技术领域
本发明涉及魔芋甘露低聚糖生产的技术领域，更具体涉及一种甘露低聚糖的制备方法，特别是涉及一种用陶瓷膜分离制备高纯度甘露低聚糖的方法。魔芋甘露低聚糖可应用食品添加剂，适用于奶制品、饼干类食品、酸性饮料等。还可制成保健品粉剂、口服液制剂，有增强免疫力功能、辅助降血脂功能、辅助降血糖功能、调节肠道菌群功能、通便功能，对人起到很好的保健作用。
背景技术
葡甘低聚糖（寡糖，Oligosaccharides），是指由2～10个单糖通过糖苷键连接，形成直链或分支链的一类糖。这些糖除了具有低热值、稳定、安全无毒等良好的理化特性外，还具有增殖双歧杆菌等有益菌、减少肠杆菌等有害菌的生理功能。
甘露低聚糖是低聚糖中的极品，发展潜力巨大。甘露低聚糖的生产原料主要有魔芋精粉、瓜尔豆胶、槐豆胶等，这些天然植物胶富含甘露聚糖，应用甘露聚糖酶在适宜的工艺条件下，就可以将甘露聚糖降解为甘露低聚糖（Mannooligosccharides）。
所查文献：“β-甘露聚糖酶制备魔芋甘露低聚糖的研究”（李剑芳等），“酸酶结合法制备葡甘露低聚糖的工艺研究”（许牡丹等）都是利用黑曲霉制备β-甘露聚糖酶，酶解过程需要加酸调节PH，酶活力和底物浓度都很低，不适于工业化生产。
中国专利申请号200710051436.3“高纯度甘露低聚糖的生产方法”公开的是用甘露聚糖酶对魔芋精粉进行酶解，然后经离心过滤、硅藻土过滤、微滤、离子交换、超滤、真空干燥、喷雾干燥生产甘露低聚糖，酶活力一般，底物浓度10～20%，酶和底物比为1：10～20（v/w），植物胶中葡甘聚糖的生物转化率为70～90%，工艺中用到硅藻土过滤和微滤、损耗大，真空浓缩，能耗高。影响产品收得率和生产成本。中国专利申请号201110305324“酶解半纤维素制备高纯度甘露低聚糖的研究”和申请号200710051436.3公开方法基本相同，增加了对酶解原料的归纳及后续应用说明，工艺上并没有简化和改进。
以上技术均采用魔芋精粉、瓜尔豆胶等植物胶为原料，用甘露聚糖酶酶解制备甘露低聚糖，但文献所述因酶活力、酶解底物浓度过低，酶液用量大，糖液混浊，需要用酸碱调节PH，污染大，只能限于实验室阶段，不能用于工业化生产。专利所述主要采用中性β-甘露聚糖酶制备甘露低聚糖，但酶活力低、底物浓度依然有限，分离提纯工艺也较复杂，生产成本高，市场推广上会限制更多老百姓的消费。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，是在于提供了一种利用陶瓷膜分离制备高纯度甘露低聚糖的方法。甘露聚糖酶解成小分子低聚糖，然后将酶解液经过卧螺机粗滤、即可直接进行陶瓷膜过滤，离子交换精制、再经2000分子量超滤，纳滤浓缩后即可进入喷雾干燥塔干燥，干燥后成品甘露低聚糖含量在95%以上，具有明显的增殖双歧杆菌功能，同时减少有害菌，是一种最具前景的抗生素替代品。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种高纯度甘露低聚糖的制备方法，包括如下步骤：
（1）酶解转化生产出甘露低聚糖混合物：使用黑曲霉发酵产出高活性中性β-甘露聚糖酶，保藏号为：CCTCC NO.M2012554，酶活性高达5000～8000μmol/ml，利用该酶酶解魔芋精粉（湖北花果山实业有限公司）或瓜尔豆胶，底物浓度（被酶解反应物浓度）为15～25%，原料粘度为5000～20000mpa.s，酶解温度控制在53～57℃，PH6.0～7.0，酶用量与它作用的物料比为1：100～150（v/w），酶解时间2～5小时测量甘露低聚糖混合物粘度为10～80mpa.s{粘度的法定计量单位——毫帕·秒(mPa·s)。}时停止酶解，得到低聚糖混合物，其中魔芋粉中葡甘聚糖、瓜尔豆胶中的半乳甘露聚糖的生物转化率为95%以上。
所述该步骤中的优选为利用该酶酶解魔芋精粉底物浓度25%，酶解条件为酶解温度54～56℃，PH6.5，酶用量与它作用的物料比为1：150（v/w），酶解时间3小时，甘露低聚糖混合物粘度为40mpa.s时停止酶解，得到低聚糖混合物。
（2）离心分离：
用卧式螺旋离心机LW250-1000型分离酶解液，采用气动隔膜泵QBY-25连续进料和分离糖清液和渣，用锥形转鼓内套装有同心的卸料螺旋，两者高速同向旋转的同时又有一定的转速差，该转速差由传动系统及差速器产生。悬浮液由进料管连续引入并均匀分布到转鼓内端锥面上，在离心力的作用下，液相物穿过滤网和转鼓壁滤孔排出转鼓，经排液口排出机外。固相物被截留在滤网内形成滤渣，滤渣在离心力的锥面分力和卸料螺旋的共同作用下，连续地向转鼓大端移动排出转鼓，经卸料槽排出机外，从而实现悬浮液的固液分离。对酶解液中的不溶于水植物纤维、淀粉、及0.05mm以上细小颗粒物进行分离和排出，酶解液折光糖浓度13～23%。获得一种透光率5—10%，电导率3500—5500μS/cm离心糖液。
（3）陶瓷膜过滤：
离心液采用陶瓷膜YZ-φ30-1016-37-120W（江苏合兴环保科技有限公），366芯6组合陶瓷膜组（武汉源泽环保工程有限公司）作为精密分离的保障过滤，去除其中的蛋白质、淀粉 和多糖物质。陶瓷膜截留分子量10万道尔顿，通过量1.0～1.5吨，压力0.1～0.4MPa。
离心液（折光糖浓度13～23，透光率5—10%，电导率3500—5500μS/cm）经过陶瓷膜过滤后糖液纯度达到80—90%，有效地除去蛋白质、淀粉和多糖物质，过滤的折光糖浓度10～20%，透光率≥85%以上，电导率≤3000μS/cm，截留糖液过滤的折光糖浓度15～25%。
所述本步骤中的优选为离心液采用陶瓷膜作为精密分离的保障过滤，去除其中的蛋白质、淀粉和多糖物质，陶瓷膜截留分子量10万道尔顿，通过量1.2吨/小时，压力0.3MPa。
离心液（折光糖浓度23%，透光率5—10%，电导率3500—5500μS/cm）经过陶瓷膜过滤后糖液纯度达到80—90%，有效地除去蛋白质、淀粉和多糖物质，其中折光糖浓度10～20%，透光率≥85%以上，电导率≤3000μS/cm。截留糖液过滤的折光糖浓度25%。
本发明所述陶瓷膜采用整体式单元，多单元组合方式，选用二氧化钛支撑层，以二氧化钛及氧化锆为过滤体的陶瓷组件，配以不锈钢（304SS）材质的组合式膜壳，具有操作压力高，爆破压力超高的特点，耐用、寿命长、抗污堵能力好。
陶瓷膜过滤是一种“错流过滤”形式的流体分离过程：在压力驱动下，原料液在膜管内高速流动，含小分子组分的澄清液向外透过膜，含大分子组分的浓缩液被膜截留，从而使流体达到分离、浓缩、纯化的目的。
料液穿过进料孔，小分子物质透过滤膜成为过滤液，而没有透过的即为截留液。陶瓷膜选取内压式进料，利用内孔表面光滑，易于清洗的特性，提高使用率，减少清洗频次。取多元件组合体方式，降低管道的复杂性，消除管道死角，减少设备占地面积。膜的使用及清洗、消毒等操作均可在组合容器内完成。无需对元件进行拆卸，避免了人为的污染及损坏，达到较高的使用寿命，降低分摊成本。
（4）离子交换精制：
将陶瓷膜过滤液利用食品级的732阳离子交H型树脂（上海树脂厂）、717阴离子交换OH型树脂（上海树脂厂）及大孔树脂（上海振华厂）对甘露低聚糖陶瓷膜过滤液进行脱盐、脱色、脱味，精制后糖液透光率≥90%，电导率≤100μS/cm。
（5）2千分子量超滤：
将离子交换精制液用截留量2000道尔顿聚醚砜聚酰胺复合膜超滤，可获得所需聚合度4—7低聚糖组分糖占总量的85%。
（6）纳滤：
经过陶瓷膜、离子交换精制、超滤膜过滤后的糖液，其固形物含量在9～18%，利用截留分子量为200道尔顿的纳滤膜对糖液进行浓缩，除去水份使浓缩糖液折光糖浓度达到28～ 38%，达到产品喷雾干燥所需浓度。
所述本步骤（6）中的优选为经过超滤后的糖液，其固形物含量在18%，利用纳滤膜对糖液进行浓缩，除去水份使浓缩糖液折光糖度达到35%，达到产品喷雾干燥所需浓度。
（7）喷雾干燥：
将纳滤后的浓缩液预热，温度控制在50～60℃，进入喷雾干燥塔进行干燥即可得到85—95%高纯度甘露低聚糖。
所述步骤（7）中的优选为将纳滤后的浓缩液预热到一定温度55℃，进入喷雾干燥塔进行干燥即可得到高纯度甘露低聚糖含量85—95%。
用陶瓷膜分离技术成功取代专利申请号201110305324中的絮凝、硅燥土过滤、0.2微滤、分子筛层析分离糖液中的大分子物质樊所操作。
本发明工业化生产的甘露低聚糖纯度高，聚合度4—7糖占总量的85%，将今后低聚糖开发医药领域新的前景。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1．国内首次将陶瓷膜分离技术用于功能性甘露低聚糖的提纯，并且成功地从天然植物胶中用简单的物理方法提取甘露低聚糖，为其它功能性低聚糖的提纯提供技术平台。
2.通过选用二氧化钛及氧化锆为过滤体的陶瓷组件，分离后得到透光率高达85%以上，电导率小于3000μS/cm的甘露低聚糖糖液，为后续工艺离子交换和超滤减负，操作简便，易清洗，产品得率高。
3.通过选用截留量200道尔顿纳滤膜，可对甘露低聚糖液用物理方法进行浓缩，除去水份使浓缩糖液折光糖浓度达到28～38%，达到产品喷雾干燥所需浓度，减少能源消耗，有利于环保节能。
4.产品中几乎不含单糖，扩大了受用人群和应用领域。
5.对魔芋及瓜尔豆胶进行深加工，大大提高了魔芋等原料的利用价值，增加山区农民的收入，创造了较高的社会效益。
6.本发明简化了甘露低聚糖的生产工艺，采用本发明生产的甘露低聚糖，纯度可达95%以上，可工业化大批量生产。
附图说明
图1为一种甘露低聚糖质谱图。
图2为一种甘露低聚糖液相色谱图。
图3为一种口服本发明产品后人肠道菌群检测结果
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明
实施例1：
一种高纯度甘露低聚糖的制备方法，包括如下步骤：
（1）酶解转化生产出甘露低聚糖混合物：使用黑曲霉发酵产出高活性中性β-甘露聚糖酶，保藏号为：CCTCC NO.M2012554，酶活性高达5000—8000μmol/ml，酶液经纯化处理存放在0或1或2或3或4或5℃备用。在5吨酶解罐中加入2吨水，利用蒸汽加热至55℃，加入4L中性β-甘露聚糖酶酶液，搅拌2或3分钟，使酶液活化，缓慢加入粘度为20000mpa.s的魔芋精粉400kg，1小时加完。保持酶解温度53或54或55或56或57℃，PH6.5，酶解时间或2或3或4小时测量甘露低聚糖混合物粘度为40mpa.s时停止酶解，得到低聚糖混合物，其中魔芋粉中葡甘聚糖生物转化率为96%。
（2）离心分离：
用卧式螺旋离心机LW250-1000型分离酶解液，采用气动隔膜泵QBY-25连续进料和分离糖清液和渣，用锥形转鼓内套装有同心的卸料螺旋，两者高速同向旋转的同时又有一定的转速差，该转速差由传动系统及差速器产生。悬浮液由进料管连续引入并均匀分布到转鼓内端锥面上，在离心力的作用下，液相物穿过滤网和转鼓壁滤孔排出转鼓，经排液口排出机外。固相物被截留在滤网内形成滤渣，滤渣在离心力的锥面分力和卸料螺旋的共同作用下，连续地向转鼓大端移动排出转鼓，经卸料槽排出机外，从而实现悬浮液的固液分离。对酶解液中的粗渣、纤维类物质及0.05mm以上细小颗粒物进行分离和排出，酶解液折光糖度18%。获得一种透光率小于5—10%，电导率3500—5500μS/cm离心糖液。
（3）陶瓷膜过滤：
离心液采用YZ-φ30-1016-37-120W，366芯6组合陶瓷膜组作为精密分离的保障过滤，去除其中的蛋白质、淀粉和多糖物质。陶瓷膜截留分子量10万道尔顿，通过量1.2吨/小时，压力0.25MPa。
离心液（折光糖度18%，透光率5—10%，电导率：5000μS/cm）经过陶瓷膜过滤后糖液纯度达到80—90%，有效地除去蛋白质、淀粉和多糖物质，其中折光糖浓度16%，透光率87%，电导率:2880μS/cm。截留糖液过滤的折光糖浓度23%。
（4）离子交换精制：
将陶瓷膜过滤液利用食品级732阳离子交H型树脂、717阴离子交换OH型树脂及大孔树脂对甘露低聚糖陶瓷膜过滤液进行脱盐、脱色、脱味，控制进料流速0.7—1.5L/h使交换液 糖液透光率92%，电导率80μS/cm。
（5）2千分子量超滤：
将离子交换精制液用截留量2000分子量聚醚砜聚酰胺复合膜超滤，超滤糖液折光糖浓度为15%的甘露低聚糖成分。可获得所需聚合度4—7低聚糖组分糖占总量的85%。
（6）纳滤：
经过超滤后的糖液，其折光糖浓度为15%，利用截留量200道尔顿纳滤膜对糖液进行浓缩，除去水份使浓缩糖液折光糖浓度达到30%，达到产品喷雾干燥所需浓度。
（7）喷雾干燥。
将纳滤后的浓缩液预热到一定温度55℃，进入喷雾干燥塔进行干燥即可得到85—95%高纯度甘露低聚糖。
实施例2：
一种高纯度甘露低聚糖的制备方法，包括如下步骤：
（1）酶解转化生产出甘露低聚糖混合物：使用黑曲霉发酵产出高活性中性β-甘露聚糖酶，保藏号为：CCTCC NO.M2012554，酶活性高达4500μmol/ml，酶液经纯化处理存放在0～5℃备用。在5吨酶解罐中加入2.5吨水，利用蒸汽加热至54℃，加入4.5L中性β-甘露聚糖酶酶液，搅拌2～3分钟，使酶液活化，缓慢加入粘度为20000mpa.s的魔芋精粉550kg，1小时加完。保持酶解温度53～56℃，PH6.5，酶解时间3.5小时测量甘露低聚糖混合物粘度为60mpa.s时停止酶解，得到低聚糖混合物，其中魔芋粉中葡甘聚糖生物转化率为95.5%。
（2）离心分离：
用卧式螺旋离心机LW250-1000型分离酶解液，采用气动隔膜泵QBY-25连续进料和分离糖清液和渣，用锥形转鼓内套装有同心的卸料螺旋，两者高速同向旋转的同时又有一定的转速差，该转速差由传动系统及差速器产生。悬浮液由进料管连续引入并均匀分布到转鼓内端锥面上，在离心力的作用下，液相物穿过滤网和转鼓壁滤孔排出转鼓，经排液口排出机外。固相物被截留在滤网内形成滤渣，滤渣在离心力的锥面分力和卸料螺旋的共同作用下，连续地向转鼓大端移动排出转鼓，经卸料槽排出机外，从而实现悬浮液的固液分离。对酶解液中的粗渣、纤维类物质及0.05mm以上细小颗粒物进行分离和排出，酶解液折光糖浓度20%。获得一种透光率小于5—10%，电导率4500μS/cm离心糖液。
（3）陶瓷膜过滤：
离心液采用366芯6组合陶瓷膜组作为精密分离的保障过滤，去除其中的蛋白质、淀粉和多糖物质。陶瓷膜截留分子量10万道尔顿，通过量1.0吨/小时，压 力0.2MPa。
离心液（折光糖浓度20%，透光率5—10%，电导率：5300μS/cm）经过陶瓷膜过滤后糖液纯度达到80—90%，有效地除去蛋白质、淀粉和多糖物质，其中折光糖浓度18%，透光率:90%，电导率:2850μS/cm。截留糖液过滤的折光糖度25。
（4）离子交换精制：
将陶瓷膜过滤液利用食品级732阳离子交H型树脂、717阴离子交换OH型树脂及大孔树脂对甘露低聚糖陶瓷膜过滤液进行脱盐、脱色、脱味，控制进料流速0.7—1.5L/h使交换液糖液透光率92%，电导率80μS/cm。
（5）2千分子量超滤：
将离子交换精制液用2000道尔顿聚醚砜聚酰胺复合膜超滤，超滤糖液折光糖浓度为17%的甘露低聚糖成分。可获得所需聚合度4—7低聚糖组分糖占总量的85%。
（6）纳滤：
经过超滤后的糖液，其折光糖浓度为17%，利用截留量200道尔顿纳滤膜对糖液进行浓缩，除去水份使浓缩糖液折光糖度达到33%，达到产品喷雾干燥所需浓度。
（7）喷雾干燥：
将纳滤后的浓缩液预热到一定温度55℃，进入喷雾干燥塔进行干燥即可得到85—95%高纯度甘露低聚糖。
其它实施步骤与实施例1相同。
实施例3：
一种高纯度甘露低聚糖的制备方法，包括如下步骤：
（1）酶解转化生产出甘露低聚糖混合物：使用黑曲霉发酵产出高活性中性β-甘露聚糖酶，保藏号为：CCTCC NO.M2012554，酶活性高达4500μmol/ml，酶液经纯化处理存放在0～5℃备用。在5吨酶解罐中加入1.5吨水，利用蒸汽加热至53℃，加入2.5L中性β-甘露聚糖酶酶液，搅拌3分钟，使酶液活化，缓慢加入粘度为5000mpa.s的瓜尔豆胶255kg，1小时加完。保持酶解温度53～57℃，PH6.0，酶解时间4.5小时测量甘露低聚糖混合物粘度为70mpa.s时停止酶解，得到低聚糖混合物，其中瓜尔豆胶半乳甘露聚糖的生物转化率为96%。
（2）离心分离：
用卧式螺旋离心机LW250-1000型分离酶解液，采用气动隔膜泵QBY-25连续进料和分离糖清液和渣，用锥形转鼓内套装有同心的卸料螺旋，两者高速同向旋转的同时又有一定的转速差，该转速差由传动系统及差速器产生。悬浮液由进料管连续引入并均匀分布到转鼓内 端锥面上，在离心力的作用下，液相物穿过滤网和转鼓壁滤孔排出转鼓，经排液口排出机外。固相物被截留在滤网内形成滤渣，滤渣在离心力的锥面分力和卸料螺旋的共同作用下，连续地向转鼓大端移动排出转鼓，经卸料槽排出机外，从而实现悬浮液的固液分离。对酶解液中的粗渣、纤维类物质及0.05mm以上细小颗粒物进行分离和排出，酶解液折光糖浓度15%。获得一种透光率小于5—10%，电导率4700μS/cm离心糖液。
（3）陶瓷膜过滤：
离心液采用366芯6组合陶瓷膜组作为精密分离的保障过滤，去除其中的蛋白质、淀粉和多糖物质。陶瓷膜截留分子量10万道尔顿，通过量1.1吨/小时，压力0.28MPa。
离心液（折光糖浓度15%，透光率8%，电导率：1750μS/cm）经过陶瓷膜过滤后糖液纯度达到80—90%，有效地除去蛋白质、淀粉和多糖物质，其中折光糖浓度13%，透光率:85%，电导率:1050μS/cm。截留糖液过滤的折光糖浓度18%。
（4）离子交换精制：
将陶瓷膜过滤液利用食品级732阳离子交H型树脂、717阴离子交换OH型树脂及大孔树脂对甘露低聚糖陶瓷膜过滤液进行脱盐、脱色、脱味，控制进料流速0.8—1.3L/h使交换液糖液透光率93%，电导率90μS/cm。
（5）2千分子量超滤：
将离子交换精制液用2000道尔顿聚醚砜聚酰胺复合膜超滤，超滤糖液折光糖浓度为12%可获得所需聚合度4—7低聚糖组分糖占总量的85%。
（6）纳滤：
经过超滤后的糖液，其糖度为12°BX，利用截留量200道尔顿纳滤膜对糖液进行浓缩，除去水份使浓缩糖液折光糖度达到30%，达到产品喷雾干燥所需浓度。
（7）喷雾干燥：
将纳滤后的浓缩液预热到一定温度58℃，进入喷雾干燥塔进行干燥即可得到85—95%高纯度半乳甘露低聚糖。
其它实施步骤与实施例1相同。
实施例4：
一种高纯度甘露低聚糖的制备方法，包括如下步骤：
（1）酶解转化生产出甘露低聚糖混合物：使用黑曲霉发酵产出高活性中性β-甘露聚糖酶，保藏号为：CCTCC NO.M2012554，酶活性高达4200μmol/ml，酶液经纯化处理存放在0～5℃ 备用。在5吨酶解罐中加入1.0吨水，利用蒸汽加热至55℃，加入1.0L中性β-甘露聚糖酶酶液，搅拌3分钟，使酶液活化，缓慢加入粘度为6000mpa.s的瓜尔豆胶150kg，1小时加完。保持酶解温度53～57℃，PH6.0，酶解时间4.5小时测量甘露低聚糖混合物粘度为70mpa.s时停止酶解，得到低聚糖混合物，其中瓜尔豆胶半乳甘露聚糖的生物转化率为95.5%。
（2）离心分离：
用卧式螺旋离心机LW250-1000型分离酶解液，采用气动隔膜泵QBY-25连续进料和分离糖清液和渣，用锥形转鼓内套装有同心的卸料螺旋，两者高速同向旋转的同时又有一定的转速差，该转速差由传动系统及差速器产生。悬浮液由进料管连续引入并均匀分布到转鼓内端锥面上，在离心力的作用下，液相物穿过滤网和转鼓壁滤孔排出转鼓，经排液口排出机外。固相物被截留在滤网内形成滤渣，滤渣在离心力的锥面分力和卸料螺旋的共同作用下，连续地向转鼓大端移动排出转鼓，经卸料槽排出机外，从而实现悬浮液的固液分离。对酶解液中的粗渣、纤维类物质及0.05mm以上细小颗粒物进行分离和排出，酶解液糖度14。获得一种透光率小于5—10%，电导率4300μS/cm离心糖液。
（3）陶瓷膜过滤：
离心液采用366芯6组合陶瓷膜组作为精密分离的保障过滤，去除其中的蛋白质、淀粉和多糖物质。陶瓷膜截留分子量10万道尔顿，通过量1.1吨/小时，压力0.28MPa。
离心液（糖度14°BX，透光率4%，电导率：1700μS/cm）经过陶瓷膜过滤后糖液纯度达到80—90%，有效地除去蛋白质、淀粉和多糖物质，其中糖度12°BX，透光率:85%，电导率:1085μS/cm。截留糖液过滤的折光糖浓度18%。
（4）离子交换精制：
将陶瓷膜过滤液利用食品级732阳离子交H型树脂、717阴离子交换OH型树脂及大孔树脂对甘露低聚糖陶瓷膜过滤液进行脱盐、脱色、脱味，控制进料流速0.8—1.3L/h使交换液糖液透光率92%，电导率85μS/cm。
（5）2千分子量超滤：
将离子交换精制液用2000道尔顿聚醚砜聚酰胺复合膜超滤，超滤糖液糖度为11%，可获得所需聚合度4—7低聚糖组分糖占总量的85%。
（6）纳滤：
经过超滤后的糖液，其糖度为11°BX，利用截留量200道尔顿纳滤膜对糖液进行浓缩，除去水份使浓缩糖液折光糖度达到31%，达到产品喷雾干燥所需浓度。
（7）喷雾干燥：
将纳滤后的浓缩液预热到一定温度56℃，进入喷雾干燥塔进行干燥即可得到85—95%高纯度半乳甘露低聚糖。
其它实施步骤与实施例1相同。