一种以阿拉伯胶为原料提取制备高纯度L-阿拉伯糖的工艺

摘要

本发明公开了一种以阿拉伯胶为原料提取制备高纯度L-阿拉伯糖的工艺：以阿拉伯胶为原料经酸水解、碱中和、吸附脱色、电渗析脱盐、吸附分离去杂质以及结晶，最终纯化得到纯度达98％以上的L-阿拉伯糖，且收率可达最初原料阿拉伯胶质量的25％～29％。整个工艺的基本原则是低成本、绿色环保，且工段简单可靠、易操作，适应于工业规模化生产。

说明书

技术领域

本发明属于化学工程技术领域，特别涉及到一种以阿拉伯胶为原料制 备高纯度L-阿拉伯糖的工艺。具体而言，是利用水解、中和、脱色、吸附 及结晶等反应分离工序，从阿拉伯胶中提取分离得到高纯度的L-阿拉伯 糖。

背景技术

L-阿拉伯糖作为一种新型的功能性糖，可作为合成医药的中间体，可 用来合成阿糖胞苷、L-核糖等抗癌、抗病毒和治疗心血管疾病的药物，并 可用于生化领域中细菌培养基的制备以及香料合成等。此外，近年来发 现L-阿拉伯糖具有很强的非竞争性抑制蔗糖吸收的功能，能够抑制吸收蔗 糖引起的血清中葡萄糖浓度升高，可以预防肥胖、预防并治疗与高血糖有 关的疾病，使得它在减肥、控制糖尿病等方面的应用前景被广泛看好。L- 阿拉伯糖已被美国食品药品监督管理局(FDA)和日本厚生省批准列入健 康食品添加剂，美国医疗协会也将其列入抗肥胖剂的营养补充剂或非处方 药。由此可见，L-阿拉伯糖在医药、食品行业具有广泛的前景。

天然的L-阿拉伯糖通常以L-阿拉伯聚糖、L-阿拉伯-木聚糖和L-阿拉 伯聚糖-D-半乳糖等形式存在于植物果浆、半纤维素、果胶酸中。现阶段， L-阿拉伯糖主要通过水解天然原料并进行后处理来获得，在本发明之前， 以阿拉伯胶水解制备L-阿拉伯糖有如下文献报道制备方法。

公开号为CN102146102A的中国专利文献公开了一种从阿拉伯胶中提 取L-阿拉伯糖和D-半乳糖的方法。用酸催化水解阿拉伯胶，碱液中和后 得到的中和液浓缩后用酮类有机试剂醚化生成醚化物，再用醇萃取醚化 物，再脱醚，从而分别获得纯的L-阿拉伯糖和D-半乳糖，L-阿拉伯糖的 收率为原料阿拉伯胶质量的15％～24％。此工艺能同时得到两种单糖，但 工艺过程涉及大量有机溶剂，严重污染环境，是环境非友好型工艺。同时， 所得晶体纯度未能达到保证。

S.Mukher jee and A.N.S Shrivastava以阿拉伯SUNDRA胶为原料，水 解后用大量丁醇的半饱和水溶液为洗脱液进行柱分离，得到L-阿拉伯糖、 D-半乳糖和鼠李糖(J Sci.Ind.Research India,1956,168,566-7)。公开号为 CN1373135A中国专利文献公开了利用两柱法从阿拉伯胶提取L-阿拉伯 糖的方法，以阿拉伯胶为原料，经无机酸水解，碱中和后浓缩，醇初提取， 4倍量乙酸热熔提纯，再用正丁醇、乙酸乙酯、异丙醇、乙酸等有机溶剂 结合双柱分离制得纯度为96％～99.5％的L-阿拉伯糖，收率为原料阿拉伯 胶质量的16％～18％。EP0115068欧洲专利文献公开了一种以阿拉伯 PYCNANTHA胶为原料制备L-阿拉伯糖的工艺，将原料用酸水解，用阴 离子IR-4B(OH)树脂中和，乙醇萃取，再用大量乙酸乙酯半饱和液结合 柱分离以制备L-阿拉伯糖及其衍生物。上述方法所产生的水解混合溶液对 精制提取技术要求高，用于洗脱分离的有机溶剂消耗大，分离后L-阿拉伯 糖浓度低，馏分浓缩时的能耗大，成本高，并不适合工业大规模生产。

公开号为CN101993826A的中国专利文献公开了一种以阿拉伯胶酶 产生的新菌株-镰刀菌(Fusarium sp.)BYB2进行选择性酶水解阿拉伯胶， 后续采用传统的分离纯化工艺，从而得到纯的L-阿拉伯糖，L-阿拉伯糖的 收率为原料阿拉伯胶质量的18％。酶催化水解的优点是反应条件温和，对 设备损耗较低。但该方法存在参数可控性不强以及酶水解的效率低下的缺 点，难以工业化生产。

发明内容

本发明提供了一种以阿拉伯胶为原料提取制备高纯度L-阿拉伯糖的 工艺，最终纯化得到了纯度达98％以上的L-阿拉伯糖，且收率可达最初原 料阿拉伯胶质量的25％～29％。整个工艺的基本原则是低成本、绿色环保， 且工段简单可靠、易操作，适应于工业规模化生产。

一种以阿拉伯胶为原料提取制备高纯度L-阿拉伯糖的工艺，包括如 下步骤：

(1)水解：将阿拉伯胶溶解后加入无机酸，控制混合溶液的pH值 至0.2～1，在70～100℃进行水解反应，反应结束后向反应液中加碱水溶液 中和至pH值4～7，得含有阿拉伯糖的水解中和液。

优选地，所述碱水溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、碳酸钠溶液 和碳酸钾溶液中的一种或任意几种组合，其摩尔浓度为10～20mol/L。进一 步优选氢氧化钠，其摩尔浓度为15mol/L，价廉易得，且已广泛应用于工 业。

优选地，所述无机酸为硫酸、盐酸、磷酸中的一种或两种组合，氢离 子摩尔浓度为1～6mol/L。

所述水解反应时间优选1～5小时，进一步优选为1～3h，水解时间不 宜太长，以防水解出过多的杂糖，不利于后续分离。

当固液比(阿拉伯胶溶解时的固液比)过大，阿拉伯胶溶解速度慢， 不利于均匀搅拌，水解液中阿拉伯糖和杂糖浓度均提高，不利于后续分离 纯化处理。当固液比过小，水解液的粘度小，虽能给过滤、搅拌等操作带 来方便，但增加后续浓缩的能耗和时间，降低生产效率。因此，阿拉伯胶 溶解时优选固液比为1kg:(8～12)L。

进一步优选，步骤(1)中的水解条件为：氢离子摩尔浓度为1～2mol/L 的硫酸在90～100℃下水解1～3h，阿拉伯胶溶解时固液比1:10。

所述的阿拉伯胶较难溶解于冷水，应先进行一定程度的粉碎，用热水 溶解后再加入酸溶液，提高热效率，缩短水解时间。

(2)脱色：将步骤(1)所得水解中和液连续通过装有吸附剂A的 固定床，收集流出液为脱色液。

优选地，所述吸附剂A为颗粒活性炭、非极性大孔型聚苯乙烯系吸 附树脂、弱极性大孔型聚苯乙烯系吸附树脂、非极性大孔型丙烯酸系吸附 树脂、弱极性大孔型丙烯酸系吸附树脂、非极性凝胶型聚苯乙烯酸系吸附 树脂、弱极性凝胶型聚苯乙烯酸系吸附树脂、非极性凝胶型丙烯酸系吸附 树脂和弱极性凝胶型丙烯酸系吸附树脂中的任意一种。

以上吸附剂对水解液中的色素具有良好的吸附选择性，脱色效果好， 且吸附速率快，目标物回收率在95％以上，脱色率在95％以上。另外，以 上吸附剂本身物化性质稳定，机械强度高，易于再生，可循环利用性高。

进一步优选，所述吸附剂A为颗粒活性炭、非极性大孔型聚苯乙烯 系吸附树脂或非极性大孔型丙烯酸系吸附树脂。所述颗粒活性炭优选为 200～400目的活性炭。

水解中和液累积通入体积为固定床体积的2～12倍。

优选地，该步骤中脱色条件为：温度20～40℃，水解中和液流速为0.5～3 床层/小时。

脱色温度不宜太高，色素吸附脱附速率均增大，色素脱除能力差。

因此进一步优选，步骤(2)中脱色条件为：温度25～30℃，流速为 0.8～1.5床层/小时。

(3)脱盐：将步骤(2)所得脱色液过水系微孔滤膜得预处理液，将 所述预处理液进行电渗析脱盐得脱盐液。

步骤(3)中所述电渗析脱盐过程如下：

以预处理液和纯水分别作为浓相和稀相，用Na₂SO₄溶液作为极水， 在泵的驱动下，预处理液、纯水、极水分别在浓室、稀室、极室循环，控 制流速，在恒定的操作电压下脱盐2～5小时。

所述水系微孔滤膜的孔径为0.45μm。

补给盐浓度不宜过高，会对电渗析仪器造成一定腐蚀损耗。纯水所用 量越大，除盐效率越大，但后续的废水量体积较大，回收处理能耗较大， 因此纯水用量不宜太大。优选地，所述Na₂SO₄溶液质量分数浓度为 3％～8％，极水、预处理液和纯水的体积比为0.25:1:1～3。

优选地，该步骤中电渗析条件为：操作电压20～30V，各液体流量为 10～30L/h。

此除盐方式具有处理量大、效率高、酸碱消耗少、废水量小、除盐条 件可控等优点，同时，设备结构紧凑、美观合理，占地面积小。该方法明 显优于传统的离子交换或反渗透脱盐工艺。

最优选地，所述脱盐步骤为：

将步骤(2)所得脱盐液过0.45μm水系微孔膜得预处理液，质量分数 浓度为3％～8％Na₂SO₄溶液为极水、在泵的驱动下，预处理液、纯水、极 水分别在浓室、稀室、极室循环，控制流速20L/h，在恒定的操作电压(25V) 下脱盐2.5小时，极水、预处理液和纯水的体积比为0.25:1:1～3。

(4)吸附分离：将步骤(3)所得脱盐液在室温下通过装有吸附剂B 的固定床，收集洗脱液，将所述洗脱液于45～60℃减压浓缩得过饱和糖浆。

优选地，所述吸附剂B为非极性大孔型聚苯乙烯系吸附树脂、非极 性大孔型丙烯酸系吸附树脂、非极性凝胶型聚苯乙烯酸系吸附树脂、非极 性凝胶型丙烯酸系吸附树脂、颗粒活性炭、键合有C₁₈的硅胶和键合有C₃₀的硅胶中的任意一种。

以上吸附剂对阿拉伯糖和其他杂糖有很高的选择性，吸附容量大，得 到的阿拉伯糖的回收率在85％以上。且以上吸附剂机械强度大，易于再生。

进一步优选，所述吸附剂B为颗粒活性炭、非极性大孔型聚苯乙烯 系吸附树脂或非极性大孔型丙烯酸系吸附树脂。

优选地，该步骤中上样液(脱盐液)固形物浓度为75mg/mL ～120mg/mL，取步骤(3)所得脱盐液5～8BV以0.5～1.5BV/h的流速加入， 收集流出液。优选6～7BV的脱盐液，流速为0.8～1.5BV/h。

步骤(4)中减压浓缩得到的糖浆中的含水量为60％～200％。

(5)结晶：将步骤(4)所得过饱和糖浆经结晶、干燥处理得L-阿 拉伯糖白色粉末。

步骤(5)所述结晶、干燥过程如下：

将(4)得到的过饱和糖浆用醇进行热溶，再逐步降温至室温后，加 入阿拉伯糖晶种进行诱导结晶，冷却结晶24～72小时后过滤，50～60℃真 空干燥得到纯度高达98％以上的L-阿拉伯糖白色粉末。

所述醇为甲醇或乙醇，加入量和过饱和糖浆的比例为(6～10)L:1kg。

逐步降温的降温幅度为0.2～3℃/min，结晶温度为-5～10℃。

所述热熔过程如下：

过饱和糖浆在60～85℃下溶于体积百分浓度为70％～90％的甲醇或乙 醇溶液中，甲醇或乙醇溶液和过饱和糖浆体积比例为1:6～1:10，加热回流 的1～3h，优选70％～80％的乙醇，体积比例为1:7～1:8。

进一步优选，该步骤中得到溶液自然冷却后，加入阿拉伯糖晶种进行 诱导结晶，并放至-5～10℃环境下结晶24～72h，进一步优选0～5℃，结晶 48～56h。

本发明中的回收率和纯度的计算方法如下：

回收率＝处理后溶液中L-阿拉伯糖质量/处理前溶液中L-阿拉伯糖质 量

纯度＝处理液中L-阿拉伯糖的质量/处理液中固形物的总质量

本发明中所涉及到的术语意义具体解释如下：

固形物浓度为75～120mg/mL的溶液，是指每毫升溶液浓缩至质量不 变时含有75～120mg固形物，由于溶液成分复杂，会有一定的不溶物质， 计算总质量时指的是整个体系的总质量，包括悬浮或沉淀的质量。

BV：床层体积，指步骤(2)、(4)中固定床吸附柱中活性炭吸附剂 装填的床层体积。

BV/h：流动相每小时流过(2)、(4)中固定床吸附剂的床层体积数。

本发明的工艺流程绿色环保，以L-阿拉伯糖含量最高且价廉的天然 产物阿拉伯胶为原料，通过集成多种高效的分离单元操作，阿拉伯胶用无 机酸水解得到含有阿拉伯糖的水解液，利用活性炭对色素的吸附能力强于 阿拉伯糖的特点，选择性吸附色素，达到脱色效果，进一步电渗析脱盐方 便后续分离及纯化过程。各步骤间共同作用使最终得到了纯度达98％以上 的高纯度L-阿拉伯糖，整个工艺易于实现，参数便于控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是所提供的工艺路线具有产生三 废少、工艺简单、收率高、生产成本低、适合大规模化生产等优点，具有 明显的商业实施价值和经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例1中所得产品的HPLC色谱图；

图2为本发明实施例1提取制备的高纯度L-阿拉伯糖晶体的实物照 片。

具体实施方式

下面结合高纯度L-阿拉伯糖的制备方法和测试结果对本发明进一步 说明。

实施例1

(1)水解：取1000mL圆底三口烧瓶，加入350mL去离子水。采用 油浴加热使温度上升至80℃，加入约50g阿拉伯胶，开动磁力搅拌(转速 ＝300～400rpm)至阿拉伯胶溶解，并继续加热至90℃，此时加入经预热的 150mL H₂SO₄溶液(浓度1mol/L，即用移液管量取50mL 50％发烟硫酸再 加水定容至1L)，上述过程温度会小幅下降，约降至74～78℃，最终反应 液中硫酸浓度＝0.3mol/L(pH＝0.51)。反应时间从加入硫酸开始计时，反 应1小时即停止搅拌和加热，随后水解液转移至2升锥形瓶中并密封，再 用冷水浴迅速冷却以终止反应。共得到537mL料液，阿拉伯糖为23.42g， 纯度为51％。用15M NaOH中和至pH＝7。

(2)脱色：将料液加入到装有200～400目的活性炭固定床中(高 30.0cm，内径1.5cm)采用湿法装填，并经大流速纯水压实。所用活性炭 柱床层体积(BV)＝53mL，上柱过程，流速为1.32mL/min，即1.5BV/h。收 集所有流出液，为506mL脱色液，阿拉伯糖为21.1g，此阶段的回收率高 达90％。

(3)脱盐：将得到的脱色液过0.45μm水膜，再加入到电渗析槽中， 用5wt％Na₂SO₄作为极水，电渗析条件为：电压25V、各物料流量为20L/h。 其中，极水、预处理液和纯水的体积比为0.25:1:1。电渗析脱盐2.5小时 至淡化室电导率由最初的11.2mS/cm降低到340μS/cm，导出料液为 481mL，阿拉伯糖为19.51g，此工艺操作回收率约为92％，纯度提高至60％。 (4)吸附分离：将料液加入到装有200～400目的活性炭固定床中(高 25.0cm，内径1.0cm)采用湿法装填，并经较大流速纯水压实。所用活性 炭柱床层体积(BV)＝20mL，上柱过程，流速为0.5mL/min，即1.5BV/hr。 收集4～11BV的流出液，得到371mL溶液，阿拉伯糖为16.71g，此阶段回 收率约为85％，纯度提高88％。

(5)结晶：取步骤(4)得到的流出液减压蒸馏至糖浆，加入80％ 的乙醇溶液，糖浆与乙醇溶液固液比为1:8，92℃水浴加热回流3h。自然 回流冷却至室温，加入少量阿拉伯胶晶体，放入5℃冰箱中冷却结晶56h 后，过滤，滤饼用适量无水乙醇冲洗，滤液经浓缩回收溶剂后循环至步骤 (4)加以套用。充分抽干后，放入真空干燥箱中25℃干燥4h，得14.51g， 纯度为98.5％，以最初水解液中L-阿拉伯糖为基准，整个工艺L-阿拉伯糖 的回收率为62％，质量为最初阿拉伯胶投料量的29％，所得产品的HPLC 色谱图如图1所示，实物图片如图2所示。

实施例2

(1)水解：取1000mL圆底三口烧瓶，加入450mL去离子水。采用 油浴加热使温度上升至80℃，加入约40g阿拉伯胶，开动磁力搅拌(转速 ＝300～400rpm)至阿拉伯胶溶解，并继续加热至90℃，此时加入经预热的 50mL H₂SO₄溶液(浓度1mol/L，即用移液管量取50mL 50％发烟硫酸再加 水定容至1L)，上述过程温度会小幅下降，约降至74～78℃，最终反应液 中硫酸浓度＝0.1mol/L(pH＝0.70)。反应时间从加入硫酸开始计时，反应3 小时即停止搅拌和加热，随后水解液转移至2升锥形瓶中并密封，再用冷 水浴迅速冷却以终止反应。共得到523mL料液，阿拉伯糖为19.23g，纯 度为49％。用15M NaOH中和至pH＝7。

(2)脱色：将料液加入到装有200～400目的非极性大孔型聚苯乙烯 系吸附树脂固定床中(高25.0cm，内径1.5cm)采用湿法装填，并经大流 速纯水压实。所用活性炭柱床层体积(BV)＝44mL，上柱过程，流速为 0.75mL/min，即1BV/h。收集所有流出液，为502mL脱色液，阿拉伯糖为 17.56g，此工艺回收率高达91％。

(3)脱盐：将得到的脱色液过0.45μm水膜，再加入到电渗析槽中， 用5wt％Na₂SO₄作为极水，电渗析条件为：电压25V、各物料流量为15L/h。 电渗析脱盐2小时至淡化室电导率由最初的10.05mS/cm降低到 278μS/cm，导出料液为475mL，阿拉伯糖为15.94g，此阶段回收率约为 91％，纯度提高62％。

(4)吸附分离：将料液加入到装有200～400目的活性炭固定床中(高 25.0cm，内径1.0cm)采用湿法装填，并经大流速纯水压实。所用活性炭 柱床层体积(BV)＝20mL，上柱过程，流速为0.4mL/min，即1.2BV/hr。收 集3～9BV的流出液，得到354mL溶液，阿拉伯糖为13.75g，此阶段回收 率约为86％，纯度提高88％。

(5)结晶：取将得到的流出液减压蒸馏至糖浆，加入80％的乙醇溶 液，糖浆与乙醇溶液固液比为1:8，92℃水浴加热回流3h。自然回流冷却 至室温，加入少量阿拉伯胶晶体，放入5℃冰箱中冷却结晶56h后，过滤， 滤饼用适量无水乙醇冲洗,滤液经浓缩回收溶剂后循环至步骤(4)加以套 用。充分抽干后，放入真空干燥箱中25℃干燥4h，得11.45g，纯度为98.2％， 以最初水解液中L-阿拉伯糖为基准，整个工艺L-阿拉伯糖的回收率为 60％，质量为最初阿拉伯胶投料的28％。

L-阿拉伯糖浓度测定方法

以上实施例均采用以下方法测试L-阿拉伯糖、D-半乳糖、鼠李糖等 各单糖浓度。

采用美国戴安D3000超高效液相色谱仪建立UHPLC分析方法，检测 器为电化学喷雾检测器(CAD)；色谱柱为：GRACE Prevail Carbohydrate ES(250mm×4.6mm,5μm)；进液量：5μL；流动相为乙腈-水(75:25,v/v)； 流速：1mL/min；柱温：30℃。

各单糖线性范围：

阿拉伯糖：0.5～4g/L；半乳糖：0.1～1g/L；鼠李糖：0.1～1.5g/L

各单糖标准曲线：

阿拉伯糖：y＝0.0036x²+0.2665x，R²＝0.9991；半乳糖：y＝0.0017x²+0.1329x，R²＝0.9998；鼠李糖：y＝0.0014x²+0.0331x，R²＝0.9995。x—— 峰面积，y——浓度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干 改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。