本发明涉及食品加工领域，涉及一种低聚木糖制备工艺，属于功能糖醇生产
技术领域：
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背景技术：
：低聚木糖是低聚糖的一种，是由β-1，4-内切木聚糖酶以木聚糖为底物、水解β-1，4糖苷键形成的聚合度为2-7的低聚糖，其中木二糖和木三糖为主要有效成分。由于低聚木糖可以改善有机体(人和动物)消化道菌群平衡，促进消化道有益细菌的生长，抑制有害微生物的繁殖，促进营养吸收，提高机体免疫力，目前被广泛应用于食品、保健品及饲料领域。不仅如此，低聚木糖甜度低、低热量，难以被胃消化而进入肠道，基本上不增加血糖血脂，可以在低能量食品中发挥作用，最大限度满足那些甜味食品又担心发胖者的要求，还可以提供糖尿病人、肥胖病人和高血糖病人使用。低聚木糖制备工艺现已公开的低聚木糖工艺制备方法200410023875.X及200410013840.8，二者分别酶解液中低聚木糖含量70％～76％，均经纳滤膜循环提纯得到低聚木糖含量＞90％以上，其中含2％～5％的单糖、1％～5％的七糖或七糖以上大分子物质；专利201210136672.6采用色谱分离技术来实现低聚木糖、木糖、阿拉伯糖三种组分的分离，在整个生产过程中虽然比纳滤用水量和整个能耗低，但整个过程仍然需要投资新设备，然而在提纯过程中低聚木糖收率仅为80％，其余部分分离至木糖液中，直接降低了产品得率。技术实现要素：本
发明内容是针对现有生产技术上的难点，创新性提供一种高纯度低聚木糖的制备方法。本发明的优点在于首先通过脱乙酰基去除半纤维素原料中侧链的乙酰基与单糖，然后通过预处理、酶解、发酵，使低聚木糖纯度达90％以上，发酵前后低聚木糖组分XOS2-7含量没有变化，同时该方法制备的低聚木糖产品色泽浅、pH稳定。本发明不仅能大幅度降低能源消耗，提高产品收率，减少污染物排放，对环境更为友好，而且产品可以广泛被糖尿病患者及高血糖患者食用，是一种新型绿色高值转化制备低聚木糖的技术。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种高纯度低聚木糖生产方法，具体步骤包括：(1)将半纤维素原料浸泡在pH8-10的水溶液中，浸泡，然后过滤，滤液可循环反复使用；(2)将过滤后的半纤维素残渣加入酸，调节pH至2～4，然后进行蒸煮；(3)向步骤(2)中处理后的物料加入木聚糖酶和葡聚糖酶，酶活比例20～5:1，木聚糖酶添加量为5-50IU/g，40～60℃酶解2-10h；(4)酶解后，接种树干毕赤酵母、白球拟酵母、近平滑假丝酵母的一种或多种，进行好氧发酵，总单糖含量占总糖含量低于10％，升温灭酶；(5)灭酶后过滤获得低聚木糖酶解液，然后进行活性炭脱色和离子交换树脂除杂；(6)将纯化后低聚木糖糖液由5～10％的质量浓度浓缩至浓度为40％～75％；(7)将浓缩后的低聚木糖糖液进行真空带式干燥，得到高纯度低聚木糖粉末。本发明所述的种高纯度低聚木糖生产方法的高纯度是指纯度等于大于90％，或者等于大于93％，或者等于大于96％，或者等于大于99％，优选的为等于93.22％、94.76％、96.14％、97.95％。步骤(1)中，从得到的低聚木糖的纯度来讲，所述半纤维素原料为玉米芯、棉籽壳、稻草、秸秆、竹子等富含半纤维素原料，优选玉米芯。本发明采用了pH8-10的弱碱性水溶液对原料进行了前处理，可以将原料中的木聚糖主链上的乙酰基、葡萄糖基、阿拉伯糖基去除，使得产品单糖含量大幅度降低，有利于提高产品聚糖所占比例。基于可以最大程度的除去木聚糖主链上的乙酰基、葡萄糖基、阿拉伯糖基，本发明选择pH为8-10的弱碱性水溶液。若是碱性过高，会破坏木聚糖的结构，降低低聚木糖收率，若是碱性过低，起不到去除杂糖链、乙酰基及少量木质素和胶质的效果。所述pH8-10的水溶液可以采用强碱或弱碱进行调节，可以是液体碱也可以是固体碱，其中优选氢氧化钠、氢氧化钾和氨水。从前处理效果来讲，所述浸泡条件为：在10～100℃条件下浸泡0.5～24h；优选的，所述温度为50～60℃。从浸泡效果来讲，优选的，半纤维素原料与水溶液的比例(固液比)为1：5～10(g/mL)。步骤(2)中，该步骤采用加酸后直接进入蒸煮阶段，这样做的好处是：采用酸法蒸煮可以实现半纤维素与纤维素的剥离，半纤维素以木聚糖形式溶出在溶液中。将pH调节至2～4的原因是通过此条件下蒸煮实现木聚糖降解为分子量大于800以上比例占60％以上，分子量大于250以上占90％以上，若pH>2，木聚糖进一步降低为低分子量的产物，同时单糖含量升高；若pH>4，木聚糖溶出率过低。优选的，为得到更好的蒸煮效果，加酸蒸煮条件为：0.4～1.0MPa蒸煮5～120min。所述调节pH至2.0～4.0所述的酸，可以是强酸，也可以是弱酸，优选是盐酸、硫酸、醋酸、柠檬酸、乳酸。步骤(3)中，所述木聚糖酶可以是中温木聚糖酶或高温木聚糖酶，其中为了使得XOS2-4>65％，优选耐高温木聚糖酶。木聚糖酶添加量为5-50IU/g，是指每1g步骤(2)中处理后的物料加入5-50IU活性的木聚糖酶。本发明通过筛选优化得到合适的木聚糖酶与葡聚糖酶酶添加量及其酶活性比例，使得到的产品中含有较高含量的木二糖和木三糖，益生增殖效果明显。步骤(4)中，发酵条件优选为：30～37℃好氧发酵6～90h。根据步骤(3)中的酶解液，本发明经过筛选优化选择接种树干毕赤酵母CICC1960或白球拟酵母CICC31239、近平滑假丝酵母CICC1257的一种或多种。树干毕赤酵母CICC1960的特征特性是：利用木糖发酵产酒精。白球拟酵母CICC31239的特征特性是：不发酵任何糖类；同化葡糖糖、麦芽糖、半乳糖、蔗糖、棉子糖、L-阿拉伯糖、乙醇。近平滑假丝酵母CICC1257的特征特性是：发酵葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、棉子糖、海藻糖；不发酵半乳糖、乳糖、蜜二糖、松三糖；可同化木糖、山梨醇、甘油；不同化阿拉伯糖。优选的，根据上述三种菌种的发酵特性，从对单糖的利用效果来讲，本发明优先选择将三种菌种复合添加，添加顺序为树干毕赤酵母CICC1960、近平滑假丝酵母CICC1257，接种量为1～3％，接种量比例为1～2：2～1，发酵16～24h后加入接种量为1～2％白球拟酵母CICC31239继续发酵18～24h。发酵前，树干毕赤酵母、近平滑假丝酵母或白球拟酵母活化方法为，分别刮一环斜面培养的菌种(一级菌种)转接于一级液体种子培养基中，二级种子接种量为2～8％(v/v)。优选的，一级种子和二级种子培养方式为25～37℃，50～300rpm/min震荡培养6～36h。优选的，一级种子在30±5℃、100～200rpm/min培养16～24h转接于二级种子培养基中，30±5℃、100～200rpm/min培养18～36h后，按照2～5％接种量(v/v)接种酶解液中。优选的，所述斜面培养基为YPD培养基，其中葡萄糖1％，酵母粉2％，蛋白胨1％，琼脂2％，pH5.0-6.0，121℃灭菌15min。优选的，一级种子培养基中，酵母浸粉2～10g/L，蛋白胨5～20g/L，葡萄糖2～10g/L，木糖2～20g/L，pH5.0～7.5，115℃灭菌20min。优选的，二级种子培养基中，酵母浸粉0.5～4g/L，硫酸铵0.2～2g/L，葡萄糖2～10g/L，木糖2～20g/L，pH5.0～7.5，115℃灭菌20min。本发明采用发酵法去除单糖，而不利用低聚木糖，产品在提纯过程中无损失。优选的，待葡萄糖浓度为0.5％时，总单糖含量占总糖含量低于10％，升温灭酶。优选的，灭酶条件是：升温至80～100℃灭酶。步骤(6)中，浓缩时采用机械式蒸汽再压缩蒸发器(MVR)。该步骤中选择了合适的浓缩倍数，浓缩倍数过高会导致颜色深，浓缩倍数小于40％，流动性大干燥速率慢，容易产生气泡。步骤(7)中，采用真空带式干燥设备，具体工艺参数为：真空度为-80～-120KPa，一段加热温度95～130℃，时间为15～30min，二段加热温度80～110℃，时间为20～60min，三段加热温度为60～90℃，时间为30～120min；冷却温度为20～40℃。真空带式干燥采用控制一段、二段和三段加热温度与时间可以减少物料经过高温导致的色泽偏深，同时避免长时间导致的起泡严重而造成密度小的难题。本发明还保护采用上述方法制备得到的低聚木糖产品，其为粉末状，其中，低聚木糖的含量为93％以上，木二糖的含量为38～42％，木三糖的含量为32～38％，以干基计。进一步的，木四糖的含量为4～12％，木五糖的含量为4～6％，木六糖的含量为2～5％，木七糖的含量为0～2％。本发明中的低聚木糖是指聚合度为2-7的低聚木糖。采用本发明的制备方法得到的低聚木糖产品的纯度高，尤其是木二糖和木三糖的含量较高；产品色泽浅、pH稳定；产品流动性好，溶解速度快，抗吸潮性能好。本发明通过对各个步骤的工艺条件和参数的优化控制，在使低聚木糖纯度高达90％以上的同时，还使得其中的木二糖和木三糖含量较高，保证了低聚木糖的保健效果；得到的低聚木糖产品的色泽较浅，pH稳定。另外，采用本发明的工艺步骤，能够大幅度降低能源消耗，更加适合工业大规模生产，利于推广应用。上述技术方案具有如下有益效果：(1)在预处理前采用pH8～10的碱液处理物料可以将原料中木聚糖主链上的乙酰基、葡萄糖基、阿拉伯糖基去除，使得产品单糖含量大幅度降低，有利于提高产品聚糖所占比例；同时可以去除少量可溶性木质素和果胶，降低产品色泽，降低离子交换纯化负荷。(2)通过前处理、预处理耦合酶解三大关键点，控制益生元中XOS2-4含量＞65％，益生菌增殖效果明显。(3)在酶解过程中将葡萄糖、木糖等单糖通过发酵方法去除，提高了低聚木糖益生元含量，收率高，不仅减少了设备投资，降低了生产成本，而且提高了产品品质，糖尿病人可以使用。(4)通过带式干燥的产品流动性好，溶解速度快，由于单糖含量低，抗吸潮性能好，可以广泛应用于食品与保健品中。具体实施方式下面结合实施例对本发明进一步说明。实施例1将玉米芯粉碎至20目左右，按照1:10固液比调浆，通NH3至pH9.050℃浸泡24h，管道滤网排水，滤液用于浸泡下一批物料，加入磷酸调节pH至3.5后，直接喂料进入横管连蒸器，0.55MPa蒸煮90min后，卸压喷放至酶解罐中。喷放后待温度降低至60～65℃加入木聚糖酶、葡聚糖酶复合物，酶活比例20～5:1，木聚糖酶添加量为5IU/g，40～60℃酶解4h后降低温度至37℃，接种树干毕赤酵母CICC1960发酵36h，待葡萄糖浓度小于0.5％时，升温至80～100℃灭酶。按照常规方法包括活性炭脱色和离子交换树脂除杂，将纯化后低聚木糖糖液由5～10％的浓度采用MVR浓缩设备浓缩至50％，进入真空带式干燥。真空带式浓缩参数为真空度为-80KPa,一段加热温度95℃，时间为15min；二段加热温度110℃，时间为20min；三段加热温度为60℃，时间为30min；冷却温度为25℃。种子培养方法：刮一环YPD斜面培养的树干毕赤酵母CICC1960菌种转接于一级液体种子培养基中，二级种子接种量为6％，接种于酶解罐中的接种量为3％。上述斜面培养基为YPD培养基，其中葡萄糖1％，酵母粉2％，蛋白胨1％，琼脂2％，pH5.0-6.0，121℃灭菌15min。一级种子培养基中，酵母浸粉10g/L，蛋白胨20g/L，葡萄糖10g/L，木糖10g/L，pH5.0～7.5，115℃灭菌20min。二级种子培养基各组分含量，酵母浸粉2g/L，硫酸铵2g/L，葡萄糖10g/L，木糖10g/L，pH5.0～7.5，115℃灭菌20min。采用前处理后预处理蒸煮液组分如表1所述。表1:实施例1中蒸煮液中组分含量表采用KS802柱测定低聚木糖组分含量如表2所述。表2:实施例1中低聚木糖组分含量表项目XOS2-7X7X6X5X4X3X2葡糖G木糖X阿拉伯糖A各糖含量(％)96.141.732.044.4316.3332.6139.000.412.161.295cm比色皿的吸光度检测，将XOS成品稀释至37.5％，420nm下检测吸光度为0.017。实施例2取玉米芯粉碎后，与质量浓度为0.05％的氢氧化钠溶液按1:7的质量比混合至pH10，升温至60摄氏度保温30min，滤除液体；水洗一遍至pH值中性；与工艺水按1:3的质量比混合，加入玉米芯干重百分比0.7％的醋酸，蒸汽爆破处理，处理压力1.5MPa，时间120s；汽爆液中的木糖含量为5.85％，待温度降低至60～65℃加入木聚糖酶、葡聚糖酶复合物，酶活比例20～5:1，木聚糖酶加量木聚糖酶8IU/g，40～60℃酶解4h后降低温度至37℃，接种白球拟酵母(CICC31239)或近平滑假丝酵母CICC31239发酵72h，待葡萄糖浓度≤0.5％时，升温至80～100℃灭酶。向蒸煮液加入0.8g木聚糖酶组合物，酶解反应温度为60℃，酶解时间为8h，按照常规包括活性炭脱色和离子交换树脂除杂，将纯化后低聚木糖糖液由5～10％的浓度采用MVR浓缩设备浓缩至50％，进入真空带式干燥。真空带式浓缩参数为真空度为-100KPa,一段加热温度130℃，时间为20min；二段加热温度95℃，时间为30min；三段加热温度为80℃，时间为60min；冷却温度为40℃。种子培养方法：刮一环YPD斜面培养的白球拟酵母(CICC31239)或近平滑假丝酵母CICC31239转接于一级液体种子培养基中，二级种子接种量为5％，接种于酶解罐中的接种量为4％。上述斜面培养基为YPD培养基，其中葡萄糖1％，酵母粉2％，蛋白胨1％，琼脂2％，pH5.0-6.0，121℃灭菌15min。一级种子培养基中，酵母浸粉10g/L，蛋白胨20g/L，葡萄糖10g/L，木糖15g/L，pH5.0～7.5，115℃灭菌20min。二级种子培养基各组分含量，酵母浸粉3g/L，硫酸铵2g/L，葡萄糖10g/L，木糖15g/L，pH5.0～7.5，115℃灭菌20min。表3:实施例2中白球拟酵母CICC31239低聚木糖组分含量表项目XOS2-7X7X6X5X4X3X2GXA各糖含量(％)93.2204.375.0411.6832.639.530.056.130.65cm比色皿的吸光度检测，将XOS溶解成成品稀释至37.5％，420nm下检测吸光度为0.033。表4:实施例2中近平滑假丝酵母CICC31239低聚木糖组分含量表项目XOS2-7X7X6X5X4X3X2GXA各糖含量(％)94.760.132.374.5511.5835.640.530.123.321.85cm比色皿的吸光度检测，将XOS成品稀释至37.5％，420nm下检测吸光度为0.021。实施例3将玉米芯粉碎至20目左右，按照1:10固液比调浆，通NH3至pH9.050℃浸泡24h，管道滤网排水，滤液用于浸泡下一批物料，加入磷酸调节pH至3.5后，直接喂料进入横管连蒸器，0.55MPa蒸煮90min后，卸压喷放至酶解罐中。喷放后待温度降低至60～65℃加入木聚糖酶、葡聚糖酶复合物，酶活比例20～5:1，木聚糖酶添加量为5IU/g，40～60℃酶解4h后降低温度至37℃，接种树干毕赤酵母CICC1960和近平滑假丝酵母CICC1257，接种量各为1％(v/v)，发酵16h后接种1％(v/v)的白球拟酵母CICC31239发酵20h，待葡萄糖浓度小于0.5％时，升温至80～100℃灭酶。按照常规方法包括活性炭脱色和离子交换树脂除杂，将纯化后低聚木糖糖液由5～10％的浓度采用MVR浓缩设备浓缩至50％，进入真空带式干燥。真空带式浓缩参数为真空度为-80KPa,一段加热温度95℃，二段加热温度120℃，三段加热温度为60℃，冷却温度为25℃；刮板蒸发浓缩参数为温度控制在120℃，蒸发压力为-0.08MPa，出料温度控制在105℃，刮板转速控制在3m/s，冷却温度为25℃。种子培养方法：分别刮一环YPD斜面培养的树干毕赤酵母CICC1960、白球拟酵母CICC31239和近平滑假丝酵母CICC1257菌种转接于一级液体种子培养基中，二级种子接种量为6％。接种于酶解罐中总的接种量为3％，树干毕赤酵母CICC1960、近平滑假丝酵母CICC1257和白球拟酵母CICC31239的接种量各为1％。上述斜面培养基为YPD培养基，其中葡萄糖1％，酵母粉2％，蛋白胨1％，琼脂2％，pH5.0-6.0，121℃灭菌15min。一级种子培养基中，酵母浸粉10g/L，蛋白胨20g/L，葡萄糖10g/L，木糖10g/L，pH5.0～7.5，115℃灭菌20min。二级种子培养基各组分含量，酵母浸粉2g/L，硫酸铵2g/L，葡萄糖10g/L，木糖10g/L，pH5.0～7.5，115℃灭菌20min。采用KS802柱测定低聚木糖组分含量如表5所述。表5:实施例3中低聚木糖组分含量表项目XOS2-7X7X6X5X4X3X2葡糖G木糖X阿拉伯糖A各糖含量(％)97.950.132.404.7012.0036.8141.910.031.710.31经试验证明，采用复合菌种进行发酵，去除单糖的效果更好，使得低聚木糖产品的纯度更高。对比例1与实施例1中的区别是：通NH3至pH1150℃浸泡24h，其它工艺条件和方法与实施例1相同。采用KS802柱测定低聚木糖组分含量如表6所述。表6:对比例1中预处理后蒸煮液组分含量表可见，前处理中水溶液的pH对最终得到的低聚木糖产品的纯度影响较大，为了更好的降低原料中木聚糖主链上的乙酰基、葡萄糖基、阿拉伯糖基，建议前处理中水溶液的pH调节至8～10。对比例2与实施例1中的区别是：通NH3至pH7.550℃浸泡24h，其它工艺条件和方法与实施例1相同。采用KS802柱测定低聚木糖组分含量如表7所述。表7:对比例1中预处理后蒸煮液组分含量表项目X>7X7X6X5X4X3X2葡糖G木糖X阿拉伯糖A各糖含量(％)48.924.595.145.26.416.446.877.35.873.26可见，前处理中水溶液的pH过高或过低对蒸煮液中单糖含量影响大，对最终得到的低聚木糖产品的纯度影响较大，为了更好的降低原料中木聚糖主链上的乙酰基、葡萄糖基、阿拉伯糖基，建议前处理中水溶液的pH调节至8～10。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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