一种联产菊芋菊粉和菊芋不溶性膳食纤维的方法 【技术领域】
本发明涉及一种纤维生产方法，具体涉及一种联产菊芋菊粉和菊芋不溶性膳食纤维的方法
背景技术
菊芋，俗名洋姜，地环，姜不辣，菊科，向日葵属，多年生草本，染色体数2n＝102。菊芋分布广，在中国南北各地均有栽培；适应性强，耐贫瘠，耐寒，耐旱；种植简易，一次播种多次收获；产量极高。菊芋原产北美，经欧洲传入中国，其可食部分一般为块茎，呈纺锤型或不规则瘤型；皮有红色、黄色和白色；质地细致、脆嫩，鲜食品质不佳，但是其块茎富含菊粉，含量为菊芋湿重的15‑20％，干重约9％的蛋白质、4％的粗纤维、6％的矿物质、少量淀粉及果胶类物质。据上所述，菊芋不仅是改善沙土环境的作物，并且还是经济价值很高的作物。
菊粉是可溶性膳食纤维，是由＜60个果糖单位以β‑(2～1)糖苷键连接的直链生物多糖，还原性末端以葡萄糖分子结尾(GFn)，聚合度分布广泛，约为2～60。聚合度小于11的组分又被称为低聚果糖；聚合度高的菊粉，即高分子量菊粉被证明溶解性差。菊粉链长根据植物种类、生长期、气候及土壤条件的不同而不同。菊粉是纯天然的聚果糖，具有水溶性膳食纤维和生物活性前体的生理功能。菊粉可以调整肠道内的微生物，尤其能选择性地促进肠道内有益的双歧杆菌的生长。它对于调节机体平衡、恢复胃肠道功能、促进新陈代谢、预防各种疾病、维护人体健康有着极为重要的作用。目前已经广泛用于低热量、低糖、低脂肪食品中。
日本、欧美国家从20世纪80年代开始利用植物提取菊粉。我国从90年代末开始研究菊粉提取，目前全国有很多菊粉生产厂家，主要是加工菊芋提取纯化得到菊粉。目前，提取过菊粉的菊芋渣经过简单烘干做饲料出售或者直接废弃。这造成环境污染，资源浪费、菊芋附加值低，菊粉成本高，产品系列粗放、单调。
不溶性膳食纤维主要是纤维素、半纤维素和木质素等。不溶性膳食纤维不溶于水，但是能吸收自身体积几倍的水分。可以用来形成产品的组织结构，以防脱水收缩。在某些产品如肉制品中，它能使肉汁的香味成分聚集而不逸散。此外，高持水性可望明显提高某些加工食品的经济效益，如用于焙烤食品、肉制品及冷冻食品等。不溶性膳食纤维经过验证具有多种生理功效，例如添加于焙烤食品中起到预防和治疗便秘、控制血糖、降低胆固醇等。目前，不溶性膳食纤维生产原料来源广泛。但是尚未有结合菊粉生产的菊芋渣来制备菊芋不溶性膳食纤维的报道。
且目前阶段在可溶性膳食纤维的生产方面，生产产品过于单调，不能充分满足社会大众对可溶性膳食纤维含糖量和速溶性的要求。
【发明内容】
本发明从膳食纤维角度出发，使用先进的提取加工理论，研制出一种高效利用菊芋的方法，联产菊芋菊粉和菊芋不溶性膳食纤维，同时得到具有生理功效的多种甜度标准的水溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)，是一种优化的产品结构生产方法。
为了解决上述问题本发明的技术方案是这样的：
1、一种联产菊芋菊粉和菊芋不溶性膳食纤维的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
①、将新鲜，干净的菊芋根用切片机切成厚度为0.1‑0.2cm的薄片，再把薄片经过蒸汽烫漂灭酶，再将灭酶后的菊芋片用连续式烘干机烘干；
②、将烘干后的菊芋片用粉碎机粉碎成菊芋干粉，并用热风烘干机控制水分含量在5％以下，之后在菊芋干粉中加入水，充分搅拌后配合浸提辅助方法浸提，将浸提液过滤，离心得到和菊芋浸提液和菊芋残渣；
③、对菊芋浸提液加入沉淀剂，对过滤后的上层清液进行脱色处理，并对脱色后的溶液进行脱盐处理得到菊粉溶液；
④、对菊粉溶液过滤，浓缩，干燥后得到高甜度低聚果糖产品，速溶低甜度菊粉，脂肪替代用高分子菊粉，低甜度标准菊粉，速溶标准菊粉；
⑤、在菊芋残渣中加入碱液，并用螺杆挤压改性，改性后用水将菊芋残渣洗至中性，用漂白剂漂白，再用水洗至中性，再经过离心，烘干，粉碎后得到菊芋不溶性膳食纤维。
上述步骤①中的烫漂时间为3‑5min，烘干温度为50‑60℃。
上述步骤②中的搅拌温度在60‑80℃。
上述步骤②中的浸提辅助方法为超声波，微波，生物酶中的一种或者多种结合使用。
上述步骤②中的浸提加水量控制在菊芋干粉的10倍内。
上述步骤③中的沉淀剂为石灰水和CO2。
上述步骤③中的脱色途径有活性炭脱色法，离子交换树脂脱色法和少量活性炭预处理后用离子交换树脂脱色法。
上述活性炭脱色法的脱色温度为60‑80℃，脱色PH值为5.0‑6.0。
上述步骤⑤中的漂白剂为次氯酸钠。
上述步骤④中的浓缩过程包括纳滤浓缩和多效降膜蒸发器浓缩。
上述步骤⑤中的碱液浓度为7‑10％，碱液量为菊芋残渣量的10％。
上述步骤④中菊粉溶液用低孔径纳滤膜过滤得到低分子量产品和纳滤膜截留液，对纳滤膜截留液用大孔径过滤膜过滤得到中间产品和高分子量产品，对低分子量产品浓缩干燥得高甜度低聚果糖产品，对中间产品进行浓缩干燥得到速溶低甜度菊粉，对高分子量产品进行浓缩干燥得到脂肪替代用高分子菊粉，对纳滤膜截留液进行浓缩干燥得到低甜度标准菊粉。
上述步骤④中菊粉溶液用大孔径过滤膜过滤得到高分子量产品和过滤膜截留液，对过滤膜截留液用小孔径纳滤膜过滤得到中间产品和低分子量产品，对低分子量产品浓缩干燥得高甜度低聚果糖产品，对中间产品进行浓缩干燥得到速溶低甜度菊粉，对高分子量产品进行浓缩干燥得到脂肪替代用高分子菊粉，对过滤膜截留液进行浓缩干燥得到速溶标准菊粉。
本发明具有以下优点：
1，本发明第一次提出一种新型的、优化的、灵活的加工菊芋联产菊芋菊粉和菊芋不溶性膳食纤维的方法，通过本发明，得到两类膳食纤维，可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维。
2、本发明第一次利用菊粉生产的菊芋残渣生产菊芋不溶性膳食纤维，提高了菊芋附加值。
3、本发明提供了一个无废物的净化生产工艺，避免环境污染和资源浪费。
4、本发明创造性的提出两种菊粉后续纯化过程，极大的满足了生产的灵活性。两种过程是基于相同的设备、工艺，即纳滤膜和大孔径膜、浓缩干燥设备，不增加设备成本。只是通过改变物料的走向、顺序，得到不同分子量的菊粉产品，可以满足不同的应用要求。
【附图说明】
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明一种方案的流程图。
图2为本发明另一种方案的流程图。
【具体实施方式】
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照附图步骤01，新鲜的菊芋根经过清洗，去除泥土、杂质等，用切片机把菊芋根切成薄片，厚度0.1‑0.2cm。菊芋片经过蒸汽烫漂灭酶，烫漂时间3‑5min。灭酶后的菊芋片经过连续式烘干机烘干，烘干温度50‑60℃，最好不要大于80℃。这防止温度过高，菊芋片表面水分快速蒸发，菊芋片表面变干后内部的水分难以蒸发出来；也防止过高温度引起菊粉的降解，影响本发明中菊粉的收率。另外烘干过程要保证烘干后的菊芋片无焦糊、无变色片、色泽佳、水分均匀，浅的色泽能够减少后续菊粉和菊芋不溶性膳食纤维的脱色难度。
如附图步骤02，烘干后的菊芋片用粉碎机粉碎，粉碎后得到菊芋干粉，菊芋干粉的水分如果在5％以上，再使用热风连续烘干机烘干，直到水分在5％以下。步骤01和02是在菊芋收割时集中加工得到菊芋干粉。这保证菊芋能够及时得到加工，防止腐烂；也保证本发明在菊芋非收获季节有足够原料。
步骤02得到的菊芋干粉加入水，60‑80℃下充分搅拌使菊芋干粉吸水膨胀进行浸提。本步骤也需要控制温度不大于80℃，以防止过高温度引起菊粉的降解，影响本发明中菊粉的收率。本步骤可以使用辅助手段进行浸提，例如超声波、微波、生物酶等一种或多种结合使用。本步骤加水分次加入最佳，即加水提取后过滤，残渣再次加水重复浸提。总体加水量控制在菊芋干粉的10倍以内。浸提产生的浸提液离心，汇总用于后续步骤的菊芋菊粉的纯化；浸提后的菊芋干粉包括过滤、离心后的残渣，总称为菊芋残渣，在菊芋残渣中加入碱液，并用螺杆挤压改性，改性后用水将菊芋残渣洗至中性，用漂白剂漂白，再用水洗至中性，再经过离心，烘干，粉碎后得到菊芋不溶性膳食纤维。本步骤参照附图步骤03。
参照附图步骤04，步骤03产生的菊芋浸提液加入石灰乳，充入CO2，大部分蛋白和部分色素被沉淀，过滤后的上清液进入附图步骤05。
在步骤05中，步骤04得到的菊粉粗提取液被脱色处理，本发明提供了不同的途径：活性炭加入脱色、离子脱色树脂脱色、活性炭前处理后离子脱色树脂脱色。活性炭加入脱色，脱色温度60‑80℃，脱色pH值5.0‑6.0。有的生产厂家因为活性炭不能重复利用并且吸附菊粉，不愿使用活性炭，可以使用离子交换树脂脱色，或者少量活性炭预处理后用离子交换树脂脱色。
脱色后的菊粉溶液通过步骤06的离子交换树脂脱盐，去除无机物质后进行附图虚框的后续纯化。
附图1和附图2提供了两条后续纯化过程，得到了不同的菊粉成品，可以满足不同的应用需要。
附图1的步骤07和附图2中的步骤08’使用的是小孔径的纳滤膜，目的是将小分子量的、甜度大、吸湿性强的果糖、葡萄糖、蔗糖及部分低聚糖等低分子量组分分离出去，剩余的为纳滤膜截留液。附图1的步骤08和附图2的步骤07’是使用大孔径的膜把大分子量的、聚合度高的、溶解度差的高分子量组分分离出来，即大孔径膜截留液。经过两步膜处理，低分子量和高分子量组分被分离出去后，剩余的组分是介于低分子量和高分子量之间的组分，本发明称为中间组分。
附图1的步骤09和附图2的步骤09’是浓缩和干燥低分子量组分，浓缩过程包括纳滤浓缩和多效降膜蒸发器浓缩，浓缩后喷雾干燥得到高甜度低聚果糖产品。附图1的步骤10、11、12和附图2的步骤10’、11’、12’采用多效降膜蒸发器浓缩，浓缩后进行喷雾干燥。通过附图1的步骤11、12和附图2的步骤11’、12’分别得到脂肪替代用的高分子菊粉和速溶低甜度菊粉。通过附图1的步骤10和附图2的步骤10”分别得到低糖标准菊粉和速溶标准菊粉。特别指出，本发明采用的多效降膜蒸发过程必须保证蒸发器温度不大于80℃，最好在70℃以下，防止菊粉热降解，产生新的杂质，降低产量。
经过上述步骤，本发明得到下列菊粉产品：
1、脂肪代替用高分子菊粉。其最低分子量被上述选用的大孔径膜的孔径决定，其最高分子量未受人为控制。
2、速溶低甜度菊粉。其最高分子量被上述选用的大孔径膜的孔径决定，其最低分子量被上述选用的纳滤膜的孔径决定。
3、高甜度低聚果糖。其最高分子量被上述选用的纳滤膜的孔径决定，其最低分子量未受人为控制。
4、低甜度标准菊粉。其最低分子量被上述选用的纳滤膜的孔径决定，其最高分子量未受人为控制。
5、速溶标准菊粉。其最高分子量被上述选用的大孔径膜的孔径决定，其最低分子量未受人为控制。
本发明之所以提供两条后续纯化过程，是因为可以得到不同的产品，满足不同食品对速溶性和甜度的要求。例如，菊粉添加到普通饮料中，需要高甜度速溶性好；菊粉用于降血糖、降血脂的保健食品时需要低甜度产品，如果这种保健食品是液体类产品，也要求菊粉的速溶性；而菊粉用作脂肪替代时，高聚合度的菊粉更适合。
步骤03得到的菊芋残渣，水分含量为75‑80％。菊芋残渣成分主要是粗纤维、蛋白质、脂肪、不溶性的胶体物质等。本发明通过一系列的处理把菊芋残渣中的粗纤维纯化，得到菊芋不溶性膳食纤维。
首先菊芋残渣经过附图中的步骤13处理。配制7‑10％浓度的碱液，按菊芋残渣10％与菊芋残渣充分混合，用螺杆挤压改性。碱液可以溶解蛋白质、脂肪等非纤维物质，达到纯化纤维的目的。
经过步骤13处理的菊芋残渣水洗至中性，即附图步骤14。然后，参照步骤15，用0.2％次氯酸钠漂白菊芋残渣，去除菊芋本身的色素和碱液处理中产生的色素。
脱色后的菊芋残渣用水洗到中性，按附图步骤16，离心得到白色的纯化的菊芋纤维，经过烘干后，将菊芋纤维超微粉碎至160目。得到菊芋不溶性膳食纤维。
本发明得到的菊芋不溶性膳食纤维指标如下：
实施例1：
新鲜的菊芋根经过清洗，去除泥土、杂质等，用切片机把菊芋根切成薄片，厚度小于0.2cm。菊芋片经过蒸汽烫漂灭酶，烫漂时间5min。灭酶后的菊芋片经过连续式烘干机烘干，烘干温度50℃。烘干后的菊芋片无焦糊、无变色片、色泽佳、水分均匀。
烘干后的菊芋片用粉碎机粉碎，粉碎后得到菊芋干粉，菊芋干粉的水分10％，再使用热风连续烘干机烘干，至水分在5％以下。
菊芋干粉加入水，60℃下充分搅拌使菊芋干粉吸水膨胀进行浸提。使用辅助手段超声波进行浸提。加水分3次加入，即加水提取后过滤，残渣再次加水重复浸提。总体加水量控制在菊芋干粉的10倍。
得到的菊芋浸提液加入石灰乳至pH值12，搅拌均匀，然后充入CO2，饱和至溶液pH值9，过滤后得到上清液。
上清液用活性炭脱色，脱色温度65℃，脱色pH值5.0。脱色后的菊粉溶液离子交换树脂脱盐，去除无机物质，脱盐后电导10μs/cm以下。
然后进入后续纯化过程。
料液通过孔径500道尔顿的纳滤膜，得到500道尔顿以下的低分子量组分和500道尔顿以上的组分。500道尔顿以上的组分用孔径3000道尔顿的膜分离，得到500‑3000道尔顿和3000道尔顿以上的组分。
结合生产的另一个路线，料液经过孔径3000道尔顿的膜分离，得到3000道尔顿以下的组分和3000道尔顿以上的组分。3000道尔顿以上的组分用孔径500道尔顿的膜分离，得到500‑3000道尔顿和500道尔顿以下的组分。
500道尔顿以下的组分经过纳滤浓缩和多效降膜蒸发器浓缩，浓缩后喷雾干燥得到高甜度低聚果糖产品。3000道尔顿以下的组分、500‑3000道尔顿组分、500道尔顿以上的组分和3000道尔顿以上的组分采用多效降膜蒸发器浓缩，浓缩后进行喷雾干燥。分别得到速溶标准菊粉、速溶低甜度菊粉、低糖标准菊粉和脂肪替代用的高分子菊粉。
配制7％浓度的碱液，按菊芋残渣10％与菊芋残渣充分混合，用螺杆挤压改性。处理的菊芋残渣水洗至中性。然后，用0.2％次氯酸钠漂白菊芋残渣，去除菊芋本身的色素和碱液处理中产生的色素。
脱色后的菊芋残渣用水洗到中性，离心得到白色的纯化的菊芋纤维，经过烘干后，将菊芋纤维超微粉碎至160目。得到菊芋不溶性膳食纤维。
此实施例得到的菊芋不溶性膳食纤维指标如下：
实施例2：
新鲜的菊芋根经过清洗，去除泥土、杂质等，用切片机把菊芋根切成薄片，厚度小于0.2cm。菊芋片经过蒸汽烫漂灭酶，烫漂时间3min。灭酶后的菊芋片经过连续式烘干机烘干，烘干温度60℃。
烘干后的菊芋片用粉碎机粉碎，粉碎后得到菊芋干粉，菊芋干粉的水分5％。
菊芋干粉加入水，70℃下充分搅拌使菊芋干粉吸水膨胀进行浸提。使用辅助手段微波进行浸提。加水分5次加入，即加水提取后过滤，残渣再次加水重复浸提。总体加水量控制在菊芋干粉的10倍。
得到的菊芋浸提液加入石灰乳至pH值11，搅拌均匀，然后充入CO2，饱和至溶液pH值10，过滤后得到上清液。
上清液经过脱色离子树脂，流量为5BV/h，温度45℃。脱色后的菊粉溶液离子交换树脂脱盐，去除无机物质，脱盐后电导10μs/cm以下。
然后进入后续纯化过程。
料液通过孔径500道尔顿的纳滤膜，得到500道尔顿以下的低分子量组分和500道尔顿以上的组分。500道尔顿以上的组分用孔径2500道尔顿的膜分离，得到500‑2500道尔顿和2500道尔顿以上的组分。
结合生产的另一个路线，料液经过孔径2500道尔顿的膜分离，得到2500道尔顿以下的组分和2500道尔顿以上的组分。2500道尔顿以上的组分用孔径500道尔顿的膜分离，得到500‑2500道尔顿和500道尔顿以下的组分。
500道尔顿以下的组分经过纳滤浓缩和多效降膜蒸发器浓缩，浓缩后喷雾干燥得到高甜度低聚果糖产品。2500道尔顿以下的组分、500‑2500道尔顿组分、500道尔顿以上的组分和2500道尔顿以上的组分采用多效降膜蒸发器浓缩，浓缩后进行喷雾干燥。分别得到速溶标准菊粉、速溶低甜度菊粉、低糖标准菊粉和脂肪替代用的高分子菊粉。
配制10％浓度的碱液，按菊芋残渣10％与菊芋残渣充分混合，用螺杆挤压改性。处理的菊芋残渣水洗至中性。然后，用0.2％次氯酸钠漂白菊芋残渣，去除菊芋本身的色素和碱液处理中产生的色素。
脱色后的菊芋残渣用水洗到中性，离心得到白色的纯化的菊芋纤维，经过烘干后，将菊芋纤维超微粉碎至160目。得到菊芋不溶性膳食纤维。
此实施例得到的菊芋不溶性膳食纤维指标如下：
实施例3：
新鲜的菊芋根经过清洗，去除泥土、杂质等，用切片机把菊芋根切成薄片，厚度小于0.2cm。菊芋片经过蒸汽烫漂灭酶，烫漂时间5min。灭酶后的菊芋片经过连续式烘干机烘干，烘干温度50℃。
烘干后的菊芋片用粉碎机粉碎，粉碎后得到菊芋干粉，菊芋干粉的水分5％。
菊芋干粉加入水，70℃下充分搅拌使菊芋干粉吸水膨胀进行浸提。使用辅助手段微波进行浸提。加水分3次加入，即加水提取后过滤，残渣再次加水重复浸提。总体加水量控制在菊芋干粉的10倍。
得到的菊芋浸提液加入石灰乳至pH值11，搅拌均匀，然后充入CO2，饱和至溶液pH值10，过滤后得到上清液。
上清液经过脱色离子树脂，流量为5BV/h，温度45℃。脱色后的菊粉溶液离子交换树脂脱盐，去除无机物质，脱盐后电导10μs/cm以下。
然后进入后续纯化过程。
料液通过孔径1000道尔顿的纳滤膜，得到1000道尔顿以下的低分子量组分和1000道尔顿以上的组分。1000道尔顿以上的组分用孔径5000道尔顿的膜分离，得到1000‑5000道尔顿和5000道尔顿以上的组分。
结合生产的另一个路线，料液经过孔径5000道尔顿的膜分离，得到5000道尔顿以下的组分和5000道尔顿以上的组分。5000道尔顿以上的组分用孔径1000道尔顿的膜分离，得到1000‑5000道尔顿和1000道尔顿以下的组分。
1000道尔顿以下的组分经过纳滤浓缩和多效降膜蒸发器浓缩，浓缩后喷雾干燥得到高甜度低聚果糖产品。5000道尔顿以下的组分、1000‑5000道尔顿组分、1000道尔顿以上的组分和5000道尔顿以上的组分采用多效降膜蒸发器浓缩，浓缩后进行喷雾干燥。分别得到速溶标准菊粉、速溶低甜度菊粉、低糖标准菊粉和脂肪替代用的高分子菊粉。
配制9％浓度的碱液，按菊芋残渣10％与菊芋残渣充分混合，用螺杆挤压改性。处理的菊芋残渣水洗至中性。然后，用0.2％次氯酸钠漂白菊芋残渣，去除菊芋本身的色素和碱液处理中产生的色素。
脱色后的菊芋残渣用水洗到中性，离心得到白色的纯化的菊芋纤维，经过烘干后，将菊芋纤维超微粉碎至160目。得到菊芋不溶性膳食纤维。
此实施例得到的菊芋不溶性膳食纤维指标如下：
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。