CN104928331A - 一种综合利用小麦秸秆制备功能性低聚木糖的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从小麦秸秆中提取低聚木糖的方法。本发明以农副产品小麦秸秆为原料，利用微生物发酵和生物酶解技术制备具有促双歧杆菌增殖、防止便秘、降低胆固醇、保护肝脏等功效的低聚木糖，所得低聚木糖产品品质达到低聚木糖行业标准要求，实现了秸秆的高效利用，提高了秸秆的利用价值，具有较好的推广前景。本发明优势在于：一是通过复合微生物固体发酵和超声波辅助酶解相结合的制备工艺，提升了低聚木糖的得率；二是通过超声波辅助酶解去蛋白、淀粉及植酸酶、甘露聚糖酶的酶解，显著提升了低聚木糖产品的纯度；三是多菌混合发酵，提高了发酵酶解木聚糖的能力；四是生产工艺简单，能耗低、无环境污染、投资小、易于规模化生产。

Description

一种综合利用小麦秸秆制备功能性低聚木糖的工艺

技术领域

本发明涉及一种综合利用小麦秸秆制备功能性低聚木糖的工艺，属于农副产品综合利用技术领域。

背景技术

      随着社会的发展及人民物质生活水平的不断提高，人们对健康的关注程度也随之有了较大提升，功能性食品的出现掀起了一股新的研究开发热潮。其中，功能性低聚糖作为一种功能性食品基料，具有促进双歧杆菌增殖、调节肠道菌群、抑制内毒素、保护肝脏功能、调节肠胃道功能、防治便秘和腹泻、激活免疫、抗衰老、抗肿瘤、降低血清胆固醇、降血压、低能量或无能量、不会引起龋齿等独特的生理功能而被全世界广泛关注。低聚木糖作为一种附加值较高的功能性低聚糖，其选择利用性及对双歧杆菌的增殖作用均优于其他功能性低聚糖。对于低聚木糖的研究开发，至今日本已有20余年的历史，目前已基本实现工业化，欧洲各国对其开发也竞相升温。我国对低聚木糖的开发研究始于上世纪九十年代，目前用于低聚木糖制备的原材料主要集中于玉米芯。

小麦秸秆是成熟小麦茎、叶、穗部分总和，是小麦成熟获取籽实后剩余部分，约占作物质量50%。我国每年产生小麦秸秆近1.1亿吨，除少数被作为牲畜饲料、农家肥和农村燃料外，大部分被堆放或直接焚烧后还田，有效工业利用所占比例极低，浪费宝贵资源，且对环境也造成极大污染。现代谷物科学研究已发现，小麦秸秆含有多种具有抗肿瘤、抗氧化重要生理活性物质，如膳食纤维、***木聚糖、对–香豆酸和阿魏酸；其中，近年来对低聚木糖的研究已引起国内外普遍的关注。目前利用秸秆制备低聚木糖主要有NaOH浸提法、酸法干蒸与碱液浸提结合法、KOH浸提法、H₂O₂与碱液浸提结合法、生物酶解法等，但存在工艺复杂、环境污染严重、木聚糖得率低、木聚糖酶活性低等弊端，因此简化传统酶法制备低聚木糖的工艺，为低聚木糖的制备提供新途径，还能对农副产品小麦秸秆加以综合利用，延长农副产品加工链条，使秸秆变废为宝，具有十分重要的社会意义和经济价值。

发明内容

本发明针上述问题，利用微生物发酵和生物酶解技术，提供一种综合利用小麦秸秆制备功能性低聚木糖的工艺。

本发明上述目的是通过以下技术方案予以实现的：

本发明提供一种综合利用小麦秸秆制备功能性低聚木糖的工艺，其特征在于具体包括以下步骤：

（1）粉碎：选取无霉变的秸秆，粉碎过100目筛；

（2）蒸煮：在150℃条件下蒸煮0.5～1h，冷却后调整秸秆与水质量比为1:8～10；

（3））超声波辅助酶解去淀粉：调整小麦秸秆悬浮液的pH至5.5～7.5，按小麦秸秆质量比3～5%的比例加入α～淀粉酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度70～80℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，利用碘液检查至淀粉完全水解为止；酶解结束后过滤，滤液为淀粉水解液，向小麦秸秆残渣中加入3～5倍质量比的蒸馏水，得悬浮液，备用；

（4）超声波辅助酶解去蛋白：调整悬浮液的pH至8.0～9.0，按小麦秸秆质量比2～3%的比例加入碱性蛋白酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度50～60℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，酶解时间为60～90min；酶解结束后灭酶，过滤，滤液为蛋白水解液，向滤渣中加入3～5倍质量比的蒸馏水冲洗2～3次，过滤得小麦秸秆残渣；

（5）生物发酵剂制备：取8～10份沸石、3～5份磷酸二氢钙、6～8份葡萄糖、10～15份米糠、10～15份玉米粉、3～5份菜籽饼、10～15份小麦秸秆、2～3份里氏木霉、1～2份黑曲霉、1～2份酵母菌，混合搅拌均匀；然后用含有2%糖蜜的水溶液将水分调整为35～40%，25℃～30℃下厌氧发酵3～5d；

（6）混料：按质量比小麦秸秆残渣100份、生物发酵剂3～5份、纤维素酶2～3份、木聚糖酶2～3份比例混合均匀，调整水分至35～40%；

（7）厌氧发酵：将混合后的混合物控温厌氧发酵2～3d，温度28～32℃，定期搅拌；发酵结束后加入培养基3～5倍质量比的纯净水；

（8）超声波二次辅助酶解：向发酵水洗液中加入秸秆质量比1～2%木聚糖酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度50～60℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，酶解时间为30～60min；

（9）离心：离心得上清液和固体残渣；固体残渣中加入1～2倍纯净水，搅拌后离心，合并上清液；

（10）酶处理：将上清液调节pH5.0～5.5，加入0.2～0.5%植酸酶、0.3～0.6%甘露聚糖酶，在40～50℃条件下酶解30～60min，酶解结束后灭酶；

（11）醇析：向溶液中逐步加入等体积比的95%乙醇进行沉淀；

（12）烘干粉碎：将获得的沉淀烘干粉碎后即得小麦秸秆木聚糖产品。

本发明提供一种综合利用小麦秸秆制备功能性低聚木糖的工艺，其优势在于：（1）通过复合微生物固体发酵和超声波辅助酶解相结合的制备工艺，提升了低聚木糖的得率，每100g秸秆低聚木糖产量达到41.5g，表明一部分纤维素通过微生物发酵和纤维素酶的降解生成低聚木糖，与单一生物酶解法相比较提升45.88%，分析低聚木糖的组成主要为木二糖、木三糖、木四糖；（2）通过超声波辅助酶解去蛋白、淀粉及植酸酶、甘露聚糖酶的酶解，显著提升了低聚木糖产品的纯度，达到97.4%；（3）黑曲霉和里氏木霉是目前已知降解纤维作用最显著的菌株，霉菌与酵母菌混合培养的互惠共生关系使微生物繁殖及产酶能力有较大提高，酵母菌不仅可以起去阻遏作用，而且对真菌的生长有正效，分析原因里氏木霉、黑曲霉等霉菌同化淀粉和纤维素的能力强，可将秸秆的结构性碳水化合物降解为酵母可利用的单糖、双糖等单糖类物质，使酵母得以良好的生长；此外，在多菌混合发酵中，酶促作用生成的糖立即被发酵糖的微生物所利用，这样就维持了降解物的浓度，消除了酶合成作用受到的降解物的阻遏作用，也解除了反应终产物对酶的反馈抑制，缩短了发酵过程；（4）采用固态发酵，生产工艺简单，能耗低、无环境污染、投资小、易于规模化生产。

本发明提供一种综合利用小麦秸秆制备功能性低聚木糖的工艺，所得低聚木糖产品品质达到低聚木糖行业标准要求，同时，本发明以小麦加工副产物秸秆作为低聚木糖产品的提取原料，实现了秸秆的高效利用，提高了秸秆的利用价值，具有较好的推广前景。

具体实施方式

实施例1：

一种综合利用小麦秸秆制备功能性低聚木糖的工艺，具体制备步骤如下：

（1）粉碎：选取无霉变的秸秆，粉碎过100目筛；

（2）蒸煮：在150℃条件下蒸煮0.5h，冷却后调整秸秆与水质量比为1:10；

（3））超声波辅助酶解去淀粉：调整小麦秸秆悬浮液的pH至5.5～7.5，按小麦秸秆质量比3%的比例加入α～淀粉酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度70～80℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，利用碘液检查至淀粉完全水解为止；酶解结束后过滤，滤液为淀粉水解液，向小麦秸秆残渣中加入5倍质量比的蒸馏水，得悬浮液，备用；

（4）超声波辅助酶解去蛋白：调整悬浮液的pH至8.0～9.0，按小麦秸秆质量比2%的比例加入碱性蛋白酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度50～60℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，酶解时间为90min；酶解结束后灭酶，过滤，滤液为蛋白水解液，向滤渣中加入3倍质量比的蒸馏水冲洗3次，过滤得小麦秸秆残渣；

（5）生物发酵剂制备：取8份沸石、5份磷酸二氢钙、6份葡萄糖、15份米糠、10份玉米粉、5份菜籽饼、10份小麦秸秆、2份里氏木霉、1份黑曲霉、1份酵母菌，混合搅拌均匀；然后用含有2%糖蜜的水溶液将水分调整为35～40%，25℃～30℃下厌氧发酵5d；

（6）混料：按质量比小麦秸秆残渣100份、生物发酵剂3份、纤维素酶2.5份、木聚糖酶2份比例混合均匀，调整水分至35～40%；

（7）厌氧发酵：将混合后的混合物控温厌氧发酵3d，温度28～32℃，定期搅拌；发酵结束后加入培养基5倍质量比的纯净水；

（8）超声波二次辅助酶解：向发酵水洗液中加入秸秆质量比1%木聚糖酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度50～60℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，酶解时间为60min；

（9）离心：离心得上清液和固体残渣；固体残渣中加入1倍纯净水，搅拌后离心，合并上清液；

（10）酶处理：将上清液调节pH5.0～5.5，加入0.2%植酸酶、0.3%甘露聚糖酶，在40～50℃条件下酶解60min，酶解结束后灭酶；

（11）醇析：向溶液中逐步加入等体积比的95%乙醇进行沉淀；

（12）烘干粉碎：将获得的沉淀烘干粉碎后即得小麦秸秆木聚糖产品。

实施例2：

一种综合利用小麦秸秆制备功能性低聚木糖的工艺，具体制备步骤如下：

（1）粉碎：选取无霉变的秸秆，粉碎过100目筛；

（2）蒸煮：在150℃条件下蒸煮0.8h，冷却后调整秸秆与水质量比为1:9；

（3））超声波辅助酶解去淀粉：调整小麦秸秆悬浮液的pH至5.5～7.5，按小麦秸秆质量比4%的比例加入α～淀粉酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度70～80℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，利用碘液检查至淀粉完全水解为止；酶解结束后过滤，滤液为淀粉水解液，向小麦秸秆残渣中加入4倍质量比的蒸馏水，得悬浮液，备用；

（4）超声波辅助酶解去蛋白：调整悬浮液的pH至8.0～9.0，按小麦秸秆质量比2.5%的比例加入碱性蛋白酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度50～60℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，酶解时间为75min；酶解结束后灭酶，过滤，滤液为蛋白水解液，向滤渣中加入4倍质量比的蒸馏水冲洗2次，过滤得小麦秸秆残渣；

（5）生物发酵剂制备：取9份沸石、4份磷酸二氢钙、7份葡萄糖、13份米糠、12份玉米粉、4份菜籽饼、12份小麦秸秆、2.5份里氏木霉、1.5份黑曲霉、1.5份酵母菌，混合搅拌均匀；然后用含有2%糖蜜的水溶液将水分调整为35～40%，25℃～30℃下厌氧发酵4d；

（6）混料：按质量比小麦秸秆残渣100份、生物发酵剂4份、纤维素酶2份、木聚糖酶2.5份比例混合均匀，调整水分至35～40%；

（7）厌氧发酵：将混合后的混合物控温厌氧发酵2.5d，温度28～32℃，定期搅拌；发酵结束后加入培养基4倍质量比的纯净水；

（8）超声波二次辅助酶解：向发酵水洗液中加入秸秆质量比1.5%木聚糖酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度50～60℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，酶解时间为45min；

（9）离心：离心得上清液和固体残渣；固体残渣中加入1.5倍纯净水，搅拌后离心，合并上清液；

（10）酶处理：将上清液调节pH5.0～5.5，加入0.4%植酸酶、0.5%甘露聚糖酶，在40～50℃条件下酶解45min，酶解结束后灭酶；

（11）醇析：向溶液中逐步加入等体积比的95%乙醇进行沉淀；

（12）烘干粉碎：将获得的沉淀烘干粉碎后即得小麦秸秆木聚糖产品。

实施例3：

一种综合利用小麦秸秆制备功能性低聚木糖的工艺，具体制备步骤如下：

（1）粉碎：选取无霉变的秸秆，粉碎过100目筛；

（2）蒸煮：在150℃条件下蒸煮1h，冷却后调整秸秆与水质量比为1:8；

（3））超声波辅助酶解去淀粉：调整小麦秸秆悬浮液的pH至5.5～7.5，按小麦秸秆质量比5%的比例加入α～淀粉酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度70～80℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，利用碘液检查至淀粉完全水解为止；酶解结束后过滤，滤液为淀粉水解液，向小麦秸秆残渣中加入3倍质量比的蒸馏水，得悬浮液，备用；

（4）超声波辅助酶解去蛋白：调整悬浮液的pH至8.0～9.0，按小麦秸秆质量比3%的比例加入碱性蛋白酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度50～60℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，酶解时间为60min；酶解结束后灭酶，过滤，滤液为蛋白水解液，向滤渣中加入5倍质量比的蒸馏水冲洗2次，过滤得小麦秸秆残渣；

（5）生物发酵剂制备：取10份沸石、3份磷酸二氢钙、8份葡萄糖、10份米糠、15份玉米粉、3份菜籽饼、15份小麦秸秆、3份里氏木霉、2份黑曲霉、2份酵母菌，混合搅拌均匀；然后用含有2%糖蜜的水溶液将水分调整为35～40%，25℃～30℃下厌氧发酵3d；

（6）混料：按质量比小麦秸秆残渣100份、生物发酵剂5份、纤维素酶3份、木聚糖酶3份比例混合均匀，调整水分至35～40%；

（7）厌氧发酵：将混合后的混合物控温厌氧发酵2d，温度28～32℃，定期搅拌；发酵结束后加入培养基5倍质量比的纯净水；

（8）超声波二次辅助酶解：向发酵水洗液中加入秸秆质量比2%木聚糖酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度50～60℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，酶解时间为30min；

（9）离心：离心得上清液和固体残渣；固体残渣中加入2倍纯净水，搅拌后离心，合并上清液；

（10）酶处理：将上清液调节pH5.0～5.5，加入0.5%植酸酶、0.6%甘露聚糖酶，在40～50℃条件下酶解30min，酶解结束后灭酶；

（11）醇析：向溶液中逐步加入等体积比的95%乙醇进行沉淀；

（12）烘干粉碎：将获得的沉淀烘干粉碎后即得小麦秸秆木聚糖产品。

本发明提供一种综合利用小麦秸秆制备功能性低聚木糖的工艺，通过动物试验研究低聚木糖的功能性，重点研究了低聚木糖在防止便秘、降低胆固醇、保护肝脏等方面的功效，结果表明：（1）便秘小鼠模型试验表明制得的低聚木糖具有润肠通便功能，经口给予小鼠不同剂量的低聚木糖后，各剂量组均能明显增加小鼠的小肠推进运动，缩短便秘小鼠的首次排便时间，增加便秘小鼠的排便粒数和排便重量，而且在试验过程中各剂量组均未见腹泻现象，说明小鼠给予剂量合理，粪便的形态均为黑褐色颗粒状，与对照组小鼠粪便相比粪便稍软，表面湿润，粪便湿润程度适中，感官正常；（2）通过给小鼠喂食高脂饲料，建立高脂血症小鼠模型，以进行试验研究。试验结果表明，空白对照组与模型对照组血脂水平在统计学上的差异可以确定造模成功。试验组与模型对照组相比能极显著降低TC、TG、LDL-c、水平(P<0.01)；（3）通过对高脂血症小鼠血糖值的测定，由空白对照组与模型对照组比较，说明小鼠血糖模型成立，试验结果表明，低聚木糖对小鼠有降血糖功能。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对被发明进行了详细的说明，但对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而对这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种从小麦麸皮中提取低聚木糖的方法，其特征在于具体包括以下步骤：

（1）粉碎：选取无霉变的麸皮，粉碎过100目筛；

（2）蒸煮：在150℃条件下蒸煮0.5～1h，冷却后调整麸皮与水质量比为1:8～10；

（3））超声波辅助酶解去淀粉：调整小麦麸皮悬浮液的pH至5.5～7.5，按小麦麸皮质量比3～5%的比例加入α～淀粉酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度70～80℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，利用碘液检查至淀粉完全水解为止；酶解结束后过滤，滤液为淀粉水解液，向小麦麸皮残渣中加入3～5倍质量比的蒸馏水，得悬浮液，备用；

（4）超声波辅助酶解去蛋白：调整悬浮液的pH至8.0～9.0，按小麦麸皮质量比2～3%的比例加入碱性蛋白酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度50～60℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，酶解时间为60～90min；酶解结束后灭酶，过滤，滤液为蛋白水解液，向滤渣中加入3～5倍质量比的蒸馏水冲洗2～3次，过滤得小麦麸皮残渣；

（5）生物发酵剂制备：取8～10份沸石、3～5份磷酸二氢钙、6～8份葡萄糖、10～15份米糠、10～15份玉米粉、3～5份菜籽饼、10～15份小麦麸皮、2～3份里氏木霉、1～2份黑曲霉、1～2份酵母菌，混合搅拌均匀；然后用含有2%糖蜜的水溶液将水分调整为35～40%，25℃～30℃下厌氧发酵3～5d；

（6）混料：按质量比小麦麸皮残渣100份、生物发酵剂3～5份、纤维素酶2～3份、木聚糖酶2～3份比例混合均匀，调整水分至35～40%；

（7）厌氧发酵：将混合后的混合物控温厌氧发酵2～3d，温度28～32℃，定期搅拌；发酵结束后加入培养基3～5倍质量比的纯净水；

（8）超声波二次辅助酶解：向发酵水洗液中加入麸皮质量比1～2%木聚糖酶，在超声波辅助作用下酶解，酶解温度50～60℃，超声功率300W，期间采用搅拌机匀速搅拌，酶解时间为30～60min；

（9）离心：离心得上清液和固体残渣；固体残渣中加入1～2倍纯净水，搅拌后离心，合并上清液；

（10）酶处理：将上清液调节pH5.0～5.5，加入0.2～0.5%植酸酶、0.3～0.6%甘露聚糖酶，在40～50℃条件下酶解30～60min，酶解结束后灭酶；

（11）醇析：向溶液中逐步加入等体积比的95%乙醇进行沉淀；

（12）烘干粉碎：将获得的沉淀烘干粉碎后即得小麦麸皮木聚糖产品。