CN101153293B

CN101153293B - 以苹果渣为原料制备苹果酸及微晶纤维素的方法

Info

Publication number: CN101153293B
Application number: CN2007100185544A
Authority: CN
Inventors: 孙悦迎; 张居尚; 雷萍; 杨新文; 张文隽; 张慧
Original assignee: SHANNXI APPLE RESEARCH DEVELOPMENT CENTER; Microbiology Institute Of Shaanxi
Current assignee: SHANNXI APPLE RESEARCH DEVELOPMENT CENTER; Microbiology Institute Of Shaanxi
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2027-08-28
Also published as: CN101153293A

Abstract

本发明涉及一种以苹果渣为原料制备苹果酸及微晶纤维素的方法，其特征在于将苹果渣依次经过去毒处理、接种、发酵和提取的工艺步骤后制得L-苹果酸产品，然后再将提取过L-苹果酸后的渣粕依次通过提取、洗涤除杂、漂白、干燥的工艺步骤后制得微晶纤维素产品。本发明的生产工艺简单易行，成本低，具有创新性和应用推广价值，其技术方案的实施不仅为苹果产品拓宽销路，而且为果品深加工产业的副产品利用开辟了一条新途径，为有机酸行业的发展提供了廉价的新资源，解决了目前果业循环发展中存在的浪费资源和污染环境的问题，增加了果农的经济收入，达到了发展果业的目的。

Description

以苹果渣为原料制备苹果酸及微晶纤维素的方法

技术领域

本发明内容属于生化物品的制备技术领域，涉及一种从苹果加工后排出的苹果渣中提取保健和医疗活性成分的方法，特别是一种以苹果渣为原料制备苹果酸及微晶纤维素的方法。

背景技术

我国果业的生产产量和种植面积均位居世界第一，各类果品的产量达到6238万吨/年，占世界产量总量39687.3万吨的15.7％，而苹果则是果业主要产品，其产量约占到果业总量的67％以上。陕西是我国苹果种植的第一大省，2004年的苹果年产量已经达到555万吨，占全国苹果总产量的22％，根据有关报道，预计到2008年，全省苹果的产量将达到800万吨，占世界苹果总产量的十分之一，苹果业已成为陕西省主导产业之一。但目前陕西省乃至国内苹果的销售渠道仍多依靠推销鲜果和生产苹果汁等有限的几种方式，这类方式已经远远不能满足当今果品经济发展和生产的需要。为了解决苹果的销路问题，国内苹果产区各级政府官员和本领域诸多技术人员均花费了巨大的力量，希望扩大市场，打开一条通往国际市场的通道，但迄今为止苹果的销路问题仍然是困扰国内各产区果业发展的主要问题，为此本领域也亟待研发出更多的果品深加工产品，以扩展果品销售渠道。

另一方面，随着苹果种植面积和产量的大幅度上升，目前我国苹果产品(如果汁等)加工中每年排出苹果渣100多万吨，但仅有少量苹果渣被用于深加工和直接作饲料，绝大部分则用于堆肥或被遗弃，造成了严重的资源浪费和环境污染。

据研究发现，苹果渣内含有较高的L-苹果酸成分和大量的优质食用纤维素。L-苹果酸属三羧酸循环中的重要成员之一，是当今国内外市场急需的有机酸产品，它不仅可以开发成酸化剂、防腐剂，而且可以作为药物和食品低热量的理想添加剂和化学合成原料，用于生产表面活性剂、消臭剂、洗涤剂、染色剂等。根据经济信息报道，国际市场上对L-苹果酸需求量快速增加，近二年来，一直保持年均10％左右高速度增加，美国是世界上L-苹果酸的主要生产国，年产量超过8000吨，但现在每年仍要从日本进口来满足国内需求，西欧市场也十分紧俏，我国目前有机酸行业生产L-苹果酸的水平，仅仅依靠利用富马酸、反丁烯二酸或顺丁烯二酸合成L-苹果酸，或利用糖类通过直接发酵法、二次发酵法及糖类酶法等生产苹果酸，工艺成本高、技术落后，这种现状使我国L-苹果酸产品长期以来一直依赖进口。食用纤维素和微晶纤维素(简称MCC)是具有广泛用途的新型食品和药品原料。从人体保健和营养学角度而言，适量补充纤维素不仅可以促进肠道的蠕动、刺激肠壁吸收水分、保持肠道润滑、消除便秘和预防各类肠道疾病，同时，纤维素可以吸附人体内过量脂肪，缩短营养素在体内的滞留时间，阻断人体对它们的过量吸收，防止人体由于吸收了大量的卡路里却排便不畅而产生肥胖，还可以通过清除体内毒素，消除青春痘及斑点，使皮肤变得光滑细腻，使身材变得窈窕纤细。研究发现，以往苹果渣只所以没有得到有效地开发利用，主要是由于苹果皮中有毒物质含量过高，处理起来费力、成本大，但截止本发明内容提出之日止，本领域还没有找到去除苹果皮毒物的更好的方法。

发明内容

本发明的目的在于利用苹果行业的苹果渣为原料，提供一种采用现代生物技术和生物提取技术制备苹果酸和食用微晶纤维素产品的方法，解决苹果渣有效利用问题，进而达到有效利用多种资源和保护环境、消除环境污染条件的目的。

本发明所述的制备方法包括从苹果渣中制备L-苹果酸的方法以及从提取过L-苹果酸后的渣粕制备微晶纤维素的方法，其特征在于将苹果渣苹果依次经过去毒处理、接种、发酵和提取的工艺步骤后制得L-苹果酸产品，然后再将提取过L-苹果酸后的渣粕依次通过提取、洗涤除杂、漂白、干燥的工艺步骤后制得微晶纤维素产品。

本发明的具体工艺步骤包括：

一、苹果酸的制备

1、去毒处理--将一定量的苹果原渣放入反应不锈钢容器内，加入6～10倍量的纯净水，保持温度到26℃时，在容器内分别加入占渣水量0.02％的维生素C、1％的柠檬素和0.1％的NaCl，浸泡24小时后，渣液通过离心机离心，去除水分，得经去毒处理后的苹果渣；

2、接种——将保存在麦芽汁琼脂斜面上的曲霉₁₆₃孢子用无菌水洗下，接到三角瓶中；瓶中装有液体培养基，在22～28℃静置培养2～4天，待长出大量孢子后接到内装有种子培养基的种子罐中，装液量占罐体容积量的70％；三角瓶和种子罐内装有下述种子培养基(克/升)：

经去毒处理后的苹果渣 50，葡萄糖 10，

豆饼粉 10， FeSO₄ 0.5，

K₂HPO₄ 0.2， NaCl 0.01，

MgSO₄ 0.1， CaCO₃ 60，

在对罐内物质进行100℃灭菌20～30分钟后，冷至40℃以下，加入单独灭菌的CaCO₃，接种曲霉₁₆₃孢子后在25～34℃通气搅拌培养，通气量0.15～0.3vvm，罐压维持100kPa，按每50升罐加20毫升的量加入泡敌抑制泡沫生成，培养18～20小时后接入生产罐；

3、发酵——将经上述第2步骤后的接种物在生产罐内采用进行发酵培养，生产罐装有下述发酵培养基(克/升)：

经去毒处理后的苹果渣 60，葡萄糖 15，

豆饼粉 10， FeSO₄ 0.5，

K₂HPO₄ 0.2， NaCl 0.01，

MgSO₄ 0.1， CaCO₃ 60，

发酵培养基除CaCO₃以外，直接在生产罐内配制，在缓慢搅拌下直接通蒸汽升温至100℃，维持20分钟灭菌，冷至40℃时，加入经120℃干热2小时的单独灭菌的CaCO₃；当品温降到35℃时，接种10％种子培养液，通气搅拌进行发酵，发酵时控制温度28℃～35℃，通气量0.4vvm，搅拌转速90r/min，发酵24小时后，加入罐内物料量0.2％的解脂假丝酵母ATCC₈₆₆₂细胞混合酶液，继续发酵过程约需30～40小时，待残糖降到1克/升以下，得成熟的浓浆状发酵醪；

4、提取苹果酸——将经上述第3步骤后得到的发酵醪放入酸解糟中，用无砷硫酸在搅拌下缓缓进行酸解至pH2.0～4.0，一般为pH2.5，酸解2个小时后，采用碱中和、过滤，再重复1次，然后，选择D301为提纯L-苹果酸的树脂，对生产中混合料液的L-苹果酸溶液进行分离，分离条件为pH＝3.4，流速＝1.5～2.5毫升/分。

二、微晶纤维素的制备

1、提取——选用匀浆机将提取过L-苹果酸后的渣粕用液进行匀浆，将其中的苹果渣均匀的粉碎，离心，干躁，获得尺寸约在10μm左右的颗粒状粉末微晶纤维素产品；

2、洗涤除杂——用清水对颗粒状粉末产品进行2～3次洗涤除杂；

3、漂白——用浓度为1～15％的漂白剂在常温条件下对洗涤除杂后的产品进行漂白处理，漂白剂用量为产品重量的0.5～2倍，时间为1～3小时，至微晶纤维素白度≥60时止；用清水洗涤1～3次至PH5～7，每次用水量为产品重量的5～15倍；用淀粉-碘化钾指示剂检验不变色为止；

4、干燥——将漂白后的微晶纤维素离心脱水后放入烘干装置内干燥，温度控制在20～150℃，至含水＜5％时止；

5、粉碎包装——将烘干料用粉碎机粉碎，用40～900目的筛网过筛，按常规法检验包装后，得成品微晶纤维素。

本发明采用传统微生物发酵和现代微生物提取技术相结合的方法，直接利用苹果行业的苹果渣和/或次产品为原料，发酵生产微生物菌粉，然后，从微生物菌粉中提取L-苹果酸和副产品微晶纤维素，不仅使产品具有安全性能的保障，而且生产工艺成熟、易行，成本低，具有生产技术的创新性和应用推广价值。该项技术的主要特点是载体廉价、无毒、原料来源广泛、制备简便，其固定化回收率高达90％以上，工作稳定性好，生产过程无三废，产品质量好。该项目的副产品微晶纤维素是天然纤维素在酸性介质中水解使分子量降低到一定的范围成为尺寸约10μm左右的颗粒状粉末产品，它在医药工业上用作药物赋型剂，有比利用淀粉或淀粉衍生物更好的优越性；同时微晶纤维素也是人体所必需的七种营养素之一，它能促进我们肠胃的蠕动，帮助我们消化食物，预防心血管的疾病，清扫人体内部有害的物质和多余没用的物质，在国内外市场亦属新型和紧俏物质。此外，本发明项目在生产L-苹果酸的过程中，就已经解决了纤维素的酸解问题，使项目的技术创新和经济效益更加明显。本发明技术方案的实施不仅为苹果产品拓宽销路，而且为果品深加工产业的副产品利用开辟了一条新途径，为有机酸行业的发展提供了廉价的新资源，解决了长期以来我国依靠合成生产L-苹果酸产品存在的成本高和主要依靠进口等问题，也解决了目前果业循环发展中存在的浪费资源和污染环境的问题，增加了果农的经济收入，达到了发展果业的目的。

具体实施方式

本发明所述的制备方法包括以苹果渣为原料，采用直接发酵生产工艺和酶法生产工艺结合起来进行苹果酸生产，然后再利用生产苹果酸的下脚料进而生产微晶纤维素的方法，其具体工艺程序如下：

一、苹果渣去毒处理

将苹果渣苹果放入反应不锈钢容器内，加入10倍量的纯净水，保持温度到26℃时，在容器内分别加入占渣水量0.02％的维生素C、1％的柠檬素和0.1％的NaCl，浸泡24小时后，渣液通过离心机离心，去除水分，再通过水洗、离心得经去毒处理后的苹果渣，该苹果渣可以直接应用为生产苹果酸的原料。

二、菌种扩大培养

曲霉₁₆₃孢子是易于产生孢子的真菌，也是用于苹果酸直接发酵的菌种。将保存在麦芽汁琼脂斜面上的曲霉₁₆₃孢子用无菌水洗下，接到三角瓶中，瓶中装有液体培养基。使菌种与培养基静置培养2～4天，培养温度为33℃，待长出大量孢子后，接到种子罐中。

三角瓶和种子罐装有下述种子培养基(g/l)：

苹果渣 50 葡萄糖 10 豆饼粉 10

FeSO₄ 0.5 K₂HPO₄ 0.2 NaCl 0.01

MgSO₄ 0.1 CaCO₃ 60

种子罐培养的目的是使孢子发芽，以缩短生产罐的发酵迟滞期。种子罐的体积是生产罐的10％，装液70％，例如501罐装液351。在100℃灭菌20～30min后，冷至40℃以下，加入单独灭菌的CaCO₃，接种曲霉孢子后在33～34℃通气搅拌培养，通气量0.15～0.3vvm，罐压维持100kPa，加入泡敌(501罐加20ml)抑制泡沫生成；培养18～20小时后接入生产罐。

三、发酵规程

发酵培养基含有60份量(重量，下同)的苹果渣，15份量的葡萄糖，其余成分与种子培养基相同。发酵方法采用半固体发酵方法。

生产养基除CaCO₃以外，直接在生产罐内配制，在缓慢搅拌下直接通蒸汽升温至100℃，维持20min灭菌；冷至40℃时，加入单独灭菌(干热160℃，2h)的CaCO₃；当品温降到35℃时，接种10％种子培养液，通气搅拌进行发酵；发酵时控制温度35℃，通气量0.4vvm，搅拌转速90r/min，发酵24小时后，叫发酵控制温度降至28℃，通气量和搅拌转速不变，再加入0.2％的解脂假丝酵母ATCC₈₆₆₂细胞混合酶液，整个发酵过程约需60h。待残糖降到1g/l以下后，放罐进入提取工序。

分析：影响苹果酸发酵的因素

1、氨源：对于曲霉163摇瓶发酵中氮源的影响进行了考察，豆饼粉和豆饼水解液是最好的氮源，产苹果酸可达70g/l。

2、碳酸盐种类：CaCO₃。CaCO₃对于稳定发酵和产品的提取是最有利的，详见表1。

表1：碳酸盐种类对苹果酸发酵的影响

碳酸盐	pH	残糖(g/l)	苹果酸(g/l)
				(NH₄)₂CO₃ K₂CO₃ Na₂NO₃ MgCO₃ ZnCO₃ BaCO₃ CaCO₃ Ca(OH)₂	3.3 5.1 4.6 8.0 6.4 8.5 6.1 8.6	31.9 36.7 89.5 32.5 64.6 31.9 24.3 58.6	0 0 0 18.8 5.2 8.0 39.0 0

3、CaCO₃用量

表2：CaCO₃浓度对苹果酸发酵的影响

氮源(％)	CaCO₃ (％)	培养天数	pH	残糖 (g/l)	苹果酸 (g/l)	菌体量 (ml/10ml)	对耗糖转化率(％)
								蛋白胨0.5	6 6 4	5 7 7	6.0 6.0 6.5	24.7 1.3 9.4	35.4 36.8 33.0	1.9 1.7 1.5	63.1 50.3 49.4
尿素0.1	4 0	9 9	5.3 4.1	2.2 73.4	38.0 2.2	2.1 0.4	52.0
								硫酸铵0.2	2 4 6	9 9 9	5.2 5.4 5.3	33.4 2.5 4.1	19.4 40.0 53.6	2.3 2.2 2.2	39.6 55.2 75.1
硝酸钠0.3	6 2	5 7	6.5 5.1	21.2 6.0	26.0 26.2	2.0 2.8

4、金属离子

在苹果酸发酵中，对各种金属离子的耐性都相当强。

结果表明，Mn²⁺具有明显的促进效果，Al²⁺其次，Cr⁴⁺也有效。Zn²⁺ 可以促进糖的消耗，Cu²⁺具有抑制作用，Fe²⁺在浓度相当高时也无抑制作用。铁离子还能抑制杂酸生成。

5、铁盐

当铁盐浓度在1.2g/l以下时，培养基中有杂酸存在。当铁盐浓度升高到1.8～2.1g/l时，杂酸消失，苹果酸产率也有所提高。

6、温度

先维持35℃，再换用28℃的情况下，耗糖较快，产酸量高。因此，在苹果酸发酵中，菌体发育的适宜温度为35℃，产酸的适宜温度为28℃。

四、苹果酸的提取和精制

苹果酸发酵液的处理又包括六个步骤，即酸解、过滤、中和、过滤、酸解、过滤。由于苹果酸发酵中需要添加过量的CaCO₃，另外形成的苹果酸钙盐溶解度也极低，所以成熟的发酵醪成浓浆状。

将发酵醪放入酸解糟中，用无砷硫酸酸解至pH4.0以下，一般为pH2.5，由于残留的CaCO₃分解会放出CO₂气体，所以酸解要在搅拌下缓缓进行；酸解2个小时后，中和，过滤，再重复1次，然后选择D301为提纯L-苹果酸的树脂，对生产中混合料液的L-苹果酸溶液进行分离，条件：在pH＝3.4、流速为2mL/min左右时是分离苹果酸的最佳条件。

五、利用生产苹果酸的下脚料生产微晶纤维素产品

利用生产苹果酸的下脚料生产微晶纤维素产品的最大特点是苹果渣中的纤维素经过发酵和酸解后，基本上已经被分解为粒度约10μm左右的纤维素分子，直接提取，就可以获得符合微晶纤维素产品标准的颗粒状粉末产品。其提取程序主要可以分为六步：

(1)、选用匀浆机将提取过L-苹果酸后的渣粕用液进行匀浆，将其中的苹果渣均匀的粉碎，离心，干躁，获得粒度尺寸约10μm左右的颗粒状粉末产品。

(2)、水洗：对颗粒状粉末产品用清水洗涤，除杂，一般2～3次。

(3)、漂白：接着用浓度1％～15％的漂白剂在常温条件下进行漂白处理，漂白剂用量为重量的0.5～2倍，时间为1～3小时，至微晶纤维素白度≥60时止；用清水洗涤1～3次至PH5～7，每次用水量为重量的5～15倍；用淀粉-碘化钾指示剂检验不变色为止。

(4)、脱水烘干：将所述的微晶纤维素离心脱水后放入烘干装置内干燥，温度控制在20～150℃，至含水＜5％时止；

(5)、粉碎过筛：将烘干料用粉碎机粉碎，再用40～900目的筛网过筛。

(6)、检验包装：按常规方法检验包装。

Claims

1.一种以苹果渣为原料制备苹果酸及微晶纤维素的方法，其特征在于将苹果渣依次经过去毒处理、接种、发酵和提取的工艺步骤后制得L-苹果酸产品，然后再将提取过L-苹果酸后的渣粕依次通过提取、洗涤除杂、漂白、干燥的工艺步骤后制得微晶纤维素产品，其中，

1.1苹果酸的制备工艺步骤包括：

1.1.1去毒处理——将一定量的苹果原渣放入不锈钢反应容器内，加入6～10倍量的纯净水，保持温度在26℃时，在容器内分别加入占渣水量0.02％的维生素C、1％的柠檬素和0.1％的NaCl，浸泡24小时后，渣液通过离心机离心，去除水分，得经去毒处理后的苹果渣；

1.1.2接种——将保存在麦芽汁琼脂斜面上的曲霉₁₆₃孢子用无菌水洗下，接到三角瓶中；瓶中装有液体培养基，在22～28℃静置培养2～4天，待长出大量孢子后接到内装有种子培养基的种子罐中，装液量占罐体容积量的70％；三角瓶和种子罐内装有下述种子培养基(克/升)：

经去毒处理后的苹果渣 50，葡萄糖 10，

豆饼粉 10， FeSO₄ 0.5，

K₂HPO₄ 0.2， NaCl 0.01，

MgSO₄ 0.1， CaCO₃ 60，

在对罐内物质进行100℃灭菌20～30分钟后，冷至40℃以下，加入单独灭菌的CaCO₃，接种曲霉₁₆₃孢子后，在25～34℃通气搅拌培养，通气量0.15～0.3vvm，罐压维持100kPa，按每50升罐加20毫升的量加入泡敌抑制泡沫生成，培养18～20小时后接入生产罐；

1.1.3发酵——将经2.1.2步骤后的接种物在生产罐内采用进行发酵培养，生产罐装有下述发酵培养基(克/升)：

经去毒处理后的苹果渣 60，葡萄糖 15，

豆饼粉 10， FeSO₄ 0.5，

K₂HPO₄ 0.2， NaCl 0.01，

MgSO₄ 0.1， CaCO₃ 60，

发酵培养基除CaCO₃以外，直接在生产罐内配制，在缓慢搅拌下直接通蒸汽升温至100℃，维持20分钟灭菌，冷至40℃时，加入经120℃干热2小时的单独灭菌的CaCO₃；当品温降到35℃时，接种10％种子培养基液，通气搅拌进行发酵，发酵时控制温度25℃～34℃，通气量0.4vvm，搅拌转速90r/min，发酵24小时后，加入罐内物料量0.2％的解脂假丝酵母ATCC₈₆₆₂细胞混合酶液，继续发酵过程约需30～40小时，待残糖降到1克/升以下，得成熟的浓浆状发酵醪；

1.1.4提取苹果酸——将经2.1.3步骤后得到的发酵醪放入酸解槽中，用无砷硫酸在搅拌下缓缓进行酸解至pH2.0～4.0，酸解2个小时后，采用碱中和，过滤，再重复1次，然后，选择D301为提纯L-苹果酸的树脂，对生产中混合料液的L-苹果酸溶液进行分离，分离条件为pH＝3.4，流速＝1.5～2.5毫升/分；

1.2微晶纤维素的制备工艺步骤包括：

1.2.1提取——选用匀浆机将提取过L-苹果酸后的渣粕用液进行匀浆，将其中的苹果渣均匀的粉碎，离心，干躁，获得尺寸约在10μm左右的颗粒状粉末微晶纤维素产品；

1.2.2洗涤除杂——用清水对颗粒状粉末产品进行2～3次洗涤除杂；

1.2.3漂白——用浓度为1～15％的漂白剂在常温条件下对洗涤除杂后的产品进行漂白处理，漂白剂用量为产品重量的0.5～2倍，时间为1～3小时，至微晶纤维素白度≥60时止；用清水洗涤1～3次至PH5～7，每次用水量为产品重量的5～15倍；用淀粉-碘化钾指示剂检验不变色为止；

1.2.4干燥——将漂白后的微晶纤维素离心脱水后放入烘干装置内干燥，温度控制在20～150℃，至含水＜5％时止；

1.2.5粉碎包装——将烘干料用粉碎机粉碎，用40～900目的筛网过筛，按常规法检验包装后，得成品微晶纤维素。

2.根据权利要求1所述的制备苹果酸及微晶纤维素的方法，其特征在于所说的提取苹果酸步骤中，将发酵醪放入酸解槽中后，用无砷硫酸在搅拌下缓缓进行酸解至pH2.5。