CN101003823A - 以秸秆为原料应用酶和膜技术制备高纯度低聚木糖的方法 - Google Patents

以秸秆为原料应用酶和膜技术制备高纯度低聚木糖的方法 Download PDF

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以秸秆为原料应用酶和膜技术制备高纯度低聚木糖的方法，属于食品生物化工技术领域。本发明以秸秆为原料，蒸汽爆破处理得爆破秸秆，加木聚糖酶水解处理，离心或过滤得上清液，纳滤或真空浓缩，酸处理，离心或过滤得上清液，活性炭吸附、超滤和离子交换树脂柱处理，浓缩或喷雾干燥制备得到低聚木糖含量达到70％－95％(对总固形物)的高纯度低聚木糖糖浆或糖粉。本发明用秸秆制备低聚木糖后的残渣可用于造纸，基本无环境污染；秸秆来源丰富，价格便宜，制备的低聚木糖成本低，市场竞争力强，可加速国民经济发展，增加农业附加值，促进农业生态系统良性循环。本发明处理量大、操作一体化、流程简单，是一种高效的综合性开发方法，易于实现工业化生产。

Description

以秸秆为原料应用酶和膜技术制备高纯度低聚木糖的方法
技术领域
一种以秸秆为原料应用酶和膜技术制备高纯度低聚木糖的方法，涉及低聚木糖的制备工艺，具体涉及秸秆爆破、酶法水解、纳滤浓缩与分离以及利用活性炭、超滤和离子交换树脂进行脱色、脱盐的方法，属于食品生物化工技术领域。
背景技术
近年来，低聚糖倍受青睐。低聚糖又称寡糖，是由2-10个单糖通过糖苷键连接形成直链或支链一类寡糖的总称，其分子量约为300-2000。按其用途分为功能性低聚糖和普通低聚糖两大类，功能性低聚糖是指对人、动物和植物具有特殊生理功能的低聚糖。功能性低聚糖包括水苏糖、棉籽糖、低聚果糖、低聚木糖、低聚半乳糖、低聚乳果糖、低聚异麦芽糖、低聚龙胆糖等。蔗糖、麦芽糖、乳糖、海藻糖、麦芽三糖和麦芽四糖等属于普通低聚糖，它们可被机体消化吸收。
低聚木糖(Xylo-oligosaccharide)又称木寡糖，是目前国际上颇受关注的功能性低聚糖，是一种新型的食品添加剂。它是由2-7个D-木糖残基以β-1，4糖苷键结合而构成的低聚糖混合物，其中最主要的有效成分是木二糖(xylobiose)和木三糖(xylotriose)。低聚木糖具有良好的生理学性质和稳定的理化性质，与其它活性低聚糖相比，具有更难消化性，更强的双歧杆菌增殖能力，每人每天只需要摄取0.7克就能达到整肠作用，具有降低血压、血清胆固醇，增强机体免疫力，防癌抗癌等功能。低聚木糖对热稳定性好，耐酸性强，5％的低聚木糖在pH2.5-8.0，煮沸1h，无明显变化。因此现多用于低酸性食品、保健品、医药、饲料、农业等方面。
因为低聚木糖在食品、医药等领域有很高的应用价值，国内外对低聚木糖制备和精制的研究很多，目前，多采用含多缩木糖(C5H8O4)n(又称半纤维素)成分的农副产品粗纤维(如玉米芯、棉籽壳等)为原料，经一定的预处理，酶法水解处理后，精制得低聚木糖。酶水解所用木聚糖底物的提取，主要有酸水解法、碱水解法，蒸煮法。与传统的碱水解法相比，采用蒸汽喷爆预处理，工艺简便且生产中不产生高碱高盐废水，不会对环境造成污染。
我国是农作物秸秆生产大国，每年可生产秸秆6亿多吨，大部分直接燃烧，或作为造纸原料，其中半纤维素随造纸黑水排出，严重污染环境。利用秸秆生产低聚木糖可大大提高农业附加值，减少环境污染，加速农业生态系统的良性循环。但是以秸秆为原料制备低聚木糖，其初始酶水解液色值达30万，给后续精制带来很大困难。
低聚木糖的精制主要包括高效浓缩、脱色和脱盐。脱色的方法很多，有活性炭脱色、二氧化硫脱色、离子交换树脂脱色、絮凝剂脱色、新生磷酸钙脱色等。活性炭是最常用的吸附介质，具有吸附力强、分离效果好、价廉易得等优点，但低聚木糖的损失较大。所以采用酸处理、活性炭、膜分离相结合的技术，在保证糖得率的同时，大大提高脱色效果。
膜分离技术是用天然或人工合成的高分子膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。此技术具有分离效率高、分离条件温和、流程简单及能耗较低，而它的效率、设备价格、运行费用等都变化不大等优点。膜的厚度一般为微米级，依据其孔径的不同，可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。对于超滤而言，膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征，通常截留分子量范围在1000～300000Da，故超滤膜能对大分子有机物(如蛋白质、细菌)、胶体、悬浮固体等进行分离，广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化。纳滤膜是介于反渗透膜和超滤膜之间的一种膜，其膜表面孔径处于纳米级范围(10-9米)。纳滤膜由于截留分子量介于超滤和反渗透之间，同时还存在道南(Donnan)离子效应的影响，因此对低分子量有机物和盐的分离有很好的效果，且具有不影响分离物质的生物活性、节能、无公害等特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种以秸秆为原料应用酶和膜技术制备高纯度低聚木糖的方法。与传统以玉米芯为原料，酶水解后，活性炭脱色精制低聚木糖相比，原料来源广泛，成本低，降低环境污染，有很高的经济效益和社会效益。同时结合酸处理，膜分离技术，可大大提高低聚木糖的纯度，品质和得率。
本发明的技术方案：一种以爆破秸秆为原料应用酶和膜技术制备高纯度低聚木糖的方法，是以秸秆为原料，蒸汽爆破处理得爆破秸秆，加木聚糖酶水解处理，离心或过滤得上清液，纳滤或真空浓缩，酸处理，离心或过滤得上清液，活性炭吸附、超滤和离子交换树脂处理，浓缩或喷雾干燥制备高纯度低聚木糖糖浆或糖粉，工艺包括以下步骤：
蒸汽爆破处理：将秸秆在蒸汽喷爆压力为1.0-2.5MPa下维持5-20min，冷却；
酶水解处理：加入爆破秸秆干基质量5-15倍的水，与爆破秸秆混合均匀后，调pH4-8，温度为40-60℃，按50-300U/g干基的比例加入木聚糖酶，搅拌8-24h，离心或过滤，得上清液；
纳滤或真空浓缩：浓缩至固形物含量为10％-30％的浓缩液；
酸处理：将浓缩液用盐酸或硫酸调节pH至2-5，20-60℃保持0.2-1h，离心或过滤，得到上清液；
活性炭吸附：加入以固形物含量计2％-30％的活性炭，在pH3-7、60-90℃条件下搅拌0.5-2h，再离心或过滤，得到上清液；
超滤和离子交换：超滤所用的膜是分子质量截留为1000-50000进行脱色，再过离子交换树脂柱脱盐；
浓缩或喷雾干燥：脱盐后的料液经浓缩或喷雾干燥，杀菌后得高纯度低聚木糖浆或糖粉，其低聚木糖含量达到70％-95％。
原料包括稻秆、麦秆、玉米秆。酶水解处理，所用酶为真菌木聚糖酶或细菌木聚糖酶。
低聚木糖可以制成糖浆、糖粉等保健品；或作为功能性添加剂用于保健食品、普通食品、饲料或医药中。
总糖测定：苯酚-硫酸法。
还原糖测定：DNS法。
总糖增加比例＝(不同反应时间样品总糖量-初始总糖量)/初始总糖量。
还原糖增加比例＝(不同反应时间样品还原糖量-初始还原糖量)/初始还原糖量。
低聚木糖组分分析：HPLC法。
色值分析：以水为空白在420nm下测OD值。
本发明的有益效果：
与传统的以玉米芯为原料的方法相比，秸秆来源丰富，价格便宜，生产的低聚木糖的成本低，具有很强的市场竞争力。同时可减少环境污染，加速国民经济发展，增加农业附加值，加速农业生态系统良性循环。
与传统的碱水解法相比，采用蒸汽喷爆预处理，工艺简便且生产中不产生高碱、高盐废水，不会对环境造成污染。而且爆破秸秆水解率比较高，酶水解产物以木二糖、木三糖为主。
添加真菌木聚糖酶水解制备低聚木糖，真菌木聚糖酶以内切酶为主，具有高木二糖得率。酶水解反应温和，对设备没有较大的损耗。
低聚木糖的脱色中多使用活性炭吸附，虽然工艺简单，但是低聚木糖损失很大。现采用酸处理、活性炭吸附、超滤相结合的方法可大大提高产品的得率和脱色率。同时超滤后可去除未降解的低聚糖和杂质，大大提高低聚木糖产品的纯度。
采用爆破秸秆为原料，酶法制备低聚木糖，后结合酸处理、活性炭吸附、膜过滤，离子交换树脂柱吸附对低聚木糖酶水解液进行精制，得低聚木糖产品，此法有益于提高低聚木糖产品的市场竞争力，且处理量大、操作一体化、流程简单，是一种高效的综合性开发方法，易于实现工业化生产。
附图说明
图1不同加酶量在不同反应时间反应体系的总糖含量的变化。
图2不同加酶量在不同反应时间反应体系的还原糖含量的变化。
图3不同pH对酶解效果的影响。
图4不同温度对酶解效果的影响。
具体实施方式
实施例1：酶水解工艺。
爆破秸秆，加入5-15倍的水，混合均匀后，调pH4-8，温度为40-60℃，按50-300U/g干基的比例加入黑曲霉木聚糖酶，搅拌8-24h，离心或过滤，得上清液。主要评价指标是总糖、还原糖含量变化。
图1、图2显示温度为53℃，pH为6.0，添加8倍的水时加酶量分别为132、198、264U/g干基，酶水解时间为1、2、3、4、5、6、8、10、12、15和18h，总糖和还原糖含量的变化。随时间增加总糖和还原糖都逐渐增加，但增加的速度逐渐下降。加酶量对反应有一定的影响，加酶量高，水解速度快，相同酶解时间糖增加比例高，达到平衡所需要时间比较短。加酶量和酶解时间有一定的互补性，加酶量高，反应时间短；加酶量少，反应时间长。
图3显示添加7.5倍的水，温度为53℃，时间12h时，pH分别为4.5、4.8、5.1、5.7、6.0、6.3对酶解效果的影响。总的来说，pH对酶水解有很显著的影响，pH6.0酶解效果最佳。
图4表明添加8倍的水，pH6.0，时间12h时，温度分别为49、52、53、54、55、56.5℃对酶解效果的影响。结果表明最佳酶水解温度为53℃。在53℃时总糖、还原糖溶出相对最多。在此温度下酶具有较高的反应速度，且具有良好的稳定性。酶解液中低聚木糖含量较高，酶解反应进行比较彻底，反应前后低聚木糖含量的比较见表1。
表1  酶解反应前后低聚木糖含量比较
  糖成分     原料     产物
  阿拉伯糖(％)木糖(％)葡萄糖(％)木二糖(％)木三糖(％)木四糖及以上(％)大分子及盐(％)低聚木糖含量(％)(对固形物)     1.261.110.111.488.8617.3863.5627.72     0.993.001.0320.2713.4217.1143.7650.80
表1结果表明，反应后低聚木糖含量(对固形物)明显增加，从原料的低聚木糖含量为27.72％到酶解后的低聚木糖含量为50.80％。同时低聚木糖中主要有效成分木二糖含量增加明显。酶解液中大分子和盐的含量有所降低，从63.56％降为43.76％，说明有较好的酶解效果。但是，大分子和盐的含量依然很高，这可能是由于仍存在部分未降解的大分子，以及原料和酶解过程中带来的杂质，可在以后的精制过程中去除，以进一步提高低聚木糖的含量(对固形物)。

Claims (3)

1、一种高纯度低聚木糖的制备方法，其特征是以秸秆为原料，蒸汽爆破处理得爆破秸秆，加木聚糖酶水解处理，离心或过滤得上清液，纳滤或真空浓缩，酸处理，离心或过滤得上清液，活性炭吸附、超滤和离子交换树脂处理，浓缩或喷雾干燥制备高纯度低聚木糖糖浆或糖粉，工艺为：
(1)蒸汽爆破处理：将秸秆在蒸汽喷爆压力为1.0-2.5MPa下维持5-20分钟，冷却；
(2)酶水解处理：加入爆破秸秆干基质量5-15倍的水，与爆破秸秆混合均匀后，调pH4-8，温度为40-60℃，按50-300U/g干基的比例加入木聚糖酶，搅拌8-24小时，离心或过滤得上清液；
(3)纳滤或真空浓缩：浓缩至固形物含量为10％-30％的浓缩液；
(4)酸处理：将浓缩液用盐酸或硫酸调节pH至2-5，20-60℃保持0.2-1小时，离心或过滤得到上清液；
(5)活性炭吸附：加入以固形物含量计2％-30％的活性炭，在pH3-7、60-90℃条件下搅拌0.5-2小时，再离心或过滤，得到上清液；
(6)超滤和离子交换：超滤所用的膜是分子质量截留为1000-50000进行脱色，再过离子交换树脂柱脱盐；
(7)浓缩或喷雾干燥：脱盐后的料液经浓缩或喷雾干燥，杀菌后得高纯度低聚木糖浆或糖粉，其低聚木糖含量达到70％-95％。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征是原料包括稻秆、麦秆、玉米秆。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征是酶水解处理，所用酶为真菌木聚糖酶或细菌木聚糖酶。
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