CN111549081A - 一种海水催化降解多糖的方法和一种复合低聚糖 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种海水催化降解多糖的方法和一种复合低聚糖，所述方法包括：以海水为溶剂对甘蔗渣进行预处理，在145～155℃下加热反应120～150min，过滤；将皂荚胚乳片与海水在120～130℃下，进行水合反应90min；将上述过滤得到的甘蔗渣预处理液与水合后的皂荚胚乳片混合，在155～165℃下降解反应20～30min。本发明以海水作为溶剂以及催化剂，通过合适的反应条件，得到了具有更高生物功能特性的2～9个单糖聚合的复合低聚糖，包括甘露低聚糖和低聚木糖，且木四糖和甘露四糖比例明显提高。本发明整个降解过程仅使用海水，未使用新鲜淡水和任何额外催化剂，节省了淡水资源，而且比单一低聚糖生产效率高。

Description

一种海水催化降解多糖的方法和一种复合低聚糖
技术领域
本发明涉及生物质化学化工领域，更具体地，涉及一种海水催化降解多糖的方法和一种复合低聚糖。
背景技术
地球上每年生长的生物能总量超过1400亿吨(干重)，生物质含有丰富的多糖。如皂荚种子含有近40％的半乳甘露聚糖，半乳甘露聚糖胶的主链是由β-D-吡喃甘露糖残基通过1，4-苷键相连的直链多糖，其侧链是由单个的α-D-吡喃半乳糖残基通过1，6-苷键与主链中吡喃甘露糖的C6相接。半乳甘露聚糖胶因其独特流变性质广泛应用于食品医药、纺织印染、能源开采、日化等行业。近年来研究表明，半乳甘露聚糖降解产品具有很高的功能活性，可用于膳食纤维、肠道有益菌群增殖、改善系统营养吸收等。
另外，地球上每年甘蔗的总产量也很多，用于生产蔗糖后剩下了大量的甘蔗渣。传统处理甘蔗渣的方式是用做燃料或者废弃不用，其利用率很低。甘蔗渣中约含有37.6％的葡聚糖和21.9％的木聚糖，充分利用自然界生物质多糖资源，开发功能低聚糖和单糖等产品，对促进生物医药、动物饲料、生物质化学品等行业发展具有重要意义。
目前，生物质多糖的降解和利用存在以下瓶颈：生物质结构致密难以降解，预处理成本高；降解过程中需要使用大量的淡水；降解过程中的化学催化剂难以循环利用，酶催化剂价格昂贵；降解产品中副产物杂质多等。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种海水催化降解多糖的方法和一种复合低聚糖。
本发明提供一种海水催化降解多糖的方法，包括：
以海水为溶剂对甘蔗渣进行预处理，在145～155℃下加热反应120～150min，过滤；
将皂荚胚乳片与海水在120～130℃下，进行水合反应90min；
将上述过滤得到的甘蔗渣预处理液与水合后的皂荚胚乳片混合，在155～165℃下降解反应20～30min。
本发明以海水作为溶剂以及催化剂，通过合适的预处理和降解反应条件，使甘蔗渣和皂荚胚乳片中的多糖被高效地降解，且海水与皂荚胚乳片水合可促进海水中金属离子对多糖的催化降解反应，得到了具有更高生物功能特性的2～9个单糖聚合的复合低聚糖，包括甘露低聚糖和低聚木糖，且其中木四糖和甘露四糖比例明显提高。本发明整个降解过程仅使用海水，未使用新鲜淡水和任何额外催化剂，节省了大量的淡水资源，工艺过程高效简洁，而且比单一低聚糖生产提高了效率。
进一步地，所述预处理过程中，所述甘蔗渣占海水的质量体积分数为8～12％。
进一步地，所述水合反应中，所述皂荚胚乳片与海水的质量比为1:0.6。
进一步地，所述甘蔗渣与所述皂荚胚乳片的质量比为1:0.7～0.8。
进一步地，本发明方法还包括将甘蔗渣预处理得到的固体残渣作为酶解底物，加海水进行酶解反应制备酶解木质素和葡萄糖。
本发明降解多糖得到复合低聚糖的同时还联产葡萄糖和酶解木质素有利于资源利用，提升产品增值。前期海水作为甘蔗渣预处理溶剂，不但促进了半纤维素的降解和溶解，而且为预处理后甘蔗残渣的酶解反应提供了有利条件。上述技术方案中将甘蔗残渣进一步在海水体系中进行酶解反应，可使葡萄糖得率大于80％，酶解木质素得率大于95％。
进一步地，所述酶解反应中还加入油茶皂素。
上述技术方案中，加入油茶皂素可以提高生物质酶解转化底物浓度，降低酶用量。
在本发明的优选实施方式中，所述酶解反应具体条件包括：酶解底物(即甘蔗渣预处理得到的固体残渣)浓度为7.5％，纤维素酶用量为18FPU/g-纤维素，油茶皂素浓度为0.4g/L，酶解温度为48℃，酶解反应体系初始pH为4.8，酶解时间为72h。
本发明所述甘蔗渣粒径小于20目，水分含量小于10％。
所述皂荚胚乳片为从皂荚种子中通过烘炒法分离，杂质含量小于2％。
皂荚是生态经济型树种，皂荚种子中含有丰富的半乳甘露聚糖，甘蔗渣是工业固体废弃物，甘蔗渣中含有丰富的木聚糖和葡聚糖，是制备低聚糖和糖平台产品的理想原料。海水中含有丰富的钠钾镁钙氯元素，对多糖的降解具有高效的催化作用，同时海水还含有铁铜锌锰硒等动物及微生物所需的微量元素。本发明所用原料都是绿色且价廉的理想原料。
在本发明一个优选实施方式中，所述海水催化降解多糖的方法包括以下步骤：
水合反应：皂荚胚乳片与海水以质量比1:0.6，在120～130℃搅拌水合90min，水合后的皂荚胚乳片三辊压片粉碎后备用；
预处理反应：甘蔗渣中加入海水至甘蔗渣质量分数为10％(w/v)，在150℃下加热反应120～150min，反应结束后冷却过滤，滤液和固体残渣分别备用；
原料甘蔗渣与皂荚胚乳片的质量比为1:0.7～0.8；
多糖降解反应：将甘蔗渣预处理得到的滤液和水合后的皂荚胚乳片混合，在155～165℃下加热反应20min，反应结束后冷却，加入2％树脂进行金属离子吸附30min，真空浓缩，喷雾干燥得到复合低聚糖；
酶解反应：以甘蔗渣预处理固体残渣为酶解底物，海水反应体系中进行酶解，酶解底物浓度为7.5％，纤维素酶用量为18FPU/g-纤维素，油茶皂素浓度0.4g/L，温度48℃，酶解反应体系初始pH为4.8，酶解时间72h，酶解反应结束过滤，滤渣烘干获得酶解木质素，滤液为葡萄糖溶液。
其中，水合反应和预处理反应没有固定的先后顺序，可同时进行，也可先进行其中任意一个，再进行另外一个；
多糖降解反应和酶解反应也没有固定的先后顺序，可同时进行，也可先进行其中任意一个，再进行另外一个。
本发明还提供一种复合低聚糖，其由上述任一方法制得。
进一步地，所述复合低聚糖中甘露低聚糖的含量大于40％，低聚木糖的含量大于10％，所述甘露低聚糖包括甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖和甘露五糖。
本发明以海水作为溶剂以及催化剂，通过合适的预处理和降解反应条件，使甘蔗渣和皂荚胚乳片中的多糖被高效地降解，且海水与皂荚胚乳片水合可促进海水中金属离子对多糖的催化降解反应，得到了具有更高生物功能特性的2～9个单糖聚合的复合低聚糖，包括甘露低聚糖和低聚木糖，且木四糖和甘露四糖比例明显提高。本发明整个降解过程仅使用海水，未使用新鲜淡水和任何额外催化剂，节省了大量的淡水资源，工艺过程高效简洁，而且比单一低聚糖生产提高了效率。
附图说明
图1为本发明实施例中海水降解多糖的工艺流程图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
以下实施例中，甘蔗渣为经过干法粉碎，工业振动筛筛分过20目筛，水分<10％；
皂荚胚乳片为从皂荚种子中通过烘炒法分离，杂质<2％。
实施例1
本实施例提供一种海水催化降解多糖的方法，其工艺流程图如图1所示，具体包括以下步骤：
取甘蔗渣100g，加入耐压反应釜(预处理反应器)，加1000g海水，在150℃下加热反应135min，反应结束后冷却过滤，滤液进入多糖降解反应器。取75g皂荚胚乳片，加海水于125℃搅拌水合90min，其中皂荚胚乳片:海水＝1:0.6(质量比)，水合后的皂荚胚乳片三辊压片粉碎后进入多糖降解反应器。多糖降解反应，在160℃下加热反应20min。反应结束后冷却，加入2％树脂进行金属离子吸附30min，真空浓缩，喷雾干燥即得复合低聚糖。以甘蔗渣预处理固体残渣为酶解底物，加入海水进行酶解反应，酶解底物浓度为7.5％，纤维素酶用量为18FPU/g-纤维素，油茶皂素浓度0.4g/L，温度48℃，酶解反应体系初始pH为4.8，酶解时间72h。酶解反应结束过滤，滤渣烘干获得酶解木质素，滤液为葡萄糖溶液。
经液相色谱检测，复合低聚糖得率为92.6％，其中甘露低聚糖(甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖、甘露五糖)含量47.3％，低聚木糖含量12.7％；葡萄糖得率为87.2％，酶解木质素得率为95.1％。
实施例2
本实施例提供一种海水催化降解多糖的方法，具体包括以下步骤：
取甘蔗渣100g，加入耐压反应釜(预处理反应器)，加1000g海水，在150℃下加热反应120min，反应结束后冷却过滤，滤液进入多糖降解反应器。取75g皂荚胚乳片，加海水于120℃搅拌水合90min，其中皂荚胚乳片:海水＝1:0.6(质量比)，水合后的皂荚胚乳片三辊压片粉碎后进入多糖降解反应器。多糖降解反应，在155℃下加热反应20min。反应结束后冷却，加入2％树脂进行金属离子吸附30min，真空浓缩，喷雾干燥即得复合低聚糖。以甘蔗渣预处理固体残渣为酶解底物，加入海水进行酶解反应，酶解底物浓度为7.5％，纤维素酶用量为18FPU/g-纤维素，油茶皂素浓度0.4g/L，温度48℃，酶解反应体系初始pH为4.8，酶解时间72h。酶解反应结束过滤，滤渣烘干获得酶解木质素，滤液为葡萄糖溶液。
经液相色谱检测，复合低聚糖得率为91.3％，其中甘露低聚糖(甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖、甘露五糖)含量47.0％，低聚木糖含量12.1％；葡萄糖得率为85.5％，酶解木质素得率为96.7％。
实施例3
本实施例提供一种海水催化降解多糖的方法，具体包括以下步骤：
取甘蔗渣100g，加入耐压反应釜(预处理反应器)，加1000g海水，在150℃下加热反应150min，反应结束后冷却过滤，滤液进入多糖降解反应器。取75g皂荚胚乳片，加海水于130℃搅拌水合90min，其中皂荚胚乳片:海水＝1:0.6(质量比)，水合后的皂荚胚乳片三辊压片粉碎后进入多糖降解反应器。多糖降解反应，在165℃下加热反应20min。反应结束后冷却、加入2％树脂进行金属离子吸附30min，真空浓缩，喷雾干燥即得复合低聚糖。以甘蔗渣预处理固体残渣为酶解底物，加入海水进行酶解反应，酶解底物浓度为7.5％，纤维素酶用量为18FPU/g-纤维素，油茶皂素浓度0.4g/L，温度48℃，水解反应体系初始pH值4.8，酶解时间72h。酶解反应结束过滤，滤渣烘干获得酶解木质素，滤液为葡萄糖溶液。
经液相色谱检测，复合低聚糖得率为92.9％，其中甘露低聚糖(甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖、甘露五糖)含量47.5％，低聚木糖含量13.2％；葡萄糖得率为88.5％，酶解木质素得率为95.2％。
实施例4
本实施例提供一种海水催化降解多糖的方法，具体包括以下步骤：
取甘蔗渣100g，加入耐压反应釜(预处理反应器)，加1000g海水，在150℃下加热反应150min，反应结束后冷却过滤，滤液进入多糖降解反应器。取75g皂荚胚乳片，加海水于120℃搅拌水合90min，其中皂荚胚乳片:海水＝1:0.6(质量比)，水合后的皂荚胚乳片三辊压片粉碎后进入多糖降解反应器。多糖降解反应，在165℃下加热反应20min。反应结束后冷却，加入2％树脂进行金属离子吸附30min，真空浓缩，喷雾干燥即得复合低聚糖。以甘蔗渣预处理固体残渣为酶解底物，加入海水进行酶解反应，酶解底物浓度为7.5％，纤维素酶用量为18FPU/g-纤维素，油茶皂素浓度0.4g/L，温度48℃，水解反应体系初始pH为4.8，酶解时间72h。酶解反应结束过滤，滤渣烘干获得酶解木质素，滤液为葡萄糖溶液。
经液相色谱检测，复合低聚糖得率为92.1％，其中甘露低聚糖(甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖、甘露五糖)含量46.6％，低聚木糖含量13.5％；葡萄糖得率为88.7％，酶解木质素得率为95.6％。
对比例1
本对比例提供一种降解多糖的方法，其与实施例1的区别在于，将各步骤中的海水均替换为去离子水，多糖降解反应结束后直接真空浓缩，喷雾干燥得到复合低聚糖，其余操作相同。
经液相色谱检测，复合低聚糖得率为28.3％，其中甘露低聚糖(甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖、甘露五糖)含量23.5％，低聚木糖含量35.8％；葡萄糖得率为44.0％，酶解木质素得率为97.2％。
对比例2
本对比例提供一种降解多糖的方法，其与实施例3的区别在于，将各步骤中的海水均替换为去离子水，多糖降解反应结束后直接真空浓缩，喷雾干燥得到复合低聚糖，其余操作相同。
经液相色谱检测，复合低聚糖得率为30.8％，其中甘露低聚糖(甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖、甘露五糖)含量25.2％，低聚木糖含量33.1％；葡萄糖得率为46.2％，酶解木质素得率为95.3％。
对比例3
本对比例提供一种降解多糖的方法，其与实施例2的区别在于，将各步骤中的海水均替换为去离子水，多糖降解反应结束后直接真空浓缩，喷雾干燥得到复合低聚糖，其余操作相同。
经液相色谱检测，复合低聚糖得率为26.5％，其中甘露低聚糖(甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖、甘露五糖)含量21.7％，低聚木糖含量39.2％；葡萄糖得率为38.3％，酶解木质素得率为97.6％。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种海水催化降解多糖的方法，其特征在于，包括：
以海水为溶剂对甘蔗渣进行预处理，在145～155℃下加热反应120～150min，过滤；
将皂荚胚乳片与海水在120～130℃下，进行水合反应90min；
将上述过滤得到的甘蔗渣预处理液与水合后的皂荚胚乳片混合，在155～165℃下降解反应20～30min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预处理过程中，所述甘蔗渣占海水的质量体积分数为8～12％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水合反应中，所述皂荚胚乳片与海水的质量比为1:0.6。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述甘蔗渣与所述皂荚胚乳片的质量比为1:0.7～0.8。
5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，还包括将甘蔗渣预处理得到的固体残渣作为酶解底物，加海水进行酶解反应制备酶解木质素和葡萄糖。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述酶解反应中还加入油茶皂素。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述酶解反应具体条件包括：酶解底物浓度为7.5％，纤维素酶用量为18FPU/g-纤维素，油茶皂素浓度为0.4g/L，酶解温度为48℃，酶解反应体系初始pH为4.8，酶解时间为72h。
8.根据权利要求1～7任一项所述的方法，其特征在于，所述甘蔗渣粒径小于20目，水分含量小于10％；
和/或，所述皂荚胚乳片为从皂荚种子中通过烘炒法分离，杂质含量小于2％。
9.一种复合低聚糖，其特征在于，由权利要求1～8任一项所述的方法制得。
10.根据权利要求9所述的复合低聚糖，其特征在于，所述复合低聚糖中甘露低聚糖的含量大于40％，低聚木糖的含量大于10％，所述甘露低聚糖包括甘露二糖、甘露三糖、甘露四糖和甘露五糖。
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