同，因此该方法不适用。微生物酶法针对性较强，但受微生物和酶的限制，况且二者性质相似，很难通过酶法转化来去除杂质糖。

 树脂应用于制糖工业已经有40多年的历史，可处理的糖类繁多。影响离子交换树脂的因素很多，主要是离子交换树脂的类型、粒度、洗脱速率等。最早的蔗糖、葡萄糖、甜菜糖等的生产中，采用大孔吸附树脂或H+进行脱色处理，效果好、操作简易、速度快。雷华杰研究了K+型树脂、大孔型树脂和凝胶型树脂对木糖母液中回收L-阿拉伯糖效果的影响；蒋丽华将离子交换树脂应用于大豆糖蜜中低聚糖的分离纯化中，除去了几乎所有含氮物质及绝大部分酚类物质；Nobre等采用Ca2+型阳离子交换树脂把低聚果糖母液中的盐及一些杂质糖分离掉；Santog等采用阳离子交换树脂去除蔗渣半纤维素糖液中的有毒物质等。同时，采用树脂分离糖类物质具有很多优点，如收率高、分离速度快、成本低、操作简便、环境污染小、树脂性能稳定等，特别适合于工业化生产的应用。虽然糖液分离中树脂分离纯化技术得到广泛应用，但未有报道将该技术运用于异麦芽酮糖分离中。因而，试验选择了具有代表性的大孔吸附树脂、Na+型、C a2+型阳离子交换树脂参与异麦芽酮糖母液的分离。

 在分离中，由于异麦芽酮糖母液中含有大量色素，经三种树脂分离后，大量的色素被吸附，糖液澄清透明。大孔树脂分离效果最差的原因可能是，大孔树脂的孔道多、表面积大，主要是通过范德华力或形成氢键从低浓度的异麦芽酮糖母液中吸附有机物，吸附具有选择性，而异麦芽酮糖和海藻酮糖的结构相似，因而形成的范德华力或氢键作用力大小相同，对两种糖的保留能力相似，所以在洗脱时几乎都是两种糖一起被洗脱下来。采用阳离子交换树脂分离异麦芽酮糖母液，主要是依靠金属离子与糖之间微弱的络合作用力，不同的金属离子和糖等多羟基化合物形成的络合物的稳定性不同，而且吸附量的大小同金属离子的水和作用相关。Walton等研究中发现不同的金属离子所带的电荷不同，与“游离水”结合的水合作用大小也不同，结合的“游离水”比例越高，越有利于与羟基化合物形成氢键，增加吸附量。因而，采用Na+型树脂和C a2+型树脂分离的效果不同。根据分离效果的比较，Na+型树脂的分离效果更好，是由于相比于Ca2+和Na+结合水的能力更强，与糖形成的氢键更多，吸附量更大，在洗脱中海藻酮糖结合力差，先被洗脱下来，然后是异麦芽酮糖洗脱下来。

3.2结论

 采用三种树脂ZGSPC 106 Na+型强酸性阳离子交换树脂、鲁抗大孔吸附树脂、ZGSPC 106 Ca2+型强酸性阳离子交换树脂分别进行异麦芽酮糖母液的分离，确定了分离异麦芽酮糖的最佳方法，即采用ZGSPC 106 Na+型强酸性阳离子交换树脂能将异麦芽酮糖母液中的两种组分异麦芽酮糖和海藻酮糖分离开来。该方法在国内首次解决了异麦芽酮糖的分离问题，为工业化生产中采用模拟移动床技术奠定了一定的理论基础。