高品质甜菊糖生物酶解提纯方法 【技术领域】
本发明属于食品添加剂技术领域，涉及一种天然高效甜味剂的提取方法，尤其是通过生物酶解反应从草本植物甜叶菊中提取含莱鲍迪甙A大于98％的甜菊糖的生产方法。
背景技术
甜菊糖是从菊科草本植物甜叶菊中提取的天然甜味剂，它具有高甜度、低热能的特点，其甜度是蔗糖的200-300倍，热值仅为蔗糖的1/300。经大量药物实验证明，甜菊糖无毒副作用，食用安全，经常食用可预防高血压、糖尿病、肥胖症、心脏病等病症，是一种极具开发价值和健康推崇的天然甜味剂，是替代蔗糖非常理想的甜味剂，它广泛应用于食品、饮料、医药、酿酒、日用化工及化妆品等行业。
甜菊糖是多组份糖甙的混合物，在甜菊糖的糖甙中，以甜菊甙、莱鲍迪甙A和莱鲍迪甙C的含量较高，也是影响甜菊糖味质的主要成份。其中甜菊甙的甜度是蔗糖的200倍；莱鲍迪甙A的甜度大于蔗糖的300倍，而且味质最佳，不含任何不良余味，是最为理想的天然甜味剂产品；莱鲍迪甙C的甜度则不到蔗糖的50倍，且具有较强的后苦味及不良余味。因此，最大限度地提高莱鲍迪甙A含量，降低甚至去除莱鲍迪甙C是得到高品质、高甜度且口感纯正甜菊糖的途径。
目前，从甜叶菊中提取甜菊糖的工艺方法主要是经过原料干叶的反复多次浸泡、絮凝和循环过滤后制得含有效成份的澄清液，再将该澄清液经大孔吸附树脂的上柱吸附、洗脱、解析等步骤，最后再经脱盐、脱色、浓缩干燥等步骤而制得甜菊糖粗品，该甜菊糖粗品由于总甙含量仅为80％左右，杂质多、口感差，需进一步经过重溶结晶、分离洗涤、再干燥，或者经过重结晶结合膜分离工艺而使得莱鲍迪甙总量大于90％的甜菊甜成品，如中国专利200710025792.8就公开了一种从甜菊糖中提取高纯度菜鲍迪A甙的方法。现有的甜菊糖提取方法存在下列不足：一是提取工艺周期长，用水量大，生产过程中排污严重；二是有效成份不能充分析出，因而提取率低，生物利用度不足；三是含杂质高，过滤效率低，大量的蛋白、淀粉、鞣质等杂质难以分解或除去，严重影响甜菊糖成品的品质；四是成品中莱鲍迪A甙含量相对较低，莱鲍迪A甙含量徘徊于90％上下，而莱鲍迪C甙残留较高，甜菊糖成品的味质差、口感不纯正。
【发明内容】
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是：提供一种高品质甜菊糖生物酶解提纯方法，它不仅工艺流程合理、提取率高、含杂质低，而且莱鲍迪A甙含量大于98％，成品口感纯正。
为了解决上述技术问题，本发明的高品质甜菊糖生物酶解提纯方法，其特征是该提纯方法包括以下步骤：
(a)将甜叶菊干叶投入浸泡槽中，并向浸泡槽加入甜叶菊干叶重量12-15倍量的温水，以及酸碱调节剂，并搅拌0.5h-1h，使浸泡液的PH＝4.5-5.0；
(b)将纤维素酶在38℃-42℃的水中活化5-10min，同时将浸泡槽中的浸泡液加温至40℃-50℃；
(c)向浸泡液中加入甜叶菊干重0.3％-0.5％的纤维素酶，保持恒温并不断搅拌1h-1.5h；再向浸泡液中加入甜叶菊干重0.4％-0.8％的果胶酶，保持恒温并不断搅拌1h-1.5h，而制得甜叶菊酶解液；
(d)滤去甜叶菊酶解液中的叶渣，而制得甜叶菊滤清液；
(e)将甜叶菊滤清液以5.5-6.5m3/h的流速装入大孔吸附树脂柱进行上柱吸附，流出废液送入污水处理装置；每批上柱吸附结束后静置25-35min，再用大孔吸附树脂床容积5.5-6.5倍量的水，以7-9m3/h流速对大孔吸附树脂柱中的杂质进行洗脱；
(f)用大孔吸附树脂床容积3-4倍量的解析乙醇溶液，以2-3m3/h的流速流经大孔吸附树脂柱，解析有效成份制得甜叶菊乙醇解析液；
(g)向甜叶菊乙醇解析液中加入重量为液重0.8-1.2％的活性炭，将甜叶菊乙醇解析液升温至35℃-45℃，不断搅拌并保温0.5-1h，过滤后再将甜叶菊乙醇解析液以2-3m3/h的流速流经阳离子树脂交换柱；然后再将甜叶菊乙醇解析液，以0.8-1.2m3/h流速流经阴离子树脂交换柱，最终制得无色透明的甜叶菊清液；
(h)将甜叶菊清液经浓缩、干燥成甜菊糖粗品。
本发明与现有技术相比具有如下显著优点：
首先，本发明较现有甜菊糖提取方法大大缩短了工艺流程，提高了生产效率，尤其是大幅降低了水资源的耗用量，提高了成品品质。由于现有工艺中有效成份的提取率主要取决浸泡工序，因而采用了大水量、多次反复浸泡的工艺和絮凝工序，不仅造成了水资源的严重浪费和污水排放量的增加，而且生产成本高、生产效率低。本发明的技术方案彻底解决上述问题，达到短流程、低水量、高效率的技术效果。
第二、本发明由于采用生物酶解技术来提取甜叶菊中的有效成份，利用生物酶反应所具有的高度专一性特点，根据甜叶菊细胞壁的构成合理选择生物酶，依次利用纤维素酶和果胶酶分解、软化纤维素和果胶质、破坏细胞壁，促进植物细胞内容物的充分溶解析出，有效提高甜叶菊中有效成分的提取率；改善甜叶菊有效成分提取过程中的滤过速度和纯化效果，提高产品纯度和品质。
第三，本发明地技术关键之一是根据甜叶菊特性以及目标成分含量和品质，对生物酶种类进行合理地选择，尤其是对纤维素酶、果胶酶的酶解温度、酸碱度、酶解时间及酶解工艺等关键技术参数进行了综合优选，保证生物酶在整个酶解反应中均表现出最大的活性，酶解反应更加高效，甜叶菊糖甙能充分析出，提取率高，甜菊糖粗品的总甙就大于90％，远远高于现有工艺的粗品总甙仅为80％左右，这样就为成品总甙大于98％打下了基础。
第四、本发明在充分酶解的基础上，以大孔吸附树脂为吸附剂，根据甜叶菊中目标成分的分子量大小和极性强弱，选择合理的吸附及解吸工艺条件，如吸附和解析介质、流速及停置时间等，对甜叶菊中目标成分进行选择性吸附和筛选，并综合运用静态吸附和动态吸附法，从而达到吸附充分速度快、吸附容量大，解析率高，不仅有利于提高甜菊糖总甙的纯度和甜菊糖成品的品质，而且免去传统分离工序耗时多，周期长的不足，提纯效率高，节能生产成本。
第五，本发明由于综合运用了活性炭、阳离子交换树脂、阴离子交换树脂等手段，对甜叶菊解析液实行精制去杂脱色，活性炭主要去除解析液中的非极性杂质、灰分和色素；阳离子交换树脂柱主要吸附去除解析液中的Pb2+、Ca2+、Mg2+等阳离子；阴离子交换树脂柱则主要吸附去除解析液中的OH-、SO42-等阴离子杂质、黑色素和碱性分解物。通过上述的综合精制脱色除杂，大大提高了解析液中糖甙的含量，较为彻底地去除了各类杂质、灰分和色素，实现了目标产品甜菊糖的高纯度、高品质。
本发明的进一步实施方式，向所述甜菊糖粗品中加入其重量4-8倍量的乙醇溶液，缓慢搅拌并升温至50℃-60℃，保温1-2h，以1℃/h的降温速度降温至35℃-45℃，并不断搅拌，通过8-12h的自然结晶后，过滤结晶晶体，并对该结晶晶体用结晶晶体2倍重量的无水乙醇进行洗涤后甩干；将洗涤后的结晶晶体以其重量8-10倍的纯化水溶解后，用中空纤维滤膜进行浓缩，浓缩后再进行干燥而制得高品质甜菊糖。
首先由于采用高浓度乙醇重溶结晶的方法，乙醇浓度达85％-90％，从而增强了去除甜菊甙和莱鲍迪甙C的能力，大大提高了莱鲍迪甙A的纯度；采用截留分子量为500的中空纤维膜分离技术可以再行去除灰分，进一步提高莱鲍迪甙A的纯度，同时结合浓缩干燥去除溶剂残留，确保了莱鲍迪甙A含量大于98％。甜度更高，没有余味，口感纯正，成品品质佳。又由于采用1℃/h缓慢的结晶降温速度，避免莱鲍迪甙A晶体在结晶析出时混杂包容入其它成份，确保了莱鲍迪甙A含量的提高。大量实际试验表明控制结晶降温速度是十分关键的。
【具体实施方式】
实施例1
将甜叶菊干叶投入到浸泡槽或其他相应的浸泡容器中，并向该浸泡槽中加入甜叶菊干叶重量14倍量的温水，该温水的水温为40℃；并向该浸泡液中加入为该甜叶菊浸泡液重量1％的酸碱调节剂，该酸碱调节剂为CaCl2，连续搅拌浸泡0.5h，形成PH＝4.5-5.0的甜叶菊浸泡液。
将纤维素酶在38℃-42℃的温水中活化5-10min，以激活纤维素酶使之恢复生物活性；同时将PH值达到4.5-5.0的甜叶菊浸泡液加温至45℃。向加温后的浸泡液中加入激活的纤维素酶，保持恒温并不断搅拌1h，纤维素酶的加入量为甜叶菊干重的0.3％-0.5％。再向已加入纤维素酶并发生酶解的浸泡液中加入果胶酶，仍保持恒温并不断搅拌1.25h，所加果胶酶重量为甜叶菊干重的0.4％-0.8％，上述酶解反应后制得甜叶菊酶解液。通过筛选上述生物酶种类、酶用量、温度、时间及投入时点等关键技术参数，使生物酶在甜叶菊的酶解过程中保持最佳的生物活性，最高效地进行酶解反应，以最大限度地提高甜叶菊糖甙的提取率，同时也改善酶解物的滤过速度。
将经过上述酶解后的甜叶菊酶解液先泵送至不锈钢板式过滤器中进行初滤，并用循送泵自循环泵送30min，以充分滤除较大叶碎片的叶渣；再将经上述过滤的甜叶菊酶解液泵到200目的袋式过滤器进行细过滤，而制得甜叶菊滤清液。上述初滤过程中除采用不锈钢板式过滤器外，还可以是网式过滤器等其他常用的过滤装置。
在制得经酶解和过滤后的甜叶菊滤清液后，本发明继续采用大孔吸附树脂进行吸附分离纯化。以60T甜叶菊滤清液为一批次，首先以6M3/h的流速流动装入大孔吸附树脂柱进行上柱吸附，流出的废液送入污水处理装置进行处理；由于根据甜叶菊糖甙分子量大小、吸附容量选择了合理的吸附树脂，甜叶菊糖甙被吸附于大孔吸附树脂上。在每批次装柱结束时，应静置30min以使最后处于树脂吸附床的甜叶菊滤清液进行静置吸附。在流动和静置吸附完成后，用6倍于大孔吸附树脂床容积的清水，以8m3/h的流速对树脂床进行洗脱，以洗去非目标成分的杂质。在进行杂质洗脱后，用3倍于吸附树脂床容积的解析乙醇溶液，以2m3/h的流速将甜叶菊有效成分流动解析至贮罐，形成甜叶菊乙醇解析液。所用解析乙醇溶液的质量百分浓度为55％。
为保证成品的高纯度和高品质，在制得甜叶菊乙醇解析液后，再对其进行精制去杂脱色处理。首先向甜叶菊乙醇解析液贮罐中加入液重1％的活性炭，将贮液升温至35℃-45℃，不断搅拌并保温1h后将该贮液泵至板框过滤器，进行循环过滤以滤除活性炭，该工序利用活性炭良好的吸附性主要吸附去除非极性杂质、灰分和色素。经活性炭除杂脱色后，再将甜叶菊乙醇解析液以2m3/h的流速泵至阳离子交换树脂柱，经过流动上柱吸附以去除甜叶菊乙醇解析液中的Fe3+、Pb2+、Ca2+、及Mg2+等阳离子杂质和色素。然后再将经二道去杂脱色后的甜叶菊乙醇解析液以1m3/h的流速流动装入阴离子交换树脂柱，以去除甜叶菊乙醇解析液中的阴离子杂质、黑色素和碱性分解物。经上述三道的精制除杂脱色，得到了无色透明的甜叶菊清液。经多次实际检测，该清液在检测波长370nm处，其透光率达80％。
将上述甜叶菊清液送至真空减压浓缩罐进行浓缩，浓缩至波美度19°Be的稠膏料，将该稠膏料经喷雾干燥成白色粉末的甜菊糖粗品，该甜菊糖粗品总甙大于90％。真空减压浓缩罐的真空度-0.08Mpa，蒸汽压力0.1Mpa，温度60℃-65℃；喷雾干燥时的进风温度190℃，进料速度100L/h。
向甜菊糖粗品中加入其重量4-8倍量的食用乙醇溶液，缓慢搅拌并升温至50℃-60℃让其充分溶解，并保温1h后，再以1℃/h的降温速度降温至40℃，并不断搅拌，经过10h的自然结晶，结晶完成后滤出结晶晶体，以2倍于结晶晶体的无水乙醇进行洗涤甩干，将经洗涤后的结晶晶体以其重量10倍的纯水进行重新溶解，用截留分子量为500的中空纤维膜进行分离浓缩而得纯度极高的甜菊糖液，将该甜菊糖液进行喷雾干燥，最终得到高品质甜菊糖。该甜菊糖总甙量大于98％，莱鲍迪甙A含量大于97％。
实施例2
将甜叶菊干叶投入到浸泡槽或其他相应的浸泡容器中，并向该浸泡槽中加入甜叶菊干叶重量12倍量的温水，该温水的水温为35℃；并向该浸泡液中加入为该甜叶菊浸泡液重量0.8％的酸碱调节剂，该酸碱调节剂为醋酸钠，连续搅拌浸泡45分钟，形成PH＝4.5-5.0的甜叶菊浸泡液。
将纤维素酶在38℃-42℃的温水中活化5-10min，以激活纤维素酶使之恢复生物活性；同时将PH值达到4.5-5.0的甜叶菊浸泡液加温至40℃。向加温后的浸泡液中加入激活的纤维素酶，保持恒温并不断搅拌1.25h，纤维素酶的加入量为甜叶菊干重的0.3％-0.4％。再向已加入纤维素酶并发生酶解的浸泡液中加入果胶酶，仍保持恒温并不断搅拌1.5h，所加果胶酶重量为甜叶菊干重的0.4％-0.5％，上述酶解反应后制得甜叶菊酶解液。通过筛选上述生物酶种类、酶用量、温度、时间及投入时点等关键技术参数，使生物酶在甜叶菊的酶解过程中保持最佳的生物活性，最高效地进行酶解反应，以最大限度地提高甜叶菊糖甙的提取率，同时也改善酶解物的滤过速度。
将经过上述酶解后的甜叶菊酶解液先泵送至不锈钢板式过滤器中进行初滤，并循送泵送15min，以充分滤除较大叶碎片的叶渣；再将经上述过滤的甜叶菊酶解液泵到200目的袋式过滤器进行细过滤，而制得甜叶菊滤清液。上述初滤过程中除采用不锈钢板式过滤器外，还可以是网式过滤器等其他常用的过滤装置。
在制得经酶解和过滤后的甜叶菊滤清液后，本发明继续采用大孔吸附树脂进行吸附分离纯化。以60T甜叶菊滤清液为一批次，首先以5.5M3/h的流速流动装入大孔吸附树脂柱进行上柱吸附，流出的废液送入污水处理装置进行处理；由于根据甜叶菊糖甙分子量大小、吸附容量选择了合理的吸附树脂，甜叶菊糖甙被吸附于大孔吸附树脂上。在每批次装柱结束时，应静置25min以使最后处于树脂吸附床的甜叶菊滤清液进行静置吸附。在流动和静置吸附完成后，用5.5倍于大孔吸附树脂床容积的清水，以7m3/h的流速对树脂床进行洗脱，以洗去非目标成分的杂质。在进行杂质洗脱后，用3倍于吸附树脂床容积的解析乙醇溶液，以2m3/h的流速将甜叶菊有效成分流动解析至贮罐，形成甜叶菊乙醇解析液。所用解析乙醇溶液的质量百分浓度为50％。
为保证成品的高纯度和高品质，在制得甜叶菊乙醇解析液后，再对其进行精制去杂脱色处理。首先向甜叶菊乙醇解析液贮罐中加入液重0.8％的活性炭，将贮液升温至35℃-45℃，不断搅拌并保温0.5h后将该贮液泵至板框过滤器，进行循环过滤以滤除活性炭，该工序利用活性炭良好的吸附性主要吸附去除非极性杂质、灰分和色素。经活性炭除杂脱色后，再将甜叶菊乙醇解析液以3m3/h的流速泵至阳离子交换树脂柱，经过流动上柱吸附以去除甜叶菊乙醇解析液中的Fe3+、Pb2+、Ca2+、及Mg2+等阳离子杂质和色素。然后再将经二道去杂脱色后的甜叶菊乙醇解析液以1m3/h的流速流动装入阴离子交换树脂柱，以去除甜叶菊乙醇解析液中的阴离子杂质、黑色素和碱性分解物。经上述三道的精制除杂脱色，得到了无色透明的甜叶菊清液。经多次实际检测，该清液在检测波长370nm处，其透光率达80％。
将上述甜叶菊清液送至真空减压浓缩罐进行浓缩，浓缩至波美度19°Be的稠膏料，将该稠膏料经喷雾干燥成白色粉末的甜菊糖粗品，该甜菊糖粗品总甙大于90％。真空减压浓缩罐的真空度-0.08Mpa，蒸汽压力0.1Mpa，温度60℃-65℃；喷雾干燥时的进风温度190℃，进料速度100L/h。
向甜菊糖粗品中加入其重量4-8倍量的食用乙醇溶液，缓慢搅拌并升温至50℃-60℃让其充分溶解，并保温1.5h后，再以1℃/h的降温速度降温至35℃，并不断搅拌，经过8h的自然结晶，结晶完成后滤出结晶晶体，以2倍于结晶晶体的无水乙醇进行洗涤甩干，将经洗涤后的结晶晶体以其重量10倍的纯水进行重新溶解，用截留分子量为500的中空纤维膜进行分离浓缩而得纯度极高的甜菊糖液，将该甜菊糖液进行喷雾干燥，最终得到高品质甜菊糖。该甜菊糖总甙量大于98％，莱鲍迪甙A含量大于97％。
实施例3
将甜叶菊干叶投入到浸泡槽或其他相应的浸泡容器中，并向该浸泡槽中加入甜叶菊干叶重量15倍量的温水，该温水的水温为45℃；并向该浸泡液中加入为该甜叶菊浸泡液重量1.2％的酸碱调节剂，该酸碱调节剂为氯化镁，连续搅拌浸泡1h，形成PH＝4.5-5.0的甜叶菊浸泡液。
将纤维素酶在38℃-42℃的温水中活化5-10min，以激活纤维素酶使之恢复生物活性；同时将PH值达到4.5-5.0的甜叶菊浸泡液加温至50℃。向加温后的浸泡液中加入激活的纤维素酶，保持恒温并不断搅拌1.5h，纤维素酶的加入量为甜叶菊干重的0.4％-0.5％。再向已加入纤维素酶并发生酶解的浸泡液中加入果胶酶，仍保持恒温并不断搅拌1h，所加果胶酶重量为甜叶菊干重的0.5％-0.8％，上述酶解反应后制得甜叶菊酶解液。通过筛选上述生物酶种类、酶用量、温度、时间及投入时点等关键技术参数，使生物酶在甜叶菊的酶解过程中保持最佳的生物活性，最高效地进行酶解反应，以最大限度地提高甜叶菊糖甙的提取率，同时也改善酶解物的滤过速度。
将经过上述酶解后的甜叶菊酶解液先泵送至不锈钢板式过滤器中进行初滤，并循送泵送20min，以充分滤除较大叶碎片的叶渣；再将经上述过滤的甜叶菊酶解液泵到200目的袋式过滤器进行细过滤，而制得甜叶菊滤清液。上述初滤过程中除采用不锈钢板式过滤器外，还可以是网式过滤器等其他常用的过滤装置。
在制得经酶解和过滤后的甜叶菊滤清液后，本发明继续采用大孔吸附树脂进行吸附分离纯化。以60T甜叶菊滤清液为一批次，首先以6.5M3/h的流速流动装入大孔吸附树脂柱进行上柱吸附，流出的废液送入污水处理装置进行处理；由于根据甜叶菊糖甙分子量大小、吸附容量选择了合理的吸附树脂，甜叶菊糖甙被吸附于大孔吸附树脂上。在每批次装柱结束时，应静置35min以使最后处于树脂吸附床的甜叶菊滤清液进行静置吸附。在流动和静置吸附完成后，用6.5倍于大孔吸附树脂床容积的清水，以9m3/h的流速对树脂床进行洗脱，以洗去非目标成分的杂质。在进行杂质洗脱后，用3倍于吸附树脂床容积的解析乙醇溶液，以3m3/h的流速将甜叶菊有效成分流动解析至贮罐，形成甜叶菊乙醇解析液。所用解析乙醇溶液的质量百分浓度为60％。
为保证成品的高纯度和高品质，在制得甜叶菊乙醇解析液后，再对其进行精制去杂脱色处理。首先向甜叶菊乙醇解析液贮罐中加入液重1.2％的活性炭，将贮液升温至35℃-45℃，不断搅拌并保温1h后将该贮液泵至板框过滤器，进行循环过滤以滤除活性炭，该工序利用活性炭良好的吸附性主要吸附去除非极性杂质、灰分和色素。经活性炭除杂脱色后，再将甜叶菊乙醇解析液以3m3/h的流速泵至阳离子交换树脂柱，经过流动上柱吸附以去除甜叶菊乙醇解析液中的Fe3+、Pb2+、Ca2+、及Mg2+等阳离子杂质和色素。然后再将经二道去杂脱色后的甜叶菊乙醇解析液以1.2m3/h的流速流动装入阴离子交换树脂柱，以去除甜叶菊乙醇解析液中的阴离子杂质、黑色素和碱性分解物。经上述三道的精制除杂脱色，得到了无色透明的甜叶菊清液。经多次实际检测，该清液在检测波长370nm处，其透光率达80％。
将上述甜叶菊清液送至真空减压浓缩罐进行浓缩，浓缩至波美度19°Be的稠膏料，将该稠膏料经喷雾干燥成白色粉末的甜菊糖粗品，该甜菊糖粗品总甙大于90％。真空减压浓缩罐的真空度-0.08Mpa，蒸汽压力0.1Mpa，温度60℃-65℃；喷雾干燥时的进风温度190℃，进料速度100L/h。
向甜菊糖粗品中加入其重量4-8倍量的食用乙醇溶液，缓慢搅拌并升温至50℃-60℃让其充分溶解，并保温2h后，再以1℃/h的降温速度降温至45℃，并不断搅拌，经过12h的自然结晶，结晶完成后滤出结晶晶体，以2倍于结晶晶体的无水乙醇进行洗涤甩干，将经洗涤后的结晶晶体以其重量8倍的纯水进行重新溶解，用截留分子量为500的中空纤维膜进行分离浓缩而得纯度极高的甜菊糖液，将该甜菊糖液进行喷雾干燥，最终得到高品质甜菊糖。该甜菊糖总甙量大于98％，莱鲍迪甙A含量大于97％。