CN102080116A - 一种采用蒸汽爆破—定向酶解制取低聚木糖的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用蒸汽爆破—定向酶解制取低聚木糖的方法。该方法包括：植物纤维原料机械破碎、蒸汽爆破、内切木聚糖酶定向水解、酶解体系压滤、微滤、超滤分离提纯、阴离子交换树脂精制、大孔酚醛吸附树脂精制和减压蒸发浓缩。本发明的制取低聚木糖的方法，将蒸汽爆破与定向酶解进行有机地结合以替代现有的酸、碱抽提法或单一的蒸汽爆破法，不仅有效地降解和溶出了原料中的木聚糖，而且克服了其他工艺对酸、碱化学品的消耗或者杂质众多，尤其是有害物含量过高、后续分离精制成本昂贵的不足，可实现生产过程中无废水的排放，大大简化了木聚糖的抽提工艺，节约了操作工时，显著地提高了低聚木糖生产的环境亲和性和经济效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种低聚木糖的制备方法，特别涉及一种采用蒸汽爆破—定向酶解制取低聚木糖的方法。
背景技术
低聚木糖是一类低聚合度的β-1,4-木糖苷键连接而成的低聚糖的总称，是一种新型高效的功能性低聚糖，具有高效的人体和动物的双歧因子和免疫增强剂功效，能够有效节肠道微生态和激活机体免疫功能等多种保健促生功能，可广泛应用于医药、食品、饮料和饲料等相关行业。
目前，低聚木糖的生产主要采用植物纤维质碱抽提或酸抽提方法，然后经木聚糖酶催化水解木聚糖以制取低聚木糖。在这些加工过程中均需要消耗一定用量的酸、碱类化学药剂，需要在后续工序中加以分离脱除，同时溶出部分有机物进入废水系统；蒸汽爆破通过高压、高温的自催化水解和瞬时爆破使木质部发生一定程度的化学降解和物理破碎效应，可溶出部分聚糖类物质并且可显著增大原料反应的比表面积。与酸、碱法相比，蒸汽爆破预处理可显著降低化学品的消耗和环保负担，具有一定的发展前景。但是，蒸汽爆破并不能定向地降解木聚糖生成聚合度适宜的低聚木糖，同时过度的蒸汽爆破还会产生众多的降解产物，糠醛、羟甲基糠醛和木质素衍生物等，增加了低聚木糖生产精制工序的负荷。
发明内容
发明目的：针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种采用蒸汽爆破—定向酶解制取低聚木糖的方法，以实现无废水排放、低化学品消耗、低成本、高效的生产低聚木糖。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种采用蒸汽爆破—定向酶解制取低聚木糖的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）蒸汽爆破：
对植物纤维原料进行预处理，然后经机械破碎成长度不大于50mm、直径不大于20mm的物料；在密闭的蒸汽爆破装置中，采用过饱和蒸汽直接加热物料至200~205℃，维持3～8min后瞬时爆破制得爆破料，对爆破料进行检测；
爆破料的检测结果为：爆破料的pH值为4.5～5.0，木聚糖的回收得率高于70.0%，可溶性木聚糖占36.0～38.0%，聚合度2～6低聚木糖组分的得率为6.5%，乙酸和甲酸含量低于0.2%，糠醛和羟甲基糠醛含量低于0.01%。
（2）定向酶解：
在爆破料中加入适量的软水至总固形物浓度为5.0～10.0%（w/w），按5～15U/g木聚糖的用量加入内切木聚糖酶，控制反应温度50±2℃，搅拌速率50～100rpm，定向酶解反应20～24h得酶解液。酶解过程中，聚合度2～6低聚木糖组分的酶解得率高于23.5%。玉米芯经蒸汽爆破—定向酶解后聚合度2～6低聚木糖的总得率为30.0%。
（3）膜分离：
酶解液分别经板框压滤除杂、管式微滤膜组件澄清和中空纤维超滤膜组件分离纯化后得低聚木糖稀糖液；其中，管式微滤膜组件的膜孔径为0.20～0.45μm，中空纤维超滤膜组件的截留分子量为20000道尔顿。
（4）精制浓缩：
采用弱碱性阴离子交换树脂吸附低聚木糖稀糖液中的乙酸和甲酸根，使乙酸和甲酸根的浓度不大于10mg/kg，再经大孔酚醛吸附树脂脱除残留的糠醛和羟甲基糠醛类杂质，使糠醛和羟甲基糠醛类杂质的浓度不大于10mg/kg；在真空度－0.07～－0.08MPa条件下，恒温减压蒸发浓缩低聚木糖稀糖液至浓度值25.0～30.0%，即得到低聚木糖液产品；对产品进行检测；
经检测，低聚木糖的组成：木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖占总低聚木糖的含量分别为18.6%、31.7%、22.3%、16.2%和11.2%。
植物纤维原料包括玉米芯、麦秆、桦木等。
植物纤维原料的预处理包括分检除霉、振动筛除砂和除铁等操作。
有益效果：本发明的采用蒸汽爆破、定向酶解制取低聚木糖的方法，针对植物原料及木聚糖的组成特点，采用了蒸汽爆破、内切木聚糖酶定向酶水解、膜分离和层析柱精制的集成技术工艺，尤其是将蒸汽爆破与定向酶解进行有机地结合以替代现有的酸、碱抽提法或单一的蒸汽爆破法，不仅有效地破降解和溶出了原料中的木聚糖，而且克服了其他工艺对酸、碱化学品的消耗或者杂质众多，尤其是有害物含量过高、后续分离精制成本昂贵的不足，可实现生产过程中无废水的排放，大大简化了木聚糖的抽提工艺，节约了操作工时，显著地提高了低聚木糖生产的环境亲和性和经济效率。
附图说明
图1为采用蒸汽爆破—定向酶解制取低聚木糖的工艺流程示意图。
图2为玉米芯在蒸汽爆破、酶水解各个工艺步骤中的低聚木糖得率。图中，横坐标表示聚合度2～6的低聚木糖组分，纵坐标表示低聚木糖的得率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明最进一步的解释。
以下实施例所使用的方法和检测试剂具体如下：
木聚糖酶由里氏木霉（Trichoderma reesei）或黑曲霉（Aspergillus niger）经液体深层发酵和酶蛋白质拆分后精制而成，该方法参照ZL02112568.6中已经公开的方法。
木聚糖酶的酶活力测定方法采用国际纯化学与应用化学联合会的测定方法（GHOSE, T. K. and BISARIA V. S., (1987) Pure & Appl. Chem., 59(12), 1739-1752;）；
蒸汽爆破物料、低聚木糖产品中的甲酸、乙酸、糠醛、羟甲基糠醛的检测方法均采用高效液相离子交换色谱法（HPLC）。色谱仪的系统和操作条件为：Agilent 1200色谱仪及工作站，色谱柱为Aminex HPX—87H（300×7.8mm）色谱柱及保护柱，柱温为55℃，以5.0 mmol/L硫酸为洗脱液，洗脱速率0.6ml/min，采用折光示差法和色谱峰面积积分法测定上述组分的含量。
酶解液中聚合度2～6的低聚木糖的测定采用高效液相离子交换色谱法（HPAEC）分析，参见中国专利申请201010570158.4。色谱仪的系统和操作条件为：Dionex ICS 3000色谱仪及工作站，色谱柱为CarboPacTM PA200（250×3mm）色谱柱及保护柱，柱温为30℃，以醋酸钠—氢氧化钠二元梯度洗脱，采用积分脉冲安培检测法和色谱峰面积积分法测定糖组分的含量。
其他药品和设备均为市售药品或常用药品和设备。
实施例1
风干玉米芯经人工分检除霉、振动筛除砂和除铁预处理后，采用机械破碎至颗粒的长度不超过50mm，直径不超过20mm的物料。
在间歇式或连续式全自动蒸汽爆破器中加入物料，通过自控系统开启蒸汽进气阀门直接通入2.0MPa过饱和蒸汽快速加热物料至200~205℃，维持3～8min后自动瞬时开启排放阀产生爆破效果并获得爆破料。对爆破料进行检测，爆破料的总固形物回收率达到80.0%以上，pH值为4.5～5.0，木聚糖的回收得率高于70.0%，其中可溶性木聚糖和低聚木糖占36.0～38.0%，聚合度2～6低聚木糖组分的得率为6.5%，乙酸和甲酸得率低于0.2%，糠醛和羟甲基糠醛得率低于0.01%。
实施例2
采用机械搅拌式酶水解装置进行爆破料定向酶解。加入适量的软水调节爆破料的总固形物浓度为5.0～10.0%（w/w），按照5～15U/g木聚糖的用量加入内切木聚糖酶，控制反应温度50±2℃和搅拌速率50～100rpm，定向酶解反应20～24h后得酶解液。对酶解液进行检测，酶解过程中，聚合度2～6低聚木糖组分的酶解得率超过23.5%。以玉米芯汽爆料所含有的木聚糖为计算基准，蒸汽爆破和定向酶水解后聚合度2～6低聚木糖的总得率为30.0%。
实施例3
在40～45℃条件下，采用板框式过滤机下压滤酶解体系以除去固体杂质。板框过滤操作的进口压力控制在1.0～1.5MPa，以20～25%（w/w）的软水洗涤滤饼后得低聚木糖滤液；在30～35℃条件下，采用管式微滤膜组件（膜孔径0.20～0.45 μm）过滤低聚木糖滤液得到澄清液，控制操作压力0.15～0.20MPa；在25～30℃条件下，再采用中空纤维超滤膜组件（截留分子量20000道尔顿）进一步分离纯化澄清液得低聚木糖稀糖液，控制操作压力为0.30～0.35MPa。
在25～30℃条件下，控制适当的流速使低聚木糖稀糖液分别流经弱碱性阴离子交换色谱柱、大孔酚醛树脂吸附柱进行精制，控制出口端乙酸根、甲酸根、糠醛、羟甲基糠醛的浓度不高于10mg/kg。在真空度－0.06～－0.08MPa和恒温的条件下，采用多效薄膜式减压蒸发装置将低聚木糖稀糖液浓缩至25.0～30.0%，密封包装得到产品低聚木糖液。低聚木糖的组成：木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖占总低聚木糖的含量分别为18.6%、31.7%、22.3%、16.2%和11.2%。图2为玉米芯在蒸汽爆破、酶水解各个工艺步骤中的低聚木糖得率。
实施例4
按照实施例1~3的方法，具体工艺流程如图1所示，以其他植物纤维原料为材料，例如：麦秸、桦木、水稻秸秆、树叶、树枝干和木屑等，采用蒸汽爆破—定向酶解制取低聚木糖，均能够制备出低聚木糖，所不同的仅是低聚木糖的得率不同。
Claims (3)
1.一种采用蒸汽爆破—定向酶解制取低聚木糖的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）蒸汽爆破：
对植物纤维原料进行预处理，然后经机械破碎成长度不大于50mm、直径不大于20mm的物料；在密闭的蒸汽爆破装置中，采用过饱和蒸汽直接加热物料至200~205℃，维持3～8min后瞬时爆破制得爆破料，对爆破料进行检测；
（2）定向酶解：
在爆破料中加入适量的软水至总固形物浓度为5.0～10.0%（w/w），按5～15U/g木聚糖的用量加入内切木聚糖酶，控制反应温度50±2℃，搅拌速率50～100rpm，定向酶解反应20～24h得酶解液；
（3）膜分离：
酶解液分别经板框压滤除杂、管式微滤膜组件澄清和中空纤维超滤膜组件分离纯化后得低聚木糖稀糖液；其中，管式微滤膜组件的膜孔径为0.20～0.45μm，中空纤维超滤膜组件的截留分子量为20000道尔顿；
（4）精制浓缩：
采用弱碱性阴离子交换树脂吸附低聚木糖稀糖液中的乙酸和甲酸根，使乙酸和甲酸根的浓度不大于10mg/kg，再经大孔酚醛吸附树脂脱除残留的糠醛和羟甲基糠醛类杂质，使糠醛和羟甲基糠醛类杂质的浓度不大于10mg/kg；在真空度－0.07～－0.08MPa条件下，恒温减压蒸发浓缩低聚木糖稀糖液至浓度值25.0～30.0%（w/w），即得到低聚木糖液产品；对产品进行检测。
2.根据权利要求1所述的采用蒸汽爆破—定向酶解制取低聚木糖的方法，其特征在于：步骤（1）中，植物纤维原料主要包括玉米芯、麦秆和桦木。
3.根据权利要求1所述的采用蒸汽爆破—定向酶解制取低聚木糖的方法，其特征在于：步骤（1）中，植物纤维原料的预处理包括分检除霉、振动筛除砂和除铁。
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