一种菊粉的提取工艺 【技术领域】
本发明属于化工提取领域，特别涉及一种菊粉的提取工艺。
背景技术
菊粉(inulin)是由果糖残基(F)之间以β-2，1-糖苷键连接且末端有连有葡萄糖残基(G)的直链多糖，此外菊粉内还含有少量的另一类果聚糖(inulonose)即末端没有连葡萄糖残基的果聚糖。菊粉广泛地存在于各种植物中，尤其是菊科植物根中含量较高，如菊芋15-20％，菊苣13-20％(占鲜根重)。不同的生产工艺，不同的植物，不同的生育期，不同的气候条件下植物所产生的菊粉平均聚合度不同。聚合度不同，其物物理与化学性质则不同，其功能也不同，不同功能的菊粉对聚合度的要求各异。目前菊粉被广泛用于食品、功能性饮料、医疗卫生业、保健品业及一些化工产业等。
菊粉提取技术，我国在九十年代末才进入此领域，技术还不完善。目前主要生产方法如下：公开号为CN1389468A的中国专利直膜生产菊粉、低聚果糖地方法，该发明的优点是：可以使原料的预处理过程大大简化，生产过程清洁，无污染物排放，得到产品的纯度高，生产过程耗能低，生产过程易控制等优点。其缺点是滤膜的价格昂贵，易被污染，需要定期更换，生产成本高，而且从目前滤膜本身生产的技术情况看，要完全实现由滤膜取代其它一切工艺技术在中国尚需时日。公开号为CN 1422547A的专利菊粉的加工方法，优点是加工方法简单，成本不高，但是菊粉中含有其它有机物、各种菌体、病毒等杂质，而且提取的菊粉含有果糖、葡萄糖、低聚果糖与聚合度大于9的菊粉，此菊粉易吸湿，结块，不易保存，因此获得的菊粉品质差，影响菊粉功能的发挥。授权公告号为CN 1163157C的专利新型菊粉的组分、其制备方法以及含有所述菊粉组分的食品，该方法技术完善，生产的菊粉产品质量较高，如想获得特定聚合度的菊粉，比较困难。
【发明内容】
本发明的目的在于，提供一种在技术和经济上具有吸引力的能够生产不同性能、不同聚合度范围的高品质菊粉的工艺。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是，一种菊粉的提取工艺，其特征在于，包括下列步骤：
1)将新鲜的菊苣原料快速清洗，除去杂物后粉碎或切片后干燥保存待以后加工；对于切片后干燥保存的菊苣片加工时以有机溶剂浸提，以去除菊糖以外的其它有机物，挥干溶剂；有机溶剂选择浓度含量为60％以上的乙醇溶液(V/V)，或选用极性有差异的有机溶剂梯度萃取；
2)对机械粉碎后的原料加水浸泡，鲜根浸泡的水温10℃-45℃，时间为20-30min；对于挥干溶剂的菊苣片经30-95℃的热水浸泡，时间为20-60min；然后加热至75℃-100℃，时间为40min，进行三次逆流浸提，一次洗渣工序，最后，压滤或离心得到富含菊粉的粗提取液；
3)对得到的富含菊粉的粗提取液先进行热处理，其方法是将粗提取液送到杀菌罐中杀菌，杀菌的目的是杀死料液中的任一细菌并使酶变性，使蛋白质凝固，加热温度90℃～110℃，时间5-15min，或选择更高温度瞬时杀菌，使蛋白质凝固，过后立即冷却；当提取液冷却至40-50℃后，加入Ca(OH)2∶CaCI2＝1∶1的碱性试剂去蛋白和去胶类物质；最后采用膜滤法除去菌体、水溶性蛋白、色素和其它的不溶物；即可得到澄清的富含菊粉的精制提取液；
4)对上述富含菊粉的精制提取液按组合离子交换法处理后得到制备长链菊粉的纯净菊粉液，或按醇处理得到沉淀菊粉并经醇重结晶后得到α-形式菊粉，或按冷处理得到β-形式菊粉；
5)对上述得到的纯净菊粉液、α-形式菊粉和β-形式菊粉进一步脱色、脱盐和除杂处理，高效菊粉采用温度压力控制连续二阶段浓缩分离法，α-形式菊粉采用梯度乙醇结合温度控制分级沉淀，β-形式菊粉采用纤维素柱或离子交换纤维素柱结合纳滤膜分离法，生产加工不同的、聚合度的干燥菊粉。
本发明的菊粉的提取工艺不仅能利用菊苣鲜根作原料，而且在不影响菊粉的产量和质量的情况下，将鲜根妥善处理，能实现菊粉的长年生产；生产的菊粉产品多样，如生产聚合度小于9的可以用于功能性饮料的添加物，改善其口感；生产聚合度分布在10～45且含量75％以上的高效菊粉，用于碳水化合物代谢紊乱的治疗；可以生产聚合度在20-45之间的菊粉，用于脂肪的替代品或纤维食品，和用于化工业或制药工业作赋形剂的聚合度在45以上的菊粉；可以生产不易结块和凝块的精制菊粉及稀释性降级、溶解度提高的特定聚合度的菊粉。
【附图说明】
图1是本发明的工艺提取路线框图；
图2是生产高效菊粉的工艺提取路线框图；
图3是α-形式菊粉制备及分离工艺提取路线框图；工艺提取路线框图；
图4是β-形式菊粉的生产工艺提取路线框图。
以下结合附图和实施例对本发明工艺技术作进一步的详细说明。
【具体实施方式】
本发明以菊苣为原料生产菊粉，其生产工艺技术路线参见图1。
1.菊苣原料：
本发明是从聚合度角度来分离生产特异的功能性菊粉的，原料来源，植物的播种时间，温度，生长发育阶段，收获与原材料处理的间隔时间，及提取生产菊粉的各工艺环节的不同处理等，都影响菊粉聚合度的分布范围及占的比例。
为了获得聚合度较理想的菊粉，大田栽培菊苣，中国北方地区应在4-5月播种在9-12月收获为宜。依据的原理是：从生长期大于三个月可开始用菊苣根来进行菊粉生产，一直到加工期的结束，低温条件出现时不触发菊苣根内的EFH基因(使DP变小的基因)即温度不低于0℃最好不低于3℃。同时根内SST与FFT基因是促进菊粉合成的基因。SST基因使果聚糖合成起始，FFT基因可使链的延长，但表达具有空间和发育阶段的特异性。幼根时SST的活性高，底物蔗糖浓度低，产物葡萄糖的浓度高，低聚果糖明显增多。在生长期的5-6个月间，蔗糖和高聚合度果糖含量上升，葡萄糖水平下降，高聚合度的占的比例较大，故在生长期的5-6个月间生产菊粉为最佳时期。从12月到次年的2月果糖浓度极大增加，果聚糖含量下降，EFH表达较强，此时生产的菊粉聚合度DP最低。从收获到加工的间隔时间最好是在60天内完成，最多不超过90天。
2.菊苣原料的贮存：
要得到菊粉，必须在两个月内完成植株块根的收获和加工，否则将分解成果糖。根据前面所言的合适的时间播种，收获及加工，则很难在短时间内将一次性收获的菊苣根加工完，而且不能进行全年生产。生产期短不能有更好的经济效益。为了在任何时候都有生产菊粉的原材料，故提出了平衡和保存菊粉植物的处理方法。因此本发明设计的方法不仅实现菊粉的常年生产，而且不影响菊粉产量和质量：
首先，将采挖收割的新鲜的菊苣根，在清洗机内快速清洗，除去泥土、石沙及其它杂物等，浸泡清洗的时间尽可能的短，因为随着浸泡时间的延长，洗水液中的含糖量增加，糖的损失越大，时间上最好不超过30min。
清洗后的无法短时间完成加工的菊苣块根，切片、迅速干燥处理贮存，或者高温灭酶后再干燥贮存。切片目的让尽可能大的面积接触水，易于浸提，注意切片的厚度最好在0.5-1cm之间，最大不超过2cm，过薄不利于过滤；使水的含量为原料原来的10％-30％为宜。
加热时注意控制温度在75℃以上，当温度升至50-60℃时，要尽可能的迅速跳过，防止菊粉酶被激活，导致菊粉的大量降解，造成菊粉的损失。加热或迅速干燥可使菊粉酶失活，同时使细胞液中菊粉以固体形式存在。
对于清洗过已制成的菊苣干片在贮存的过程中，会粘附大量的尘土等杂质，快洗2-15min，即可浸出一部分色素，糖分的损失也很少，若浸洗的时间延长至15min，尽管洗出液颜色加深，可除去部分色素，但是糖的损失过大(10％以上)，水溶性生理活性物质也会损失一些，因此菊苣干片的清洗以2-10min最好。
3.菊粉提取：
①干燥的菊苣片处理：首先以有机溶剂浸提以除去除菊糖以外的其它有机物，有机溶剂的浸提首选60％以上的任何浓度的乙醇溶液(V/V)，也可选用极性有差异的有机溶剂梯度萃取。此法可以除去菊苣中的单糖、双糖、部分低聚糖，苦味物质，大量的色素和其它杂质，挥干溶剂，菊粉则存留在菊苣片渣中。
(2)菊苣片渣和鲜根菊粉的提取：首先加水浸泡，鲜根浸泡的水温10℃-45℃(未灭酶，水温如果高，菊粉酶被激活，会造成菊粉的降解)，时间为20-30min；片根挥干溶剂后浸泡，浸泡水温是30-95℃；时间为20-60min即可。然后加热、浸提：温度最好为75℃-100℃，时间为40min，一般进行三次逆流浸提，一次洗渣工序。逆流浸提可产生最大的浓度差，使浸提有效地进行。最后，压滤或离心得到富含菊粉的粗提取液。
4.菊粉的粗提取液处理：
(1)灭酶、杀菌：将富含菊粉的提取液送到杀菌罐中杀菌，杀菌的目的杀死料液中的任一细菌并使酶变性，凝固蛋白质，加热温度90℃以上，110℃以下，时间5-15min，也可选择更高温瞬时杀菌，杀菌的原则是合适的温度、压力高至足够使蛋白质凝固。为防止菊粉的热分解，过后立即冷却。
(2)碱液去蛋白和去胶类等物质：菊粉粗提取液中含有大量的胶类、大分子的蛋白质，影响菊粉的质量和过滤，加入碱性物质，一方面可使蛋白质变性，从而加速沉淀，另一方面能够使果胶与碱生成果胶酸钙等盐类物质，及微量的有机酸形成不溶性的钙盐等被过滤或离心除去，多余的钙等盐类物质通过加入CO2被除去，体系中残留的盐离子和其它的离子一起在后续工艺中被除去。
方法是粗提取液冷却至40-50℃后，加入碱型试剂：首选Ca(OH)2∶CaCI2＝1∶1；其它的有：石灰乳、Na2CO3、NaOH、K2CO3、KOH、NH4CO3、NH4OH、Ca(OH)2、Mg(OH)2、Ba(OH)2、Sr(OH)2等，调节PH8-13.5，使这些大分子沉淀后，通入CO2处理多余的可生成沉淀的碱性溶液，再趁热过滤，除去所有的沉淀，过滤获得菊粉提取液。将静置的菊粉提取液泵送到澄清型离心机中，离心除去悬浮脏物、颗粒和固体，注意提取液需要在较高(小于100℃)的温度下过滤或离心，否则菊粉会析出沉淀。
(3)膜滤法除去菌体、水溶性蛋白、色素和其它的不溶物： 优选孔径在0.05-0.2μm，最好选孔径在0.05-0.1μm的中空纤维无机超滤膜，完全除去菌体、凝固和水溶性蛋白、胶体、色素和其它的不溶物，得到澄清的富含菊粉的精制提取液。对此提取液进行菊粉聚合度的分析，所用的方法是高效液相色谱法(HPLC)，如果10％以上菊粉的聚合度在5以下，要进行PH值的调整，使PH控制到7。
采用碱液沉淀-离心分离-超滤膜集成除杂法，充分发挥各自的优势，减少了膜的污染，降低了成本，提高了质量。
5.长链菊粉制备：
(1)高效菊粉制备：可由菊粉提取液直接进行脱盐、脱色、得到澄清富含菊粉的精制溶液。
分级方法利用温度压力控制浓缩法分级。
方法一：精制溶液200mg室温放置48小时结晶，50℃，时间不超过1小时，减压浓缩至浓度为40％的可溶性颗粒；
方法二：精制溶液200mg室温放置6小时结晶，100℃，时间约30min，一个大气压浓缩至浓度为55％的可溶性颗粒。
方法三：精制溶液200mg常压下，120℃，时间1小时，减压浓缩至浓度为的80％可溶性颗粒.
通过上述三种方法获得的菊粉聚合度1-4少于5％，聚合度5-9的占5％，聚合度在6-45的大于75％，聚合度大于45的菊粉含量少于10％.
将上述精制溶液在50℃保存两个周后，离心过滤获得菊粉浓度为15％溶液。将过滤后的溶液用下述两种方法处理。
方法一：取200ml的溶液在室温下放置6个小时，50℃减压浓缩1min获得含有25％的可溶性颗粒的溶液。
方法二：取200ml的溶液80℃减压5个小时，获得40％的可溶性的菊粉溶液。
通过上述两种方法获得菊粉的聚合度分布范围为：聚合度1-4少于10％，聚合度5-9的小于40％，聚合度在6-45的大于50％，聚合度大于45的菊粉微量。
(2)α-形式菊粉的制备：长链菊粉在高浓度的有机溶剂中可被沉淀过滤析出，有机溶剂首选乙醇及甲醇、异丙醇等。方法是富含菊粉的水提取液浓缩至原提取液的1/2以下，然后加入1-5倍量的95％醇(V/V)，加入醇后，溶液的醇含量不低于60％(V/V)，静置2-5h，抽滤或离心分离，溶液回收醇，沉淀再用少量的水溶解，多次醇重结晶，沉淀挥干溶剂即得到α-形式菊粉。这种方法得到的菊粉在冷水中的溶解度不如β-形式的菊粉在冷水中的溶解度高。
(3)β-形式的菊粉：β-形式的菊粉可由菊粉提取液直接冷却0-3℃，24-48小时，收集沉淀获得；在结晶的过程中可加入少量菊粉晶种，加速菊粉结晶析出，仅需10-20小时析出沉淀；或冷却洗脱液，一部分菊粉结晶出来，收集沉淀，余下的溶液真空浓缩结晶体析出；或减压浓缩全部的溶液为原来的30-50％，将这种重溶液加热，冷却结晶。或提取液中菊粉含量为24％时在低温下放置48小时，析出菊粉加热到90-95℃，冷却室温沉淀，过滤分离出菊粉，余下的溶液加压浓缩到原来的45％左右时得到新的沉淀菊粉。得到这种形式的菊粉在冷水中的溶解度较高。
6.各型菊粉脱色、脱盐除杂处理：
(1)高效菊粉的脱盐脱色：使用强酸性树脂，强碱性树脂和弱酸性树脂组合的离子交换法脱色脱盐，在常温下就可以达到良好的效果，不仅可以脱去提取液的色素，而且在脱色的同时将提取液中的离子除去。
(2)α-形式菊粉的脱盐脱色除杂：通过乙醇多次重结晶已经除去了大部分的色素等杂质，但含有残留色素需要除去，另外，在热杀菌过程中，尚有未必杀死的孢子和部分细菌，因此优选膜孔直径为0.01-0.05μm的超滤膜除去离子、低分子有机物等杂质，达到脱盐又脱色和浓缩的效果，得到精制的α-形式菊粉。
(3)β-形式菊粉的脱盐脱色除杂：超滤与吸附树脂连用精制β-形式菊粉：大孔吸附树脂是以静电引力从菊粉溶液中吸附中极性的小分子，大分子的菊粉不能透过树脂网孔或与水溶液亲和力太强不能被吸附，这样将菊粉溶液中的色素、苦味等杂质被吸附分离；离子吸附树脂通过电荷吸附，实现离子交换，离子类成分被吸附，菊粉得到精制。
现代膜分离技术是利用膜的孔径特征，以物理手段将不同大小的分子进行分离，分离过程不受热、成分稳定、分离率高、耗能低，无二次污染，对微粒的去除及水溶性大分子的分离有极大优势。如超滤膜6000-10000分子量超滤膜可以很好地去除微粒、热原、微生物，提高制剂的质量及其稳定性、安全性。但是价格昂贵，需精心保护使用。
吸附树脂使用过程中，树脂的衰化会在精制的过程中，以碎片形式脱落，产生二次污染，严重影响制剂的安全性，膜滤法可以进行脱落碎片的清除，提高吸附树脂应用的安全性。另一方面，菊粉溶液树脂精制后，使污染膜的成分大大降低，是超滤应用很有效的预处理方法。两者的结合，可充分发挥各自的优势，互补对方的不足，比单独使用膜更有经济效益。
本发明先将通过大孔吸附树脂脱色后，再经离子交换柱脱盐，然后将菊粉经过超滤膜除去残留的微粒、热原、微生物等，最终得到高质量的β-形式菊粉。
7.不同聚合度的菊粉的分离：
(1)高效菊粉采用温度压力控制连续二阶段浓缩分离法：对菊粉液进行连续二阶段处理：将菊粉液立刻减压浓缩，温度为60℃，浓缩到菊粉浓度为40％；接着在一个大气压下，温度为是120℃浓缩到菊粉浓度为75％。此时高效液相分析结果是DP在10-40的菊粉为70％。
(2)α-形式菊粉采用梯度乙醇结合温度控制分级沉淀：将菊粉用蒸馏水、去离子水或臭氧化水溶解成饱和的菊粉溶液，然后用逐渐加入乙醇分级沉淀，如乙醇的浓度达到20％、40％、60％、80％、100％乙醇，分别收集沉淀。乙醇的浓度是变化，可根据所需分子量调整乙醇浓度，为了效果更好，可使溶剂的温度在10℃以下。
(3)β-形式菊粉采用纤维素柱或离子交换纤维素柱结合纳滤膜分离法：纤维素柱或离子交换纤维素柱对单糖、双糖、低聚糖和多糖都能够很好的分离。利用混合糖溶液，流经预先以另一种溶剂(如乙醇)混悬的纤维素柱，多糖在此多孔介质上析出沉淀，再以递减的稀醇逐步洗脱，析出各种糖。
8.各种产品干燥处理：
最终分离得到所需聚合度或分子量的菊粉先通过浓缩，然后进行干燥。注意干燥时温度的控制，在减压情况下，50-100℃浓缩，或100-120℃常压浓缩，时间不超过1小时。
一般最后可通过喷雾干燥、鼓风干燥、冷冻升华干燥得到结晶或粉末状产品。
以菊苣为例，可以通过下面给出的实施例更清楚本发明的优选方法：
实施例1：生产高效菊粉
参见图2，将干燥处理后的菊苣根干片10kg、在25～30℃下浸泡20～40min，85℃浸提，过滤，除去杂质，浸提液90～95℃灭菌，过滤除去胶原蛋白，获得富含菊粉精液，用强酸性树脂，强碱性树脂和弱酸性树脂组合离子交换法脱色脱盐，获得无色透明的富含菊粉液，在温度为60℃的条件下快速减压浓缩，菊粉浓度达到40％即可停止，立刻对它进行第二阶段的处理：常压、120℃，快速浓缩，当菊粉浓度达到75％时停止。此时得到的菊粉聚合度DP在10-40的占75％。将此菊粉液用鼓风干燥法进行干燥得到含水12％的菊粉4.324kg。
实施例2：α-形式菊粉制备及分离
具体工艺流程参见图3，取菊苣鲜根10kg，30℃浸泡20min，或者菊苣根干片10kg60℃浸泡30min混合，然后加热至90℃热水浸提、离心分离，去除渣，得到菊粉提取液，将上述菊粉提取液浓缩至菊粉浓度18％，通co2加入石灰乳调PH至10～11，过滤、弃其渣，得到富菊粉滤液，超滤膜过滤(孔径0.1μm)后得到澄清菊粉液，然后浓缩至原体积的50％左右，加无水乙醇沉淀，得到菊粉晶体；蒸馏水溶解、离心分离乙醇反复结晶，得到α-形式菊粉，将α-形式菊粉超滤膜除杂(孔径0.01μm)后即得饱和菊粉溶液，分别以35％、55％、75％浓度的无水乙醇分离沉淀，温度为8℃冷冻升华干燥，即可得到DP＜9的白色纯净的低聚糖菊粉0.75％、DP在10～45的菊粉87.81％和DP＞45的菊粉11.44％。
实例3：β-形式菊粉的生产
具体工艺流程参见图4，取10公斤的鲜根与实施例1相同的处理方法，得到澄清的富含菊粉的热水提取液，减压浓缩至溶液中含有50％左右的菊粉，加热此稠溶液(温度90～95℃)，冷却至室温，过滤，得菊粉沉淀物，制成饱和菊粉溶液，经过大孔吸附树脂脱色，浓缩水洗脱液得到菊粉纯溶液，利用二甲氨基乙基纤维素柱分离，各洗脱液分别浓缩，得到单糖0.261公斤，蔗糖0.087公斤，聚合度3-7的菊粉0.144公斤，聚合度8-30的菊粉0.542公斤，聚合度30-40菊粉0.374公斤，聚合度大于40的菊粉0.212公斤。