CN101875952B - 一种利用挤压膨化技术制备粗木糖液的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用挤压膨化技术生产木糖的方法，先将半纤维素直接在单螺杆或双螺杆挤出机中进行挤压膨化预处理，然后采用木聚糖降解酶对挤压膨化预处理的材料进行酶解，最后分离即可得到粗木糖液。本发明方法减少了含酸废液对环境的污染，且具有生产工艺简单、产率高的优点。

Description

一种利用挤压膨化技术制备粗木糖液的方法
技术领域
本发明涉及一种木糖液的制备方法，尤其涉及一种利用挤压膨化技术制备木糖液的方法，属于生物工程领域。
发明背景
木糖(D-xylose)是重要的化工原料，主要通过加氢制备木糖醇，同时在医药、皮革、染料等领域，木糖也有着广泛的用途；木糖在食品、饮料中可作为无热量甜味剂，适用于肥胖及糖尿病患者。近年来在国内外，木糖作为食品甜味剂颇受青睐，需求量日益增长。
木糖是利用富含多聚戊糖的农作物经化工的方法制取获得，从理论上来说，只要含有半纤维素的植物都可以用来生产木糖，这些原料包括玉米芯、甘蔗渣、棉籽壳、麦秆等。木糖可以采用酸水解法、碱水解法进行生产。由于木糖能够溶于碱，并与碱作用造成其结构的破坏，因而在木糖的实际生产中碱水解法不常采用。酸水解法能够彻底水解木聚糖，产物以木糖为主，与碱水解法相比，生产工艺相对简单、可控性好，目前工业生产木糖多采用酸水解法。但该生产工艺中，每生产1吨木糖要排放超过300吨的废水，且由于酸与糖和木质素的作用，酸解液中含有很多醛、酸、酚等生物活性抑制因子，阻碍了酸解木糖溶液的直接生物转化。
酶法生产木糖以其清洁的生产工艺和低生物活性抑制因子含量逐渐受到研究的关注，但由于植物体木质纤维晶体结构致密，造成微生物不能直接降解木聚糖原料或降解速度较慢，不能用于工业化生产，所以在酶解半纤维素原料之前，要对半纤维素原料进行预处理，破坏其木质纤维晶体结构。对半纤维素原料的预处理主要有化学法(酸法、碱法等)和物理法(高温蒸煮、蒸汽***等)。化学法预处理纤维素原料，存在与酸水解法和碱水解法生产木糖相同的问题。高温蒸煮由于加工过程中温度较高和时间较长，部分木糖被转化成乙酸或糠醛，一方面影响了木糖的产率，另一方面这些物质为生物活性抑制因子，对木糖的溶液的生物转化有抑制作用；与高温蒸煮相比，蒸汽***极大的降低了木糖向乙酸或糠醛的转化，但是由于无法实现连续化、大批量的处理原料而阻碍了该技术应用于工业生产。挤压膨化技术是橡胶工业和食品工业中常采用的处理加工技术，通过挤压和加热等方法给物料高温、高压的作用，在挤压腔体的末端，熔融的物料在高压的作用下通过模孔而挤出时，由于压力的突然下降，水蒸汽迅速膨胀和散失，物料的结构会发生剧烈膨大作用，最终形成多孔疏松结构，该技术具有生产能力大、连续化等特点。现有挤压膨化技术主要应用于橡胶、食品、饲料等方面。
将挤压膨化技术和酶法结合生产木糖至今国内外均未见报道。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的污染环境、生产过程复杂、产品得率低、生物活性抑制因子高等问题，而提供一种新的生产粗木糖溶液的方法。
为实现上述目的，本发明采用的工艺流程参见图1，先将半纤维素进行挤压膨化预处理，然后进行酶解，最后分离即可得到粗木糖液。
一种利用挤压膨化技术生产木糖的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)挤压膨化预处理原料。将半纤维素原材料直接放入单螺杆或双螺杆挤出机中，在螺杆转速为100-300转/分钟条件下进行粉碎、挤压、膨化处理，采用蒸汽或电加热，加热温度为100-300℃，处理时间为5-10分钟，在出料口瞬间减压将料释放，获得挤压膨化预处理的半纤维素原料。
(2)酶解预处理原料。将挤压膨化预处理的半纤维素原料按照15ml/g加入木聚糖降解酶水溶液，木聚糖降解酶水溶液的酶活性为100U/ml，酶解pH值为5.0-5.9；酶解时间为10-100小时；酶解温度为为50-60℃。
(3)离心或过滤分离原料。将步骤(2)的混合液离心或过滤，所得清溶液即为粗木糖溶液。
利用液相色谱测定粗木糖溶液中的木糖浓度，该粗木糖可用于制备木糖，也可直接用于木糖的生物催化转化。
本发明方法中，半纤维素原材料可以是玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣、玉米秆、麦秆等含有木聚糖半纤维素的农作物，同时也包括其他半纤维素成份包含木聚糖的植物原料，且木聚糖组分含量越多越好。
本发明方法中，木聚糖降解酶为混合酶，其中包括木聚糖酶、木糖苷酶、纤维素酶。
本发明方法步骤(1)中处理时间的长短与造压段和粉碎段的长度和体积有关，造压段和粉碎段越长，体积越大，所需时间越长。
本发明方法中，挤压技术是指将半纤维素原料放入单螺杆或双螺杆挤出机中，半纤维素原料经过螺杆挤压、造压和高温蒸汽增湿、加热以及挤出机出口部位瞬间压力释放的处理，半纤维素晶体结构被大幅度改变，其中木质纤维素晶体结构被破坏形成无定型晶体结构，同时部分木聚糖在处理过程中部分降解成可溶性低聚木糖，从而使半纤维素能够与酶直接接触，易于降解。
目前国内外现有木糖生产技术存在污染环境、生产过程复杂等缺点。本发明将挤压膨化技术和酶水解技术相结合克服了上述缺点。利用酶水解的方法代替酸水解的方法，减少了含酸废液对环境的污染。生产工艺简单：采用挤压机直接对半纤维素原材料进行粉碎，省去了粉碎原料的过程；采用酶水解法代替酸水解法，省去了后续中和除酸的过程。
说明书附图
图1为利用挤压膨化技术制备粗木糖液的工艺流程
具体实施方式
实例1：
在粉碎段和造压长度为2.3米的单螺杆挤出机中放入玉米芯，在螺杆转速为100转/分钟条件下进行粉碎、挤压、膨化处理，蒸汽加热保持温度为100℃，处理时间5分钟，在出料口瞬间减压获得挤压膨化预处理的半纤维素原料；预处理后的半纤维素原料按照15ml/g的比例加入木聚糖降解酶(其中包括木聚糖酶、木糖苷酶、纤维素酶)水溶液，其木聚糖降解酶活性为100U/ml，在pH值5.0，温度50℃的条件下酶解10小时，将所得酶解液离心过滤，得到粗木糖液，然后在高压液相色谱上检测木糖含量，木糖得率达到25％。
实例2：
在粉碎段和造压长度为2.3米的单螺杆挤出机中放入玉米芯，在螺杆转速为200转/分钟条件下进行粉碎、挤压、膨化处理，蒸汽加热保持温度为170℃，处理时间5分钟，在出料口瞬间减压获得挤压膨化预处理的半纤维素原料。预处理后的半纤维素原料按照15ml/g的比例加入1％半纤维素降解酶液(其中包括木聚糖酶、木糖苷酶、纤维素酶)，其木聚糖降解酶活性为100U/ml，在pH值5.5，温度55℃的条件下酶解30小时，将所得酶解液离心过滤，得到粗木糖液，然后在高压液相色谱上检测木糖含量，木糖得率达到70％。
实例3：
在粉碎段和造压长度为2.3米的单螺杆挤出机中放入玉米芯，在螺杆转速为300转/分钟条件下进行粉碎、挤压、膨化处理，蒸汽加热保持温度为200℃，处理时间5分钟，在出料口瞬间减压获得挤压膨化预处理的半纤维素原料。预处理后的半纤维素原料按照15ml/g的比例加入木聚糖降解酶(其中包括木聚糖酶、木糖苷酶、纤维素酶)水溶液，其木聚糖降解酶活性为100U/ml，在pH值5.9，温度60℃的条件下酶解100小时，将所得酶解液过滤，得到粗木糖液，然后在高压液相色谱上检测木糖含量，木糖得率达到65％。

Claims (2)

1.一种利用挤压膨化技术生产木糖的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在粉碎段和造压长度为2.3米的单螺杆挤出机中放入玉米芯，在螺杆转速为200转/分钟条件下进行粉碎、挤压、膨化处理，蒸汽加热保持温度为170℃，处理时间5分钟，在出料口瞬间减压获得挤压膨化预处理的半纤维素原料；预处理后的半纤维素原料按照15ml/g的比例加入1％木聚糖降解酶液，其中木聚糖降解酶包括木聚糖酶、木糖苷酶、纤维素酶，其木聚糖降解酶活性为100U/ml，在pH值5.5，温度55℃的条件下酶解30小时，将所得酶解液离心过滤，得到粗木糖液，然后在高压液相色谱上检测木糖含量，木糖得率达到70％。
2.一种利用挤压膨化技术生产木糖的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在粉碎段和造压长度为2.3米的单螺杆挤出机中放入玉米芯，在螺杆转速为300转/分钟条件下进行粉碎、挤压、膨化处理，蒸汽加热保持温度为200℃，处理时间5分钟，在出料口瞬间减压获得挤压膨化预处理的半纤维素原料；预处理后的半纤维素原料按照15ml/g的比例加入木聚糖降解酶水溶液，其中木聚糖降解酶包括木聚糖酶、木糖苷酶、纤维素酶，其木聚糖降解酶活性为100U/ml，在pH值5.9，温度60℃的条件下酶解100小时，将所得酶解液过滤，得到粗木糖液，然后在高压液相色谱上检测木糖含量，木糖得率达到65％。
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