一种利用木糖母液生产木糖醇和L-阿拉伯糖的方法 【技术领域】
本发明涉及一种木糖醇和L-阿拉伯糖的生产工艺，具体涉及一种利用木糖和木糖醇生产中的废弃物木糖母液生产木糖醇和L-阿拉伯糖的方法。
背景技术
目前木糖生产和加氢法木糖醇生产过程中会产生大量的木糖母液，木糖母液是指木糖水解液结晶提取木糖后剩余的母液。以玉米芯原料为例，大多玉米芯水解液含糖质量浓度14％，其中含13％葡萄糖，70％木糖，15％阿拉伯糖及少量其它杂糖，木糖通过两次结晶获得晶体，从而加氢用于生产木糖醇。剩余的木糖母液中糖浓度约为70％-80％，其中葡萄糖6～12％，木糖60～70％，阿拉伯糖17～23％。目前对于木糖母液没有得到很好的利用，一般以低价出售给焦糖色素厂，生产焦糖色素，大大减少了木糖、木糖醇生产的效益，同时造成大量资源浪费和严重的环境污染。
木糖醇为天然的五碳糖醇，是重要的功能性食品添加剂之一。木糖醇的甜度是蔗糖的1.05倍，热量与蔗糖相当，其代谢不需要胰岛素，可替代蔗糖作为糖尿病患者食用的甜味剂。木糖醇不被细菌发酵，用在口香糖中作为甜味剂，具有维持口腔酸碱平衡、预防龋齿的功能。有研究表明，木糖醇可阻止细菌与人体细胞的结合，预防呼吸道感染；木糖醇还有促进肠道对钙质的吸收，减少骨质流失，维持正常骨密度以及降低肝脏转氨酶等作用。
L-阿拉伯糖是一种应用于食品及医药等行业的功能糖，具有独特的生理功能。生理学家和营养学家就L-阿拉伯糖在肠道内对糖类代谢的作用做了系列研究发现：L-阿拉伯糖对蔗糖的代谢转化具有显著阻断作用，使得它在减肥、控制糖尿病方面的应用前景看好。据报道，只要在普通蔗糖中添加2％的L-阿拉伯糖就可以抑制蔗糖的吸收，同时抑制了血糖值少升高约50％。如果L-阿拉伯糖添加量达到4％，可以使血糖值完全不升高，胰岛素几乎不分泌。
据估计，中国至少有4000万以上糖尿病人，已成为世界糖尿病人第三大国，另有6000万糖尿病前期人群。因此，L-阿拉伯糖对于普通百姓影响之大，堪与食盐加碘、酱油加铁并论。
因此，需要寻找一种低成本、可大规模生产、节约资源、原材料来源广泛的木糖醇、L-阿拉伯糖生产方法。
【发明内容】
本发明的目的在于综合利用木糖生产和加氢法木糖醇生产过程中的废弃物木糖母液生产木糖醇和L-阿拉伯糖。
本发明提供一种利用木糖母液生产木糖醇和L-阿拉伯糖的方法，其包括如下步骤：
(1)将木糖母液加水稀释至木糖浓度为10～25％(质量体积百分比)，接种木糖醇生产菌种进行发酵；
(2)发酵结束后，从木糖醇发酵液中去除菌体及部分大分子物质，得到木糖醇发酵清液；
(3)所得木糖醇发酵清液脱除色素和杂质后浓缩结晶，分离结晶物料得到木糖醇晶体和木糖醇母液；
(4)将步骤(3)所得木糖醇母液经色谱系统分离，得到木糖醇相和L-阿拉伯糖相；
(5)将步骤(4)所得L-阿拉伯糖相浓缩结晶后，分离结晶物料，得到L-阿拉伯糖晶体和L-阿拉伯糖母液。
本发明的方法，其中所述木糖醇生产菌种为能够利用木糖和葡萄糖并产生木糖醇的酵母菌、细菌、放线菌或霉菌。
其中所述步骤(2)中去除菌体及部分大分子物质的方法为采用膜过滤法或沉降法去除。膜过滤可以采用截留分子量为100～300KD的有机板式膜或陶瓷膜，沉降可采用卧式螺旋离心机沉降，其选择主要是依据发酵菌种及其发酵产物来确定。
其中所述步骤(3)中脱除色素和杂质的方法为连续采用超滤膜、活性炭和脱色树脂脱除，其中超滤膜可以选用截留分子量为2～5KD的有机卷式膜，作用主要是用来脱除发酵液中的色素和大分子蛋白质，然后再利用活性炭进一步脱除色素，最后利用阳离子交换树脂或者阴离子交换树脂来脱除发酵液中的一些小分子杂质，树脂的选择也是依据发酵菌种及其发酵产物来确定。
其中所述步骤(4)中色谱系统为装填有对糖和醇有分离作用的树脂或分子筛的色谱系统，如装填有PCR-642或CR1320或FLC-10或FLC-30的12根工作柱的色谱系统。
本发明的方法，最后得到纯度较高的木糖醇晶体和L-阿拉伯糖晶体，步骤(4)中得到的木糖醇相可以再经浓缩结晶后得木糖醇晶体，也可以返回与步骤(3)中脱除色素和杂质后的发酵清液一起浓缩结晶，循环提取，以提高木糖醇的得率；步骤(5)中得到的L-阿拉伯糖母液可以再经色谱分离后获得L-阿拉伯糖相，进一步浓缩结晶得L-阿拉伯糖晶体，也可以返回与步骤(3)的木糖醇母液混合再色谱分离结晶，充分提取，提高得率。
本发明方法首先对木糖母液进行发酵，分解木糖和葡萄糖，生成木糖醇，不仅增加了生产木糖醇的产量，同时也能够大大降低木糖母液中木糖和葡萄糖的含量，降低从中分离L-阿拉伯糖的难度，提高L-阿拉伯糖产品的纯度。本发明方法充分利用工业废弃物木糖母液为原料同时生产木糖醇和L-阿拉伯糖，原材料来源广泛且价格低廉，因此节约资源且生产成本低，同时能够降低工业废弃物所造成的环境污染。
【具体实施方式】
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种利用木糖母液生产木糖醇、L-阿拉伯糖的方法，包括如下步骤：
(1)木糖母液发酵木糖醇
采用玉米芯水解液两次结晶提取木糖晶体后得到的废弃物木糖母液，此木糖母液中糖浓度约为70％～80％，其中葡萄糖5～15％，木糖40～50％，阿拉伯糖15～20％。
木糖母液加水稀释至木糖浓度15％(质量体积百分比)，加入发酵罐中，补加0.1％(质量体积百分比)的硫酸铵和0.3％(质量体积百分比)的玉米浆，加热到121℃，维持25分钟，冷却到32℃，接入培养好的热带假丝酵母种子液，接种量为发酵液体积的10％(体积百分比)，控制发酵pH6.0，发酵温度30～32℃，通风比(液体体积∶每分钟通风量)1∶0.2，发酵75小时后，得到木糖醇浓度为10.5％(质量体积百分比)地发酵液；
(2)将所得发酵液通过截留分子量为100KD的有机板式膜过滤，去除菌体及部分大分子物质，得到发酵清液；
(3)所得发酵清液经截留分子量为2KD的有机卷式膜脱除色素和蛋白质等杂质，然后50℃条件下通过GH015颗粒活性炭进一步脱除色素，通过001×7阳离子交换树脂和D318阴离子交换树脂脱除各种杂质离子后，得到木糖醇离交液；
(4)所得木糖醇离交液浓缩至固含量90％后按1-2℃/小时的降温速率降温结晶，待温度降至15℃维持2小时后用离心机分离结晶物料，得到纯度大于98.5％的木糖醇晶体和木糖醇母液，木糖醇晶体烘干后包装；
(5)所得木糖醇母液进入装填PCR-642的由12根工作柱组成的色谱系统，在水料比12∶1，操作温度60℃条件分离木糖醇母液，得到木糖醇相和L-阿拉伯糖相；所得木糖醇相可继续反复结晶进一步提取木糖醇；
(6)所得L-阿拉伯糖相进入浓缩系统浓缩至固含量80％，后按2-3℃/小时的降温速率降温结晶，待温度降至15℃以下维持2小时后，用离心机分离结晶物料，得到L-阿拉伯糖晶体和L-阿拉伯糖母液，晶体烘干后得到纯度大于99.0％的L-阿拉伯糖产品；所得L-阿拉伯糖母液可再经上述的色谱系统分离后进一步结晶提纯。
实施例2
一种利用木糖母液生产木糖醇、L-阿拉伯糖的方法，包括如下步骤：
(1)木糖母液发酵木糖醇
木糖母液同实施例1，加水稀释至木糖浓度25％，加入发酵罐中，补加0.1％的硫酸铵和0.3％的玉米浆，加热到121℃，维持25分钟，冷却到32℃，接入培养好的热带假丝酵母种子液，接种量为发酵液体积的10％，控制发酵pH6.0，发酵温度30～32℃，通风比1∶0.2，发酵75小时后，得到木糖醇浓度为16.5％的发酵液；
(2)将发酵液通过截留分子量为300KD的陶瓷膜过滤，去除菌体及部分大分子物质，得到发酵清液；
(3)发酵清液经截留分子量为5KD的有机卷式膜脱除色素、蛋白质等杂质，然后50℃条件下通过GH015颗粒活性炭进一步脱除色素，通过001×7阳离子交换树脂和D318阴离子交换树脂脱除各种杂质离子后，得到木糖醇离交液；
(4)木糖醇离交液和实施例1步骤(5)所得木糖醇相混合，然后浓缩至固含量90％后按1-2℃/小时的降温速率降温结晶，待温度降至15℃以下后维持2小时，用离心机分离结晶物料，得到纯度大于98.5％的木糖醇晶体和木糖醇母液，木糖醇晶体烘干后包装；
(5)木糖醇母液与实施例1步骤(5)色谱系统产生的L-阿拉伯糖相混合后，进入装填CR1320的由12根工作柱组成的色谱系统，在水料比12∶1，操作温度60℃条件下分离木糖醇母液，得到木糖醇相和L-阿拉伯糖相；
(6)L-阿拉伯糖相进入浓缩系统浓缩至固含量80％，后按2-3℃/小时的降温速率降温结晶，待温度降至15℃以下维持2小时后用离心机分离结晶物料，得到L-阿拉伯糖晶体和L-阿拉伯糖母液，晶体烘干后得到纯度大于99％的L-阿拉伯糖产品。
实施例3
一种利用木糖母液生产木糖醇、L-阿拉伯糖的方法，包括如下步骤：
(1)木糖母液发酵木糖醇
木糖母液同实施例1，加水稀释至木糖浓度10％，加入发酵罐中，补加0.1％的硫酸铵和0.3％的玉米浆，加热到121℃，维持25分钟，冷却到32℃，接入培养好的热带假丝酵母种子液(也可用能够利用木糖和葡萄糖并产生木糖醇的细菌、放线菌或霉菌等作为种子，发酵条件按常规技术进行适当调整)，接种量为发酵液体积的10％，控制发酵pH6.0，发酵温度30-32℃，通风比1∶0.2，发酵62小时后，得到木糖醇浓度为7.5％的发酵液；
(2)将所得发酵液通过卧式螺旋离心机沉降分离，去除菌体及部分大分子物质，得发酵清液；
(3)所得发酵清液经截留分子量为5KD的有机卷式膜脱除色素、蛋白质等杂质，然后50℃条件下通过GH015颗粒活性炭进一步脱除色素，通过001×7阳离子交换树脂和D318阴离子交换树脂脱除各种杂质离子后，得到木糖醇离交液；
(4)所得木糖醇离交液经浓缩至固含量90％后，按1-2℃/小时的降温速率降温结晶，待温度降至15℃以下后维持2小时，用离心机分离结晶物料，得到纯度大于98.5％的木糖醇晶体和木糖醇母液，木糖醇晶体烘干后包装；
(5)木糖醇母液进入装填FLC-10的由12根工作柱组成的色谱系统，在水料比12∶1，操作温度60℃条件下分离木糖醇母液，得到木糖醇相和L-阿拉伯糖相；
(6)L-阿拉伯糖相进入浓缩系统浓缩至固含量80％，后按2-3℃/小时的降温速率降温结晶，待温度降至15℃以下维持2小时后，用离心机分离结晶物料，得到L-阿拉伯糖晶体和L-阿拉伯糖母液，晶体烘干后得到纯度大于99％的L-阿拉伯糖产品。
实施例4
一种利用木糖母液生产木糖醇、L-阿拉伯糖的方法，包括如下步骤：
(1)木糖母液发酵木糖醇
木糖母液同实施例1，加水稀释至木糖浓度12％，加入发酵罐中，补加0.1％的硫酸铵和0.3％的玉米浆，加热到121℃，维持25分钟，冷却到32℃，接入培养好的热带假丝酵母种子液，接种量为发酵液体积的10％，控制发酵pH6.0，发酵温度30-32℃，通风比1∶0.2，发酵60小时后，得到木糖醇浓度为8.8％的发酵液；
(2)将所得发酵液通过卧式螺旋离心机沉降分离，去除菌体及部分大分子物质，得发酵清液；
(3)所得发酵清液经截留分子量为5KD的有机卷式膜脱除色素、蛋白质等杂质，然后50℃条件下通过GH015颗粒活性炭进一步脱除色素，通过001×7阳离子交换树脂和D318阴离子交换树脂脱除各种杂质离子后，得到木糖醇离交液；
(4)所得木糖醇离交液经浓缩至固含量90％后，按1-2℃/小时的降温速率降温结晶，待温度降至15℃以下后维持2小时，用离心机分离结晶物料，得到纯度大于98.5％的木糖醇晶体和木糖醇母液，木糖醇晶体烘干后包装；
(5)所得木糖醇母液进入装填FLC-30的由12根工作柱组成的色谱系统，在水料比12∶1，操作温度60℃条件下分离木糖醇母液，得到木糖醇相和L-阿拉伯糖相；
(6)所得L-阿拉伯糖相进入浓缩系统浓缩至固含量80％，后按2-3℃/小时的降温速率降温结晶，待温度降至15℃以下维持2小时后，用离心机分离结晶物料，得到L-阿拉伯糖晶体和L-阿拉伯糖母液，晶体烘干后得到纯度大于99％的L-阿拉伯糖产品。
实施例5
一种利用木糖母液生产木糖醇、L-阿拉伯糖的方法，包括如下步骤：
(1)木糖母液发酵木糖醇
木糖母液同实施例1，加水稀释至木糖浓度20％，加入发酵罐中，补加0.1％的硫酸铵和0.3％的玉米浆，加热到121℃，维持25分钟，冷却到32℃，接入培养好的热带假丝酵母种子液，接种量为发酵液体积的10％，控制发酵pH6.0，发酵温度30～32℃，通风比1∶0.2，发酵75小时后，得到木糖醇浓度为13.1％的发酵液；
(2)将发酵液通过截留分子量为300KD的陶瓷膜过滤，去除菌体及部分大分子物质，得到发酵清液；
(3)发酵清液经截留分子量为5KD的有机卷式膜脱除色素、蛋白质等杂质，然后50℃条件下通过GH015颗粒活性炭进一步脱除色素，通过001×7阳离子交换树脂和D318阴离子交换树脂脱除各种杂质离子后，得到木糖醇离交液；
(4)木糖醇离交液和实施例4步骤(5)所得木糖醇相混合，然后浓缩至固含量90％后按1-2℃/小时的降温速率降温结晶，待温度降至15℃以下后维持2小时，用离心机分离结晶物料，得到纯度大于98.5％的木糖醇晶体和木糖醇母液，木糖醇晶体烘干后包装；
(5)木糖醇母液与实施例4步骤(5)色谱系统产生的L-阿拉伯糖相混合后，进入装填CR1320的由12根工作柱组成的色谱系统，在水料比12∶1，操作温度60℃条件下分离木糖醇母液，得到木糖醇相和L-阿拉伯糖相；
(6)L-阿拉伯糖相进入浓缩系统浓缩至固含量80％，后按2-3℃/小时的降温速率降温结晶，待温度降至15℃以下维持2小时后用离心机分离结晶物料，得到L-阿拉伯糖晶体和L-阿拉伯糖母液，晶体烘干后得到纯度大于99％的L-阿拉伯糖产品。
综合以上，以木糖母液为原料生成木糖醇和L-阿拉伯糖，每吨含木糖50％、L-阿拉伯糖15％的木糖母液，按照本发明方法可生产纯度大于98.5％的木糖醇350公斤，纯度大于99％的L-阿拉伯糖120公斤，经济效益十分明显。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。