CN104017095B

CN104017095B - 竹子多糖的提取法

Info

Publication number: CN104017095B
Application number: CN201310064648.0A
Authority: CN
Inventors: 张英; 黄骆镰; 龚凌霄; 吴聪俊; 高汪磊
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: CN104017095A

Abstract

本发明涉及一种高效提取和分离竹子多糖的方法，属于植物有效成分分离制备的技术领域。本发明公开了一种竹子多糖的提取法，依次进行以下步骤：1）采用蒸汽爆破法对作为原料的竹子进行预处理，得汽爆处理后的竹子物料；2）将汽爆处理后的竹子物料进行水提，得竹子水提液；3）将竹子水提液采用以下任一方式进行浓缩精制：方式一、将竹子水提液真空浓缩后醇沉处理进行浓缩精制，得竹子多糖制品；方式二、将竹子水提液直接采用膜分离法进行浓缩精制，得竹子多糖制品。步骤1）的蒸汽爆破法为：竹子在1.4～3.0 MPa下保压30～240 s后瞬间爆破，爆出时间为0.005075 s≤T≤0.008752 s。

Description

竹子多糖的提取法

技术领域

本发明涉及一种高效提取和分离竹子多糖的方法，属于植物有效成分分离制备的技术领域。

背景技术

我国是世界竹子的中心产区，素有“竹子王国”之称。现有竹种48属600多种，全国竹林面积己达720万公顷，其中毛竹（Phyllostachyspubescens）分布范围最广、面积最大、经济利用价值最高。我国是世界上竹类研究开发和生产制造技术最先进的国家，在竹材加工过程中，刮青、切割、打磨、抛光等环节均会产生大量的竹刨花和竹锯屑，长期以来主要作为燃料使用，少量作为竹木复合材及工程塑料的填充料。在水煮笋罐头加工过程中，产生大量的笋壳和笋头，主要作为废料填埋，或抛弃在环境中。在边远山区，由于交通不便和加工方式所限，大量的竹子在林中自生自灭，经济效益得不到体现。

竹子全株的不同部位均含有一定数量的多糖。已有的研究表明，竹子多糖具有促进免疫、抗癌防癌、保湿美容等多重生理和药理活性，可广泛应用于天然药物、食品、饮料、保健品、功能性饲料添加剂以及护肤产品。但目前竹多糖的提取效率普遍不高，纯多糖的得率一般在千分之几的水平，且分离制备的成本高、效率低。因此，如何提高竹多糖的提取率、产品得率和制品纯度已成为竹源性多糖产业化亟需解决的瓶颈问题。

蒸汽爆破（以下简称汽爆）是指将高温高压状态下的物料（即由180～235ºC的过热蒸汽润胀）瞬间（0.005075 s≤T≤0.008752 s）爆破于大气中，汽爆过程存在类似酸水解、热降解、类机械断裂、氢键破坏和结构重排等协同作用。原料经汽爆处理后在物理结构和化学组分上发生较大的变化。汽爆技术提出已有80年的历史，但多用于造纸行业。近年来，由于能源的紧缺，汽爆技术被广泛用于纤维素乙醇的制备中。在以秸秆发酵制取乙醇的应用中，汽爆技术的目的是破坏纤维素紧密结构，增强纤维素酶的水解效率，提高多聚己糖（纤维素）和多聚戊糖（半纤维素）的单糖转化率以提高乙醇的发酵速度。汽爆的条件一般是，高压和短的维压时间（压力3.6MPa，时间0.5~2.0 min）或者低压和长的维压时间（压力1.0MPa~1.6MPa，时间5~30min）[王鑫.蒸汽爆破预处理技术及其对纤维乙醇生物转化的研究进展.林产化学与工业,2010,30(4):119-125][王许涛，张百良，宋安东，罗志华，任天宝.蒸汽爆破技术在秸秆厌氧发酵中的应用,农业工程学报,2008,8:189-192]。但是，将汽爆技术应用于植物原料的预处理、以获取高的多糖得率为目标的研究尚未见公开报道。膜分离技术是一种高效的纯物理的分离手段，利用其不同的孔径截留不同分子量物质，具有设备简单、可常温操作、无相变及化学变化、选择性高及能耗低等优点，尤为适用于热敏性物料和生物活性物质的分离制备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高效、快速、便捷、低成本的竹子多糖的提取法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种竹子多糖的提取法，依次进行以下步骤：

1）采用蒸汽爆破法对作为原料的竹子进行预处理，得汽爆处理后的竹子物料；

2）将汽爆处理后的竹子物料进行水提，得竹子水提液；

3）将竹子水提液采用以下任一方式进行浓缩精制：

方式一、将竹子水提液真空浓缩后醇沉处理进行浓缩精制，得竹子多糖制品；

方式二、将竹子水提液直接采用膜分离法进行浓缩精制，得竹子多糖制品。

作为本发明的竹子多糖的提取法的改进：步骤1）的蒸汽爆破法为：竹子在1.4～3.0 MPa下保压30～240 s后瞬间爆破，爆出时间为0.005075 s≤T≤0.008752 s。

作为本发明的竹子多糖的提取法的进一步改进：步骤2）选用以下任一方式：

方式A：按照1g汽爆处理后的竹子物料（以干基计）:5~15mL水的料液比，将汽爆处理后的竹子物料进行热回流提取0.5～2.5 h，得竹子水提液；

方式B：采用连续逆流浸提，料液比为：1g汽爆处理后的竹子物料（以干基计）:5~15mL水，沸水浸取的时间为20～40 min，得竹子水提液。

作为本发明的竹子多糖的提取法的进一步改进：

步骤3）中的方式一为：

将竹子水提液真空浓缩，直至所得浓缩液的体积与汽爆处理后竹子物料的质量比为1mL：0.95~1.05g；在浓缩液中加入低级醇，直至低级醇的终体积浓度为60～80%，0～15 ℃下冷沉10～30 h后，将所得沉淀物脱水干燥，得粉末状的竹子多糖制品。

作为本发明的竹子多糖的提取法的进一步改进：低级醇为甲醇或乙醇，首选食用酒精（纯度≥95%）。

作为本发明的竹子多糖的提取法的进一步改进：步骤3）的方式二为：

将竹子水提液用孔径为0.2～0.5 μm微孔滤膜过滤后，再用截留分子量为3500～10000 Da的超滤膜超滤；所得的超滤截留液真空浓缩直至固形物质量含量为20～30 %，脱水干燥后得粉末状的竹子多糖制品。

备注说明：超滤时工作压力约为0.2~0.3 Mpa。

作为本发明的竹子多糖的提取法的进一步改进：真空浓缩为：真空度≤0.09 Mpa，温度45~55 ℃。

作为本发明的竹子多糖的提取法的进一步改进：竹子的品种为禾本科、竹亚科、刚竹属的品种，首选毛竹和毛金竹。

作为本发明的竹子多糖的提取法的进一步改进：竹子原料的来源为干燥后的竹子全株（破碎后使用），或者为竹材和竹笋加工的副产物。优选竹材和竹笋加工的副产物。

作为本发明的竹子多糖的提取法的进一步改进：竹材和竹笋加工的副产物为竹刨花、竹锯屑、笋干、笋壳或笋头干。

本发明克服了现有技术存在的设备投入大、多糖得率及纯度低、有机溶剂消耗大等技术缺点，提供了一种制备竹子多糖的新方法，将蒸汽爆破技术和膜分离技术引入竹子多糖的分离制备过程，使目标产物（多糖）的得率相比常规技术和手段提高了5～7倍，具有高效、快速、便捷、低成本的特点，适合于大规模工业化生产，并有利于保护环境。

采用本发明方法所获得的竹子多糖制品外观为浅黄色至灰白色粉末，以竹子原料干基计的产品得率在5～10 %，制品中竹子多糖的含量在20～60 %之间。上述2处的%均为质量%。

在本发明的醇沉法中：0～15 ℃下冷沉10～30 h后，可采用离心分离或压滤，从而获取沉淀物。采用醇沉法获取的竹子多糖制品外观为浅黄色粉末，产品得率约为5～8%，制品中竹子多糖的含量在20～45%之间。

采用膜分离技术获得的竹子多糖制品外观为灰白色粉末，产品得率可达7～10%，制品中竹子多糖的含量在35～60 %之间。

本发明所采用的竹子原料是指禾本科（Gramineae）、竹亚科（Bambusoideae）、刚竹属（Phyllostachys）的品种，优选毛竹（别名楠竹、孟宗竹、苗竹、猫儿竹等）Phyllostachys heterocycla var．pubescens (Mazel) Ohwi和毛金竹（别名：金毛竹，淡竹等）Phyllostachys nigra var. hnonis (Bean) Stepf ex Rendle。竹子原料，既可以是干燥后的竹子全株（破碎后使用），也可以是竹材和竹笋加工的副产物，如竹刨花、竹锯屑（竹粉）、竹笋（干）、笋壳或笋头干。优选加工副产物，既能实现资源的高效利用，又能保护环境。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

（1）采用汽爆技术对竹子原料进行预处理，可大大促进细胞壁的破裂和多糖的释放，大大提高竹子多糖的得率；但汽爆处理的强度必须严格控制在适宜范围，过小达不到应有的效果，过大则使碳水化合物完全分解，多糖得率下降，严重时会造成物料碳化。

（2）采用膜分离技术、选择适宜截留值的超滤膜，在有效截留竹子多糖的同时，除去了水提物中的小分子杂质，显著提高了产品的纯度。

（3）整个制备过程高效、快速、便捷、低成本，可不使用任何有机溶剂，有利于保护环境，适合大规模工业化生产。

综上所述，本发明将汽爆技术引入竹子原料的预处理过程，使得原本与细胞壁材料（纤维素、半纤维素和木质素）紧密结合的多糖获得释放，同时将膜分离技术引入竹子多糖的分离和纯化，大大提高了多糖的得率和产品纯度。本发明高效、快速、便捷，适合大规模工业化生产，且不引入任何有机溶剂，有利于保护环境，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

下面结合实例进一步阐明本发明的内容，其目的在于方便人们更好地理解本发明的内容，而非限制本发明的保护范围。

首先对实施例中涉及的多糖测定方法阐述如下：

（一）测定原理

采用苯酚-硫酸法测定。经60～80 %浓度的乙醇沉淀后的竹子多糖，在硫酸的作用下先水解成单糖，并迅速脱水生成糖醛衍生物，然后与苯酚生成橙黄色化合物，用比色法测定。

（二）标准曲线绘制

精密称取25.0 mg葡萄糖，用蒸馏水溶解并定容至100 mL。分别移取上述葡萄糖溶液0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于25 mL比色管中，均用纯净水补至2.0 mL，摇匀，加入苯酚试剂1.0 mL，浓硫酸试剂5.0 mL，立即摇匀，冷却30 min。同时以2.0 mL纯净水加苯酚试剂1.0 mL和浓硫酸试剂5.0 mL作空白。在490 nm波长处测定吸光度。

（三）样品测定

取0.1～1.0 g试样溶于20 mL 纯净水中，加入4倍体积的乙醇溶液，放入冰箱（0～4 ℃）静置过夜。4000 rpm离心10 min，弃去上清液，沉淀用纯净水溶解后、定容于50 mL容量瓶中待测。取待测液0.1～0.5 mL取代标准溶液于25 mL比色管中，按“标准曲线绘制”方法，测定490 nm波长处的吸光度。

（四）结果计算

根据标准曲线，求出相当于试样吸光度的葡萄糖的含量，按下式求出样品的多糖含量：

多糖含量（%）=（m₁×V₂）/（m×V₁）× 100

式中：

m₁——依据标准曲线计算出被测液中葡萄糖含量（mg）；

m ——样品取样量（mg）；

V₁ ——待测液分取的体积（mL）；

V₂ ——待测液的总体积（mL）。

实施例1、一种竹子多糖的提取法，依次进行以下步骤：

1）取毛竹刨花（含水率为10 %）2000 g在汽爆机中进行蒸汽爆破处理，汽爆压力为2.2 MPa，保压时间为60 s，爆出时间0.005075 s≤T≤0.008752 s；得汽爆处理后竹子物料。

2）取672 g的汽爆处理后竹子物料（水分质量含量33%左右），加入3.6 L纯净水进行提取（即料液比为以干基计1g: 8 mL水），100℃下热回流提取2 h，过滤，所得的滤液为竹子水提液。

3）将竹子水提液用微孔滤膜（孔径0.3 μm，材质为PVDF）过滤后，再进行超滤（采用截留分子量为10000 Da的PES膜），超滤时工作压力为0.21 Mpa，料液温度为40±1 ℃，当截留液体积为原料液（即，竹子水提液）体积的1/8左右时停止超滤；取超滤截留液进行真空浓缩（真空度≤ 0.09 Mpa，温度45~50℃），至固形物质量含量为30%时，真空干燥（真空度≤ 0.09 Mpa，温度50~55℃）8 h，粉碎，得灰白色粉末状的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）44.5 g，经测定，该制品中竹子多糖含量为59.68 %。

对比例1-1、相对于实施例1作如下改进：

取消步骤1），即，以毛竹刨花（水分含量10%左右）500 g替代步骤2）中的672 g汽爆处理后竹子物料（水分质量含量33%左右），其余同实施例1。

最终得粉末状的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）22.50 g，经测定，该制品中多糖含量仅为17.34 %。

对比例1-2、将实施例1步骤1）中的蒸汽爆破处理改成以下内容：将汽爆压力改成3.5MPa，保压时间改成120 s；其余同实施例1。

汽爆处理超出本发明所限定的最适范围后，样品出现部分碳化，多糖含量显著下降，最终得粉末状的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）27.75 g，经测定，该制品中多糖含量仅为29.60 %。

对比例1-3、将实施例1步骤1）中的蒸汽爆破处理改成以下内容：将汽爆压力改成1MPa，保压时间改成60 s；其余同实施例1。

汽爆处理超出本发明所限定的最适范围后，达不到应有的效果，最终得粉末状的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）24.51 g，经测定，该制品中多糖含量仅为18.66 %。

实施例2、一种竹子多糖的提取法，依次进行以下步骤：

1）取毛金竹杆一根（约15 kg 重，水分含量约15 %）破碎成长8～10 cm、宽1.5～2 cm的竹条放入汽爆机中，汽爆压力为1.4 MPa，保压时间为30 s，爆出时间为0.005075 s≤T≤0.008752 s；得汽爆处理后竹子物料。

2）取646 g的汽爆处理后竹子物料（水分质量含量35%左右）加入2.1 L纯净水进行提取（即料液比为以干基计1g: 5 mL水），100 ℃下热回流提取1.5 h，过滤得滤液；所得的滤液为竹子水提液。

3）将竹子水提液用微孔滤膜（孔径0.3 μm，材质为PVDF）过滤后，再进行超滤（采用截留分子量为3500 Da的TFM膜），超滤时工作压力为0.27 Mpa，料液温度为45±1℃，当截留液体积为原料液体积的1/8左右时停止超滤；取超滤截留液进行真空浓缩（真空度≤ 0.09 Mpa，温度45~50℃），至固形物质量含量为25 %时，喷雾干燥（进风温度185℃，出风温度90℃）, 得灰白色的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）35.5 g，经测定，该制品中多糖含量为32.45 %。

对比例2-1：相对于实施例2作如下改进：

将毛金竹杆破碎成长8～10 cm、宽1.5～2 cm，并适当干燥，使其水分质量含量在10%左右；

取消步骤1），以上述干燥后的毛金竹杆467g替代步骤2）中的646 g汽爆处理后竹子物料（水分质量含量35%左右），其余同实施例2。

最终得粉末状的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）17.5 g，经测定，该竹子多糖粗提物中多糖含量仅为13.34 %。

对比例2-2、将实施例2步骤1）中的蒸汽爆破处理改成以下内容：将汽爆压力改成3.5MPa，保压时间改成240s；其余同实施例2。

汽爆处理超出最适范围后，样品出现部分碳化，多糖含量显著下降，最终得粉末状的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）24.78g，经测定，该竹子多糖粗提物中多糖含量为22.56 %。

对比例2-3、将实施例2步骤1）中的蒸汽爆破处理改成以下内容：将汽爆压力改成1MPa，保压时间改成60 s；其余同实施例2。

汽爆处理超出本发明所限定的最适范围后，达不到应有的效果，最终得粉末状的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）20.32 g，经测定，该制品中多糖含量仅为15.24 %。

实施例3、一种竹子多糖的提取法，依次进行以下步骤：

1）取金毛竹刨花（水分含量10%左右）1 kg汽爆处理，汽爆压力为2.8 MPa，保压时间为220 s，爆出时间为0.005075 s≤T≤0.008752 s；得汽爆处理后竹子物料。

2）取625 g汽爆处理后的物料（水分含量在28%左右），加入5.4L纯净水进行提取（即料液比为以干基计1g: 12 mL水），100 ℃下热回流提取2.5 h，过滤得滤液；所得的滤液为竹子水提液。

3）竹子水提液进行真空浓缩（真空度≤ 0.09 Mpa，温度45~50℃），浓缩至料液体积约为500 mL时，加入4倍浓缩后料液体积的食用酒精（纯度≥95%）进行沉淀，冰箱（0～4 ℃）中放置过夜（12h）；过滤得沉淀，将所得的沉淀真空干燥（真空度≤ 0.09 Mpa，温度50~55℃）8 h，得浅黄色的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）39.42g，经测定，该制品中竹子多糖含量为41.67 %。

对比例3-1、相对于实施例3作如下改进：

取消步骤1），即，以金毛竹刨花（水分含量10%左右）500 g替代步骤2）中的625 g汽爆处理后竹子物料（水分质量含量28 %左右），其余同实施例1。

最终得粉末状的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）23.4 g，经测定，该制品中多糖含量仅为18.13 %。

对比例3-2、将实施例3步骤1）中的蒸汽爆破处理改成以下内容：将汽爆压力改成3.5 MPa，保压时间改成240 s；其余同实施例3。

汽爆处理超出最适范围后，样品出现较严重碳化，多糖含量显著下降，最终得粉末状的的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）24.25g，经测定，该制品中多糖含量为22.24%。

对比例3-3、将实施例3步骤1）中的蒸汽爆破处理改成以下内容：将汽爆压力改成1MPa，保压时间改成60 s；其余同实施例3。

汽爆处理超出本发明所限定的最适范围后，达不到应有的效果，最终得粉末状的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）26.45 g，经测定，该制品中多糖含量仅为23.48 %。

实施例4、一种竹子多糖的提取法，依次进行以下步骤：

1）取毛竹锯屑（水分含量12%左右）100 kg汽爆处理，汽爆压力为1.8 MPa，保压时间为100 s，爆出时间为0.005075 s≤T≤0.008752 s；得汽爆处理后竹子物料。

2）将汽爆处理后竹子物料667 g（水分质量含量34%左右）进行连续逆流浸提（沸水），加入4.4 L纯净水进行提取（即料液比为以干基计1g:10 mL水），浸取时间为30 min，所收集的提取液板框压滤（滤布）后，为竹子水提液。

3）将竹子水提液用微孔滤膜过滤（孔径0.2 μm，材质为PVDF），然后用截留分子量5000 Da的PES膜超滤，超滤时工作压力为0.20 Mpa，料液温度为40±1℃；取超滤截留液进行真空浓缩（真空度≤ 0.09 Mpa，温度45~50℃），至固形物质量含量为30 %左右时，真空微波干燥（功率密度为1w/g～2w/g；真空度为0.08 Mpa；干燥时间为2h～3h），得灰白色的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）30.8 g，经测定，该制品中多糖含量为 36.28 %。

对比例4-1、相对于实施例4作如下改进：

取消步骤1），即，以毛竹锯屑（水分含量12%左右）500g替代步骤2）中的667 g汽爆处理后竹子物料（水分质量含量34 %左右），其余同实施例4。

最终得粉末状的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）21.11 g，经测定，该制品中竹子多糖含量仅为15.03 %。

对比例4-2、将实施例4步骤1）中的蒸汽爆破处理改成以下内容：将汽爆压力改成3.6 MPa，保压时间改成30 s；其余同实施例1。

最终得粉末状的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）25.20 g，经测定，该制品中竹子多糖含量为19.78 %。

对比例4-3、将实施例4步骤1）中的蒸汽爆破处理改成以下内容：将汽爆压力改成1MPa，保压时间改成30 s；其余同实施例4。

汽爆处理超出本发明所限定的最适范围后，达不到应有的效果，最终得粉末状的竹子多糖制品（水分含量＜5 %）24.05 g，经测定，该制品中多糖含量仅为17.56 %。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.竹子多糖的提取法，其特征是依次进行以下步骤：

1)采用蒸汽爆破法对作为原料的竹子进行预处理，得汽爆处理后的竹子物料；

所述蒸汽爆破法为：竹子在1.4～3.0MPa下保压30～240s后瞬间爆破，爆出时间为0.005075s≤T≤0.008752s；

2)将汽爆处理后的竹子物料进行水提，得竹子水提液；

3)将竹子水提液采用以下任一方式进行浓缩精制：

2.根据权利要求1所述的竹子多糖的提取法，其特征是：

所述步骤2)选用以下任一方式：

方式A：按照1g以干基计的汽爆处理后的竹子物料:5～15mL水的料液比，将汽爆处理后的竹子物料进行热回流提取0.5～2.5h，得竹子水提液；

方式B：采用连续逆流浸提，料液比为：1g以干基计的汽爆处理后的竹子物料:5～15mL水，沸水浸取的时间为20～40min，得竹子水提液。

3.根据权利要求2所述的竹子多糖的提取法，其特征是：

所述步骤3)中的方式一为：

将竹子水提液真空浓缩，直至所得浓缩液的体积与以干基计的汽爆处理后竹子物料的质量比为1mL：0.85～0.95g；在浓缩液中加入低级醇，直至低级醇的终体积浓度为60～80％，0～15℃下冷沉10～30h后，将所得沉淀物脱水干燥，得粉末状的竹子多糖制品。

4.根据权利要求3所述的竹子多糖的提取法，其特征是：所述低级醇为甲醇或乙醇。

5.根据权利要求2所述的竹子多糖的提取法，其特征是：

所述步骤3)的方式二为：

将竹子水提液用孔径为0.2～0.5μm微孔滤膜过滤后，再用截留分子量为3500～10000Da的超滤膜超滤；所得的超滤截留液真空浓缩直至固形物质量含量为20～30％，脱水干燥后得粉末状的竹子多糖制品。

6.根据权利要求5所述的竹子多糖的提取法，其特征是：所述真空浓缩为：真空度≤0.09Mpa，温度45～55℃。

7.根据权利要求3～6任一所述的竹子多糖的提取法，其特征是：

所述竹子的品种为禾本科竹亚科刚竹属的品种。

8.根据权利要求7所述的竹子多糖的提取法，其特征是：

所述竹子原料的来源为干燥后的竹子全株，或者为竹材和竹笋加工的副产物。

9.根据权利要求8所述的竹子多糖的提取法，其特征是：

所述竹材和竹笋加工的副产物为竹刨花、竹锯屑、笋干、笋壳或笋头干。