一種活性炭吸附乙醇解吸附同步生產不同品質低聚木糖的方法與流程
2023-11-30 19:25:16 3
本發明屬於化工、食品技術領域，特別涉及一種低聚木糖食品和飼料添加劑的製備方法。
背景技術：
玉米秸稈作為國內最具代表性的木質纖維素原料，開發其加工利用技術意義深遠。與此同時，半纖維素作為玉米秸稈中重要組成成分，其在自然界中的總儲量僅次於纖維素，是世界第二大類雜化多糖。基於複雜多樣的結構特性及其所具有的生理活性功能，使得半纖維素具有巨大的研究和利用價值。而作為半纖維素最重要的轉化產品之一的低聚木糖，除具有功能性低聚糖的一般特效，如高效選擇性增殖雙歧桿菌、促進鈣的吸收、降低血糖含量、抗齲齒等，還具有有效用量少，酸、熱穩定性好等獨特性質。
在低聚木糖生產工藝中，活性炭由於其高吸附性，安全無毒等特點，廣泛應用於糖液脫色，國內外不少製造精糖的企業採用活性炭處理糖液。中國農業大學公開了「低聚木糖的製備方法」(申請號01131171.1)，該方法以玉米芯為原料，經鹼金屬氫氧化物溶液預處理後，在弱酸型催化劑作用下採用直熱蒸煮裂解的方式溶出木聚糖，經酶解所得低聚木糖溶液採用活性炭粉脫色，最終製得高純度低聚木糖產品，但該法低聚木糖產率較低，因而相對經濟效益低。山東龍力生物科技有限公司公開了「一種低聚木糖各組分的分離純化方法」(申請號200910017913.3)，該方法用活性炭柱對低聚木糖液進行吸附，隨後採用0-45％(v/v)濃度的乙醇逐級洗脫，各收集液分別經冷凍乾燥得到高純度木二糖-木七糖，但該方法操作周期較長，乙醇最高濃度為45％，高聚合度低聚木糖洗脫不徹底造成產品產量較低。華僑大學的李夏蘭等人公開了「麥槽中阿魏酸及低聚木糖分離純化的方法」(申請號201210331544.7)，該方法將經過乙醇處理後的麥糟不溶物酶解，隨後採用活性炭吸附，用0-45％(v/v)濃度的乙醇逐級洗脫得低聚木糖，2％(v/v)的NaOH溶液洗脫得阿魏酸，該方法實現同步分離麥糟中的低聚木糖和阿魏酸，但實驗周期較長，同樣存在高聚合度低聚木糖洗脫不徹底產率較低的問題，同時未充分考慮到不同濃度梯度的乙醇洗脫所得低聚木糖品質不同。
技術實現要素：
本發明旨在使用不同濃度梯度乙醇逐級洗脫同步生產不同品質的低聚木糖，提供一種適用、簡便的低聚木糖生產工藝。本發明的優勢在於以簡便的工藝同步生產符合飼料添加劑和食品添加劑質量標準的不同品質的低聚木糖；本工藝生產成本較低，相對經濟性較好，具有良好的工業應用潛質。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
(1)風乾、粉碎後的玉米秸稈粉分別經水和乙醇浸泡，以除去水溶性和脂溶性非結構成分，隨後採用亞氯酸鈉酸性溶液脫除木質素，得綜纖維素。水溶性多糖、澱粉以及無機物等水溶性大分子的存在明顯增大糖液的粘度，降低固液分離速率；而脂溶性物質中蠟質層的存在會使木質纖維素具有疏水性，阻礙酶分子接觸半纖維素表面；類脂物中的磷脂在加熱或者酸鹼性環境下易水解，形成泡沫和乳濁液，色素的存在則會使木聚糖液的色澤加深。基於此，需對原料進行預處理，以減少產物中的雜質含量並降低產品色值。木質纖維素原料中半纖維素與木質素以共價鍵緊密連接，為了促進半纖維素的溶出，使用亞氯酸鈉酸性溶液脫除木質素。
(2)將綜纖維素用NaOH溶液抽提製得粗木聚糖液。在眾多半纖維素提取方法中，鹼法提取可以得到提取過程降解較少，聚合度較高，水解過程中酶的可及性較高的半纖維素。常用鹼溶液有KOH、NaOH，由於Na+的水化陽離子較K+的水化陽離子大，故NaOH對半纖維素的抽提能力強於KOH。
(3)粗木聚糖液經部分除鹽後使用鹼性木聚糖酶酶解，得到低聚木糖酶解液，酶解液調節pH到4，靜置後液固分離去除酶解渣。鹽分中的金屬離子常常是酶的抑制劑或促進劑，且各種金屬離子對於不同狀態、不同類型的酶有著不同的作用效果。適宜的鹽分含量對於木聚糖酶有著一定的激活作用，但最適鹽分濃度則與木聚糖酶種類有關。實驗結果和文獻分析顯示木聚糖在酶解之前無需將其所含鹽分完全去除，保留適當濃度的鹽分反而對木聚糖的酶解有一定的促進作用。本方法中5-10mg/mL的鹽分存在，會明顯促進鹼性木聚糖酶的活性。將酶解液pH調節至4.0，靜置一段時間，殘留木質素溶出，抽濾脫除不溶木質素等酶解渣。
(4)在去渣酶解液中添加2％-4％(w/v)木質粉末活性炭，和0-2％(w/v)的木質顆粒活性炭，初始pH 4-6，40-70℃攪拌條件下吸附30-60min。研究發現活性炭的粒度對糖液中寡糖吸附率以及後續抽濾速度都有顯著影響。粉末狀活性炭吸附性能優於顆粒狀活性炭，隨著活性炭粒度的減少，寡糖吸附率呈上升趨勢，不過隨之而來的就是後續抽濾和乙醇洗脫的速度問題。經過反覆優化，發現使用2％-4％(w/v)目數為200-270目的木質粉末活性炭，和0-2％(w/v)的目數為5-10目的木質顆粒活性炭，將粒度大小不同的粉末和顆粒活性炭按一定比例混合，既保證較優的吸附性能的同時又能獲得理想的抽濾速度。同時考察活性炭用量、吸附溫度、吸附時間以及初始pH對活性炭吸附效果的影響。
(5)吸附反應結束後，吸附液中添加1％-3％(w/v)硅藻土，過濾，固液分離，使活性炭濾餅質量在0.3-0.6g/cm2，待下步洗脫。為進一步提高抽濾速度，解決低聚木糖生產過程中活性炭抽濾速度慢的問題，本研究在加入助濾劑硅藻土的同時，又探究了活性炭濾餅厚度對抽濾速度的影響。期望找到一個合適的濾餅厚度，保證抽濾效果的同時，進一步加快抽濾速度，縮短實驗周期。研究發現當濾餅活性炭量為0.3-0.6g/cm2時，具有很好的抽濾效果，既保證濾液澄清無漏炭現象，兼有良好的抽濾速度。
(6)使用多個級別，濃度依次由低到高的乙醇水溶液進行梯級洗脫，第一級乙醇濃度為0-10％(v/v)，最後一級乙醇濃度為70％(v/v)，中間採用1-4級進行洗脫，濃度在0-70％(v/v)之間依次增加，洗脫液分別經減壓濃縮，冷凍乾燥後得低聚木糖產品。研究發現，不同濃度的乙醇可以洗脫不同聚合度的低聚木糖，當低聚木糖分子量越高時，其聚合度越大，需要濃度更高的乙醇才能將其從活性炭表面洗脫下來。本方法使用3-6級濃度依次由低到高的乙醇水溶液進行梯級洗脫，同步生產不同品質的低聚木糖。根據低聚木糖的品質高低可作不同用途，前1-2級洗脫所得低聚木糖純度偏低，可用作飼料添加劑，後3-6級洗脫所得低聚木糖純度在95％以上，可作為功能性食品原料。
本發明具有以下特點和優勢：
(1)木質粉末活性炭和木質顆粒活性炭按比例混合，既保證吸附性能又進一步提高後續抽濾速度，同時對吸附條件進行優化，顯著提高糖液中寡糖吸附率，進而提高低聚木糖產量；
(2)採用不同濃度梯度乙醇逐級洗脫，同步生產不同品質的低聚木糖；
(3)該工藝生產成本較低，相對經濟性較好，同時流程簡單且實用性強，具有良好的工業應用潛質。
附圖說明
圖1低聚木糖生產工藝
1，玉米秸稈；2，綜纖維素；3，酶解液；4，脫色液；5，活性炭；6，一級洗脫液；7，一級洗脫活性炭；8，二級洗脫液；9，二級洗脫活性炭；10，五級洗脫活性炭；11，六級洗脫液；12，六級洗脫活性炭；13，低聚木糖。
a，預處理(水提、醇提、脫木質素)；b，酶解；c，活性炭吸附；d，一級乙醇洗脫；e，二級乙醇洗脫；f，六級乙醇洗脫；g，冷凍乾燥。
圖2低聚木糖中各成分質量分數
圖3低聚木糖中寡糖回收率
具體實施方式
下面通過實施例對本發明做進一步說明。
實施例
玉米秸稈風乾後用高速碾磨機進行粉碎，收集粒徑在2mm以下的秸稈粉備用；將100g秸稈粉與去離子水按固液比1:8(g/mL)混合，在80℃下熱水抽提2h，且每過一小時更換一次去離子水，以除去秸稈中的水溶性非結構成分，得到水不溶秸稈；再將水不溶秸稈與95％(w/v)的乙醇按固液比1:5(g/mL)混合，在60℃下抽提2h，且每過一小時更換一次乙醇，以除去秸稈中的脂溶性非結構成分，得到脫脂秸稈；將上述脫脂秸稈與6％(w/v)亞氯酸鈉溶液按固液比7.5:100(g/mL)混合，且亞氯酸鈉溶液用乙酸調節pH至3.6-3.8，在75℃下處理2h以除去秸稈中的木質素，得到綜纖維素；將綜纖維素用質量分數10％的NaOH溶液在固液比1:10(g/mL)，90℃條件下抽提2h，反應結束後抽濾使固液分離，濾渣用去離子水洗滌至中性後乾燥得纖維素，合併後的提取液(濾液+洗滌液)用濃鹽酸調節pH至5.0製得粗木聚糖液；粗木聚糖液使用截留分子量為1000的膜透析除鹽；除鹽後的木聚糖液調節濃度至2％(w/v)，鹽濃度為8mg/ml，使用1％(w/w)鹼性木聚糖酶在pH 8.0，溫度50℃，攪拌條件下酶解4h得酶解液；酶解液調節pH至4.0，靜置一段時間後抽濾去除酶解渣，在酶解液中添加2.5％(w/v)200目的木質活性炭粉末和1％(m/v)目數為5目的木質活性炭顆粒吸附後，在初始pH 4，60℃攪拌條件下吸附30min。然後加入2％(m/v)的硅藻土，抽濾。抽濾時，根據漏鬥過濾面積，計算酶解液的體積，使濾餅質量為0.3g/cm2。使用等體積濃度分別為10％、30％、50％、70％(v/v)乙醇逐級洗脫，洗脫液分別經減壓濃縮，冷凍乾燥後得低聚木糖產品。
所得低聚木糖產品經高效液相色譜儀測定其單糖和低聚木糖含量。如圖2所示，10％乙醇洗脫得到的低聚木糖固體中鹽含量為30.59％，說明最先用低濃度乙醇洗脫活性炭時鹽分隨著低聚合度寡糖一起進入到洗脫液中，隨後乙醇濃度升高，洗脫下來的鹽含量減少，寡糖純度升高。從圖3可以明顯看出，被洗脫下來的木二糖和木三糖絕大部分由10％和30％乙醇洗脫。同時，30％乙醇洗脫得到的低聚木糖中以木五糖和木六糖為主，而50％乙醇洗脫得到的低聚木糖中主要包括木六糖和木七糖，說明不同濃度乙醇洗脫低聚木糖聚合度不同，分子量越高，聚合度越高，需要高濃度乙醇洗脫。使用10％和30％乙醇洗脫的低聚木糖經檢測符合飼料用低聚木糖的質量標準，而50％和70％乙醇洗脫的低聚木糖最終產品符合食品添加劑的質量標準。