请问离子交换技术和色谱分离技术是什么，在果汁加工中的应用

离子交换技术：

Sober 和 Peterson于1956年首次将离子交换基团结合到纤维素上，制成了离子交换纤维素，成功地应用于蛋白质的分离。从此使生物大分子的分级分离方法取得了迅速的发展。离子交换基团不但可结合到纤维上， 还可结合到交联葡聚糖（S-ephadex）和琼脂糖凝胶（Sepharose）上。 近年来离子交换色谱技术已经广泛应用于蛋白质、酶、核酸、肽、寡核苷酸、病毒、噬菌体和多糖的分离和纯化。它们的优点是:⑴具有开放性支持骨架，大分子可以自由进入和迅速扩散，故吸附容量大。⑵具有亲水性，对大分子的吸附不大牢固，用温和条件使可以洗脱，不致引起蛋白质变性或酶的失活。⑶多孔性，表面积大、交换容量大，回收率高，可用于分离和制备。

一、基本理论


离子交换剂通常是一种不溶性高分子化合物，如树脂，纤维素，葡聚糖，醇脂糖等，它的分子中含有可解离的基团，这些基因在水溶液中能与溶液中的其它阳离子或阴离子起交换作用。虽然交换反应都是平衡反应，但在层析柱上进行时，由于连续添加新的交换溶液，平衡不断按正方向进行，直至完全。因此可以把离子交换剂上的原子离子全部洗脱下来，同理，当一定量的溶液通过交换柱时，由于溶液中的离子不断被交换而波度逐减少，因此也可以全部被交换并吸附在树脂上。如果有两种以上的成分被交换吸着在离子交换剂上，用洗脱液洗脱时，在被洗脱的能力则决定于各自洗反应的平衡常数。蛋白质的离子交换过程有两个阶段——吸附和解吸附。吸附在离子交换剂上的蛋白质可以通过改变pH使吸附的蛋白质失去电荷而达到解离但更多的是通过增加离子强度，使加入的离子与蛋白质竞争离子交换剂上的电荷位置，使吸附的蛋白质与离子交换剂解开。不同蛋白质与离子交换剂之间形成电键数目不同，即亲和力大小有差异 ，因此只要选择适当的洗脱条件便可将混合物中的组分逐个洗脱下来，达到分离纯化的目的。

二、离子交换的分类及常见种类

（一）分类
离子交换剂分为两大类，即阳离子交换剂和阴离子交换剂。各类交换剂根据其解离性大小，还可分为强、弱两种，即 强酸剂 阳离子交换剂 弱酸剂 强碱型 阴离子交换剂 弱碱型 。
1.阳离子交换剂
阳离子交换剂中的可解离基因是磺酸（-SO3H）、磷酸（-PO3H2）、 羧酸（COOH）和酚羟基（-OH）等酸性基。
某些交换剂在交换时反应如下：
强酸性：R-SO3 -H+ ＋ Na+ R-SO3- Na+H+
弱酸性：R-COOH＋Na+ R-COONa ＋H+
国产树脂中强酸1×7（上海树脂＃732）和国外产品Dowex 50、Zerolit 225等都于强酸型离子交换剂。
2.阴离子交换剂
阴离子交换剂中的可解离基因是伯胺、（-NH2）、仲胺（-NHCH3）、叔胺[N-（CH3）2]和季胺[-N（CH3）2]等碱性基团。某些交换反应如下：
强碱性：R-N+（CH3）2 H·OH- ＋Cl R-N+（CH3）2 Cl＋OH-
弱碱性：R-N+（CH3）2 H·OH- ＋Cl R-N+（CH3）2 HCl＋OH-
强碱性＃201号国产树脂和国外Dowex1、Dowex2、ZerolitFF等都属于强碱型阴离子交换剂。
（二）种类
1.纤维素离子交换剂：阳离子交换剂有羟甲基纤维素（CM-纤维素）， 阴离子交换剂有氯代三乙胺纤维纱（DESE-纤维素）。
2.交联葡聚糖离子交换剂：是将交换基因连接到交联葡聚糖上制成的一类交换剂，因而既具有离子交换作用，又具有分子筛效应，是一类广泛应用的色谱分离物质。常用的Sephadex离子交换剂也有阴离子和阳离子交换剂两类。阴离子交换剂有DEAE-Sephadex A-25，A-50和QAE- Sephadex A25 ， A50 ； 阳离子交换剂有CM-Sephaetx C-50，C-50和Sephadex C-25，C-50。阴离子交换剂用英文字头A，阳离子交换剂的英文字头是C。英文字后面的数字表示Sephadex型号。
3.琼脂糖离子离交换剂：是将DESE-或CM-基团附着在Sepharose CL-6B 上形成，DEAE-Sephades（阴离子）和CM-Sepharose（阳离子），具有硬度大， 性质稳定，凝胶后的流速好，分离能力强等优点。

三、实验操作


（一）交换剂的处理，再生与转型
新出厂的树脂是干树脂，要用水浸透使之充分吸水膨胀。因其含有政绩一些杂质，所要要用水、酸、碱洗涤。一般手续如下：新出厂干树脂用水浸泡2 小时后减抽压去气泡，倾去水，再用大量无离子水洗至澄清，去水后加4倍量2N HCl搅抖4小时，除去酸液，水洗到中性，再加4倍量2N NaOH搅抖4小时，除碱液， 水洗到中性备用。将树脂带上所希望的某种离子的操作称为转型。如希望阳树脂带Na+，则用4倍量NaOH搅拌浸泡2小时以上；如希望树脂带H+，可用HCl处理。阴树脂转型也同样，若希望带Cl-则用HCl，希望带OH-则用NaOH。用过的树脂使其恢复原状的方法称为再生。并非每次再一都用酸、碱液洗涤，往往只要转型处理就行了。
（二）柱上操作
⑴交换剂装柱最简单的交换层析柱可用碱式滴定管代替。处理过的树脂放入烧杯，加少量水边搅拌边倒入保持垂直的层析管中，使树脂缓慢沉降。交换剂在柱内必须分布均匀。
⑵上样向层析柱内倾入样品液
⑶洗脱与收集
不同样品选用的洗脱液不同。原则是用一种比吸着物质更活泼的离子，把吸着物交换出来。由于被吸着的物质往往不是我们所要求的单一物质，因此除了正确选择洗脱液外还采控制流速和分布收集的方法来获得所需的单一物质。

色谱分离技术：

色谱分离技术是广泛应用于制糖及糖的衍生物的一门技术。近20年来，人们对色谱分离的了解日渐深入，从而扩大了此项技术的应用范围并在程序控制和工厂设计方面进行了改良。
本文首先介绍一下在工厂设计方面应用的基本标准，然后再介绍一下葡萄浆工业生产有联系的分离，如葡萄糖、果糖及多元醇的分离等。在优越的经济条件下，连续式色谱分离的设计非常运用于连续式的离子交换。
一、 为分离载体的树脂
在食品工业中，色谱分离的主要载体是呈阳离子形式的树脂颗粒和以盐的形式存在的苯乙烯。阴离子固定在呈离子形式的树脂上，这决定着分离过程的机械运动。在某些特殊情况下，阴离子也可以得到利用。
1、 传统的离子形式
传统的做法是，糖与糖之间的分离是应用钙形式的树脂，而分离糖与非糖物质则选用钾形式的树脂。（见表一）
表一：经常应用的树脂形式

分离载体 应用范围
钙形式的树脂 果糖/葡萄糖 山梨糖醇/甘露糖醇甘露糖/右旋糖 葡萄糖/半乳糖
钠形式的树脂 右旋糖/聚合物 麦芽糖/聚合物
钾形式和/或钠形式的树脂 麦芽糖/聚合物 蔗糖/糖蜜蔗糖/果糖和右旋糖

工业上一酸应用0.2mm和0.4mm的树脂，均衡系数一般低于1.15。由于时间的关系，树脂对失水造成的应力和由渗透压引起的膨胀和收缩的交替是很敏感的。机械阻力是与由生产树脂所使用的DVB的比例而决定的网状花纹密切联系的，这个比例一般是4--8%。使用高比例的DVB树脂的物理性较稳定，空隙更小，交换能力更大，温度更小。交换能力的提高与钙的化合能力及温度的降低会减缓交换的动力。
二、连续式色谱分离系统
1、用树脂进行色谱分离的产品特性
用色谱处理的糖溶液必须有较高的浓度（50-70%MS）和较高的温度（60-80℃），不能有任何悬浮物，温度和干物质的合理搭配会使填料损失减少。树脂的稳定性即寿命会因氧化作用而受到损害。为防止树脂的氧化，原料流体在进入分离器之前必须进行脱气，以避免在分离器内进行，从而预防空气进入。为保持树脂的特顶离子状态，原料流体中的离子要得到控制，通常使用脱矿水及碎片浓缩阶段新产生的可凝物作为流体。如能严守上述规则，在整个工艺流程中，不必更换树脂。
2、运用的体系：SMB，多层SMB，SSMB及新程序
在Applexion公司的分离技术中，我们采用了由Applexion公司和Finnsugar公司共同研究的多种工艺，形成"FAST"分离技术体系。FAST体系在工艺上主要应用于收集两种或两种以上的产品，主要是根据技术要求表选择使用工艺。
模拟流化床（SMB）
该体系由Broughton公司于60年代根据石油工艺的需要在改进分批体系的基础上发明的。这是一套连续式的体系，分离器在各个区域的阶段性移动促进了树脂和液相的反向运动。在80年代，还项技术应用于甘蔗糖和甜菜糖蜜的净化，后来被普及应用到浓度为55%的果糖糖浆的生产中。原则上说来，分离器分成4个区域，每个区域由根据液体的流速和程序的时间而决定的"床的容积（BV）来确定。"
BV=Q×t Q=流速（L/h）
V
-
T=程序的时间（小时） V=床的容积（公升）
BV应根据待分离产品的容积来调整。当流化床的容积小于产品的容积时，产品会被保持住，反之则会流失。体系的生产效率依然被分离的产品特性的差别而定。BV的差别越大，产量就越大。每个区域的BV确定否，产量则由树脂床的速度而定并受到装填物损失的限制。速度除影响产品的分布外，还影响着分离的质量，流体的量和被分离的混合物的容积是成比例的。原料应尽量浓缩以避免产品过烯（分离葡萄糖和果糖时，最佳状态为60Brix。理论上讲，分离塔的层数越高，分离得越细，实际的最佳状态在8和12之间）。
表二：连续式SMB原则及各区域内的产品状况
表三：不同区域内，水的条件的适宜规


每个区的BV BVI BV2 BV3 BV4
产品
BV>BVA BV<BVA BV<BVA BV<BVA
BV>BVB BV>BVB BV>BVB BV<BVB

多层流化床（多层SMB）
如想改善产品的纯度或想分离两种产品以上的混合物，应考虑使用两套SMB体系，在这种情况下，可以加一套中间发生器，以限制两台分离机的体积。
程序式流化床（SSMB）
与其名称相一致，SSMB是在SMB的基础上改进的。SSMB的特殊性在于：
1、 料和提取是间歇性的。
2、 SMB的每个阶段下面分设3或4个分段：填料、提取和再循环。这项技术需要规范的控制系统，在需要高纯度的产品时可考虑应用此技术。
表四：应用SMB分离葡萄糖和果糖
产量1500克干物质/每公升树脂/天

装填物 换取物 提纯物
混合物干物质的百分比 果糖42
葡萄糖 53
Dpn 5 42
53
5 92.2
6.6
1.2 5.0
87.2
7.8
回收的百分比 果糖
葡萄糖
Dpn 93.1
5.2
10.2 6.9
94.8
89.8
分馏 浓度 60 26.9 27.2

表五：SSMB系统的优越性：增加糖浆中葡萄糖的浓度
产量：1400克干物质/1公升树脂/天


填料 提取 提纯
组合物干物质的百分比 右旋糖
DP2
DP3
DPn
总计 9.3
4.2
0.7
2.1
100.0 99.3
0. 4
0. 0
0. 3
100.0 59.1
24.6
4.3
12
100.0
回收的百分比 右旋糖
DP2
DP3
DPn 90.0
8.0
2.0
10.0 10.0
92.0
98.0
90.0
干物质的百分比 42.2 4.3

多用途新程序
多用途新程序是工业色谱分离的新发展阶段，运用于分离含有两种以上的物质的混合物的分离，这是一种间歇性的淘洗技术，分离是贯穿分离器中进行。从一个固定的口注入原料，而在分离器的另一端根据需要的纯净度进行提取，这就意味着分离器的长度和充填物的体积与被分离的物质的纯度有关。在第一批物质被提出之前，就必须充填第二批物质，其量要与第一批相等。这样会有多种物质在系统内移动。与只有一种物质的SMB系统相反，可以充分利用树脂，按照预定的产量和纯度进行生产，回收的产量和纯度会更高。
色谱分离法传统上应用于葡萄糖和果糖的分离，以利用葡萄糖通过酶的异物化合得到HFCS42生产HFCS55。（见表四）最近，用高DE的葡萄糖来生产大于99%是高含量的糖浆得到了发展。（见表五）。
三、工业成就
此项技术应用于拥有高附加值异被广泛使用的领域内，如生物、医药等。工厂需存放几百公升的树脂。在食品领域内，在纯度较高的溶液的净化和糖的分离过程中，工厂也要有几百立方米的树脂，分离器由4-12个箱组成。为节约地面面积，这些箱可以相互重迭围成几圈。对于产量较大的工厂来说，要具有两套同样的设备。为完成这一流程，Applexion公司的试验方法可以推广到各种规模的工厂中去。
预处理阶段：进入分离器的物质应该没有悬浮物，否则，树脂会形成深深的过滤器，不纯物会聚集在一起从而影响效率。在进行色谱分离前，必须十分谨慎地进行过滤。在有些情况下，要对产品进行化学物质的测定以避免在进行分离时有些物质沉集到废渣之中。因此进行酸碱度的测定是十分必要的。由分离产生的废渣应呈离子状态。许多需要处理的产品中含有钙和镁，在清除离子时，分离前应进行软化处理以使分离废料为单价。在制糖工业中，废料的除钙工艺已被广泛应用。
一套完整的工业系统应包括将树脂运送到分离塔的非输送系统异使树脂在系统内随意翻动。
分离塔：此类工艺对塔的设计要求十分精确，它可以保证流质的分配避免产品的混合和烯积。塔顶上的区域为混合区。在旋转过程中，树脂将根据液体的渗透压的不同而一会膨胀，一会收缩。在有水的情况下，树脂的体积较大，而在产品浓缩度较高的情况下，其体积会减小。在装填时应注意到这一点。装的过满，会因压力过大而使设备的机械性能受到影响而带来危险。树脂会随着时间的变化会密集排列，变为较小的间质体积。在生产几个回合之后，要注意增加树脂以限制塔顶死区的体积，这就需要一些专门设备以调配适应。
分配及集中网络：
要大量生产高纯度的产品，流体的分配和集中的网络设计是一个关键，在使用大直径分离塔的情况下要特被注意这一点。从机械性能来说，应做到坚固、易装配、并保证在树脂的层面上流动。
四、连续式离子交换程序的应用
在食品工业中，离子交易换得到广泛应用，去除离子的色谱可作为离子交换提纯前的初级阶段。这一技术可以减少化学物质的浪费，降低处理成本。离子交换可以是一次性的，也可以是连续式的。如是一次性生产即用一个塔生产，另一套应进行更新或等待。在连续性生产的情况下，即一个塔处于生产过程中而其余的塔进行不同阶段的更新。这一程序可以得到下列结果：可以充分利用树脂；可以充分利用化学物质和水，从而降低流速，减少烯积；分离学可进行连续生产连续更新。
为发挥连续式生产优越性，必须严格遵守一定的技术规则，如在塔内的时间和回收的速度等因素。生产塔和更新塔的数量也应根据这些原则来确定。
Applexion公司建议连续式离子交换单位应建立在去除离子的SMB基础上。在这一系统内，分离塔是固定的一圈或几圈，它们决定了各个区域的生产状况。塔的不停的旋转会给生产带来影响。如同SMB，由于分离塔每个阶段进出次数的增加会造成逆流假象。程序的自动化会使分离塔的数量根据最佳状态的需要得到调整并排列整齐。
五、结论
色谱分离在糖的提纯的应用领域非常广泛，影响到这一程序的设计和特性的因素很多。使用此程序的重要成本是必须用蒸发器或用反渗透对原料进行浓缩，浓缩阶段需要较大的投资，而减少分离流体的体积是趋向最佳状态的关键。
Applexion公司和Finnsugar公司把他们的经验和方法结合起来，以向制糖生产者提供最利于他们解决特殊问题的专门技术。