一种利用玉米芯制备木糖或低聚木糖的方法

本发明属于生物化工，具体涉及一种利用玉米芯制备木糖或低聚木糖的方法。

背景技术：

1、木糖是一种戊糖，其外观为无色至白色的结晶或粉末，有甜味，易溶于水，难溶于乙醇。在自然界中，木糖是存在量最大的戊糖，除了竹笋内存在游离状态的木糖外，绝大部分天然木糖以多缩戊糖的形式广泛存在于植物的半纤维素中，特别在农产品的废弃部分中含量很多。

2、低聚木糖是一种功能性低聚糖，由2～7个木糖通过β-1,4糖苷键连接而成，以木二糖、木三糖为主要成分。低聚木糖不仅对肠道益生菌如双歧杆菌、乳酸杆菌和其他益生菌有高度选择性增殖作用，同时对大肠杆菌这类有害菌有抑制作用，所以又称为超强益生元。

3、目前工业生产木糖和低聚木糖的工艺中，主要以玉米芯、甘蔗渣、棉籽壳等半纤维素含量丰富的农林废弃物作为原料，其中玉米芯中多缩戊糖的含量最高，易存储，结构相对疏松，易于提取，因而被大量用于木糖和低聚木糖的生产。玉米作为粮食和饲料作物，资源丰富，近年来，随着科技进步，我国玉米年产量超过亿，位居世界第二。据统计，2021年我国玉米年产量约为2.73亿吨。按生产1千克玉米同时可得到1/3千克玉米芯计算，我国玉米芯年产量约0.91亿吨，产量极其可观。

4、传统的木糖和低聚木糖生产工艺为化学法，以酸作为催化剂在高温条件下水解原料，随后经过中和、活性炭脱色、离子交换、浓缩、结晶等多道工序将水解液中含有的酸、色素、胶体、灰分等有害杂质除去，方可得到木糖和低聚木糖产品。据统计，1吨成品木糖需要玉米芯近10吨，耗酸3吨，液碱2吨，活性炭120～150公斤，蒸汽30～50吨，水100m3以上。

5、现有的木糖和低聚木糖生产工艺存在诸多问题，如工艺复杂、酸碱消耗高、污水排放量大、生产周期长、生产成本高、产品质量不稳定等，而且该工艺结晶制备木糖和低聚木糖的过程中，产品收率较低，损失量很大。这也使得木糖和低聚木糖的生产成本大大增加。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了避免了传统酸解工艺获得木糖和低聚木糖中酸碱消耗高、污水排放量大、生产周期长、生产成本高、产品质量不稳定等问题。

2、本发明提供一种利用玉米芯制备木糖或低聚木糖的方法，包括如下步骤：将玉米芯进行脱乙酰和脱木质素处理后，加入复合植物水解酶viscozyme l，酶解后，再加入木聚糖酶和纤维素酶二次酶解，获得木糖产品溶液；

3、或者，将玉米芯进行脱乙酰和脱木质素处理后，加入纤维素酶和木聚糖酶两个酶酶解或者戊聚糖酶pentopan mono bg和木聚糖酶两个酶进行酶解，获得低聚木糖产品溶液。

4、进一步地限定，所述脱乙酰处理的步骤如下：玉米芯原料加入蒸馏水，加入碱，在70℃水浴中600rpm/min搅拌反应3h，反应结束后离心，得到脱乙酰原料。

5、进一步地限定，玉米芯与蒸馏水的质量比为1:8；采用的碱为ca(oh)2，用量为0.8mmol/g玉米芯。

6、进一步地限定，所述脱木质素处理如下：脱乙酰后的原料加入蒸馏水，加入na2so3，120℃高温下反应30min，反应结束后离心，得到脱木质素原料。

7、进一步地限定，脱乙酰后的原料与蒸馏水的质量比为1:10；na2so3的用量为玉米芯质量的12％。

8、进一步地限定，复合植物水解酶viscozyme l的条件：控制温度为50℃、ph3.5，酶解12h后灭酶，复合植物水解酶viscozyme l的添加量为玉米芯原料质量的0.33％；二次酶解的条件为：控制温度为50℃、ph4.8，酶解36～48h后灭酶，木聚糖酶和纤维素酶的用量各为玉米芯原料质量的0.33％，复合植物水解酶viscozyme l：木聚糖酶：纤维素酶的用量比为1:1:1；酶的总用量为0.99％。

9、进一步地限定，纤维素酶和木聚糖酶复合酶解或者戊聚糖酶pentopan mono bg和木聚糖酶进行酶解的条件为：控制温度为50℃、ph4.8，酶解24～48h后灭酶；木聚糖酶和纤维素酶的用量各为玉米芯原料质量的0.5％，两种酶的用量比为1:1，木聚糖酶和纤维素酶的酶的总用量为1％；戊聚糖酶pentopan mono bg和木聚糖酶的用量各为玉米芯原料质量的0.5％，两种酶的用量比为1:1，戊聚糖酶pentopan mono bg和木聚糖酶的酶的总用量为1％。

10、进一步地限定，所述灭酶的条件为85℃，15min。

11、本发明提供上述的方法获得的木糖或者低聚木糖。

12、本发明提供上述的方法在提高木糖或低聚木糖的收率和浓度中的应用。

13、有益效果：

14、1.本发明采用酶法水解玉米芯进行木糖或低聚木糖的生产，避免了传统酸解工艺酸碱消耗高、污水排放量大、生产周期长、生产成本高、产品质量不稳定等问题，具有工艺条件温和、能耗低、环境污染程度低、产品质量更加安全可靠等优势。

15、2.本发明对玉米芯进行了脱乙酰、脱木质素处理，其有益效果在于：①乙酰基附着在半纤维素上，形成空间位阻，阻碍酶进入原料体系，脱乙酰后酶可顺利与作用目标接触，提高酶解率。②脱木质素使玉米芯中纤维素、半纤维素、木质素形成的致密组织破坏，结构变松散，更有利于酶作用于半纤维素，从而提高酶解率。

16、3.半纤维素很难被单一酶种水解，本发明采用多种酶对玉米芯进行复合酶解，通过改变不同酶的组合可调控产品中木糖或低聚木糖的含量，当采用复合植物水解酶、纤维素酶和木聚糖酶复合酶解时，半纤维素酶解较彻底，绝大部分产物为木糖，半纤维素的水解率在95％以上，木糖的收率最高可达81.6％，木糖溶液的浓度最高可达38.8g/l。当采用纤维素酶和木聚糖酶复合酶解，或者戊聚糖酶和木聚糖酶复合酶解时，绝大部分产物为低聚木糖，半纤维素的水解率在90％以上，低聚木糖的收率最高可达86.7％，产品溶液中低聚木糖的浓度最高可达41.2g/l。

17、预处理的目的：玉米芯中的纤维素、半纤维素和木质素组分呈不连续的层状结构，对酶的水解有阻碍作用，要使半纤维素充分水解，必须对玉米芯进行适当预处理，破坏其原有致密结构，以便酶的进一步水解。

18、预处理工艺：①脱乙酰：乙酰基附着在半纤维素上，形成空间位阻，阻碍酶进入原料体系，脱乙酰后酶可顺利与作用目标接触。②脱木质素：脱除原料中的木质素，原料结构变的疏松，使酶更容易作用于木聚糖。

19、酶解工艺的原理：半纤维素很难被单一的酶种水解，多种酶共同作用方能达到预期的生产效果。本发明利用植物复合水解酶、木聚糖酶和纤维素酶联合水解。复合植物水解酶具有释放束缚和降解非淀粉多糖的能力，可用于分解植物细胞壁从植物组织中释放有效成分。纤维素酶具有去除植物细胞壁中的纤维素的作用，可以将细胞内的糖得到释放。木聚糖酶能够将半纤维素中的木聚糖降解成为木糖或低聚木糖。本发通过采用不同酶的组合来对玉米芯进行酶解，可调控酶解液中木糖或低聚木糖的含量，从而实现木糖或低聚木糖的高效生产。

技术特征：

1.一种利用玉米芯制备木糖或低聚木糖的方法，其特征在于，包括如下步骤：将玉米芯进行脱乙酰和脱木质素处理后，加入复合植物水解酶viscozyme l，酶解后，再加入木聚糖酶和纤维素酶二次酶解，获得木糖产品溶液；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脱乙酰处理的步骤如下：玉米芯原料加入蒸馏水，加入碱，在70℃水浴中600rpm/min搅拌反应3h，反应结束后离心，得到脱乙酰原料。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，玉米芯与蒸馏水的质量比为1:8；采用的碱为ca(oh)2，用量为0.8mmol/g玉米芯。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脱木质素处理如下：脱乙酰后的原料加入蒸馏水，加入na2so3，120℃高温下反应30min，反应结束后离心，得到脱木质素原料。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，脱乙酰后的原料与蒸馏水的质量比为1:10；na2so3的用量为玉米芯质量的12％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，复合植物水解酶viscozyme l的条件：控制温度为50℃、ph3.5，酶解12h后灭酶，复合植物水解酶viscozyme l的添加量为玉米芯原料质量的0.33％；二次酶解的条件为：控制温度为50℃、ph4.8，酶解36～48h后灭酶，木聚糖酶和纤维素酶的用量各为玉米芯原料质量的0.33％，复合植物水解酶viscozyme l：木聚糖酶：纤维素酶的用量比为1:1:1；酶的总用量为0.99％。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，纤维素酶和木聚糖酶复合酶解或者戊聚糖酶pentopan mono bg和木聚糖酶进行酶解的条件为：控制温度为50℃、ph4.8，酶解24～48h后灭酶；木聚糖酶和纤维素酶的用量各为玉米芯原料质量的0.5％，两种酶的用量比为1:1，木聚糖酶和纤维素酶的酶的总用量为1％；戊聚糖酶pentopan mono bg和木聚糖酶的用量各为玉米芯原料质量的0.5％，两种酶的用量比为1:1，戊聚糖酶pentopan mono bg和木聚糖酶的酶的总用量为1％。

8.根据权利6或7所述的方法，其特征在于，所述灭酶的条件为85℃，15min。

9.权利要求1-7任一项所述的方法获得的木糖或者低聚木糖。

10.权利要求1-7任一项所述的方法在提高木糖或低聚木糖的收率和浓度中的应用。

技术总结
本发明公开一种利用玉米芯制备木糖或低聚木糖的方法。属于生物化工技术领域。本发明的目的是为了避免了传统酸解工艺获得木糖和低聚木糖中酸碱消耗高、污水排放量大、生产周期长、生产成本高、产品质量不稳定等问题。本发明公开一种利用玉米芯制备木糖或低聚木糖的方法，将玉米芯进行脱乙酰和脱木质素处理后，加入复合植物水解酶Viscozyme L，酶解后，再加入木聚糖酶和纤维素酶二次酶解，获得木糖产品溶液；或者加入纤维素酶和木聚糖酶两个酶酶解或者戊聚糖酶Pentopan Mono BG和木聚糖酶两个酶进行酶解，获得低聚木糖产品溶液。该方法具有工艺条件温和、能耗低、环境污染程度低、产品质量更加安全可靠等优势。

技术研发人员：咸漠,王建勋,荀明月
受保护的技术使用者：中国科学院青岛生物能源与过程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12