专利名称：黄姜生产纤维素和葡萄糖的物理生物方法
技术领域：
本发明涉及以黄姜为原料连续生产纤维素和葡萄糖，并得到富含皂甙元的皂素提取原料的资源综合利用工艺和方法。本发明尤其涉及以物理分离方法和生物转化方法解除薯蓣皂甙与淀粉及纤维素的缔合作用，进而获得高品质的葡萄糖及纤维素产品，以及通过微生物发酵和少量酸水解制备成富含皂甙元的皂素提取原料的方法及工艺。
背景技术：
黄姜是我国特有品种，学名盾叶薯蓣，药用植物，现主要是利用其根壮茎提取具有药理活性的皂素。皂素主要用于生产甾体激素药物，可加工成皮质激素、性激素、孕激素三大类300多品种，被世界誉为“药中黄金”。此外，黄姜根茎中还含有45～50％的淀粉，可用于酿造工业生产酒精、酵母粉、葡萄糖等；大约40～45％的纤维素，可生产羧甲基纤维素；提取皂素的废液可提取农用核酸。由此看来，黄姜的深加工对带动地区的经济发展具有重要的作用。
目前我国对黄姜的加工利用主要是粗放型生产利用，造成了资源的极大浪费。现有的从黄姜中提取皂素的方法有常规酸水解法、发酵-酸水解法、酶解-酸水解法、超临界CO2萃取技术等。目前国内黄姜生产加工企业均采用化学水解法，简要工艺流程为黄姜粉碎、发酵、酸水解、水洗、过滤、汽油提取、浓缩结晶，即将黄姜根茎带水粉碎后恒温发酵或经过酶解，然后加压酸水解后中和或用大量水洗至中性，用石油醚或汽油提取即得薯蓣皂甙元产品。该法只利用了黄姜中含量仅占2％的皂素，而占98％的淀粉和纤维素等干物质成分没有被有效利用，造成资源的极大浪费，同时使得废水中COD、BOD浓度高，带来严重的污染问题，并且皂甙元的回收率比较低。
针对上述问题，专利200410060679.X描述了一种用直接分离法从黄姜中提取皂素的加工方法及设备。该方法的特点是完全采用物理方法，通过对黄姜粉碎和细磨，用筛分法和旋流分离方法将黄姜浆料中的纤维素和淀粉分离出来，再进行皂素提取。这种方法减少了硫酸及其它化学品的使用，使污水排放量进一步降低，减少浪费和污染，有利于环保。但是存在的问题是通过物理方法并不能使包裹在淀粉中的皂甙完全释放出来，从而使分离出的淀粉带出部分皂甙，降低了皂素的提取率，同时富含皂甙部分仍然有一定量淀粉存在，这依然是提取皂素的原料量大、废水COD偏高的根源。
专利03118914.8描述了一种联产薯蓣皂素、葡萄糖的洁净工艺方法，该法的特点是分步水解，先利用稀酸溶液对纤维素结晶，并将先期水解淀粉和已结晶纤维素转化为还原糖，然后对皂甙浓酸水解提取皂素。这种方法可以获得高品质的还原糖，对皂甙混合物的浓酸水解液体积小，不会有富营养的浓酸废液污染环境。但是该发明只是利用稀酸水解使部分淀粉及纤维素分解为还原糖，皂甙没有被完全释放出来，皂甙混合物仍然含有大量纤维素和淀粉，没有明显减少处理量和提高皂素提取率。
发明内容
本发明的目的克服上述技术的不足之处，提供一种能够使资源达到充分利用的黄姜前处理工艺，它不仅利用物理分离方法得到高纯度的纤维素，而且利用酶法将淀粉进行完全的生物转化，在得到高品质葡萄糖的同时，极大降低了皂甙的酸水解用量，并提高了皂素得率。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下该方法是按如下顺序的步骤进行(1)黄姜清洗后用水浸泡24-48小时；(2)将浸泡后的黄姜沥干进行粉碎研磨，得到黄姜浆料；(3)用机械振动筛对黄姜浆料进行筛分，得到上层纤维素，筛孔细度60～80目为宜；(4)对下层含有皂甙的淀粉溶液添加酶进行生物转化，使淀粉转化为还原糖，更多的皂甙被释放出来；(5)离心得到糖液和糖渣，糖液经纯化处理得到葡萄糖晶体，糖渣可进一步发酵酸水解，制得皂素。
按上述方案，在黄姜粉碎前要进行充分的浸泡，浸泡时间应使黄姜中的纤维素达到充分溶胀，可通过物理方法使其与淀粉和皂甙分离。所述的粉碎研磨是多次粉碎研磨，一般在2～4次左右，保证黄姜被完全粉碎，使纤维素与淀粉和皂甙得到充分分离。
按上述方案，所述的筛分是带水筛分，用水量应控制在所含淀粉的8～15倍左右，使淀粉和水的比例是最佳的生物转化条件。所述的淀粉转化是采用了双酶法，包括糊化液化、糖化、灭酶三步。转化条件是以皂素提取率为指标，淀粉完全转化的最优条件糖化酶用量为200～300U/g，糖化时间6～8h，温度50～65℃，pH3.5～4.5。
按上述方案，所述筛孔细度60～80目是筛分后上层纤维素含量最高，下层淀粉含量最高，皂甙全部存留在下层淀粉液中的筛分粒度。即筛分可以把黄姜浆料分为两部分上层纤维素和下层含有皂甙的淀粉溶液，实验的重要参数是筛孔细度，实验结果表明筛孔细度为60～80目时，上层纤维素含量最高，下层淀粉含量最高，皂甙全部存留在下层淀粉液中。
按上述方案，所述的糖液纯化方法包括脱色、脱盐、冷冻干燥和结晶。所述的糖渣处理包括复合微生物发酵和少量酸水解，以皂素提取率为处理指标。
本发明相比现有技术具有如下优点本发明具有资源化程度高、获得高纯度纤维素和葡萄糖产品、产生废弃物少、废水量少且宜处理，并且能够使皂甙完全释放，从而提高皂素得率等优点，具体如下1.本发明应用物理分离法对黄姜进行预处理，将植物体带水磨碎，把纤维束搓开，分离出纤维素，可以进一步进行羧甲基纤维化制得高附加值产品；2.对含有皂素的淀粉进行酶解生物转化，在制得葡萄糖产品的同时，可以使包围皂甙的严密的植物组织解体，皂甙或被水解形成的次级甙游离出来，催化剂能更容易地接触到皂甙分子，进行全面地催化水解作用；3.采用物理分离方法对黄姜进行预处理，将黄姜中的淀粉和纤维素分离出来，可以减少皂素的提取原料，在极大提高皂素的提取率的同时，节省了提取成本；4.减少了污水的排放量，同时由于没有了淀粉和纤维素，污水中的有机物含量会大大降低，污水处理也相对容易，减少了环境污染。
图1为本发明的工艺流程图具体实施方式
下面结合附图，列举2个实施例，对本发明加以进一步说明，但本发明不只限于这些实施例2(1)称量鲜黄姜2kg，清洗干净后，完全浸泡48h；(2)将黄姜沥干后，用碎粉机(1.1kw)分次粉碎研磨5min，制成黄姜浆料；(3)用机械振动筛进行筛分，筛孔细度为80目，同时分次加入5L水，将黄姜浆料中的纤维分离出来，筛网上层纤维重复粉碎研磨4次，以保证纤维素的完全分离，纤维素得率为96.12％，纯度为99.45％；(4)采用双酶法对下层淀粉溶液进行生物转化，于淀粉与水的比例为1∶13，淀粉溶液煮沸溶解为浆状，调节pH为6.5左右，加20U/g绝干淀粉的α-淀粉酶，70℃保温1h液化。加200U/g绝干淀粉的葡萄糖淀粉酶，调节pH值为4.5，65℃恒温糖化8h。(5)置于离心机中4000r/min15min离心取糖液，加热至80℃，维持20min灭酶，活性炭脱色，阴阳离子交换脱盐后，浓缩结晶得到葡萄糖晶体，葡萄糖转化率为90.91％。(6)离心所得糖渣进行微生物发酵和部分酸水解后制备皂素。
权利要求
1.黄姜生产纤维素和葡萄糖的物理生物方法，其特征在于该方法是按如下顺序的步骤进行(1)黄姜清洗后用水浸泡24-48小时；(2)将浸泡后的黄姜沥干进行粉碎研磨，得到黄姜浆料；(3)黄姜浆料进行筛分，得到上层纤维素，筛孔细度60～80目；(4)对下层含有皂甙的淀粉溶液，添加酶进行生物转化，使淀粉转化为还原糖，更多的皂甙被释放出来；(5)离心得到糖液和糖渣，糖液经纯化处理得到葡萄糖晶体；糖渣可进一步发酵酸水解，制得皂素。
2.按权利要求1所述的黄姜生产纤维素和葡萄糖的物理生物方法，其特征在于所述的(1)中黄姜粉碎前的浸泡，其浸泡时间应使黄姜中的纤维素达到充分溶胀，可通过物理方法使其与淀粉和皂甙分离。
3.按权利要求1所述的黄姜生产纤维素和葡萄糖的物理生物方法，其特征在于所述的(2)中粉碎研磨，是2～4次粉碎研磨，使纤维素与淀粉和皂甙得到充分分离。
4.按权利要求1所述的黄姜生产纤维素和葡萄糖的物理生物方法，其特征在于所述的(3)中筛孔细度60～80目是筛分后上层纤维素含量最高，下层淀粉含量最高，皂甙全部存留在下层淀粉液中的筛分粒度；所述的(3)中筛分是带水筛分，用水量应控制在所含淀粉的8～15倍，使淀粉和水的比例是最佳的生物转化条件。
5.按权利要求1所述的黄姜生产纤维素和葡萄糖的物理生物方法，其特征在于所述的(4)中淀粉转化，是采用了双酶法，包括糊化液化、糖化、灭酶三步；转化条件是以皂素提取率为指标，淀粉完全转化的最优条件糖化酶用量为200～300U/g，糖化时间6～8h，温度50～65℃，pH3.5～4.5。
6.按权利要求1所述的黄姜生产纤维素和葡萄糖的物理生物方法，其特征在于所述的(5)中糖液纯化方法，是脱色、脱盐、冷冻干燥和结晶；所述的(5)中糖渣处理，是复合微生物发酵和少量酸水解。
全文摘要
黄姜生产纤维素和葡萄糖的物理生物方法，涉及以黄姜为原料连续生产纤维素和葡萄糖，并得到富含皂甙元的皂素提取原料的资源综合利用工艺和方法。该方法是按如下顺序的步骤进行先用物理分离法将黄姜中纤维素分离出来，再利用酶法将淀粉转化为还原糖，并通过简单处理得到高品质的葡萄糖，剩余部分可通过微生物发酵和少量酸水解制备成富含皂甙元的皂素提取原料。本发明优点是对黄姜进行预处理分离出纤维素并将淀粉转化为葡萄糖，可使黄姜中的皂甙得到充分释放，提高了皂素的提取率，并大大减少酸的用量，以及废水中的高有机质，减轻了废水处理量和处理难度。同时得到高附加值的纤维素和葡萄糖产品，达到了黄姜资源的清洁生产和综合利用。
文档编号D21B1/12GK1840676SQ20061000089
公开日2006年10月4日 申请日期2006年1月17日 优先权日2006年1月17日
发明者黄文 , 倪晋仁, 张劲, 刘葳 申请人:北京大学