离子交换树脂层析法分离木糖醇结晶母液

·112· Ion Exchange and Adsorption 2005年4月

离子交换与吸附, 2005, 21(2): 112 ~ 120

ION EXCHANGE AND ADSORPTION 文章编号: 1001-5493(2005)02-0112-09

离子交换树脂层析法分离木糖醇结晶母液*

钱 永1 戴 军2 彭奇均2

1 苏州科技学院，江苏 苏州 215011 2 江南大学，江苏 无锡 214036

摘要：研究了001系列离子交换树脂抗衡阳离子型式、树脂交联度、树脂粒径等因素对木糖醇结晶母液分离为糖组分和糖醇组分的影响。筛选出了具有较好分离效果的001×8(Ca) (0.15mm~0.30mm) 树脂。对柱温、柱长径比、进料量、进料浓度、洗脱速度、洗脱液pH等操作因素进行了分离条件优化。在优化条件下，对木糖醇结晶母液进行分离，得到去除糖组分的糖醇组分回收率为92.3%，完成了木糖醇结晶母液的阶段性分离纯化任务。 关键词：离子交换树脂；分离；木糖；木糖醇；结晶母液 中图分类号：TQ028.3 文献标识码：A

1 前 言

木糖醇作为一种重要的功能性食品添加剂和治疗剂，可直接用作糖尿病专用食品、防龋齿食品和减肥低能量食品，也广泛应用于日化、涂料及皮革等领域。随着生产技术和应用研究的深入发展，木糖醇具有广阔的市场前景[1]。

目前，国内外绝大部分采用化学水解氢化法从玉米及其副产物制取木糖醇。生产过程中木糖醇结晶母液重复使用，其中各种杂糖和杂糖醇逐渐积累，反过来直接影响木糖醇结晶收率。每生产一吨木糖醇同时产生一吨含有大量五碳糖、六碳糖及其相应多元糖醇的结晶母液。母液的进一步提取工作有一定难度，厂家一般将其作为废料廉价出售，用于制取焦糖色以及牙膏工业的甘油代用品[1,2]。母液中价值较高的木糖醇及其它糖醇没有得到很好的利用。对母液进行分离纯化已是完善木糖醇生产工艺、提高产品质量而亟需解决的问题。

20世纪70年代中期，美国有用离子交换树脂层析技术进行木糖醇分离提纯的专利报道，但层析分离木糖醇专用树脂被严格保密[3]。80年代开始国内有部分采用离子交换法分自上世纪90年代以来，彭奇均等研究了木糖醇色谱分离的计算离木糖醇的研究报道 [4~8]。

机模拟计算[9,10]。聚苯乙烯—二乙烯苯骨架阳离子交换树脂常用作糖及糖醇的分离介质，文献报道可交换阳离子型式、树脂交联度、树脂粒径等因素对糖醇及糖的相互分离均有较

∗

收稿日期: 2004年8月7日

作者简介: 钱 永(1972-), 男, 江苏省人, 讲师, 中科院在读博士.

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大影响[11~13]。但上述研究主要是针对少数几种纯品糖及糖醇混合物体系的分离，而针对木糖醇生产过程中产生的含有大量五碳糖、六碳糖及其相应多元糖醇的结晶母液的离子交换法分离提纯技术，很少有研究报道。本研究旨在将结晶母液中大量有较高价值的糖醇提取用于特定的糖醇使用场合。文中根据工厂木糖醇结晶母液的组成分析，选择糖组份和糖醇组分中含量最大的木糖和木糖醇作为代表物种，通过系统研究国产001系列树脂类型、阳离子型式、交联度及树脂粒径对二者相互分离的影响，以及操作条件的优化，最终将选定体系和操作条件用于将母液分为糖和糖醇两组的阶段性分离任务。

2 实验部分

2.1 药品及试剂

木糖醇、木糖、阿拉伯糖、半乳糖醇、甘露醇、山梨醇、赤藓醇 (生化试剂，上海试剂二厂)，葡萄糖 (分析纯，上海化学试剂公司)，阿拉伯醇 (生化试剂，SIGMA公司)。木糖醇结晶母液取自木糖醇生产厂。其它试剂均为国产分析纯试剂。001×(2，4，6，7，8，10，12) 凝胶型离子交换树脂，由江都特种树脂厂按实验要求特制。主要指标：出厂时均为Na型，粒度0.10mm~0.90mm，质量交换容量4.40mmol/g~4.70mmol/g，湿真密度1.15g/ml~1.35g/ml。

2.2 仪器

离子交换柱为循环水保温玻璃夹套柱，按实验要求定做。HL-2恒流泵及BS-100A型自动部分收集器，上海沪西仪器厂。GS501型超级恒温水浴器，重庆实验设备厂。离子交换整套分离装置如图1。Waters 600高效液相色谱仪，主要包括Waters 600泵，2410视差折光检测器，M32工作站，7725进样阀。

2.3 实验方法

固形物含量采用烘干法分析，母液在组成

分析和分离前采用3%活性碳加热脱色预处理，并根据需要稀释到一定的浓度范围。母液

1. 去离子水槽 2. 恒流泵 3. 固定铁架 4. 玻璃夹套层析柱 5. 自动分步级分收集器

6. 超级恒温水浴器

Fig. 1 Schematic Diagram of the Separation by

Ion-exchange Chromatography

组成及层析分离过程中各级流出物均采用高效液相色谱 (HPLC) 外标法分析，HPLC测试条件 (下同): 色谱柱 (Waters Sugarpak1, 6.5id×300mm)，流动相 (超纯水)，柱温 (90℃)，流速 (0.5ml/min)；示差折光检测器灵敏度 (4)；流动池温度 (30℃)。

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树脂按要求筛分、活化、洗净后湿法装填到预定柱床高度。然后用5%待转型阳离子盐溶液转型，去离子水洗至没有欲转型的阳离子检出后备用。配制和量取一定量待分离溶液，上样，以去离子水洗脱。洗脱液采用HPLC色谱法分析每一级分组成和含量，绘制洗脱曲线。分离条件：在离子交换体系确定系列实验中，配制待分离木糖及木糖醇溶液 (木糖5.0%左右，木糖醇15%左右)；采用1m柱床高度 (内径5cm)；柱温40℃；洗脱速度2.0ml/min；进料量25ml；5min收集一级分；除考察树脂粒径影响实验外，树脂粒径均用0.30mm~0.60mm。在离子交换体系确定后的柱温及长径比影响实验中，采用001×8(Ca) (0.15mm~0.30mm)离子交换树脂装柱，除柱温和柱床长径比变化外其它条件不变。

3 结果与讨论

根据洗脱曲线，两组分相互分离度用Rs=2×(Tr2-Tr1)/(W1+W2)计算，这里Tr1、Tr2为相邻组份的保留体积V(ml)，W1、W2为相邻组份的色谱峰的峰底宽度。本文两组分的相互分离效果均以分离度Rs衡量，Rs越大表明二者相互分离效果越好。

3.1 母液组成分析和分离方案的确定

母液固形物含量分析为72.3%。活性碳脱色去除母液中胶质和色素等杂质后固形物回收率为89.68%。HPLC方法分析，得到脱色后母液组成如表1。

Table 1 Components and Contents of the Xylitol Crystallized Mother Liquid

名称 木糖 Wr% 15.66

木糖醇38.44

阿拉伯糖 阿拉伯糖醇葡萄糖3.51 2.28

24.87 16.12

甘露醇

山梨醇

半乳醇 其它

2.06 1.26 5.37 5.6 3.23 1.34 0.82 3.48 3.63 2.09

W% 10.15 24.92

注：Wr%指母液固形物中各组份相对百分含量；W%指母液中各组份的重量百分含量。

由上可见，木糖醇结晶母液是含有大量五碳糖、六碳糖及其相应多元糖醇的混合体系，其中木糖和木糖醇在相应糖组分和糖醇组分中含量都最高。选用实验室自转型001×7(Ca)树脂对脱色母液进行试分离发现糖类物质较糖醇类物质先被洗脱出来。母液各组分洗脱先后顺序为杂质、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露醇、赤藓醇、阿拉伯醇、半乳糖醇、木糖醇和山梨醇。按糖组分和糖醇组分合并处理得到两组的相互分离度为0.73，由此将母液分为糖和糖醇两组是可能的。根据出峰顺序以及母液中各组分含量，木糖和木糖醇在母液中含量最高，又是木糖醇生产中的原料和产品，将母液分离为糖组和糖醇组选择木糖和木糖醇作代表物种较合适。下文主要通过考察二者在001系列树脂上的相互分离情况，确立离子交换分离体系，优化操作条件，以期将母液分离为糖和糖醇两部分。

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其它分离操作条件不变，每次只改变所考察的树脂指标，研究 (1) 抗衡阳离子型式 (2)树脂交联度 (3) 树脂粒径对木糖和木糖醇相互分离的影响，结果见图2。

阳离子交换树脂分离单糖及单糖醇的机理主要是配位交换过程 (ligand exchange chromatography)，金属阳离子要与糖或糖醇相邻的两个或3个羟基形成二齿或三齿螯合 3.2 离子交换体系的确定

Fig. 2 Effects of Counter Cations, Link-crossing Degrees and Dimensions of the Ion-exchange Resin on the Separation.

物，阳离子须具有八面体的电子结构、尽可能高的电子缺陷和最佳的配位尺寸 (合适的离子半径为0.1nm)[11]。吡喃环上有ax-eq-ax 3个相邻羟基 (ax代表直立键，eq代表平伏键)，呋喃环上有cis-cis羟基 (cis代表顺式)，以及开链糖或糖醇通过单键自由扭转作用第一、第二羟基处于顺式而第二、第三羟基处于反式 (或相反的情况)，均可与合适的阳离子形成三齿螯合物。离子半径小于0.1nm时，倾向于形成 (ax-eq) 型二齿螯合物，离子半径大于0.1nm的阳离子则倾向于形成 (ax-ax,1-3) 和 (eq-eq) 二齿螯合物。因此糖和糖醇与金属阳离子形成配位络合物的情况有所不同，糖主要通过其固定的配位位置形成螯合物，而糖醇可通过碳碳单键旋转变构作用形成螯合物。二者与不同类型阳离子形成配位络合物的形成方式、形成过程和稳定程度不同，从而使不同的糖及糖醇在阳离子交换树脂上具有不同的保留行为。木糖和木糖醇在一价阳离子H和Na型树脂上没发现有任何分离，是因为它们与一价阳离子之间主要靠电荷引力作用，木糖与木糖醇并没有显著差异。综合二价、三价阳离子型树脂的分离情况，二价的Ca和Pb型树脂分离效果明显优于三价的Fe和Al树脂，这可能与它们的离子半径不同有关，参见表2。Al和Fe离子半径远小于0.1nm，与形成金

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属与糖或糖醇的螯合物的最佳配位尺寸有较大差距，因而二者的分离度较小。但无论从阳离子电子结构或离子半径分析，La型树脂都应有更佳的分离效果，实验结果与此不符，尚需进一步研究。Pb型树脂的分离效果显著优于Ca型树脂，因其毒性较大本文选用Ca型阳离子树脂用于进一步分离研究。

Table 2 Radius (nm) of the Cations with two or three Valents [14] 阳离子 离子半径

Al3+ Fe3+ Ca2+ Pb2+ La3+ 0.050 0.064 0.099 0.120 0.106

树脂交联度对离子交换行为的影响比较复杂。交联度增大，树脂的体积交换容量会相应增加，洗脱时被分离物质的扩散也会减小，这些作用有利于分离。交联度增加同时会带来树脂溶胀性减小含水量降低，这直接影响待分离物质在分离介质中的渗透和扩散。糖和糖醇与Ca型树脂的交换是配位络合交换，待分离组分必须很好地渗透到树脂内部合适的部位，形成配位络合物才能有效分离。中等交联度的001×6 (Ca) 和001×8 (Ca) 树脂的分离效果较好，这可能是上述互为矛盾的两方面相互作用的结果，其中001×8 (Ca) 树脂的分离效果更好。

树脂粒径增大，组分与分离介质间的传质吸附交换效果相应降低，分离效果必然降低，从图2 (c) 可见较小粒径范围 (0.15mm~0.30mm) 的001×8 (Ca) 对木糖和木糖醇有较好的分离效果。但树脂粒径太小会有较大的壁效应，也给树脂制造带来麻烦。

综合上述结果，确定选用凝胶型小粒径范围 (0.15mm~0.30mm) 的001×8(Ca) 离子交换树脂作为木糖醇结晶母液分离纯化的分离介质体系。

3.3 操作温度和柱床层长径比确定

色谱法是一种以分配平衡为基础的分离方法，必然包括传质过程。温度对传质过程一般都有影响，离子交换柱温不仅影响待分离组分在分离柱内的分子扩散等传质行为，而且通过影响分离组分与分离介质离子交换树脂的物理化学作用而显著影响分离效果。由于糖及糖醇与金属阳离子型交换树脂的作用体系需要一定的活化能，需要一定的分离温度。同时温度升高分子扩散能量加大，扩散系数在其他条件不变的情况下相应增加，传质速度增大，由传质阻力引起的色谱峰扩散就变小[15]。整体上表现为洗脱峰变窄、峰高增大如表2，这是树脂效能增加的表现。由塔板理论Nt=16(Vr/W)2可知保留体积Vr基本不变，峰宽W变窄，则理论塔板数增加，柱效能增大。因此要获得高浓度的流出液，应该选用较高的分离温度。但根据分离度计算公式Rs=(r21-1)kN1/2/[4(1+k)]，两组分的选择系数r21与容量因子k都与温度有关，虽然塔板数N随温度升高而增大，但r21与k随温度的变化可能与N不一致，因而分离度并不随温度升高而一直增大而是在50℃出现较大值。从离子交换树脂本身的稳定性考虑选择50℃的操作温度也比较适合。

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Table 3 Effects of the Temperature on the Separation

40℃ 50℃ 60℃

木 糖

保留体积 (ml)

峰宽a

峰高 (%)保留体积 (ml)

木糖醇 峰宽a

峰高 (%)

Rs

240 10 6.70 365 17 9.0 0.93 230 9 7.60 340 12 10.20 0.96 230 8 7.97 330 14 11.60 0.91

注：a代表洗脱液级分数

柱床长径比对分离效果的影响情况见表4，可见柱长径比越大分离效果越好。

Table 4 Effects of the Ratio of the Length to the Inner Radius of the Column on the Separation

柱高 (m) 长径比

0.75 1.0 15 20

2.0 40

Rs 0.82 1.03 1.50

3.4 洗脱速度、进料量、进料浓度、洗脱水pH的正交优化

按重量百分比浓度相对含量1:3配制各浓度木糖与木糖醇待分离溶液，50℃柱温下，选用001×8(Ca) (0.15mm~0.30mm) 树脂装填长径比为20的1.0m交换柱，对洗脱速度、进料量、进料浓度、洗脱水pH值等柱上操作条件进行L9(34) 正交优化实验见表5。

Table 5 Arrangement L9(34) of the Factors and their Levels of the Orthogonal Experiments

洗脱速度ml/min (A)

进样量g (B)

W% (C)

pH (D)

1 1.0 5 15 6 2 2.0 10 25 7 3 3.0 15 40 8

通过极差分析得到各因素对分离效果的影响由主到次顺序为：B→A→C→D。据各因素不同水平的分离度大小，得到优化的操作条件为 (B1，A1，C3，D3)。

3.5 木糖醇结晶母液的分离

根据上述研究结果，选用0.15mm~0.30mm的001×8(Ca) 离子交换树脂，在优化的操作条件下 (柱温50℃，长径比40，柱高2.0m，洗脱水pH为8，母液脱色后进料浓度浓缩到33%，进料量25ml，洗脱速度1ml/min，6mins收集一级分)，对木糖醇结晶母液进行分离。母液分离各级分洗脱液组成见表6，洗脱曲线如图3，椐此计算各主要组分的相互分离度见表7。洗脱液中各组分按糖组分和糖醇组分合并后绘出的洗脱曲线如图4。得到糖组分和糖醇组分的相互分离度为0.93，若从第51级分开始收集可得到去除糖组分的糖醇

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组分回收率为92.3%，糖醇组分含量达到99.9%以上，可以认为木糖醇结晶母液已基本被完全分离为糖和糖醇。

Table 6 Components and Contents of the Elution Solution from Each Class (w%)

级分号 葡萄糖和杂糖木糖29 0.12 0.1931 0.23 0.4633 0.35 1.5835 0.20 2.2637 0.15 2.2539 0.14 1.7541 0 0.9143 0 0.4945 0 0.16

阿拉伯糖 甘露醇+赤藓醇阿拉伯糖醇半乳糖醇

0 0 0 0.17 0.18 0.34

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

木糖醇+山梨糖醇

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.14 0.38 0.95 2.11 2.97 3.84 3.64 3.82 3.71 2.99 2.07 1.52 1.03 0.69 0.55 0.27

0 0 0 0 0 0

0.75 0 0.60 0.28

0 0 0 0

0.49 0.38 0.48 0

2.61 0.13 3.49 0.16 3.31 0.30 2.53 0.60 1.71 0.61 1.20 0.66 0.63 0.57 0.60 0.49 0.50 0.37 0.19 0.24 0.12 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

47 0 0.11 0.38 0.22 1.65 0 49 0 0 0.21 0 51 0 0 0.15 0 53 0 0 0 55 0 0 0 57 0 0 0 59 0 0 0 61 0 0 0 63 0 0 0 65 0 0 0 67 0 0 0 69 0 0 0 71 0 0 0 73 0 0 0 75 0 0 0 77 0 0 0 79 0 0 0 81 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Table 7 Rs between the Main Components in the Separation of the Xylitol Crystallized Mother Liquid Rs

木糖-木糖醇

木糖-阿拉伯醇

阿拉伯糖-木糖醇

阿拉伯糖-半乳糖醇

阿拉伯糖-阿拉伯醇

0.56

1.24 0.94 1.01

1.03

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━葡萄糖+杂糖; ─甘露醇+赤藓醇;◆木糖醇+山梨醇;

◇木糖; △阿拉伯糖; ▲半乳糖醇; X阿拉伯醇

○ 糖组分; ▲ 糖醇组分

Fig. 3 Elution Curve of the Xylitol Crystallized

Mother Liquid on 001×8 (Ca)

Fig. 4 Elution Curve of the Sugars and Polyols during the Separation of the Xylitol Crystallized

Mother Liquid on 001×8 (Ca)

4 结 语

本文系统研究了国产001系列树脂抗衡阳离子型式、树脂交联度、树脂粒径以及操作柱温、柱长径比等因素对木糖醇结晶母液分离为糖组分和糖醇组分的影响，并通过柱上分离条件的正交优化，筛选出了具有对结晶母液中糖组分和糖醇组分有较好分离效果的离子交换介质体系和操作条件。优化条件下，木糖醇结晶母液在小粒径0.15mm~0.30mm的001×8 (Ca) 离子交换树脂上可以较好地分离为糖组分和糖醇组分，得到去除糖组分的糖醇组分 (含量达到99.9%以上) 回收率达到92.3%。为了达到好的分离效果，较高的柱长径比是一制约因素，工程实践中应得到注意。随着国产离子交换树脂性能的提高，这一问题有望在今后的进一步深入研究中得到解决。本文研究结果可用于工厂改进和完善木糖醇清洁生产工艺，为结晶母液中大量存在的单一糖醇如木糖醇、阿拉伯糖醇及山梨糖醇的进一步提取纯化提供参考，也可为其它糖醇生产中的分离纯化提供一定的理论指导和实验依据。

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RESEARCH ON THE SEPARATION OF THE XYLITOL

CRYSTALLIZED MOTHER LIQUID BY ION-EXCHANGE

CHROMATOGRAPHY

QIAN Yong1,2 DAI Jun2 PENG Qijun2

1 University of Science and Technology of Suzhou, Suzhou 215011, China 2 Southern Yangtze University, Wuxi 214036, China

Abstract: The separation and purification of xylitol crystallized mother liquid using ion-exchange chromatography has been investigated in this paper. According to the analysis of the components and their contents in the Xylitol crystallized mother liquid by HPLC, the separation aim was made to divide the Xylitol crystallized mother liquid into sugars and polyols because of the complex composition of the mother liquid. The separation effects of counter cations, link-crossing degree and dimensions of ion-exchange resin (001 series) have been studied. As a result, the resin 001×8(Ca) with a size of 0.15mm~0.30mm which has better

separation effect was selected as the separation medium of the mother liquid. Orthogonal optimization experiments have also been carried out to find the optimum operation conditions in this study. Under the optimum conditions the recovery 92.3% of polyols (purity over 99.9%) in the final separation of the mother liquid on the ion-exchange resin has been achieved. Key words: Ion-exchange resin; Separation; Xylose; Xylitol; Crystallized mother liquid.