专利名称：一种基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法
技术领域：
本发明涉及一种菊糖生产方法，特别是一种以菊芋为原料的基于二级超滤分离浓缩技术的菊芋菊糖生产方法，属于天然产物提取领域。
背景技术：
菊芋(Helianthus tuberosus L)，又称洋姜、鬼子姜。为菊科向日葵属多年草本植物。以地下块茎为食用器官。原产于北美洲，以后传入欧洲，进而传入亚洲。我国栽培历史悠久，分布较为广泛。
菊芋茎杆直立，高1.5-2.5米，叶色绿，花黄色，茎为扁圆形。块茎皮色可分为红、黄、紫、白等，肉质均为白色。块茎形状为不规则瘤形，内含丰富的菊糖，系果糖多聚物。一般单个块茎重50-70克，每株有块茎50-70个，每亩单产为1800-2500公斤。
据测定，鲜菊芋块茎含水76-79％左右、碳水化合物品16.6-19.2％左右、蛋白质1％、脂肪1％、粗纤维0.6％、灰分2.8％，还含有一定量的硫胺素、核黄素、尼克酸和抗坏血酸，其中的碳水化合物78％为果糖低聚糖。从菊芋中提取的菊糖，是一种生物多糖，是以β-2，1连接的多聚果糖，其末端为一个蔗糖残基，它由果糖分子通过β(1→2)键连接。聚合程度从2-60，一般平均为10，分子式可用GFn表示，其中G为终端葡萄糖单位，F代表果糖分子，n则代表果糖单位数。菊糖含量为菊芋湿重的15-18％，干重的80％。
菊糖是十分理想的食品配料、食品功能性添加剂、饲料添加剂及医药工业的原配材料，它既是一种水溶性的膳食纤维，又是一种良好的脂肪替代品，也是一种功能性低聚糖双歧杆菌增殖因子；同时，菊粉又是深加工低聚果糖、超高果糖、结晶果糖的优良原料。目前，菊粉做为功能食品和保健食品，已受到各国消费者的重视和青睐。
目前生产菊糖的主要方法有双碳酸法、酶法提取法和常规过滤提取法等三类生产工艺路线。
双碳酸法的生产工艺过程包括菊芋清洗切丝、浸出、双碳酸法除杂、脱盐脱色、浓缩。浸出是将经加工的菊芋丝用水在75-80℃条件下提取30-90分钟。双碳酸法除杂是浸出液中加入石灰乳，调整PH值12-13，再通入CO2气体，调节PH＝11，减压过滤后澄清液加热至90-100℃。脱盐脱色是将经双碳酸法除杂的澄清液采用强酸、强碱和弱酸性离子交换树脂交替脱盐脱色。浓缩是将脱盐脱色的澄清液减压浓缩至固形物≥75％。双碳酸法存在的主要不足是采用在浸出液中加入石灰乳，调整PH值12-13，再通入CO2气体，调节PH＝11，减压过滤的的方法除去蛋白质等杂质，一是在除去杂质的同时，可能因石灰乳不纯带来污染；二是除去的蛋白质等杂质难以综合利用，造成资源浪费和杂质排放带来的环境污染；三是由于蛋白质等杂质难以综合利用，造成生产成本上升。
酶法提取法是以菊芋(或菊苣)为原料，热水浸提获得提取液。酶法处理提取液，使压滤液流畅，提高菊糖出率达95％以上。应用纳滤高纯化技术分离去除葡萄糖、果糖和蔗糖，使菊糖纯度(蔗果三糖以上含量)达94.85％～98.58％；高纯化菊糖液经菊糖酶转化，得到高纯度果糖浆，果糖含量达85.56％～87.24％。酶法处理及脱色压滤可去除蛋白质及胶质，提高滤速及菊糖得率，其工艺流程见图2。
酶法提取法存在的主要问题1、采用酶法处理提取液加压过滤除去蛋白质等杂质的方法一是工艺比较复杂，二是因蛋白质等杂质形成的半胶体溶液，即使加压过滤，亦非常困难，给生产工艺处理上带来难度；2、菊糖中的蔗糖和单糖无法综合利用，影响整体收益。
常规过滤提取法是以菊芋(或菊苣)为原料，热水浸提粗滤获得提取粗滤液。提取粗滤液经加压过滤(减压过滤或离心过滤)得澄清过滤液。澄清过滤液经离子交换脱色脱盐，减压浓缩，喷雾干燥得菊糖(又称菊粉)。其工艺流程见图3。
常规过滤提取法存在的主要问题1、菊糖中含有蛋白质、色素、悬浮物等无法去除；2、菊糖中的蔗糖和单糖无法综合利用，影响整体收益。
针对上述方法存在的问题，本发明人开发了基于二级超滤分离工艺生产菊糖的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原料综合利用度高、提取率高、产品纯度高且适合于工业化生产的基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法。
本发明的目的是通过如下方法实现的第一步，原料清洗粉碎，将菊芋原料除去杂质和腐烂变质的原料，然后用水洗净沥干，若是新鲜原料则用打浆机粉碎，若是菊芋干块茎则用粉碎机粉碎成40-60目；第二步，热水浸提粗滤，将粉碎的菊芋原料计量置于多能提取罐或连续逆流提取罐或其他提取设备中，用热水浸提过滤，得7％±1％的菊糖浸提液和滤渣；第三步，一级超滤去杂，将菊糖浸提液经过一级超滤单元过滤，除去蛋白质等大分子杂质，得7±1％的澄清菊糖超滤透析液；第四步，吸附脱色，将经一级超滤处理所得的7％±1％的菊糖浓缩液经吸附脱除其色素得脱色菊糖溶液；第五步，二级超滤分离浓缩，将一级超滤所得的菊糖透析液经二级超滤单元分离浓缩，得15-20％的菊糖浓缩液和含有蔗糖、果糖的透析液；第六步，喷雾干燥，将菊糖浓缩液经喷雾干燥处理得纯度为95％以上的菊糖产品，菊糖产品经质检合格，包装即得菊糖的成品。
其中第二步热水浸提粗滤中是以蒸汽加热于70-85℃提取2.0-3.0小时，经振动过滤或板框压滤得7％±1％的菊糖提取液和残渣，提取时料液与水的比例为鲜料∶水＝1∶2.5-3，干料∶水＝1∶8-12。
在第二步热水浸提粗滤中，过滤所得的残渣经干燥后制成饲料原料。
第三步一级超滤去杂中，所用的超滤单元是平板超滤、卷式超滤或管式超滤，所用的超滤膜为截留分子量5万以上的聚乙烯膜、醋酸纤维膜、聚砜膜或聚醚砜膜等，工艺条件是室温至50℃，进压6-10bar，出压1-8bar。所用的最佳超滤膜为截留分子量5-8万以上的聚砜膜或聚醚砜膜，最佳工艺条件室温至35℃，进压7-8bar，出压3.5-4.5bar。
第三步一级超滤去杂中，过滤所得的蛋白质等杂质可以制成生产蛋白质的原料，或制成饲料原料。
第四步吸附脱色中，一级超滤处理所得的7％±1％的菊糖浓缩液是经活性炭吸附脱除其色素得脱色菊糖溶液，脱色所用的活性炭是颗粒活性炭，或经大孔树脂吸附脱除其色素得脱色菊糖溶液，脱色所用的大孔树脂为聚苯乙烯共聚体或聚乙烯共聚体，其孔径为34-65，比表面积400-650m2/g，流速可通过测定不同流速条件下的脱色效果，确定理想值。脱色所用的大孔树脂的再生方法是先经40-45％乙醇脱洗后再用纯水洗净。
第五步二级超滤分离浓缩中，所用的超滤单元是平板超滤、卷式超滤或管式超滤，所用的超滤膜为截留分子量500-2500的聚乙烯膜、醋酸纤维膜、聚醚砜膜或聚砜膜，最佳超滤膜为截留分子量600-1000的聚醚砜膜或聚砜膜，所用工艺条件是室温至50℃，进压5.5-30bar，出压3.5-27.5bar。
第五步二级超滤分离浓缩中，含有蔗糖和果糖的透析液经过纳滤浓缩，得蔗糖和果糖的浓缩液。具体地说，所得的透析液泵入纳滤装置中，纳滤回收得含果糖和蔗糖的浓缩液和透析液，选用的纳滤膜为截留分子量80-350的复合膜、聚砜膜或聚醚砜膜，工艺条件是室温，进压7.5-25.5bar，出压4.5-23.5bar。
第六步喷雾干燥前，可以先二级超滤所得的15-20％的菊糖浓缩液进一步蒸发浓缩至含固量45％±5％，再经喷雾干燥处理得纯度为95％以上的菊糖产品，包装即得菊糖的成品，这样可使喷雾干燥成本降低。所用蒸发浓缩的方法是常压蒸发或减压蒸发浓缩，但以减压浓缩为优，选用设备如真空浓缩罐、双效浓缩罐或三效浓缩罐等。
在第六步喷雾干燥中，所用喷雾干燥器为电加热或燃油加热的离心喷雾干燥器。
采用上述工艺路线具有如下优点应用一级超滤去杂的技术可实现以下目的1)可以有效去除蛋白质等大分子杂质，并回收植物蛋白；2)通过一级超滤系统(Sunflo-UF1)得到澄清的菊糖滤液；3)为菊糖的进一步提纯提供良好的滤液条件。
应用二级超滤(Sunflo-UF2)分离浓缩技术，可以实现以下目的1)可以有效地将单糖及蔗糖从菊粉中分离，实现菊糖在去除单糖和小分子低聚糖的同时还可以去除溶液中的无机盐；2)还可以有效提高菊糖的浓度，使最终浓缩液的糖度从7％提高到15-20％，有效减少浓缩液体积，大大减少喷雾干燥的成本。
总之，本发明工艺使原料综合利用度高，提取率高，产品纯度高，且适合于工业化生产。
图1是基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法工艺路线方框图；图2是习用酶法提取法的工艺流程图；图3是习用常规过滤提取法的工艺流程图。
具体实施例实施例1取新鲜菊芋块茎545Kg洗净，人工筛选去除杂质和腐烂块茎，计量得原料500Kg，将其用打浆机粉碎，然后投入2M3的多能提取罐中(或连续逆流提取罐或其他提取设备中)，加入700升纯水，启动搅拌装置，控制转速为10r/min，通入蒸汽加热提取90min(通过调节阀控制蒸汽流速，从而控制提取温度，使其稳定在75-85℃)，关闭加热蒸汽和停止搅拌，呈热过滤(振动过滤)，提取滤液存于贮罐中。往提取罐再加入400升纯水，启动搅拌装置，控制转速为10r/min，通入蒸汽加热进行二次提取90min(同上)，关闭加热蒸汽和停止搅拌，呈热过滤，提取滤液和第一次提取滤液合并存于贮罐中，得7％±1％的菊糖提取液和残渣。经提取时料液与水的比例为鲜料∶水＝1∶2.5-3。过滤完成后，开启出料口，排出菊芋渣，压滤(板框压滤)，滤液与提取滤液合并。滤渣经干燥后作饲料。将提取滤液经工业泵输入一级超滤装置中进行超滤，以除去蛋白质等大分子杂质，选用的超滤膜为截留分子量8万的聚砜膜，工艺条件为室温，PH＝6.5，进压7.5bar，出压4bar。超滤得菊糖超滤液约1340Kg(包括洗涤液)，并用纯水反复洗涤滤渣以充分回收菊糖。滤渣为植物蛋白质等大分子杂质，可以作为生产植物蛋白质的原料。将菊糖超滤液(全部)泵入4M3的脱色反应罐中，计量加入颗粒活性炭3.1Kg，在室温搅拌吸附脱色4小时，过滤除去颗粒活性炭得脱色菊糖提取液。将脱色菊糖提取液泵入二级超滤装置中进行超滤分离，超滤膜选用截留分子量500的卷式磺化聚砜膜，工艺条件为室温，PH＝6.8，进压19.5bar，出压13.8bar，得菊糖超滤浓缩液约473Kg和超滤透析液约866Kg(含果糖和二糖等)。将菊糖浓缩液用喷雾干燥得菊糖，品检纯度为95.7％，称量为86.5Kg，包装就得菊糖成品，计算得率约17.1％(相对于鲜料)。将二级超滤分离浓缩所得的透析液约866Kg泵入纳滤分离装置中分离得含果糖和蔗糖的浓缩液65.7Kg。纳滤选用截留分子量200的复合卷式膜。工艺条件是室温，进压17.5bar，出压11.5bar。将纳滤分离所得的果糖、蔗糖浓缩液经减压浓缩就得浓度为47％高浓的果糖浆22Kg，得率为4.4％(相对于菊芋鲜料)。减压浓缩所用设备为真空浓缩罐，浓缩条件为真空度50mmHg。
实施例2取菊芋块茎干509Kg洗净，人工筛选去除杂质和腐烂块茎，计量得原料500Kg，将其用粉碎机粉碎过40目筛，然后投入6M3的多能提取罐中，加入3000升纯水，启动搅拌装置，控制转速为10r/min，通入蒸汽加热提取90min，关闭加热蒸汽和停止搅拌，呈热过滤，提取滤液存于贮罐中。往提取罐再加入2200升纯水，启动搅拌装置，控制转速为10r/min，通入蒸汽加热进行二次提取90min，关闭加热蒸汽和停止搅拌，呈热过滤，提取滤液和第一次提取滤液合并存于贮罐中，7％±1％的菊糖提取液和残渣。经提取时料液与水的比例为干料∶水＝1∶8-12，过滤完成后，开启出料口，排出菊芋渣，压滤，滤液与提取滤液合并。滤渣经干燥后作饲料。将提取滤液经工业泵输入一级超滤装置中，以除去蛋白质等大分子杂质，选用截留分子量8万的聚砜膜)工艺条件为室温，PH＝6.5，进压7.5bar，出压4bar。超滤得菊糖超滤液约5605Kg(包括洗涤液)，并用纯水反复洗涤滤渣以充分回收菊糖。滤渣为植物蛋白质等大分子杂质，可以作为生产植物蛋白质的原料。将菊糖超滤液约5605Kg以50l/min的流速流经大孔树脂吸附柱(柱径450mm，柱高4950mm，内装填南开大学化工厂生产的NKA-9大孔树脂吸附)脱色菊糖提取液。将脱色菊糖提取液泵入二级超滤装置中(选用截留分子量700的复合膜)进行超滤分离，工艺条件为室温，PH＝7，进压23.5bar，出压18.8bar，得菊糖超滤浓缩液约2200Kg和超滤透析液约3410Kg(DP≤9)。将菊糖超滤浓缩液用三效浓缩罐于真空度50mmHg条件下浓缩至含固量43％，然后喷雾干燥得菊糖，品检纯度为95.4％，称重为397.5Kg，得率为79.5％(相对于菊芋干)，包装就得菊糖成品。将二级超滤透析液约3410Kg泵入纳滤装置中纳滤分离得果糖浓缩液92Kg(含固量约为20％)和透析液。纳滤选用截留分子量200的复合卷式膜。工艺条件是室温，进压17.5bar，出压11.5bar。将纳滤分离所得的果糖、蔗糖浓缩液经减压浓缩就得浓度为48％高浓的果糖浆31.5Kg，得率为6.3％(相对于菊芋干料)。减压浓缩所用设备为真空浓缩罐，浓缩条件为真空度50mmHg。
权利要求
1.一种基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法，其特征是它包括以下步骤第一步，原料清洗粉碎，将菊芋原料除去杂质和腐烂变质的原料，然后用水洗净沥干，若是新鲜原料则用打浆机粉碎，若是菊芋干块茎则用粉碎机粉碎成40-60目；第二步，热水浸提粗滤，将粉碎的菊芋原料用热水浸提过滤，得7％±1％的菊糖浸提液和滤渣；第三步，一级超滤去杂，将菊糖浸提液经过一级超滤单元过滤，除去大分子杂质，得澄清菊糖超滤透析液；第四步，吸附脱色，将经一级超滤处理所得的7％±1％的菊糖超滤透析液经吸附脱除其色素得脱色菊糖溶液；第五步，二级超滤分离浓缩，将一级超滤所得的菊糖透析液经二级超滤单元分离浓缩，得15-20％的菊糖浓缩液和含有蔗糖、果糖的透析液；第六步，喷雾干燥，将菊糖浓缩液经喷雾干燥处理得纯度为95％以上的菊糖产品，菊糖产品经质检合格，包装即得菊糖的成品。
2.根据权利要求1所述的一种基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法，其特征是第二步热水浸提粗滤中是以蒸汽加热于70-85℃提取2.0-3.0小时，经振动过滤或板框压滤得7％±1％的菊糖提取液和残渣，提取时料液与水的比例为鲜料∶水＝1∶2.5-3，干料∶水＝1∶8-12。
3.根据权利要求1所述的一种基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法，其特征是第三步一级超滤去杂中，所用的超滤单元是平板超滤、卷式超滤或管式超滤，所用的超滤膜为截留分子量5万以上的聚乙烯膜、醋酸纤维膜、聚砜膜或聚醚砜膜，工艺条件是室温至50℃，进压6-10bar，出压1-8bar。
4.根据权利要求1所述的一种基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法，其特征是第四步吸附脱色中，一级超滤处理所得的7％±1％的菊糖浓缩液是经活性炭吸附脱除其色素得脱色菊糖溶液，脱色所用的活性炭是颗粒活性炭。
5.根据权利要求1所述的一种基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法，其特征是第四步吸附脱色中，一级超滤处理所得的7％±1％的菊糖浓缩液是经大孔树脂吸附脱除其色素得脱色菊糖溶液，脱色所用的大孔树脂为聚苯乙烯共聚体或聚乙烯共聚体，其孔径为34-65，比表面积400-650m2/g。
6.根据权利要求1所述的一种基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法，其特征是第四步吸附脱色中，脱色所用的大孔树脂的再生方法是先经40-45％乙醇脱洗后再用纯水洗净。
7.根据权利要求1所述的一种基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法，其特征是第五步二级超滤分离浓缩中，所用的超滤单元是平板超滤、卷式超滤或管式超滤，所用的超滤膜为截留分子量500-2500的聚乙烯膜、醋酸纤维膜、聚醚砜膜或聚砜膜，所用工艺条件是室温至50℃，进压5.5-30bar，出压3.5-27.5bar。
8.根据权利要求1所述的一种基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法，其特征是第五步二级超滤分离浓缩中，含有蔗糖和果糖的透析液经过纳滤浓缩，得蔗糖和果糖的浓缩液。
9.根据权利要求8所述的一种基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法，其特征是第五步二级超滤分离浓缩中，所得的透析液泵入纳滤装置中，纳滤回收得含果糖和蔗糖的浓缩液和透析液，选用的纳滤膜为截留分子量80-350的复合膜、聚砜膜或聚醚砜膜，工艺条件是室温，进压7.5-25.5bar，出压4.5-23.5bar。
10.根据权利要求1所述的一种基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法，其特征是第六步喷雾干燥前，先二级超滤所得的15-20％的菊糖浓缩液进一步蒸发浓缩至含固量45％±5％，再经喷雾干燥处理得纯度为95％以上的菊糖产品，包装即得菊糖的成品。
全文摘要
本发明公开一种基于二级超滤技术的菊芋菊糖生产方法。先将菊芋原料用水洗净沥干，若是新鲜原料则用打浆机粉碎，若是菊芋干块茎则用粉碎机粉碎成40－60目；其次将粉碎的菊芋原料用热水浸提过滤，得7％±1％的菊糖浸提液和滤渣；接着将菊糖浸提液经过一级超滤单元过滤，除去大分子杂质，得澄清菊糖超滤透析液；再将经一级超滤处理所得的7％±1％的菊糖浓缩液经吸附脱除色素得脱色菊糖溶液；然后将一级超滤所得的菊糖透析液经二级超滤单元分离浓缩，得15－20％的菊糖浓缩液和含蔗糖、果糖的透析液；最后将菊糖浓缩液经喷雾干燥处理得纯度为95％以上的菊糖产品，包装即得菊糖的成品。此方法综合利用度高、提取率高、产品纯度高且适合于工业化生产。
文档编号C08B37/00GK1847266SQ20051003418
公开日2006年10月18日 申请日期2005年4月15日 优先权日2005年4月15日
发明者蓝伟光, 方富林, 黄桂辉, 陈颖, 陈晓强 申请人:三达工业技术(厦门)有限公司