专利名称：玉米秸秆芯穰制备低聚木糖的方法
技术领域：
本发明涉及低聚木糖的制备方法，特别涉及以玉米秸秆芯穰为原料制备低聚木糖的方法。
背景技术：
低聚木糖(Xylooligosaccharides)又称木寡糖。它与乳果糖、麦芽低聚糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖等相比，具有选择性地促进肠道双歧杆菌的增殖活性，能抑制病原菌生长，改善肠道微生态环境，增强机体免疫力，可分解致癌物，促进钙质吸收等独特优点。因此低聚木糖被公认为最有前途的功能性低聚糖之一。近些年来，业内科技人员围绕着生产低聚木糖的原料选择、制备工艺方法等方面，开展了多项卓有成效的研究。例如选择玉米芯、玉米秸秆、小麦秆、稻壳、蔗渣、麸皮等作为生产原料；采用高压蒸汽抽提、蒸汽爆破、高温蒸煮法，酸水解、酶水解法，以及微波降解法等等制备工艺获取低聚木糖。此前，已有的文献报道中披露了研究者们，或采用玉米芯、玉米秸秆、稻秆等作为原料，经预处理、水浸湿、 脱水、加碱，在高温条件下搅拌浸提、酸中和后进行酶解、脱色、离子交换、浓缩成低聚木糖； 或在预处理的原料中，抽提出碱溶性物质、用乙醇调PH值、过滤出沉淀物、再用乙醇洗涤沉淀物后、加入木聚糖酶水解、再加入乙醇沉淀、经分离得到低聚木糖；或仅以玉米芯作原料、 采用弱酸催化剂进行裂解、溶出低聚木糖、控制PH值、用木聚糖酶进行酶解、高温灭酶、滤渣，通过活性炭和离子交换剂脱色除杂、用大分子截留膜截留大分子木聚糖、钠滤膜浓缩脱盐和真空浓缩、喷雾干燥得到低聚木糖；或采用微波法对颗粒状玉米芯进行微波消解，后续再对消解残渣进行酶解、灭酶、分离、收集得到低聚木糖。而上述各种制备低聚木糖的方法， 均必须对秸秆原料进行较长时间的强碱或强酸的预处理，然后经过较多的工序进行提取或酶解，方可获得低聚木糖。因而不仅制备工艺流程较长、需要消耗大量的化工原料和可观的能量，而且还存在含碱或含酸的污水及废渣的达标排放问题。另外研究者们虽然利用了传统废弃的秸秆物料，作为制备低聚木糖的原料，提高了秸秆物料的附加值，但是在应用过程中，均未根据秸秆不同部位有效成分的含量实行分离选取，而是将秸秆整体混合作原料全部进行加工处理，因此不可避免地增加了生产成本。其中就玉米作物而言，有研究者仅选择了玉米芯作为制备低聚木糖的原料，却舍弃了同样有高利用价值的玉米秸秆芯穰，使大量的玉米秸秆资源未能获得合理利用。
发明内容
本发明针对上述的不足之处，提出了一种采用玉米秸秆芯穰制备低聚木糖的方法，目的在于充分利用玉米秸秆中有效成分，并通过对现有工艺进行改进，以实现缩短制备低聚木糖的工艺流程、减少能耗、降低成本等有益效果。本发明的技术解决方案
本发明根据制备低聚木糖的物化机理，从而确定其工艺路线为以玉米秸秆芯穰(以下简称芯穰)为原料，采用含金属盐的缓冲溶液和有机溶剂组成的混合溶剂与芯穰混和，在超声作用下快速脱除芯穰中的木质素、以水洗涤溶解后的滤渣、加纤维素酶水解滤渣，并再次在超声条件下，去除纤维素、获得低聚木糖滤渣，最后经干燥、粉碎获得低聚木糖。所述制备低聚木糖工艺路线的步骤如下
(一)玉米秸秆去叶、剥离外皮和硬壳，获取芯穰，粉碎芯穰至60-80目；
(二)配置含金属盐的缓冲溶液和有机溶剂组成的混合溶剂；将粉碎的芯穰置入混合溶剂中混和，对混和物作超声浸提、经抽滤、并以水洗涤滤渣；洗涤后的滤渣用纤维素酶溶液先进行超声，然后在相同温度下继续进行酶水解3小时，最后所再得滤渣经灭酶、过滤、干燥、粉碎，获低聚木糖成品。上述步骤中
所述配置含金属盐的溶液由金属铁盐和缓冲溶液组成。金属盐为硫酸铁、或氯化铁、或硝酸铁,浓度范围均为0. 01-0. 03mol/L ；缓冲溶液由组分磷酸氢二钠和磷酸钠按照1 1摩尔比的水溶液组成，浓度范围为0. 03-0. 06mol/L。所述有机溶剂为乙醇、或为丙酮。其中优选乙醇。所述混合溶剂以有机溶剂体积与含金属盐缓冲溶液体积比为(4-5)比1配置。所述粉碎的芯穰置入混合溶剂中，芯穰与混合溶剂是按照1克重粉碎的芯穰与15-20mL的混合溶剂混和，混和物置于超声发生器中进行浸提。所述超声发生器设定参数为超声频率为MKHz、或48KHz、或IOOKHz ；超声功率为 80W，超声浸提加热温度为25 70°C，超声提取时间2-30min。最佳设定参数为超声频率为 48KHz ；超声浸提加热温度为30°C ；超声提取时间为15min。所述混和物以超声浸提，经抽滤和水洗涤至中性后的滤渣，并按照滤渣1克重与纤维素酶溶液3-6毫升的比例加入纤维素酶溶液，和适量的水浸润，搅拌均勻，便得滤渣-酶混合体。所述的纤维素酶溶液为纤维素酶质量分数为0. 04%-0. 06%，PH值为4. 7-6的缓冲溶液。所述的滤渣-酶混合体置于发生器中去除纤维素，设定超声温度为50°C、功率 60-80W,超声时间10-40min，停止超声后，滤渣-酶混合体保持50°C条件下继续酶解3小时。所述超声时间优选25min。所述滤渣-酶混合体，加热至100°C灭酶，经过滤后干燥，粉碎至160-200目，即为粉状低聚木糖成品。本发明的有益效果
(一)本发明改变了现有技术从植物秸秆中，制备提取低聚木糖均须采用强碱或强酸在高温条件下的浸提工艺，而是根据金属铁盐易与木质素形成络合物、碱性有机溶剂易溶解芯穰中的木质素和有机小分子，以及超声作用可加速溶剂及溶液分子快速进入芯穰组织中，促使木质素及其它小分子更易溶入溶剂中的物化特性，采用含金属盐的缓冲溶液和有机溶剂组成的混合溶剂的浸提工艺；辅以超声快速脱除芯穰中的木质素、加纤维素酶水解滤渣，再次超声去除纤维素，经简单的后处理便获得低聚木糖的工艺路线。整个工艺流程短、耗材耗能少、成本低，而所取用的有机溶剂可采用成熟工艺再回收利用，故有良好的经济效益和环境效益。(二)本发明选择了玉米秸秆芯穰作为制备低聚木糖的原材料，充分而合理地利用了玉米秸秆资源，提高了玉米秸秆的附加值。
附图1为本发明的工艺流程框附图2为玉米秸秆芯穰原料经热水浸泡，过滤除渣后的水溶液液相色谱分析图； 附图3为本发明制得的低聚木糖溶于热水后，过滤除渣后的水溶液液相色谱分析图。附图2、3液相色谱检测的条件是，流动相为水，色谱柱为SP0810，柱温是85°C，流速是0. 5ml/min,检测器是Shodex Ri_201H，检测器温度40°C，压力为0. 7MPa,进样量IOul。 图2所示峰1为木糖，其余峰为未知。图3所示峰1为未知，峰2为木六糖，峰3为木五糖， 峰4为木三糖，峰5为葡糖，峰6为木二糖，峰7为木糖，峰8未知。由附图2、3的对比可见， 两者所含有效成分有很大区别。
具体实施例方式以下给出实施例，以对本发明技术方案作进一步说明。实施例一称取粉碎过60目的玉米秸秆芯穰50g，用由150mL含0.0015mol
硫酸铁、0. 0045mol磷酸氢二钠与0. 0045mol磷酸钠的水溶液和600mL的乙醇组成的总体积为750mL的混合溶剂混合后，在MKHz、功率为80W、温度为70°C的超声发生器浸提 2min。浸提混合物经过抽滤，滤渣经洗涤至中性后，加入150mL质量分数为0. 04%的纤维素酶和pH为4. 7的缓冲溶液组成的纤维素酶溶液和适量的水使滤渣完全浸泡，搅拌均勻后的滤渣-酶混合体，置于超声发生器中，在超声温度50°C、功率为80W下，超声IOmin后，再继续在50°C下酶解3小时。将经过纤维素酶解后的滤渣-酶混合体系，加热至100°C灭酶，经过滤后冷冻干燥，粉碎至160目，即为粉状低聚木糖成品。实施例二 称取粉碎过80目的玉米秸秆芯穰50g，用由170mL含0. 0051mol的氯化铁、0. Olmol磷酸氢二钠与0. Olmol磷酸钠的水溶液和830mL的丙酮组成的总体积为 IOOOmL的混合溶剂混合后，在48KHz、功率为80W、温度为30°C的超声发生器浸提15min。浸提混合物经过抽滤，滤渣经洗涤至中性后，加入300mL质量分数为0. 05%的纤维素酶，pH为 6的缓冲溶液组成的纤维素酶溶液和适量的水使滤渣完全浸泡，搅拌均勻后的滤渣-酶混合体，置于超声仪中，在超声温度50°C、功率为70W下，超声25min后，再继续在50°C下酶解 3小时。将经过纤维素酶解后的滤渣-酶混合体系，加热至100°C灭酶，经过滤后冷冻干燥， 粉碎至200目，即为粉状低聚木糖成品。实施例三称取粉碎过70目的玉米秸秆芯穰50g，用由180mL含0. 0036mol、或硝酸铁、0. 008mol磷酸氢二钠与0. 008mol磷酸钠的水溶液和720mL的乙醇组成的总体积为 900mL的混合溶剂混合后，在IOOKHz、功率为80W、温度为25°C的超声发生器浸提30min。浸提混合物经过抽滤，滤渣经洗涤至中性后，加入225mL质量分数为0. 06%的纤维素酶，pH为 5的缓冲溶液组成的纤维素酶溶液和适量的水使滤渣完全浸泡，搅拌均勻后的滤渣-酶混合体，置于超声仪中，在超声温度50°C、功率为60W下，超声40min后，再继续在50°C下酶解 3小时。将经过纤维素酶解后的滤渣-酶混合体系，加热至100°C灭酶，经过滤后冷冻干燥， 粉碎至190目，即为粉状低聚木糖成品。综上，本发明可达到预期的发明目的。
权利要求
1.玉米秸秆芯穰制备低聚木糖的方法，其特征在于所述的低聚木糖由玉米秸秆芯穰制备而成，其制备方法的工艺步骤为(一)玉米秸秆去叶、剥离外皮和硬壳，获取芯穰，粉碎芯穰至60-80目；(二)配置含金属盐的缓冲溶液和有机溶剂组成的混合溶剂；将粉碎的芯穰置入混合溶剂中混和，对混和物作超声浸提、经抽滤、并以水洗涤滤渣；洗涤后的滤渣用纤维素酶溶液先进行超声，然后在相同温度下继续进行酶水解3小时，最后所再得滤渣经灭酶、过滤、干燥、粉碎，获低聚木糖成品。
2.根据权利要求1所述玉米秸秆芯穰制备低聚木糖的方法，其特征在于所述配置含金属盐的溶液由金属铁盐和缓冲溶液组成；金属盐为硫酸铁、或氯化铁、或硝酸铁,浓度范围均为0. 01-0. 03mol/L ；缓冲溶液由组分磷酸氢二钠和磷酸钠按照1 1摩尔比的水溶液组成，浓度范围为0. 03-0. 06mol/L;所述有机溶剂为乙醇、或为丙酮，其中优选乙醇。
3.根据权利要求1所述玉米秸秆芯穰制备低聚木糖的方法，其特征在于所述混合溶剂以有机溶剂体积与含金属盐缓冲溶液体积比为(4-5)比1配置。
4.根据权利要求1所述玉米秸秆芯穰制备低聚木糖的方法，其特征在于所述粉碎的芯穰置入混合溶剂中，芯穰与混合溶剂是按照1克重粉碎的芯穰与15-20mL的混合溶剂混和，混和物置于超声发生器中进行浸提。
5.根据权利要求1或4所述玉米秸秆芯穰制备低聚木糖的方法，其特征在于所述超声发生器设定参数为超声频率为MKHz、或48KHz、或IOOKHz ；超声功率为80W，超声浸提加热温度为25 70°C，超声提取时间2-30min ；最佳设定参数为超声频率为48KHz ；超声浸提加热温度为30°C ；超声提取时间为15min。
6.根据权利要求1所述玉米秸秆芯穰制备低聚木糖的方法，其特征在于所述混和物以超声浸提，经抽滤和水洗涤至中性后的滤渣，并按照滤渣1克重与纤维素酶溶液3-6毫升的比例加入纤维素酶溶液，和适量的水浸润，搅拌均勻，便得滤渣-酶混合体。
7.根据权利要求1所述玉米秸秆芯穰制备低聚木糖的方法，其特征在于所述的纤维素酶溶液为纤维素酶质量分数为0. 04%-0. 06%，pH值为4. 7-6的缓冲溶液。
8.根据权利要求6所述玉米秸秆芯穰制备低聚木糖的方法，其特征在于所述的滤渣-酶混合体置于发生器中去除纤维素，设定超声温度为50°C、功率60-80W，超声时间 10-40min，停止超声后，滤渣-酶混合体保持50°C条件下继续酶解3小时，所述超声时间优选 25min。
9.根据权利要求6或8所述玉米秸秆芯穰制备低聚木糖的方法，其特征在于所述滤渣-酶混合体，加热至100°c灭酶，经过滤后干燥，粉碎至160-200目，即为粉状低聚木糖成品。
全文摘要
本发明为采用玉米秸秆芯穰制备低聚木糖的方法。该方法以玉米秸秆芯穰为原料，采用含金属盐的缓冲溶液和有机溶剂组成的混合溶剂与粉碎芯穰混和，在超声作用下快速脱除芯穰中的木质素、以水洗涤溶解后的滤渣、加纤维素酶水解滤渣，并再次超声去除纤维素、经干燥、粉碎获得低聚木糖。本发明工艺流程短、耗材耗能少、成本低、工业污染少，具有良好的经济效益和环境效益；且选择玉米秸秆芯穰作为制备低聚木糖的原材料，充分而合理地利用了玉米秸秆资源，提高了玉米秸秆的附加值。
文档编号C12P19/14GK102559808SQ20121003802
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月20日 优先权日2012年2月20日
发明者吕金顺, 宋虎卫, 徐继明, 江艳, 钱晓聪 申请人:淮阴师范学院