CN102229969A

CN102229969A - 利用微波辅助酶解甘蔗渣制备低聚木糖的方法

Info

Publication number: CN102229969A
Application number: CN2011101242625A
Authority: CN
Inventors: 孙卫东; 张晋博; 李军委; 牛丽; 朱蓉艳; 谢伟; 张娟
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2011-11-02

Abstract

一种利用微波辅助酶解甘蔗渣制备低聚木糖的方法，先将甘蔗渣进行粉碎过筛、加入H₂O₂溶液浸泡、过滤、洗涤烘干，加水调浆作微波消解处理，调节pH值后添加木聚糖酶水解木聚糖，以活性炭柱吸附、乙醇溶液洗脱、分离纯化，用颗粒状活性炭对制备的酶解糖溶液进行脱色，乙醇溶液的进行洗脱，得低聚木糖溶液。本发明的方法在0.9MPa的微波消解压力下微波消解17min、木聚糖酶用量为原料甘蔗渣重量的0.7％的条件下，酶解液中还原糖含量可达9.21mg/mL。不但制备效率高，无酸碱废液排放，加大了制糖副产物的综合利用，且降低了低聚木糖的生产成本和增加了低聚木糖的产量。

Description

利用微波辅助酶解甘蔗渣制备低聚木糖的方法

技术领域

本发明属甘蔗糖业副产物的综合利用、尤其是利用微波辅助酶解甘蔗渣制备低聚木糖的方法。

背景技术

蔗渣是甘蔗制糖工业的主要副产物，是甘蔗经机械破碎、压榨提汁后的蔗茎纤维性残渣，属于农业固体废弃物，是一种可再生资源。我国是仅次于巴西和印度的世界第三甘蔗种植大国，据国家统计局统计，2009年广西全区甘蔗的种植面积为1555万亩，产蔗糖700多万吨，按照每产1吨糖产生2吨蔗渣计算，广西全区各糖厂产生的蔗渣就多达1400多万吨。蔗渣的成分中纤维素为32％～48％、半纤维素19％～32％、木质素23％～32％、灰分4％，蔗渣除部分用于造纸、制造人造板、活性炭、膳食纤维、生物柴油以及乙醇外，大部分直接被用作锅炉燃料烧掉，并未得到充分的利用，一是污染环境；二是资源浪费。

低聚木糖亦称木寡糖，是由2～7个D-木糖以β-1，4-木糖苷键结合而成，以二糖和三糖为主，是功能性低聚木糖家族中的一个重要成员，但与其他低聚糖相比，木二糖在消化系统中最稳定，不被消化酶水解，且代谢不依赖胰岛素，可以满足特殊人群如糖尿病、高血脂等患者的食品要求；木寡糖还能够促进机体对钙质的吸收，因此低聚木糖可作为少儿、孕妇以及老年人食品的理想原料；低聚木糖无龋齿性并具有抗龋齿性，适合作为儿童食品的甜味添加剂；低聚木糖能够促进双歧杆菌等有益菌的增殖、改善肠道菌群结构；低聚木糖还具有降低血清胆固醇含量、降低血压、生成营养物质、增强机体免疫和抗肿瘤能力、消除肠道内毒素等功能。

目前世界上规模化生产低聚木糖的公司只有日本Suntory公司等少数几家，而在日本和欧洲用功能性低聚糖开发的食品多达四、五百种；1996年世界各种低聚糖的生产量约85万吨。国内山东龙力生物科技有限公司以玉米芯为原料生产低聚木糖，是我国首家实现规模生产低聚木糖的企业。2005年建成投产的万吨木寡糖生产线是目前全球最大的生产线，但远远不能满足市场需要。低聚木糖独特的功能性，使国内外对低聚木糖的市场需求量急剧增加。

低聚木糖是木聚糖水解的直接产物，木聚糖是植物纤维素的主要成分，主链是由木糖基通过β-D-(1，4)-糖苷键连接构成，D-葡萄糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖等构成支链。工业上生产采用富含木聚糖的植物(如：玉米芯、棉籽糖、麸皮、蔗渣、桦木等)为原料，通过木聚糖水解、分离精制而成的一类非消化性的低聚糖。甘蔗渣中富含纤维素和半纤维素，也是制备低聚木糖的良好资源。

低聚木糖作为国际新型低聚糖类产品，其所具有的独特功能引起了广大业内人士的关注。国内外专家对低聚木糖进行了多方面的研究，针对低聚木糖制备过程中所需的原料特性、木聚糖酶的相关性质、原料预处理方法和酶解反应相关条件进行了广泛深入的研究，推动了实现低聚木糖工业化的进程。

木聚糖是植物木质纤维成分的一部分，主要存在于植物的细胞壁中，与木质素、果胶和纤维素等以共价键或氢键的形式连接在一起，在低聚木糖生产过程中这些成分会妨碍木聚糖与木聚糖酶之间的作用，从而降低形成速率和产率，因此在水解之前，必须对原料进行有效地预处理，在生产试验中多对原料进行高温蒸煮处理、碱处理或酸处理，以释放木聚糖，再经木聚糖酶水解木聚糖制备低聚木糖，酶法制备低聚木糖已是目前生产低聚木糖的主要方法，利用内切木聚糖酶水解木聚糖底物得到的是以木二糖、木三糖为主要成分的混合物。但利用微波技术辅助酶解提取甘蔗渣中木聚糖制备低聚木糖方面却未见有报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种微波辅助预处理促进木聚糖的释放、制备效率高、无酸碱废液排放的利用微波辅助酶解甘蔗渣制备低聚木糖的方法。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

本发明的方法采用以下工艺步骤：

(1)甘蔗渣进行粉碎、筛选，通过0.3～0.4mm筛网；

(2)经粉碎过筛后的甘蔗渣，加入到浓度为0.5～2.5％的H₂O₂溶液中，蔗渣与溶液的质量体积比为1∶5～15，20℃～30℃下浸泡8～16h，过滤，滤饼用清水洗涤至洗出液呈中性，60℃烘箱内烘至恒重；

(3)经浸泡预处理后的甘蔗渣加水调浆，放入微波消解仪中进行微波消解处理，蔗渣与水的质量体积比为1∶5～20，微波消解压力0.2～1.2MPa，消解处理4～24min；

(4)经微波消解处理后的蔗渣，冷却、取出，蒸馏水稀释，调节pH值至5.0，添加木聚糖酶水解木聚糖制备低聚木糖，木聚糖酶与甘蔗渣干物料质量比为0.5～2.5∶100，酶解反应温度45℃～60℃，酶解反应时间20～25h；

(5)以活性炭柱吸附、乙醇溶液洗脱、分离纯化制备低聚木糖溶液，采用颗粒状活性炭对制备的酶解糖溶液进行分离，活性炭与糖液质量体积比为1.3∶1，平衡时间为24～36h，乙醇溶液的浓度为10％～30％。

加入蔗渣前的H₂O₂溶液用2mol/LNaOH调pH值至8～12。

甘蔗渣预处理的优化条件为：H₂O₂溶液浓度为2.0％，蔗渣与H₂O₂溶液质量体积比为1∶10，pH 11.5。

微波消解甘蔗渣的优化条件为：蔗渣与水的质量体积比1∶10；微波消解压力：0.9MPa；消解处理时间：17min。

木聚糖酶水解木聚糖的优化条件为：木聚糖酶与甘蔗渣干物料质量比为0.7∶100，pH5.0，温度55℃，酶解时间24h。

活性炭柱层析纯化低聚木糖的优化条件为：平衡温度控制在25℃，活性炭与含固形物为2.0％的糖液质量体积比1.3∶1；平衡时间为24h，乙醇洗脱液的浓度为20％(V/V)。

本发明在酶法制备低聚木糖的基础上，解决了甘蔗渣酶法制备低聚木糖所存在的技术难题，提供了一种微波辅助预处理促进木聚糖释放的方法，在0.9MPa的微波消解压力下微波消解17min、木聚糖酶用量为原料甘蔗渣重量的0.7％的条件下，酶解液中还原糖含量可达9.21mg/mL。经活性炭柱层析、乙醇溶液洗脱、分离纯化低聚木糖，糖液的脱色率达到94.3％；不但制备效率高，而且无酸碱废液排放。同时拓宽了蔗渣利用的渠道，深化了制糖业副产物的综合利用，降低了低聚木糖的生产成本，增加国内低聚木糖的产量，为推进保健食品和功能性食品普及奠定物资基础。

附图说明

图1为本发明利用微波辅助酶解甘蔗渣制备低聚木糖的方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例作进一步描述：

实施例1：

将甘蔗渣进行筛选、除杂，经粉碎机粉碎，过0.3mm筛网，准确称取筛下的蔗渣200g，充分浸泡于1L浓度为0.5％(V/V)的已用2mol/LNaOH溶液调pH值至8的H₂O₂溶液中，20℃下处理8h，离心过滤，滤饼用清水充分洗涤至洗出液呈中性，置60℃烘箱内烘至恒重。

经H₂O₂溶液预处理过的蔗渣，按照1∶5(W/V)的配比加水进行调浆，搅拌均匀后添加至微波消解仪中进行消解处理，消解压力为0.2MPa，消解处理4min，冷却。

取出经微波消解处理过的蔗渣，加水稀释，用1mol/L的HCl溶液和1mol/LNaOH溶液调节pH至5.0，按照1.5％(相对于甘蔗渣干物料)的用量称取木聚糖酶3g(为保持木聚糖酶的活性，将木聚糖酶置入0.05mol/L、pH5.0柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，以下实施例同)，添加于上述消解液中，进行酶解，45℃下酶解23h后，90℃保温灭活20min，冷却至室温，经滤纸过滤除杂，蒸馏水稀释至固形物含量为2.0％。

按照活性炭与糖液1.3∶1(W/V)的配比称取颗粒状活性炭，用蒸馏水漂洗去除细颗粒。装柱，用去离子水大量冲洗活性炭柱数小时。温度控制在25℃，上样，平衡24h后，先用去离子水洗柱，去除阿拉伯糖、葡萄糖等还原性单糖，洗至3，5-二硝基水杨酸(DNS)测定无还原糖流出。再用20％(V/V)乙醇溶液洗脱低聚木糖，全自动部分收集器收集。还原糖含量达2.1mg/ml，木聚糖提取率为4.9％。

实施例2：

将甘蔗渣进行筛选、除杂，经粉碎机粉碎，过0.4mm筛网，准确称取筛下的蔗渣200g，充分浸泡于1L浓度为1.0％的已用2mol/LNaOH溶液调pH值至10的H₂O₂溶液中，25℃下处理12h，离心过滤，滤饼用清水充分洗涤至洗出液呈中性，60℃烘箱中烘箱内烘至恒重。

经H₂O₂溶液预处理过的蔗渣，按照1∶10(W/V)的配比加水进行调浆，搅拌均匀后添加至微波消解仪中进行消解处理，消解压力为0.6MPa，消解处理16min，冷却。

取出经微波消解处理过的蔗渣，加水稀释，用1mol/L的HCl溶液和1mol/LNaOH溶液调节pH至5.0，按照1.0％(相对于甘蔗渣干物料)的用量称取木聚糖酶2g(酶与0.05mol/L、pH5.0柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液混合液)，添加于上述消解液中，进行酶解，55℃下酶解24h后，90℃保温灭活20min，冷却至室温，经滤纸过滤除杂，蒸馏水稀释至固形物含量为2.0％。

按照活性炭与糖液1.3∶1(W/V)的配比称取颗粒状活性炭，用蒸馏水漂洗去除细颗粒。装柱，用去离子水大量冲洗活性炭柱数小时。温度控制在25℃，上样，平衡30h后，先用去离子水洗柱，去除阿拉伯糖、葡萄糖等还原性单糖，洗至3，5-二硝基水杨酸(DNS)测定无还原糖流出。再用20％乙醇溶液洗脱低聚木糖，全自动部分收集器收集。还原糖含量达6.7mg/ml，木聚糖提取率为17.5％。

实施例3：

将甘蔗渣进行筛选、除杂，经粉碎机粉碎，过0.4mm筛网，准确称取筛下的蔗渣200g，充分浸泡于2L浓度为2.0％的H₂O₂溶液中，H₂O₂溶液采用2mol/LNaOH溶液调pH值至12，30℃下处理16h，离心过滤，滤饼用清水充分洗涤至洗出液呈中性，60℃烘箱中烘箱内烘至恒重。

经H₂O₂溶液预处理过的蔗渣，按照1∶10(W/V)的配比加水进行调浆，搅拌均匀后添加至微波消解仪中进行消解处理，消解压力为0.8MPa，消解处理24min，冷却。

取出经微波消解处理过的蔗渣，加水稀释，用1mol/L的HCl溶液和1mol/LNaOH溶液调节pH至5.0，按照1.5％(相对于甘蔗渣干物料)的用量称取木聚糖酶3g(酶与0.05mol/L、pH5.0柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液混合液)，添加于上述消解液中，进行酶解，60℃下酶解25h后，90℃保温灭活20min，冷却至室温，经滤纸过滤除杂，蒸馏水稀释至固形物含量为2.0％。

按照活性炭与糖液1.3∶1(W/V)的配比称取颗粒状活性炭，用蒸馏水漂洗去除细颗粒。装柱，用去离子水大量冲洗活性炭柱数小时。温度控制在25℃，上样，平衡36h后，先用去离子水洗柱，去除阿拉伯糖、葡萄糖等还原性单糖，洗至3，5-二硝基水杨酸(DNS)测定无还原糖流出。再用20％乙醇溶液洗脱低聚木糖，全自动部分收集器收集。还原糖含量可达8.9mg/ml，木聚糖提取率为21.9％。

实施例4：

将甘蔗渣进行筛选、除杂，经粉碎机粉碎，过0.4mm筛网，准确称取筛下的蔗渣200g，充分浸泡于2L浓度为2.5％的H₂O₂溶液中，H₂O₂溶液采用2mol/LnaOH溶液调pH值至12，30℃下处理16h，离心过滤，滤饼用清水充分洗涤至洗出液呈中性，60℃烘箱中烘箱内烘至恒重。

经H₂O₂溶液预处理过的蔗渣，按照1∶15(W/V)的配比加水进行调浆，搅拌均匀后添加至微波消解仪中进行消解处理，消解压力为0.8MPa，消解处理16min，冷却。

取出经微波消解处理过的蔗渣，加水稀释，用1mol/L的HCl溶液和1mol/LNaOH溶液调节pH至5.0，按照2.0％(相对于甘蔗渣干物料)的用量称取木聚糖酶3g(酶与0.05mol/L、pH5.0柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液混合液)，添加于上述消解液中，进行酶解，55℃下酶解25h后，90℃保温灭活20min，冷却至室温，经滤纸过滤除杂，蒸馏水稀释至固形物含量为2.0％。

按照活性炭与糖液1.3∶1(W/V)的配比称取颗粒状活性炭，用蒸馏水漂洗去除细颗粒。装柱，用去离子水大量冲洗活性炭柱数小时。温度控制25℃，上样，平衡24h后，先用去离子水洗柱，去除阿拉伯糖、葡萄糖等还原性单糖，洗至3，5-二硝基水杨酸(DNS)测定无还原糖流出。再用30％乙醇溶液洗脱低聚木糖，全自动部分收集器收集。还原糖含量可达9.1mg/ml，木聚糖提取率为21.0％。

实施例5：

将甘蔗渣进行筛选、除杂，经粉碎机粉碎，过0.3mm筛网，准确称取筛下的蔗渣200g，充分浸泡于3L浓度为2.0％的H₂O₂溶液中，H₂O₂溶液采用2mol/L NaOH溶液调pH值至12，30℃下处理16h，离心过滤，滤饼用清水充分洗涤至洗出液呈中性，60℃烘箱中烘箱内烘至恒重。

经H₂O₂溶液预处理过的蔗渣，按照1∶20(W/V)的配比加水进行调浆，搅拌均匀后添加至微波消解仪中进行消解处理，消解压力为1.2MPa，消解处理24min，冷却。

取出经微波消解处理过的蔗渣，加水稀释，用1mol/L的HCl溶液和1mol/LNaOH溶液调节pH至5.0，按照2.5％(相对于甘蔗渣干物料)的用量称取木聚糖酶5g(酶与0.05mol/L、pH5.0柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液混合液)，添加于上述消解液中，进行酶解，55℃下酶解25h后，90℃保温灭活20min，冷却至室温，经滤纸过滤除杂，蒸馏水稀释至固形物含量为2.0％。

按照活性炭与糖液1.3∶1(W/V)的配比称取颗粒状活性炭，用蒸馏水漂洗去除细颗粒。装柱，用去离子水大量冲洗活性炭柱数小时。温度控制在25℃，上样，平衡24h后，先用去离子水洗柱，去除阿拉伯糖、葡萄糖等还原性单糖，洗至3，5-二硝基水杨酸(DNS)测定无还原糖流出。再用30％乙醇溶液洗脱低聚木糖，全自动部分收集器收集。还原糖含量达9.2mg/ml，木聚糖提取率为20.6％。

Claims

1.一种利用微波辅助酶解甘蔗渣制备低聚木糖的方法，其特征是工艺步骤为：

(1)甘蔗渣进行粉碎、筛选，通过0.3～0.4mm筛网；

(5)以活性炭柱吸附、乙醇溶液洗脱、分离纯化制备低聚木糖溶液，采用颗粒状活性炭对制备的酶解糖溶液进行脱色，活性炭与糖液质量体积比为1.3∶1，乙醇溶液的体积浓度为10％～30％。

2.如权利要求1所述的利用微波辅助酶解甘蔗渣制备低聚木糖的方法，其特征是加入蔗渣前的H₂O₂溶液已用2mol/LNaOH调pH值至8～12。

3.如权利要求1所述的利用微波辅助酶解甘蔗渣制备低聚木糖的方法，其特征是甘蔗渣预处理的优化条件为：H₂O₂溶液浓度为2.0％，蔗渣与H₂O₂溶液质量体积比为1∶10，pH11.5。

4.如权利要求1所述的利用微波辅助酶解甘蔗渣制备低聚木糖的方法，其特征是微波消解甘蔗渣的优化条件为：蔗渣与水的质量体积比1∶10；微波消解压力：0.9MPa；消解处理时间：17min。

5.如权利要求1所述的利用微波辅助酶解甘蔗渣制备低聚木糖的方法，其特征是木聚糖酶水解木聚糖的优化条件为：木聚糖酶与甘蔗渣干物料质量比为0.7∶100，pH5.0，温度55℃，酶解时间24h。

6.如权利要求1所述的利用微波辅助酶解甘蔗渣制备低聚木糖的方法，其特征是活性炭柱层析纯化低聚木糖的优化条件为：平衡温度控制在25℃，活性炭与含固形物为2.0％的糖液质量体积比1.3∶1；乙醇洗脱液的浓度为20％。