CN114958926B - 一种乳酸菌发酵红薯制备高纯甘露糖醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发酵技术领域，具体公开了一种乳酸菌发酵红薯制备高纯甘露糖醇的方法，包括如下步骤：红薯斩拌成薯泥后加水磨浆，后经80目筛过滤，滤液升温并杀菌；酶解后的红薯滤液打入恒温发酵罐中，接入植物乳杆菌发酵剂，接种量3%‑5%v/v，发酵时间8‑12h，待发酵红薯滤液pH达到3.9‑4.1时停止发酵，红薯发酵液离心，去除沉淀得发酵上清液A，在浓缩液中加入等量体积的乙醇，离心，去除葡聚糖沉淀得发酵上清液B，将发酵上清液B在4℃结晶即制得甘露糖醇。本发明利用实验室保藏的优势菌种通过发酵种植户手中堆积的红薯生产甘露糖醇，工艺简单，成本低、适合大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及发酵技术领域，具体涉及一种乳酸菌发酵红薯制备高纯甘露糖醇的方法。
背景技术
甘露糖醇目前主要用于医药工业，在药物制造方面，利用甘露糖醇无吸湿性、干燥快、化学稳定性好且爽口、造粒性好的特点，可作为各种片剂的赋形剂；可用于制造降低脑内压、眼内压的降压剂；可作为一种温和的轻泻利尿剂，对水肿、烧伤等危急尿少症引起的肾功能衰退有特别疗效；特别近年来研究的甘露糖醇与氨基酸等配制的复合输液及其衍生物可用作抗癌、抗肿瘤及降血脂、降胆固醇等药物。
在食品工业，甘露糖醇硬脂酸酯可以防止食品中油脂分离，用于饼干可使饼干松脆，不易受潮，用于糖果可起定型作用，改善糖果质量。由于甘露糖醇在糖及糖醇中的吸水性最小，具有爽口的甜味，常用于麦芽糖、口香糖、年糕等食品防粘及一般糕点的防粘粉；甘露糖醇还可用于储藏水果及果脯的生产中，可改良水果、干果的香味；特别重要的是其被允许用作低热值食品（糖尿患者食品及健美食品）及低糖食品的甜味剂。
目前世界甘露糖醇主要生产国有美国、澳大利亚、瑞士、日本、巴西和中国。由于近年来世界范围内食品行业尤其是口香糖对甘露糖醇需求量快速增加，使得甘露糖醇市场需求迅速增长。目前我国95%的甘露糖醇消费是直接用于生产甘露糖醇注射液、药品辅助添加剂和无糖食品添加剂。随着甘露糖醇的开发研究不断深入，其在各行业的应用将持续加强，尤其是医药产品方面，需求潜力巨大。
自Peterson 和Fred等人在1920年报道利用乳酸杆菌将果糖转化为甘露糖醇以来，国外对利用微生物转化制备甘露糖醇进行了大量研究，特别是近年来，取得了不少研究成果。植物乳杆菌能够在体内甘露糖脱氢酶的作用下，将果糖转化为甘露糖醇，除果糖转化途径外，还有一部分葡萄糖也能够通过异构化转化成甘露糖醇。海带或甘蔗经微生物发酵法可以制备甘露糖醇，提取1吨甘露糖醇约需13-15吨干海带，生产过程产生大量废水，能耗高，污染严重，收率低，虽然甘蔗制备甘露糖醇比海带制备能耗低、污染少，但甘蔗价格较贵。
世卫组织评选的最佳健康食品中，红薯被评为13种最佳蔬菜之一。红薯营养价值丰富，除膳食纤维和淀粉外，还含有大量的果糖和葡萄糖，且焙烤后果糖和葡萄糖含量还会增加。红薯在我国的种植面积仅次于水稻、小麦、玉米，几乎遍布全国，在20多个省内均有种植，年产量达到2300多万吨，但是适合商品化销售的红薯对形状和块重均有严格要求，块太大或太小，形状不规则等外观不好的红薯不能用来加工冰薯，大量红薯堆积在冷库中，无法销售，造成浪费，成为种植户们的一大难题。
发明内容
本发明目的在于利用实验室保藏的优势菌种通过发酵红薯的方式生产甘露糖醇，对环境不产生危害，同时消化了种植户手中堆积的红薯，减少了损失，本发明工艺简单，适合大规模生产。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一方面，本发明提供了一种乳酸菌发酵红薯制备高纯甘露糖醇的方法，包括如下步骤：
步骤1：红薯原料选择及预处理
选择无霉斑和无明显机械损伤的红薯，应用气泡或喷淋清洗机清洗干净，除去泥沙及杂质，沥干水分；
步骤2：红薯制浆
将步骤1所得的红薯斩拌成薯泥后加水磨浆，红薯与水的质量比为1:2-5，磨浆后经80目筛过滤，滤液升温至95℃，杀菌15~20s；
步骤3：酶解
将步骤2所得的红薯滤液温度降至60℃，pH调至5.0-5.3后向该红薯滤液中添加0.4%-0.6%的蔗糖酶和麦芽糖酶，酶解10-12小时后将pH调节至5.8-6.1，再将红薯滤液升温至95℃，杀菌15~20s；
步骤4：接菌发酵
将步骤3所得的酶解后的红薯滤液打入恒温发酵罐中，接入植物乳杆菌LD1.0010发酵剂，接种量3%-5%v/v，发酵时间8-12h，待发酵红薯滤液pH达到3.9-4.1时停止发酵；
步骤5：甘露糖醇分离纯化
将步骤4所得的红薯发酵液用转速为10000转/分的离心机离心10 分钟，去除沉淀得发酵上清液A，将发酵上清液A浓缩，在浓缩液中加入等量体积的乙醇，用转速为12000转/分的离心机离心15分钟，去除葡聚糖沉淀得发酵上清液B，将发酵上清液B 在4℃结晶即制得甘露糖醇。
所述步骤4中的植物乳杆菌LD1.0010发酵剂为植物乳杆菌LD1.0010，所述植物乳杆菌LD1.0010可通过发酵将红薯浆中果糖转化为甘露糖醇，所述植物乳杆菌LD1.0010分类命名为植物乳杆菌Lactobacillus plantarum，保藏编号为CGMCC No.20050，保藏日期为2021年6月9日，保藏单位为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为中国北京。
根据本申请的一个实施方式，所述植物乳杆菌LD1.0010具有甘露糖醇脱氢酶。
与现有技术相比，本发明提供的乳酸菌发酵红薯制备高纯甘露糖醇的方法中，至少具有以下有益效果。
本发明选用的红薯原料为不能加工成冰薯的非商品红薯，可变废为宝。将红薯原料加工成副产物，有效解决了不宜直销的红薯浪费的问题。利用实验室保藏的优势菌种通过发酵红薯的方式生产甘露糖醇，能够在对环境不产生危害的前提下产出甘露糖醇，本发明生产工艺简单、无杂质，成本低、耗能低、生产的甘露糖醇纯度高，可操作性强，工艺易实现流水线作业，生产效率高。
附图说明
图1为本发明红薯浆未酶解、酶解、未接菌发酵及接菌发酵的糖含量图；
图2为本发明不同红薯含量的红薯浆酶解后及接菌发酵后的糖含量图；
图3为本发明不同乳酸菌发酵红薯浆的糖含量图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式。
实施例1
一种乳酸菌发酵红薯制备高纯甘露糖醇的方法，包括如下步骤：
步骤1：红薯原料选择及预处理
选择无霉斑和无明显机械损伤的红薯，应用气泡或喷淋清洗机清洗干净，除去泥沙及杂质，沥干水分；
步骤2：红薯制浆
将步骤1所得的红薯斩拌成薯泥后加水磨浆，红薯与水的质量比为1:4，磨浆后经80目筛过滤，滤液升温至95℃，杀菌15~20s；
步骤3：酶解
将步骤2所得的红薯滤液温度降至60℃，pH调至5.0-5.3后向该红薯滤液中添加0.4%-0.6%的蔗糖酶和麦芽糖酶，酶解10-12小时后将pH调节至5.8-6.1，再将红薯滤液升温至95℃，杀菌15~20s；
步骤4：接菌发酵
将步骤3所得的酶解后的红薯滤液打入恒温发酵罐中，接入植物乳杆菌LD1.0010发酵剂，接种量3%-5%v/v，发酵时间8-12h，待发酵红薯滤液pH达到3.9-4.1时停止发酵；
步骤5：甘露糖醇分离纯化
将步骤4所得的红薯发酵液用转速为10000转/分的离心机离心10 分钟，去除沉淀得发酵上清液A，将发酵上清液A浓缩，在浓缩液中加入等量体积的乙醇，用转速为12000转/分的离心机离心15分钟，去除葡聚糖沉淀得发酵上清液B，将发酵上清液B 在4℃结晶即制得甘露糖醇。
实施例2
一种乳酸菌发酵红薯制备高纯甘露糖醇的方法，包括如下步骤：
步骤1：红薯原料选择及预处理
选择无霉斑和无明显机械损伤的红薯，应用气泡或喷淋清洗机清洗干净，除去泥沙及杂质，沥干水分；
步骤2：红薯制浆
将步骤1所得的红薯斩拌成薯泥后加水磨浆，红薯与水的质量比为1:2-5，磨浆后经80目筛过滤，滤液升温至95℃，杀菌15~20s；
步骤3：酶解
将步骤2所得的红薯滤液温度降至60℃，pH调至5.0-5.3后向该红薯滤液中添加0.4%-0.6%的蔗糖酶和麦芽糖酶，酶解10-12小时后将pH调节至5.8-6.1，再将红薯滤液升温至95℃，杀菌15~20s；
步骤4：接菌发酵
将步骤3所得的酶解后的红薯滤液打入恒温发酵罐中，接入植物乳杆菌LD1.0010发酵剂，接种量3%-5%v/v，发酵时间8-12h，待发酵红薯滤液pH达到3.9-4.1时停止发酵；
步骤5：甘露糖醇分离纯化
将步骤4所得的红薯发酵液用转速为10000转/分的离心机离心10 分钟，去除沉淀得发酵上清液A，将发酵上清液A浓缩，在浓缩液中加入等量体积的乙醇，用转速为12000转/分的离心机离心15分钟，去除葡聚糖沉淀得发酵上清液B，将发酵上清液B 在4℃结晶即制得甘露糖醇。
对比例1
对比例1生红薯直接加水，生红薯与水的质量比为1:4打浆，打浆后未酶解和未接菌发酵，对比例1与实施例1的区别在于未进行步骤3的酶解和步骤4接菌发酵；其余技术特征与实施例1相同。
对比例2
对比例2生红薯直接加水，生红薯与水的质量比为1:4，打浆后未接菌发酵，对比例2与实施例1的区别在于未进行步骤4接菌发酵；其余技术特征与实施例1相同。
对比例3
对比例3生红薯直接加水，生红薯与水的质量比为1:2打浆，打浆后未接菌发酵，对比例3与实施例1的区别在于步骤2红薯含量不同和未进行步骤4接菌发酵；其余技术特征与实施例1相同。
对比例4
对比例4生红薯直接加水，生红薯与水的质量比为1:4，打浆后接植物乳杆菌LD1.0001发酵，对比例4与实施例1的区别在于步骤4接植物乳杆菌LD1.0001发酵；其余技术特征与实施例1相同。
对比例4中所使用的植物乳杆菌LD1.0001，分类命名为植物乳杆菌Lactobacillusplantarum，保藏编号为CGMCC No.11627，保藏日期为2015年11月06日，保藏单位为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为中国北京。
植物乳杆菌LD1.0001和植物乳杆菌LD1.0010属于同一菌种，但植物乳杆菌LD1.0001从发酵樱桃酒中分离获得，植物乳杆菌LD1.0010从樱桃表面直接分离获得，植物乳杆菌LD1.0010具有甘露糖醇脱氢酶，植物乳杆菌LD1.0001不具有甘露糖醇脱氢酶。
各对比例获得的产品的各项指标进行检测对比，结果参见图1-图3。
参见图1，图1由上至下依次代表本发明对比例1、对比例2、对比例3、实施例1、实施例2和对比例4的糖含量。对比例1的最终产物中含有果糖、葡萄糖、蔗糖及麦芽糖，分别占总糖的12%、16%、42%和30%，未生成甘露糖醇；对比例2的最终产物中含有果糖和葡萄糖，其中蔗糖被蔗糖酶分解生成果糖，麦芽糖被麦芽糖酶分解生成葡萄糖，果糖和葡萄糖分别占总糖的39%和61%，未生成甘露糖醇；对比例3的红薯浆中红薯含量为50%，对比例3的最终产物为果糖和葡萄糖，其中的蔗糖被蔗糖酶分解生成果糖，麦芽糖被麦芽糖酶分解生成葡萄糖，果糖和葡萄糖分别占总糖的47%和53%，未生成甘露糖醇；实施例1的最终产物中甘露糖醇和葡萄糖，其中果糖全部转化为甘露糖醇，部分葡萄糖转化为甘露糖醇，甘露糖醇和葡萄糖分别占总糖59%和41%，不含有其他糖分；实施例2的最终产物为甘露糖醇和葡萄糖，其中果糖全部转化为甘露糖醇，部分葡萄糖转化为甘露糖醇，甘露糖醇和葡萄糖分别占总糖的63%和37%，不含有其他糖分；对比例4的红薯发酵液中因微生物生长消耗了果糖和葡萄糖，果糖和葡萄糖含量分别占总糖的34%和66%，不含有其他糖分，未生成甘露糖醇。
对比例1、对比例2和对比例3均为未发酵红薯浆，对比例2红薯浆中红薯含量为25%，对比例3红薯浆中红薯含量为50%，与对比例1不同的是，经过蔗糖酶和麦芽糖酶酶解后，对比例2、对比例3中的最终产物中蔗糖和麦芽糖均分解成了果糖和麦芽糖，因此对比例2和对比例3的最终产物中糖成分均为果糖和葡萄糖，对比例2的最终产物中果糖和葡萄糖含量分别为2.54g/L和3.99g/L，对比例3的最终产物中果糖和葡萄糖含量分别为3.40g/L和3.85g/L，对比例3比对比例2的最终产物果糖含量多了34%，葡萄糖含量比对比例2少了3.8%。
参见图2，图2由上至下依次代表本发明对比例2、对比例3、实施例1和实施例2糖含量。
由图2可知：对比例2和对比例3为未发酵红薯浆，实施例1和实施例2为LD1.0010菌种发酵后的红薯发酵液。对比例2和实施例1红薯浆中红薯含量为25%，对比例3和实施例2红薯浆中红薯含量为50%，经过发酵后实施例1和实施例2的最终产物中果糖全部转化成了甘露糖醇，葡萄糖部分转化成了甘露糖醇，实施例1的最终产物中甘露糖醇含量为2.35g/L，葡萄糖含量为1.63g/L；实施例2的最终产物中甘露糖醇含量为2.74g/L，葡萄糖含量为1.61g/L，实施例1比实施例2的最终产物中甘露糖醇含量多了16.6%，葡萄糖含量少了1.2%。由此可知LD1.0010能够高效地将果糖转化成甘露糖，且具有很大的潜力。
参见图3，图3由上至下依次代表本发明对比例2，实施例1和对比例4的糖含量。
由图3可知：对比例2、实施例1和对比例4红薯浆中红薯含量均为25%，与对比例2不同的是，实施例1使用LD1.0010发酵，对比例4使用LD1.0001发酵。经发酵后，实施例1的最终产物中的果糖全部转化成了甘露糖醇，部分葡萄糖转化成了甘露糖醇，其含量分别为2.35g/L和1.63g/L；对比例4的最终产物中部分果糖和葡萄糖被微生物利用，未产生甘露糖醇，最终果糖和葡萄糖含量为1.75g/L和3.39g/L，较对比例2的最终产物中果糖含量少了31%，葡萄糖含量少了15%。由此可知，LD1.0010是一株能够将果糖转化成甘露糖醇的优势菌种，且具有很好的发展前景。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种乳酸菌发酵红薯制备高纯甘露糖醇的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：红薯原料选择及预处理
选择无霉斑和无明显机械损伤的红薯，应用气泡或喷淋清洗机清洗干净，除去泥沙及杂质，沥干水分；
步骤2：红薯制浆
将步骤1所得的红薯斩拌成薯泥后加水磨浆，红薯与水的质量比为1:2-5，磨浆后过滤，滤液升温并杀菌；
步骤3：酶解
将步骤2所得的红薯滤液温度降至60℃，pH调至5.0-5.3后向该红薯滤液中添加0.4%-0.6%的蔗糖酶和麦芽糖酶，酶解10-12小时后将pH调节至5.8-6.1，滤液升温并杀菌；
步骤4：接菌发酵
将步骤3所得的酶解后的红薯滤液打入恒温发酵罐中，接入植物乳杆菌LD1.0010，所述植物乳杆菌LD1.0010可通过发酵将红薯浆中果糖转化为甘露糖醇，分类命名为植物乳杆菌Lactobacillus plantarum，于2021年6月9日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为中国北京，保藏编号为CGMCC No.20050，接种量3%-5%v/v，发酵时间8-12h，待发酵红薯滤液pH达到3.9-4.1时停止发酵；
步骤5：甘露糖醇分离纯化
将步骤4所得的红薯发酵液用离心机离心，去除沉淀得发酵上清液A，将发酵上清液A浓缩，在浓缩液中加入等量体积的乙醇，离心机离心后，去除葡聚糖沉淀得发酵上清液B，将发酵上清液B 在4℃结晶即制得甘露糖醇。
2.根据权利要求1所述的乳酸菌发酵红薯制备高纯甘露糖醇的方法，其特征在于，所述步骤2与步骤3中，滤液升温并杀菌具体为滤液升温至95℃，杀菌15~20s。
3.根据权利要求1所述的乳酸菌发酵红薯制备高纯甘露糖醇的方法，其特征在于，所述步骤5中，将步骤4所得的红薯发酵液用转速为10000转/分的离心机离心10 分钟，在浓缩液中加入等量体积的乙醇后，用转速为12000转/分的离心机离心15分钟。
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