專利名稱：低聚木糖的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將玉米芯中的半纖維素轉(zhuǎn)化為低聚木糖的方法，屬食品加工領(lǐng)域。
低聚木糖亦稱木寡糖(xylooligosaccharides)，由2～7個D-木糖以β-1，4-木糖苷鍵結(jié)合而成，是功能性低聚糖家族中的一個重要成員。它的甜度比蔗糖和葡萄糖均低，與麥芽糖差不多，約為蔗糖的40％。低聚木糖對pH值及熱的穩(wěn)定性較好，即使是在酸性條件(pH＝2.5～7)加熱也基本不分解，適合用于酸奶、乳酸菌飲料和碳酸飲料等酸性飲料中。下圖為低聚木糖的主要成分及化學(xué)結(jié)構(gòu)。 低聚木糖極難被消化吸收，腸道內(nèi)殘存率高，具有極好的雙歧桿菌增殖性，其選擇利用性高于其它功能性低聚糖。目前業(yè)已研究確認的低聚木糖的生理功能主要包括(1)提供較低的能量，滿足喜食甜品又擔(dān)心發(fā)胖者的要求，還可供糖尿病人、肥胖病人和高血壓病人食用；(2)活化腸道內(nèi)雙歧桿菌并促進其增殖，抑制病原菌，防止腹瀉；(3)防止便秘；(4)降低血清中膽固醇含量、降低血壓、生成營養(yǎng)物質(zhì)、增強機體免疫力和抵抗腫瘤；(5)不會引起齲齒，有利于口腔健康；(6)清除腸內(nèi)毒素。
低聚木糖一般是以富含木聚糖的植物資源，如木屑、玉米芯、棉籽殼、稻殼和菜籽殼等為原料，經(jīng)過內(nèi)切型木聚糖酶水解后，再進行分離、精制而制得。我國玉米芯資源豐富，但關(guān)于從玉米芯中提取低聚木糖的方法卻未見報導(dǎo)。
本發(fā)明的目的是要提供一種用玉米芯做原料的低聚木糖的制備方法。
為了達到本發(fā)明的目的所采取的技術(shù)方案包括采用堿金屬氫氧化物溶液預(yù)處理玉米芯粉、水洗、玉米芯粉中木聚糖的溶出、木聚糖酶水解反應(yīng)及低聚木糖溶液的脫色、除雜、濃縮及干燥技術(shù)，其中(1)玉米芯粉預(yù)處理所采用的堿金屬氫氧化物溶液為氫氧化鉀、氫氧化鈉等溶液，預(yù)處理時，堿金屬氫氧化物溶液的濃度為0.5％～1.5％，處理溫度30℃～60℃，時間30min～120min，玉米芯粉與堿金屬氫氧化物溶液重量比為1∶8～1∶12；(2)玉米芯粉中木聚糖的溶出采用直熱蒸煮裂解方式，蒸煮溫度為155℃～180℃，蒸煮時間30min～120min，玉米芯粉與水的重量比為1∶6～1∶10，蒸煮過程中使用弱酸型催化劑如乙酸、甲酸、檸檬酸等，添加量為玉米芯粉重量的0.2％～1.5％；(3)酶水解反應(yīng)使用的是sp.E-86型木聚糖酶液，酶水解反應(yīng)溫度45℃～60℃，酶水解反應(yīng)時間4h～10h，木聚糖酶液與玉米芯粉的比為1ml/1.2g～1ml/1.6g，木聚糖酶液酶活性為50UI/ml～70UI/ml；(4)低聚木糖溶液的脫色采用活性炭粉，具體條件為脫色溫度80℃，活性炭與糖液的體積比為0.5％～1.5％，脫色時間25min～40min；(5)低聚木糖溶液采用強酸型陽離子樹脂如E306FG及大孔弱堿型陰離子交換樹脂如D001進行除雜。
上述的低聚木糖的制備方法中，玉米芯粉預(yù)處理所用最佳堿金屬氫氧化物為氫氧化鈉，最優(yōu)濃度為0.7％，最優(yōu)溫度為55℃，最優(yōu)處理時間為60min，最佳料液重量比為1∶10。
上述的低聚木糖的制備方法中，玉米芯粉進行直熱蒸煮裂解時，最佳蒸煮溫度為165℃，蒸煮時間120min，最佳催化劑為乙酸，添加量為玉米芯粉重量的0.5％。
上述的低聚木糖的制備方法中，木聚糖酶水解反應(yīng)最佳溫度為55℃，反應(yīng)時間8h，木聚糖酶液與玉米芯粉的比為1ml/1.45g，木聚糖酶液酶活性為60UI/ml。
上述的低聚木糖制備方法的脫色過程中，活性炭與糖液的最佳體積比為1％，脫色時間30min。
上述的低聚木糖的制備方法中，采用雙效真空濃縮，第一次濃縮為75℃下，將低聚木糖糖液濃縮到總糖含量15％～20％的糖漿；第二次濃縮為75℃下，將低聚木糖糖液濃縮到總糖含量55％～75％的糖漿。
上述的低聚木糖的制備方法中，可采用噴霧干燥法制備低聚木糖糖粉劑，噴霧干燥時熱風(fēng)的進口溫度為130℃～160℃，出口溫度為65℃～85℃，物料流量為0.8～1.2m3/h，塔內(nèi)滯留時間10秒～20秒，賦形劑為麥芽糊精、β-環(huán)糊精或玉米淀粉。
上述的低聚木糖的制備方法中，制備低聚木糖糖粉劑最適賦形劑為麥芽糊精。
上述制備方法中，木聚糖酶的選擇和制備工藝以及直熱汽爆裂解過程中催化劑和反應(yīng)條件的選擇是關(guān)鍵。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)采用堿金屬氫氧化物如氫氧化鉀、氫氧化鈉等溶液在一定溫度和時間條件下對玉米芯進行預(yù)處理，脫除了玉米芯中的大部分木質(zhì)素，并使其組織結(jié)構(gòu)變得相對疏松，有利于玉米芯中木聚糖的溶出；(2)采用高溫蒸煮和直熱汽爆相結(jié)合即直熱蒸煮裂解的方式處理玉米芯，將玉米芯中的木聚糖最大限度的溶解出來，即提高了工作效率，又降低了設(shè)備的造價，使得低聚木糖工業(yè)化生產(chǎn)變得相對容易和簡便；(3)選擇由spE-86菌株產(chǎn)的木聚糖酶液水解由直熱蒸煮裂解玉米芯所得的木聚糖液可得到以木二糖為主的低聚木糖產(chǎn)品。
本發(fā)明的詳細流程框圖如下玉米芯↓除雜↓粉碎↓預(yù)處理↓水洗↓調(diào)漿↓高溫蒸煮裂解↓汽液分離↓木聚糖酶水解 本發(fā)明提供了一種用酶法和物理化學(xué)相結(jié)合的手段使玉米芯粉中的半纖維素轉(zhuǎn)化成低聚木糖的方法。該方法包括將原料玉米芯在堿金屬氫氧化物如氫氧化鉀、氫氧化鈉等水溶液中，一定溫度30℃～60℃和時間30min～120min下進行預(yù)處理；將經(jīng)預(yù)處理后的玉米芯在弱酸型催化劑如乙酸、甲酸、檸檬酸等作用下采用直熱蒸汽于155℃～180℃高溫裂解30min～120min；將直熱裂解所得的玉米芯粉混合物于45℃～60℃溫度在木聚糖酶液作用下，反應(yīng)4h～10h，然后升溫至90℃～105℃，保溫10min～30min；將所得低聚木糖糖液通過活性炭脫色和陽離子交換樹脂如E306FG及陰離子交換樹脂如D001除雜，再真空濃縮為55％～75％的糖液，以麥芽糊精、β-環(huán)糊精或玉米淀粉為賦形劑，經(jīng)噴霧干燥得總糖含量為20％～50％的低聚木糖粉劑。
本發(fā)明采用的sp.E-86型木聚糖酶液是由鏈霉菌sp.E-86菌株經(jīng)液體發(fā)酵制得。
為更好的脫除所得低聚木糖糖液的顏色，本發(fā)明的活性炭脫色可為兩次。
本發(fā)明離子交換樹脂除雜過程為陽陰陽，低聚木糖糖液溫度小于45℃，每小時低聚木糖糖液流速為樹脂體積的1～2倍，所得糖液的電導(dǎo)率小于50VS/cm，pH為4.5～6.0。
本發(fā)明用以下的實例說明實施例1稱取40目～60目的玉米芯粉500kg，加入4000L含0.7％的氫氧化鈉的溶液中，75rpm條件下攪拌均勻，55℃攪拌處理60min。離心過濾，水洗濾餅至pH為7.0。用水將濾餅調(diào)成漿，固液比為1∶8，加入2.5kg乙酸，在160℃下蒸煮裂解2h后，經(jīng)汽液分離器進入酶解罐，冷卻至55℃。分別用1mol/ml鹽酸溶液和1mol/ml的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)液的pH到5.5，按1ml酶液/1.45g玉米芯粉的量加入sp.E-86型木聚糖酶液，其酶活性為60UI/ml，酶解反應(yīng)8h后，在90℃保溫滅活15min，冷卻到60℃進行板框過濾。在糖液中加入總體積1％的活性炭粉，80℃攪拌脫色30min，過濾，在75℃將糖液濃縮為總糖含量為15％的低聚木糖糖漿。將15％糖漿進行二次脫色，脫色條件與第一次相同。然后將經(jīng)過兩次脫色的糖漿上離子交換樹脂柱進行除雜，糖液電導(dǎo)率小于50VS/cm，pH5.0。最后在75℃下，將糖液濃縮至總糖含量為70％的淺黃色粘稠狀低聚木糖糖漿，得率8.8％。
實施例2稱取40目～60目的玉米芯粉500kg，加入4000L含0.5％的氫氧化鈉的溶液中，75rpm條件下攪拌均勻，55℃攪拌處理60min。離心過濾，水洗濾餅至pH為7.0。用水將濾餅調(diào)成漿，固液比為1∶8，加入2.0kg檸檬酸，在160℃下蒸煮裂解2h后，經(jīng)汽液分離器進入酶解罐，冷卻至55℃。分別用1mol/ml鹽酸溶液和1mol/ml的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)液的pH到5.5，按1ml酶液/1.3g玉米芯粉的量sp.E-86型木聚糖酶液，其酶活性為70UI/ml，酶解反應(yīng)6h后，在90℃保溫滅活15min，冷卻到60℃進行板框過濾。在糖液中加入總體積1％的活性炭粉，80℃攪拌脫色30min，過濾，在75℃將糖液濃縮為總糖含量為20％的低聚木糖糖漿。將20％糖漿進行二次脫色，脫色條件與第一次相同。然后將經(jīng)過兩次脫色的糖漿上離子交換樹脂柱進行除雜，糖液電導(dǎo)率小于50VS/cm，pH5.0。最后在75℃下，將糖液濃縮至總糖含量為70％的淺黃色粘稠狀低聚木糖糖漿，得率8.5％。
實施例3稱取40目～60目的玉米芯粉500kg，加入4000L含0.7％的氫氧化鈉的溶液中，75rpm條件下攪拌均勻，55℃攪拌處理60min。離心過濾，水洗濾餅至pH為7.0。用水將濾餅調(diào)成漿，固液比為1∶8，在165℃下蒸煮裂解2h后，經(jīng)汽液分離器進入酶解罐，冷卻至55℃。分別用1mol/ml鹽酸溶液和1mol/ml的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)液的pH到5.5，按1ml酶液/1.45g玉米芯粉的量加入sp.E-86型木聚糖酶液，其酶活性為60UI/ml，酶解反應(yīng)8h后，在90℃保溫滅活15min，冷卻到60℃進行板框過濾。在糖液中加入總體積1％的活性炭粉，80℃攪拌脫色30min，過濾，在75℃將糖液濃縮為總糖含量為15％的低聚木糖糖漿。將15％糖漿進行二次脫色，脫色條件與第一次相同。然后將經(jīng)過兩次脫色的糖漿上離子交換樹脂柱進行除雜，糖液電導(dǎo)率小于50VS/cm，pH5.0。最后在75℃下，將糖液濃縮至總糖含量為70％的淺黃色粘稠狀低聚木糖糖漿，得率7.6％。
實施例4在按實施例1中的條件和步驟制得的100kg 40％的低聚木糖糖漿，加入含量為98％的麥芽糊精120kg，在進口溫度145℃，出口溫度85℃，物料流量為1.0m3/h條件下進行噴霧干燥，得到含量25％的低聚木糖粉狀產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種低聚木糖的制備方法包括采用堿金屬氫氧化物溶液預(yù)處理玉米芯粉、水洗、玉米芯粉中木聚糖的溶出、木聚糖酶水解反應(yīng)及低聚木糖溶液的脫色、除雜、濃縮及干燥技術(shù)，其中(1)玉米芯粉預(yù)處理所采用的堿金屬氫氧化物溶液為氫氧化鉀、氫氧化鈉等溶液，預(yù)處理時，堿金屬氫氧化物溶液的濃度為0.5％～1.5％，處理溫度30℃～60℃，時間30min～120min，玉米芯粉與堿金屬氫氧化物溶液重量比為1∶8～1∶12；(2)玉米芯粉中木聚糖的溶出采用直熱蒸煮裂解方式，蒸煮溫度為155℃～180℃，蒸煮時間30min～120min，玉米芯粉與水的重量比為1∶6～1∶10，蒸煮過程中使用弱酸型催化劑如乙酸、甲酸、檸檬酸等，添加量為玉米芯粉重量的0.2％～1.5％；(3)酶水解反應(yīng)使用的是sp.E-86型木聚糖酶液，酶水解反應(yīng)溫度45℃～60℃，酶水解反應(yīng)時間4h～10h，木聚糖酶液與玉米芯粉的比為1ml/1.2g～1ml/1.6g，木聚糖酶液酶活性為50UI/ml～70UI/ml；(4)低聚木糖溶液的脫色采用活性炭粉，具體條件為脫色溫度80℃，活性炭與糖液的體積比為0.5％～1.5％，脫色時間25min～40min；(5)低聚木糖溶液采用強酸型陽離子樹脂如E306FG及大孔弱堿型陰離子交換樹脂如D001進行除雜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低聚木糖的制備方法，其玉米芯粉預(yù)處理所用最佳堿金屬氫氧化物為氫氧化鈉，最優(yōu)濃度為0.7％，最優(yōu)溫度為55℃，最優(yōu)處理時間為60min，最佳料液重量比為1∶10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低聚木糖的制備方法，其玉米芯粉進行直熱蒸煮裂解時，最佳蒸煮溫度為165℃，蒸煮時間120min，最佳催化劑為乙酸，添加量為玉米芯粉重量的0.5％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低聚木糖的制備方法，其木聚糖酶水解反應(yīng)最佳溫度為55℃，反應(yīng)時間8h，木聚糖酶液與玉米芯粉的比為1ml/1.45g，木聚糖酶液酶活性為60UI/ml。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低聚木糖的制備方法，在脫色過程中活性炭與糖液的最佳體積比為1％，脫色時間30min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低聚木糖的制備方法，本發(fā)明采用雙效真空濃縮，第一次濃縮為75℃下，將低聚木糖糖液濃縮到總糖含量15％～20％的糖漿；第二次濃縮為75℃下，將低聚木糖糖液濃縮到總糖含量55％～75％的糖漿。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低聚木糖的制備方法，本發(fā)明可采用噴霧干燥法制備低聚木糖糖粉劑，噴霧干燥時熱風(fēng)的進口溫度為130℃～160℃，出口溫度為65℃～85℃，物料流量為0.8～1.2m3/h，塔內(nèi)滯留時間10秒～20秒，賦形劑為麥芽糊精、β-環(huán)糊精或玉米淀粉。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低聚木糖的制備方法，制備低聚木糖糖粉劑最適賦形劑為麥芽糊精。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低聚木糖的制備方法，屬食品加工領(lǐng)域。目的是實現(xiàn)玉米芯中半纖維素轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)低聚木糖的工業(yè)化生產(chǎn)方法。具體技術(shù)方案包括將原料玉米芯在堿金屬氫氧化物水溶液中進行預(yù)處理；然后在弱酸型催化劑如乙酸、甲酸、檸檬酸等作用下進行直熱裂解；直熱裂解后與木聚糖酶液反應(yīng)，通過活性炭脫色和離子交換樹脂除雜，再真空濃縮，可以麥芽糊精等為賦形劑，經(jīng)噴霧干燥得低聚木糖粉劑。
文檔編號C13K13/00GK1403591SQ0113117
公開日2003年3月19日 申請日期2001年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月5日
發(fā)明者李里特, 石波, 程少博, 白慶林 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 山東龍力生物科技有限公司