专利名称：低聚木糖的制备方法
技术领域：
本发明涉及将玉米芯中的半纤维素转化为低聚木糖的方法，属食品加工领域。
低聚木糖亦称木寡糖(xylooligosaccharides)，由2～7个D-木糖以β-1，4-木糖苷键结合而成，是功能性低聚糖家族中的一个重要成员。它的甜度比蔗糖和葡萄糖均低，与麦芽糖差不多，约为蔗糖的40％。低聚木糖对pH值及热的稳定性较好，即使是在酸性条件(pH＝2.5～7)加热也基本不分解，适合用于酸奶、乳酸菌饮料和碳酸饮料等酸性饮料中。下图为低聚木糖的主要成分及化学结构。 低聚木糖极难被消化吸收，肠道内残存率高，具有极好的双歧杆菌增殖性，其选择利用性高于其它功能性低聚糖。目前业已研究确认的低聚木糖的生理功能主要包括(1)提供较低的能量，满足喜食甜品又担心发胖者的要求，还可供糖尿病人、肥胖病人和高血压病人食用；(2)活化肠道内双歧杆菌并促进其增殖，抑制病原菌，防止腹泻；(3)防止便秘；(4)降低血清中胆固醇含量、降低血压、生成营养物质、增强机体免疫力和抵抗肿瘤；(5)不会引起龋齿，有利于口腔健康；(6)清除肠内毒素。
低聚木糖一般是以富含木聚糖的植物资源，如木屑、玉米芯、棉籽壳、稻壳和菜籽壳等为原料，经过内切型木聚糖酶水解后，再进行分离、精制而制得。我国玉米芯资源丰富，但关于从玉米芯中提取低聚木糖的方法却未见报导。
本发明的目的是要提供一种用玉米芯做原料的低聚木糖的制备方法。
为了达到本发明的目的所采取的技术方案包括采用碱金属氢氧化物溶液预处理玉米芯粉、水洗、玉米芯粉中木聚糖的溶出、木聚糖酶水解反应及低聚木糖溶液的脱色、除杂、浓缩及干燥技术，其中(1)玉米芯粉预处理所采用的碱金属氢氧化物溶液为氢氧化钾、氢氧化钠等溶液，预处理时，碱金属氢氧化物溶液的浓度为0.5％～1.5％，处理温度30℃～60℃，时间30min～120min，玉米芯粉与碱金属氢氧化物溶液重量比为1∶8～1∶12；(2)玉米芯粉中木聚糖的溶出采用直热蒸煮裂解方式，蒸煮温度为155℃～180℃，蒸煮时间30min～120min，玉米芯粉与水的重量比为1∶6～1∶10，蒸煮过程中使用弱酸型催化剂如乙酸、甲酸、柠檬酸等，添加量为玉米芯粉重量的0.2％～1.5％；(3)酶水解反应使用的是sp.E-86型木聚糖酶液，酶水解反应温度45℃～60℃，酶水解反应时间4h～10h，木聚糖酶液与玉米芯粉的比为1ml/1.2g～1ml/1.6g，木聚糖酶液酶活性为50UI/ml～70UI/ml；(4)低聚木糖溶液的脱色采用活性炭粉，具体条件为脱色温度80℃，活性炭与糖液的体积比为0.5％～1.5％，脱色时间25min～40min；(5)低聚木糖溶液采用强酸型阳离子树脂如E306FG及大孔弱碱型阴离子交换树脂如D001进行除杂。
上述的低聚木糖的制备方法中，玉米芯粉预处理所用最佳碱金属氢氧化物为氢氧化钠，最优浓度为0.7％，最优温度为55℃，最优处理时间为60min，最佳料液重量比为1∶10。
上述的低聚木糖的制备方法中，玉米芯粉进行直热蒸煮裂解时，最佳蒸煮温度为165℃，蒸煮时间120min，最佳催化剂为乙酸，添加量为玉米芯粉重量的0.5％。
上述的低聚木糖的制备方法中，木聚糖酶水解反应最佳温度为55℃，反应时间8h，木聚糖酶液与玉米芯粉的比为1ml/1.45g，木聚糖酶液酶活性为60UI/ml。
上述的低聚木糖制备方法的脱色过程中，活性炭与糖液的最佳体积比为1％，脱色时间30min。
上述的低聚木糖的制备方法中，采用双效真空浓缩，第一次浓缩为75℃下，将低聚木糖糖液浓缩到总糖含量15％～20％的糖浆；第二次浓缩为75℃下，将低聚木糖糖液浓缩到总糖含量55％～75％的糖浆。
上述的低聚木糖的制备方法中，可采用喷雾干燥法制备低聚木糖糖粉剂，喷雾干燥时热风的进口温度为130℃～160℃，出口温度为65℃～85℃，物料流量为0.8～1.2m3/h，塔内滞留时间10秒～20秒，赋形剂为麦芽糊精、β-环糊精或玉米淀粉。
上述的低聚木糖的制备方法中，制备低聚木糖糖粉剂最适赋形剂为麦芽糊精。
上述制备方法中，木聚糖酶的选择和制备工艺以及直热汽爆裂解过程中催化剂和反应条件的选择是关键。
本发明具有如下优点(1)采用碱金属氢氧化物如氢氧化钾、氢氧化钠等溶液在一定温度和时间条件下对玉米芯进行预处理，脱除了玉米芯中的大部分木质素，并使其组织结构变得相对疏松，有利于玉米芯中木聚糖的溶出；(2)采用高温蒸煮和直热汽爆相结合即直热蒸煮裂解的方式处理玉米芯，将玉米芯中的木聚糖最大限度的溶解出来，即提高了工作效率，又降低了设备的造价，使得低聚木糖工业化生产变得相对容易和简便；(3)选择由spE-86菌株产的木聚糖酶液水解由直热蒸煮裂解玉米芯所得的木聚糖液可得到以木二糖为主的低聚木糖产品。
本发明的详细流程框图如下玉米芯↓除杂↓粉碎↓预处理↓水洗↓调浆↓高温蒸煮裂解↓汽液分离↓木聚糖酶水解 本发明提供了一种用酶法和物理化学相结合的手段使玉米芯粉中的半纤维素转化成低聚木糖的方法。该方法包括将原料玉米芯在碱金属氢氧化物如氢氧化钾、氢氧化钠等水溶液中，一定温度30℃～60℃和时间30min～120min下进行预处理；将经预处理后的玉米芯在弱酸型催化剂如乙酸、甲酸、柠檬酸等作用下采用直热蒸汽于155℃～180℃高温裂解30min～120min；将直热裂解所得的玉米芯粉混合物于45℃～60℃温度在木聚糖酶液作用下，反应4h～10h，然后升温至90℃～105℃，保温10min～30min；将所得低聚木糖糖液通过活性炭脱色和阳离子交换树脂如E306FG及阴离子交换树脂如D001除杂，再真空浓缩为55％～75％的糖液，以麦芽糊精、β-环糊精或玉米淀粉为赋形剂，经喷雾干燥得总糖含量为20％～50％的低聚木糖粉剂。
本发明采用的sp.E-86型木聚糖酶液是由链霉菌sp.E-86菌株经液体发酵制得。
为更好的脱除所得低聚木糖糖液的颜色，本发明的活性炭脱色可为两次。
本发明离子交换树脂除杂过程为阳阴阳，低聚木糖糖液温度小于45℃，每小时低聚木糖糖液流速为树脂体积的1～2倍，所得糖液的电导率小于50VS/cm，pH为4.5～6.0。
本发明用以下的实例说明实施例1称取40目～60目的玉米芯粉500kg，加入4000L含0.7％的氢氧化钠的溶液中，75rpm条件下搅拌均匀，55℃搅拌处理60min。离心过滤，水洗滤饼至pH为7.0。用水将滤饼调成浆，固液比为1∶8，加入2.5kg乙酸，在160℃下蒸煮裂解2h后，经汽液分离器进入酶解罐，冷却至55℃。分别用1mol/ml盐酸溶液和1mol/ml的氢氧化钠溶液调节反应液的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，其酶活性为60UI/ml，酶解反应8h后，在90℃保温灭活15min，冷却到60℃进行板框过滤。在糖液中加入总体积1％的活性炭粉，80℃搅拌脱色30min，过滤，在75℃将糖液浓缩为总糖含量为15％的低聚木糖糖浆。将15％糖浆进行二次脱色，脱色条件与第一次相同。然后将经过两次脱色的糖浆上离子交换树脂柱进行除杂，糖液电导率小于50VS/cm，pH5.0。最后在75℃下，将糖液浓缩至总糖含量为70％的浅黄色粘稠状低聚木糖糖浆，得率8.8％。
实施例2称取40目～60目的玉米芯粉500kg，加入4000L含0.5％的氢氧化钠的溶液中，75rpm条件下搅拌均匀，55℃搅拌处理60min。离心过滤，水洗滤饼至pH为7.0。用水将滤饼调成浆，固液比为1∶8，加入2.0kg柠檬酸，在160℃下蒸煮裂解2h后，经汽液分离器进入酶解罐，冷却至55℃。分别用1mol/ml盐酸溶液和1mol/ml的氢氧化钠溶液调节反应液的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，其酶活性为70UI/ml，酶解反应6h后，在90℃保温灭活15min，冷却到60℃进行板框过滤。在糖液中加入总体积1％的活性炭粉，80℃搅拌脱色30min，过滤，在75℃将糖液浓缩为总糖含量为20％的低聚木糖糖浆。将20％糖浆进行二次脱色，脱色条件与第一次相同。然后将经过两次脱色的糖浆上离子交换树脂柱进行除杂，糖液电导率小于50VS/cm，pH5.0。最后在75℃下，将糖液浓缩至总糖含量为70％的浅黄色粘稠状低聚木糖糖浆，得率8.5％。
实施例3称取40目～60目的玉米芯粉500kg，加入4000L含0.7％的氢氧化钠的溶液中，75rpm条件下搅拌均匀，55℃搅拌处理60min。离心过滤，水洗滤饼至pH为7.0。用水将滤饼调成浆，固液比为1∶8，在165℃下蒸煮裂解2h后，经汽液分离器进入酶解罐，冷却至55℃。分别用1mol/ml盐酸溶液和1mol/ml的氢氧化钠溶液调节反应液的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，其酶活性为60UI/ml，酶解反应8h后，在90℃保温灭活15min，冷却到60℃进行板框过滤。在糖液中加入总体积1％的活性炭粉，80℃搅拌脱色30min，过滤，在75℃将糖液浓缩为总糖含量为15％的低聚木糖糖浆。将15％糖浆进行二次脱色，脱色条件与第一次相同。然后将经过两次脱色的糖浆上离子交换树脂柱进行除杂，糖液电导率小于50VS/cm，pH5.0。最后在75℃下，将糖液浓缩至总糖含量为70％的浅黄色粘稠状低聚木糖糖浆，得率7.6％。
实施例4在按实施例1中的条件和步骤制得的100kg 40％的低聚木糖糖浆，加入含量为98％的麦芽糊精120kg，在进口温度145℃，出口温度85℃，物料流量为1.0m3/h条件下进行喷雾干燥，得到含量25％的低聚木糖粉状产品。
权利要求
1.一种低聚木糖的制备方法包括采用碱金属氢氧化物溶液预处理玉米芯粉、水洗、玉米芯粉中木聚糖的溶出、木聚糖酶水解反应及低聚木糖溶液的脱色、除杂、浓缩及干燥技术，其中(1)玉米芯粉预处理所采用的碱金属氢氧化物溶液为氢氧化钾、氢氧化钠等溶液，预处理时，碱金属氢氧化物溶液的浓度为0.5％～1.5％，处理温度30℃～60℃，时间30min～120min，玉米芯粉与碱金属氢氧化物溶液重量比为1∶8～1∶12；(2)玉米芯粉中木聚糖的溶出采用直热蒸煮裂解方式，蒸煮温度为155℃～180℃，蒸煮时间30min～120min，玉米芯粉与水的重量比为1∶6～1∶10，蒸煮过程中使用弱酸型催化剂如乙酸、甲酸、柠檬酸等，添加量为玉米芯粉重量的0.2％～1.5％；(3)酶水解反应使用的是sp.E-86型木聚糖酶液，酶水解反应温度45℃～60℃，酶水解反应时间4h～10h，木聚糖酶液与玉米芯粉的比为1ml/1.2g～1ml/1.6g，木聚糖酶液酶活性为50UI/ml～70UI/ml；(4)低聚木糖溶液的脱色采用活性炭粉，具体条件为脱色温度80℃，活性炭与糖液的体积比为0.5％～1.5％，脱色时间25min～40min；(5)低聚木糖溶液采用强酸型阳离子树脂如E306FG及大孔弱碱型阴离子交换树脂如D001进行除杂。
2.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，其玉米芯粉预处理所用最佳碱金属氢氧化物为氢氧化钠，最优浓度为0.7％，最优温度为55℃，最优处理时间为60min，最佳料液重量比为1∶10。
3.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，其玉米芯粉进行直热蒸煮裂解时，最佳蒸煮温度为165℃，蒸煮时间120min，最佳催化剂为乙酸，添加量为玉米芯粉重量的0.5％。
4.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，其木聚糖酶水解反应最佳温度为55℃，反应时间8h，木聚糖酶液与玉米芯粉的比为1ml/1.45g，木聚糖酶液酶活性为60UI/ml。
5.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，在脱色过程中活性炭与糖液的最佳体积比为1％，脱色时间30min。
6.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，本发明采用双效真空浓缩，第一次浓缩为75℃下，将低聚木糖糖液浓缩到总糖含量15％～20％的糖浆；第二次浓缩为75℃下，将低聚木糖糖液浓缩到总糖含量55％～75％的糖浆。
7.根据权利要求1所述的低聚木糖的制备方法，本发明可采用喷雾干燥法制备低聚木糖糖粉剂，喷雾干燥时热风的进口温度为130℃～160℃，出口温度为65℃～85℃，物料流量为0.8～1.2m3/h，塔内滞留时间10秒～20秒，赋形剂为麦芽糊精、β-环糊精或玉米淀粉。
8.根据权利要求7所述的低聚木糖的制备方法，制备低聚木糖糖粉剂最适赋形剂为麦芽糊精。
全文摘要
本发明公开了一种低聚木糖的制备方法，属食品加工领域。目的是实现玉米芯中半纤维素转化为高品质低聚木糖的工业化生产方法。具体技术方案包括将原料玉米芯在碱金属氢氧化物水溶液中进行预处理；然后在弱酸型催化剂如乙酸、甲酸、柠檬酸等作用下进行直热裂解；直热裂解后与木聚糖酶液反应，通过活性炭脱色和离子交换树脂除杂，再真空浓缩，可以麦芽糊精等为赋形剂，经喷雾干燥得低聚木糖粉剂。
文档编号C13K13/00GK1403591SQ0113117
公开日2003年3月19日 申请日期2001年9月5日 优先权日2001年9月5日
发明者李里特, 石波, 程少博, 白庆林 申请人:中国农业大学, 山东龙力生物科技有限公司