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Abstract

本发明涉及一种低聚木糖的制备方法，采用自产纤维素酶和/或半纤维素酶的菌种中的一种或多种将木质纤维素生物质原料进行水解发酵制得低聚木糖。本发明采用高效菌种，利用菌种自身分泌的纤维素、半纤维素水解酶，通过可控液态深层水解发酵降解木质纤维素原料，实现低聚木糖的制备，比现有技术适用原材料范围更广，产率更高，生产过程更简单，效率更高。

Description

一种低聚木糖的制备方法
技术领域
本发明涉及一种低聚木糖的制备方法。
背景技术
低聚木糖(Xylo-oligosaccharide)是由2-7个D-木糖残基以β-1，4糖苷键结合而成的低聚糖混合物。低聚木糖是聚合糖类中增殖双歧杆菌功能最强的品种之一，它的功效性是其他聚合糖类的近20倍，人体胃肠道内没有水解低聚木糖的酶，所以其可直接进入大肠内优先为双歧杆菌所利用，促进双歧杆菌增殖同时产生多种有机酸。降低肠道pH值，抑制有害菌生长，使益生菌在肠道大量增殖。低聚木糖对人体具体的保健功效有：1、减少有毒发酵产物及有害细菌酶的产生；2、抑制病原菌和腹泻；3、防止便秘；4、保护肝脏功能；5、降低血清胆固醇；6、降低血压；7、能增强机体免疫力，抗癌；8、具有良好的配伍性；9、能促使机体生成多种营养物质，包括维生素B1、B2、B6、B12、烟酸和叶酸；10、预防和保护牙齿龋变，抑制口腔病菌的滋生。
在抗生素限用的大环境下，低聚木糖的独特作用使其在畜牧业中也具有很高的价值和广泛的应用。作为一种高效绿色的功能性饲料添加剂而被市场和广大禽畜产品生产者接受。其在畜牧业中的主要功效有：
1.促进动物消化道内有益菌的繁殖，抑制有害菌生长，改善微生物菌群平衡；2.阻断病原菌与宿主细胞受体的结合；3.刺激动物机体的免疫系统，提高免疫力；4.增强动物抗病能力，减少发病率，提高对动物疾病的防治效果；5.改善饲料利用率，提高动物生产性能；6.降低对环境的污染，改善动物生产环境的卫生状况。
目前低聚木糖的主要制备方法是根据选择富含木聚糖的物料，水解其中木聚糖主链上的一些糖苷键来得到较低聚合度的木聚糖水解产物的原理来实现的。常用的方法为：直接酶解法、氢离子催化水解法、化学-酶解法等。
直接酶解法：是指用木聚糖酶直接处理天然的、含木聚糖的木质纤维材料。这种方法制取低聚木糖要求含有木聚糖的原料易于被酶水解，而大多数原料中的木聚糖与纤维素、木质素等紧密结合不宜被酶水解，因此这种方法低聚木糖产率低，应用范围非常有限。
氢离子催化水解法：即所谓的自水解、水热解或者预水解，其原理是通过蒸汽或水中的水合氢离子催化降解木聚糖。然而这种方法在反应过程中除了木聚糖降解成低聚木糖外，还有一些副反应发生，包括水可溶解的物质的溶出、酸溶性木质素和中性盐的溶解、低聚木糖的进一步降解成单糖或毒性物质等。这些副反应使得反应后的溶液中含有较高浓度的非低聚木糖成分，从而降低了低聚木糖在水解液中固形物的含量百分比，进而增加了分离纯化的难度。同时这种方法要求反应温度高，设备投入及能源消耗大。
化学-酶解法：一般指先用碱或酸处理木质纤维材料，当含木聚糖的木质纤维材料在可溶性木聚糖比较稳定的pH条件下进行化学方法处理时，可溶性的木聚糖会溶解到溶液中。当木聚糖被分离或降解成可溶性的形式后，再用木聚糖酶水解木聚糖可以降低其聚合度来得到低聚木糖。然而这些方法转化效率低，化学预处理过程复杂，对设备要求高，污水处理压力大，从而导致生产成本高。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是克服现有技术的不足，提供一种转化效率高且制备方法简单的低聚木糖的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采取的一种技术方案如下：
一种低聚木糖的制备方法，采用自产纤维素酶和/或半纤维素酶的菌种中的一种或多种将木质纤维素生物质原料进行水解发酵制得低聚木糖。
优选地，所述的菌种为梭状芽孢杆菌属(Clostridium)中的一种或多种菌种的组合和/或热解纤维素果汁杆菌属(Caldicellulosiruptor)中的一种或多种菌种的组合。
进一步优选地，所述的菌种为克莱弗雷梭菌(Clostridium clariflavum)、解纤维梭菌(Clostridium cellulolyticum)、植酵梭菌(Clostridium phytofermentans)、热纤梭菌(Clostridium thermocellum)、斯特米尼斯梭菌(Clostridium straminisolvens)、贝斯其热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor bescii)、产醋酸热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor acetigenus)、解糖热解纤维素菌(Caldicellulosiruptorsaccharolyticus)、克里斯托热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor kristjanssonii)、欧文湖热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor owensensis)、产乳酸醋酸热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor lactoaceticus)中的一种或多种的组合。
优选地，进行水解发酵时，所述的菌种的投料质量为所述的木质纤维素生物质原料质量的0.0001～0.1。
优选地，进行水解发酵时，还需要添加占所述的木质纤维素生物质原料质量0.005～0.1的酵母提取物。
优选地，所述的水解发酵为液体深层水解发酵。
优选地，所述的水解发酵为间歇水解发酵、流加水解发酵或连续水解发酵。
优选地，所述的水解发酵的温度为40～85℃，进一步优选为50～70℃，更优选为55～68℃。
优选地，所述的水解发酵的pH为5～8.5，进一步优选为6～8，更优选为6.5～7.5。
优选地，所述的水解发酵的时间≤14天，进一步优选为3～10天。
优选地，所述的木质纤维素生物质原料为含有半纤维素的工业副产物、农业副产物、办公垃圾、生活垃圾中的一种或多种。
进一步优选地，所述的木质纤维素生物质原料为水果渣、甘蔗渣、谷壳、花生秧、瓜藤、酒糟、淀粉渣、木薯渣、油饼粕、棉籽粕、牧草、树木、杂草、玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆、水稻秸秆、茭白秆、豆秆、棉秆、油菜秆、废纸、造纸厂废料、剩菜饭中的一种或多种。
优选地，所述的木质纤维素生物质原料为经过预处理后的原料，所述的预处理的方法为：将所述的木质纤维素生物质原料进行粉碎，然后与水混合得到混合物，将所述的混合物进行灭菌得到所述的预处理后的原料。
进一步优选地，粉碎后的所述的木质纤维素生物质原料的颗粒大小≤10mm。
本发明中的颗粒大小对于球体颗粒来说，是指球体颗粒的直径，对于立方体颗粒来说，是指立方体颗粒的边长，对不规则的颗粒来说，可将与该颗粒有相同行为的某一球体直径作为该颗粒的等效直径。
进一步优选地，所述的混合物中，粉碎后的所述的木质纤维素生物质原料与所述的水的重量比≥5％，更优选为8％～15％。
进一步优选地，所述的混合物中还包括占所述的混合物总质量≤20％的酸或碱。
进一步优选地，所述的灭菌的温度≥80℃，时间≤24小时，更优选地，所述的灭菌的温度100～130℃，时间为1～10小时。
根据一个具体且优选地实施方式，低聚木糖的制备方法为：将所述的木质纤维素生物质原料粉碎至颗粒大小≤10mm，然后加入水，选择性地加入酸或碱，在≥80℃下蒸煮灭菌，灭菌时间≤24小时，灭菌后加入酵母提取物，然后接入自产纤维素酶和/或半纤维素酶的菌种中的一种或多种，在40～85℃、pH为5～8.5的条件下进行水解发酵，水解发酵的时间≤14天。
优选地，所述的水解发酵得到的水解产物包括所述的低聚木糖以及其他产物，所述的其他产物包括可溶性糖、有机酸、有机酸盐、氨基酸、氨基酸盐、醇、多肽和菌体蛋白中的一种或几种。
其中，可溶性糖可以是葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等单糖以及它们的二糖或可溶性多糖中的一种或几种。
其中有机酸或有机酸盐可以是醋酸、乳酸、丙酸、丁酸等以及它们的有机酸盐的一种或几种。
其中氨基酸或氨基酸盐可以是甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、天冬氨酸、组氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、赖氨酸、谷氨酰胺、甲硫氨酸、精氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、脯氨酸以及它们的氨基酸盐中的一种或几种。
其中醇可以是乙醇、丙醇、丁醇等的一种或几种。
本发明中，水解发酵得到的水解产物可作为中间体经过进一步加工处理生产其它产品，包括但不局限于木糖、阿拉伯糖、木糖醇。
当然，本发明中所述的水解发酵得到的水解产物经过浓缩或分离纯化得到低聚木糖产品和其他产物的产品。该些低聚木糖产品和其他产物的产品的纯度较高，可以直接作为产品销售。
由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明采用高效菌种，利用菌种自身分泌的纤维素、半纤维素水解酶，通过可控液态深层水解发酵降解木质纤维素原料，实现低聚木糖的制备，比现有技术适用原材料范围更广，产率更高，生产过程更简单，效率更高。
具体实施方式
实施例1
把玉米芯粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取100克玉米芯粉添加900克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入克莱弗雷梭菌(Clostridiumclariflavum)菌液10克，温度控制在60摄氏度，pH控制在7，水解发酵5天。水解发酵后纤维素半纤维素总转化率75％。产物55克，产物含低聚木糖、氨基酸、醋酸、乳酸、乙醇等，其中，低聚木糖25克。
实施例2
把小麦秸秆粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取100克小麦秸秆粉添加900克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入克莱弗雷梭菌(Clostridium clariflavum)菌液10克，温度控制在60摄氏度，pH控制在7，水解发酵5天。水解发酵后纤维素半纤维素总转化率70％。产物45克，产物含低聚木糖、氨基酸、醋酸、乳酸、乙醇等，其中，低聚木糖17克。
实施例3
把玉米芯粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取100克玉米芯粉添加900克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入热纤梭菌(Clostridiumthermocellum)菌液10克，温度控制在60摄氏度，pH控制在7，水解发酵5天。水解发酵后纤维素半纤维素总转化率75％。产物55克，产物含低聚木糖、氨基酸、醋酸、乳酸、乙醇等，其中，低聚木糖25克。
实施例4
把小麦秸秆粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取100克小麦秸秆粉添加900克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入5克克莱弗雷梭菌(Clostridium clariflavum)和5克贝斯其热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor bescii)菌液，温度控制在63摄氏度，pH控制在7，水解发酵5天。水解发酵后纤维素半纤维素转化率78％。产物50克，产物含低聚木糖、氨基酸、醋酸、乳酸、乙醇等，其中，低聚木糖19克。
对比例1
把玉米芯粉碎至颗粒大小小于等于2mm，取100克玉米芯粉添加900克水，在125摄氏度蒸煮1小时灭菌，灭菌后加入5克酵母提取物，然后接入酿酒酵母菌液10克和大剂量真菌纤维素半纤维素酶(1000毫克蛋白)，温度控制在37摄氏度，pH控制在5.0，水解发酵5天。水解发酵后纤维素半纤维素总转化率35％。产物26克，产物含低聚木糖、木糖、乙醇等，其中，低聚木糖6克。
对比例2
本例基本同实施例1，不同的是，采用的微生物为乳酸菌，温度控制在乳酸菌适宜温度约30摄氏度，pH控制在约6，发酵只能消耗玉米芯中的可溶性糖，碳水化合物转化率小于10％，产物含乳酸、醋酸、乙醇等，低聚木糖含量基本为零。
如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施。

Claims (17)

1.一种低聚木糖的制备方法，其特征在于：采用自产纤维素酶和/或半纤维素酶的菌种中的一种或多种将木质纤维素生物质原料进行水解发酵制得低聚木糖。
2.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的菌种为梭状芽孢杆菌属中的一种或多种菌种的组合和/或热解纤维素果汁杆菌属中的一种或多种菌种的组合。
3.根据权利要求2所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的菌种为克莱弗雷梭菌、解纤维梭菌、植酵梭菌、热纤梭菌、斯特米尼斯梭菌、贝斯其热解纤维素菌、产醋酸热解纤维素菌、解糖热解纤维素菌、克里斯托热解纤维素菌、欧文湖热解纤维素菌、产乳酸醋酸热解纤维素菌中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的水解发酵为液体深层水解发酵。
5.根据权利要求1或4所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的水解发酵为间歇水解发酵、流加水解发酵或连续水解发酵。
6.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的水解发酵的温度为40～85℃。
7.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的水解发酵的pH为5～8.5。
8.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的水解发酵的时间≤14天。
9.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的木质纤维素生物质原料为含有半纤维素的工业副产物、农业副产物、办公垃圾、生活垃圾中的一种或多种。
10.根据权利要求9所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的木质纤维素生物质原料为水果渣、甘蔗渣、谷壳、花生秧、瓜藤、酒糟、淀粉渣、木薯渣、油饼粕、棉籽粕、牧草、树木、杂草、玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆、水稻秸秆、茭白秆、豆秆、棉秆、油菜秆、废纸、造纸厂废料、剩菜饭中的一种或多种。
11.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的木质纤维素生物质原料为经过预处理后的原料，所述的预处理的方法为：将所述的木质纤维素生物质原料进行粉碎，然后与水混合得到混合物，将所述的混合物进行灭菌得到所述的预处理后的原料。
12.根据权利要求11所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：粉碎后的所述的木质纤维素生物质原料的颗粒大小≤10mm。
13.根据权利要求11所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的混合物中，粉碎后的所述的木质纤维素生物质原料与所述的水的重量比≥5％。
14.根据权利要求11所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的混合物中还包括占所述的混合物总质量≤20％的酸或碱。
15.根据权利要求11所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的灭菌的温度≥80℃，时间≤24小时。
16.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的水解发酵得到的水解产物包括所述的低聚木糖以及其他产物，所述的其他产物包括可溶性糖、有机酸、有机酸盐、氨基酸、氨基酸盐、醇、多肽和菌体蛋白中的一种或几种。
17.根据权利要求1或16所述的低聚木糖的制备方法，其特征在于：所述的水解发酵得到的水解产物经过浓缩或分离纯化得到低聚木糖产品和其他产物的产品。
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