CN106755193A - 一种以粘胶纤维压榨液为原料生产低聚木糖的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种以粘胶纤维压榨液为原料生产低聚木糖的方法，是将粘胶纤维生产的压榨液经过膜脱碱浓缩，得到半纤维素溶液；半纤维素溶液在160‑170℃条件下保温30‑50min；保温处理后的半纤维素溶液降温至50‑60℃，并调节pH值为4.8‑5.5，加入复合酶制剂酶解，将酶解后的溶液进行固液分离，得到低聚木糖溶液；所述复合酶制剂包含木聚糖酶，纤维素酶和甘露聚糖酶。本发明的方法能显著促进木聚糖的有效降解，使木聚糖向木二糖、木三糖和木四糖转化的总效率达到36‑44％；而且还能有效提高木三糖的转化率，达到19％‑22％。本发明在160‑170℃范围内高温预处理能有效实现低聚木聚糖的生产，减少单糖的转化率，取得了意料不到的技术效果。

Description

一种以粘胶纤维压榨液为原料生产低聚木糖的方法
技术领域
本发明属于低聚木糖制备技术领域，具体涉及一种以粘胶纤维压榨液为原料生产低聚木糖的方法。
背景技术
低聚木糖系由2-7个木糖分子以α–1,4糖苷键结合而成，其中以木二糖、木三糖为主要有效成分，其理化性质稳定，耐酸、耐热，并有很强增殖肠道益生菌、改善肠道微生态环境等功能。固体型低聚木糖呈乳白色至淡黄色粉末，主要是从富含木聚糖植物(如棉籽壳、麸皮、玉米芯等)，通过木聚糖水解酶酶解而得一种非消化低聚木糖。低聚木糖的生产技术包括从原料中提取木聚糖和木聚糖酶法水解，和最后低聚木糖产品的纯化等三个方面。
制备低聚木糖的原料主要是木聚糖，木聚糖在玉米芯、甘蔗渣、棉子壳和燕麦、桦木等农林产品中含量相对较高，平均可达30％左右。但在低聚木糖生产过程中，原料细胞壁中的某些成分会防碍木聚糖与木聚糖酶之间的作用，从而降低形成速率和产率，因此在水解之前，必须对原料进行有效地处理来提取出木聚糖。
目前木聚糖的制备方法通常有以下几种：1)直接高温蒸煮提取木聚糖；2)碱法提取木聚糖；3)酸法提取木聚糖；4)微波法提取木聚糖。然而酸法提取木聚糖时木糖含量太高，不利于低聚木糖的生产；碱法提取木聚糖时得到的木聚糖浆粘度太高，不便与操作，且产物中还原糖含量高，不利于生产。
目前，产木聚糖酶的微生物有细菌、链霉菌、曲霉菌、青霉、木霉和毛壳霉等。但是自然界微生物产生的木聚糖降解酶系均存在木糖苷酶活性，往往影响低聚木糖的产率，同时还伴随产生大量淀粉酶、纤维素酶，这些酶性质相近，增加了分离纯化木聚糖降解酶系的困难。
由于在前期处理过程中势必会产生各种色素、盐类、酸性低聚糖等杂质，因此，在生产低聚木糖过程中，分离、纯化步骤显得尤为重要。根据低聚木糖单一组分理化特性，采用层析分离技术。适于低聚木糖单一组分制备分离层析技术主要有凝胶过滤层析和活性炭层析两种。凝胶过滤介质较昂贵，但可反复使用，一般可用水作为洗脱剂等度洗脱。活性炭层析所使用介质相对便宜，样品容量大，但不能采用等度洗脱方式，不能用示差检测，且周期较长。膜分离技术是一种新兴分离、浓缩和提纯技术，具有常温、无相变、高效、节能、无污染等特点。该技术利用分离膜选择性透过特性，透过流体内一种或几种物质，而截留其它透不过物质，从而达到浓缩和分离、纯化目的。将膜技术和生化反应结合耦合技术一直是膜技术应用一个热点。该技术利用膜特性分离产物，截留底物和酶，从而实现酶重复利用和提高酶解效率。
鉴于在低聚木糖的生产过程中存在着上述一系列的问题，开发一种低聚木糖产率高，尤其是木二糖，木三糖和木四糖产率高、纯度高的生产方法，降低生产成本，是目前工业化生产低聚木糖急需解决的问题。
发明内容
本发明为解决现有技术问题，提供了一种以粘胶纤维压榨液为原料生产低聚木糖,尤其是木二糖，木三糖和木四糖的方法，能有效提高木二糖，木三糖和木四糖的转化效率。
本发明的低聚木糖的生产方法，包括如下步骤：
1)将粘胶纤维生产的压榨液经过膜脱碱浓缩，得到半纤维素溶液；
2)将步骤1)制备的半纤维素溶液在160-170℃条件下保温30-50min；
3)将步骤2)保温处理后的半纤维素溶液降温至50-60℃，并调节pH值为4.8-5.5，按0.01-0.05％(w/v)的比例加入复合酶制剂，酶解3-5h；
4)酶解反应结束后，将酶解液升温灭活复合酶制剂；
5)将酶解后的溶液进行固液分离，得到低聚木糖溶液。
所述复合酶制剂包含木聚糖酶，纤维素酶和甘露聚糖酶。
所述复合酶制剂中各组分的含量分别为木聚糖酶100000IU/g，纤维素酶10000IU/g和甘露聚糖酶5000IU/g。
本发明再一个方面提供采用上述方法制备得到的低聚木糖，能用于饲料制备技术领域中。
本发明的方法能显著促进木聚糖的有效降解，使木聚糖向木二糖、木三糖和木四糖转化的总效率达到36-44％；而且还能有效提高木三糖的转化率，达到19％-22％。本发明在160-170℃范围内高温预处理能有效实现低聚木糖的生产，减少单糖的转化率，取得了意料不到的技术效果。采用本发明所述方法制备得到的低聚木糖可广泛应用于饲料中，能有效促进养殖动物生长，提高免疫力，降低料肉比，市场前景广阔。
具体实施方案
在粘胶纤维生产过程中，主要通过碱法溶解原料纸浆，具体就是利用氢氧化钠溶液将纸浆中的半纤维素溶解出来。碱溶解后，将原料进行压榨，获得的溶液即为本发明实施例中所述的粘胶纤维压榨液，其主要成分为半纤维素和氢氧化钠。
本发明实施例中采用离子色谱法测定葡萄糖、木糖、木二糖、木三糖、木四糖含量，测定方法具体为：
1原理
样品随着流动相进入固定相(色谱柱)，溶于流动相中的各组分经过固定相时，由于与固定相发生作用(吸附、分配、离子吸引、排阻、亲和)的大小、强弱不同，在固定相中滞留时间不同，从而先后从固定相中流出，不同保留时间留出来的组分，进入电化学检测器，发生氧化还原反应，产生强弱不等的信号，由信号形成色谱图，在一定范围之内，信号值和浓度成线性关系。
电化学检测工作原理：糖类属于弱酸，在强碱溶液中会部分或者全部以阴离子形成存在，利用在阴离子色谱柱上不同的保留性进行分离，在强碱性条件下，糖结构中的羟基等电化学活性基团在适当的电位下可以在金电极表面被氧化而导致电流的变化，电流的大小产生不同的色谱峰。
2测定步骤
2.1标准曲线
取葡萄糖、木糖和木二糖、木三糖、木四糖标准溶液先稀释10倍，再按下表稀释，为实验用标准溶液：
混合标准溶液(ml) 去离子水(ml) 总体积(ml)
0.1 0.9 1
0.3 0.7 1
0.5 0.5 1
0.7 0.3 1
1.0 0 1
2.2实验条件
离子色谱仪：IC-5000
检测器：电化学检测器
流速：0.7ml/min
柱温：30℃
色谱柱：Thermo Fisher PA10
保护柱：Thermo Fisher GA10
pH电极：Agcl
电位：standard quad
进样量：25ul
流动相：0.25mol/L氢氧化钠：水＝40:60
运行时间：45min
出峰顺序：葡萄糖、木糖、木二糖、木三糖、木四糖
3实验结果与计算
3.1标准曲线的制作
以葡萄糖、木糖、木二糖、木三糖、木四糖系列浓度为横坐标，色谱峰面积响应值为纵坐标，列出直线回归方程：Y＝ac+b；
其中Y为上述某种糖的峰面积，a、b为标准方程系数，c为对应糖的浓度。
3.2样品含量计算
公式：P＝C*n；
其中P为样品中上述某种糖的含量，C为由标准曲线计算出来的对应糖的浓度，n为稀释倍数。
实施例1
本实施例的方法，包括如下步骤：
1)将粘胶纤维生产的压榨液经过膜脱碱浓缩，得到低碱高浓度的半纤维素溶液；
取20毫升的半纤维素溶液，与20毫升浓度为12％的稀硫酸混合，100℃高温处理90min，用碳酸钙调节pH至中性，用离子液相色谱测定里面木聚糖的总含量，结果表明获得的半纤维素溶液中木聚糖含量为90g/L；
2)将步骤1)获得的半纤维素溶液在160℃条件下保温50min；
3)降温至50℃，并调节半纤维素溶液的pH为4.8，按0.01(w/v)的比例加入复合酶制剂(木聚糖酶100000IU/g，纤维素酶10000IU/g和甘露聚糖酶5000IU/g)，酶解5h；
4)酶解反应结束后，升温至80℃，保温15min，灭活复合酶制剂；
5)将酶解后的溶液通过板框进行固液分离，得到的澄清溶液，即为低聚木糖溶液。
利用离子液相色谱测定上述获得的低聚木糖溶液中的木二糖、木三糖和木四糖的含量分别为10.9g/l，11.2g/l，9.8g/l，计算木二糖、木三糖和木四糖的总转化率为35％，木三糖的转化率为12％。
总转化率＝(木二糖+木三糖+木四糖)/总木糖含量×100％。
实施例2
本实施例的方法，包括如下步骤：
1)将粘胶纤维生产的压榨液经过膜脱碱浓缩，得到低碱高浓度的半纤维素溶液；
取20毫升的半纤维素溶液，与20毫升浓度为12％的稀硫酸混合，100℃高温处理90min，用碳酸钙调节pH至中性，用离子液相色谱测定里面木聚糖的总含量，木聚糖含量为90g/L；
2)将步骤1)获得的半纤维素溶液在165℃条件下保温40min；
3)降温至55℃，并调节半纤维素溶液的pH为5.0，按0.02(w/v)的比例加入复合酶制剂(木聚糖酶100000IU/g，纤维素酶10000IU/g和甘露聚糖酶5000IU/g)，酶解4h；
4)酶解反应结束后，升温至80℃，保温15min，灭活复合酶制剂；
5)将酶解后的溶液通过板框进行固液分离，得到的澄清溶液，即为低聚木糖溶液。
利用离子液相色谱测定上述获得的低聚木糖溶液中木二糖、木三糖和木四糖的含量分别为10.2g/l，14.3g/l，9.5g/l，计算木二糖、木三糖和木四糖的总转化率为37％，木三糖的转化率为15％。
总转化率＝(木二糖+木三糖+木四糖)/总木糖含量×100％。
实施例3
一种生产低聚木糖的方法，包括如下步骤：
1)将粘胶纤维生产的压榨液经过膜脱碱浓缩，得到低碱高浓度的半纤维素溶液；
取20毫升的半纤维素溶液，与20毫升浓度为12％的稀硫酸混合，100℃高温处理90min，用碳酸钙调节pH至中性，用离子液相色谱测定里面木聚糖的总含量，木聚糖含量为90g/L；
2)将步骤1)获得的半纤维素溶液在170℃条件下保温30min；
3)降温至60℃，并调节半纤维素溶液的pH为5.5，按0.05(w/v)的比例加入复合酶制剂(木聚糖酶100000IU/g，纤维素酶10000IU/g和甘露聚糖酶5000IU/g)，酶解3h；
4)酶解反应结束后，升温至80℃，保温15min，灭活复合酶制剂；
5)将酶解后的溶液通过板框进行固液分离，得到的澄清溶液，即为低聚木糖溶液。
利用离子液相色谱测定上述获得的低聚木糖溶液中木二糖、木三糖和木四糖的含量分别为10.8g/l，20g/l，9.6g/l，计算木二糖、木三糖和木四糖的总转化率为44％，木三糖的转化率为22％。
实施例4高温预处理对低聚木糖转化率以及木三糖转化率的影响
1、处理组：先高温预处理，再进行酶解。
取实施例3步骤1)制得的木聚糖含量为90g/L的半纤维素溶液，分别升温至150℃，155℃，160℃,165℃,170℃,175℃,180℃,185℃,190℃,保温30min，然后均冷降温至60℃，并调节半纤维素溶液的pH为5.5，按0.05(w/v)的比例加入复合酶制剂(木聚糖酶100000IU/g，纤维素酶10000IU/g和甘露聚糖酶5000IU/g)，酶解3h；酶解反应结束后，升温至80℃，保温15min，灭活复合酶制剂；将酶解后的溶液通过板框进行固液分离，得到的澄清溶液，即为低聚木糖溶液。
2、对照组1：不经过高温预处理，直接酶解。
取实施例3步骤1)制得的木聚糖含量为90g/L的半纤维素溶液，升温至60℃，并调节半纤维素溶液的pH为5.5，按0.05(w/v)的比例加入复合酶制剂(木聚糖酶100000IU/g，纤维素酶10000IU/g和甘露聚糖酶5000IU/g)，酶解3h；酶解反应结束后，升温至80℃，保温15min，灭活复合酶制剂；将酶解后的溶液通过板框进行固液分离，得到的澄清溶液，即为低聚木糖溶液。
3、对照组2：不经过高温预处理，直接初次酶解，然后高温预热，再二次酶解。
A、膜浓缩
粘胶纤维生产的压榨液经膜过滤，取浓缩液加酸中和，得到木聚糖溶液；
B、酶解
木聚糖溶液与0.02-0.05％复合酶(木聚糖酶：纤维素酶：果胶酶＝3:2:1)发生酶解反应，操作压力10-20kPa，进料速度20-30m3/h，酶解温度40-45℃，pH值4-5，酶解时间2-5h得到酶解液和酶解渣，所述酶解渣经加水稀释，170-200℃下预热20-40min后离心分离，取上清液即木聚糖溶液，在上述复合酶的作用下得到二次酶解液；
C、提纯
将B步骤得到的酶解液合并，进入纳滤膜脱盐，所得浓缩液即为低聚木糖的纯化液。
3、结果分析
利用离子液相色谱分别测定上述处理组和对照组制得的低聚木糖溶液中木二糖、木三糖和木四糖的含量，计算木二糖、木三糖和木四糖的总转化率以及木三糖的转化率。具体结果见表1。
表1不同温度预处理对低聚木糖转化率和木三糖转化率的影响
从表1中的数据可以看出，与对照组相比，经过150-190℃高温预处理的各处理组木二、木三和木四糖的总转化率均得到显著提高，说明高温预处理对于木聚糖的降解具有明显的促进作用。尤其是，当预处理温度达到160℃时，木二、木三和木四糖总转化率迅速提高至36％，且在160-170℃范围内，随着温度的升高，木二、木三和木四糖总转化率也逐渐提高，但当温度超过170℃时，木二、木三和木四糖总转化率却明显下降。更意想不到的是，当预处理温度达到160℃时，木三糖的转化率也迅速提高，至19％，在160-170℃范围内，随着温度的升高，木三糖的转化率也逐渐提高，但当温度超过170℃时，木三糖的转化率也明显下降，取得了意料不到的效果。
而本发明的对照组2采用直接初次酶解，再170-200℃高温处理酶解渣，然后二次酶解的方式，获得的低聚木糖溶液中木糖的含量最高，木糖转化率高于76％，但木二糖，木三糖和木四糖的含量较低，转化率低于15％，其中木三糖的转化率更低，不足5％。从而说明，对照组2采用的二次酶解以及高温处理初次酶解渣的方法，能提高木聚糖的酶解效率，提高木糖的转化率，但不利于低聚木糖的形成，木二糖，木三糖和木四糖的转化率均低于处理组。
实施例5低聚木糖在肉鸡饲料中的应用
本实施例选择1日龄健康Ross308鸡共160只，分2组，每组4个重复，每个重复20只，公母各半，以重复为单位采用4层笼养，持续光照。正式试验期间舍内温度控制在22～24℃。试验日粮以干粉料形式饲喂，前期随时补料，后期日喂料3次，自由采食和饮水，按笼记录每日采食量。每天定时打扫鸡舍卫生，定期免疫。注意适时通风，适时观察鸡群，及时发现病鸡予以治疗和记录，严重不愈者淘汰，记录淘汰鸡的鸡号和体重，并扣除耗料量。试验期42天。试验处理如下：
对照组：基础日粮组(对照组)
实验组：基础日粮+200g低聚木糖/吨
基础日粮组成及营养水平
实验结果如下：
(1)与对照组相比，实验组7日龄肉鸡1-7日增重提高了4.2％，料肉比降低了1.2％；
(2)实验组14日龄肉鸡8-14日增重提高了4.0％，料肉比降低了0.9％；
(3)实验组21日龄肉鸡1-21日增重提高4.6％，料肉比降低了1.1％。
实验结果显示，通过在日粮中添加本发明制备得到的低聚木糖，能显著提高1～21日龄期肉鸡的日增重，降低料重比，说明本发明提供的低聚木糖能有效提高养殖动物对饲料的消化利用率，提高生产性能，有利于减少饲料的使用量，节约粮食资源和养殖成本，增加生产效益。

Claims (6)

1.一种低聚木糖的生产方法，其特征在于，所述的方法包括如下的步骤：
1)将粘胶纤维生产的压榨液经过膜脱碱浓缩，得到半纤维素溶液；
2)将步骤1)制备的半纤维素溶液在160-170℃条件下保温30-50min；
3)将步骤2)保温处理后的半纤维素溶液降温至50-60℃，并调节pH值为4.8-5.5，按0.01-0.05％的比例加入复合酶制剂，酶解3-5h；
4)酶解反应结束后，将酶解液升温灭活复合酶制剂；
5)将酶解后的溶液进行固液分离，得到低聚木糖溶液。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤3)中的复合酶制剂包含木聚糖酶，纤维素酶和甘露聚糖酶。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤3)中的复合酶制剂中木聚糖酶，纤维素酶和甘露聚糖酶的含量分别为木聚糖酶100000IU/g，纤维素酶10000IU/g和甘露聚糖酶5000IU/g。
4.一种低聚木糖，其特征在于，所述的低聚木糖是由权利要求1所述的方法制备的。
5.权利要求4所述的低聚木糖在制备饲料中的应用。
6.一种家禽饲料，其特征在于，所述的饲料组分中包含有权利要求4所述的低聚木糖。
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