一种用甜高粱发酵渣制备低聚木糖的方法
【专利摘要】本发明公开了一种用甜高粱发酵渣制备低聚木糖的方法，属于生物化工【技术领域】。本发明提供的方法是以甜高粱发酵渣为原料，经过碱法预处理并固液分离后，再将得到的固相水洗至中性后，用木聚糖酶糖化后固液分离，再通过超滤法获得低聚木糖糖液，再经活性炭吸附脱色及离子交换树脂纯化后，浓缩添加赋形剂后喷雾干燥。本发明提供的方法充分利用了甜高粱固态发酵生产燃料乙醇后残留的发酵渣，克服了酸催化水解工艺中杂质较多的问题，因此有效降低后续木糖纯化成本，所得低聚木糖品质好，提取率高，所述工艺流程简单易行，具有广阔的工业化推广前景。
【专利说明】一种用甜高粱发酵渣制备低聚木糖的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用甜高粱发酵渣制备低聚木糖的方法，属于生物化工【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 低聚木糖包括木二糖及木三糖，由2-10个D-木糖以β-1,4-木糖苷键结合而成， 是一种重要的功能性低聚糖。低聚木糖对双歧杆菌增殖具有高选择性，等功能及耐酸、耐热 性强等优势。低聚木糖能够抑制肠道中有害菌的生长，清除肠内毒素，可作为添加剂广泛应 用于制药、食品、饲料等行业。
[0003] 制备低聚木糖的主要原料是半纤维素。用于生产低聚木糖的原料主要包括木材 (如杨木、桦木等）及农业废弃物（麦杆、玉米芯、甘蔗渣等）等。而对于用甜高粱发酵渣制 备低聚木糖的研究却未见相关的报道。事实上，甜高粱是目前唯一集谷物、糖以及木质纤维 原料为一体的作物，被认为是未来最有发展前景的一种能源作物。甜高粱具有光合效率高、 耐盐碱、耐干旱等特性，非常适合在盐碱滩图、及干旱等边际性土地种植。以甜高粱杆茎为 原料，采用固态发酵技术生产燃料乙醇后，残余的甜高粱发酵渣中存在丰富的半纤维素，可 作为原料用于低聚木糖的生产。
[0004] 目前，制备低聚木糖的主要方法包括：酸水解法（Mitsuish Y. :Agric. Biol. Chem，1988, 52:921-27);热水抽提法（JP62281890A2);微波处理（JP1224384A2);酶水解 法（Kusakabe et al. preparation of crystalline xylooligosaccharides from xylan. Nippon Nogeikagaku Kaishi, 1975, 49:383-85)等。酶水解生产低聚木糖工艺中所用木聚 糖酶可定向将原料中的半纤维素水解成低聚木糖，所得糖液中杂质少，可显著降低后续纯 化成本；此外，采用酶水解工艺降解半纤维素，降解速度可控，操作简便，因此被广泛研究。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种利用甜高粱发酵渣制备低聚木糖的方法，采取的技术方案如 下：
[0006] 本发明的目的在于提供一种用甜高粱发酵渣制备低聚木糖的方法。该方法是以甜 高粱发酵渣为原料，经过预处理并固液分离后，再将得到的固相水洗至中性后，用木聚糖酶 糖化后固液分离，再通过超滤法获得低聚木糖糖液，再经活性炭吸附脱色及离子交换树脂 纯化后，浓缩添加赋形剂后喷雾干燥。
[0007] 所述方法的步骤如下：
[0008] 1)原料的预处理：将甜高粱经过固态发酵生产燃料乙醇后残留的发酵渣转入蒸 馏釜，利用碱液进行碱法预处理，处理完毕后进行固液分离，得到固相残渣；
[0009] 2)糖化处理：将步骤1)所得固相残渣水洗至中性后加入木聚糖酶进行糖化处理， 获得糖化水解液；
[0010] 3)超滤处理：利用超滤膜分离步骤2)所得的糖化水解液，残留液回收进行二次酶 解，收集透过液，获得低聚木糖糖液；
[0011] 4)脱色纯化：利用活性炭对步骤3)所得的低聚木糖糖液进行脱色处理，再用离子 交换树脂对脱色后的低聚木糖糖液进行纯化，获得低聚木糖纯化液；
[0012] 5)浓缩干燥：真空浓缩步骤4)所得的低聚木糖纯化液，添加赋形剂后喷雾干燥， 获得低聚木糖。
[0013] 步骤1)所述碱液为NaOH溶液，碱法预处理条件为：碱液浓度为5% -13%，发酵 渣：碱液=1 :3_7,蒸馏釜蒸汽通入压力为0. 02-0. 08MPa，温度为100-1KTC，处理时间为 20_50min。
[0014] 所述碱法预处理条件为：碱液浓度为8 % -11 %，发酵渣：碱液=1 :4_6,蒸馏釜蒸 汽通入压力为〇· 02-0. 06MPa，温度为100-110°C，处理时间为30-40min。
[0015] 步骤1)所述固液分离为抽滤、离心、沉降或压榨分离中的一种或几种。
[0016] 步骤2)所述水洗是用自来水冲洗固相物；所述糖化条件为：木聚糖酶添加量 为50-80U/g，木聚糖酶用50mM醋酸钠缓冲溶液溶解，固相物与水的质量比为1:5-9， pH4. 5-5. 5,糖化温度为45-55°C，处理时间为4-12h。
[0017] 所述糖化条件为：木聚糖酶添加量为60-75U/g，木聚糖酶用50mM醋酸钠缓冲溶液 溶解，固液比为1:5-8, pH4. 8-5. 0,糖化温度为50°C，处理时间为5-10h。
[0018] 步骤3)所述超滤处理，使用分子截留量lOOODa的聚砜中空纤维超滤膜，在 25-35°C，小于150kPa的压力下，超滤分离出低聚木糖糖液。
[0019] 步骤4)所述脱色处理，是将低聚糖木糖液升温至70-80°C，在35-40r/min的搅拌 速度下按照50-100g每升低聚木糖液的添加量添加活性炭粉末，搅拌30-40min后过滤收集 滤液；所述纯化是将低聚木糖糖液温度降至30-40°C后，分别利用732型阳离子离子交换树 脂和多孔阴离子交换树脂纯化，再经过阴离子交换柱，每小时流速为树脂体积的1-2倍纯 化后糖液电导率小于50VS/cm。
[0020] 步骤5)所述真空浓缩，是先在真空度0.8MPa、50°C下将低聚木糖纯化液浓缩 至50%，再在0. 9MPa、75°C条件下，将低聚木糖纯化液进一步浓缩至85-90% ;所述赋形 剂为玉米淀粉；所述喷雾干燥进口温度为125-135°C，出口温度为65-75°C，物料流量为 0· 8-L 5m3/h，塔内滞留时间为10-20s。
[0021] 本发明尝试采用酸法预处理经过固态发酵的甜高粱渣，结果发现不同条件下酸水 解，得到低聚木糖粉剂含量为8% -12%，可能由于酸水解过程产生了较多杂质，影响了产 物得率。
[0022] 本发明有益效果：
[0023] (1)以甜高粱为原料，采用固态发酵工艺生产燃料乙醇后将产生大量发酵残渣。本 发明充分利用这部分资源，不仅生产出高附加值产品，而且解决了甜高粱发酵渣的处理问 题。
[0024] (2)本发明通过酶制剂将原料水解成低聚木糖，克服了酸催化水解工艺中杂质较 多的问题，因此有效降低后续木糖纯化成本，所得低聚木糖品质好，提取率高，所述工艺流 程简单易行，具有广阔的工业化推广前景。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
[0026] 以下实施例的百分数除特殊说明外均为重量百分数。
[0027] 实施例1
[0028] (1)取10Kg甜高粱发酵渣放入反应釜中，按照固相物与水的质量比1:4加入 2. 0%的H2S04溶液，在160°C条件下反应40分钟。反应结束后将反应釜内的混合物进行固 液分离，固相物水洗至中用作酶解底物。
[0029] (2)按每克底物70U的用量加入木聚糖酶，保持固液比为1:5,在pH为5.0, 50°C下 水解5. 5小时，酶解完成后升温至90°C中灭活10分钟。将酶解液固液分离，取上清液得到 低聚木糖糖液。
[0030] (3)将糖液降温至25°C，在操作压力lOOkPa下通过分子量为1000的超滤膜，取超 滤透过液，得到低聚木糖糖液，对超滤母液中分子量大于1000的木聚糖进行二次酶解。
[0031] (4)将木糖糖液升温至70°C，在搅拌速度为35转/分钟下按每升糖液55g的剂量 加入活性炭粉末。搅拌30分钟后过滤，取滤液得到脱色的低聚木糖糖液。
[0032] (5)将脱色的低聚木糖糖液降温至30°C，依次通过阳离子交换树脂、阴离子交换 树脂除杂，控制流速为树脂体积的1倍，收集滤液得到木糖纯化液。纯化后，糖液电导率小 于 50VS/cm
[0033] (6)利用双效蒸发器首先在真空度为0. 8MPa，温度为50°C条件下将低聚木糖糖液 浓缩至含醇50 %，接着将真空度调至0. 9MPa，温度提高至75 °C，将糖液进一步浓缩至含醇 85%后出料。
[0034] (7)真空浓缩后的糖液中加入玉米淀粉作为赋型剂然后进行喷雾干燥，控制热风 进口温度为125°C，出口温度为65°C，物料流量为0. 8m3/h，塔内滞留时间为25s，得到低聚 木糖粉剂1. OlKg。
[0035] 实施例2
[0036] (1)取10Kg甜高粱发酵渣放入蒸馏釜中，按照固液比1:4加入8.0%的NaOH溶液， 蒸馏釜中通入0. 〇2MPa的蒸汽，在100°C条件下反应30分钟。反应结束后将蒸馏釜内的混 合物进行固液分离，固相物水洗至中用作酶解底物。
[0037] (2)按每克底物60U的用量加入木聚糖酶，保持固液比为1:5,在pH为5.0, 50°C下 水解5小时，酶解完成后升温至90°C中灭活10分钟。将酶解液固液分离，取上清液得到低 聚木糖糖液。
[0038] (3)将糖液降温至25°C，在操作压力100kPa下通过分子量为1000的超滤膜，取超 滤透过液，得到低聚木糖糖液，对超滤母液中分子量大于1000的木聚糖进行二次酶解。
[0039] (4)将木糖糖液升温至70°C，在搅拌速度为35转/分钟下按每升糖液50g的剂量 加入活性炭粉末。搅拌30分钟后过滤，取滤液得到脱色的低聚木糖糖液。
[0040] (5)将脱色的低聚木糖糖液降温至30°C，依次通过阳离子交换树脂、阴离子交换 树脂除杂，控制流速为树脂体积的1倍，收集滤液得到木糖纯化液。纯化后，糖液电导率小 于 50VS/cm
[0041] (6)利用双效蒸发器首先在真空度为0. 8MPa，温度为50°C条件下将低聚木糖糖液 浓缩至含醇50 %，接着将真空度调至0. 9MPa，温度提高至75 °C，将糖液进一步浓缩至含醇 85%后出料。
[0042] (7)真空浓缩后的糖液中加入玉米淀粉作为赋型剂然后进行喷雾干燥，控制热风
【权利要求】
1. 一种用甜高粱发酵渣制备低聚木糖的方法，其特征在于，是以甜高粱发酵渣为原料， 经过预处理并固液分离后，再将得到的固相水洗至中性后，用木聚糖酶糖化后固液分离，再 通过超滤法获得低聚木糖糖液，再经活性炭吸附脱色和离子交换树脂纯化后，浓缩添加赋 形剂后喷雾干燥。
2. 权利要求1所述方法，其特征在于，步骤如下： 1) 原料的预处理：将甜高粱经过固态发酵生产燃料乙醇后残留的发酵渣转入蒸馏釜， 利用碱液进行碱法预处理，处理完毕后进行固液分离，得到固相残渣； 2) 糖化处理：将步骤1)所得固相残渣水洗至中性后加入木聚糖酶进行糖化处理，获得 糖化水解液； 3) 超滤处理：利用超滤膜分离步骤2)所得的糖化水解液，残留液回收进行二次酶解， 收集透过液，获得低聚木糖糖液； 4) 脱色纯化：利用活性炭对步骤3)所得的低聚木糖糖液进行脱色处理，再用离子交换 树脂对脱色后的低聚木糖糖液进行纯化，获得低聚木糖纯化液； 5) 浓缩干燥：真空浓缩步骤4)所得的低聚木糖纯化液，添加赋形剂后喷雾干燥，获得 低聚木糖。
3. 权利要求2所述方法，其特征在于，步骤1)所述碱液为NaOH溶液，碱法预处理条件 为：碱液浓度为5% -13%，发酵渣：碱液=1 :3-7,蒸馏釜蒸汽通入压力为0.02-0. 08MPa， 温度为l〇〇-ll〇°C，处理时间为20-50min。
4. 权利要求3所述方法，其特征在于，所述碱法预处理条件为：碱液浓度为8%-11%， 发酵渣：碱液=1 :4_6,蒸馏釜蒸汽通入压力为0. 02-0. 06MPa，温度为100-1KTC，处理时间 为 30_40min。
5. 权利要求2所述方法，其特征在于，步骤1)所述固液分离为抽滤、离心、沉降或压榨 分离中的一种或几种。
6. 权利要求2所述方法，其特征在于，步骤2)所述水洗是用自来水冲洗固相物；所述 糖化条件为：木聚糖酶添加量为50-80U/g，木聚糖酶用50mM醋酸钠缓冲溶液溶解，固相物 与水的质量比为1:5-9, pH4. 5-5. 5,糖化温度为45-55°C，处理时间为4-12h。
7. 权利要求6所述方法，其特征在于，所述糖化条件为：木聚糖酶添加量为60-75U/g， 木聚糖酶用50mM醋酸钠缓冲溶液溶解，固相物与水的质量比为1:5-8, pH4. 8-5. 0,糖化温 度为50°C，处理时间为5-10h。
8. 权利要求2所述方法，其特征在于，步骤3)所述超滤处理，使用分子截留量lOOODa 的聚砜中空纤维超滤膜，在25-35°C，小于150kPa的压力下，超滤分离出低聚木糖糖液。
9. 权利要求2所述方法，其特征在于，步骤4)所述脱色处理，是将低聚糖木糖液升温 至70-80°C，在35-40r/min的搅拌速度下按照50-100g每升低聚木糖液的添加量添加活性 炭粉末，搅拌30-40min后过滤收集滤液；所述纯化是将低聚木糖糖液温度降至30-40°C后， 分别利用732型阳离子离子交换树脂和多孔阴离子交换树脂纯化，纯化后糖液电导率小于 50VS/cm〇
10. 权利要求2所述方法，其特征在于，步骤5)所述真空浓缩，是先在真空度0. 8MPa、 50°C下将低聚木糖纯化液浓缩至50%，再在0. 9MPa、75°C条件下，将低聚木糖纯化液进一 步浓缩至85-90% ;所述赋形剂为玉米淀粉；所述喷雾干燥进口温度为125-135°C，出口温 度为65-75°C，物料流量为0. 8-1. 5m3/h，塔内滞留时间为10-20s。
【文档编号】C12P19/04GK104087634SQ201410330909
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】李十中, 于孟辉, 李纪红 申请人:清华大学