一种利用竹材废料制备低聚木糖的方法 【技术领域】
本发明涉及低聚木糖的制备方法，具体地说是利用竹材废料生成低聚木糖的制备方法。
背景技术
低聚木糖又称木寡糖，是由2-7个木糖分子以β(1-4)糖苷键结合而成的功能性低聚糖，是迄今为止国内外专家公认的功能性低聚糖中“双歧杆菌增殖效果最好”的一种，被誉为“超强双歧因子”。与其他功能性低聚糖相比，具有增殖双歧杆菌效果最强、用量最少(有效用量0.7克/日)、功效是其它聚合糖类的20倍、耐热、耐酸、难发酵等独特性能，主要有增殖双歧杆菌、制其它有害菌滋生、繁殖、提高机体免疫力、防止便秘、降低血压、降低血清胆固醇、防止龋齿、防癌抗癌等功能，成为食品、饮料、医药、保健品等生产行业的理想食品基料。对于预防和抑制人体高血脂、糖尿病、肥胖症等疾病，“优化体内微生态环境”具有显著效果。
另外，低聚木糖的粗制品还可以作为动物饲料添加剂，可以提高蛋禽的产蛋率，提高畜禽和水产品的抗病能力，促进生产，减少药物用量，对降低饲养动物的药物残留量。
目前低聚木糖的制备工艺通常包括以下三个主要过程：
1)木聚糖的提取：用碱溶液、热水、高压蒸汽爆破等方法可以将木聚糖从植物纤维原料中抽提出来；加乙醇可以使粗提木聚糖从抽提液中沉淀出来；经过超滤、乙醇沉淀、再溶解、再沉淀、过氧化氢或次氯酸盐处理、柱层析等方法可以使粗提木聚糖净化。
2)木聚糖的降解：向植物纤维原料的抽提液，或木聚糖溶解液中加入一定量的木聚糖酶进行水解反应，产生降解程度不同的混合物。所用的木聚糖酶通常由经过选育的高产菌株或基因工程菌发酵产生，常见菌株包括芽孢杆菌、产碱杆菌、梭状芽孢杆菌、假单孢杆菌、黑曲霉、里氏木霉、顶青霉等。
3)低聚木糖的分离：含低聚木糖的混合物溶液经离心分离、活性碳脱色、层析分离、离子交换、超滤等方法提纯，最后再经真空浓缩、冷冻浓缩、喷雾干燥等方法制成产品。
如中国专利02112568.6公开了一种以植物纤维为原料经微生物分泌的酶生物降解制备功能性食品添加剂低聚木糖的方法，其特征是严格控制产酶前期和后期的反应条件使微生物产出高活力的里氏木霉木聚糖酶，并采用超滤技术对酶液进行分级。产酶的碳源是聚合度高的酶解废弃物，产酶的微生物是里氏木霉(Trichoderma reesei)。应用本发明所提供的方法，可制得木糖含量低、聚合度为2至5的低聚木糖产品。
中国专利200410023875.X提供了一种低聚木糖的制备方法，包括下列顺序步骤：将玉米芯粉与水混合，加入弱酸催化剂进行裂解，将玉米芯中的木聚糖溶出；调节木聚糖水溶液pH值为5.0～6.0，加入木聚糖酶进行酶解，高温对木聚糖酶进行灭活；滤除玉米芯粉渣，对木聚糖糖液进行活性炭和离子交换树脂除杂脱色；大分子截留膜截留大分子木聚糖，过滤出低木聚糖糖液；钠滤膜浓缩脱盐；将低聚木糖糖液真空浓缩为浅黄色粘稠状糖浆，低聚木糖糖浆经赋形剂或直接喷雾干燥成低聚木糖粉剂。该方法简单易行，是以于工业化生产，得到的低聚木糖纯度高，色浅，可广泛应用于各种食品、保健品、药品中作为添加剂。
这样的工艺中存在的问题：木聚糖酶多为不耐高温木聚糖酶，因此酶解反应液体积大、浓度低、杂质多，从而后处理效率低、化工程序多、对设备要求高，因此生产成本居高不下，因此工艺需要进一步改进。
同时截至目前，低聚木糖是从玉米芯、棉子壳、甘蔗渣等植物资源中，采用木聚糖酶糖化分解进行制取低聚木糖糖浆或者干粉。利用成本更低的竹材废料进行高效的低聚木糖的制备工艺尚未见专利报道。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种低成本的制备低聚木糖的方法，本发明的目的通过以下技术方案得以实现，
本发明公开了一种利用竹材废料生产低聚木糖的制备方法，包括以下步骤：
a)竹材废料水溶液，100-140℃预处理2-5小时，过滤、沉淀物干燥，获得高糖的干物质；
b)将上述高糖的干物质加入碱液，碱水解，加入乙醇，过滤或离心获得木聚糖沉淀；
c)将上述木聚糖溶于水或缓冲液中，加入木聚糖酶，酶解得到木聚糖酶解液；
d)上述木聚糖酶解液中加入乙醇，过滤或离心取上清获得低聚木糖溶液；
e)上述低聚木糖溶液蒸馏除去乙醇，即得低聚木糖糖浆或干燥即得到低聚木糖粉。
本发明步骤a中所述竹材废料主要指采伐剩余物和加工废料的粉屑，包括但不限于竹屑、边脚料、细刨花、竹枝丫、开花竹子或竹篓中之一或它们任何的组合。竹材废料在我国数量巨大，成本低廉，竹材废料含纤维素49％，半纤维素为26％，木质素为22％，为木聚糖的良好来源原料。
在一些实施方式中，所述竹材废料水溶液的固液重量比为1∶20；
在一些实施方式中，本发明步骤b中，所述碱液可为重量百分比浓度为2.5～7.5％KOH或NaOH水溶液，所述高糖干物质和碱液的固液重量比为1∶5；所述碱水解条件为固液浸泡3小时后蒸煮20分，挤压出溶液；再固液比1∶3加碱液，蒸煮20分钟，挤压出溶液，合并挤压液；所述乙醇为95％乙醇，加入的体积为碱液体积的1-3倍。
在一些实施方式中，本发明步骤c中，所用木聚糖酶为Sigma公司疏棉状嗜热丝孢菌Thermomyces lanuginosus生产的耐碱耐高温极端木聚糖酶(Sigma-Aldrich，x2753)，酶活大于2500U/g；所述酶解条件为pH值2～12，温度90℃，优选pH至7.5，反应温度60℃，每升反应液加酶1.25g。该耐碱耐高温极端木聚糖酶在pH值2～12，温度90℃以下均非常稳定；最适pH值7.5；极耐热耐碱，不易失活，在65-90℃高温下进行水解反应无需采取防腐措施。
在一些实施方式中，本发明步骤d中所述乙醇为重量百分比浓度75％以上的乙醇，加入的体积为木聚糖酶解液体积的1-5倍；其中最优选重量百分比浓度95％乙醇；
本发明中所述水是可食用水，可以是自来水、纯净水或蒸馏水，优选纯净水或蒸馏水；本发明所述的缓冲液推荐可食用乙酸(pH4-5.5)或柠檬酸缓冲液(pH 4-7)；
在一些实施方式中，本发明所述低聚木糖糖浆或糖粉可制备成低聚木糖胶囊或者片剂。
本发明的有益效果是：本发明方法选用竹材废料作为原料制备低聚木糖是废物利用，不仅可解决竹材废料污染环境的问题，同时可得到高附加值功能性低聚木糖。同时本发明不需要其他活性碳脱色、层析分离、离子交换等过程，简单易行，生产效率高，生成成本低，便于工业化生产，所得产品性质接近自然产物。
【附图说明】
图1.本发明一实施方式中工艺流程示意图。
【具体实施方式】
以下结合具体实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。比例和百分比基于重量，除非特别说明。
本发明中所述低聚木糖检测方法为常规高压液相色谱检测方法，低聚木糖标准品购于SIGMA公司。
结合本发明制备低聚木糖的工艺流程见图1，进行下列实施例。
实例1：
1)取500g竹屑，加入10L水中，在115℃搅拌反应2小时，抽滤处理后的物料，置烘箱65℃干燥6小时后称重获得475g干物质；
2)向每千克干物质中加入5升2.5％地KOH水溶液抽提干物质中的碱性物质；固液浸泡3小时后蒸煮20分，挤压出溶液；再固液比1∶3加碱液，蒸煮20分钟，挤压出溶液，合并挤压液；再加入3倍体积的重量百分比浓度95％的乙醇，用酸调节pH至7.5；离心或者超滤收集的沉淀物质即为木聚糖；
3)向所述木聚糖溶于用水配制成重量百分比浓度30％木聚糖溶液，用磷酸调pH至7.5，向该溶液中加入耐热性耐碱性极端木聚糖酶，每升反应液加酶1.25g，反应温度60℃，水解得木聚糖酶解液；
4)加入2倍体积的重量百分比浓度95％的乙醇并搅拌均匀，离心后再超滤1次，取上清即为低聚木糖溶液；
5)蒸馏上述低聚木糖溶液中的乙醇，并进一步浓缩制备成重量百分比浓度75％浓度的低聚木糖糖浆；可进一步干燥成糖粉，并可通过离心及超滤后干燥制备成低聚木糖胶囊或者片剂。
实例2：与实例1基本相同，不同之处在于用物料120℃高温搅拌处理时间为3小时，高温干燥获得470a干物质。
实例3：与实例1基本相同，不同之处在于用物料130℃高温搅拌处理时间为2小时，高温干燥获得465a干物质。
实例4：与实例1基本相同，不同之处在于用物料140℃高温搅拌处理时间为2小时，高温干燥获得455a干物质。
实例5：与实例1基本相同，不同之处在于加入7.5升2.5％的NaOH水溶液抽提干物质中的碱性物质。
实例6：与实例1基本相同，不同之处在于加入75％的乙醇。
实例7：与实例1基本相同，不同之处在于酶水解温度为65℃，反应pH为7.0。
实例8：与实例1基本相同，不同之处在于用柠檬酸缓冲液配制30％的木聚糖溶液。
实例9：与实例1基本相同，不同之处在于用乙酸酸缓冲液配制30％的木聚糖溶液。
实例10：与实例1基本相同，不同之处在于步骤(4)中加入3倍体积的95％的乙醇并搅拌均匀，离心后再超滤1次，重复上述过程1次，合并上清液。
实例11：与实例1基本相同，不同之处在步骤(5)中蒸馏低聚木糖溶液中的乙醇，并进一步浓缩干燥制备成35％浓度的低聚木糖糖粉。
实例12：与实例1基本相同，不同之处是用竹子枝丫做原料，处理前先用高速万能粉碎机进行粉碎；
实例13：与实例1基本相同，不同之处使用废竹渣竹块做原料，处理前先用高速万能粉碎机进行粉碎。
实例14：实施例1-13所制备的低聚木糖产品检测结果及产品技术参数如下：
产品 95％低聚木 糖糖粉 70％低聚木 糖糖粉 35％低聚木 糖糖粉 70％低聚木 糖糖浆 95％低聚木 糖糖浆 低聚木 糖总含量(占 总糖)/％ ≥95 ≥70 ≥35 ≥70 ≥95 水分/％ ≤6.0 ≤6.0 ≤6.0 30±1 30±1 固形物 含量/％ 70.0±1.0 70.0±1.0 70.0±1.0 -- -- pH pH3.0- 6..5 pH3.0- 6..5 pH3.0- 6..5 pH3.0- 6..5 pH3.0- 6..5 灰分/％ ＜0.3 ＜0.3 ＜0.3 ＜0.3 ＜0.3 其他糖 (木糖、阿拉 伯糖)总含量 (占总糖)/％ ≤5.0 ≤4 ≤15 ≤30 ≤5
本发明的范围不受所述具体实施方案的限制，所述实施方案只欲作为阐明本发明各个方面的单个例子，本发明范围内还包括功能等同的方法和组分。实际上，除了本文所述的内容外，本领域技术人员参照上文的描述和附图可以容易地掌握对本发明的多种改进。所述改进也落入所附权利要求书的范围之内。上文提及的每篇参考文献皆全文列入本文作为参考。