菊芋多聚果糖的純化技術(shù)研究

李朝陽李良玉刁靜靜張麗萍

(1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)國家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319；2. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

多聚果糖又名菊粉、菊糖，具有清熱解毒、抗菌、降血脂、降血糖和抗病毒等功效[1-4]。已發(fā)現(xiàn)含有多聚果糖的植物約3.6萬種，其中菊苣、菊芋中含量最高[5-9]，目前中國已采用菊芋、菊苣生產(chǎn)多聚果糖初級加工產(chǎn)品，但其多聚果糖含量僅80%左右，只能作為多聚果糖的前體原材料，嚴(yán)重限制了多聚果糖作為新食源的發(fā)展與應(yīng)用。曾有學(xué)者[10]嘗試采用膜分離、離子交換、制備色譜等方法對多聚果糖進(jìn)行純化，但是由于產(chǎn)品含量不高、生產(chǎn)成本高等原因，始終無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

目前，模擬移動色譜作為一種高效的分離純化技術(shù)，較傳統(tǒng)單柱色譜分離技術(shù)有了較大的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括精細(xì)化工、藥物分離、生物發(fā)酵、食品功能活性物質(zhì)富集等領(lǐng)域中[11]，但是傳統(tǒng)的模擬移動色譜卻存在著處理量小、回收率低、產(chǎn)品純度低等缺陷，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。而順序式模擬移動色譜是一種先進(jìn)的分離技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)態(tài)的生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高[12-15]，是目前國際上最為先進(jìn)的模擬移動色譜設(shè)備[16-18]。但是關(guān)于色譜分離方法之間的比較及模擬移動色譜在純化菊芋多聚果糖上的研究較少，尤其是順序模擬移動色譜和旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜技術(shù)在純化菊芋多聚果糖方面的優(yōu)劣性尚未知。研究擬采用模擬移動色譜技術(shù)純化菊芋多聚果糖，旨在探索高效低耗的菊芋多聚果糖純化方法，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

菊芋多聚果糖粗品：依安恒新生物工程科技有限公司；

去離子水：實(shí)驗(yàn)室自制；

樹脂：強(qiáng)酸性陽離子ZG106Na+，杭州爭光樹脂有限公司；

裝柱機(jī)：RPL-ZD10型，大連日普利科技儀器有限公司；

單柱色譜分離設(shè)備(見圖1)、旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜分離設(shè)備(見圖2)、順序式模擬移動色譜分離設(shè)備(見圖3)：實(shí)驗(yàn)室自制；

高效液相色譜儀：Nexera Quaternary型，日本島津公司。

1. 解吸劑 2. 計(jì)量泵 3. 六通切換閥 4. 定量管 5. 壓力表 6. 吸附柱 7. 恒溫水浴 8. 采集管

1. 原料 2. 原料泵 3. 水洗泵 4. 超純水 5. 產(chǎn)品 6. 廢液 7. 操控系統(tǒng) 8. 旋轉(zhuǎn)閥 9. 柱溫箱 10. 色譜柱

1. 原料 2. 原料泵 3. 超純水 4. 解析泵 5. 柱溫箱 6. 色譜柱 7. 操控系統(tǒng) 8. AD 9. BD 10. CD

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 檢測方法

(1) 糖濃度：采用WYT糖度計(jì)測定。

(2) 菊芋多聚果糖含量：采用液相色譜法測定[19]。

(3) 收率計(jì)算：

(1)

式中：

W——收率，%；

C1——純化后樣品總糖濃度，mg/mL；

C0——原料總糖濃度，mg/mL；

ρ1——純化后菊芋多聚果糖含量，%；

ρ0——原料液中菊芋多聚果糖含量，%；

V1——分離后溶液體積，mL；

V0——原料液體積，mL。

(4) 分離度計(jì)算：

(2)

式中：

Rs——分離度；

t2——雜糖的保留時(shí)間，min；

t1——菊芋多聚果糖的保留時(shí)間，min；

W1——菊芋多聚果糖色譜峰峰寬，min；

W2——雜糖色譜峰峰寬，min。

1.2.2 制備色譜評價(jià)菊芋多聚果糖純度試驗(yàn) 采用裝柱機(jī)裝置裝柱，在柱溫60 ℃，通過六通定量閥進(jìn)料10 mL 30%的多聚果糖，純凈水為洗脫劑，洗脫流速1.6 mL/min，并2 min/管收集一個(gè)樣品，測其糖濃度與樣品的含量[20]。制備色譜系統(tǒng)流程：解吸劑通過計(jì)量泵進(jìn)入六通切換閥將定量管中菊芋多聚果糖原料頂入吸附柱中，通過自動收集器收集流出液體。

1.2.3 模擬移動色譜試驗(yàn) 將菊芋多聚果糖用去離子水進(jìn)行稀釋，稀釋至30%左右，以達(dá)到進(jìn)料的要求；將預(yù)處理好的多聚果糖放入原料罐中進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)預(yù)熱洗脫劑，然后設(shè)定工藝參數(shù)進(jìn)行模擬移動色譜連續(xù)分離，一般需要連續(xù)分離24 h以上；膜過濾進(jìn)行濃縮，噴霧干燥，得到多聚果糖成品。

1.2.4 旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜純化菊芋多聚果糖 采用自制的旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜(16 mm×500 mm)分離設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，在制備色譜試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)分區(qū)，再根據(jù)單柱色譜分離設(shè)備與旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜的轉(zhuǎn)化方法來確定初始參數(shù)。根據(jù)不斷檢測流出液濃度及含量來計(jì)算菊芋多聚果糖的收率，更改進(jìn)料的流速和運(yùn)行時(shí)間來優(yōu)化菊芋多聚果糖分離的工藝參數(shù)，得到純化的最佳工藝參數(shù)[21]。旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜工藝流程：原料和解吸劑水通過計(jì)量泵進(jìn)入柱子，在吸附區(qū)進(jìn)料，在解吸區(qū)出料，每個(gè)區(qū)域同時(shí)進(jìn)行。

1.2.5 順序式模擬移動色譜純化菊芋多聚果糖 采用實(shí)驗(yàn)室自制的順序式模擬移動色譜(35 mm×1 000 mm)進(jìn)行分離試驗(yàn)。采用順序式模擬移動色譜純化的工藝流程中首先進(jìn)行大循環(huán)S1，之后進(jìn)行小循環(huán)S2，最后進(jìn)行全進(jìn)全出S3[22]。順序式模擬移動色譜工藝流程：原料F和洗脫劑水D通過計(jì)量泵進(jìn)入吸附柱，按照設(shè)定好的工藝路線，通過電磁閥控制，經(jīng)過流量計(jì)流出AD、BD、CD。

1.2.6 統(tǒng)計(jì)處理 試驗(yàn)平行3次，采用SAS軟件進(jìn)行單因素方差分析及Duncan分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料液分析

由圖4和表1可以看出，試驗(yàn)所用菊芋原料中多聚果糖的含量為79.202 8%，其他雜糖(蔗糖和單糖)的含量為20.797 2%，由此可以看出試驗(yàn)原料為常規(guī)的菊芋多聚果糖粗品。

2.2 制備色譜單柱評價(jià)試驗(yàn)

從圖5可以看出，菊芋多聚果糖的保留時(shí)間在24 min 左右而雜糖的保留時(shí)間在34 min左右，兩者的保留時(shí)間相差較大，說明兩種物質(zhì)的分離度越高。經(jīng)計(jì)算菊芋多聚果糖與雜糖分離度為0.35，雖然兩者在制備色譜上沒有完全分離，但通過模擬移動床色譜工藝可以延長分離過程，增加兩者的富集度，將兩者有效的分離。

2.3 旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜純化菊芋多聚果糖

考慮樹脂對菊芋多聚果糖與單糖、雙糖吸附能力的不同，根據(jù)實(shí)際情況，確定模擬移動色譜分離區(qū)各區(qū)的分配方式為吸附區(qū)4根柱，精餾區(qū)與解吸區(qū)各3根柱，緩沖區(qū)2根柱。根據(jù)單柱色譜分離評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，以及單柱色譜分離與旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜間的等效性，初步確定純化的初始旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜理論工作參數(shù)，并通過條件的優(yōu)化得到最佳的工藝參數(shù)，見表2。

圖4 菊芋多聚果糖原料分析圖譜

表1 菊芋多聚果糖原料分析結(jié)果

圖5 洗脫曲線圖

旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜純化菊芋多聚果糖分析圖譜見圖6，菊芋多聚果糖原料分析結(jié)果見表3。

在該條件下，菊芋多聚果糖組分的濃度為8.2%，含量為92.5%，收率為91.5%，利用旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜雖然將菊芋多聚果糖的含量提高到了92.5%，但仍低于95%，而且收率和產(chǎn)品的濃度較低，相對成本較高，不適于工業(yè)化生產(chǎn)。這主要是由于旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜的進(jìn)料方式為連續(xù)性的，對色譜柱進(jìn)行了分區(qū)，導(dǎo)致樹脂不能充分利用，因此產(chǎn)品含量低、收率低；此外這種方式的進(jìn)料濃度不高，其需要大量的洗脫劑進(jìn)行洗脫，造成產(chǎn)品濃度低。

表2 旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜最佳工作參數(shù)

圖6 旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜純化菊芋多聚果糖分析圖譜

表3 菊芋多聚果糖原料分析結(jié)果

2.4 順序式模擬移動色譜分離工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

由表4可看出，最佳分離工藝參數(shù)為第4組試驗(yàn)參數(shù)，此時(shí)出口濃度為17.9%，含量達(dá)到96.9%，收率達(dá)到95.8%。利用順序式模擬移動色譜顯著提高了菊芋多聚果糖的含量，此外其收率高、產(chǎn)品的濃度高，相對成本較低，可用于工業(yè)化生產(chǎn)。順序式模擬移動床色譜是間接式的進(jìn)料方式，樹脂利用率高，產(chǎn)品含量及收率高；此外這種方式的進(jìn)料濃度高，洗脫劑相對較少，出口產(chǎn)品濃度高，生產(chǎn)成本低。

由圖7(a)和表5可知，雜糖組分(出口A)中多聚果糖含量9.76%，濃度只有4.5%，說明多聚果糖的損失很少，收率較高；由圖7(b)和表6可知，多聚果糖組分(出口B)中多聚果糖的含量達(dá)到了99.84%，含量高；由圖7(c)和表7可知，多聚果糖組分(出口C)中多聚果糖的含量為96.66%，含量較高；由圖7(d)和表8可知，多聚果糖組分(出口B、C混合液)中多聚果糖的含量為96.92%，含量較高。

2.5 不同方式純化菊芋多聚果糖效果的對比

制備色譜分離、旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜與順序式模擬移動色譜純化菊芋多聚果糖效果的對比分析結(jié)果見表9。

表4 順序式模擬移動色譜分離操作條件和試驗(yàn)結(jié)果?

圖7 多聚果糖各組分液相分析圖譜

表5 出口A圖譜分析結(jié)果

表6 出口B圖譜分析結(jié)果

表7 出口C圖譜分析結(jié)果

表8 出口B、C混合圖譜分析結(jié)果

表9 3種方法試驗(yàn)結(jié)果比較

由表9可知，旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜及制備色譜分離工藝的各項(xiàng)指標(biāo)均低于順序式模擬移動色譜工藝，單柱色譜是最基礎(chǔ)的分離模式，各種指標(biāo)均低于其他兩種，不能進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。與順序式模擬移動色譜相比，旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜的色譜柱數(shù)量多6根，設(shè)備投資相對較多；用水量增加2.4倍，增加了運(yùn)行成本；進(jìn)料濃度和出口濃度低，處理量小，增加了物料濃縮成本。此外，旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜工藝的菊芋多聚果糖含量(92.5%)及收率(91.5%)均低于(P<0.05)順序式模擬移動色譜工藝的(96.9%和95.8%)，均明顯高于制備色譜分離法。而且順序式模擬移動色譜的自動化程度、運(yùn)行成本、日處理量較旋轉(zhuǎn)閥式模擬移動色譜有很大的優(yōu)勢，更利于大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[23-25]。

3 結(jié)論

通過比較分析，認(rèn)為3種方法中順序式模擬移動色譜技術(shù)是最適于菊芋多聚果糖純化的技術(shù)，是一種低耗、高效、環(huán)保的純化技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。較之前的研究[26]有一定的進(jìn)步，可顯著降低多聚果糖的生產(chǎn)成本。同時(shí)研究尚未對順序式模擬移動床分離多聚果糖的分離過程進(jìn)行全面分析，未進(jìn)行樹脂的疲勞試驗(yàn)等，需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究，以真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。