CN102702274A - 一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，该方法包括以下步骤：(1)原料预处理过程：将工业生产得到的大豆乳清废水或大豆糖蜜稀释液水浴加热到10～80℃，通过微滤膜和/或超滤膜进行预澄清过滤；(2)酶解过程：在步骤(1)得到的大豆乳清或大豆糖蜜稀释液滤液中加入酶，在50rpm的速度搅拌1～3分钟后停止搅拌，调节pH值为3～11，在0～60℃，反应10min～12h后，在沸水浴中灭活10～15分钟得到灭酶液；(3)纳滤分离过程：将步骤(2)得到的灭酶液经超滤膜复滤除酶后，经纳滤膜进行过滤分离，所得钠滤浓缩液即低聚糖溶液。与现有技术相比，本发明制备的产品中蔗糖和果糖、葡萄糖等单糖的总量不超过5％，技术适合工业化规模生产。

Description

一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法

技术领域

本发明涉及一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，特别是一种通过酶解反应耦合膜分离技术从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，属于食品加工废弃物综合利用技术领域。

背景技术

大豆低聚糖是指在大豆中天然存在的，以棉子糖、水苏糖和毛蕊花糖为主要功能组分。大豆低聚糖能够促进人体肠道内双歧杆菌的繁殖，能够改善肠道菌群分布，增强人体抗疾病能力；同时不生成血糖，可以作为糖尿病人、肥胖病人的保健食品；以及减轻肝脏负担，降低血脂，增强免疫力，预防癌症等功效。由于大豆中还含有大量的蔗糖，因而传统的大豆来源制备的大豆低聚糖中，蔗糖在大豆低聚糖产品中的含量很高，一般在50％～79％。由于大量蔗糖的存在，大豆低聚糖本身所拥有的重要功能性质不能被发挥，必须将蔗糖等与棉子糖、水苏糖和毛蕊花糖等功能低聚糖分离，因此制备高纯度大豆低聚糖有巨大的市场价值。

近几年国内对大豆低聚糖的研究和生产也非常重视，很多研究机构和企业也展开了许多大豆低聚糖的生产和应用的研究工作，例如中国专利公开号CN101717730A披露了一种降低糖蜜中蔗糖含量的方法，将编号是2.1392的菌株置于糖蜜中发酵培养，发酵20h后使蔗糖以碳源的形式消耗掉，而较少利用其中棉子糖、水苏糖，从而得到蔗糖含量较低的大豆低聚糖。CN1840675A提供了一种通过乳酸菌发酵大豆低聚糖中的蔗糖，来提高低聚糖中功能性成分(棉子糖、水苏糖)相对含量的方法，使用乳酸菌将蔗糖以碳源的形式消耗掉，将大豆低聚糖浓度调整为10-50mg/mL，添加0.5～1.5％的生长因子，灭菌后接入5～10％的乳酸菌在25～40℃下恒温培养36～50h，得到纯度达45％以上的低聚糖产品。CN1858217A公开了一种生物法大豆低聚糖功能因子的纯化方法，通过发酵节杆菌、黑曲霉、米曲霉产生果糖转移酶，使蔗糖经过酶转化法将其转化蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖等。CN101538291A公开一种用模拟移动床提纯大豆低聚糖的方法，在45-80℃条件下对含量为40％的大豆低聚糖，以阳离子交换树脂作为吸附剂，以纯水为洗脱剂进行分离，得到含量高于85％的大豆低聚糖液的主产品，以及含二糖、单糖的果糖液副产品。CN1687123A公开了一种膜法提取大豆异黄酮、大豆皂苷、大豆低聚糖的生产工艺，经过聚砜膜超滤得到大豆蛋白肽，再利用大孔树脂吸附大豆异黄酮，最后将经过吸附柱的乳清经过离子交换树脂得到大豆低聚糖。CN101283746A提供一种气浮净化、膜集成提取大豆低聚糖的方法，利用气浮分离蛋白质、多肽等，再使用二级超滤除去蛋白蛋白和胶体，最后使用反渗透浓缩乳清液。

大豆蛋白生产过程中产生大量的乳清废水，生产75吨大豆蛋白所排出的大豆乳清废水，其BOD值相当于2.5-3万人口城市一天的生活废水，对环境污染较为严重。而乳清中含糖约2.5％，其中功能性成分(棉子糖、水苏糖、)含量占45％，另有50％蔗糖和少量单糖；大豆糖蜜中的固形物含量为50％，其中蔗糖、棉子糖、水苏糖总量为30％～35％。

工业生产中多运用膜分离法去除乳清废水中的蛋白质，分离蔗糖和功能性糖(棉子糖、水苏糖)。由于蔗糖聚合度与棉子糖相近，膜分离效果不能达到最佳水平，市面上出售的大豆低聚糖中功能性成分(棉子糖、水苏糖)含量为60％，有较多的蔗糖和部分单糖存在，降低保健效果，且不利于糖尿病人食用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适合工业化规模生产实施的、分离高效的方法，将低聚糖中的功能性低聚糖的纯度大幅提高，降低产品中蔗糖和单糖的含量的从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)原料预处理过程：将工业生产得到的大豆乳清废水或大豆糖蜜稀释液水浴加热到10～80℃，调节pH值5.0～6.0，在0.5～8bar的压力下，通过微滤膜和/或超滤膜进行预澄清过滤；

(2)酶解过程：在步骤(1)得到的大豆乳清或大豆糖蜜稀释液滤液中加入酶，在50rpm的速度搅拌1～3分钟后停止搅拌，调节pH值为3～11，在0～60℃，反应10min～12h后，在沸水浴中灭活10～15分钟得到灭酶液；所述的酶的加入质量为大豆乳清或大豆糖蜜稀释液滤液中蔗糖或低聚糖质量(蔗糖或低聚糖质量通过HPLC法等方法准确测定)的0.01％～1％(w/w)；

(3)纳滤分离过程：将步骤(2)得到的灭酶液经超滤膜复滤后，经纳滤膜进行过滤分离，过滤温度20～60℃，操作压力为5bar～40bar，所得钠滤浓缩液即低聚糖溶液。

步骤(1)所述的微滤膜所用材料包括陶瓷膜、不锈钢膜或管式有机膜，膜孔径在20nm～200nm，所述的超滤膜为卷式有机膜或管式有机膜，截留分子量范围在3000Da～10000Da。

步骤(2)所述的酶为商品酶，包括纤维素酶、蔗糖酶、葡萄糖苷酶、呋喃果糖苷酶或果糖基转移酶中的一种或几种。

步骤(2)所述的灭酶液冷却后使用转速为5000rpm的离心机离心，去除在沸水浴中灭活过程中变性蛋白。

步骤(3)所述的超滤膜为卷式有机膜或管式有机膜，截留分子量范围在3000Da～10000Da；所述的纳滤膜的截留分子质量为150Da～350Da。

步骤(3)所述的纳滤膜过滤分离采用全循环浓缩模式或渗滤模式得到钠滤浓缩液。

步骤(3)所述的纳滤浓缩液经浓缩、干燥后得到功能性低聚糖纯度＞95％的大豆低聚糖粉。

所述的浓缩方式包括但不限于蒸发浓缩、减压浓缩、反渗透膜浓缩，所述的干燥方式包括但不限于喷雾干燥、冷冻干燥、流化床干燥、隧道式干燥、辐照干燥等。

步骤(1)中根据大豆乳清废水普遍使用的碱溶酸沉工艺，溶液pH值在4.0～5.0，需要加入稀NaOH溶液调节pH值。

步骤(1)中大豆糖蜜的糖浓度较高，需要稀释4～6倍，此时总糖含量为3.5～6.0％。大豆糖蜜稀释后pH值在5.3～5.5左右，可以免去pH调节过程直接加酶。

步骤(2)中由于大豆糖蜜和大豆乳清中糖分比例不同，且不同工艺得到的料液中糖分含量由差异，需要先测得料液中的蔗糖、低聚糖含量，可按照本领域常规的蔗糖、低聚糖的测量方法进行测量，如高效液相色谱(HPLC)法等。

步骤(2)中大豆乳清酶解液在沸水浴后会有蛋白变性析出。10分钟灭活完成，冷却后使用转速为5000rpm的离心机离心，去除这部分变性蛋白。

本发明使用酶膜耦合技术，选择合适的膜和膜过滤条件对大豆乳清废水进行预处理，然后通过选择合适的商品酶和酶解反应条件，将清液中的蔗糖水解为单糖并最大限度的保留棉子糖、水苏糖和毛蕊花糖等功能性低聚糖，再利用纳滤膜分离技术去除单糖，制备得到蔗糖和单糖含量少于5％的高纯度大豆低聚糖产品。与现有技术相比，本发明的优点是：使用生物酶技术与膜分离技术相结合，很好地解决目前大豆低聚糖产品中蔗糖含量过高的问题，同时，该发明所用工艺处理时间短，综合利用所有产品。酶的水解顺序为蔗糖-棉子糖-水苏糖，通过控制温度、时间、浓度等条件，可以在保留较多功能性低聚糖的条件下水解大部分蔗糖，增加被分离组分的分子量差，再经过纳滤分离技术将单糖和低聚糖高效分离，从而得到纯度更高的功能性低聚糖。得到的葡萄糖、果糖已有成熟的色谱分离技术，可以得到高纯度的葡萄糖、果糖、低聚糖产品。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

生产大豆蛋白得到的乳清废水100L，pH值5.4。利用膜孔径在20nm的不锈钢微滤膜对大豆乳清废水进行预澄清过滤处理，处理温度控制在60℃，操作压力4bar；在超滤滤液中加入0.01％(w/v)的蔗糖酶搅拌反应，pH3，反应温度40℃，反应时间12h。灭酶液经截留分子量3000Da的超滤膜复滤除酶，然后经截留分子质量为150Da的纳滤膜进行过滤分离，采用单纯浓缩模式或渗滤模式，过滤温度50℃，操作压力TMP为35～40bar，纳滤浓缩液经减压浓缩、冷冻干燥后得到功能性低聚糖纯度95％的大豆低聚糖粉。

实施例2

使用糖蜜40L，稀释6倍后，糖蜜体系的pH值在5.3～5.5左右。利用膜孔径在100nm的陶瓷膜微滤，再用5000Da的超滤膜对大豆乳清废水进行预澄清过滤处理，处理温度分别为80和30℃，操作压力分别为2.5bar和1bar；在超滤滤液中加入分别为0.02％和0.15％(w/v)的纤维素酶和蔗糖酶搅拌反应，pH4.5，反应温度30℃，反应时间2h灭酶液经截留分子量3000Da的超滤膜复滤除酶后经截留分子质量为250Da的纳滤膜进行过滤分离，采用单纯浓缩模式或渗滤模式，过滤温度55℃，操作压力TMP为40bar，纳滤浓缩液经蒸发浓缩、喷雾干燥后得到功能性低聚糖纯度98％的大豆低聚糖粉。

实施例3

顺序利用膜孔径在200nm的微滤膜和截留分子量在3000Da的超滤膜对大豆乳清废水进行预澄清过滤处理，处理温度25℃，操作压力2bar；在滤液中加入1％(w/v)的葡萄糖苷酶、呋喃果糖苷酶、果糖基转移酶复合酶制剂搅拌反应，pH6～7，反应温度40～45℃，反应时间4h，灭酶液经截留分子量3000Da的超滤膜复滤除酶后经截留分子质量为350Da的纳滤膜进行过滤分离，采用单纯浓缩模式或渗滤模式，过滤温度60℃，操作压力TMP为15bar，纳滤浓缩液经蒸发浓缩、喷雾干燥后得到功能性低聚糖纯度97.5％的大豆低聚糖粉。

实施例4

利用膜孔径在100nm的微滤膜和截留分子量在10000Da的超滤膜对大豆乳清废水进行预澄清过滤处理，处理温度45℃，操作压力0.5～2bar；在超滤滤液中加入0.025％(w/v)的果糖基转移酶搅拌反应，pH5.5，反应温度35～40℃，反应时间8h，灭酶液再经截留分子量3000Da的超滤膜复滤除酶，最后用截留分子质量为250Da的纳滤膜进行过滤分离，采用单纯浓缩模式或渗滤模式，过滤温度40～45℃，操作压力TMP为25～30bar，纳滤浓缩液经反渗透膜浓缩、流化床干燥后得到功能性低聚糖纯度98％的大豆低聚糖粉。

实施例5

利用膜孔径在20nm的微滤膜对大豆乳清废水或大豆糖蜜稀释液进行预澄清过滤处理，处理温度80℃，操作压力6～8bar；在滤液中加入0.015％(w/v)的蔗糖酶、果糖基转移酶复合酶制剂搅拌反应，pH5～6，反应温度30～40℃，反应时间4h，灭酶后经截留分子量3000Da的超滤膜复滤除酶后经截留分子质量为250Da的纳滤膜进行过滤分离，采用单纯浓缩模式或渗滤模式，过滤温度35～40℃，操作压力TMP为25bar～30bar，纳滤浓缩液经蒸发浓缩、隧道式干燥后得到功能性低聚糖纯度95％的大豆低聚糖粉。

实施例6

一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，该方法包括以下步骤：

(1)原料预处理过程：将工业生产得到的大豆乳清废水或大豆糖蜜稀释液水浴加热到10℃，调节pH值5.0～5.2，在0.5～1bar的压力下，依次通过膜孔径在20nm的陶瓷微滤膜和截留分子量范围在3000Da的超滤膜进行预澄清过滤；

(2)酶解过程：在步骤(1)得到的大豆乳清或大豆糖蜜稀释液滤液中加入纤维素酶，在50rpm的速度搅拌1分钟后停止搅拌，调节pH值为3～4，在0℃，反应12h后，在沸水浴中灭活10分钟得到灭酶液；灭酶液冷却后使用转速为5000rpm的离心机离心，去除在沸水浴中灭活过程中变性蛋白，所述的酶的加入质量为大豆乳清或大豆糖蜜稀释液滤液中蔗糖体积量的0.01％w/v；

(3)纳滤分离过程：将步骤(2)得到的灭酶液经截留分子量范围在3000Da的卷式有机超滤膜复滤除酶后，经截留分子质量为150Da的纳滤膜进行过滤分离，采用单纯浓缩模式或渗滤模式，过滤温度20℃，操作压力为40bar，所得钠滤浓缩液即低聚糖溶液，纳滤浓缩液经减压浓缩、辐照干燥后得到功能性低聚糖纯度＞95％的大豆低聚糖粉。

实施例7

一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，该方法包括以下步骤：

(1)原料预处理过程：将工业生产得到的大豆乳清废水或大豆糖蜜稀释液水浴加热到80℃，调节pH值5.8～6.0，在7～8bar的压力下，依次通过膜孔径在200nm的陶瓷微滤膜和截留分子量范围在10000Da的超滤膜进行预澄清过滤；

(2)酶解过程：在步骤(1)得到的大豆乳清或大豆糖蜜稀释液滤液中加入纤维素酶，在50rpm的速度搅拌3分钟后停止搅拌，调节pH值为10～11，在60℃，反应10min后，在沸水浴中灭活15分钟得到灭酶液；灭酶液冷却后使用转速为5000rpm的离心机离心，去除在沸水浴中灭活过程中变性蛋白，所述的酶的加入质量为大豆乳清或大豆糖蜜稀释液滤液中蔗糖体积量的1％w/v；

(3)纳滤分离过程：将步骤(2)得到的灭酶液经截留分子量范围在10000Da的卷式有机超滤膜复滤除酶后，经截留分子质量为350Da的纳滤膜进行过滤分离，采用单纯浓缩模式或渗滤模式，过滤温度60℃，操作压力为5bar，所得钠滤浓缩液即低聚糖溶液，纳滤浓缩液经蒸发浓缩、喷雾干燥后得到功能性低聚糖纯度＞95％的大豆低聚糖粉。

Claims (8)

1.一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)原料预处理过程：将大豆蛋白生产过程中产生的大豆乳清废水或大豆糖蜜稀释液水浴加热到10～80℃，调节pH值5.0～6.0，在0.5～8bar的压力下，通过微滤膜和/或超滤膜进行预澄清过滤；

(2)酶解过程：在步骤(1)得到的大豆乳清或大豆糖蜜稀释液滤液中加入酶，在50rpm的速度搅拌1～3分钟后停止搅拌，调节pH值为3～11，在0～60℃，反应10min～12h后，在沸水浴中灭活10～15分钟得到灭酶液；所述的酶的加入质量为大豆乳清或大豆糖蜜稀释液滤液中蔗糖或低聚糖质量的0.01％～1％(w/w)；

(3)纳滤分离过程：将步骤(2)得到的灭酶液经超滤膜复滤后，经纳滤膜进行过滤分离，过滤温度20～60℃，操作压力为5bar～40bar，所得钠滤浓缩液即低聚糖溶液。

2.根据权利要求1所述的一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，其特征在于，步骤(1)所述的微滤膜所用材料包括陶瓷膜、不锈钢膜或管式有机膜，膜孔径在20nm～200nm，所述的超滤膜为卷式有机膜或管式有机膜，截留分子量范围在3000Da～10000Da。

3.根据权利要求1所述的一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，其特征在于，步骤(2)所述的酶为商品酶，包括纤维素酶、蔗糖酶、葡萄糖苷酶、呋喃果糖苷酶或果糖基转移酶中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，其特征在于，步骤(2)所述的灭酶液冷却后使用转速为5000rpm的离心机离心，去除在沸水浴中灭活过程中变性蛋白。

5.根据权利要求1所述的一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，其特征在于，步骤(3)所述的超滤膜为卷式有机膜或管式有机膜，截留分子量范围在3000Da～10000Da；所述的纳滤膜的截留分子质量为150Da～350Da。

6.根据权利要求1所述的一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，其特征在于，步骤(3)所述的纳滤膜过滤分离采用全循环浓缩模式或渗滤模式得到钠滤浓缩液。

7.根据权利要求1所述的一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，其特征在于，步骤(3)所述的纳滤浓缩液经浓缩、干燥后得到功能性低聚糖纯度＞95％的大豆低聚糖粉。

8.根据权利要求7所述的一种从大豆乳清废水中制备高纯度大豆低聚糖的方法，其特征在于，所述的浓缩方式包括但不限于蒸发浓缩、减压浓缩、反渗透膜浓缩，所述的干燥方式包括但不限于喷雾干燥、冷冻干燥、流化床干燥、隧道式干燥、辐照干燥。