本发明涉及一种制作低聚木糖的方法，特别是涉及一种用玉米芯制作低聚木糖的方法。
背景技术：
低聚木糖具有良好的生理学特性，如双歧杆菌的增殖能力，不被消化特性，预防龋齿，促进钙吸收等。是一种被广泛应用于人类食品和动物饲料的一种重要的功能性低聚糖。
低聚木糖的制备主要由富含木聚糖的植物资源，如玉米芯、棉籽壳、花生壳、甘蔗渣和稻壳等为原料，通过酸水解、高温蒸煮或酶水解等方法制得。作为一个农业大国，玉米是我国三大粮食作物之一，具有丰富的玉米芯原料资源。目前我国对玉米芯的利用相对较少，基本处于低水平的初级加工阶段，绝大部分作为农家燃料被烧掉。以玉米芯为原料，制备功能性低聚木糖，不仅可以综合利用农产品资源，同时也可以增加农民收入，减少环境污染，具有很好的市场前景。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供一种用玉米芯制作低聚木糖的方法。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种用玉米芯制作低聚木糖的方法，包括如下步骤：
A、选取合格的玉米芯，对玉米芯进行粉碎处理得到物料，粉碎处理后的玉米芯颗粒的粒径为0.05～0.5mm；
B、将步骤A得到的玉米芯置入水中浸泡并加入醋酸，其中玉米芯与水的体积比为1:7～1:9，醋酸与所述玉米芯的重量比为3：200～5:200,浸泡时间为15～25min；
C、将步骤B得到的混合物进行高压蒸煮得到水解液，蒸煮温度为110～135℃，蒸煮压力为0.8～1兆帕，蒸煮的时间为2.5～3.5h；
D、将步骤C得到的水解液冷却，使温度降至45～75℃；
E、在步骤D处理过的水解液中加入木聚糖酶进行保温糖化，其中木聚糖酶与步骤A中所述玉米芯的重量比为3：1000～5:1000，糖化温度控制在40～55℃，糖化时间为17～21h；
F、对步骤E得到的糖化液升温灭菌，灭菌温度为75～90℃，灭菌时间为20～50min；
G、对步骤F得到的糖化液进行降温，使温度控制在45～55℃；
H、对步骤G得到的糖化液进行挤压脱水，挤压脱水后的玉米芯渣的含水率为50％～70％；
I、将步骤H得到的玉米芯渣进行二次糖化，二次糖化后即生成饲料级低聚木糖产品；
J、将步骤H挤压得到的液体进行第一次脱色处理；
K、将步骤J得到的液体依次进行膜过滤和膜浓缩处理，经膜过滤和膜浓缩后液体中的低聚木糖浓度约为8.2％～10.5％。
L、将步骤K得到的液体采用离子交换的方法进行净化。
M、将步骤L得到的液体进行蒸发浓缩；
N、将步骤M得到的液体进行色谱分离得到低聚木糖。
所述用玉米芯制作低聚木糖的方法的步骤N包括：
N1、将步骤M得到的液体进行二次脱色；
N2、将步骤N1得到的液体进行二次离子交换和三次离子交换；
N3、将步骤N2得到的液体进行超滤处理；
N4、将步骤N3得到的液体进行二次蒸发浓缩；
N5、将步骤N4得到的液体进行色谱分离得到低聚木糖。
所述步骤A中粉碎处理后的玉米芯颗粒的粒径为0.1～0.3mm。
所述步骤B中玉米芯与水的体积比为1:8，醋酸与所述玉米芯的重量比为1:50,浸泡时间为20min。
所述步骤C中蒸煮温度为125℃，蒸煮压力为0.9兆帕，蒸煮的时间为3h。
所述步骤D中通过循环冷却水池冷却水解液，使水解液温度降至60℃，然后将水解液送入糖化罐。
所述步骤E为：将糖化罐中的水解液中加入木聚糖酶进行保温糖化，其中木聚糖酶与步骤A中所述玉米芯的重量比为4：1000，糖化温度控制在45～55℃，糖化时间为20h。
所述步骤F为：对糖化液升温灭菌，灭菌温度为80℃，灭菌时间为30～40min；
所述步骤G为：对糖化液通过循环水池进行降温，使温度控制在48～52℃。
步骤I包括：
I1、将步骤H的到的玉米芯渣送至反应釜中，通入蒸汽，加醋酸，控制温度、压力和时间，进行高温高压反应；
I2、将步骤I1得到的物料进行喷爆处理；
I3、将步骤I2得到的物料中加入低聚木糖专用酶，使物料发酵；
I4、对步骤I3得到的物料进行干燥；
I5、对步骤I4得到的物料进行粉碎和包装。
所述步骤H为：采用螺旋挤压机对糖化液进行挤压脱水，挤压脱水后的玉米芯渣的含水率为65％，经螺旋挤压机后的压滤水直接回用于糖化系统。
所述步骤K为：将步骤J得到的液体依次进行膜过滤和膜浓缩处理，经膜过滤和膜浓缩后液体中的低聚木糖浓度约为9.2％。
所述步骤I1中反应釜内温度控制在125～300摄氏度、压力控制在0.8～1兆帕，时间在1～2小时，所加醋酸的重量为步骤A中玉米芯重量的2％。
所述步骤I3物料发酵的温度为60-90摄氏度，发酵时间为8-12小时。
所述步骤I4处理后的物料含水量为6％-9％。
所述步骤I5处理后的物料目数控制在55～65目，特别是60目。
所述步骤I5还包括对粉碎后的物料进行除尘处理。
所述喷爆处理为：快速打开反应釜，使物料迅速流出反应釜；所述喷爆处理的原理：因为反应釜内的压强很小，使得物料内外压强差变大，导致物料内高压水蒸气也急剧膨胀，在打开反应釜的瞬时爆开。
本发明的技术方案使玉米芯得到充分糖化，充分利用玉米芯得到更大量的低聚木糖，同时，产生的废物大多可以循环利用，污染物和弃物较少，节能环保。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的一种用玉米芯制作低聚木糖的方法，包括如下步骤：
A、选取合格的玉米芯，对玉米芯进行粉碎处理得到物料，粉碎处理后的玉米芯颗粒的粒径为0.05mm；
B、将步骤A得到的玉米芯置入水中浸泡并加入醋酸，其中玉米芯与水的体积比为1:7，醋酸与所述玉米芯的重量比为3：200,浸泡时间为15min；
C、将步骤B得到的混合物进行高压蒸煮得到水解液，蒸煮温度为110℃，蒸煮压力为0.8兆帕，蒸煮的时间为2.5h；
D、将步骤C得到的水解液冷却，使温度降至45℃；
E、在步骤D处理过的水解液中加入木聚糖酶进行保温糖化，其中木聚糖酶与步骤A中所述玉米芯的重量比为3：1000，糖化温度控制在40℃，糖化时间为17h；
F、对步骤E得到的糖化液升温灭菌，灭菌温度为75℃，灭菌时间为20min；
G、对步骤F得到的糖化液进行降温，使温度控制在45℃；
H、对步骤G得到的糖化液进行挤压脱水，挤压脱水后的玉米芯渣的含水率为50％；
I、将步骤H得到的玉米芯渣进行二次糖化，二次糖化后即生成饲料级低聚木糖产品；
J、将步骤H挤压得到的液体进行第一次脱色处理；
K、将步骤J得到的液体依次进行膜过滤和膜浓缩处理，经膜过滤和膜浓缩后液体中的低聚木糖浓度约为8.2％。
L、将步骤K得到的液体采用离子交换的方法进行净化。
M、将步骤L得到的液体进行蒸发浓缩；
N、将步骤M得到的液体进行色谱分离得到低聚木糖。
所述用玉米芯制作低聚木糖的方法的步骤N包括：
N1、将步骤M得到的液体进行二次脱色；
N2、将步骤N1得到的液体进行二次离子交换和三次离子交换；
N3、将步骤N2得到的液体进行超滤处理；
N4、将步骤N3得到的液体进行二次蒸发浓缩；
N5、将步骤N4得到的液体进行色谱分离得到低聚木糖。
所述步骤D中通过循环冷却水池冷却水解液，然后将水解液送入糖化罐。
所述步骤E中将糖化罐中的水解液中加入木聚糖酶进行保温糖化。
所述步骤G中对糖化液通过循环水池进行降温。
步骤I包括：
I1、将步骤H的到的玉米芯渣送至反应釜中，通入蒸汽，加醋酸，控制温度、压力和时间，进行高温高压反应；
I2、将步骤I1得到的物料进行喷爆处理；
I3、将步骤I2得到的物料中加入低聚木糖专用酶，使物料发酵；
I4、对步骤I3得到的物料进行干燥；
I5、对步骤I4得到的物料进行粉碎和包装。
所述步骤H中采用螺旋挤压机对糖化液进行挤压脱水。
所述步骤I1中反应釜内温度控制在125摄氏度、压力控制在0.8兆帕，时间在1小时，所加醋酸的重量为步骤A中玉米芯重量的2％。
所述步骤I3物料发酵的温度为60摄氏度，发酵时间为8小时。
所述步骤I4处理后的物料含水量为6％。
所述步骤I5处理后的物料目数控制在55目。
所述步骤I5还包括对粉碎后的物料进行除尘处理。
实施例2
本实施例提供的一种用玉米芯制作低聚木糖的方法，包括如下步骤：
A、选取合格的玉米芯，对玉米芯进行粉碎处理得到物料，粉碎处理后的玉米芯颗粒的粒径为0.1mm；
B、将步骤A得到的玉米芯置入水中浸泡并加入醋酸，其中玉米芯与水的体积比为1:9，醋酸与所述玉米芯的重量比为5:200,浸泡时间为25min；
C、将步骤B得到的混合物进行高压蒸煮得到水解液，蒸煮温度为135℃，蒸煮压力为1兆帕，蒸煮的时间为3.5h；
D、将步骤C得到的水解液冷却，使温度降至75℃；
E、在步骤D处理过的水解液中加入木聚糖酶进行保温糖化，其中木聚糖酶与步骤A中所述玉米芯的重量比为5:1000，糖化温度控制在55℃，糖化时间为21h；
F、对步骤E得到的糖化液升温灭菌，灭菌温度为90℃，灭菌时间为50min；
G、对步骤F得到的糖化液进行降温，使温度控制在55℃；
H、对步骤G得到的糖化液进行挤压脱水，挤压脱水后的玉米芯渣的含水率为70％；
I、将步骤H得到的玉米芯渣进行二次糖化，二次糖化后即生成饲料级低聚木糖产品；
J、将步骤H挤压得到的液体进行第一次脱色处理；
K、将步骤J得到的液体依次进行膜过滤和膜浓缩处理，经膜过滤和膜浓缩后液体中的低聚木糖浓度约为10.5％。
L、将步骤K得到的液体采用离子交换的方法进行净化。
M、将步骤L得到的液体进行蒸发浓缩；
N、将步骤M得到的液体进行色谱分离得到低聚木糖。
所述用玉米芯制作低聚木糖的方法的步骤N包括：
N1、将步骤M得到的液体进行二次脱色；
N2、将步骤N1得到的液体进行二次离子交换和三次离子交换；
N3、将步骤N2得到的液体进行超滤处理；
N4、将步骤N3得到的液体进行二次蒸发浓缩；
N5、将步骤N4得到的液体进行色谱分离得到低聚木糖。
所述步骤D中通过循环冷却水池冷却水解液，然后将水解液送入糖化罐。
所述步骤E中将糖化罐中的水解液中加入木聚糖酶进行保温糖化。
所述步骤G中对糖化液通过循环水池进行降温。
步骤I包括：
I1、将步骤H的到的玉米芯渣送至反应釜中，通入蒸汽，加醋酸，控制温度、压力和时间，进行高温高压反应；
I2、将步骤I1得到的物料进行喷爆处理；
I3、将步骤I2得到的物料中加入低聚木糖专用酶，使物料发酵；
I4、对步骤I3得到的物料进行干燥；
I5、对步骤I4得到的物料进行粉碎和包装。
所述步骤H中采用螺旋挤压机对糖化液进行挤压脱水，经螺旋挤压机后的压滤水直接回用于糖化系统。
所述步骤I1中反应釜内温度控制在300摄氏度、压力控制在1兆帕，时间在2小时，所加醋酸的重量为步骤A中玉米芯重量的2％。
所述步骤I3物料发酵的温度为90摄氏度，发酵时间为12小时。
所述步骤I4处理后的物料含水量为9％。
所述步骤I5处理后的物料目数控制在65目。
所述步骤I5还包括对粉碎后的物料进行除尘处理。
实施例3
本实施例提供的一种用玉米芯制作低聚木糖的方法，包括如下步骤：
A、选取合格的玉米芯，对玉米芯进行粉碎处理得到物料，粉碎处理后的玉米芯颗粒的粒径为0.5mm；
B、将步骤A得到的玉米芯置入水中浸泡并加入醋酸，其中玉米芯与水的体积比为1:8，醋酸与所述玉米芯的重量比为1:50,浸泡时间为20min；
C、将步骤B得到的混合物进行高压蒸煮得到水解液，蒸煮温度为125℃，蒸煮压力为0.9兆帕，蒸煮的时间为3h；
D、将步骤C得到的水解液冷却，使温度降至60℃；
E、在步骤D处理过的水解液中加入木聚糖酶进行保温糖化，其中木聚糖酶与步骤A中所述玉米芯的重量比为1:250，糖化温度控制在50℃，糖化时间为20h；
F、对步骤E得到的糖化液升温灭菌，灭菌温度为80℃，灭菌时间为35min；
G、对步骤F得到的糖化液进行降温，使温度控制在50℃；
H、对步骤G得到的糖化液进行挤压脱水，挤压脱水后的玉米芯渣的含水率为65％；
I、将步骤H得到的玉米芯渣进行二次糖化，二次糖化后即生成饲料级低聚木糖产品；
J、将步骤H挤压得到的液体进行第一次脱色处理；
K、将步骤J得到的液体依次进行膜过滤和膜浓缩处理，经膜过滤和膜浓缩后液体中的低聚木糖浓度约为9.2％。
L、将步骤K得到的液体采用离子交换的方法进行净化。
M、将步骤L得到的液体进行蒸发浓缩；
N、将步骤M得到的液体进行色谱分离得到低聚木糖。
所述用玉米芯制作低聚木糖的方法的步骤N包括：
N1、将步骤M得到的液体进行二次脱色；
N2、将步骤N1得到的液体进行二次离子交换和三次离子交换；
N3、将步骤N2得到的液体进行超滤处理；
N4、将步骤N3得到的液体进行二次蒸发浓缩；
N5、将步骤N4得到的液体进行色谱分离得到低聚木糖。
所述步骤D中通过循环冷却水池冷却水解液，然后将水解液送入糖化罐。
所述步骤E中将糖化罐中的水解液中加入木聚糖酶进行保温糖化。
所述步骤F为：对糖化液升温灭菌，灭菌温度为80℃，灭菌时间为30～40min；
所述步骤G中对糖化液通过循环水池进行降温。
步骤I包括：
I1、将步骤H的到的玉米芯渣送至反应釜中，通入蒸汽，加醋酸，控制温度、压力和时间，进行高温高压反应；
I2、将步骤I1得到的物料进行喷爆处理；
I3、将步骤I2得到的物料中加入低聚木糖专用酶，使物料发酵；
I4、对步骤I3得到的物料进行干燥；
I5、对步骤I4得到的物料进行粉碎和包装。
所述步骤H为：采用螺旋挤压机对糖化液进行挤压脱水，挤压脱水后的玉米芯渣的含水率为65％，经螺旋挤压机后的压滤水直接回用于糖化系统。
所述步骤K为：将步骤J得到的液体依次进行膜过滤和膜浓缩处理，经膜过滤和膜浓缩后液体中的低聚木糖浓度约为9.2％。
所述步骤I1中反应釜内温度控制在200摄氏度、压力控制在0.9兆帕，时间在1.5小时，所加醋酸的重量为步骤A中玉米芯重量的2％。
所述步骤I3物料发酵的温度为75摄氏度，发酵时间为10小时。
所述步骤I4处理后的物料含水量为8％。
所述步骤I5处理后的物料目数控制在60目。
所述步骤I5还包括对粉碎后的物料进行除尘处理。
本技术方案所述的用玉米芯制作低聚木糖的方法中，步骤A中玉米芯由传送皮带送至玉米芯破碎系统进行破碎。
步骤B中的醋酸可作为催化剂将玉米芯中的木质纤维素链断开。步骤B即为调浆，调浆的目的是为了将催化剂(醋酸)、水与玉米芯搅拌均匀，无结块现象，以便于提高下一步蒸煮的效率。调浆中所用的水主要为后续蒸发与浓缩工段的二次蒸汽冷凝水，以达到调浆所需的温度及水的重复利用。
步骤C为水解工序，水解工序是木糖生产的重要工段之一，是关系到木糖质量和后序加工工序难易的关键。该工段是将调浆过的浆液置于高压蒸煮罐中进行高压蒸煮。
水解完成后的水解液通过循环冷却水池冷却，冷却后送入糖化罐。
木聚糖酶通过糖化发酵对7糖以上的多糖进行断链，使低聚木糖多以2糖到7糖的形式出现。
玉米芯渣经加入木聚糖酶二次发酵烘干后即为饲料级低聚木糖产品。生产500吨食品级低聚木糖产品的同时可以生产2000吨饲料级低聚木糖产品(含水率约10％)。
脱色工序是低聚木糖生产的主要工序，糖液中的色素有原料中的天然色素和在生产中生成的色素，这些色素会使糖液的色泽加深，影响低聚木糖产品的质量，必须进行脱色处理。低聚木糖糖液的脱色基本属于吸附脱色，吸附剂采用的是多孔、比表面积较大的粉状活性碳，利用粉状活性碳不仅可以吸附水解液中的色素，而且对糖液中的杂质、胶体及蛋白质类物质等也有较强的去除能力。由于低聚木糖溶液中存在的胶体物质较多，低聚木糖溶液本身的黏度较大，在进行脱色时必须加热搅拌使溶液分散均匀后再进行脱色。将糖化液用压滤机进行过滤，脱去其中的糖渣及废活性炭，以滤布为介质，液体通过滤布，而固体废物被截留在滤布上。
脱色工段会产生一定量的蒸汽冷凝水，经冷凝水收集池收集后回用于调浆工段。
脱色后的溶液中糖浓较低(大约在2.747％左右)，主要成分有：木糖、阿拉伯糖、木二糖、木三糖、高聚合度的同系物以及少量无机盐等。膜分离技术就是根据分子间径向大小的差异，利用分子级膜处理装置截留大分子，使水分子通过。膜过滤产生的水中有机物浓度较高，排入污水处理站进行处理。经膜过滤之后的糖液纯度较高，为进一步提高其糖浓，工艺设计再经膜浓缩处理，膜浓缩的透过水无色、COD值低，温度较高，其中一部分可回收用于调浆工段，另一部分回收至纯水站重复利用。经膜过滤和膜浓缩后糖浓度约为9.2％。
膜过滤和膜浓缩后的低聚木糖浆纯度比较低，并且含有少量各式各样的色素、灰份(石膏等)、酸、含氮物(蛋白质、氨基酸等)、胶体等，必须将低聚木糖浆采用离子交换的方法进行净化，以提高产品的质量。低聚木糖浆以一定的速度和压力均匀通过离子交换柱，用阳、阴离子交换树脂进行精制，糖液自离子交换柱顶部流入，每立方的交换树脂可以交换约15立方的糖液。离子交换的目的是进一步提高糖液纯度，除去脱色后残留的蛋白质、氨基酸、有色物质和灰分等。本技术一次离子交换工序为阳－阴－阳离子交换：
阳离子交换：采用强酸性阳树脂对脱色液中的中性盐进行分解、交换，降低中性盐在脱色液中的浓度。
阴离子交换：糖液在脱色后，溶液中含有一定量的醋酸根。阴离子交换主要是为了除去糖液中的醋酸根，同时可吸附除掉很多胶体杂质和色素。
阳离子交换：糖液中同时含有少量有害阳离子，主要是铁、镁、钙及阳离子灰份。阳离子交换的目的就是为了除去灰份和阳离子。
树脂再生洗涤：离子交换后需要对树脂进行反冲洗、再生和淋洗，其中阳树脂用3％的盐酸再生，阴树脂用3％的氢氧化钠再生。
经一次离子交换后的糖浓通过蒸发浓缩进一步提高低聚木糖含量，从而有利于下一步离子交换工序的进行。本技术采用三效废热板式蒸发对糖液进行蒸发浓缩，部分热源采用水解工段的废热，达到节约能源的目的，经过蒸发浓缩的糖液中低聚木糖的含量可提高到25.7％左右。
蒸发浓缩工段会产生部分蒸发废水，该废水可直接回用于调浆工段。
经过浓缩蒸发后，浓缩母液中水份减少，但离子浓度也有所增加，因此要对浓缩母液进行再一次的处理，处理方法主要为二次脱色过滤、炭柱脱色和二、三次离子交换。
二次脱色：脱色剂为颗粒活性碳，利用颗粒活性碳进行脱色后先利用3％的烧碱和3％的盐酸进行再生。该工段会产生一定量的蒸汽冷凝水，直接回用于调浆工段。
二次离子交换：采用的交换过程为阴－阳，阴树脂主要是脱除色素、吸附少量的醋酸根。阳树脂主要是将蒸发母液中的阳离子进行交换，同时调节pH，控制pH为3～4。三次离子交换：采用的交换过程为阳－阴，阳树脂主要是调整pH值，阴树脂的目的是除去部分微量的醋酸根。该工段主要有反冲洗废水、再生和淋洗废水。
经过离子交换后的糖液再进一步进行超滤，主要是为了去除糖液中的细菌、病毒、胶体、大分子等微粒，以提高糖液的纯度。
二次蒸发浓缩是将离子交换后的木糖溶液进一步进行浓缩，以便于下一工段的结晶，二次蒸发采用MVR板式蒸发系统，可将水解液中总糖的浓度提高到40％左右。
该工段会产生部分蒸发废水，该废水除带有少量低沸点的可挥发有机酸外，杂质较少、热量较多，可直接回用于调浆工段。
通过色谱分离技术对蒸发浓缩后的浓缩液进行分离，以分离出95％糖粉。据本技术设计及咨询技术人员，本技术所用的色谱分离技术为层析色谱法，利用各组分在色谱柱中的迁移速率的不同来实现分离。
本技术采用的色谱分离技术，利用专用树脂作为色谱柱中固定相，利用95％低聚木糖粉和提余物木糖浆对专用树脂的吸附力的不同，其中95％低聚木糖粉比提余物木糖浆对专用树脂的吸附力要强，因而95％低聚木糖粉在色谱柱中的迁移速率要比提余物木糖浆小。利用该原理，由于95％低聚木糖粉和提余物木糖浆在色谱柱中的迁移速度不同，因此95％低聚木糖粉和提余物木糖浆通过色谱柱的时间也不同，95％低聚木糖粉通过色谱柱的时间较短，先从出料口析出；提余物木糖浆在95％低聚木糖粉析出后一段时间内析出，从而完成95％低聚木糖粉和提余物木糖浆的分离。
色谱分离采用的是专用树脂，在使用一段时间后需要对其进行反冲洗、再生和淋洗。
本发明的技术方案使玉米芯得到充分糖化，充分利用玉米芯得到更大量的低聚木糖，同时，产生的废物大多可以循环利用，污染物和弃物较少，节能环保。