CN103642876B - 高纯度菊苣、菊芋型低聚果糖并联产多聚果糖的方法 - Google Patents
高纯度菊苣、菊芋型低聚果糖并联产多聚果糖的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及糖类提取制备技术领域，特别涉及一种高纯度菊苣、菊芋型低聚果糖并联产多聚果糖的方法：对菊苣块根或菊芋块茎进行清洗、切片、烘干、粉碎、碱性浸提液进行连续逆流超声浸提得到菊粉液；菊粉液用超滤膜进行分级处理，分离出大分子滤液和小分子滤液；对小分子滤液进行酶解，酶解后浓缩，再经色谱分离、脱色、离交、浓缩、干燥得低聚果糖；对大分子滤液进行脱色、离交、浓缩、干燥得多聚果糖。实现与多聚果糖的联产，显著提高了原料利用率；节省了时间，提高了提取率，还能实现连续化生产，极大地提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及糖类提取制备技术领域，特别涉及一种高纯度菊苣、菊芋型低聚果糖并联产多聚果糖的方法。
背景技术
低聚果糖是一种天然活性物质。甜度为蔗糖的0.3-0.6倍。既保持了蔗糖的纯正甜味性质，又比蔗糖甜味清爽。是具有调节肠道菌群，增殖双歧杆菌，促进钙的吸收，调节血脂，免疫调节，抗龋齿等保健功能的新型甜味剂，被誉为继抗生素时代后最具潜力的新一代添加剂——促生物质；在法国被称为原生素（PPE），已在乳制品、乳酸菌饮料、固体饮料、糖果、饼干、面包、果冻、冷饮等多种食品中应用。
多聚果糖是一种优良的水溶性膳食纤维，摄入后能增加人体膳食纤维摄入量，预防便秘与结肠癌，降低血液胆固醇，稳定血糖水平。广泛应用于乳制品、饮料、焙烤食品及保健食品中。
由于国内蔗糖产量很大，能满足低聚果糖的生产需要，而菊苣或菊芋在国内种植较少，原材料不能满足生产需要，因此国内的低聚果糖多以蔗糖为原料，通过果糖基转移酶转化并通过精制、纯化制得。但以蔗糖为原料的低聚果糖在生产过程中用的多是细胞转化，在转化过程中产生了很多杂质，不但增加了精制工艺的负担，而且影响了产品的风味，严重制约着低聚果糖的发展。
在欧美国家生产的低聚果糖多是以菊苣为原料，通过一步酶解，精制所得。其风味清爽，一直深受欧美人群的喜爱。而我国所产的蔗糖型低聚果糖在欧美国家认可度不够，严重阻碍了低聚果糖事业的发展。
近年，随着黄河三角洲菊芋种植面积的逐渐增大，菊芋的原料问题会逐渐得以解决，生产菊苣型或菊芋型的低聚果糖变得更加必要。而传统工艺多是菊苣/芋—菊苣/芋粉—浸提—石灰乳处理—过滤—酶解—灭酶—脱色—色谱—离交—浓缩—干燥。在传统工艺中先浸提后用石灰乳处理，酶解时更是用游离的酶进行酶解，干燥多用喷雾干燥，这些操作增加了生产时间，而且效率低下。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的生产效率低、无法充分利用原材料的问题，本发明提供了一种提高了生产效率、降低了生产成本、能同时得到低聚果糖和多聚果糖的高纯度菊苣、菊芋型低聚果糖联产多聚果糖的方法。
本发明是通过以下措施实现的：
一种高纯度菊苣、菊芋型低聚果糖联产多聚果糖的方法，包括以下步骤：
（1）对菊苣块根或菊芋块茎进行清洗、切片、烘干、粉碎，然后使用碱性浸提液进行连续逆流超声浸提得到菊粉液，碱性浸提液为用石灰乳调节pH为11-13的去离子水，浸提温度为60-95℃，浸提时间1-3小时，固液比为1：10-30；
（2）菊粉液调pH至6-8，过滤进行固液分离得滤液，滤液经脱色后，用4000-6000分子量的超滤膜进行分级处理，分离出聚合度在23以上的大分子滤液和聚合度在23以下的小分子滤液；
（3）对小分子滤液进行酶解，酶解后浓缩，再经色谱分离、脱色、离交、浓缩、干燥得低聚果糖；
（4）对大分子滤液进行脱色、离交、浓缩、干燥得多聚果糖。
所述的方法，优选步骤（3）中使用固定化的菊粉酶对小分子滤液进行酶解，其固定化工艺：加酶量为10-30mg/g吸附树脂，在pH5.5-7.0、10-30℃恒温水浴振荡器中缓慢振荡吸附24-40h，弃去上清，用磷酸盐缓冲溶液冲洗未固定上的游离菊粉酶；酶解条件：调pH5.5-6.0，菊粉酶添加量为30u/g干物质，在55-57℃下酶解反应20-30h。
所述的方法，优选步骤（2）中滤液经脱色后进行浓缩，至固含为40%。
所述的方法，优选步骤（2）中滤液脱色工艺步骤为：滤液先用活性炭脱色处理，脱色温度为60-80℃，脱色时间20-60min；再用LSA-600、LSA-700或D941树脂脱色，料液浓度为7%-15%，进柱温度为40-60℃。
所述的方法，优选步骤（3）中色谱分离工艺为：进料浓度10±5%，pH8.0-8.5，低聚果糖含量≥70%，温度控制在55~75℃，电导率≤50μs·cm-1，出料低聚果糖纯度≥95%。
所述的方法，优选步骤（3）中色谱分离后料液调pH7.0-8.0、60~80℃保温30min，板框过滤；进行离交，进柱温度30℃~50℃，出柱pH5.0-7.0，电导率＜50μs·cm-1，浓缩到糖浓73%-79%的低聚果糖液。
所述的方法，优选浓缩得到的低聚果糖液采用气流式旋转闪蒸干燥技术，料液浓度为73-79%，操作压力10-30Pa，得纯度为95%低聚果糖粉。
所述的方法，优选步骤（4）中将得到的大分子滤液调pH5.0-7.0，60~80℃保温30min，板框过滤，进行离子交换，进柱温度30℃~50℃，出柱pH5.0-7.0，电导率＜50μs·cm-1，得到的料液通过六效蒸发器浓缩到糖浓70%-80%的多聚果糖液，采用气流式旋转闪蒸干燥，得多聚果糖粉。
所述的方法，优选吸附树脂型号为LX-1000EP。
菊粉酶（inulinase）是能够水解β－2，l－d一果聚糖果糖苷键的一类水解酶，学名β－2，l－d一果聚糖酶，又叫β一果聚糖酶，2，l－d一果聚糖水解酶（ec3．2．l）。分泌菊粉酶的微生物在自然界中分布很广，土壤、水和动物消化道中的多种微生物都能分泌。菊粉酶可以在一定的温度条件下水解菊粉成果糖或低聚果糖。
本发明第一次提出新型的、优化的、灵活的加工菊芋、菊苣联产低聚果糖与多聚果糖的方法，通过本发明中膜过滤分级处理，可同时得到菊苣型低聚果糖和多聚果糖。
本发明第一次将浸提工艺和石灰乳浸提工艺结合起来，提高了生产效率，降低了生产成本，提高了提取率。
本发明提出的依次用活性炭和树脂脱色的方法，与传统活性炭脱色方法相比，降低了活性炭的使用量与菊粉的损失量；与一些文献中提出的只用树脂脱色的方法相比，提高了脱色效率并降低了脱色树脂的负担，而且使脱色效果更好。
本发明对低聚果糖生产中采用固定化菊糖酶酶解，可达到菊糖酶反复利用，连续操作，分离纯化的目的；而且能简化工艺，使底物转化率提高，从而降低成本，提高利润，为工业化获得更高的效益。
本发明提出的干燥使用旋转闪蒸干燥机，该设备将喷动床与强化流化床干燥有机地结合起来，较好地解决了高稠度、高粘度、触变性、热敏性等物料干燥的难题，该设备集干燥、粉碎、分级于一体，简化了工艺过程，降低了劳动强度，改善了劳动环境，减少了物料的耗散，而且设备紧凑、体积小，生产效率高，真正实现了小设备、大生产。
本发明的有益效果：
1、开发以菊苣/菊芋为原料生产低聚果糖的新技术，实现与多聚果糖的联产，显著提高了原料利用率；该方法采用碱性逆流浸提、活性炭和树脂脱色联用、固定化菊糖酶酶解、气流式旋转闪蒸干燥等新工艺生产低聚果糖和多聚果糖产品，精简了生产工序，实现了连续化操作，降低了生产成本；改善了产品质量，降低了活性炭用量；提高了菊糖酶利用率，缩短了酶解糖化时间，提高了生产效率；解决了多聚果糖干燥难、物耗大等难题；
2、本发明中把浸提和石灰乳处理有机的结合了起来，节省了时间，提高了提取率；使用固定化技术将酶进行固定，节省了生产成本；使用膜过滤技术分级处理，联产多聚果糖产品，显著提高原料利用率；而干燥是采用旋转气流闪式干燥，干燥更彻底，更高效。此外，还能实现连续化生产，极大地提高了生产效率。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例来进一步说明。
实施例1
（1）取2400公斤新鲜菊苣块根，用清水清洗去泥土后，切片、烘干、粉碎，得300kg菊苣根粉，将菊苣根粉置入连续逆流超声浸提设备浸提，浸提液采用使用石灰乳调节pH值为13的去离子水，浸提温度为85℃，控制浸提时间为1h，固液比1：15，得到菊粉液，通过计算，提取率为89%；
（2）菊粉液使用磷酸调节pH至7，经板框过滤.得到4000L糖浓为7%的黄色澄清滤液，滤液经活性炭脱色处理，活性炭用量为浸提液总质量的1%，脱色温度为80℃，脱色时间30min，板框过滤，滤液用六效蒸发器浓缩到糖浓40%，然后用分子量为4000的超滤膜进行分级处理，分离出聚合度在23以上（DP＞23）的大分子滤液和聚合度在23以下（DP＜23）的小分子滤液；
（3）对小分子滤液进行酶解，酶解后浓缩，再经色谱分离、脱色、离交、脱色、浓缩、干燥得低聚果糖；
（4）对大分子滤液进行脱色、离交、浓缩、干燥得多聚果糖。
在对小分子滤液和大分子滤液进行处理得到低聚果糖和多聚果糖的步骤中，现有技术中有很多的操作步骤都可以采用，在此不可能一一列举，只是以以下的操作来进行示范：
一、对小分子滤液的处理：
①酶解、浓缩：小分子滤液首先用固定化菊粉酶进行酶解，固定化条件为首先将吸附树脂LX-1000EP树脂在磷酸缓冲液中浸泡6h，去离子水冲洗干净，称取菊粉酶10mg/gLX-1000EP树脂，在pH6.0、30℃恒温水浴振荡器中缓慢振荡吸附40h后，弃去上清，用磷酸盐缓冲溶液冲洗未固定上的游离酶，即得；酶解条件为调小分子滤液pH5.5-6.0，菊粉酶添加量为30u/g干物质，在55-57℃下酶解反应20h，酶解后料液经六效蒸发器浓缩到糖浓60%；
②色谱分离：浓缩后料液进入色谱分离装置，进料浓度60±2%，pH8.0-8.5，低聚果糖纯度≥70%，温度控制在55~75℃，电导率≤50μs·cm-1，出料低聚果糖液纯度≥95%；
③脱色：色谱分离后的低聚果糖液调pH7.0-8.0，用糖干基总质量1%的活性炭脱色处理，脱色温度为80℃，保温30min，板框过滤得脱色低聚果糖液；
④离交：进柱温度30℃~50℃，出柱pH5.0-7.0，电导率＜50μs·cm-1，离交后的料液用LSA-600树脂脱色，料液浓度为58%，进柱温度为60℃；
⑤浓缩：步骤④的料液通过六效蒸发器浓缩到糖浓73%-79%的低聚果糖液；
⑥干燥：步骤⑤的低聚果糖液采用气流式旋转闪蒸干燥技术，料液浓度为73-79%，操作压力10-30Pa，得纯度为95%低聚果糖粉103.54g。
二、对大分子滤液的处理
①脱色：将大分子滤液调pH5.0-7.0，60~80℃保温30min，板框过滤；
②离交：进柱温度30℃~50℃，出柱pH5.0-7.0，电导率＜50μs·cm-1；
③浓缩：离交后料液通过六效蒸发器浓缩到糖浓70%-80%的多聚果糖液；
④干燥：浓缩后的多聚果糖液采用气流式旋转闪蒸干燥技术，料液浓度为70-80%，操作压力20-50Pa，得多聚果糖粉40g。
实施例2
（1）取2400公斤新鲜菊芋块茎，用清水清洗，切片、烘干、粉碎，得240kg菊芋粉，将菊芋粉置入连续逆流超声浸提设备浸提，浸提液采用使用石灰乳调节pH值为12的去离子水，浸提温度为95℃，控制浸提时间为2h，固液比1：30，得到菊粉液，通过计算，提取率为92%；
（2）菊粉液使用磷酸调节pH至7，经板框过滤.得到4000L糖浓为10%的黄色澄清滤液，滤液经活性炭脱色处理，活性炭用量为浸提液总质量的1%，脱色温度为60℃，脱色时间20min，板框过滤，滤液用六效蒸发器浓缩到糖浓40%，然后用分子量为5000的超滤膜进行分级处理，分离出聚合度在23以上（DP＞23）的大分子滤液和聚合度在23以下（DP＜23）的小分子滤液；
（3）对小分子滤液进行酶解，酶解后浓缩，再经色谱分离、脱色、离交、脱色、浓缩、干燥得低聚果糖；
（4）对大分子滤液进行脱色、离交、浓缩、干燥得多聚果糖。
在本实施例中，在对小分子滤液和大分子滤液进行处理操作步骤如下：
一、对小分子滤液的处理：
①酶解、浓缩：小分子滤液首先用固定化菊粉酶进行酶解，固定化条件为首先将吸附树脂LX-1000EP树脂在磷酸缓冲液中浸泡6h，去离子水冲洗干净，称取菊粉酶30mg/gLX-1000EP树脂，在pH6.0、30℃恒温水浴振荡器中缓慢振荡吸附40h后，弃去上清，用磷酸盐缓冲溶液冲洗未固定上的游离酶，即得；酶解条件为调小分子滤液pH5.8，菊粉酶添加量为30u/g干物质，在55-57℃下酶解反应25h，酶解后料液经六效蒸发器浓缩到糖浓62%；
②色谱分离：浓缩后料液进入色谱分离装置，进料浓度60±2%，pH8.0-8.5，低聚果糖纯度为73%，温度控制在55~75℃，电导率≤50μs·cm-1，出料低聚果糖液纯度≥95%；
③脱色：色谱分离后的低聚果糖液调pH7.0-8.0，用糖干基总质量1%的活性炭脱色处理，脱色温度为70℃，保温20min，板框过滤得脱色低聚果糖液；
④离交：进柱温度30℃~50℃，出柱pH5.0-7.0，电导率＜50μs·cm-1，离交后的料液用LSA-600树脂脱色，料液浓度为60%，进柱温度为40℃；
⑤浓缩：步骤④的料液通过六效蒸发器浓缩到糖浓73%-79%的低聚果糖液；
⑥干燥：步骤⑤的低聚果糖液采用气流式旋转闪蒸干燥技术，料液浓度为73-79%，操作压力10-30Pa，得纯度为95%低聚果糖粉108.38g。
二、对大分子滤液的处理
①脱色：将大分子滤液调pH5.0-7.0，60~80℃保温30min，板框过滤；
②离交：进柱温度30℃~50℃，出柱pH5.0-7.0，电导率＜50μs·cm-1；
③浓缩：离交后料液通过六效蒸发器浓缩到糖浓70%-80%的多聚果糖液；
④干燥：浓缩后的多聚果糖液采用气流式旋转闪蒸干燥技术，料液浓度为70-80%，操作压力20-50Pa，得多聚果糖粉41.03g。
实施例3
（1）取菊苣根粉制备：取2400公斤新鲜菊苣块根，用清水清洗去泥土后，切片、烘干、粉碎，得280kg菊苣根粉，将菊苣根粉置入连续逆流超声浸提设备浸提，浸提液采用使用石灰乳调节pH值为11的去离子水，浸提温度为60℃，控制浸提时间为3h，固液比1：10，得到菊粉液，通过计算，提取率为96%；
（2）菊粉液使用磷酸调节pH至7，经板框过滤.得到4000L糖浓为15%的黄色澄清滤液，滤液经活性炭脱色处理，活性炭用量为浸提液总质量的1%，脱色温度为70℃，脱色时间60min，板框过滤，滤液用六效蒸发器浓缩到糖浓40%，然后用分子量为6000的超滤膜进行分级处理，分离出聚合度在23以上（DP＞23）的大分子滤液和聚合度在23以下（DP＜23）的小分子滤液；
（3）对小分子滤液进行酶解，酶解后浓缩，再经色谱分离、脱色、离交、脱色、浓缩、干燥得低聚果糖；
（4）对大分子滤液进行脱色、离交、浓缩、干燥得多聚果糖。
在本实施例中，在对小分子滤液和大分子滤液进行处理操作步骤如下：
一、对小分子滤液的处理：
①酶解、浓缩：小分子滤液首先用固定化菊粉酶进行酶解，固定化条件为首先将吸附树脂LX-1000EP树脂在磷酸缓冲液中浸泡6h，去离子水冲洗干净，称取菊粉酶20mg/gLX-1000EP树脂，在pH6.0、30℃恒温水浴振荡器中缓慢振荡吸附40h后，弃去上清，用磷酸盐缓冲溶液冲洗未固定上的游离酶，即得；酶解条件为调小分子滤液pH6.0，菊粉酶添加量为30u/g干物质，在55-57℃下酶解反应30h，酶解后料液经六效蒸发器浓缩到糖浓58%；
②色谱分离：浓缩后料液进入色谱分离装置，进料浓度60±2%，pH8.0-8.5，低聚果糖纯度为70%，温度控制在55~75℃，电导率≤50μs·cm-1，出料低聚果糖液纯度≥95%；
③脱色：色谱分离后的低聚果糖液调pH7.0-8.0，用糖干基总质量3%的活性炭脱色处理，脱色温度为60℃，保温60min，板框过滤得脱色低聚果糖液；
④离交：进柱温度30℃~50℃，出柱pH5.0-7.0，电导率＜50μs·cm-1，离交后的料液用D941树脂脱色，料液浓度为56%，进柱温度为50℃；
⑤浓缩：步骤④的料液通过六效蒸发器浓缩到糖浓73%-79%的低聚果糖液；
⑥干燥：步骤⑤的低聚果糖液采用气流式旋转闪蒸干燥技术，料液浓度为73-79%，操作压力10-30Pa，得纯度为95%低聚果糖粉104.83g。
二、对大分子滤液的处理
①脱色：将大分子滤液调pH5.0-7.0，60~80℃保温30min，板框过滤；
②离交：进柱温度30℃~50℃，出柱pH5.0-7.0，电导率＜50μs·cm-1；
③浓缩：离交后料液通过六效蒸发器浓缩到糖浓70%-80%的多聚果糖液；
④干燥：浓缩后的多聚果糖液采用气流式旋转闪蒸干燥技术，料液浓度为70-80%，操作压力20-50Pa，得多聚果糖粉53.12g。
实施例4
与实施例3相比，在步骤（1）中，浸提液采用去离子水，提前完成后，再用石灰乳处理，其余操作同实施例3完全一致。提取率为40%，得纯度为95%低聚果糖粉47.23g。得多聚果糖粉17.28g。
实施例5
与实施例3相比，在小分子滤液的处理过程的酶解步骤，菊粉酶不进行固定，而是采用常规的酶解方式进行酶解，菊粉酶加量同实施例3相同，其余操作同实施例3保持一致，最终得纯度为95%低聚果糖粉87.80g，得多聚果糖粉52.98g。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受实施例的限制，其它任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、组合、替代、简化均应为等效替换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高纯度菊苣、菊芋型低聚果糖联产多聚果糖的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）对菊苣块根或菊芋块茎进行清洗、切片、烘干、粉碎，然后使用碱性浸提液进行连续逆流超声浸提得到菊粉液，碱性浸提液为用石灰乳调节pH为11-13的去离子水，浸提温度为60-95℃，浸提时间1-3小时，固液比为1：10-30；
（2）菊粉液调pH至6-8，过滤进行固液分离得滤液，滤液经脱色后，用4000-6000分子量的超滤膜进行分级处理，分离出聚合度在23以上的大分子滤液和聚合度在23以下的小分子滤液；
（3）对小分子滤液进行酶解，酶解后浓缩，再经色谱分离、脱色、离交、脱色、浓缩、干燥得低聚果糖；
（4）对大分子滤液进行脱色、离交、浓缩、干燥得多聚果糖；
步骤（3）中使用固定化的菊粉酶对小分子滤液进行酶解，其固定化工艺：加酶量为10-30mg/g固定化树脂，在pH5.5-7.0、10-30℃恒温水浴振荡器中缓慢振荡吸附24-40h，弃去上清，用磷酸盐缓冲溶液冲洗未固定上的游离菊粉酶；酶解条件：调pH5.5-6.0，菊粉酶添加量为30u/g干物质，在55-57℃下酶解反应20-30h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（2）中滤液经脱色后进行浓缩，至固含为40%。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤（2）中滤液脱色工艺步骤为：滤液先用活性炭脱色处理，脱色温度为60-80℃，脱色时间20-60min；再用LSA-600、LSA-700或D941树脂脱色，料液浓度为7%-15%，进柱温度为40-60℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（3）中色谱分离工艺为：进料浓度10±5%，pH8.0-8.5，低聚果糖纯度≥70%，温度控制在55~75℃，电导率≤50μs·cm-1，出料低聚果糖纯度≥95%。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于步骤（3）中色谱分离后料液调pH7.0-8.0、60~80℃保温30min，板框过滤；进行离交，进柱温度30℃~50℃，出柱pH5.0-7.0，电导率＜50μs·cm-1，浓缩到糖浓73%-79%的低聚果糖液。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于浓缩得到的低聚果糖液采用气流式旋转闪蒸干燥技术，料液浓度为73-79%，操作压力10-30Pa，得纯度为95%低聚果糖粉。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（4）中将得到的大分子滤液调pH5.0-7.0，60~80℃保温30min，板框过滤，进行离子交换，进柱温度30℃~50℃，出柱pH5.0-7.0，电导率＜50μs·cm-1，得到的料液通过六效蒸发器浓缩到糖浓70%-80%的多聚果糖液，采用气流式旋转闪蒸干燥，得多聚果糖粉。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于固定化树脂型号为LX-1000EP。
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