CN102020680A - 一种高纯度乳果糖的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功能糖制备领域一种高纯度乳果糖的制备方法。采用以下步骤：配制乳糖溶液浓度15%~20%，加入硼酸、NaOH调整反应得到转化液；将转化液进行离交脱Na⁺处理；进行颗粒活性炭柱脱色；将糖液脱硼酸，硼酸含量小于1mg/kg糖液干物质；浓缩糖液浓度至50~60%，使用10床式连续法色谱分离装置进行分离；水相结晶，降温速度为：60-50℃为0.8℃/h，50-30℃为1℃/h，30-13℃为1.1℃/h。可以提高乳糖的转化率，使乳果糖产品的得率大大提高；颗粒活性炭脱色；连续模拟移动床色谱分离，实现高纯度乳果糖的连续色谱分离，乳果糖纯度达到92%以上，利于水相结晶；水相结晶，纯度达到98%以上。

Description

一种高纯度乳果糖的制备方法

 技术领域    

本发明涉及功能糖制备领域，特别涉及一种高纯度乳果糖的制备方法。

背景技术   

乳果糖又叫乳酮糖、乳士糖、半乳糖基果糖甙，为由半乳糖与果糖以β-1,4糖苷键结合而成的合成二糖。分子式为C12H22O11，分子量为342。乳果糖具有良好的双歧杆菌增值功能，具有调节肠道微生态平衡的功效，在医药、食品及动物饲养方面有着广泛的应用。可以降低血氨，导泻，治疗便秘，还用于各种肝性疾病的防治，在食品方面还可以做为低热值甜味剂和功能性食品添加剂，应用广泛。

乳果糖的制备可采用化学法或生物法，其中目前应用成熟的方法为化学法，通常是以乳糖为原料，在碱性试剂的催化下发生异构化反应而生成的。在异构化反应中，二糖会发生降解反应，生成单糖如半乳糖等。目前，大量生产的厂家主要集中在国外，比利时Solvay（苏威）是世界上最大的乳果糖制造厂家，主要作为药品应用，而日本Morinaga（森永）奶制品公司是另一主要生产厂家，其产品主要用于食品添加剂。

乳果糖的化学法制备过程中，利用强碱性试剂如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙以及强有机碱胺类等来进行异构化反应，这些反应中，二糖的降解产物半乳糖等单糖的量大大增加，降低了乳果糖的得率，反应产物带有很重的颜色，难以进行分离和纯化。利用弱碱性试剂及强碱性离子交换树脂来催化异构化反应，产率上并不理想，不适合工业化。用硼酸盐和铝酸盐、偏铝酸盐作为碱性试剂催化异构化反应，由于该类试剂与乳果糖形成络合物，使反应向有利于形成乳果糖的方向进行，从而有较高的产率，但需要去除硼酸盐和铝酸盐、偏铝酸盐。

利用化学法制备的乳果糖还含有其他一些非功能性组分，如乳糖、半乳糖等，使乳果糖纯度不高，小于90%，这些成分的存在制约了乳果糖在药品及保健食品行业中的应用。利用乳果糖的结晶特性，可以以商品化乳果糖产品出发结晶制备高纯度的乳果糖产品，但是，纯度不高的乳果糖产品在水相中结晶困难，而主要采用甲醇或乙醇进行结晶操作，固体产品中会有甲醇或乙醇溶剂残留，从而影响产品质量。

发明内容   

针对现有乳果糖生产转化产率不高、低纯度乳果糖液结晶困难、终产品纯度不高等乳果糖生产问题，本发明提供了一种以纯乳糖为原料，提高乳果糖生产转化产率、提高终产品纯度的高纯度乳果糖的制备方法。

本发明具体是通过以下措施实现的：

一种高纯度乳果糖的制备方法，其特征是采用以下步骤：

（1）以乳糖为原料，配制乳糖溶液，浓度为15wt%~20wt%，按与乳糖摩尔比1：1的量加入硼酸，搅拌，用30%NaOH溶液调整pH至11.0，80℃条件下反应120min，降温至50~60℃得到转化液；

（2）将转化液泵入活化后的Amberlite IR-120Na强酸性阳离子交换树脂柱中进行离交处理，树脂用量为2~4L/kg转化液干物质，循环温度控制为40~50℃，得到糖液pH为4.5~6.5时终止；

（3）对步骤（2）中糖液进行颗粒活性炭柱脱色，为了达到好的效果，颗粒活性炭柱中装填Norit 1240Plus型颗粒活性炭，活性炭柱温度为70-80℃，糖液流速控制在2~3BV；

（4）将步骤（3）脱色后的糖液泵入活化后Amberlite IRA96C树脂柱中进行脱硼酸处理，树脂用量3~5L/kg糖液干物质, 温度40~50℃，循环操作使硼酸含量小于1mg/kg糖液干物质；

（5）浓缩步骤（4）中糖液浓度至50~60%，注入装有Amberlite CR1320K型色谱级强酸阳树脂的柱中，采用连续模拟移动床色谱分离法，以钾型离子树脂为载体，使用10床式连续法色谱分离装置进行分离，参数设置为：树脂柱内径120mm，树脂柱装填高度为350mm，模拟树脂床转速为3°/min，进料温度60-70℃，进料流速1.2-1.8L/h，进水流速2-3L/h，收集流出液高纯度乳果糖溶液流速1.4-2.0L/h，高纯度乳果糖溶液中溶质为乳糖和乳果糖的混合物，浓度为24-30wt%，洗脱液流速1.8-2.8L/h，溶质为葡萄糖、半乳糖及果糖混合物，浓度为17-22wt%；

（6）高纯度乳果糖溶液真空浓缩至浓度70%，温度为60℃，添加占溶液中干物质的重量0.2%-0.3%的乳果糖晶体，搅拌转速100r/min-300r/min，降温速度为：60-50℃为0.8℃/h，50-30℃为1℃/h，30-13℃为1.1℃/h，恒速搅拌48小时，离心，得到结晶乳果糖，在35~40℃下干燥制得固体成品。

对步骤（4）得到的糖液和步骤（5）得到的高纯度乳果糖溶液进行检测分析，分析方法为高效液相色谱法，氨基色谱柱，RI检测器，洗脱剂为乙腈：水=80：20，流速1.0ml/min。

虽然在产品分离提纯领域，连续模拟移动床色谱分离技术是一种使用比较普遍的技术，但在将连续模拟移动床色谱分离技术应用于乳果糖的分离提纯中，还是需要克服很多具体的技术问题，像参数的设置，浓度及流速的控制等，虽然有些参数可以通过有限次的实验得出，但仍然有很多参数的设定还是需要技术人员根据乳果糖的具体使用领域，根据经验，经过创造性劳动才能得到好的效果。

水相结晶技术也是一种使用普遍的结晶技术，但在乳果糖分离提纯具体技术中，只有糖液中乳果糖的纯度达到一定值之后，水相结晶才会取得好的效果，通过连续模拟移动床色谱分离技术的应用，使乳果糖的纯度达到92%以上，使水相结晶技术的应用成为可能。专利申请号为201010197402.7，名称为“一种D-甘露糖制备工艺”的中国专利申请公开了一种D-甘露糖的制备工艺，此工艺中包括先经过模拟移动床分离，再进行水相结晶的步骤，但D-甘露糖与乳果糖具有很大区别，在具体操作过程中会有很多参数设置方面的不同，本发明方法通过设置合理的水相结晶降温速度，使结晶乳果糖的纯度达到98%以上。

本发明的有益效果是：

(1) 利用碱/硼酸催化体系对乳糖进行异构转化，可以提高乳糖的转化率，使乳果糖产品的得率大大提高。

(2) 采用Amberlite IR-120Na强酸性阳离子交换树脂及Amberlite IRA96C弱碱性阴离子树脂除去Na⁺离子及硼酸，以及颗粒活性炭柱脱色，可以达到乳果糖精制、脱色的目的，硼酸含量降为1mg/kg以下，同时颗粒活性炭可再生使用，有利于降低生产成本。

(3) 采用Amberlite CR1320K型色谱级强酸阳树脂柱进行连续模拟移动床色谱分离，通过树脂柱装填高度调整，模拟树脂床转速控制，进料浓度、进料温度、进料流速、进水流速、流出液流速、洗脱液流速等参数的调节，实现高纯度乳果糖的连续色谱分离，产品液中乳果糖与乳糖及半乳糖的有效分离，乳果糖纯度达到92%以上，利于水相结晶。

(4) 对纯度较高乳果糖液产品进行水相结晶，可以避免使用醇结晶乳果糖醇残留的问题，结晶后产品纯度达到98%以上。

附图说明   

附图1为本发明10床式连续法色谱分离装置结构示意图，

图中：A-J为10根填料柱，1-10依次为10根填料柱的进料口、出料口，a为脱硼酸处理后的糖液，b为流出乳糖溶液，c为流出液高纯度乳果糖溶液，d为洗脱液，e为水，

图中，箭头表示液体流动方向。

具体实施方式

实施例1：

（1）称取10kg高纯度乳糖，加去离子水配制成浓度15%的乳糖溶液，加入1.8kg硼酸，搅拌，用30%NaOH溶液调整pH至11.0，80℃条件下反应120min得转化液，迅速取出降温至50℃；        

（2）将降温后转化液泵入装有Amberlite IR-120Na强酸性阳离子交换树脂，柱内径250mm，高1500mm的层析柱中，树脂装填高度为900mm进行循环离交处理，循环温度控制为50℃，中止糖液的pH控制为 4.5；

（3）离交处理后的糖液进行脱色，采用Norit 1240Plus型颗粒活性炭，活性炭柱内径250mm，高1500mm，活性炭装填高度为1100mm，温度77℃，流速控制在3BV；

（4）脱色后的糖液泵入装有Amberlite IRA96C树脂柱，柱内径300mm，高1500mm，树脂装填高度为1000mm，进行脱硼酸处理，温度45℃，最终硼酸含量为0.56mg/kg糖液干物质。脱除硼酸后糖液使用高效液相色谱检测，糖液各组分占总干物质的量分别为乳果糖76.3%，乳糖12.2%，半乳糖8.5%，其它糖3.0%（果糖+葡萄糖）；

（5）脱硼酸处理后的糖液浓度浓缩至50%，泵入装有Amberlite CR1320K型色谱级强酸阳树脂的10床式连续色谱分离***，如图2所示，树脂柱内径120mm，树脂柱装填高度为350mm，模拟树脂床转速为3°/min，进料温度67℃，进料流速1.8 L/h，进水流速3 L/h，流出液流速1.8L/h，洗脱液流速2.7 L/h，得流出液高纯度乳果糖溶液20.5L，浓度为24%，洗脱液30.75L，浓度为19%。对高纯度乳果糖溶液进行高效液相色谱检测，糖液各组分占总干物质的量分别为乳果糖92.3%，乳糖5.1%，半乳糖其它糖2.6%；

（6）将高纯度乳果糖溶液真空浓缩至浓度69%，温度60.5℃，添加12g乳果糖晶体，降温速度为60-50℃为0.8℃/h，50-30℃为1℃/h，30-13℃为1.1℃/h，以240r/min恒速搅拌48小时，过滤，对过滤出的结晶固体，真空烘箱在38℃下干燥得到固体乳果糖4.3kg，利用高效液相色谱对结晶成品进行成分分析，纯度达到98.2%。

实施例2：

（1）称取10kg高纯度乳糖，加去离子水配制成浓度20%的乳糖溶液，加入1.8kg硼酸，搅拌，用30%NaOH溶液调整pH至11.0，80℃条件下反应120min得转化液，迅速取出降温至58℃；

（2）将降温后转化液泵入装有Amberlite IR-120Na强酸性阳离子交换树脂，柱内径250mm，高1500mm的层析柱中，树脂装填高度为900mm进行循环离交处理，循环温度控制为40℃，中止糖液pH控制为6.5；

（3）离交处理后的糖液进行脱色，采用Norit 1240Plus型颗粒活性炭，活性炭柱内径250mm，高1500mm，活性炭装填高度为1100mm，脱色温度为78℃，料液流速控制在2BV；

（4）脱色后的糖液泵入装有Amberlite IRA96C树脂柱，柱内径300mm，高1500mm，树脂装填高度为1000mm，进行脱硼酸处理，温度45℃，硼酸最终含量为0.46mg/kg糖液干物质。脱除硼酸后糖液使用高效液相色谱检测，糖液各组分占总干物质的量分别为乳果糖75.8%，乳糖12.7%，半乳糖8.6%，其它糖2.9%（果糖+葡萄糖）；

（5）脱硼酸处理后的糖液浓度浓缩至60%，泵入装有Amberlite CR1320K型色谱级强酸阳树脂的10床式连续色谱分离***，如图2所示，树脂柱内径120mm，树脂柱装填高度为350mm，模拟树脂床转速为3°/min，进料温度62℃，进料流速1.2 L/h，进水流速2 L/h，流出液流速1.6 L/h，洗脱液流速2.6 L/h，得浓度25%的流出液高纯度乳果糖溶液20L，浓度为18%的洗脱液32.5L。对高纯度乳果糖溶液进行高效液相色谱检测，糖液各组分占总干物质的量分别为乳果糖92.5%，乳糖5.0%，半乳糖其它糖2.5%；

（6）将高纯度乳果糖溶液真空浓缩至浓度70%，温度60℃，添加11g乳果糖晶体，降温速度为60-50℃为0.8℃/h，50-30℃为1℃/h，30-13℃为1.1℃/h，以200r/min恒速搅拌48小时，过滤，对过滤出的结晶固体，真空烘箱在37℃下干燥得到固体乳果糖4kg，利用高效液相色谱对结晶成品进行成分分析，纯度达到98.5%。

Claims (2)

1.一种高纯度乳果糖的制备方法，其特征是采用以下步骤：

（1）以乳糖为原料，配制乳糖溶液，浓度为15wt%~20wt%，按与乳糖摩尔比1：1的量加入硼酸，搅拌，用30%NaOH溶液调整pH至11.0，80℃条件下反应120min，降温至50~60℃得到转化液；

（2）将转化液泵入活化后的Amberlite IR-120Na强酸性阳离子交换树脂柱中进行离交处理，树脂用量为2~4L/kg转化液干物质，循环温度控制为40~50℃，得到糖液pH为4.5~6.5时中止；

（3）对步骤（2）中糖液进行颗粒活性炭柱脱色；

（4）将步骤（3）脱色后的糖液泵入活化后Amberlite IRA96C树脂柱中进行脱硼酸处理，树脂用量3~5L/kg糖液干物质, 温度40~50℃，循环操作使硼酸含量小于1mg/kg糖液干物质；

（5）浓缩步骤（4）中糖液浓度至50~60 wt %，注入装有Amberlite CR1320K型色谱级强酸阳树脂的柱中，使用10床式连续法色谱分离装置进行分离，参数设置为：树脂柱内径120mm，树脂柱装填高度为350mm，模拟树脂床转速为3°/min，进料温度60-70℃，进料流速1.2-1.8L/h，进水流速2-3L/h，收集流出液高纯度乳果糖溶液流速1.4-2.0L/h，浓度为24-30 wt %，洗脱液流速1.8-2.8L/h，浓度为17-22 wt %；

（6）高纯度乳果糖溶液真空浓缩至浓度70 wt %，温度为60℃，添加占溶液中干物质的重量0.2%-0.3%的乳果糖晶体，搅拌转速100r/min-300r/min，降温速度为：60-50℃为0.8℃/h，50-30℃为1℃/h，30-13℃为1.1℃/h，恒速搅拌48小时，离心，得到结晶乳果糖，在35~40℃下干燥制得固体成品。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（3）中颗粒活性炭柱中装填Norit 1240Plus型颗粒活性炭，活性炭柱温度为70-80℃，糖液流速控制在2~3BV。

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