CN105255965A - 一种以棉籽壳为原料制备高纯度低聚木糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以棉籽壳为原料制备高纯度低聚木糖的方法。以棉籽壳为原料,制备低聚木糖的过程中,调节预处理过程中高温蒸煮时间及温度,控制蒸煮液中的木糖含量,控制酶解过程中木聚糖酶加量及酶解时间,制备出纯度≥90％低聚木糖。本发明具有以下优势：1)制备出的低聚木糖纯度≥90％，省去了高纯度低聚木糖传统制备工艺中的膜分离、模拟移动床等分离纯化步骤；2)本发明棉籽壳制备低聚木糖，木聚糖酶添加量为棉籽壳干重百分比0.01％-0.2％，酶解时间6-10h，降低了现有技术中木聚糖酶使用量及酶解时间。本发明降低成本，提高效率，提升产品品质。

Description

一种以棉籽壳为原料制备高纯度低聚木糖的方法

技术领域

本发明涉及一种低聚木糖的制备方法，具体涉及到一种以棉籽壳为原料高效制备高纯度低聚木糖的方法，属于功能糖制备技术领域。

背景技术

低聚木糖是低聚糖的一种，是由β-1，4-内切木聚糖酶以木聚糖为底物、水解β-1，4糖苷键形成的聚合度为2-7的低聚糖。低聚木糖可以改善有机体(人和动物)消化道菌群平衡，促进消化道有益细菌的生长，抑制有害微生物的繁殖，促进营养吸收，提高机体免疫力。近年来，高纯度低聚木糖由于功效更突出，附加值更高而需求越来越大。

棉籽壳主要由纤维素(37-48％)、半纤维素(22-28％)、木质素(29-32％)等组成，较高的半纤维素含量决定棉籽壳是一种制备低聚木糖的良好原料。目前，棉籽壳主要用途有燃烧、制备含硅化合物、制备建筑材料、饲料等，经济效益不佳，产品附加值较低。采用棉籽壳制备低聚木糖有助于提升其经济价值，使其变废为宝，产生重要的经济、社会效益。

现有的低聚木糖提取方法包括：酸水解法、碱水解法、热水抽提法(含蒸汽喷爆法)、酶水解法(含物理或化学-酶联合法)、微波降解法，不同的方法其制备效率、包含杂质有所不同。

而目前制备低聚木糖的主要原料包括玉米芯、稻草、稻壳、甘蔗渣等为主要原料，制备的产品中含有大量的单糖而纯度较低，一般在65％-80％之间。专利CN1333371A采用麸皮为原料制备的低聚木糖纯度为66.77％；专利CN102559805A采用稻草及稻壳为原料制备的低聚木糖纯度(含量)为80-85％；专利CN101781669A采用稻草为原料制备的低聚木糖纯度(含量)为80-85％。制备高纯度低聚木糖需要经过膜分离、模拟移动床等方法分离纯化获得。比如：专利CN203833852U介绍了一种膜分离纯化低聚木糖的应用；专利CN1500796A介绍了一种纳滤膜去除粗糖液中的杂质单糖；专利CN101899486A利用模拟移动床分离提纯低聚木糖，低聚木糖的纯度为90.64％-93.2％；专利CN1556110A采用纳滤技术将含量75.9％的粗糖液制备为含量为94％左右的高纯度低聚木糖；专利CN101928305A采用模拟移动床技术，将含量由75.63％提升到95％左右的低聚木糖。这些方法虽然提升了低聚木糖纯度，但是分离过程不可避免的造成糖液损失，且需要大量纯水，分离过程将糖液稀释，还需再次浓缩等，造成资源浪费，使高纯度低聚木糖的制备成本升高。

专利CN1333371A中提到一种以蔗渣为原料，采用碱溶、醇沉制备粗木聚糖，然后木聚糖酶定向酶解，制备的低聚木糖纯度为92.9％，此方法中酶解时间长达24h，影响了制备效率；另外，由于乙醇易燃，在使用中还需要特定的环境。专利CN101565468B采用棉籽壳为原料制备低聚木糖，但木聚糖酶添加量高达棉籽壳干重的1.0-2.5％，酶解时间长达24-36h，影响了棉籽壳低聚木糖的成本及效率，另外，制备的产品中低聚木糖的含量在80％左右。

发明内容

针对上述问题，寻找一种生产成本低、效率高、产品纯度高的低聚木糖制备方法非常必要。

首先，本发明针对以棉籽壳为原料制备高纯度低聚木糖，提供了一种棉籽壳的预处理工艺，其包括：棉籽壳与水按质量比混合,加入弱酸催化剂,在140℃-170℃蒸煮40min-90min，将棉籽壳中的木聚糖溶出，控制蒸煮液中的木糖含量为3％-10％，降温待用；

其中加入的弱酸催化剂，优选为乙酸、甲酸、柠檬酸；

棉籽壳与水的配比，优选为按1:(6-10)的质量比混合。

发明人通过研究发现，(1)高温蒸煮法主要是利用水在高温条件下可以作为酸性催化剂促进半纤维素的水解，但一定温度下水本身提供的H⁺有限，因此往往需要较高的温度条件，然而，较高的蒸煮温度却又产生过多的副产物(如木糖在高温条件下会进一步生成糠醛等)；若使用强酸(硫酸、盐酸等)提供H⁺，其对于工业生产的设备、工艺条件等提出了更高的要求(主要是强酸的腐蚀性、危险性控制等)；针对此问题，发明人通过实验尝试，在高温蒸煮法中加入弱酸催化剂，既能够有效的提高催化效率(提供有效的H⁺)，又不必需过高的温度条件从而减少副产物产生，并且更能适用于工业生产降低工业应用成本；(2)发明人在高温蒸煮-酶解法制备低聚木糖的过程中，发现预处理后的木糖含量这一指标，对于控制棉籽壳中木聚糖的(预处理)降解程度和木聚糖的溶出效果，极为关键：预处理过程中，体系中的长链木聚糖在酸性和高温条件下主链和侧链(如阿拉伯糖侧链)均发生水解，木聚糖从木质纤维成分中游离出来并且聚合度下降，其中也包括单糖的解离；发明人通过多个条件的比较摸索，发现在蒸煮液中的木糖含量为3％-10％范围内，其木聚糖的解离程度适中且效果最好，适中意为长链木聚糖较多的解离为聚合度较低的木聚糖，且单糖解离度不高(副产物较少)；当木糖含量较高(如15％、20％)时，虽然木聚糖的解离度更高，但副产物也明显增多，最终进行酶解后获得的低聚木糖含量占比降低；当木糖含量较低(如1％)时，木聚糖解离度过低，不利于后续木聚糖酶的酶解接触，导致低聚木糖收率降低；(3)发明人意外的发现，通过本发明所述的预处理工艺处理后，可明显降低后续木聚糖酶的使用量同时减少酶解时间，极大降低了生产成本。

其次，本发明的目的还在于提供一种以棉籽壳为原料制备高纯度低聚木糖的方法。产品中木二糖-木七糖纯度≥90％，同时，明显降低了制备过程中的木聚糖酶添加量及酶解时间。

本发明的技术方案为：以棉籽壳为原料,制备低聚木糖的过程中,调节原料预处理过程中高温蒸煮时间及温度,控制蒸煮液中的木糖含量,调节酶解过程中木聚糖酶加量及酶解时间,制备高纯度低聚木糖。高纯度低聚木糖,木二糖-木七糖纯度≥90％,结构式如下所示:其中n＝0-5，A、B、C和D分别对应于二维核磁共振波谱解析中的4个端基；

具体制备步骤如下:

(1)以棉籽壳为原料；

(2)棉籽壳与工艺水按1:(6-10)的质量比混合,加入棉籽壳干重百分比为0.5-1.5％的弱酸催化剂,在140℃-170℃蒸煮40min-90min，将棉籽壳中的木聚糖溶出，控制蒸煮液中的木糖含量为3％-10％，降温待用；

(3)步骤(2)中的蒸煮液加入棉籽壳干重百分比0.01％-0.2％的木聚糖酶，酶解反应温度为50℃-85℃，酶解时间为6-10h，酶解液经灭酶、净化、浓缩或干燥制备木二糖-木七糖纯度≥90％的低聚木糖糖浆或糖粉。

步骤(2)所述弱酸催化剂为乙酸、甲酸、柠檬酸等。步骤(2)所述蒸煮液中木糖含量计算方法为：高效液相色谱检测结果中，木糖组分的峰面积占总糖峰面积的百分比；步骤(3)中，所述低聚木糖纯度计算方法为：高效液相色谱检测结果中，木二糖-木七糖组分的峰面积占总糖峰面积的百分比。检测条件为：色谱柱为SHodexsugarKS-802，或其他具有同等分析效果的色谱柱；流动相为超纯水，柱温80℃。

步骤(3)所述的木聚糖酶为夏盛木聚糖酶SPE-01XG、康地恩木聚糖酶SP-min，或具有等同效果的其它木聚糖酶。

此外，本发明还提供了通过所述方法制备的高纯度低聚木糖糖浆或糖粉及其在制备加工食品、饮品、化妆品、医药制品中的应用。通常，不同的加工制备方法，其所获得的低聚木糖产品中低聚木糖的纯度、杂质的组分、比例等往往有所不同，现有技术并未提供本发明所属结构和/组成的高纯度低聚木糖。

本发明的有益效果为：

(1)本发明棉籽壳的预处理工艺，既能够有效的提高处理效率，又不必需过高的温度条件从而减少副产物产生，并且更能适用于工业生产降低工业应用成本；

(2)本发明制备出高纯度的低聚木糖，木二糖-木七糖纯度≥90％，省去了制备高纯度低聚木糖传统工艺中的膜分离、模拟移动床分离纯化等步骤，简化了工艺，降低物料损失及水消耗，降低制备成本，提高生产效率；

(3)本发明中棉籽壳制备低聚木糖，木聚糖酶添加量为棉籽壳干重百分比0.01％-0.2％，酶解时间6-10h。现有专利及文献中：木聚糖酶添加量高达棉籽壳干重的1.0-2.5％，酶解时间长达24-36h，制备的产品中低聚木糖的含量在80％左右。与现有制备低聚木糖技术相比，明显降低了木聚糖酶使用量及酶解时间，提升产品纯度。

附图说明

图1为木二糖标准品HPLC图谱，标准品购买于爱尔兰Megazyme公司；

图2为木三糖标准品HPLC图谱，标准品购买于爱尔兰Megazyme公司；

图3为木四糖标准品HPLC图谱，标准品购买于爱尔兰Megazyme公司；

图4为木五糖标准品HPLC图谱，标准品购买于爱尔兰Megazyme公司；

图5为木六糖标准品HPLC图谱，标准品购买于爱尔兰Megazyme公司；

图6为本技术发明制备的高纯度低聚木糖产品的HPLC图谱。

具体实施方式

实施例1：蒸煮温度与蒸煮液中木糖单糖含量关系

取棉籽壳取棉籽壳450g，与工艺水按1:8的质量比混合,分为以下条件对棉籽壳进行蒸煮：

蒸煮条件1：不添加乙酸催化剂，165℃蒸煮60min；

蒸煮条件2：加入棉籽壳干重百分比为0.8％的乙酸,165℃蒸煮60mim；

蒸煮条件3：加入棉籽壳干重百分比为0.8％的乙酸,135℃蒸煮60mim；

蒸煮条件4：加入棉籽壳干重百分比为0.8％的乙酸,180℃蒸煮60min；

蒸煮条件5：加入棉籽壳干重百分比为0.8％的乙酸,165℃蒸煮30min；

蒸煮条件6：加入棉籽壳干重百分比为0.8％的乙酸,165℃蒸煮100min；

将棉籽壳中的木聚糖溶出，各条件蒸煮液中木糖单糖含量如下表所示：

蒸煮条件	蒸煮液中的木糖含量(％)
		蒸煮条件1	2.45
蒸煮条件2	5.23
		蒸煮条件3	2.19
蒸煮条件4	12.79
		蒸煮条件5	2.53
蒸煮条件6	15.74

实施例2：蒸煮液中木糖单糖含量对应产品木二糖-木七糖组分情况

将不同蒸煮条件下，向蒸煮液加入0.08g夏盛木聚糖酶SPE-01XG,酶解反应温度为70℃，酶1解时间为8h，酶解液经灭酶、净化、浓缩制低聚木糖产品组分如下表所示：

蒸煮液中的木糖含量(％)	产品中木二糖-木七糖纯度(％)
		2.45	73.29
5.23	91.43
		2.19	71.94

12.79	77.31
		2.53	74.27
15.74	72.83

实施例3棉籽壳制备高纯度低聚木糖

取棉籽壳450g，与工艺水按1:8的质量比混合,加入棉籽壳干重百分比为0.8％的乙酸,在165℃蒸煮60min，将棉籽壳中的木聚糖溶出，控制蒸煮液中的木糖含量为5.23％，降温待用；向蒸煮液加入0.08g夏盛木聚糖酶SPE-01XG,酶解反应温度为70℃，酶1解时间为8h，酶解液经灭酶、净化、浓缩制备木二糖-木七糖纯度91.43％的低聚木糖糖浆(具体组分见表1)。

表1:高纯度低聚木糖各组分含量表

实施例4棉籽壳制备高纯度低聚木糖

取棉籽壳450g，与工艺水按1:10的质量比混合,加入棉籽壳干重百分比为1％的乙酸,在160℃蒸煮50min，将棉籽壳中的木聚糖溶出，控制蒸煮液中的木糖含量为7.12％，降温待用；向蒸煮液加入0.8g康地恩木聚糖酶SP-min,酶解反应温度为55℃，酶解时间为10h，酶解液经灭酶、净化、浓缩、真空带式干燥制备木二糖-木七糖纯度91.32％的低聚木糖糖粉。(具体组分见表2)。

表2:高纯度低聚木糖各组分含量表

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种以棉籽壳为原料酶法制备低聚木糖的棉籽壳预处理工艺，其特征在于，包括：棉籽壳与水按1:(6-10)的质量比混合，加入弱酸催化剂,140℃-170℃蒸煮40min-90min，木聚糖溶出，控制蒸煮液中的木糖含量为3％-10％,降温待用。

2.根据权利要求1所述工艺，其特征在于，所述弱酸催化剂为乙酸、甲酸或柠檬酸。

3.一种以棉籽壳为原料制备高纯度低聚木糖的方法,高纯度低聚木糖中木二糖--木七糖纯度≥90％,结构式如下所示:其中n＝0-5，A、B、C和D分别对应于二维核磁共振波谱解析中的4个端基；

其特征在于，包括：(1)棉籽壳与水按1:(6-10)的质量比混合，加入弱酸催化剂,140℃-170℃蒸煮40min-90min，木聚糖溶出，控制蒸煮液中的木糖含量为3％-10％,降温待用；

(2)步骤(1)中的蒸煮液加入木聚糖酶，进行酶解，酶解后酶解液经灭酶、净化、浓缩或干燥制备得到木二糖--木七糖纯度≥90％的低聚木糖糖浆或糖粉。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中蒸煮液加入棉籽壳干重0.01-0.2％的木聚糖酶，酶解反应温度为50-85℃，酶解时间为6-10h。

5.根据权利要求3或4所述方法，其特征在于，所述弱酸催化剂为乙酸、甲酸或柠檬酸。

6.根据权利要求3或4所述方法，其特征在于，步骤(1)中，所述蒸煮液中木糖含量计算方法为：高效液相色谱检测结果中，木糖组分的峰面积占总糖峰面积的百分比；步骤(2)中，所述低聚木糖纯度计算方法为：高效液相色谱检测结果中，木二糖--木七糖组分的峰面积占总糖峰面积的百分比，检测条件为：色谱柱为SHodexsugarKS-802，或其他具有同等分析效果的色谱柱；流动相为超纯水，柱温80℃。

7.根据权利要求3或4所述方法，其特征在于，步骤(2)所述的木聚糖酶为夏盛木聚糖酶SPE-01XG、康地恩木聚糖酶SP-min，或具有等同效果的其它木聚糖酶。

8.高纯度低聚木糖糖浆或糖粉，其特征在于，其由权利要求3-7任一项所述方法制备。

9.权利要求8所述高纯度低聚木糖糖浆或糖粉在制备加工食品、饮品、营养保健品、化妆品、医药制品中的应用。