一種採用蒸汽爆破—定向酶解製取低聚木糖的方法
2023-06-04 03:50:46 3
專利名稱：一種採用蒸汽爆破—定向酶解製取低聚木糖的方法
技術領域：
本發明涉及一種低聚木糖的製備方法，特別涉及一種採用蒸汽爆破一定向酶解制 取低聚木糖的方法。
背景技術：
低聚木糖是一類低聚合度的β -1，4-木糖苷鍵連接而成的低聚糖的總稱，是一種 新型高效的功能性低聚糖，具有高效的人體和動物的雙歧因子和免疫增強劑功效，能夠有 效節腸道微生態和激活機體免疫功能等多種保健促生功能，可廣泛應用於醫藥、食品、飲料 和飼料等相關行業。目前，低聚木糖的生產主要採用植物纖維質鹼抽提或酸抽提方法，然後經木聚糖 酶催化水解木聚糖以製取低聚木糖。在這些加工過程中均需要消耗一定用量的酸、鹼類化 學藥劑，需要在後續工序中加以分離脫除，同時溶出部分有機物進入廢水系統；蒸汽爆破 通過高壓、高溫的自催化水解和瞬時爆破使木質部發生一定程度的化學降解和物理破碎效 應，可溶出部分聚糖類物質並且可顯著增大原料反應的比表面積。與酸、鹼法相比，蒸汽爆 破預處理可顯著降低化學品的消耗和環保負擔，具有一定的發展前景。但是，蒸汽爆破並不 能定向地降解木聚糖生成聚合度適宜的低聚木糖，同時過度的蒸汽爆破還會產生眾多的降 解產物，糠醛、羥甲基糠醛和木質素衍生物等，增加了低聚木糖生產精製工序的負荷。
發明內容
發明目的針對現有技術中的不足，本發明的目的是提供一種採用蒸汽爆破一定 向酶解製取低聚木糖的方法，以實現無廢水排放、低化學品消耗、低成本、高效的生產低聚 木糖。技術方案為了實現上述發明目的，本發明採用的技術方案為
一種採用蒸汽爆破一定向酶解製取低聚木糖的方法，其特徵在於，包括以下步驟 (1)蒸汽爆破
對植物纖維原料進行預處理，然後經機械破碎成長度不大於50mm、直徑不大於20mm 的物料；在密閉的蒸汽爆破裝置中，採用過飽和蒸汽直接加熱物料至20(T205°C，維持3 Smin後瞬時爆破製得爆破料，對爆破料進行檢測；
爆破料的檢測結果為爆破料的PH值為4. 5 5. 0，木聚糖的回收得率高於70. 0%，可 溶性木聚糖佔36. 0 38. 0%，聚合度2 6低聚木糖組分的得率為6. 5%，乙酸和甲酸含量 低於0. 2%，糠醛和羥甲基糠醛含量低於0. 01%。(2)定向酶解
在爆破料中加入適量的軟水至總固形物濃度為5. 0 10. 0%(w/w)，按5 15U/g木聚 糖的用量加入內切木聚糖酶，控制反應溫度50士2°C，攪拌速率50 lOOrpm，定向酶解反應 20 24h得酶解液。酶解過程中，聚合度2 6低聚木糖組分的酶解得率高於23. 5%。玉 米芯經蒸汽爆破一定向酶解後聚合度2 6低聚木糖的總得率為30. 0%。
(3)膜分離
酶解液分別經板框壓濾除雜、管式微濾膜組件澄清和中空纖維超濾膜組件分離純化後 得低聚木糖稀糖液；其中，管式微濾膜組件的膜孔徑為0. 20 0. 45 μ m,中空纖維超濾膜組 件的截留分子量為20000道爾頓。(4)精製濃縮
採用弱鹼性陰離子交換樹脂吸附低聚木糖稀糖液中的乙酸和甲酸根，使乙酸和甲酸根 的濃度不大於10mg/kg，再經大孔酚醛吸附樹脂脫除殘留的糠醛和羥甲基糠醛類雜質，使糠 醛和羥甲基糠醛類雜質的濃度不大於10mg/kg ；在真空度一 0. 07 一 0. 08MPa條件下，恆 溫減壓蒸發濃縮低聚木糖稀糖液至濃度值25. 0 30. 0%，即得到低聚木糖液產品；對產品 進行檢測；
經檢測，低聚木糖的組成木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖佔總低聚木糖的含 量分別為 18. 6%,31. 7%,22. 3%、16· 2% 和 11. 2%。植物纖維原料包括玉米芯、麥稈、樺木等。植物纖維原料的預處理包括分檢除黴、振動篩除砂和除鐵等操作。有益效果本發明的採用蒸汽爆破、定向酶解製取低聚木糖的方法，針對植物原料 及木聚糖的組成特點，採用了蒸汽爆破、內切木聚糖酶定向酶水解、膜分離和層析柱精製的 集成技術工藝，尤其是將蒸汽爆破與定向酶解進行有機地結合以替代現有的酸、鹼抽提法 或單一的蒸汽爆破法，不僅有效地破降解和溶出了原料中的木聚糖，而且克服了其他工藝 對酸、鹼化學品的消耗或者雜質眾多，尤其是有害物含量過高、後續分離精製成本昂貴的不 足，可實現生產過程中無廢水的排放，大大簡化了木聚糖的抽提工藝，節約了操作工時，顯 著地提高了低聚木糖生產的環境親和性和經濟效率。
圖1為採用蒸汽爆破一定向酶解製取低聚木糖的工藝流程示意圖。圖2為玉米芯在蒸汽爆破、酶水解各個工藝步驟中的低聚木糖得率。圖中，橫坐標 表示聚合度2 6的低聚木糖組分，縱坐標表示低聚木糖的得率。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明最進一步的解釋。以下實施例所使用的方法和檢測試劑具體如下
木聚糖酶由裡氏木黴(Trichoderma reesei)或黑麴黴(Aspergillus niger)經液體深 層發酵和酶蛋白質拆分後精製而成，該方法參照ZL02112568. 6中已經公開的方法。木聚糖酶的酶活力測定方法採用國際純化學與應用化學聯合會的測定方 法(GHOSE，T. K. and BISARIA V. S. , (1987) Pure & Appl. Chem. , 59(12)， 1739-1752;)；
蒸汽爆破物料、低聚木糖產品中的甲酸、乙酸、糠醛、羥甲基糠醛的檢測方法均採用高 效液相離子交換色譜法(HPLC)。色譜儀的系統和操作條件為=Agilent 1200色譜儀及工作 站，色譜柱為Aminex HPX — 87H (300X7. 8mm)色譜柱及保護柱，柱溫為55°C，以5. 0 mmol/ L硫酸為洗脫液，洗脫速率0. 6ml/min,採用折光示差法和色譜峰面積積分法測定上述組分的含量。酶解液中聚合度2 6的低聚木糖的測定採用高效液相離子交換色譜法(HPAEC) 分析，參見中國專利申請201010570158. 4。色譜儀的系統和操作條件為Dionex ICS 3000 色譜儀及工作站，色譜柱為Carbc^acTM PA200 (250 X 3mm)色譜柱及保護柱，柱溫為30°C， 以醋酸鈉一氧氧化鈉二元梯度洗脫，採用積分脈衝安培檢測法和色譜峰面積積分法測定糖 組分的含量。其他藥品和設備均為市售藥品或常用藥品和設備。實施例1
風乾玉米芯經人工分檢除黴、振動篩除砂和除鐵預處理後，採用機械破碎至顆粒的長 度不超過50mm，直徑不超過20mm的物料。在間歇式或連續式全自動蒸汽爆破器中加入物料，通過自控系統開啟蒸汽進氣閥 門直接通入2. OMPa過飽和蒸汽快速加熱物料至20(T205°C，維持3 Smin後自動瞬時開 啟排放閥產生爆破效果並獲得爆破料。對爆破料進行檢測，爆破料的總固形物回收率達到 80. 0%以上，pH值為4. 5 5. 0，木聚糖的回收得率高於70. 0%，其中可溶性木聚糖和低聚木 糖佔36. 0 38. 0%，聚合度2 6低聚木糖組分的得率為6. 5%，乙酸和甲酸得率低於0. 2%， 糠醛和羥甲基糠醛得率低於0. 01%。實施例2
採用機械攪拌式酶水解裝置進行爆破料定向酶解。加入適量的軟水調節爆破料的總固 形物濃度為5. 0 10. 0% (w/w)，按照5 15U/g木聚糖的用量加入內切木聚糖酶，控制反 應溫度50 士 2°C和攪拌速率50 lOOrpm，定向酶解反應20 24h後得酶解液。對酶解液 進行檢測，酶解過程中，聚合度2 6低聚木糖組分的酶解得率超過23. 5%。以玉米芯汽爆 料所含有的木聚糖為計算基準，蒸汽爆破和定向酶水解後聚合度2 6低聚木糖的總得率 為 30. 0%。實施例3
在40 45°C條件下，採用板框式過濾機下壓濾酶解體系以除去固體雜質。板框過濾 操作的進口壓力控制在1. O 1. 5MPa,以20 25% (w/w)的軟水洗滌濾餅後得低聚木糖濾 液；在30 35°C條件下，採用管式微濾膜組件(膜孔徑0. 20 0. 45 μ m)過濾低聚木糖濾 液得到澄清液，控制操作壓力0. 15 0. 20MPa ；在25 30°C條件下，再採用中空纖維超濾 膜組件(截留分子量20000道爾頓)進一步分離純化澄清液得低聚木糖稀糖液，控制操作壓 力為 0. 30 0. 35MPa0在25 30°C條件下，控制適當的流速使低聚木糖稀糖液分別流經弱鹼性陰離子 交換色譜柱、大孔酚醛樹脂吸附柱進行精製，控制出口端乙酸根、甲酸根、糠醛、羥甲基糠醛 的濃度不高於10mg/kg。在真空度一 0. 06 一 0. 08ΜΙ^和恆溫的條件下，採用多效薄膜式減 壓蒸發裝置將低聚木糖稀糖液濃縮至25. 0 30. 0%，密封包裝得到產品低聚木糖液。低聚 木糖的組成木二糖、木三糖、木四糖、木五糖和木六糖佔總低聚木糖的含量分別為18. 6%、 31. 7%,22. 3%、16.洲和11. m。圖2為玉米芯在蒸汽爆破、酶水解各個工藝步驟中的低聚木 糖得率。實施例4
按照實施例廣3的方法，具體工藝流程如圖1所示，以其他植物纖維原料為材料，例如麥秸、樺木、水稻秸稈、樹葉、樹枝幹和木屑等，採用蒸汽爆破一定向酶解製取低聚木糖，均 能夠製備出低聚木糖，所不同的僅是低聚木糖的得率不同。
權利要求
1 一種採用蒸汽爆破一定向酶解製取低聚木糖的方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)蒸汽爆破對植物纖維原料進行預處理，然後經機械破碎成長度不大於50mm、直徑不大於20mm 的物料；在密閉的蒸汽爆破裝置中，採用過飽和蒸汽直接加熱物料至20(T205°C，維持3 Smin後瞬時爆破製得爆破料，對爆破料進行檢測；(2)定向酶解在爆破料中加入適量的軟水至總固形物濃度為5. 0 10. 0%(w/w)，按5 15U/g木聚 糖的用量加入內切木聚糖酶，控制反應溫度50士2°C，攪拌速率50 lOOrpm，定向酶解反應 20 24h得酶解液；(3)膜分離酶解液分別經板框壓濾除雜、管式微濾膜組件澄清和中空纖維超濾膜組件分離純化後 得低聚木糖稀糖液；其中，管式微濾膜組件的膜孔徑為0. 20 0. 45 μ m,中空纖維超濾膜組 件的截留分子量為20000道爾頓；(4)精製濃縮採用弱鹼性陰離子交換樹脂吸附低聚木糖稀糖液中的乙酸和甲酸根，使乙酸和甲酸根 的濃度不大於10mg/kg，再經大孔酚醛吸附樹脂脫除殘留的糠醛和羥甲基糠醛類雜質，使糠 醛和羥甲基糠醛類雜質的濃度不大於10mg/kg ；在真空度一 0. 07 一 0. 08MPa條件下，恆 溫減壓蒸發濃縮低聚木糖稀糖液至濃度值25. 0 30. 0% (w/w),即得到低聚木糖液產品； 對產品進行檢測。
2.根據權利要求1所述的採用蒸汽爆破一定向酶解製取低聚木糖的方法，其特徵在 於步驟(1)中，植物纖維原料主要包括玉米芯、麥稈和樺木。
3.根據權利要求1所述的採用蒸汽爆破一定向酶解製取低聚木糖的方法，其特徵在 於步驟(1)中，植物纖維原料的預處理包括分檢除黴、振動篩除砂和除鐵。
全文摘要
本發明公開了一種採用蒸汽爆破—定向酶解製取低聚木糖的方法。該方法包括植物纖維原料機械破碎、蒸汽爆破、內切木聚糖酶定向水解、酶解體系壓濾、微濾、超濾分離提純、陰離子交換樹脂精製、大孔酚醛吸附樹脂精製和減壓蒸發濃縮。本發明的製取低聚木糖的方法，將蒸汽爆破與定向酶解進行有機地結合以替代現有的酸、鹼抽提法或單一的蒸汽爆破法，不僅有效地降解和溶出了原料中的木聚糖，而且克服了其他工藝對酸、鹼化學品的消耗或者雜質眾多，尤其是有害物含量過高、後續分離精製成本昂貴的不足，可實現生產過程中無廢水的排放，大大簡化了木聚糖的抽提工藝，節約了操作工時，顯著地提高了低聚木糖生產的環境親和性和經濟效率。
文檔編號C12P19/14GK102080116SQ20101058586
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月14日 優先權日2010年12月14日
發明者餘世袁, 勇強, 徐勇, 朱漢生, 朱漢靜, 範麗 申請人:南京林業大學