CN103351412B - 一种利用生物处理提高结晶木糖收率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用生物处理提高结晶木糖收率的方法，步骤是（1）对阔叶木采用高温水结合稀酸处理或者直接采用稀酸处理，制得富含木糖的水解液，并将水解液浓缩到8-30%的折光度；（2）对水解液进行脱色及中和处理，再经沉淀、过滤步骤初步纯化；（3）向水解液中添加营养物质制成发酵培养基；（4）将酿酒酵母接种在制成的发酵培养基中，制备酵母种子液；（5）将种子液接种于发酵培养基中发酵，发酵结束后，再纯化发酵液；（6）利用浓缩、脱色、离子交换、浓缩结晶步骤使纯化后的发酵液析出木糖晶体。本发明通过消除水解液中的杂糖组分，有效提高了水解液中木糖的纯度及结晶段木糖的收率，成本低、操作简单，适于工业推广。

Description

一种利用生物处理提高结晶木糖收率的方法

技术领域

本发明属于生物技术领域，涉及一种利用生物处理提高结晶木糖收率的方法。

背景技术

木糖是一种戊糖，外观为白色晶体，甜度约为蔗糖的70%，与葡萄糖甜度接近，风味亦与葡萄糖相似。木糖经加氢处理后可制得木糖醇。木糖和木糖醇是重要的化工产品和原料，既可作为甜味剂应用于功能性食品等的生产，满足糖尿病患者对糖的需求；也可作为化工原料用于制备表面活性剂、乳化剂、破乳剂、醇酸树脂及涂料，同时在医药工业也被作为制造各种药物的原料。目前木糖和木糖醇已被广泛应用于食品、保健品、医药、香精、轻工和化工等多个行业。阔叶木和玉米芯等是生产木糖的重要原料来源，生产工艺一般是首先利用稀酸水解或高温热水处理原料，将木糖从原料中提出，再经过中和、脱色、离子交换、浓缩、二次脱色、二次离子交换、浓缩结晶等步骤，将木糖从溶液中结晶析出。由于在阔叶木和玉米芯等原料水解溶出木糖的过程中，原料中碳水化合物的其它一些糖组分，如半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖等组分，也被部分或全部溶出，这些杂糖组分的存在，降低了木糖在糖溶液中的含量，致使木糖在结晶阶段由于纯度不高，溶液中的部分木糖难以被结晶出来，影响了结晶木糖的收率。未结晶析出的木糖与其他糖组分残留在木糖母液中，只能以较低的价格出售，影响了企业的经济效益。如果设法提高溶液中的木糖纯度，可望使得更多的木糖被结晶出来，提高结晶木糖的收率，这对提高单位原料的木糖产量，提高企业经济效益具有重要意义。

中国发明专利201110438071.6公开了一种提高结晶木糖收率的方法，该方法根据木糖溶解度特性，利用外保温措施，减少溶液的过饱和度，提高结晶速率，该方法可解决传统工艺因木糖溶解度梯度不同形成大量的伪晶或聚晶，造成离心分离困难的问题，但该方法并没有涉及水解液中的杂糖影响木糖结晶的问题。中国发明专利96101324.9也公开了一种提高结晶木糖收率的方法，其特征是使用复合有机溶剂，以降低木糖的溶解度及糖膏粘度，使结晶终止温度降至10℃以下，糖膏始终处于过饱和状态，有更多的木糖可以结晶析出，粘度的降低使结晶和母液的离心分离能顺利进行，整个结晶过程在磁场中进行，在磁场力作用下，木糖能迅速地按磁场力的要求顺序排列在晶体表面上，所得木糖晶体颗粒大、纯度高。然而上述工艺虽然提高了木糖的结晶收率，但该方法始终未涉及杂糖的影响问题，也没有涉及到生物处理工艺。

阔叶木是生产木糖的主要原料之一，但由于阔叶木原料的化学组成与玉米芯等非木材原料相比存在较大差异，因此水解后获得的水解液中糖的组成和含量均有不同。阔叶木中半纤维素成分占总原料重量的20-35%，其中主要为五碳糖，包括木聚糖、聚阿拉伯糖等。例如，桦木中木聚糖组分约占22%，在国外已经成为木聚糖和木糖的主要生产原料。国内也已经有采用阔叶木，如桉木、桦木等木材为原料，通过对木片进行热水预水解生产木糖和木糖醇的研究，如中国发明专利CN102605108和专利CN102617284介绍了一种利用桉木制浆预水解液生产木糖和木糖醇的方法。但通过检索，还未发现涉及利用生物处理阔叶木水解液以提高结晶木糖收率的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用生物处理提高结晶木糖收率的方法，即在阔叶木水解生产木糖过程中，通过生物处理提高结晶段结晶木糖的收率，提高单位原料生产木糖的产量。

本发明所述利用生物处理提高结晶木糖收率的方法，步骤是：

（1）制备木糖水解液：在150-200℃条件下采用高温水处理阔叶木得到富含木寡糖的处理液，将处理液浓缩至折光度为8-30%的浓度后，继续进行弱酸性水解处理，制得富含木糖的水解液；或者将阔叶木在1:3~1:8固液比下进行酸处理后直接得到富含木糖的阔叶木水解液，然后将木糖水解液浓缩至8-30%的折光度；其中得到的水解液中葡萄糖含量为1-25g/L、木糖为40-150g/L、半乳糖为5-25g/L；

（2）脱色和中和处理水解液：向步骤（1）得到的水解液中加入10-30wt%的活性碳进行脱色处理，然后加入碳酸钙或石灰乳进行中和处理，再经沉淀、过滤步骤后，得到初步澄清的阔叶木木糖水解液；

（3）以水解液为原料配制发酵培养基；

（4）利用制得发酵培养基获得用于后续发酵的酵母种子液；

（5）生物处理木糖水解液；

（6）木糖的结晶析出：将步骤（5）生物处理过的木糖水解液即纯化后的发酵液以常规方法进一步浓缩、脱色，再经过离子交换、浓缩结晶步骤，得到析出木糖晶体；

其特征在于：

步骤（3）所述以水解液为原料配制发酵培养基的方法是：向步骤（2）得到的木糖水解液中添加硫酸铵1-7g/L,酵母粉1-7g/L，之后在110-120℃温度下灭菌20-50min，制得发酵培养基；

步骤（4）所述利用制得发酵培养基获得用于后续发酵的酵母种子液的方法是：取步骤（3）制得的发酵培养基50～5000ml，将酿酒酵母接种在该发酵培养基中，以温度为25-33℃，转速为100-250rpm的条件，发酵培养12-18h，使发酵培养基在600nm下检测的OD值达到5～10，即获得用于后续发酵的酵母种子液；

步骤（5）所述生物处理木糖水解液的方法是：按体积比1-10%的接种量将步骤（4）所得酵母种子液接种于步骤（3）制得的发酵培养基中，在温度25-33℃，转速100-250rpm下发酵8-30h，以去除发酵液中的杂糖组分葡萄糖、半乳糖，发酵结束后，离心发酵液，过滤除去菌体，得纯化的发酵液。

其中，上述利用生物处理提高结晶木糖收率的方法中，步骤（1）所述的木糖水解液优选是阔叶木经高温水结合弱酸性水解后获得的水解液，其中所述阔叶木原料主要为相思木、杨木、桉木和/或桦木，但也包括其它可用于生产木糖的阔叶木。步骤（3）发酵培养基配方组成优选为：葡萄糖3-15g/L、木糖70-120g/L、半乳糖8-20g/L，硫酸铵3-6g/L，酵母粉1-3g/L。步骤（4）所述酿酒酵母优选酿酒酵母CICC310077。步骤（4）所述发酵温度优选为28-32℃，转速优选为150-200rpm，时间优选为12-18h。步骤（5）所述发酵温度优选为28-32℃，转速优选为150-200rpm，时间优选为10-24h。

本发明通过采用对阔叶木水解液进行生物处理，以消除或/和减少阔叶木水解液中除木糖以外的其它杂糖组分，相对地提高了水解液中木糖的含量和纯度。实验证实：利用本发明所述的方法处理阔叶木的木糖水解液后，水解液中的葡萄糖被完全消耗，半乳糖含量降低60%以上，水解液中木糖纯度（相对总糖含量）可达到80%以上，有利于更多的木糖在结晶段被结晶出来，有效提高了结晶木糖的收率。

本发明的突出优点是，在利用阔叶木生产木糖过程中，通过对阔叶木水解液进行生物处理，除去水解液中的葡萄糖和半乳糖等杂糖，提高了水解液中木糖的相对含量和纯度，从而使更多的木糖得以在结晶段被结晶析出，有效地提高了木糖的结晶收率。此法发酵纯化效率高，成本低，可广泛应用于以阔叶木为原料生产木糖的企业。

具体实施方式

实施例1

（1）在150℃条件下采用高温热水处理桉木得到富含木寡糖的处理液，将处理液浓缩至折光度8%浓度后，加入0.4%硫酸，在100℃下水解制得富含木糖的水解液。水解液加入10%活性碳进行脱色处理，然后加入碳酸钙或石灰乳进行中和处理，再经过沉淀、过滤等步骤后，得到初步澄清的阔叶木木糖水解液。经检测，该水解液中葡萄糖含量为3g/L、木糖为100g/L、半乳糖为8g/L，然后向水解液中添加硫酸铵3g/L，酵母粉1g/L，之后将该水解液置于115℃下灭菌30min，得到发酵培养基；

（2）取步骤（1）制得的发酵培养基100ml，将酿酒酵母CICC310077接种在该发酵培养基中，以温度为30℃，转速为200rpm的条件，发酵培养18h，使发酵培养基在600nm下检测的OD值达到10，即获得用于后续发酵的酵母种子液；

（3）按体积比10%的接种量将步骤（2）所得酵母种子液接种于步骤（1）制得的发酵培养基中，在温度30℃，转速200rpm下发酵24h，发酵结束后，对发酵液采取离心、过滤除菌体等步骤进行纯化；

对纯化后的液体进行检测，液体中葡萄糖含量0，半乳糖含量减少70%，木糖相对含量为85%（对总糖）。纯化后的糖液再进一步经过浓缩、脱色、离子交换、浓缩结晶等步骤，析出木糖晶体，木糖收率提高12%。

实施例2

（1）在180℃，固液比1:8条件下采用稀硫酸处理桉木制得木糖水解液，将处理液浓缩至折光度30%浓度后，加入30%活性碳进行脱色处理，然后加入碳酸钙或石灰乳进行中和处理，再经过沉淀、过滤等步骤后，得到初步澄清的阔叶木木糖水解液；检测该水解液中葡萄糖含量为25g/L、木糖为120g/L、半乳糖为20g/L，然后向水解液中添加硫酸铵6g/L，酵母粉3g/L，之后将该水解液置于115℃下灭菌30min，得到发酵培养基；

（2）取酿酒酵母CICC310077接种在步骤（1）制得的50ml发酵培养基中，以温度为25℃，转速为100rpm的条件，发酵培养18h，使发酵培养基在600nm下检测的OD值达到5，即获得用于后续发酵的酵母种子液；

（3）按体积比5%的接种量将步骤（2）所得酵母种子液接种于步骤（1）制得的发酵培养基中，在温度25℃，转速100rpm下发酵36h，发酵结束后，对发酵液采取离心、过滤除菌体等步骤进行纯化；

经HPLC检测，液体中葡萄糖含量0，半乳糖含量减少60%，木糖相对含量为82%（对总糖）。纯化后的液体再进一步经过浓缩、脱色、离子交换、浓缩结晶等步骤，析出木糖晶体，结晶木糖收率提高8%。

实施例3

（1）在200℃条件下采用高温热水处理桦木得到富含木寡糖的处理液，将处理液浓缩至折光度20%浓度后，加入0.5%硫酸，在100℃下水解制得富含木糖的水解液。水解液加入25%活性碳进行脱色处理，然后加入碳酸钙或石灰乳进行中和处理，再经过沉淀、过滤等步骤后，得到初步澄清的阔叶木木糖水解液。经检测，该水解液中葡萄糖含量为15g/L、木糖为150g/L、半乳糖为20g/L，添加硫酸铵7g/L，酵母粉7g/L，之后将该水解液置于115℃下灭菌30min，得到发酵培养基；

（2）取酿酒酵母接种在步骤（1）制得的500ml发酵培养基中，以温度为33℃，转速为150rpm的条件，发酵培养12h，使发酵培养基在600nm下检测的OD值达到5，即获得用于后续发酵的酵母种子液；

（3）按体积比10%的接种量将步骤（2）所得酵母种子液接种于步骤（1）制得的发酵培养基中，在温度33℃，转速150rpm下发酵24h，发酵结束后，对发酵液采取离心、过滤除菌体等步骤进行纯化；

经HPLC检测，液体中葡萄糖含量0，半乳糖含量减少65%，木糖相对含量为86%（对总糖）。纯化后的液体再进一步经过浓缩、脱色、离子交换、浓缩结晶等步骤，析出木糖晶体，结晶木糖收率提高10%。

实施例4

（1）在150℃条件下采用高温热水处理杨木得到含木寡糖的处理液，将处理液浓缩至折光度8%浓度后，加入0.2%硫酸，在100℃下水解制得富含木糖的水解液。然后加入15%活性碳进行脱色处理，然后加入碳酸钙或石灰乳进行中和处理，再经过沉淀、过滤等步骤后，得到初步澄清的阔叶木木糖水解液；检测该水解液中葡萄糖含量为1g/L、木糖为40g/L、半乳糖为5g/L，然后向水解液中添加硫酸铵1g/L，酵母粉1g/L，之后将该水解液置于115℃下灭菌30min，得到发酵培养基；

（2）取酿酒酵母CICC310077接种在步骤（1）制得的1000ml发酵培养基中，以温度为32℃，转速为250rpm的条件，发酵培养12h，使发酵培养基在600nm下检测的OD值达到6，即获得用于后续发酵的酵母种子液；

（3）按体积比1%的接种量将步骤（2）所得酵母种子液接种于步骤（1）制得的发酵培养基中，在温度32℃，转速250rpm下发酵18h，发酵结束后，对发酵液采取离心、过滤除菌体等步骤进行纯化；

经HPLC检测，液体中葡萄糖含量0，半乳糖含量减少70%，木糖相对含量为85%（对总糖）。纯化后的液体再进一步经过浓缩、脱色、离子交换、浓缩结晶等步骤，析出木糖晶体，结晶木糖收率提高5%。

实施例5

（1）在160℃，固液比1:5条件下采用稀硫酸（0.4%硫酸）处理杨木制得木糖水解液，将处理液浓缩至折光度15%浓度后，然后加入20%活性碳进行脱色处理，然后加入碳酸钙或石灰乳进行中和处理，再经过沉淀、过滤等步骤后，得到初步澄清的阔叶木木糖水解液；检测该水解液中葡萄糖含量为10g/L、木糖为80g/L、半乳糖为9g/L，然后向水解液中添加硫酸铵4g/L，酵母粉3g/L，之后将该水解液置于115℃下灭菌30min，得到发酵培养基；

（2）取酿酒酵母（市售）接种在步骤（1）制得的2500ml发酵培养基中，以温度为28℃，转速为200rpm的条件，发酵培养15h，使发酵培养基在600nm下检测的OD值达到7，即获得用于后续发酵的酵母种子液；

（3）按体积比10%的接种量将步骤（2）所得酵母种子液接种于步骤（1）制得的发酵培养基中，在温度28℃，转速200rpm下发酵24h，发酵结束后，对发酵液采取离心、过滤除菌体等步骤进行纯化；

经HPLC检测，发酵后液体中葡萄糖含量0，半乳糖含量减少70%，木糖相对含量为84%（对总糖）。纯化后的液体再进一步经过浓缩、脱色、离子交换、浓缩结晶等步骤，析出木糖晶体，结晶木糖收率提高10%。

实施例6

（1）在170℃，固液比1:3条件下采用稀硫酸处理相思木制得木糖水解液，将处理液浓缩至折光度20%浓度后，然后加入20%活性碳进行脱色处理，然后加入碳酸钙或石灰乳进行中和处理，再经过沉淀、过滤等步骤后，得到初步澄清的阔叶木木糖水解液；检测该水解液中葡萄糖含量为12g/L、木糖为100g/L、半乳糖为15g/L，然后向水解液中添加硫酸铵5g/L，酵母粉2g/L，之后将该水解液置于115℃下灭菌30min，得到发酵培养基；

（2）取酿酒活性干酵母（市售）接种在步骤（1）制得的5000ml发酵培养基中，以温度为30℃，转速为200rpm的条件，发酵培养15h，使发酵培养基在600nm下检测的OD值达到8，即获得用于后续发酵的酵母种子液；

（3）按体积比10%的接种量将步骤（2）所得酵母种子液接种于步骤（1）制得的发酵培养基中，在温度30℃，转速200rpm下发酵24h，发酵结束后，对发酵液采取离心、过滤除菌体等步骤进行纯化；

经HPLC检测，发酵后液体中葡萄糖含量0，半乳糖含量减少75%，木糖相对含量为87%（对总糖）。纯化后的液体再进一步经过浓缩、脱色、离子交换、浓缩结晶等步骤，析出木糖晶体，结晶木糖收率提高15%。

Claims (4)

1.一种利用生物处理提高结晶木糖收率的方法，步骤是：

(1)制备木糖水解液：在150-200℃条件下采用高温水处理阔叶木得到富含木寡糖的处理液，将处理液浓缩至折光度为8-30％的浓度后，继续进行弱酸性水解处理，制得富含木糖的水解液；或者将阔叶木在1:3～1:8固液比下进行酸处理后直接得到富含木糖的阔叶木水解液，然后将木糖水解液浓缩至8-30％的折光度；其中得到的水解液中葡萄糖含量为1-25g/L、木糖为40-150g/L、半乳糖为5-25g/L；

(2)脱色和中和处理水解液：向步骤(1)得到的水解液中加入10-30wt％的活性碳进行脱色处理，然后加入碳酸钙或石灰乳进行中和处理，再经沉淀、过滤步骤后，得到初步澄清的阔叶木木糖水解液；

(3)以水解液为原料配制发酵培养基；

(4)利用制得发酵培养基获得用于后续发酵的酵母种子液；

(5)生物处理木糖水解液；

(6)木糖的结晶析出：将步骤(5)生物处理过的木糖水解液即纯化后的发酵液以常规方法进一步浓缩、脱色，再经过离子交换、浓缩结晶步骤，得到析出木糖晶体；

其特征在于：

步骤(3)所述以水解液为原料配制发酵培养基的方法是：向步骤(2)得到的木糖水解液中添加硫酸铵1-7g/L，酵母粉1-7g/L，之后在110-120℃温度下灭菌20-50min，制得发酵培养基；

步骤(4)所述利用制得发酵培养基获得用于后续发酵的酵母种子液的方法是：取步骤(3)制得的发酵培养基50～5000ml，将酿酒酵母接种在该发酵培养基中，以温度为25-33℃，转速为100-250rpm的条件，发酵培养12-18h，使发酵培养基在600nm下检测的OD值达到5～10，即获得用于后续发酵的酵母种子液；

步骤(5)所述生物处理木糖水解液的方法是：按体积比1-10％的接种量将步骤(4)所得酵母种子液接种于步骤(3)制得的发酵培养基中，在温度25-33℃，转速100-250rpm下发酵8-30h，以去除发酵液中的杂糖组分葡萄糖、半乳糖，发酵结束后，离心发酵液，过滤除去菌体，得纯化的发酵液。

2.如权利要求1所述利用生物处理提高结晶木糖收率的方法，其特征在于，步骤(3)发酵培养基配方组成为：葡萄糖3-15g/L、木糖70-120g/L、半乳糖8-20g/L，硫酸铵3-6g/L，酵母粉1-3g/L。

3.如权利要求1所述利用生物处理提高结晶木糖收率的方法，其特征在于，步骤(4)所述发酵温度为28-32℃，转速为150-200rpm，时间为12-18h。

4.如权利要求1所述利用生物处理提高结晶木糖收率的方法，其特征在于，步骤(5)所述发酵温度为28-32℃，转速为150-200rpm，时间为10-24h。