CN105838757A - 一种利用甘薯废渣制备异麦芽低聚糖的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用甘薯废渣制备异麦芽低聚糖的生产方法，先在薯渣加入α‑中温淀粉酶，然后升温糊化、液化，同时利用甘薯渣中自有的β‑淀粉酶进行糖化，得到麦芽糖，再加入α‑葡萄糖苷转移酶将麦芽糖转苷，生成异麦芽低聚糖。本发明工艺流程简化，过程用热少，并结合甘薯淀粉加工企业现有生产工艺和生鲜甘薯渣本身的特点，针对性强，特别适合在甘薯淀粉生产企业推广。

Description

一种利用甘薯废渣制备异麦芽低聚糖的生产方法

技术领域

本发明属于甘薯渣资源化利用技术领域及食品加工领域，具体涉及一种以甘薯废渣为原料制备异麦芽低聚糖的方法。

背景技术

异麦芽低聚糖(简称IMO)，是葡萄糖基以α-1,6糖苷键结合而形成的单糖数量在2～6不等的一类低聚糖。异麦芽低聚糖可以促进双歧杆菌和乳酸菌属等益生菌属的生长，调整肠道菌群平衡，促进肠蠕动，防止和解除便秘及腹泻，预防龋齿，抑制肠道有害菌的滋生及腐败物质生成。由于异麦芽低聚糖具有诸多的优良性质和保健生理功能，已广泛应用于保健品、食品、医药、化妆品等领域。目前，国内外生产IMO的经典方法主要以玉米淀粉为原料，利用α-淀粉酶和β-淀粉酶或真菌α-淀粉酶现将淀粉液化、糖化制得麦芽糖，然后加入转苷酶生成异麦芽低聚糖，其生产流程图如图1所示。

甘薯废渣是甘薯淀粉加工分离淀粉以后剩余的副产物，平均每生产1吨成品甘薯淀粉会产生2.5～3吨含湿薯渣。因为甘薯淀粉加工采用的是生鲜甘薯，且加工周期短(2-3月)，所以每天产生的薯渣数量巨大，且含水量高，易变质，运输和保存都非常困难。目前，小型加工企业直接将含水甘薯薯渣直接处理给当地农户用于牲畜饲养或直接丢弃，对环境造成极大的污染。近年环保问题越来越引起人们的重视，国家也出台相应的法律法规进行约束，废水、废渣问题已成为制约甘薯淀粉企业发展的瓶颈。

甘薯淀粉企业产生的薯渣是生鲜地瓜经粉碎、筛分、分离后剩余的固体残渣，含水85-90％，干物中主要是纤维素、半纤维素和残留淀粉等，另外还有少量的脂肪和蛋白。国内已有甘薯废渣利用的相关报道，如CN102558386 A公开了一种利用甘薯废渣提取果胶的方法，就是先用淀粉酶水解去除薯渣中的淀粉后再抽提果胶；CN1 04187743 A提供了一种制备甘薯渣膳食纤维的方法，是采用水洗的方法去除薯渣中的淀粉。甘薯废渣中淀粉含量大约50％(干基)左右，这两种方法都是将淀粉作为废弃物处理，造成资源的极大浪费。甘薯淀粉以直连淀粉为主，分支少，酶解制备麦芽糖纯度高，具备制备异麦芽低聚糖的基础。王菁艺等曾研究了液化工艺等对甘薯渣制备异麦芽低聚糖产率的影响(液化工艺对甘薯渣制备异麦芽低聚糖含量的影响，食品科技，2016，41(2)：104-107)，采用的是实验室自制干薯渣，所使用酶均为商品酶制剂，工艺流程同玉米淀粉等制备异麦芽低聚糖的工艺流程，未充分利用甘薯渣资源。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和新鲜甘薯渣自身的特性，提供一种甘薯淀粉加工过程中产生的生鲜薯渣合理资源化利用的途径，本发明主要目的在于提供一种利用甘薯废渣制备异麦芽低聚糖的生产方法。

具体的，本发明涉及以下技术方案：

首先，一种利用甘薯废渣制备异麦芽低聚糖方法，包括如下步骤：

(1)加酶调浆：根据甘薯渣中的淀粉含量向甘薯渣加入α-中温淀粉酶混合均匀；

(2)糊化、液化：步骤(1)混匀后的甘薯渣物料瞬间升温加热、保温，进行料液糊化、液化；

(3)糖化、转苷：将步骤(2)液化后的料液迅速降温，进行保温糖化和转苷。糖化和转苷方式为：降温后即加入α-葡萄糖苷转移酶进行保温同步糖化和转苷，或者，先进行保温糖化，然后加入α-葡萄糖苷转移酶进行继续糖化和转苷；

(4)固液分离获得糖液和灭酶；

(5)糖液分离纯化精制后获得异麦芽低聚糖。

本发明利用薯渣自身含有的β-淀粉酶外对薯渣中的淀粉进行糖化生成麦芽糖，然后再加入α-葡萄糖苷转移酶进行转苷反应，进一步生成异麦芽低聚糖，再经精制后制得异麦芽低聚糖产品。

首先，本发明对甘薯淀粉生产产生的生鲜薯渣进行了分析，薯渣含水80-90％，薯渣中的残留淀粉占薯渣干物的45-55％，另外，鲜薯渣含有较高β-淀粉酶活性，酶活100-200U/g含水薯渣。薯渣中的残余淀粉以及β-淀粉酶活性，为甘薯废渣制备麦芽糖、从而进一步制备异麦芽低聚糖的提供了依据；

其次，通过试验研究发现，甘薯渣中的β-淀粉酶在底物的保护作用能够耐受80-90℃高温，因此在甘薯渣糊化、液化过程中，β-淀粉酶在薯渣的保护下，短时间不会失活，这为利用甘薯废渣酶解制备麦芽糖从而制备异麦芽低聚糖提供了基础；

进一步的，液化过程使用α-中温淀粉酶，可以降低液化温度，较好的保存薯渣中的β-淀粉酶的活性。另外，添加α-淀粉酶先对薯渣中的淀粉进行初步水解，可以大幅提高β-淀粉酶的水解效率和麦芽糖的得率。

优选的实施方案中，步骤(1)加酶调浆为：将新鲜甘薯渣输送入带有搅拌装置的储罐中，按照甘薯渣中的淀粉含量加入α-中温淀粉酶，开启搅拌混合均匀。

具体的，优选步骤(1)中所述甘薯渣为以生鲜地瓜为原料生产甘薯淀粉过程中产生的鲜甘薯渣，含水80-90％。

优选步骤(1)中鲜甘薯渣按照水分及淀粉含量进行折算干物后加入α-中温淀粉酶，加入量为每吨淀粉加0.3-0.5kg酶制剂(以诺维信BAN480L中温淀粉酶为例，其他型号的淀粉酶以此折算，或按酶制剂推荐量添加)。

优选的实施方案中，步骤(2)糊化液化为：将加酶后的薯渣料液瞬间升温，然后物料通过维持罐或管道保温。

具体的，优选步骤(2)中加热温度为80-90℃，加热方式包括但不限于喷射器加热，保温时间为3-10min，控制DE值15-30％。

通过调节液化时间、加酶量和液化温度以得到不同DE值的液化液，优化的，本发明液化控制DE值20-25％。

优选的实施方案中，步骤(3)中，液化结束后，将薯渣送入糖化罐中，迅速降温至60±2℃，保温糖化0-5h后加入α-葡萄糖苷转移酶，进行糖化和转苷；

更优选的α-葡萄糖苷转移酶的加入量为液化液固形物含量的0.05％-0.2％(或按酶制剂推荐量添加)。糖化和转苷时间为5-10h；

步骤(4)中固液分离获得糖液和灭酶的先后顺序可调整，先进行固液分离再进行灭酶或先进行灭酶在进行固液分离均可；所述固液分离方式包括但不限于板框过滤；灭酶温度为80-100℃。

步骤(5)中糖液分离纯化精制过程可以通过本领域内的常规技术手段来实现，如现有的利用玉米淀粉制备异麦芽低聚糖过程中的分离纯化精制过程(如图1中所示)：脱色-复滤(过滤)-阴阳离子交换树脂脱盐-弱碱性阴离子交换树脂二次脱色-真空浓缩，具体的，本发明优选的糖液分离纯化精制过程的过程为：一次浓缩—脱色—离子交换—二次浓缩，所述具体的工序包括：

一次浓缩：将过滤得到的异麦芽低聚糖液进行减压浓缩；

脱色：将一次浓缩得到的异麦芽低聚糖液加入活性炭进行脱色；

离子交换：经脱色后的糖液经过滤去除活性炭，然后采用阴阳离子交换树脂进行除杂净化；

二次浓缩：将离子交换除杂后的异麦芽低聚糖液经减压浓缩后得到异麦芽低聚糖浆(IMO-50型异麦芽低聚糖浆)。

优选的实施方案中，

一次浓缩工序中的浓缩方法包括但不限于三效蒸发浓缩设备，糖液浓缩至质量体积浓度15-25％。

脱色工序中的活性炭加量为固形物含量的1-1.5％。

离子交换工序中所使用的离交工艺为阳离子树脂-阴离子树脂-阳离子树脂的顺序进行，其中阳离子交换树脂采用但不限于732型阳离子交换树脂，阴树脂采用但不限于D315型阴离子交换树脂。

二次浓缩工序中二次浓缩至固形物含量80-90％。

优选的技术方案中，本发明分离纯化精制后的异麦芽低聚糖浆进一步通过酵母发酵或膜分离可以进一步制取更优的异麦芽低聚糖浆(IMO-90型异麦芽低聚糖浆)。

优选的技术方案中，步骤(4)中固液分离得到的薯渣经气流干燥制成甘薯粗纤维，可进一步制备膳食纤维。

本发明取得了以下有益效果：

(1)本发明结合甘薯淀粉企业的加工现状提出的一种甘薯渣资源化综合利用的方法：生鲜甘薯中含有活性较高的β-淀粉酶，分离淀粉后甘薯渣仍有较高的β-淀粉酶活力，本发明利用薯渣中自有的β-淀粉酶水解薯渣中的残留淀粉，生成麦芽糖进而制备异麦芽低聚糖。

(2)本发明发现甘薯渣中的β-淀粉酶在底物的保护作用能够耐受80-90℃高温，短时间不被灭活。进一步的，本发明使用中温型α-淀粉酶降低液化温度，有效的保护了甘薯渣中的β-淀粉酶活力，不需要额外添加商品β-淀粉酶，降低了加酶成本。

(3)本发明在薯渣料液中适量添加α-中温淀粉酶，可以将淀粉预先水解成糊精，提高了β-淀粉酶的水解效率和麦芽糖收率。

(4)甘薯淀粉以直连淀粉为主，分支少，利用自身β-淀粉酶酶解，制备的麦芽糖纯度高。结合α-葡萄糖苷转移酶的作用，制备异麦芽低聚糖收率高。

(5)本发明所述工艺针对性强，所述工艺是在模拟实验条件基础上进行工艺放大和优化得到的，特别适合甘薯淀粉生产企业应用。

(6)本发明利用新鲜薯渣中β-淀粉酶将甘薯渣中残留淀粉水解成麦芽糖进而制备异麦芽低聚糖，同时剩余薯渣可以继续加工制备膳食纤维等，实现甘薯渣的高值化利用，即消减了排污又给企业带来巨大的经济效益。

总体上，本发明提出一种利用甘薯渣制备异麦芽低聚糖的方法，先将薯渣升温糊化、利用α-中温淀粉酶对淀粉进行液化，同时利用甘薯渣中自有的β-淀粉酶进行糖化得到麦芽糖，麦芽糖再在α-葡萄糖苷转移酶的作用下进行转苷，生成异麦芽低聚糖。过程用酶少，并结合企业现有生产工艺和甘薯渣本身的特点，工艺流程简化，针对性强，特别适合在甘薯淀粉生产企业推广。

附图说明

图1利用淀粉生产异麦芽低聚糖工业流程图

图2利用鲜甘薯渣生产异麦芽低聚糖工业流程图

图3实施例1获得的异麦芽低聚糖浆HPLC图谱

图4实施例2获得的异麦芽低聚糖浆HPLC图谱

具体实施方式：

实施例1：

取新鲜薯渣10kg(甘薯淀粉加工产生，含水88％，淀粉含量50.5％(干基)，β-淀粉酶活166U/g鲜薯渣，加入α-淀粉酶(BAN480L)0.3g/千克淀粉，搅拌均匀后，加热至88℃，保温5min，测定DE值为22.0％，降温至60±2℃，保温糖化2小时后，加入α-葡萄糖苷转移酶(酶活力为3×10⁵u/mL)0.6mL，搅拌均匀后60±2℃继续保温8h。保温结束后，升温至80℃保温10min进行灭酶处理。经灭酶后的薯渣进行过滤分离，滤渣用少量水洗涤，合并滤液共得12.4L。固形物含量4.6％。糖液减压浓缩至固形物含量为22％。浓缩糖液加活性炭6g，升温至80℃，保温脱色30min。脱色后的糖液进行离子交换，采用树脂为阳-阴-阳的顺序进行除杂，阳离子树脂选用732型阳离子交换树脂，阴离子树脂选用D315型阴离子交换树脂，控制流出糖液的电导150μs/cm以下。离交后的糖液减压浓缩至固形物含量为80％，共计得到异麦芽低聚糖浆0.72L。经HPLC检测异麦芽低聚糖比例达到53.2％，(见附图图3)。薯渣干燥制得粗纤维。

实施例2：

取新鲜薯渣20kg(甘薯淀粉加工产生，含水89％，淀粉含量49.5％，β-淀粉酶活137U/g)，加入α-淀粉酶(BAN480L)0.4g/千克淀粉，搅拌均匀后，加热至88℃，保温10min，测定DE值为24.5％，降温至60℃，保温糖化2小时后，加入α-葡萄糖苷转移酶1.1mL，搅拌均匀后60℃继续保温10h。保温结束后进行升温灭酶处理，90℃保温5min。经灭酶以后的甘薯渣糖液过滤，滤渣用1.5L水洗涤，合并滤液共得19.3L。固形物含量5.6％。糖液浓缩至固形物含量25％。浓缩糖液加活性炭，保温脱色。脱色后的糖液进行离子交换，控制流出糖液的电导150μs/cm以下。离子交换后的糖液减压浓缩至固形物含量为78％，共计得到异麦芽低聚糖浆1.4L。经HPLC检测异麦芽低聚糖比例达到55.1％，(见附图图4)。过滤得到的薯渣干燥得到粗纤维1100g。

实施例3：

取新鲜薯渣20kg(甘薯淀粉加工产生，含水90％，淀粉含量50.2％，β-淀粉酶活184U/g)，加入α-淀粉酶(BAN480L)0.5g/千克淀粉，加热至90℃，保温5min，测定DE值为28.2％，降温至60℃，加入α-葡萄糖苷转移酶，保温糖化转苷10h。保温结束后进行升温灭酶处理。甘薯渣过滤，得到糖液。糖液浓缩后脱色、离子交换除杂。除杂糖液加压浓缩至固形物含量为80％。经HPLC检测异麦芽低聚糖比例到52.8％。过滤得到的薯渣干燥得到粗纤维。

实施例4：

取新鲜薯渣10kg(甘薯淀粉加工产生，含水89％，淀粉含量47.9％，β-淀粉酶活181U/g)，加入α-淀粉酶(BAN480L)0.3g/千克淀粉，加热至88℃，保温4min，测定DE值为15.8％，降温至60℃，保温糖化2小时后，加入α-葡萄糖苷转移酶，保温糖化转苷9h。保温结束后进行升温灭酶处理。甘薯渣过滤，得到糖液。糖液浓缩后脱色、离子交换除杂。除杂糖液加压浓缩至固形物含量为77％。经HPLC检测异麦芽低聚糖比例到51.7％。过滤得到的薯渣干燥得到粗纤维。

实施例5：

新鲜薯渣10吨(甘薯淀粉加工产生，含水88％，淀粉含量50.3％，β-淀粉酶活176U/g)，然后将新鲜薯渣输送入储罐中，加入α-淀粉酶(BAN480L)0.3kg/吨淀粉，搅拌均匀，采用喷射器将加酶后的薯渣料液瞬间升温(喷射温度为90℃)，然后物料通过维持罐保温5min。测定DE值为20.7％，将加经糊化液化后的薯渣输送入糖化罐，通过热交换迅速降温至60℃，保温糖化3小时后加入α-葡萄糖苷转移酶1.2L糖化转苷8h，糖化转苷结束后升温至85℃，保温5min灭酶处理，灭酶后的薯渣经过板框过滤，加水冲洗滤渣，得滤液共计10.5m³，固形物含量5.9％，糖液经三效浓缩设备浓缩至固形物含量为25％。浓缩糖液加活性炭8kg，升温至80℃，保温脱色30min。脱色后的糖液进行离子交换，采用树脂为阳-阴-阳的顺序进行除杂，阳离子树脂选用732型阳离子交换树脂，阴离子树脂选用D315型阴离子交换树脂，控制流出糖液的电导150μs/cm以下。离子交换后的糖液经三效浓缩设备浓缩至固形物含量为80％，共计得到麦芽糖浆0.76m³。经HPLC检测异麦芽低聚糖比例达到52.2％。过滤得到的薯渣经气流干燥得到粗纤维。

实施例6：

新鲜薯渣(甘薯淀粉加工产生，含水90％，淀粉含量48.2％，β-淀粉酶活145U/g)经管道输送入储罐中，加入α-淀粉酶(BAN480L)0.4kg/吨淀粉，搅拌均匀，采用喷射器喷射升温(喷射温度为90℃)，然后物料通过维持罐保温，5min测定DE值为24.8％。然后降温至60℃，保温糖化2小时后加入α-葡萄糖苷转移酶糖化转苷8h，糖化转苷结束后升温至85℃，保温5min灭酶处理，然后经过板框过滤得到糖液和糖化后的薯渣，糖液经浓缩设备浓缩至固形物含量为25％后进行活性炭脱色，脱色后的糖液进行离子交换，控制电导150μs/cm以下。离子交换后的糖液浓缩至固形物含量为83％。经HPLC检测异麦芽低聚糖比例达到51.9％。过滤得到的薯渣经气流干燥得到粗纤维。

案例7：

新鲜薯渣(甘薯淀粉加工产生，含水89％，淀粉含量51.5％，β-淀粉酶活152U/g)经管道输送入储罐中，加入α-淀粉酶(BAN480L)0.3kg/吨淀粉，搅拌均匀，采用喷射器喷射升温(喷射温度为90℃)，然后物料通过维持罐保温，10min测定DE值为23.5％。然后降温至60℃，保温糖化3小时后加入α-葡萄糖苷转移酶糖化转苷10h，糖化转苷结束后升温至90℃，保温5min灭酶处理，然后经过板框过滤得到糖液和糖化后的薯渣，糖液经浓缩设备浓缩至固形物含量为20％后进行活性炭脱色，脱色后的糖液进行离子交换，控制电导150μs/cm以下。离子交换后的糖液浓缩至固形物含量为77％。经HPLC检测异麦芽低聚糖比例达到52.3％。过滤得到的薯渣经气流干燥得到粗纤维。

案例8：

新鲜薯渣(甘薯淀粉加工产生，含水90％，淀粉含量52.2％，β-淀粉酶活191U/g)经管道输送入储罐中，加入α-淀粉酶(BAN480L)0.5kg/吨淀粉，搅拌均匀，采用喷射器喷射升温(喷射温度为90℃)，然后物料通过维持罐保温，2min测定DE值为21.6％。然后降温至60℃，保温糖化1小时后加入α-葡萄糖苷转移酶糖化转苷6h，糖化转苷结束后升温至90℃，保温5min灭酶处理，然后经过板框过滤得到糖液和糖化后的薯渣，糖液经浓缩设备浓缩至固形物含量为25％后进行活性炭脱色，脱色后的糖液进行离子交换，控制电导150μs/cm以下。离子交换后的糖液浓缩至固形物含量为80％。经HPLC检测异麦芽低聚糖比例达到50.8％。过滤得到的薯渣经气流干燥得到粗纤维。

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 (10)

1.一种利用甘薯废渣制备异麦芽低聚糖的方法，包括如下步骤：

(1)加酶调浆：根据甘薯渣中的淀粉含量向甘薯渣加入α-中温淀粉酶混合均匀；

(2)糊化液化：步骤(1)混匀后的甘薯渣料液瞬间升温加热、保温，进行料液糊化液化；

(3)糖化、转苷：将步骤(2)液化料液迅速降温，进行保温糖化和转苷，糖化和转苷方式为：降温后即加入α-葡萄糖苷转移酶进行保温同步糖化和转苷，或者，先进行保温糖化，然后加入α-葡萄糖苷转移酶进行继续糖化和转苷；

(4)固液分离获得糖液和灭酶；

(5)糖液分离纯化精制获得异麦芽低聚糖。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中鲜甘薯渣按照水分及淀粉含量进行折算干物后加入α-中温淀粉酶，淀粉酶的加量为每吨淀粉加0.3-0.5kg酶制剂。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中液化控制DE值15-30％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，液化结束后，将薯渣送入糖化罐中，迅速降温至60±2℃，保温糖化0-5h后加入α-葡萄糖苷转移酶，进行糖化和转苷。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，α-葡萄糖苷转移酶的加入量为液化液固形物含量的0.05％-0.2％，糖化和转苷时间为5-10h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中糖液分离纯化精制过程的过程为：一次浓缩—脱色—离子交换—二次浓缩，所述具体的工序包括：

一次浓缩：将过滤得到的异麦芽低聚糖液进行减压浓缩；

脱色：将一次浓缩得到的异麦芽低聚糖液加入活性炭进行脱色；

离子交换：经脱色后的糖液经过滤去除活性炭，然后采用阴阳离子交换树脂进行除杂净化；

二次浓缩：将离子交换除杂后的异麦芽低聚糖液经减压浓缩后得到异麦芽低聚糖浆。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，一次浓缩工序中的浓缩方法包括但不限于三效蒸发浓缩设备，糖液浓缩至质量体积浓度15-25％；

脱色工序中的活性炭加量为固形物含量的1-1.5％；

离子交换工序中所使用的离交工艺为阳离子树脂-阴离子树脂-阳离子树脂的顺序进行，其中阳离子交换树脂采用但不限于732型阳离子交换树脂，阴树脂采用但不限于D315型阴离子交换树脂；

二次浓缩工序中二次浓缩至固形物含量80-90％。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)分离纯化精制后的异麦芽低聚糖浆进一步通过酵母发酵或膜分离。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中固液分离得到的薯渣经气流干燥制成甘薯粗纤维。

10.根据权利要求1-9任一项制备方法制备得到的异麦芽低聚糖浆。