大孔吸附树脂分离大豆乳清废液中低聚糖技术的研究

李书海，陈洪生，唐秋菊，刁静静，李娟，朱红梅

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学国家杂粮工程技术研究中心）

大豆乳清是生产大豆分离蛋白产生的主要副产物，据分析表明大豆乳清废液中含有1.2%乳清球蛋白和1.0%大豆低聚糖，另外还含有很多有益的生理活性成分，如：大豆异黄酮、皂甙、维生素、胰蛋白酶抑制剂等。一直以来，国内的乳清废液多是以废水的形式被排放掉，造成了资源的浪费[1]。目前，国内部分企业已开始利用膜分离技术从大豆乳清废液中回收低聚糖[2]，但由于膜分离设备的造价较高，且容易受到污染，常会给生产带来不便，所以难于普及。

大孔吸附树脂是一类不含交换基团，且有大孔结构的高分子吸附树脂，具有良好的大孔网状结构和较大的比表面积，可以通过物理吸附从水溶液中有选择地吸附有机物[3]，是近代发展起来的一类有机高聚物吸附剂，上世纪70年代末就已经将其应用在中草药成分的提取分离上。试验通过比较不同树脂对大豆低聚糖的吸附和解吸效果，筛选出适于分离大豆低聚糖的吸附树脂，进而考察不同进样量、不同进样浓度、不同进样温度和不同洗脱速度对低聚糖分离效果的影响，以此来探索一条更高效、经济的分离大豆低聚糖的新工艺。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

大豆乳清废液来自日月星股份有限公司。

蔗糖、棉籽糖、水苏糖标准品、乙腈（色谱纯），购于Sigma公司；DSK530型树脂、AB-8型树脂、漂莱特Ca2+型树脂、陶氏99Ca2+型树脂，盐酸、氢氧化钠等试剂均为分析纯。

1.2 仪器设备

制备型色谱分离设备，自行研制；DK-S24型电热恒温水浴锅，上海森信试验仪器有限公司；LNK-871型凯式定氮仪，江苏省宜兴市科教仪器研究所；AL104精密电子天平、DELTA 320 pH计，梅特勒-托利多仪器有限公司；LGJ-1冷冻干燥机，上海医用分析仪器厂。

1.3 试验方法

1.3.1 样品的制备

取一定量的大豆乳清废液，采用活性炭进行脱色，用碱溶酸沉、硫酸铵分级沉淀、膜分离等预处理方法去除废液中的蛋白质，采用pull膜分离系统中的65 kDa膜包进行脱盐处理，处理后的溶液作为样品留用。

1.3.2 树脂的处理

将不同类型的吸附树脂用95%的乙醇浸泡24 h，再对树脂进行脱气[4]。

1.3.3 吸附试验

将预处理好的四种不同吸附树脂，DSK530型树脂、AB-8型树脂、漂莱特Ca2+型树脂、陶氏99-Ca2+型树脂装入制备柱（1 000×10 mm）中，分别将制备柱充填饱满，用蒸馏水冲洗制备柱至流出液无色透明。将脱盐脱色处理后的大豆乳清废液通入制备柱中进行吸附，分别测定不同流速（1、2、3、4、5 mL·min-1）、不同进样量（10、15、20、25、30 mL）、不同进样浓度（5%、15%、25%、35%、45%）、不同进样温度（45、55、65、75、85℃）条件下流出液中低聚糖和单糖的分离度及总糖的回收率[5]。

式中Rsij为各组分间的分离度，ti和tj分别为峰i和峰j的保留时间；Wi和Wj分别为峰i和峰j在峰底（基线）的峰宽。

1.3.4 统计分析

所得数据均为三次重复的平均值，用Statistix 8.0（分析软件，St Paul，MN）进行数据分析，平均数之间显著性差异（P＜0.05）通过Turkey HSD进行，用Sigmaplot 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同类型树脂对大豆低聚糖分离效果的影响

大孔吸附树脂通过吸附性和分子筛原理，有机化合物根据吸附力的不同及分子量的大小，在大孔吸附树脂上经一定的溶剂洗脱而达到分离的目的。从图1可以看出，不同型号的吸附树脂对大豆乳清废液中的低聚糖都有一定的吸附分离作用，而且不同树脂的吸附分离能力也不同。其中A型树脂的分离度最高，总糖回收率也较高，其次是B型树脂，D型树脂的分离度最低。这可能是由于四种树脂的极性、分离性质不同，对大豆低聚糖的吸附能力也不同，因此，在同等分离条件下，分离度也显著不同。如AB-8树脂是一种球状、弱极性聚合物吸附剂，它通过较大的孔径，从水溶液中提取有机物。DSK530型树脂和陶氏310型树脂属于聚苯乙烯型螯合型树脂，该树脂具有较强的吸附阳离子的能力，可与吸附样品发生氢键作用并形成络合物，从而达到分离的目的。因此，研究中将DSK530型号树脂确定为分离大豆乳清废液中低聚糖的最适树脂。

2.2 不同流速对大豆低聚糖分离效果的影响

图2是不同流速对大孔吸附树脂分离大豆低聚糖效果的影响。由图2可知，随着流速的增大，分离度逐渐下降，这是由于随着速度的增加，在一定吸附率条件下，树脂中低聚糖的解吸速率随之降低，根据大孔树脂的吸附作用主要是物理吸附（范德华力或产生氢键的结果），所以流速对其解吸率具有较大的影响[6]，因此随着流速的增加低聚糖的分离度下降，总糖的回收率也随之下降，综合考虑树脂的吸附效果及工作效率，确定流速2 mL·min-1为最适流速。

图1 不同类型树脂对大豆低聚糖分离度和总糖回收率的影响Fig.1 The effect of different resins on resolution and total sugar recovery rate

图2 不同洗脱流速对大豆低聚糖分离度和总糖回收率的影响Fig.2 The effect of different desorption velocity on resolution and total sugar recovery rate

2.3 不同进料量对大豆低聚糖分离效果的影响

配制浓度为20%的大豆低聚糖粗提液分别以10、15、20、25、30 mL的进料量上DSK530型大孔吸附树脂柱，在50℃条件下以2 mL·min-1流速的蒸馏水进行分离，计算大豆低聚糖的分离度和总糖回收率。图3是不同进料量对大豆低聚糖分离度和总糖回收率的影响曲线，由图3可知，随着进料量的增加，大豆低聚糖的分离度和总糖回收率都逐渐降低，而且差异显著（P＜0.05）。分离度的高低直接影响到大豆低聚糖的纯度，进样量为10 mL时，分离度达到0.57，总糖回收率达到90%以上，当进料量增加到30 mL时，分离度低于0.4，总糖回收率约81%，差异显著（P＜0.05），这可能是由于在不超过DSK530型吸附树脂的吸附量时，该树脂吸附量随着被吸附物质含量的增加而增加[7-9]，而当大于该树脂的吸附量时，由于被吸附物质含量过多，则会造成分离度的下降。因此，综合试验效果和回收率确定进料量15 mL为宜。

图3 不同进料量对大豆低聚糖分离度和总糖回收率的影响Fig.3 The effect of different feeding amount on resolution and total sugar recovery rate

2.4 不同料液浓度对大豆低聚糖分离效果的影响

分别配制5%、15%、25%、35%、45%的大豆低聚糖粗提液，在温度50℃、流速2 mL·min-1、进样量15 mL条件下进行分离，测定不同料液浓度下大豆低聚糖粗提液在DSK530树脂上的分离度和总糖回收率。由图4可知，随着料液浓度的增加，大豆低聚糖粗提液的分离度和总糖回收率逐渐降低，其中料液浓度为5%时，其分离度和总糖回收率最高，45%条件下其分离度和总糖回收率最低，这可能是由于随着料液浓度的增加，树脂的吸附量增加，在一定解吸流速下，解吸物质也逐渐增多，影响到吸附物质的纯度，从而引起分离度的下降。而另一方面随着进料浓度的增加，被吸附物质也随着增多，不同物质的吸附能力不同，因此在一定流速条件下其总糖回收率也不同。从工作效率和分离效果方面考虑确定15%为最佳的料液浓度。

图4 不同进料浓度对大豆低聚糖分离度和总糖回收率的影响Fig.4 The effect of different feeding concentration on resolution and total sugar recovery rate

2.5 不同分离温度对大豆低聚糖分离效果的影响

一般而言，吸附是一个放热过程，因此较低的温度有利于提高吸附量和增加吸附速率[8，10-12]。但是样品不同，填料不同，吸附物质的相应迁移速度也不同。由图5可知，样品的分离度、总糖回收率在45～65℃之间是随温度的升高而增大，当温度大于65℃，其分离度和总糖回收率又逐渐降低。其中65℃时，分离度和总糖回收率都达到较高的程度，因此确定65℃为最适分离温度。

图5 不同洗脱温度对大豆低聚糖分离度和总糖回收率的影响Fig.5 The effect of different separation temperature on resolution and total sugar recovery rate

3 结论

（1）研究以分离度和总糖回收率为分析指标对DSK530型树脂、AB-8型树脂、漂莱特Ca2+型树脂和陶氏99-Ca2+型树脂进行分析，确定了DSK530型树脂为分离大豆乳清废液中低聚糖的最适树脂。

（2）通过对洗脱流速、进样量、进料浓度、分离温度等因素的分析，得出洗脱流速为2 mL·min-1、分离温度65℃、进料浓度15%，进样量15 mL条件下，样品的分离度和总糖回收率较高。且大孔吸附树脂再生简单，可重复使用，成本低，适于工业化应用[13]。

［1］ 曹凤芹，王少庸，刘荣.利用大豆废水提取功能因子工艺技术［J］.大豆通报，2005（4）：25-26.

［2］ 袁其朋，马润宇.膜分离技术处理大豆乳清废水［J］.水处理技术，2001，27（3）：161-163.

［3］ 蔡丹昭，刘华钢，陈洪涛.大孔吸附树脂分离纯化番石榴叶总黄酮的研究［J］.生命科学研究，2008，12（1）：57-59.

［4］ 刁静静，曹龙奎.大孔吸附树脂吸附分离高活性玉米抗氧化肽［J］.食品科学，2011，32（16）：187-191.

［5］ 王立东，唐伟，隋明，等.利用树脂D392进行低聚木糖脱色的研究［J］.粮油食品科技，2010，18（3）：36-39.

［6］ 刘小平，李湘南，徐海星.中药分离工程［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［7］ 侯红瑞，陈玲，冯毅凡，等.大孔吸附树脂分离纯化高良姜黄酮类化合物的研究［J］.食品科学，2007，28（10）：258-260.

［8］ 叶振华.吸附分离过程基础［M］.北京：化学工业出版社，1998.

［9］ 钱庭宝，刘维林，李金和.吸附树脂及其应用［M］.北京：化学工业出版社，1990.

［10］ 杨明利，周乐，冉晓娅，等.大孔吸附树脂分离苦参中氧化苦参碱的研究［J］.西北农林科技大学学报：自然科学版，2006，34（11）：129-132.

［11］ 何钊，任其龙.层析法分离葡萄籽中原花青素的研究［J］.食品科学，2004，25（8）：70-73.

［12］ 北川浩，铃木谦一郎.吸附的基础与设计［M］.北京：化学工业出版社，1983.

［13］ 潘旭琳，曹龙奎.玉米蛋白粉研究进展［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2013，25（4）：53-57.