CN103205472B - 一种利用桑枝制备低聚木糖的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用桑枝制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：将桑枝粉碎制得的桑枝粉在氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液中活化，加乙醇得沉淀，沉淀即为木聚糖渣滓；或桑枝粉碎制得的桑枝粉在Na/NaOH/γ-Al2O3正己烷反应介质中活化，过滤得沉淀，沉淀即为木聚糖渣滓；利用木聚糖酶对木聚糖渣滓进行酶解后，加热使木聚糖酶灭活，离心，收集上清液即为低聚木糖粗糖液；低聚木糖粗糖液经脱色、柱层析、冷冻干燥即得低聚木糖。该方法以废弃物为原料，来源广泛、成本低廉，不仅拓展了低聚木糖生产的原料来源，而且变废为宝、有利于减少桑枝焚烧或丢弃造成的环境污染，具有较大的社会意义和经济价值。

Description

一种利用桑枝制备低聚木糖的方法
技术领域
本发明属于食品工程和生物化工领域，特别涉及一种利用桑枝制备低聚木糖的方法。
背景技术
低聚木糖(Xy1ooligosaccharides)是由2-7个木糖(Xylose)以β-1,4糖苷键连接而成的低聚糖，部分还含有阿拉伯糖醛酸、葡萄糖醛酸侧链等，其主要成分是木二糖(xylobiose，X2)和木三糖(Xylotriose,X3)。与其他功能性低聚糖一样，低聚木糖具有促进肠道有益菌增殖、抑制有害菌生长、改善肠道微生态环境等功能。低聚木糖是目前发现的对双歧杆菌增殖效果最好的低聚糖之一，因而被称为超强双歧因子，同时它具有有效剂量低(0.7g/d)、酸热稳定性好、加工性能好等优点。目前生产低聚木糖的原料主要是玉米芯、花生壳等，其他植物成分由于木聚糖含量低或者木聚糖中木糖聚合度较高，所以不能利用，因此目前木聚糖生产的主要问题之一是原料来源较单一。
桑树在我国已有4000多年的栽培历史，桑树种类、品种和种植面积位居世界首位，主要集中种植在江苏、浙江、四川等省。桑树每年需要剪枝2次，据不完全统计我国桑树每年剪枝季节修剪下来的桑树枝条有3000万吨以上。因为没法处理，多数桑枝在地头焚烧，将这些生物质废弃物焚烧不仅污染环境，还浪费了大量资源。桑枝含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，其中半纤维素含量较高（33-40%），而半纤维素的主要成分为木聚糖且聚合度较低，在植物细胞壁中木聚糖的含量仅次于纤维素，因此桑枝是理想的低聚木糖生产的原料。然而，利用桑枝制备低聚木糖迄今未有报道。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉的以桑枝为原料的低聚木糖的制备方法，实现桑枝废弃物高值转化。
技术方案：本发明提供的一种利用桑枝制备低聚木糖的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将桑枝粉碎制得的桑枝粉在氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液中活化，加乙醇得沉淀，沉淀即为木聚糖渣滓；或桑枝粉碎制得的桑枝粉在Na/NaOH/γ-Al2O3正己烷反应介质中活化，过滤得沉淀，沉淀即为木聚糖渣滓；
（2）利用木聚糖酶对木聚糖渣滓进行酶解后，加热使木聚糖酶灭活，离心，收集上清液即为低聚木糖粗糖液；
（3）低聚木糖粗糖液经纯化即得低聚木糖，纯化步骤为采用脱色、柱层析、冷冻干燥等步骤或其组合。
步骤（1）中，所述桑枝粉为将桑枝洗净、去皮、干燥、粉碎制得，干燥温度优选100～130℃。
步骤（1）中，所述氢氧化钠水溶液的质量百分比浓度为1-10%。
步骤（1）中，所述氢氧化钾水溶液的质量百分比浓度为5-15%。
步骤（1）中，所述Na/NaOH/γ-Al2O3正己烷反应介质的质量百分比浓度为40-50%。
步骤（1）中，所述桑枝粉与氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液或Na/NaOH/γ-Al2O3正己烷反应介质的质量体积比为1：（6-10）。
步骤（1）中，乙醇的体积为氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液的体积的2-3倍。
步骤（1）中，活化温度为20-90℃，活化时间为3-8h。
步骤（1）中，活化可采用超声波辅助活化，以进一步提高活化效率。
步骤（2）中，酶解反应温度为37-50℃，反应时间为5-10h，pH为4.5-5.5，木聚糖酶的用量为500-1000IU/g木聚糖；灭活条件为：80℃保温20min。
有益效果：本发明提供方法采用桑枝为原料制备低聚木糖，以废弃物为原料，来源广泛、成本低廉，不仅拓展了低聚木糖生产的原料来源，而且变废为宝、有利于减少桑枝焚烧或丢弃造成的环境污染，具有较大的社会意义和经济价值；同时，该方法获得的低聚木糖产品杂质少、纯度高、理化性能稳定。
附图说明
图1为本发明桑枝基低聚木糖制备工艺流程图。
图2为本发明制备的低聚木糖的红外光谱图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
本发明所使用的试剂来源分别为：
Na/NaOH/γ-Al2O3为自制，根据文献方法合成：，将100g水合三氧化二铝干胶加入到250mL干燥的四口烧瓶中,开启氮气通路和搅拌装置，缓慢加热升温至450～500℃，保温3h后降温至340～380℃，加入20～35g NaOH，在氮气保护下搅拌3h，然后在同一温度下分批加入2～3.5g金属钠，继续反应1h停止。
木聚糖酶：购买自SUKAFEED生物工程公司。
低聚木糖计算中一般以得率计算，实施例中计算公式为：
实施例1
取桑枝，洗涤除去泥土等杂质，去皮，120℃烘干，粉碎成小于0.5cm的小块，得桑枝粉。
将桑枝粉加入到质量百分比浓度为1%的NaOH水溶液中，所述桑枝粉与NaOH水溶液的用量比为1Kg：8L，80℃活化处理6h，过滤，加入NaOH水溶液2倍体积的乙醇得沉淀，沉淀干燥即为木聚糖渣滓。
将木聚糖渣滓与木聚糖酶混合，木聚糖酶的用量为800IU/g木聚糖，调节pH为5.0，37℃酶解10h。80℃保温20min灭活木聚糖酶，加入活性炭混合80℃脱色20min，过滤除去活性炭；用装有阳离子交换树脂BK001的柱子脱盐，滤纸过滤除去固体杂质，冷冻干燥获得低聚木糖，桑枝转变成低聚木糖得率为5.3%，纯度94.0%，其中木二糖和木三糖的质量和占低聚木糖总质量的82.0%。
采用DNS法和红外光谱检测低聚木糖。
实施例2
取桑枝，洗涤除去泥土等杂质，去皮，120℃烘干，粉碎成小于0.5cm的小块，得桑枝粉。
将桑枝粉加入到质量百分比浓度为10%的NaOH水溶液中，所述桑枝粉与NaOH水溶液的用量比为1Kg：6L，90℃活化处理3h，过滤除去残渣，加入NaOH水溶液3倍体积的乙醇得沉淀，沉淀干燥即为木聚糖渣滓。
将木聚糖渣滓与木聚糖酶混合，木聚糖酶的用量为800IU/g木聚糖，调节pH为4.5，50℃酶解5h。80℃保温20min灭活木聚糖酶，加入活性炭混合80℃脱色20min，过滤除去活性炭。用装有阳离子交换树脂BK001的柱子脱盐，滤纸过滤除去固体杂质，冷冻干燥获得低聚木糖，桑枝转变成低聚木糖得率为5.5%，纯度93.8%，其中木二糖和木三糖的质量和占低聚木糖总质量的82.9%。
实施例3
取桑枝，洗涤除去泥土等杂质，去皮，100℃烘干，粉碎成小于0.5cm的小块，得桑枝粉。
将桑枝粉加入到质量百分比浓度为5%的KOH水溶液中，所述桑枝粉与KOH水溶液的用量比为1Kg：10L，在超声场中90℃活化处理4h，过滤除去残渣，加入KOH水溶液2倍体积的乙醇得沉淀，沉淀干燥即为木聚糖渣滓。
将木聚糖渣滓与木聚糖酶混合，木聚糖酶的用量为1000IU/g木聚糖，调节pH为5.0，40℃酶解8h。80℃保温20min灭活木聚糖酶，用阴离子交换树脂D-268脱色除杂，阳离子交换树脂BK001脱盐，滤纸过滤除去树脂等固体杂质，-40℃冷冻干燥获得低聚木糖，桑枝转变成低聚木糖得率为4.5%，纯度96.0%，其中木二糖和木三糖的质量和占低聚木糖总质量的80.7%。
实施例4
取桑枝，洗涤除去泥土等杂质，去皮，100℃烘干，粉碎成小于0.5cm的小块，得桑枝粉。
将桑枝粉加入到质量百分比浓度为15%的KOH水溶液中，所述桑枝粉与KOH水溶液的用量比为1Kg：7L，在超声场中50℃活化处理6h，过滤除去残渣，加入KOH水溶液3倍体积的乙醇得沉淀，沉淀干燥即为木聚糖渣滓。
将木聚糖渣滓与木聚糖酶混合，木聚糖酶的用量为1000IU/g木聚糖，调节pH为5.5，45℃酶解6h。80℃保温20min灭活木聚糖酶，用阴离子交换树脂D-268脱色除杂，阳离子交换树脂BK001脱盐，滤纸过滤除去树脂等固体杂质，-40℃冷冻干燥获得低聚木糖，桑枝转变成低聚木糖得率为4.5%，纯度95.2%，其中木二糖和木三糖的质量和占低聚木糖总质量的81.1%。
实施例5
取桑枝，洗涤除去泥土等杂质，去皮，130℃烘干，粉碎成小于0.5cm的小块，得桑枝粉。
将桑枝粉加入到质量百分比浓度为40%的Na/NaOH/γ-Al2O3正己烷反应介质中，所述桑枝粉与NaOH水溶液的用量比为1Kg：10L，20℃活化处理8h，过滤除去残渣，加入NaOH水溶液3倍体积的乙醇得沉淀，沉淀干燥即为木聚糖渣滓。
将木聚糖渣滓与木聚糖酶混合，木聚糖酶的用量为500IU/g木聚糖，调节pH为5.0，40℃酶解5h。80℃保温20min灭活木聚糖酶，过滤，滤液通过用活性炭柱脱色，阳离子交换树脂BK001柱脱盐，滤纸过滤除去树脂等固体杂质，-40℃冷冻干燥获得低聚木糖，桑枝转变成低聚木糖得率为4.8%，纯度93.0%，其中木二糖和木三糖的质量和占低聚木糖总质量的84.3%。
实施例6
取桑枝，洗涤除去泥土等杂质，去皮，130℃烘干，粉碎成小于0.5cm的小块，得桑枝粉。
将桑枝粉加入到质量百分比浓度为50%的Na/NaOH/γ-Al2O3正己烷反应介质中，所述桑枝粉与NaOH水溶液的用量比为1Kg：9L，20℃活化处理8h，过滤除去残渣，加入NaOH水溶液3倍体积的乙醇得沉淀，沉淀干燥即为木聚糖渣滓。
将木聚糖渣滓与木聚糖酶混合，木聚糖酶的用量为500IU/g木聚糖，调节pH为5.0，40℃酶解5h。80℃保温20min灭活木聚糖酶，过滤，滤液通过用活性炭柱脱色，阳离子交换树脂BK001柱脱盐，滤纸过滤除去树脂等固体杂质，-40℃冷冻干燥获得低聚木糖，桑枝转变成低聚木糖的得率为4.5%，纯度93.4%，其中木二糖和木三糖的质量和占低聚木糖总质量的82.5%。

Claims (3)

1.一种利用桑枝制备低聚木糖的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将桑枝粉碎制得的桑枝粉在氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液中活化，加乙醇得沉淀，沉淀即为木聚糖渣滓；所述氢氧化钠水溶液的质量百分比浓度为1-10％；所述氢氧化钾水溶液的质量百分比浓度为5-15％；或桑枝粉碎制得的桑枝粉在Na/NaOH/γ-Al2O3正己烷反应介质中活化，过滤得沉淀，沉淀即为木聚糖渣滓；所述Na/NaOH/γ-Al2O3正己烷反应介质的质量百分比浓度为40-50％；所述桑枝粉与氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液或Na/NaOH/γ-Al2O3正己烷反应介质的质量体积比为1：6-10；活化温度为20-90℃，活化时间为3-8h；
(2)利用木聚糖酶对木聚糖渣滓进行酶解后，加热使木聚糖酶灭活，离心，收集上清液即为低聚木糖粗糖液；酶解反应温度为37-50℃，反应时间为5-10h，pH为4.5-5.5，木聚糖酶的用量为500-1000IU/g木聚糖；灭活条件为：80℃保温20min；
(3)低聚木糖粗糖液经纯化即得低聚木糖。
2.根据权利要求1所述的一种利用桑枝制备低聚木糖的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述桑枝粉为将桑枝洗净、去皮、干燥、粉碎制得。
3.根据权利要求1所述的一种利用桑枝制备低聚木糖的方法，其特征在于：步骤(1)中，活化采用超声波辅助活化。
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