CN101638678A - 一种魔芋低聚糖的制备方法 - Google Patents

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张晓昱
邬建国
王宏勋
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Abstract

本发明涉及微生物工程和酶工程领域，是一种降解魔芋粉获取魔芋低聚糖的生产方法，主要内容包括：以低浓度魔芋粉为培养基制备种子液或制备β－葡甘露聚糖粗酶液、直接发酵或间接利用粗酶液酶解高浓度的魔芋原料获取魔芋低聚糖。本发明具有可操作性强、低成本和效率高等优点。

Description

一种魔芋低聚糖的制备方法
技术领域
本发明涉及微生物工程和酶工程领域，具体地说，涉及一种由魔芋原料获取魔芋低聚糖的生物制备方法。
背景技术
随着国民经济的发展，天然健康的食品的研制成为研究热点，魔芋低聚糖以补钙、减肥、降压、抗癌、洁胃、排毒通便等功效倍受重视，魔芋低聚糖已经成为中国食品新战略的着力点。目前，以魔芋粉或魔芋精粉作底物生产低聚糖的工艺很多，将酶法与发酵法结合的工艺也有很多，但均必须对获得的酶液进行了分离纯化才能达到显著的效果，增加了工艺的复杂性及成本。目前魔芋低聚糖生产工艺主要包括两个步骤：纯酶液的生产和酶水解。其中纯酶的生产主要集中在生产菌种单酶基因工程的改造，目的是获得单位体积的更高酶活。用该工艺由一个最大的优点在于底物比较集中，得率高，但也存问题，就是必须使用KGM比较纯的原料，这样就增加了成本，同时在水解过程中也使得原料中非KGM底物部分流失，并产生一定的环境污染。
发明内容
本发明的目的在于针对上述不足提供一种降解魔芋原料获取魔芋低聚糖的方法。
本发明利用产β-葡甘露聚糖酶的担子菌来制备魔芋低聚糖。优选所述担子菌还产淀粉酶和纤维素酶。
本发明可以通过如下方法实现：
1)直接发酵法获取魔芋低聚糖：以魔芋原料为发酵培养基，直接利用产β-葡甘露聚糖酶的担子菌发酵魔芋原料获取魔芋低聚糖；或
2)间接酶解法获取魔芋低聚糖：培养能够产生β-葡甘露聚糖酶的担子菌制备粗酶液；直接采用粗酶液对高浓度魔芋原料进行水解，获取魔芋低聚糖。
其中担子菌产生的粗酶液包括β-葡甘露聚糖酶、淀粉酶、纤维素酶，该粗酶液可实现魔芋原料中多种成分得以水解。
其使用的魔芋原料对其中魔芋葡甘露聚糖(KGM)的含量没有要求，可以是芋角粉、魔芋粗粉、魔芋精粉和纯KGM中的任何一种或搭配使用。
在制备粗酶液时，宜使用低浓度的魔芋粉作为培养基，在酶解时可使用粗酶液对高浓度魔芋粉进行水解。这里的低浓度和高浓度是相对的，培养时采用低浓度魔芋粉利于发酵，水解时采用高浓度魔芋粉可以提高水解效率。采用低浓度魔芋粉作为培养基的另一个好处是不会引入魔芋粉以外的杂质，从而使产物纯净。此外，在制备粗酶液时，宜在在β-葡甘露聚糖酶分泌高峰时获取发酵液，这样酶活较高。
直接发酵获取魔芋低聚糖方法为：魔芋原料浓度为3～6％(质量体积百分比)，2～20％(体积百分比)的接种量，转速为100～250r/min，24～32℃温度下发酵72～144h；优化的发酵方法为魔芋原料浓度为3～5％(质量体积百分比)，5～15％(体积百分比)的接种量，转速为120～200r/min，27～30℃温度下发酵72～120h；更优的发酵方法为魔芋原料浓度为4％(质量体积百分比)，10％(体积百分比)的接种量，转速为150r/min，28℃温度下发酵96h。
间接酶解获取魔芋低聚糖方法包括两段工艺，第一段为粗酶液制备方法：魔芋原料浓度为0.5～3.0％(质量体积百分比)，转速为100～250r/min，24～32℃温度下培养24～96h；优化的粗酶液制备方法为：魔芋原料浓度为0.5～2.0％(质量体积百分比)，转速为120～180r/min，26～30℃温度下培养36～72h。更优的粗酶液制备方法为：魔芋原料浓度为1.0％(质量体积百分比)，转速为150r/min，28℃温度下培养48h。粗酶液以β-葡甘露聚糖酶酶活不低于(30IU/mL)为宜。第二段为粗酶液酶解方法：魔芋原料浓度为1.0～10％(质量体积百分比)，粗酶液添加量为2～20％(体积百分比)，酶解过程需要搅拌，转速为30～300r/min，30～70℃温度下酶解0.5～6h。优化的粗酶液酶解方法为：魔芋原料浓度为2.0～5.0％(质量体积百分比)，粗酶液添加量为5～15％(体积百分比)，酶解过程需要搅拌，转速为50～200r/min，45～65℃温度下酶解2.0～4.0h。更优的粗酶液酶解方法为：魔芋原料浓度为3.0％(质量体积百分比)，粗酶液添加量为10％(体积百分比)，酶解过程需要搅拌，转速为100r/min，60℃温度下酶解3.0h。
通过上述方法，最终魔芋原料水解率达70％以上。
本发明的优点在于：
1)采用可药膳两用的担子菌株直接直接发酵魔芋原料获取低聚糖；
2)利用药膳两用的担子菌株分泌多种水解酶的特性，发酵法制备可充分水解魔芋原料的粗酶液，增强原料利用率。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。本发明中涉及到的百分号“％”，若未特别说明，是指质量百分比；但溶液的百分比，除另有规定外，是指溶液100ml中含有溶质若干克；液体之间的百分比，是指在20℃时容量的比例。
实施例1：直接发酵获取魔芋低聚糖(1)
将乳白耙菌斜面菌种接种到1％魔芋粗粉(质量体积百分比)摇瓶培养液中，28℃下培养48h，以10％接种量转接入50L一级种子罐中(培养基与摇瓶一样，后也一样)，150r/min，28℃下培养48h后再按10％接种量转接入500L二级发酵罐中，100r/min，28℃下培养48h，再按5％接种量转接入5000L发酵罐(魔芋粗粉质量体积百分比为4％)中发酵，150r/min，28℃下发酵96h，获得的发酵液即为魔芋低聚糖溶液，其魔芋粗粉水解率达到80.1％。
实施例2：直接发酵获取魔芋低聚糖(2)
将乳白耙菌斜面菌种接种到1％魔芋精粉(质量体积百分比)摇瓶培养液中，28℃下培养48h，以10％接种量转接入50L一级种子罐中(培养基与摇瓶一样，后也一样)，150r/min，28℃下培养48h后再按10％接种量转接入500L二级发酵罐中，100r/min，28℃下培养48h，再按5％接种量转接入5000L发酵罐(魔芋精粉质量体积百分比为3％)中发酵，100r/min，25℃下发酵72h，获得的发酵液即为魔芋低聚糖溶液，其魔芋精粉水解率达到85.6％。
实施例3：直接发酵获取魔芋低聚糖(3)
将乳白耙菌斜面菌种接种到1％芋角粉(质量体积百分比)摇瓶培养液中，28℃下培养48h，以10％接种量转接入50L一级种子罐中(培养基与摇瓶一样，后也一样)，150r/min，28℃下培养48h后再按10％接种量转接入500L二级发酵罐中，100r/min，28℃下培养48h后再按5％接种量转接入5000L发酵罐(芋角粉质量体积百分比为5％)中发酵，180r/min，30℃下发酵120h，获得的发酵液即为魔芋低聚糖溶液，其芋角粉水解率达到72.4％。
实施例4：直接发酵获取魔芋低聚糖(4)
将乳白耙菌斜面菌种接种到1％芋角粉(质量体积百分比)摇瓶培养液中，28℃下培养48h，以10％接种量转接入50L一级种子罐中(培养基与摇瓶一样，后也一样)，150r/min，28℃下培养48h后再按10％接种量转接入500L二级发酵罐中，100r/min，28℃下培养48h后再按2％接种量转接入5000L发酵罐(芋角粉质量体积百分比为2％)中发酵，250r/min，28℃下发酵144h，获得的发酵液即为魔芋低聚糖溶液，其芋角粉水解率达到77.5％。
实施例5：直接发酵获取魔芋低聚糖(5)
将乳白耙菌斜面菌种接种到1％芋角粉(质量体积百分比)摇瓶培养液中，28℃下培养48h，以10％接种量转接入50L一级种子罐中(培养基与摇瓶一样，后也一样)，150r/min，28℃下培养48h后再按10％接种量转接入500L二级发酵罐中，100r/min，28℃下培养48h后再按10％接种量转接入5000L发酵罐(芋角粉质量体积百分比为6％)中发酵，200r/min，32℃下发酵77h，获得的发酵液即为魔芋低聚糖溶液，其芋角粉水解率达到71.6％。
实施例6：间接酶解获取魔芋低聚糖(1)
工段一：粗酶液的获取
将乳白耙菌斜面菌种接种到1％魔芋粗粉(质量体积百分比)摇瓶培养液中，28℃下培养48h，以5％接种量转接入50L一级种子罐中(培养基与摇瓶一样，后也一样)，150r/min，28℃下培养48h后再按5％接种量转接入500L二级发酵罐中，100r/min，28℃下培养48h后结束，获得的培养液即粗酶液，此时粗酶液中β-葡甘露聚糖酶酶活浓度为35.2IU/mL。
工段二：粗酶液的酶解
将105kg魔芋精粉放入5000L反应器中，配置成3500L 3％的魔芋精粉溶液(不用灭菌)，后将350L粗酶液(500L发酵罐中培养获得)转入5000L反应器中，控制温度为60℃，100rpm搅拌下降解3h，降解完毕灭菌，获得酶解液即魔芋低聚糖溶液，其魔芋精粉水解率达80.2％。
实施例7：间接酶解获取魔芋低聚糖(2)
工段一：粗酶液的获取
将乳白耙菌斜面菌种接种到1％芋角粉(质量体积百分比)摇瓶培养液中，28℃下培养48h，以5％接种量转接入50L一级种子罐中(培养基与摇瓶一样，后也一样)，120r/min，25℃下培养36h后再按5％接种量转接入500L二级发酵罐中，150r/min，28℃下培养48h后结束，获得的培养液即粗酶液，此时粗酶液中β-葡甘露聚糖酶酶活浓度为31.8IU/mL。
工段二：粗酶液的酶解
将140kg魔芋精粉放入5000L反应器中，配置成3500L 4％的魔芋精粉溶液(不用灭菌)，后将350L粗酶液(500L发酵罐中培养获得)转入5000L反应器中，控制温度为55℃，120rpm搅拌下降解4h，降解完毕灭菌，获得酶解液即魔芋低聚糖溶液，其魔芋精粉水解率达75.2％。
实施例8：间接酶解获取魔芋低聚糖(3)
工段一：粗酶液的获取
将乳白耙菌斜面菌种接种到1％魔芋精粉(质量体积比)摇瓶培养液中，28℃下培养48h，以5％接种量转接入50L一级种子罐中(培养基与摇瓶一样，后也一样)，120r/min，25℃下培养36h后再按5％接种量转接入500L二级发酵罐中，150r/min，28℃下培养48h后结束，获得的培养液即粗酶液，此时粗酶液中β-葡甘露聚糖酶酶活浓度为39.5IU/mL。
工段二：粗酶液的酶解
将350kg魔芋精粉放入5000L反应器中，配置成3500L 10％的魔芋精粉溶液(不用灭菌)，后将350L粗酶液(500L发酵罐中培养获得)转入5000L反应器中，控制温度为50℃，120rpm搅拌下降解4h，降解完毕灭菌，获得酶解液即魔芋低聚糖溶液，其魔芋精粉水解率达74.5％。
实施例9：间接酶解获取魔芋低聚糖(4)
酶解液的获取同实施例8，检测β-葡甘露聚糖酶酶活浓度为38.6IU/mL。
工段二：粗酶液的酶解
将70kg魔芋精粉放入5000L反应器中，配置成3500L 2.0％的魔芋精粉溶液(不用灭菌)，后将80L粗酶液(500L发酵罐中培养获得)转入5000L反应器中，控制温度为60℃，300rpm搅拌下降解6h，降解完毕灭菌，获得酶解液即魔芋低聚糖溶液，其魔芋精粉水解率达78.5％。
实施例10：间接酶解获取魔芋低聚糖(5)
酶解液的获取同实施例8，检测β-葡甘露聚糖酶酶活浓度为39.9IU/mL。
工段二：粗酶液的酶解
将100kg魔芋精粉放入5000L反应器中，配置成2000L 5％的魔芋精粉溶液(不用灭菌)，后将350L粗酶液(500L发酵罐中培养获得)转入5000L反应器中，控制温度为60℃，200rpm搅拌下降解1.5h，降解完毕灭菌，获得酶解液即魔芋低聚糖溶液，其魔芋精粉水解率达72.9％。
实施例11：间接酶解获取魔芋低聚糖(5)
酶解液的获取同实施例8，检测β-葡甘露聚糖酶酶活浓度为37.9IU/mL。
工段二：粗酶液的酶解
将100kg魔芋精粉放入5000L反应器中，配置成2000L 5％的魔芋精粉溶液(不用灭菌)，后将100L粗酶液(500L发酵罐中培养获得)转入5000L反应器中，控制温度为30℃，50rpm搅拌下降解6h，降解完毕灭菌，获得酶解液即魔芋低聚糖溶液，其魔芋精粉水解率达83.6％。
实施例12：间接酶解获取魔芋低聚糖(5)
酶解液的获取同实施例8，检测β-葡甘露聚糖酶酶活浓度为38.7IU/mL。
工段二：粗酶液的酶解
将100kg魔芋精粉放入5000L反应器中，配置成2000L 5％的魔芋精粉溶液(不用灭菌)，后将100L粗酶液(500L发酵罐中培养获得)转入5000L反应器中，控制温度为45℃，150rpm搅拌下降解4h，降解完毕灭菌，获得酶解液即魔芋低聚糖溶液，其魔芋精粉水解率达77.4％。

Claims (10)

1、产β-葡甘露聚糖酶的担子菌在制备魔芋低聚糖中的应用。
2、如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述担子菌还产淀粉酶和纤维素酶。
3、一种魔芋低聚糖的生产方法，其特征在于：
1)直接发酵法获取魔芋低聚糖：以魔芋原料为发酵培养基，直接利用产β-葡甘露聚糖酶的担子菌发酵魔芋原料获取魔芋低聚糖；或
2)间接酶解法获取魔芋低聚糖：培养能够产生β-葡甘露聚糖酶的担子菌制备粗酶液；直接采用粗酶液对高浓度魔芋原料进行水解，获取魔芋低聚糖。
4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述担子菌还产生淀粉酶和纤维素酶。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述担子菌为乳白耙菌。
6、根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述魔芋原料是芋角粉、魔芋粗粉、魔芋精粉和纯KGM中的任何一种或搭配使用。
7、根据权利要求2～6任一项的所述，其特征在于，所述直接发酵方法为：魔芋原料浓度为3～6％(质量体积百分比)，2～20％(体积百分比)的接种量，转速为100～250r/min，24～32℃温度下发酵72～144h；较优的直接发酵方法为：魔芋原料浓度为3～5％(质量体积百分比)，5～15％(体积百分比)的接种量，转速为120～200r/min，27～30℃温度下发酵72～120h；更优的发酵方法为魔芋原料浓度为4％(质量体积百分比)，10％(体积百分比)的接种量，转速为150r/min，28℃温度下发酵96h。
8、根据权利要求2～6任一项所述的方法，其特征在于，间接酶解获取魔芋低聚糖方法包括步骤：1)粗酶液制备：魔芋原料浓度为0.5～3.0％(质量体积百分比)，转速为100～250r/min，24～32℃温度下培养24～96h；2)粗酶液酶解：魔芋原料浓度为1.0～10％(质量体积百分比)，粗酶液添加量为2～20％(体积百分比)，酶解过程需要搅拌，转速为30～300r/min，30～70℃温度下酶解0.5～6h。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于其中步骤1)粗酶液制备方法为：魔芋原料浓度为0.5～2.0％(质量体积百分比)，转速为120～180r/min，26～30℃温度下培养36～72h；更优的粗酶液制备方法为：魔芋原料浓度为1.0％(质量体积百分比)，转速为150r/min，28℃温度下培养48h。
10、根据权利要求8所述的方法，其特征在于其中步骤2)粗酶液酶解方法：魔芋原料浓度为2.0～5.0％(质量体积百分比)，粗酶液添加量为5～15％(体积百分比)，酶解过程需要搅拌，转速为50～200r/min，45～65℃温度下酶解2.0～4.0h；更优的粗酶液酶解方法为：魔芋原料浓度为3.0％(质量体积百分比)，粗酶液添加量为10％(体积百分比)，酶解过程需要搅拌，转速为100r/min，60℃温度下酶解3.0h。
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Application publication date: 20100203