一种从脱脂麦胚中提取制备高纯度棉子糖的工艺

摘要

本发明公开了一种从脱脂麦胚中提取制备高纯度棉子糖的工艺，以脱脂麦胚为原料进行渗漉提取得棉子糖提取液，将棉子糖提取液经萃取进行脱色得萃取液，将萃取液进行电渗析脱盐处理得脱盐液，脱盐液进一步模拟移动床除去杂质，浓缩棉子糖得过饱和糖浆，最后将棉子糖过饱和糖浆进行结晶处理，最终得到了纯度达98％以上的高纯度棉子糖，收率为75％以上，整个工艺简单可靠、易操作，易于实现，参数便于控制。

说明书

技术领域

本发明属化学工程技术领域，特别涉及一种从脱脂麦胚中提取高纯度 棉子糖的工艺流程。具体而言，是利用渗漉提取、萃取脱色、电渗析脱盐、 模拟移动床分离及结晶等组合分离工序，从脱脂麦胚中提取分离得到高纯 度棉子糖精品。

背景技术

是广泛存在于天然产物中的一种功能性低聚糖，其标准命名为O-α-D- 吡喃半乳糖基(1→6)-α-D-吡喃葡萄糖基(1→2)-β-D-呋喃果糖。属非还原 糖，由半乳糖、葡萄糖、果糖缩合而成。其结构式如下：

棉子糖曾被认为是抗营养因子，其理由是人体缺乏α-半乳糖苷酶，致 使棉子糖不能在小肠中被分解、吸收，因而在大肠中积累，为肠道菌群所 利用。棉子糖进入大肠后，能被肠道中的双歧杆菌利用，促进双歧杆菌增 殖，同时生成短链脂肪酸，降低肠道内的pH，增加粪便的湿度，防止便 秘，并且有效抑制有害菌的增殖，从而改善肠胃功能，因此可作为益生元 加入食品中。棉子糖还具有保肝作用，有毒代谢产物常在肝脏中分解，摄 入棉子糖可以抑制有害菌增殖，从而减少有毒代谢产物的形成，减轻肝脏 解毒负担。同时，棉子糖还被认为具有抗癌、抗皮炎、降低血清胆固醇、 增强免疫等生理功效。由于其能量低，可作为减肥食品的甜味剂，高纯度 的棉子糖还可用于糖尿病患者食品。除此之外，以棉子糖为原料合成的棉 子糖脂肪酸酯是一种非离子表面活性剂，具有高安全性、对皮肤刺激小、 变应性低等特点，因此特别适用于化妆品行业。上述特点，使得棉子糖在 食品、保健品、医药、日用化学品行业都有广泛的应用前景。

棉子糖广泛存在于各种天然产物中，如棉籽、甜菜、豆科植物、麦类 等。棉籽与小麦胚芽中均有较高的棉子糖含量，棉籽中含量约为4％～9％， 脱脂麦胚与其相当。脱脂麦胚是小麦胚芽提取小麦胚芽油后的副产品，我 国每年小麦胚芽年潜藏量高达200～250万吨，小麦胚芽含有极其丰富且优 质的蛋白质、脂肪、多种维生素、矿物质，被誉为“人类天然的营养宝库”， 其高营养价值近年来也受到人们的关注，不断开发出系列功能性食品。我 国小麦胚芽深加工产品的生产刚刚起步，从脱脂麦胚制备棉子糖，对加速 小麦胚芽的综合利用具有重要意义。

现有技术中，从脱脂麦胚提取制备高纯度棉子糖，通常是用高浓度的 醇水溶液将脱脂麦胚中的棉子糖浸提出来，然后将提取液经过脱色、提纯、 精制后获得高纯度棉子糖。魏培培(魏培培，脱脂麦胚中棉子糖的提取制 备，2011，江南大学：无锡)报道了一种从脱脂麦胚提取制备高纯度棉子 糖的工艺，首先采用搅拌提取法从麦胚中获得提取液，在50℃、料液比 1:13的条件下用75％的乙醇水溶液搅拌提取2.5小时，棉子糖浸出率为 83.65％。并选择在醇体系中脱色，最佳脱色条件为pH5.0，添加4％(w/v) 活性炭，脱色温度50℃，脱色时间2小时。脱色液用结晶法初步分离棉子 糖获得棉子糖粗品，再重结晶得到棉子糖晶体。

上述的工艺，总收率最佳为28.9％(脱脂麦胚中棉子糖含量为7.95％)， 收率不高。工业化方面也存在一些问题，主要是：静态法浸出溶剂用量大， 提取率不高，一般需要长时间、反复多次提取，搅拌提取对设备的要求也 比较高；醇体系中静态吸附脱色，活性炭消耗量大，同时活性炭粉末难以 重复利用；由于棉子糖纯度提高不甚理想，获得98％以上纯度的棉子糖需 要多次结晶，多次结晶会导致棉子糖的收率偏低，结晶时间延长，这也会 限制工业规模和效率。

因此，现有的从脱脂麦胚中提取、提纯棉子糖的工艺，还存在一定的 缺点，并不适合工业化生产，其在成本控制、收率方面，都需要进行一定 改进。因而需要在现有技术的基础上，简化、优化工艺，寻找到一种工艺 简单、低成本、高收率的从脱脂麦胚中提取高纯度棉子糖的方法。

发明内容

本发明提供了一种从脱脂麦胚中提取制备高纯度棉子糖的工艺，最终 得到了纯度98％以上的高纯度棉子糖，收率为75％以上，整个工艺简单可 靠、易操作，易于实现，参数便于控制。

一种从脱脂麦胚中提取制备高纯度棉子糖的工艺，包括如下步骤：

(1)渗漉提取：将脱脂麦胚进行渗漉提取，收集含棉子糖的渗漉液； 渗漉提取过程如下：

将脱脂麦胚装入渗漉柱，向渗漉柱中加入体积百分浓度为60％～90％ 的乙醇水溶液，40～80℃下浸泡20～60min，保温状态下，在渗漉柱中进行 渗漉操作，收集出口处含棉子糖的渗漉液，并同时以0.5～3倍脱脂麦胚体 积/小时的流速向渗漉柱中连续补加提取溶剂，直至收集到的渗漉液的体积 为脱脂麦胚堆积体积的3～5倍。

优选地，浸泡时加入的提取溶剂的体积为脱脂麦胚堆积体积0.6～1倍。

步骤(1)中在40～80℃下用60％～90％的乙醇水溶液提取，棉子糖在 该浓度下的乙醇水溶液中溶解度大，脱脂麦胚中其他成分在其中的溶解量 少，因此该浓度下，棉子糖的提取率高，而杂质的含量低，从而在提高棉 子糖提取率的同时提高棉子糖的纯度。棉子糖的提取率能达到98％以上， 渗漉提取液中棉子糖的质量百分比为15％～25％(以干基为基准)，提取液 中同时含有色素、盐分、单糖、蔗糖等杂质。最优选在60℃操作温度下， 用80％的乙醇水溶液提取。

将原料脱脂麦胚浸泡30～60min，使脱脂麦胚充分溶胀，渗漉时需保 证脱脂麦胚能够完全浸泡在提取溶剂中。保温状态下在收集渗漉液的同时 向渗漉柱中连续补加提取溶剂，从而在保证棉子糖高提取率的同时减少溶 剂消耗，并降低回收溶剂的能耗。连续补加的提取溶剂流速优选为0.5～3 倍脱脂麦胚堆积体积/小时。在该流速范围内，既可以保证提取溶剂和脱脂 麦胚有充分的接触时间，提高溶剂的利用率，又能兼顾生产能力。

该步骤所使用的渗漉柱可以是单柱或多柱串联。多柱串联操作时，前 一柱渗漉完成后用去离子水回收得到的稀醇溶液可直接作为后一渗漉柱 的溶胀溶剂，避免了溶剂的蒸馏回收过程，大大降低生产能耗。

该步骤中为了提高溶剂的利用效率，可对溶剂按以下方式进行回收处 理：使去离子水自上而下流经渗漉柱，控制流速为0.5～1.5倍脱脂麦胚堆 积体积/小时，收集出口处含提取溶剂与水的混合液体，经蒸馏处理回收溶 剂。

(2)萃取脱色：将步骤(1)所得渗漉液经浓缩除醇处理得固态粗产 物，将所述固态粗产物溶解后过滤取滤液，所述滤液经有机溶剂萃取取水 相，所得水相经浓缩去除有机溶剂得脱色液。

优选地，该步骤中固态粗产品溶解后的体积为最初渗漉液体积的 15％～35％。若除醇后体积过大，乙醇未除尽，会影响萃取效果。因此需要 控制浓缩过程，确保乙醇除尽，回收乙醇可再循环利用为渗漉的提取剂。

优选地，该步骤中所述有机溶剂为正丁醇、异丁醇、乙酸乙酯、正己 烷和石油醚中的任一种，有机溶剂的用量为滤液体积的0.5～1.5倍。

进一步优选正丁醇，用量为滤液体积的0.5～1.5倍，可萃取脱掉绝大 部分色素，水相从棕黄色变成了淡黄色。

萃取后，有机溶剂相可蒸发回收溶剂，作为萃取剂循环使用。

该步骤中萃取结束后静置30～120min分层后分离得到水相。相比于活 性炭固定床脱色，设备及操作更为简单，成本更低，且脱色效果明显。

(3)脱盐：将步骤(2)所得脱色液经水系微孔滤膜处理后，用水配 成固形物浓度在50～150mg/mL的溶液作为预处理液，将所述预处理液进 行电渗析脱盐2～3小时得脱盐液。

所述水系微孔膜的孔径为0.45μm。

所述电渗析脱盐过程为：将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2～3小时。

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)。补给盐浓度不宜过高，会对电渗析仪器造 成一定腐蚀损耗。

优选地，电渗析条件为：操作电压15～30V，各液体流量为10～30L/h。 电压越大，脱盐也彻底，但能耗更大。

电渗析的方法与其他脱盐方法相比较具有操作连续、不增加新杂质、 无环境污染、成本低廉、糖分损失低等优点。电渗除掉了料液中的盐分及 少量色素，避免了盐分对后续分离能力及结晶过程中收率的影响，提高了 分离效率和棉子糖的总体收率。

(4)模拟移动床分离：将步骤(3)得到的脱盐液进入模拟移动床色 谱分离装置进行分离，在棉子糖的出料口收集棉子糖流分，浓缩得到棉子 糖过饱和糖浆；

所述模拟移动床色谱分离装置采用本领域常规的四区模拟移动床即 可，综合考虑模拟移动床设备的性能和设备成本，每区由2～4根色谱柱组 成，连续进行进料、出料操作。装置有两个进口，分别为进料口和洗脱口， 两个出口，分别为萃取口和萃余口。四个进出口将模拟移动床装备分为四 区：I区：洗脱口与萃取口之间，主要功能是洗脱含蔗糖的杂质，和再生 固定相；II区：萃取口与进料口之间，主要功能是富集含蔗糖的杂质；III 区：进料口与萃余口之间，主要功能是在萃余相分离得到高纯度棉子糖； IV区：萃余口与洗脱口之间，为解析区(结构如图3所示)。

本发明中色谱柱采用强酸性钙型或钠型离子交换树脂为固定相吸附 剂，采用水作洗脱剂。

进一步地，所述固定相吸附剂的交联度为2％～8％，目数为100～400 目。

利用金属吸附剂与各种糖醇之间的亲和力的差别及树脂孔径大小与 糖醇分子的线团尺寸间的相对关系的差别，实现棉子糖与蔗糖等杂糖之间 的完全分离。所用强酸性钙型或钠型离子交换树脂是用氢型离子交换树脂 按照国标GB/T 5476-1996处理。先用热水清洗数次至无泡沫，然后湿法 装入玻璃层析柱中，进行酸洗、碱洗后，使用3～5个固定床床层体积的浓 度为1M的对应离子盐溶液转型，流速控制在0.5床层/小时，然后用去离 子水清洗。本发明采用水做洗脱剂，避免了引入乙腈等有机溶剂。

进一步优选目数为200～400目、交联度为2％的强酸性钠型离子交换 树脂。树脂交联度越低，孔隙率越大，离子交换速率快。树脂粒径越细， 传质快，理论等板高度低，柱效率高，分离效果好。

优选地，在模拟移动床色谱分离装置中分离操作时，控制切换时间为 30～90s，I区流率(0.67～0.86)，II区流率(0.44～0.70)，III区流率(0.47～0.79)， IV区流率(0.41～0.60)。

切换时间优选30～90s，切换时间越短，有助于分离效率的提高，但旋 转阀的切换时间太小，则旋转阀的磨损大，影响其使用寿命，因此，本发 明中综合考虑优选30～90s。

其中，无量纲流率定义为为各区流速，V为单支色 谱柱内柱体积，ε为单支色谱柱内总孔隙率，t_s为切换时间，m_j代表各区 的流率。

进一步优选I区流率(0.75)，II区流速(0.47)，III区流率(0.51)，IV区 流率(0.5)。

优选地，所述模拟移动床色谱分离装置中采用等温操作，柱温为 60～80℃。温度对分离效果的影响是双方面的，温度增加，传质效率增加， 柱效提高；但同时温度提高，分离选择性降低，分离效果变差。在60～80℃ 范围内，棉子糖的纯度可接近95％。综合考虑，本发明优选60～80℃为分 离温度，进一步优选柱温为60～65℃，效果最好，溶剂消耗低，固定相生 产率高。

脱盐液进入系统分离时，可最终得到两股物流，物流一为富含棉子糖 的萃余液(棉子糖的纯度90％～95％，一般＞93％)的组分，另一物流为 主要含蔗糖(棉子糖纯度＜25％)等杂糖的萃取液。并将得到的萃余相浓 缩成过饱和糖浆。

(5)结晶：将所述棉子糖过饱和糖浆结晶、干燥处理得棉子糖精品。

所述结晶和过滤的过程为：将步骤(4)所得的棉子糖过饱和糖浆在 60～90℃用醇进行热溶，再将温度逐步降至25～40℃，加入棉子糖晶种进 行诱导结晶，冷却结晶12～36小时后过滤，30～50℃真空干燥得到纯度高 达98％以上的棉子糖精品。结晶母液可并入电渗析脱盐液，所得料液可再 进行模拟移动床分离，提高棉子糖的回收率。

优选地，所述醇为甲醇、乙醇中任意一种，加入量和棉子糖过饱和糖 浆的比例为(3～6)L:1kg。

优选地，该步骤中降温幅度为0.5～3℃/min，结晶温度为-5～20℃。

本发明中所涉及到的术语意义具体解释如下：

脱脂麦胚堆积体积：将脱脂麦胚湿法装填入渗漉柱，脱脂麦胚处于自 由堆积状态下的体积，其表观密度为堆积密度，约为0.4g/mL。

固形物浓度100mg/mL的溶液，是指每毫升溶液浓缩至质量不变时含 有100mg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。

干基是指溶液干燥后得到的固体的质量，即溶液中的全部溶质的质量 总和。

本发明的工艺以模拟移动床分离为核心技术分离棉子糖提取液中单 糖、蔗糖等杂质，采用电渗析进行脱盐，从而降低盐分对棉子糖结晶过程 的影响，在简单工艺和低成本的条件下可获得高的棉子糖提取率。

本发明中采用渗漉法从脱脂麦胚中提取棉子糖，与常规的溶剂浸取法 相比，渗漉过程中始终保持着细胞内外最大的浓度梯度，可以加速溶出传 质，显著提高提取速率、降低溶剂消耗，使棉子糖提取率达到95％以上， 渗漉提取液中棉子糖的质量百分比(以干基为准)在15％～25％之间。

本发明采用萃取脱除渗漉提取液中的色素，利用正丁醇等有机溶剂对 色素的萃取能力强于棉子糖的特点，选择性地萃取色素，达到脱色效果。 相比于活性炭固定床脱色，所需设备及操作更为简单，成本更为低廉。并 进一步采用成本低廉的电渗析法脱盐的方法，对脱色液中的盐分及少量色 素进行脱除，方便后续分离及纯化过程，各步骤协同作用。

本发明采用模拟移动床分离蔗糖与棉子糖，棉子糖跟蔗糖等其他杂糖 在此离子交换树脂上具有极好的吸附分离性能，基本实现棉子糖与杂糖的 完全分离。过程中采用水做洗脱剂，没有任何污染。且生产过程全自动化， 生产效率高，占用场地小，能耗低，生产成本低。

并采用一次结晶便可得到纯度达98％以上的棉子糖精品，降低了现有 技术多次重结晶中棉子糖的损失，提高了棉子糖的收率。

总的来说，本发明将以上五道工序结合起来从脱脂麦胚中提取提纯棉 子糖的技术，相对现有技术所具有的有益效果如下：

本发明的工艺路线短，对生产设备要求低，操作简单；本工艺路线中 的各溶剂均可回收，因此本工艺中大多数的原料均可重复利用；模拟移动 床的使用使棉子糖的收率大大增加。本工艺路线中工艺流程简单、生产成 本低、生产效率高，易于工业化大规模生产。

附图说明

图1为根据本发明建立的测定纯品棉子糖浓度方法而得到的HPLC色 谱图；

图2为根据本发明建立的测定纯品蔗糖浓度方法而得到的HPLC色谱 图。

图3为采用的四区模拟移动床装置示意图。

具体实施方式

下面结合一种从脱脂麦胚中提取高纯度棉子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)称取脱脂麦胚(其中，棉子糖质量百分比为4.6％)200g，湿法 填装入渗漉柱(Φ4.0×50cm)内，装填均匀后其堆积体积约为500mL， 60℃恒温浸泡30min，使其充分溶胀，开启渗漉柱出口阀，并同时从柱顶 连续加入80％的乙醇水溶液，控制流速18～20mL/min，直至收集的渗漉液 体积为1371mL。

称取230g脱脂麦胚，湿法装填均匀后，其堆积体积为592mL，其余 条件同上，收集渗漉液的体积为1948mL。

称取150g脱脂麦胚，湿法装填均匀后，其堆积体积为355mL，其余 条件同上，收集渗漉液的体积为1066mL。

合并上述三组渗漉液，作为后续操作的原料液，经分析，固形物浓度 为28.6mg/mL，棉子糖纯度为20.8％，收率为97.8％。(26g棉子糖)

(2)取500mL渗漉液，浓缩至浓稠态，加入去离子水，使得总体积 小于150mL，滤布过滤后，再经滤膜过滤装置过滤，所得滤液定容至 150mL，取其中135mL，加入等量正丁醇萃取。分析萃取后的水相，棉子 糖纯度为28.9％，固形物浓度为98.6mg/mL，此工艺棉子糖回收率为92％。

将水相浓缩除醇后，加入去离子水，配制成固形物浓度100mg/mL的 溶液。

(3)脱盐：将得到的萃取脱色液液过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。极水、预处理液和纯水的体积比为0.25:1:1，电渗析脱盐2小 时至淡化室电导率由最初的979μS/cm降低到85.7μS/cm，脱盐率高达91％， 此阶段棉子糖的回收率为95％。

(4)模拟移动床分离：模拟移动床装置为8根25cm*0.46cm的不锈 钢填有200～400目、交联度为2％的钠型强离子交换树脂串联组成，将脱 盐液从进料口以流速0.1mL/min通入到模拟移动床装置中，各区流率为： I区流速(0.75)，II区流速(0.47)，III区流率(0.51)，IV区流率(0.5)。切换时 间为60s，分离温度为60℃。从萃余口得到的含有棉子糖的萃余相。经 HPLC分析，洗脱液棉子糖纯度93％，此阶段棉子糖的回收率为93％。

(5)结晶：取将得到的流出液减压蒸馏至糖浆，加入乙醇溶液，得 到乙醇体积百分含量为85％，固液比为1:6，90℃水浴加热回流20min。 自然回流冷却至室温，加入少量棉子糖晶体，放入5℃冰箱中冷却结晶24h 后，过滤，并用适量无水乙醇冲洗。充分抽干后，放入真空干燥箱中30℃ 干燥6h，得2.02g，纯度为98.5％，以脱脂麦胚中棉子糖为基准，整个工 艺棉子糖的收率为68％。结晶后的母液可再进一步循环套用至吸附分离步 骤，结晶阶段回收率可以100％计算，从而使工艺总收率提高至79.5％。

实施例2

取(1)中的提取液500mL，(2)的操作方法同实施例1，经分析水 相棉子糖纯度为28.7％，固形物浓度100.7mg/mL。

(3)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2.5小时至淡化室电导率由最初的992μS/cm降 低到108μS/cm。

(4)模拟移动床分离：模拟移动床装置为8根25cm*0.46cm的不锈 钢填有200～400目、交联度为4％的钠型强离子交换树脂串联组成，将脱 盐液从进料口以流速0.1mL/min通入到模拟移动床装置中，各区流率为： I区流速(0.75)，II区流速(0.47)，III区流率(0.51)，IV区流率(0.5)。切换时 间为60s，分离温度为60℃。从萃余口得到的含有棉子糖的萃余相。纯度 为92％，回收率为91％。

(5)用乙醇体积百分含量为85％，固液比为1:8结晶12h。得棉子糖 1.94g，纯度为98.5％，以脱脂麦胚中棉子糖为基准，整个工艺棉子糖的收 率为65.4％。结晶后的母液可再进一步循环套用至吸附分离步骤，结晶阶 段回收率可以100％计算，从而使工艺总收率提高至76.1％。

实施例3

(1)、(2)操作方法同实施例1。

(3)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2.5小时至淡化室电导率由最初的1017μS/cm 降低到115μS/cm。

(4)模拟移动床分离：模拟移动床装置为8根25cm*0.46cm的不锈 钢填有100～200目、交联度为2％的钙型强离子交换树脂串联组成，将脱 盐液从进料口以流速0.1mL/min通入到模拟移动床装置中，各区流率为： I区流速(0.75)，II区流速(0.47)，III区流率(0.51)，IV区流率(0.5)。切换时 间为60s，分离温度为65℃。从萃余口得到的含有棉子糖的萃余相，纯度 为91％，回收率为92％。

(5)用甲醇体积百分含量为80％，固液比为1:8结晶24h。得棉子糖 1.92g，纯度为98.2％，以脱脂麦胚中棉子糖为基准，整个工艺棉子糖的收 率为64.7％。结晶后的母液可再进一步循环套用至吸附分离步骤，结晶阶 段回收率可以100％计算，从而使工艺总收率提高至77％。

实施例4

(1)、(2)、(3)、(4)操作方法同实施例3。

(5)用甲醇体积百分含量为85％，固液比为1:8结晶24h。得棉子糖 1.98g，纯度为98.5％，以脱脂麦胚中棉子糖为基准，整个工艺棉子糖的收 率为67％。结晶后的母液可再进一步循环套用至吸附分离步骤，结晶阶段 回收率可以100％计算，从而使工艺总收率提高至78％。

棉子糖浓度测定方法

以上实施例均采用以下方法测试棉子糖和蔗糖的浓度。

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(80:20,v/v)； 流速：1mL/min；柱温：30℃。

各单糖线性范围：

棉子糖：1～6g/L；蔗糖：1～6g/L各单糖标准曲线：

棉子糖：y＝2.1553*10^-4x²+0.02045x；蔗糖：y＝4.01*10^-4x²+ 0.01483x。x——峰面积，y——浓度。

经检测，棉子糖的保留时间为8.73min(附图1)，蔗糖的保留时间为 6.22min(附图2)。

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。