一种活性炭吸附乙醇解吸附同步生产不同品质低聚木糖的方法与流程

本发明属于化工、食品技术领域，特别涉及一种低聚木糖食品和饲料添加剂的制备方法。

背景技术：

玉米秸秆作为国内最具代表性的木质纤维素原料，开发其加工利用技术意义深远。与此同时，半纤维素作为玉米秸秆中重要组成成分，其在自然界中的总储量仅次于纤维素，是世界第二大类杂化多糖。基于复杂多样的结构特性及其所具有的生理活性功能，使得半纤维素具有巨大的研究和利用价值。而作为半纤维素最重要的转化产品之一的低聚木糖，除具有功能性低聚糖的一般特效，如高效选择性增殖双歧杆菌、促进钙的吸收、降低血糖含量、抗龋齿等，还具有有效用量少，酸、热稳定性好等独特性质。

在低聚木糖生产工艺中，活性炭由于其高吸附性，安全无毒等特点，广泛应用于糖液脱色，国内外不少制造精糖的企业采用活性炭处理糖液。中国农业大学公开了“低聚木糖的制备方法”(申请号01131171.1)，该方法以玉米芯为原料，经碱金属氢氧化物溶液预处理后，在弱酸型催化剂作用下采用直热蒸煮裂解的方式溶出木聚糖，经酶解所得低聚木糖溶液采用活性炭粉脱色，最终制得高纯度低聚木糖产品，但该法低聚木糖产率较低，因而相对经济效益低。山东龙力生物科技有限公司公开了“一种低聚木糖各组分的分离纯化方法”(申请号200910017913.3)，该方法用活性炭柱对低聚木糖液进行吸附，随后采用0-45％(v/v)浓度的乙醇逐级洗脱，各收集液分别经冷冻干燥得到高纯度木二糖-木七糖，但该方法操作周期较长，乙醇最高浓度为45％，高聚合度低聚木糖洗脱不彻底造成产品产量较低。华侨大学的李夏兰等人公开了“麦槽中阿魏酸及低聚木糖分离纯化的方法”(申请号201210331544.7)，该方法将经过乙醇处理后的麦糟不溶物酶解，随后采用活性炭吸附，用0-45％(v/v)浓度的乙醇逐级洗脱得低聚木糖，2％(v/v)的NaOH溶液洗脱得阿魏酸，该方法实现同步分离麦糟中的低聚木糖和阿魏酸，但实验周期较长，同样存在高聚合度低聚木糖洗脱不彻底产率较低的问题，同时未充分考虑到不同浓度梯度的乙醇洗脱所得低聚木糖品质不同。

技术实现要素：

本发明旨在使用不同浓度梯度乙醇逐级洗脱同步生产不同品质的低聚木糖，提供一种适用、简便的低聚木糖生产工艺。本发明的优势在于以简便的工艺同步生产符合饲料添加剂和食品添加剂质量标准的不同品质的低聚木糖；本工艺生产成本较低，相对经济性较好，具有良好的工业应用潜质。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

(1)风干、粉碎后的玉米秸秆粉分别经水和乙醇浸泡，以除去水溶性和脂溶性非结构成分，随后采用亚氯酸钠酸性溶液脱除木质素，得综纤维素。水溶性多糖、淀粉以及无机物等水溶性大分子的存在明显增大糖液的粘度，降低固液分离速率；而脂溶性物质中蜡质层的存在会使木质纤维素具有疏水性，阻碍酶分子接触半纤维素表面；类脂物中的磷脂在加热或者酸碱性环境下易水解，形成泡沫和乳浊液，色素的存在则会使木聚糖液的色泽加深。基于此，需对原料进行预处理，以减少产物中的杂质含量并降低产品色值。木质纤维素原料中半纤维素与木质素以共价键紧密连接，为了促进半纤维素的溶出，使用亚氯酸钠酸性溶液脱除木质素。

(2)将综纤维素用NaOH溶液抽提制得粗木聚糖液。在众多半纤维素提取方法中，碱法提取可以得到提取过程降解较少，聚合度较高，水解过程中酶的可及性较高的半纤维素。常用碱溶液有KOH、NaOH，由于Na⁺的水化阳离子较K⁺的水化阳离子大，故NaOH对半纤维素的抽提能力强于KOH。

(3)粗木聚糖液经部分除盐后使用碱性木聚糖酶酶解，得到低聚木糖酶解液，酶解液调节pH到4，静置后液固分离去除酶解渣。盐分中的金属离子常常是酶的抑制剂或促进剂，且各种金属离子对于不同状态、不同类型的酶有着不同的作用效果。适宜的盐分含量对于木聚糖酶有着一定的激活作用，但最适盐分浓度则与木聚糖酶种类有关。实验结果和文献分析显示木聚糖在酶解之前无需将其所含盐分完全去除，保留适当浓度的盐分反而对木聚糖的酶解有一定的促进作用。本方法中5-10mg/mL的盐分存在，会明显促进碱性木聚糖酶的活性。将酶解液pH调节至4.0，静置一段时间，残留木质素溶出，抽滤脱除不溶木质素等酶解渣。

(4)在去渣酶解液中添加2％-4％(w/v)木质粉末活性炭，和0-2％(w/v)的木质颗粒活性炭，初始pH 4-6，40-70℃搅拌条件下吸附30-60min。研究发现活性炭的粒度对糖液中寡糖吸附率以及后续抽滤速度都有显著影响。粉末状活性炭吸附性能优于颗粒状活性炭，随着活性炭粒度的减少，寡糖吸附率呈上升趋势，不过随之而来的就是后续抽滤和乙醇洗脱的速度问题。经过反复优化，发现使用2％-4％(w/v)目数为200-270目的木质粉末活性炭，和0-2％(w/v)的目数为5-10目的木质颗粒活性炭，将粒度大小不同的粉末和颗粒活性炭按一定比例混合，既保证较优的吸附性能的同时又能获得理想的抽滤速度。同时考察活性炭用量、吸附温度、吸附时间以及初始pH对活性炭吸附效果的影响。

(5)吸附反应结束后，吸附液中添加1％-3％(w/v)硅藻土，过滤，固液分离，使活性炭滤饼质量在0.3-0.6g/cm²，待下步洗脱。为进一步提高抽滤速度，解决低聚木糖生产过程中活性炭抽滤速度慢的问题，本研究在加入助滤剂硅藻土的同时，又探究了活性炭滤饼厚度对抽滤速度的影响。期望找到一个合适的滤饼厚度，保证抽滤效果的同时，进一步加快抽滤速度，缩短实验周期。研究发现当滤饼活性炭量为0.3-0.6g/cm²时，具有很好的抽滤效果，既保证滤液澄清无漏炭现象，兼有良好的抽滤速度。

(6)使用多个级别，浓度依次由低到高的乙醇水溶液进行梯级洗脱，第一级乙醇浓度为0-10％(v/v)，最后一级乙醇浓度为70％(v/v)，中间采用1-4级进行洗脱，浓度在0-70％(v/v)之间依次增加，洗脱液分别经减压浓缩，冷冻干燥后得低聚木糖产品。研究发现，不同浓度的乙醇可以洗脱不同聚合度的低聚木糖，当低聚木糖分子量越高时，其聚合度越大，需要浓度更高的乙醇才能将其从活性炭表面洗脱下来。本方法使用3-6级浓度依次由低到高的乙醇水溶液进行梯级洗脱，同步生产不同品质的低聚木糖。根据低聚木糖的品质高低可作不同用途，前1-2级洗脱所得低聚木糖纯度偏低，可用作饲料添加剂，后3-6级洗脱所得低聚木糖纯度在95％以上，可作为功能性食品原料。

本发明具有以下特点和优势：

(1)木质粉末活性炭和木质颗粒活性炭按比例混合，既保证吸附性能又进一步提高后续抽滤速度，同时对吸附条件进行优化，显著提高糖液中寡糖吸附率，进而提高低聚木糖产量；

(2)采用不同浓度梯度乙醇逐级洗脱，同步生产不同品质的低聚木糖；

(3)该工艺生产成本较低，相对经济性较好，同时流程简单且实用性强，具有良好的工业应用潜质。

附图说明

图1低聚木糖生产工艺

1，玉米秸秆；2，综纤维素；3，酶解液；4，脱色液；5，活性炭；6，一级洗脱液；7，一级洗脱活性炭；8，二级洗脱液；9，二级洗脱活性炭；10，五级洗脱活性炭；11，六级洗脱液；12，六级洗脱活性炭；13，低聚木糖。

a，预处理(水提、醇提、脱木质素)；b，酶解；c，活性炭吸附；d，一级乙醇洗脱；e，二级乙醇洗脱；f，六级乙醇洗脱；g，冷冻干燥。

图2低聚木糖中各成分质量分数

图3低聚木糖中寡糖回收率

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例

玉米秸秆风干后用高速碾磨机进行粉碎，收集粒径在2mm以下的秸秆粉备用；将100g秸秆粉与去离子水按固液比1:8(g/mL)混合，在80℃下热水抽提2h，且每过一小时更换一次去离子水，以除去秸秆中的水溶性非结构成分，得到水不溶秸秆；再将水不溶秸秆与95％(w/v)的乙醇按固液比1:5(g/mL)混合，在60℃下抽提2h，且每过一小时更换一次乙醇，以除去秸秆中的脂溶性非结构成分，得到脱脂秸秆；将上述脱脂秸秆与6％(w/v)亚氯酸钠溶液按固液比7.5:100(g/mL)混合，且亚氯酸钠溶液用乙酸调节pH至3.6-3.8，在75℃下处理2h以除去秸秆中的木质素，得到综纤维素；将综纤维素用质量分数10％的NaOH溶液在固液比1:10(g/mL)，90℃条件下抽提2h，反应结束后抽滤使固液分离，滤渣用去离子水洗涤至中性后干燥得纤维素，合并后的提取液(滤液+洗涤液)用浓盐酸调节pH至5.0制得粗木聚糖液；粗木聚糖液使用截留分子量为1000的膜透析除盐；除盐后的木聚糖液调节浓度至2％(w/v)，盐浓度为8mg/ml，使用1％(w/w)碱性木聚糖酶在pH 8.0，温度50℃，搅拌条件下酶解4h得酶解液；酶解液调节pH至4.0，静置一段时间后抽滤去除酶解渣，在酶解液中添加2.5％(w/v)200目的木质活性炭粉末和1％(m/v)目数为5目的木质活性炭颗粒吸附后，在初始pH 4，60℃搅拌条件下吸附30min。然后加入2％(m/v)的硅藻土，抽滤。抽滤时，根据漏斗过滤面积，计算酶解液的体积，使滤饼质量为0.3g/cm²。使用等体积浓度分别为10％、30％、50％、70％(v/v)乙醇逐级洗脱，洗脱液分别经减压浓缩，冷冻干燥后得低聚木糖产品。

所得低聚木糖产品经高效液相色谱仪测定其单糖和低聚木糖含量。如图2所示，10％乙醇洗脱得到的低聚木糖固体中盐含量为30.59％，说明最先用低浓度乙醇洗脱活性炭时盐分随着低聚合度寡糖一起进入到洗脱液中，随后乙醇浓度升高，洗脱下来的盐含量减少，寡糖纯度升高。从图3可以明显看出，被洗脱下来的木二糖和木三糖绝大部分由10％和30％乙醇洗脱。同时，30％乙醇洗脱得到的低聚木糖中以木五糖和木六糖为主，而50％乙醇洗脱得到的低聚木糖中主要包括木六糖和木七糖，说明不同浓度乙醇洗脱低聚木糖聚合度不同，分子量越高，聚合度越高，需要高浓度乙醇洗脱。使用10％和30％乙醇洗脱的低聚木糖经检测符合饲料用低聚木糖的质量标准，而50％和70％乙醇洗脱的低聚木糖最终产品符合食品添加剂的质量标准。