CN101979640B - 用甘蔗叶生产低聚木糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用甘蔗叶生产低聚木糖的方法。是以甘蔗叶为原料，经甘蔗叶粉碎、高温蒸煮和高温澄清脱色除杂得到木聚糖液；用木聚糖酶酶解木聚糖液得到低聚木糖液，低聚木糖液经醇发酵除葡萄糖和木糖、经微滤净化和吸附脱色得到精低聚木糖液，低聚木糖液浓缩后可得到低聚木糖糖浆；低聚木糖糖浆结晶或喷雾干燥得到低聚木糖粉。本发明具有工艺简单，不需脱酸，且经多级脱色、除杂，产品质量好，三废少，生产成本低等优点。

Description

用甘蔗叶生产低聚木糖的方法

技术领域

本发明涉及一种制备低聚木糖的方法。具体是用甘蔗叶生产低聚木糖的方法。

背景技术

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。低聚木糖具有无龋齿性，不被人体消化且能够显著增值体内双歧杆菌有益于肠道健康。低聚木糖可以减少有毒代谢产物形成，大大减少了肝脏分解毒素的负担，有保护肝脏的保健功能。低聚木糖可以促进人体对钙的吸收，降低血压和血清胆固醇，增强机体免疫力，抗癌，抗疲劳等等保健功能。国内外低聚木糖的市场销量都在快速增长。

木聚糖是半纤维素的主要成分。大多是以农副产品的废料，如棉壳、玉米芯、甘蔗渣、秸秆等等为原料。甘蔗制糖是广西的支柱产业，甘蔗的种植量全国第一。收获甘蔗后，甘蔗叶被大量的燃烧，或弃于田中自然降解作肥料，资源浪费。如果用其提取低聚木糖，使资源得到充分利用，又保护了环境，还可产生很好的经济效益。甘蔗叶的主要成分如表1。

表1：甘蔗叶主要成分

国内外曾对玉米芯、蔗渣、稻壳、秸秆、桦木、棉壳等原料制低聚木糖进行了大量的研究，目前国内基本上都用玉米芯为原料生产低聚木糖。以甘蔗叶为原料生产低聚木糖的技术国内外还没见有报导。

Sasaka等在1995年提出的直接高温蒸煮提取法是利用木聚糖含有的乙酰基侧链在高温蒸煮时脱乙酰，形成乙酸，使体系的pH下降，从而使木聚糖在较高温度下β-1，4糖苷键断裂而发生自水解作用。但目前国内都采用硫酸提取法生产低聚木糖。

徐勇，余世袁等研究了在20℃的条件下采用新生磷酸钙对低聚木糖液脱色的问题。新生磷酸钙在对酶解低聚木糖液中各低聚木糖组分的同步吸附规律表现为：随分子质量的增大而增大，并且对应的吸附率的大小顺序为木五糖、木四糖、木三糖和木二糖。因低聚木糖中木二糖含量越高则产品越好，新生磷酸钙对低聚木糖液脱色是有利的。以5.0g/L氢氧化钙对24.0g/L的酶解低聚木糖液进行脱色时，脱色率可达87.1％，低聚木糖的损失率仅为10％。(新生磷酸钙对低聚木糖的脱色规律[J].食品科学2003年第24卷第3期)。

玉米低聚木糖的脱色是低聚木糖生产过程中遇到的难点之一。目前脱除色素主要采用的方法有活性碳吸附、离子交换树脂吸附、絮凝剂脱色等，近年膜分离技术也开始采用。完全依靠吸附脱色，存在脱色效果和低聚木糖损失难以两全的矛盾。

发明内容

本发明人的研究表明：用甘蔗叶提取木糖，蒸煮法相对于碱法和酸法，溶出的总糖含量最高，还原糖与总糖之比蒸煮法与酸法相近，平均聚合度各法则相差不大。蒸煮法还可大大减少低聚木糖生产对环境的污染，也可简化生产低聚木糖的工艺。

本发明人提出：常温新生磷酸钙虽然可用于脱色，但要去除甘蔗叶提取液中的杂质，尤其是去除蛋白质、氨基酸、蔗脂、蔗腊时，效果不好。甘蔗制糖中使用的高温澄清(高温条件下的新生磷酸钙加絮凝剂吸附)用于甘蔗叶提取木糖，可同时除杂及脱色，不必将脱色的负荷全部留给最后的脱色工序。

工业规模生产时，如甘蔗叶低聚木糖液中杂质的去除采用高温澄清，在去除叶渣、浮泥、蛋白质、氨基酸、蔗脂、蔗腊同时，将美拉德色素与焦糖色素去除。余下的色素(以天然花色苷和酚类色素为主)则可用吸附法将其去除，减轻后续脱色工序的负荷，并为后续脱色工序采用不用再加酸调pH值的离子交换树脂脱色，在不需脱酸简化工艺的同时，也可减轻低聚木糖的损失。

本发明人认为，用酵母醇发酵去除料液中葡萄糖，是制糖业中很成熟的技术，如严格按公知的醇发酵条件操作，完全可以用于甘蔗叶制备低聚木糖中，去除提取液中的葡萄糖。

本发明的目的是提供一种适合于工业生产以甘蔗叶为原料生产低聚木糖的方法。

为解决上述技术问题本发明的技术方案是：

用甘蔗叶制取低聚木糖的方法，以甘蔗叶为原料，经甘蔗叶粉碎、高温蒸煮和高温澄清脱色除杂得到木聚糖液；用木聚糖酶酶解木聚糖液得到低聚木糖液，低聚木糖液经醇发酵除葡萄糖和木糖、经微滤净化和吸附脱色得到精低聚木糖液，低聚木糖液浓缩后可得到低聚木糖糖浆；低聚木糖糖浆结晶或喷雾干燥得到低聚木糖粉，操作步骤如下：

1.将甘蔗叶粉碎至大于100目以上；用蒸馏水将粉碎后的甘蔗叶在60℃下浸泡12h，蒸馏水与甘蔗叶的重量比为10∶1，在126℃温度条件下蒸煮，蒸煮时间1h，得到蒸煮料液；

2.蒸煮料液在126℃强搅拌条件下加石灰乳调节pH值至10.5，加磷酸使蒸煮料液冷却至50℃时pH值为5.0，并按蒸煮料液量的50～100ppm添加絮凝剂后进入澄清罐澄清，除去叶渣、浮泥、蛋白质、蔗脂、蔗腊及大分子的色素得到上清液；

3.取出澄清罐的上清液酶解得到低聚木糖液，酶解采用木聚糖酶，操作条件：pH值4.0～6.5，温度45～65℃，时间2～10h；

例如酶解采用诺维信真菌木聚糖酶，在上清液中液固重量比为13∶1、pH6.0、酶用量为40U/g干基、酶解温度60℃、反应时间2.5h的条件下进行酶解，可得到最高的低聚木糖溶出率。

4.将步骤3)制得低聚木糖液冷却后送醇发酵罐，选酵母发酵工艺，将低聚木糖液中的葡萄糖和木糖发酵成乙醇，发酵温度32～38℃，pH值4.8～5.2，酶解至葡萄残糖小于0.5％；

5.将步骤4)除杂糖后的低聚木糖液经微滤净化后送脱色工序脱色，脱色可用常规的酸析脱色、活性碳脱色或/和离子交换树脂脱色；

6.经脱色后的低聚木糖液送常规的真空浓缩、结晶或喷雾干燥，即可得低聚木糖浆或粉。

上述酶解采用的最佳酶为pH值4.8～6.0的酶。

本发明的优点为：

1.原料成本低，不用硫酸和烧碱，工艺流程简便，生产成本低，产品品质好。

2.工艺合理，各工序由126℃高温顺序降至低温，由蒸煮时料液的pH值3，顺序升至6，节能、节酸。

3.选用酶解pH值4.8～5.2的木聚糖酶，酶解时料液可不需专门调pH值。

4.本发明的工艺中的工序都为成熟的技术和设备，适合工业化规模生产。

具体实施方式

一.蒸煮法最佳液固比的试验

甘蔗叶经蒸馏水在60℃条件下浸泡12h后，将液固比设为5∶1，10∶1，15∶1，20∶1，于120℃密封蒸煮1h，测定总糖含量、还原糖含量、低聚木糖含量如表2。

表2：不同液固比的蒸煮结果表

液固比10∶1时，总糖含量、低聚木糖含量较大，溶出的还原糖较少，而平均聚合度最大，为最佳液固比。

二.蒸煮法最佳蒸煮时间的试验

甘蔗叶经蒸馏水在60℃条件下浸泡12h后，按10∶1加水，在120℃下分别密封蒸煮15min、30min、60min、90min，测定总糖含量、还原糖含量、低聚木糖含量如表3。

表3：不同蒸煮时间的蒸煮结果表

蒸煮时间低于60min时，溶出总糖量较少，而高于60min时溶出还原糖增多，致使木聚糖提取率低。最佳蒸煮时间为60min。

三.蒸煮法最佳蒸煮温度的试验

甘蔗叶经蒸馏水在60℃条件下浸泡12h后，按10∶1加水，分别在108℃、114℃、120℃、126℃下密封蒸煮1h，测定总糖含量、还原糖含量、低聚木糖含量如表4。

表4：不同蒸煮温度的蒸煮结果表

提高蒸煮温度有利于总糖的溶出，但蒸煮温度的提高对蒸煮设备的要求也增大。本试验在126℃下进行蒸煮，所得总糖含量最高，但平均聚合度变化不大。

四.蒸煮法与碱法和酸法的对比试验

经粉碎的甘蔗叶按10∶1的液固比加水，用蒸馏水在60℃条件下浸泡12h预处理后于120℃密封蒸煮1h。对比例为通常采用的碱法(5％NH₃·H₃O，60℃浸泡12小时预处理后，于120℃密封蒸煮1h)和酸法(0.1％H₂SO₄，60℃浸泡12小时预处理后，于120℃密封蒸煮1h)，结果见表5。

表5：各种预处理方法对比表

结论：甘蔗叶生产低聚木糖，采用本发明的蒸煮法比通常用的碱法和酸法好。

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述。

实施例1

1.将甘蔗叶粉碎至大于100目以上；用蒸馏水在60℃条件下浸泡12h后，取出沥水，按液固比10∶1加入提取液，于126℃密封蒸煮1h，得到蒸煮料液。

2.用陶瓷管微滤机分离出高温蒸煮料液，经缓冲罐泵入快速澄清罐，在管道混合器中添加石灰乳调节pH值至10.5，加磷酸使蒸煮料液50℃时pH值为5.0，并按蒸煮料液量的50～100ppm添加PAM絮凝剂，经澄清罐澄清分离去除叶渣、浮泥、蛋白质、蔗脂、蔗腊及大分子的色素，得到上清液。

3.取出澄清罐的上清液泵入酶解罐，在pH为6.0、上清液中液固重量比为13∶1时，加入诺维信真菌木聚糖酶。酶用量为40U/g干基、酶解温度60℃、反应时间2.5h的条件下进行酶解，得到pH值约6.0的低聚木糖液。

4.将酶解得的pH值约6.0的低聚木糖液冷却至32～35℃，送入装有固定化醇母的醇发酵罐，泵循环约18～22h，维持发酵罐温度32～38℃，醇解至葡萄残糖小于0.5％。

5.由醇发酵罐取出的低聚木糖液经微滤机净化后，经离子交换柱脱色得到脱色后的低聚木糖液。

6.低聚木糖液送真空浓缩干燥，当木糖溶液浓缩到原来体积的1/4时，加入乙醇，将有机酸、糠醛等沉淀过滤除去，继续浓缩至低聚木糖含量达到32％(W/V，对固形物)得浓缩糖浆，冷却后即可得到白色的木糖晶体，用少量的乙醇溶液洗去表面的母液，得到木糖产品。

实施例2

1.同实施例1的步骤1。

2.同实施例1的步骤2。

3.取出澄清罐的上清液泵入酶解罐，在pH值4.8～5.2、上清液中液固重量比为13∶1，加入里氏木酶木聚糖酶。酶用量为40U/g干基、酶解温度48～52℃、反应时间10h的条件下进行酶解，得到pH值约5.2的低聚木糖液。

4.同实施例1的步骤4。

5.同实施例1的步骤5。

6.同实施例1的步骤6。

实施例3

1.同实施例1的步骤1。

2.同实施例1的步骤2。

3.同实施例1的步骤3。

4.同实施例1的步骤4。

5.由醇发酵罐取出的低聚木糖液经微滤机净化后，用酸析联合改性活性炭脱色得精制低聚木糖液：用盐酸调低聚木糖清液pH值3.0，调低聚木糖清液温度至30～80℃，优选80℃，轻微搅拌后静置20min，用离心机粗分离，离心机清液再经陶瓷管微滤机精分离，得酸析脱色液，脱色率约30％；活性碳脱色的操作条件：氨基化改性活性炭用量6～12％，优选10％(w/v，活性炭/溶液)，初始pH值3.0，脱色温度80℃，脱色时间100min，脱色率约55.06％～68.96％。

6.离子交换树脂除酸，可采用公知的树脂，如732树脂和D301树脂，工艺可采用任何公知的工艺。

7.同实施例1的步骤6。

实施例4

3.同实施例2的步骤1。

4.同实施例2的步骤2。

5.同实施例2的步骤3。

6.同实施例2的步骤4。

5.由醇发酵罐取出的低聚木糖液经微滤机净化后，用酸析联合改性活性炭脱色得精制低聚木糖液：用盐酸调低聚木糖清液pH值3.0，调低聚木糖清液温度至30～80℃，优选80℃，轻微搅拌后静置20min，用离心机粗分离，离心机清液再经陶瓷管微滤机精分离，得酸析脱色液，脱色率约30％；活性碳脱色的操作条件：氨基化改性活性炭用量6～12％，优选10％(w/v，活性炭/溶液)，初始pH值3.0，脱色温度80℃，脱色时间100min，脱色率约55.06％～68.96％。

6.离子交换树脂除酸，可采用公知的树脂，如732树脂和D301树脂，工艺可采用任何公知的工艺。

7.同实施例2的步骤6。

Claims (2)

1.用甘蔗叶制取低聚木糖的方法，其特征在于，操作步骤如下：

1)将甘蔗叶粉碎至大于100目以上；用蒸馏水将粉碎后的甘蔗叶在60℃下浸泡12h，蒸馏水与甘蔗叶的重量比为10∶1，在126℃温度条件下蒸煮，蒸煮时间1h，得到蒸煮料液；

2)蒸煮料液在126℃强搅拌条件下加石灰乳调节pH值至10.5，加磷酸使蒸煮料液冷却至50℃时pH值为5.0，并按蒸煮料液量的50～100ppm添加絮凝剂后进入澄清罐澄清，除去叶渣、浮泥、蛋白质、蔗脂、蔗腊及大分子的色素得到上清液；

3)取出澄清罐的上清液酶解得到低聚木糖液，酶解采用木聚糖酶，操作条件：pH值4.0～6.5，温度45～65℃，时间2～10h；

4)将步骤3)制得低聚木糖液冷却后送醇发酵罐，选酵母发酵工艺，将低聚木糖液中的葡萄糖和木糖发酵成乙醇，发酵温度32～38℃，pH值4.8～5.2，酶解至葡萄残糖小于0.5％；

5)将步骤4)除杂糖后的低聚木糖液经微滤净化后送脱色工序脱色，脱色可用常规的酸析脱色、活性碳脱色或/和离子交换树脂脱色；

6)经脱色后的低聚木糖液送常规的真空浓缩、结晶或喷雾干燥，即可得低聚木糖浆或粉。

2.根据权利要求1所述的用甘蔗叶制取低聚木糖的方法，其特征在于，所述酶解采用的酶为pH值4.8～6.0的酶。