CN108148100B

CN108148100B - 一种低聚糖的提纯方法及装置

Info

Publication number: CN108148100B
Application number: CN201710834267.4A
Authority: CN
Inventors: 石风强; 尹燕亓; 庆珺; 庆祖荣; 翁国先
Original assignee: Jiangsu Nine Heaven High Tech Co ltd
Current assignee: Jiangsu Nine Heaven High Tech Co ltd
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2017-09-15
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2037-09-15
Also published as: CN108148100A

Abstract

本发明涉及一种低聚糖的提纯方法及装置，属于膜分离技术在食品工业的应用领域，步骤包括：低聚糖酶解液首先通过滤袋过滤、离心分离去除大部分固渣，然后送入陶瓷膜澄清，不溶物被全部截留，陶瓷膜透过液再送入超滤膜除杂，超滤膜将大分子蛋白等杂质去除，超滤膜透过液再送入纳滤膜浓缩，料液中的单糖、盐分等杂质透过纳滤膜，纳滤膜浓缩液再经喷雾干燥制得高纯度低聚糖。本发明工艺简单，产品纯度高，是一种新型高效的低聚糖提纯方法。

Description

一种低聚糖的提纯方法及装置

技术领域

本发明涉及一种低聚糖的提纯方法及装置，属于膜分离技术在食品工业的应用领域。

背景技术

低聚糖（或寡糖Oligosaccharides）是指其分子结构由2～10个单糖分子以糖苷键相连接而形成的糖类总称。除了具有低热、稳定、安全、无毒等良好的理化特征外，还具有促进肠道内有益菌的繁殖、抑制有害菌生长的独特生理功能。低聚糖除用做食品功能因子外，还可作为保湿剂或低热量甜味剂在食品中使用。

工业上主要采用酶法制备低聚糖，但酶解液中存在大量的色素、大分子蛋白、小分子单糖等杂质，对于低聚糖的分离与纯化一直是低聚糖生产企业关注的地方。CN104311686A提出了一种树脂法分离低聚糖的方法，酶解液先用盐酸调整其pH，再在高速离心分离机上分离取，上清液，再加入30% 的硫酸铵溶液，使其蛋白质充分沉淀，离心分离得上清液，分别通过阴、阳离子交换树脂，去除阴阳离子的干扰，再将吸附树脂放入酶解液中，树脂吸附-解吸获得低聚糖。CN101899486A提出了一种利用模拟移动床分离提纯低聚糖的方法，酶解液经脱色、除离子、浓缩等预处理，进入模拟移动床色谱分离装置进行分离，得到富含低聚糖组分的低聚糖粗液，将分离得到的低聚糖粗液经减压蒸发浓缩或加赋形剂喷雾干燥后得到低聚糖糖浆或粉剂。综上所述，目前报道的低聚糖提纯工艺普遍存在工艺路线长、纯度低、技术不成熟等问题，因此，研究一种工艺简单、可操作性强，适用于工业化生产以及纯度高的低聚糖提纯方法，具有明显的经济与社会效益。

发明内容

本发明的解决的技术问题在于现有低聚糖提纯工艺普遍存在工艺路线长、纯度低、技术不成熟等弊端，本发明的目的在于提供一种利用膜分离技术实现低聚糖高效提纯的方法，可制得高纯度低聚糖。

技术方案是：

一种低聚糖的提纯方法，包括如下步骤：

第1步，低聚糖酶解液送入粗过滤器中进行过滤处理，去除较大的固体残渣；

第2步，第1步得到的滤液送入微滤膜中进行过滤处理，去除较小的固体残渣；

第3步，第2步得到的滤液送入超滤膜中进行过滤处理，去除大分子杂质；

第4步，第3步得到的滤液送入纳滤膜中浓缩处理，使低聚糖截留，使单糖和盐类透过；

第5步，第4步得到的浓缩液进行干燥处理，得到低聚糖。

所述的第2步中，微滤膜的截留液送入第1步过滤回用。

所述的第3步中，超滤膜的截留液送入第2步过滤回用；超滤膜的截留分子量是4000～8000Da。

所述的第4步中，纳滤膜的截留分子量优选是200～400Da；纳滤膜的透过液送入第3步中过滤回用；纳滤过滤的浓缩倍数是2～3倍。

所述的第5步中，干燥过程优选喷雾干燥。

所述的第2步中，将微滤膜的滤液中加入低聚糖吸附剂，进行吸附饱和之后，将吸附剂滤出，再进行洗脱，将洗脱液送入第3步的超滤处理。

一种低聚糖的提纯装置，包括：

粗过滤器，用于对低聚糖酶解液进行初步过滤；

微滤膜，连接于粗过滤器，用于对粗过滤器的滤液进行过滤；

超滤膜，连接于微滤膜，用于对微滤膜的滤液进行过滤；

纳滤膜，连接于超滤膜，用于对超滤膜的滤液进行过滤；

干燥装置，连接于纳滤膜，用于对纳滤膜的滤液进行干燥。

还包括：

低聚糖储罐，连接于干燥装置，用于存储得到的低聚糖。

微滤膜的截留侧连接于粗过滤器的物料进口。

超滤膜的截留侧连接于微滤膜的物料进口。

纳滤膜的渗透侧连接于超滤膜的物料进口。

超滤膜的截留分子量是4000～8000Da。

纳滤膜的截留分子量是200～400Da。

有益效果

本发明将膜分离技术引入到低聚糖分离提纯中，技术先进，有效解决了低聚糖提纯工艺路线长、纯度低的问题，更为重要的是本发明真正实现了膜分离技术用于低聚糖工业化生产，具有明显的经济与社会效益。

附图说明

图1是本发明工业化提纯低聚糖的膜工艺示意图。

图2是本发明采用的装置图。

其中，1、粗过滤器；2、微滤膜；3、超滤膜；4、纳滤膜；5、干燥装置；6、低聚糖储罐。

具体实施方式

本发明所要处理的是通过酶解法得到的低聚糖酶解液，酶解过程中使用的原料可以是纤维素、魔芋胶等。采用的酶可以是β-甘露聚糖酶等。酶解液中主要含有的是纤维素、固体残渣、低聚糖、酶、蛋白质、无机盐类等。

本发明首先通过固液分离的方式去除酶解液中的大部分残渣，这里所用的固液分离方法没有特别限定。作为具体的固液分离处理的方法，可举出离心分离方式、压榨分离方式、过滤方式、上浮分离方式、沉降分离方式。作为离心分离方式，可以例示卧式连续离心分离机(螺旋倾析器处理)、分离板式离心分离机、离心过滤机、厦普勒斯型超离心分离机，作为过滤方式，可以例示带式过滤机、压带机、螺杆压机、预涂过滤器、压滤机，作为上浮分离方式，可以例示连续上浮分离装置，作为沉降分离方式，可以例示凝集沉降分离机、迅速沉降分离机等，但不特别限定于上述的任一项。然而能够通过上述的任一项或其组合来减少精密过滤膜和/或超滤膜处理时对膜的负荷。

在去除了大颗粒残渣之后，通过微滤膜去除其中较小的固体杂质，微滤膜的截留液可以返回至粗过滤过程继续对截留液中的有效成分回用。在得到了微滤的滤液之后，可以用超滤膜过滤，去除其中的胶体、蛋白等大分子杂质。超滤的截留液可以返回至微滤过程中继续回用。用于本发明的微滤膜为平均孔径是0.01μm～5mm的膜，简称为微滤膜、MF膜等。另外，用于本发明的超滤膜为截留分子量是1000～200000的膜，简称为超滤膜、UF膜等。在此，由于超滤膜的孔径过小而难以用电子显微镜等来测定膜表面的孔径，所以用称为截留分子量的值代替平均孔径来作为孔径大小的指标。关于截留分子量，如在本领域的教科书中所记载的那样：“将以溶质分子量为横轴、阻止率为纵轴，对数据进行绘制而成的曲线称为截留分子量曲线。而且将阻止率为90%的分子量称为膜的截留分子量”，截留分子量作为表示超滤膜的膜性能的指标，为本领域技术人员所熟知。作为这些微滤膜或超滤膜的材质，只要能够实现除去上述水溶性高分子和胶体成分这样的本发明目的即可，没有特别限定，可以举出：纤维素、纤维素酯、聚砜、聚醚砜、聚氯乙烯、氯丙烯、聚烯烃、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯等有机材料，或者不锈钢等金属、或者陶瓷等无机材料。微滤膜或超滤膜的材质可以考虑水解物的性状或者运行成本来适当选择，从操作容易性考虑，优选有机材料，优选聚氯乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚砜、聚醚砜。作为构成陶瓷分离膜的多孔膜的材料，能够从现有公知的陶瓷材料中适当选择。例如，可以使用氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化硅、氧化钛、氧化铈、氧化钇，钛酸钡等氧化物类材料；堇青石、多铝红柱石、镁橄榄石、块滑石、硅铝氧氮陶瓷、锆石、铁酸盐等复合氧化物类材料；氮化硅，氮化铝等氮化物类材料；碳化硅等碳化物类材料；羟基磷灰石等氢氧化物类材料；碳、硅等元素类材料；或者含有它们的两种以上的无机复合材料等。还可以使用天然矿物（粘土、粘土矿物、啕渣、硅砂、陶石、长石、白砂）或高炉炉渣、飞灰等。其中，优选选自氧化铝、二氧化锆、氧化钛、氧化镁、氧化硅中的1种或2种以上，更优选以氧化铝、二氧化锆或者氧化钛作为主体构成的陶瓷粉末。其中，这里所说的“作为主体”表示陶瓷粉末总体的50质量%以上（优选75质量%以上、更优选80质量%～100质量%）为氧化铝或二氧化硅。例如，在多孔材料中，氧化铝较为廉价且操作性优异。并且，能够容易地形成具有适合于液体分离的孔径的多孔结构，因此能够容易地制造具有优异的液体透过性的陶瓷分离膜。并且，在上述氧化铝中，特别优选使用α-氧化铝。α-氧化铝具有在化学方面稳定、且熔点和机械强度高的特性。因此，通过使用α-氧化铝，能够制造可以在宽泛用途（例如工业领域）中利用的陶瓷分离膜。

在得到了超滤膜的滤液之后，其中主要会含有低聚糖、单糖、盐类等。采用纳滤膜将其中的低聚糖进行截留，而单糖和盐类可以被分离进入渗透液中，实现低聚糖的纯化。再通过喷雾干燥可以获得提纯的低聚糖。这里所用的纳滤膜是定义为“阻止小于2nm的粒子和溶解的大分子的压力驱动膜”的膜。适用于本发明的有效纳滤膜优选是这样的膜：在该膜表面上有电荷，因而通过细孔分离（粒度分离）和得益于该膜表面上的电荷的静电分离的结合而表现出提高的分离效率。因此，必需采用这样的纳滤膜，该纳滤膜能够在将作为回收目标的碱金属离子与具有不同电荷特性的其他离子借助电荷进行分离的同时、通过粒度分离来去除高分子类物质。作为本发明中使用的纳滤膜的材料，可以使用乙酸纤维素系聚合物、聚酰胺、磺化聚砜、聚丙烯腈、聚酯、聚酰亚胺和乙烯基聚合物等高分子材料。所述不限于仅由一种材料构成的膜，可以是包含多种所述材料的膜。关于膜结构，所述膜可以是非对称膜，其在膜的至少一面上具有致密层，并且具有从致密层向膜内部或者另一面孔径逐渐变大的微孔；或者是复合膜，其在非对称膜的致密层上具有由其它材料所形成的非常薄的功能层。

该集成工艺更具体地可以是：将从生产工段下来的低聚糖酶解液首先通过滤袋过滤、离心分离去除大部分固渣，然后送入陶瓷膜澄清，陶瓷膜孔径50-200nm，膜有效分离层为氧化钛、氧化锆材质，操作压力0.05～0.5MPa，陶瓷膜可以将酶解液中的不溶物全部截留，陶瓷膜截留液再返回滤袋循环处理；陶瓷膜透过液再送入超滤膜除杂，超滤膜将大分子蛋白等杂质去除，超滤膜的截留分子量为5000Da，系统操作压力0.2～1.0MPa，采用相当于超滤原料液1/5-1倍量的纯水进行透析，超滤过程低聚糖的收率达到98%以上；超滤膜透过液再送入纳滤膜浓缩，有机纳滤膜截留分子量200～400Da，系统操作压力0.5～2.0MPa，纳滤将超滤膜透过液浓缩2-10倍，透过有机纳滤膜的低聚糖含量＜0.5g/L，并且纳滤膜可以将料液中的单糖、盐分透过，提高了低聚糖的纯度，采用相当于原料液5-30倍量的纯水对纳滤膜浓缩液进行透析，透析后的纳滤膜浓缩液再经喷雾干燥制得高纯度低聚糖，纯度可达95%以上。

由于微滤膜的滤液中含有蛋白质和低聚糖，这些蛋白质会使超滤膜产生膜污染，使得超滤过程中通量低、低聚糖的透过性小、低聚糖收率低。在一个改进的方式中，将微滤膜的滤液中加入低聚糖吸附剂（例如负载Ca²⁺的D151吸附树脂，加入量是滤液重量的5～8wt%），进行吸附饱和之后，将吸附剂用陶瓷膜滤出，再用0.05mol/L的稀氨水进行洗脱，将洗脱液送入第3步的超滤处理。由于低聚糖吸附剂对蛋白质和低聚糖的吸附速率存在差异，将其分散于微滤膜的滤液中时，低聚糖会优先吸附于吸附剂上，经过洗脱后，洗脱液中的低聚糖/蛋白质的成分比值会明显提高，再进行超滤时，一方面避免了蛋白质的凝胶化而造成的低聚糖截留率高的问题，另一方面避免了膜污染。

本发明所采用的装置如图2所示，包括：粗过滤器1，用于对低聚糖酶解液进行初步过滤；微滤膜2，连接于粗过滤器1，用于对粗过滤器1的滤液进行过滤；超滤膜3，连接于微滤膜2，用于对微滤膜2的滤液进行过滤；纳滤膜4，连接于超滤膜3，用于对超滤膜3的滤液进行过滤；干燥装置4，连接于纳滤膜4，用于对纳滤膜4的滤液进行干燥。还包括：低聚糖储罐6，连接于干燥装置4，用于存储得到的低聚糖。微滤膜2的截留侧连接于粗过滤器1的物料进口。超滤膜3的截留侧连接于微滤膜2的物料进口。纳滤膜4的渗透侧连接于超滤膜3的物料进口。超滤膜的截留分子量是4000～8000Da。纳滤膜的截留分子量是200～400Da。在一个实施例中，还包括吸附罐，连接于微滤膜，用于装载微滤膜的渗透液；固液分离器，用于分离出吸附罐中的吸附剂；解吸柱，装填吸固液分离器分离出的吸附剂；超滤膜3连接于解吸柱，用于对解吸柱中的解吸液进行过滤。

以下实施例以魔芋胶为原料通过酶法制备低聚糖，酶解液的生产过程是：加水：在1000L酶解罐中，按有效容量700kg计，魔芋胶：水=20:80（w/w），加水560kg于降解罐中，水的pH在6.5～7.5之间。预热：酶解罐夹套通入蒸汽或热水把罐内的水预热至51℃。加酶：待降解水温稳定后，按酶与底物之比为1:25加入β-甘露聚糖酶BM—Ⅱ，并不断搅拌，使其混合均匀，保温5～10min后投料。加料：称取魔芋胶140kg加入酶解罐中，底物浓度18%，并充分搅拌。酶解：罐内温度保持在50～55℃之间，不断搅拌，酶解4小时。在酶解过程中用旋转粘度计，以12rpm的转速检测50℃时酶解液的粘度，当酶解液粘度为80～100mPa·s时，停止降解，该液体为酶解液。

实施例1

S1：从生产工段下来的低聚糖酶解液中低聚糖浓度为6.29g/L，与后段返回的陶瓷膜截留液混合后先用过滤精度5μm的滤袋过滤，滤液再用离心机在转速5000rpm条件下分离，上清液送入陶瓷膜系统，陶瓷膜孔径50nm，控制操作压力0.1MPa，膜平均通量128.8L/m²·h，酶解液中的不溶物被全部截留，陶瓷膜截留液再返回滤袋循环处理；

S2：陶瓷膜透过液再送入超滤膜除杂，超滤膜的截留分子量为5000Da，控制操作压力0.3MPa，膜平均通量64.1L/m²·h，超滤膜能够将大分子蛋白等杂质去除，采用相当于超滤原料液1/5倍量的纯水进行透析，超滤过程低聚糖的收率达到95.23%；

S3：超滤膜透过液再送入纳滤膜浓缩，有机纳滤膜截留分子量400Da，系统操作压力0.8MPa，膜平均通量21.3L/m²·h，纳滤将超滤膜透过液浓缩10倍，透过有机纳滤膜的低聚糖含量0.24g/L，纳滤膜可以将料液中的单糖、盐分透过，提高了低聚糖的纯度，采用相当于原料液5倍量的纯水对纳滤膜浓缩液进行透析，透析后的纳滤膜浓缩液再经喷雾干燥制得高纯度低聚糖，纯度达到96.38%。

实施例2

S1：从生产工段下来的低聚糖酶解液中低聚糖浓度为11.69g/L，与后段返回的陶瓷膜截留液混合后先用过滤精度5μm的滤袋过滤，滤液再用离心机在转速5000rpm条件下分离，上清液送入陶瓷膜系统，陶瓷膜孔径200nm，控制操作压力0.3MPa，膜平均通量135.0L/m²·h，酶解液中的不溶物被全部截留，陶瓷膜截留液再返回滤袋循环处理；

S2：陶瓷膜透过液再送入超滤膜除杂，超滤膜的截留分子量为5000Da，控制操作压力0.65MPa，膜平均通量56.2L/m²·h，超滤膜能够将大分子蛋白等杂质去除，采用相当于超滤原料液1/2倍量的纯水进行透析，超滤过程低聚糖的收率达到95.32%；

S3：超滤膜透过液再送入纳滤膜浓缩，有机纳滤膜截留分子量200Da，系统操作压力1.2MPa，膜平均通量33.5L/m²·h，纳滤将超滤膜透过液浓缩5倍，透过有机纳滤膜的低聚糖含量0.30g/L，纳滤膜可以将料液中的单糖、盐分透过，提高了低聚糖的纯度，采用相当于原料液10倍量的纯水对纳滤膜浓缩液进行透析，透析后的纳滤膜浓缩液再经喷雾干燥制得高纯度低聚糖，纯度达到98.32%。

实施例3

S1：从生产工段下来的低聚糖酶解液中低聚糖浓度为15.33g/L，与后段返回的陶瓷膜截留液混合后先用过滤精度5μm的滤袋过滤，滤液再用离心机在转速5000rpm条件下分离，上清液送入陶瓷膜系统，陶瓷膜孔径50nm，控制操作压力0.5MPa，膜平均通量120.6L/m²·h，酶解液中的不溶物被全部截留，陶瓷膜截留液再返回滤袋循环处理；

S2：陶瓷膜透过液中含有低聚糖15.33g/L，蛋白质含量0.35g/L，送入超滤膜除杂，超滤膜的截留分子量为5000Da，控制操作压力0.88MPa，膜平均通量48.2L/m²·h，超滤膜能够将大分子蛋白等杂质去除，采用相当于超滤原料液1倍量的纯水进行透析，超滤过程低聚糖的收率达到95.69%；

S3：超滤膜透过液再送入纳滤膜浓缩，有机纳滤膜截留分子量200Da，系统操作压力1.5MPa，膜平均通量28.6L/m²·h，纳滤将超滤膜透过液浓缩3倍，透过有机纳滤膜的低聚糖含量0.27g/L，纳滤膜可以将料液中的单糖、盐分透过，提高了低聚糖的纯度，采用相当于原料液30倍量的纯水对纳滤膜浓缩液进行透析，透析后的纳滤膜浓缩液再经喷雾干燥制得高纯度低聚糖，纯度达到99.12%。

实施例4

S2：陶瓷膜透过液中含有低聚糖15.33g/L，蛋白质含量0.35g/L，在其中加入负载Ca²⁺的D151吸附树脂，加入量是滤液重量的6wt%，在30℃条件下吸附45min后，用滤膜将树脂滤出，再将树脂装填于树脂柱中采用0.05mol/L的稀氨水中进行洗脱60min，直至洗脱液中低聚糖浓度下降至80mg/L时停止洗脱，将洗脱液送入超滤膜除杂，超滤膜的截留分子量为5000Da，控制操作压力0.88MPa，膜平均通量70.7L/m²·h，超滤膜能够将大分子蛋白等杂质去除，采用相当于超滤原料液1倍量的纯水进行透析，超滤过程低聚糖的收率达到98.92%；

S3：超滤膜透过液再送入纳滤膜浓缩，有机纳滤膜截留分子量200Da，系统操作压力1.5MPa，膜平均通量28.6L/m²·h，纳滤将超滤膜透过液浓缩3倍，透过有机纳滤膜的低聚糖含量0.27g/L，纳滤膜可以将料液中的单糖、盐分透过，提高了低聚糖的纯度，采用相当于原料液30倍量的纯水对纳滤膜浓缩液进行透析，透析后的纳滤膜浓缩液再经喷雾干燥制得高纯度低聚糖，纯度达到99.45%。

Claims

1.一种低聚糖的提纯方法，其特征在于，包括如下步骤：

第1步，低聚糖酶解液送入粗过滤器中进行过滤处理，去除较大的固体残渣；所述的低聚糖酶解液是以魔芋胶为原料通过酶法制备低聚糖中得到；

第2步，第1步得到的滤液送入微滤膜中进行过滤处理，去除较小的固体残渣，将微滤膜的滤液中加入低聚糖吸附剂，加入量是滤液重量的5～8wt%，进行吸附饱和之后，将吸附剂滤出，再进行洗脱，采用的洗脱液是稀氨水；

第3步，第2步得到的洗脱液送入超滤膜中进行过滤处理，去除大分子杂质；超滤膜的截留分子量是4000～8000Da；

第5步，第4步得到的浓缩液进行干燥处理，得到低聚糖；

所述的低聚糖吸附剂是负载Ca²⁺的D151吸附树脂。

2.根据权利要求1所述的低聚糖的提纯方法，其特征在于，所述的第2步中，微滤膜的截留液送入第1步过滤回用。

3.根据权利要求1所述的低聚糖的提纯方法，其特征在于，所述的第3步中，超滤膜的截留液送入第2步过滤回用。

4.根据权利要求1所述的低聚糖的提纯方法，其特征在于，所述的第4步中，纳滤膜的截留分子量是200～400Da；纳滤膜的透过液送入第3步中过滤回用；纳滤过滤的浓缩倍数是2～3倍。

5.根据权利要求1所述的低聚糖的提纯方法，其特征在于，所述的第5步中，干燥过程是喷雾干燥。