專利名稱：凈化木聚糖的制備方法
技術領域：
本發明涉及木聚糖制備領域，具體涉及一種凈化木聚糖的制備方法。
背景技術：
木聚糖廣泛存在于自然界，占秸稈干重的20-30％，是一類取之不盡但亟待開發利用的碳水化合物。早年人們對于木聚糖的興趣在于它是可再生資源，可以代替糧食用作發酵原料或動物飼料。隨著科學的發展，人們的保健意識不斷加強，對保健產品的需求不斷提高；當今人們的更大興趣在于從木聚糖制備具有保健功能的產品如低聚木糖、木糖或木糖醇等等。由木聚糖降解產生的低聚木糖(2-7個木糖短鏈)是很好的功能性低聚糖，與其它低聚糖相比，低聚木糖具有更好的穩定性，能夠專一性地促進雙歧桿菌增殖，因此，它是最有效的雙歧因子，每人每天只需攝取0.7克就能達到整腸作用(一般活性低聚糖日用量為2-10克)。由木聚糖水解產生的木糖能夠被氫化還原成木糖醇，木糖醇的甜度和熱容量與蔗糖相似，但是具有代謝不受胰島素控制、不能被口腔細菌利用、有抗酮作用等特點。因此，木聚糖的降解產物，包括低聚木糖、木糖、木糖醇等在醫藥、食品等，工業上有很大的需求。
在植物的自然結構中，木聚糖是和木質素、纖維素緊密地結合在一起的，雖然木聚糖具有能溶解于堿水的特性，但是要將木聚糖從其它非戊糖類成分中提純出來還有一定的難度；在需要考慮生產成本、藥用和食用產品的純度，以及生產過程中的廢棄物處理等問題時，戊糖類產品的分離與提純技術顯得尤其復雜。因為在木聚糖和木質素之間有化學鍵相交聯，要獲得純化的木聚糖非常困難。但是，帶有少量木質素的木聚糖經過粗提取以后，可以被進一步凈化以除去與其混雜的其它物質。
常用的木聚糖的粗提取方法是用堿溶液浸泡并加熱將木聚糖從植物纖維原料中抽提出來；離心并調節pH值后向堿抽提液中加入乙醇使木聚糖等從原料抽提液中沉淀出來，再離心或過濾分離出粗提木聚糖。
現有的木聚糖的精制方法是將粗提木聚糖溶解于水，再加3倍體積的乙醇使木聚糖沉淀并分離出木聚糖；重復數次以去除與木聚糖等大分子相隨的可溶性小分子雜質。這種木聚糖精制方法中溶劑用量大，產生的污水多，因此有成本高、排污難的問題；有的精制工藝中還需要加入過氧化氫或次氯酸鹽等氧化劑使制品顏色變淡，這不僅增加工序和成本，而且會產生含氧化劑的廢水。
另外，用現有的方法制備的木聚糖粗制品和精制品在結構上都呈粘結的團塊狀，難于干燥，也難于溶解。因此，在干燥過程中經過較長時間的氧化后，產品顏色很深。
發明內容
為了克服現有木聚糖制備方法中成本高、產生污水的不足，本發明提供了一種低成本、無污染的木聚糖提取、精制方法，在此基礎上，本發明還公開進一步改善產品品質的方法。
本發明解決技術問題的技術方案如下步驟A用堿溶液抽提出原料中的堿溶性物質；步驟B向堿抽提溶液中加入乙醇，混勻后用酸調節溶液pH；離心或過濾收集沉淀物即為粗提木聚糖；步驟C用乙醇洗滌粗提木聚糖至少一次，得到的沉淀物即為凈化的木聚糖。
在上述技術方案的步驟B中，先加入乙醇后調節pH值，能保證木聚糖絮凝均勻、細致，可以提高木聚糖產量、減少儀器腐蝕、減少色素，改善產品的色澤，既有利于提高后續的凈化效果又能夠改善產品的結構質地；若是在加入乙醇前調節pH易引起一些堿抽提溶液凝結，再加入乙醇時木聚糖顆粒大小不均一，難以凈化。
本發明方法步驟B中加入乙醇的量，可視乙醇的濃度和生產成本而定，乙醇濃度較低時，適當增加乙醇用量，可提高沉淀效果，本發明推薦乙醇用量為堿抽提溶液的1-5倍體積，乙醇濃度高于90％時優選3倍體積。
本發明步驟B中所述的pH值推薦4-7，優選6.0。
本發明步驟B中所述的酸推薦使用磷酸或硫酸。經過中和以后，不使用氧化劑也可得到色澤好的產品，而最終產生的廢棄物可作硫、磷、鉀肥。
本發明方法中所述的乙醇推薦使用濃度等于或高于75％的乙醇，優選90％以上的乙醇，最好是95％的乙醇。
本發明方法步驟C用乙醇洗滌粗提木聚糖至少一次，得到的沉淀物即為凈化的木聚糖。其中所述的用乙醇洗滌粗提木聚糖是指，向所獲得的粗提木聚糖中加入乙醇，將沉淀物打碎后低速攪拌使充分平衡，離心或過濾收集沉淀物，去除可溶性小分子物質；隨洗滌次數增加可提高產品的純凈度，但工序也相應增加，本發明推薦2-5次，最好是使用濃度高于90％的乙醇洗滌3次。
本發明方法步驟C木聚糖的凈化過程中用于充分洗滌、溶解附著在木聚糖上的可溶性小分子的乙醇，可以再次利用，被直接加入堿抽提溶液，用以沉淀粗提木聚糖。
本發明方法中堿溶性物質的抽提，采用現有工藝即可，但推薦以下具體操作每千克原料中加入3-10升1％-5％的KOH或NaOH水溶液，浸泡2小時至2天，蒸煮15-30分鐘，榨出溶液；向殘渣中再加入少量KOH或NaOH水溶液，再次蒸煮15-30分鐘，榨出溶液。合并兩部分榨出液，離心或過濾除去沉淀物即為堿抽提溶液。為了減少后續工藝中乙醇的用量，堿抽提溶液可以經濃縮，最好是加溫和減壓濃縮至原體積的1/2-1/5。
本發明方法中所述的原料，推薦選用富含植物纖維的秸稈類草料、玉米芯或甘蔗渣。在用堿溶液抽提前，對上述原料進行預處理，可提高抽提效果，具體是將秸稈類草料去塵除雜并曬干后磨成碎絲，或將玉米芯磨成碎片，甘蔗渣可直接用作原料進行下一步的堿水抽提，也可用現有傳統工藝方式對原料進行粉碎、過篩等處理。
本發明中所述的溶液濃度，若無特殊說明，均指重量比。
應用本發明方法制備木聚糖的工藝流程(圖1)的總體特征是充分利用了木聚糖的溶解特性以及大分子與小分子物質在溶解度方面的差別，以最少的化學試劑和最少的加工步驟獲得最接近自然的產品。在試劑種類、溶劑濃度、反應體積等方面結合效益和環保要求實現低消耗無污染。
在本發明推薦的木聚糖的粗提過程中，向堿抽提溶液中加入乙醇后用磷酸或硫酸調節pH值。其有益效果是(1)用磷酸調節pH值，所得到的木聚糖用于制備酶解反應時不需要加緩沖液，產生的上清液經蒸餾回收乙醇后的剩余物為中性偏酸的磷酸鉀或磷酸鈉溶液，可作農田肥料使用；(2)用硫酸調節pH值，所得到的木聚糖顏色淺黃，也就是說與磷酸、鹽酸、醋酸等相比，硫酸具有明顯的增白效果；與KOH配合使用，廢棄物可作鉀肥。
在本發明推薦的木聚糖的凈化過程中，用高濃度乙醇充分洗滌被沉淀的木聚糖，其有益效果是(1)乙醇是兩性溶劑，能夠充分溶解附著在木聚糖上的可溶性小分子，包括水溶性和脂溶性的小分子雜質；(2)用高濃度乙醇充分洗滌，使被絮凝的木聚糖得到進一步脫水，產品結構疏松，易于干燥，顏色淺淡。
(3)高濃度乙醇用于凈化木聚糖后可以被直接加入堿抽提溶液，用以沉淀粗提木聚糖，因此，木聚糖的凈化過程基本上不消耗試劑或溶劑。
(4)全過程可操作性強，效率高，適合于從農業廢棄物中大量制備木聚糖，為低聚木糖、木糖、木糖醇的生產提供原料。
圖1是制備木聚糖的工藝流程示意圖；圖2是凈化木聚糖的HPLC分析圖譜；圖3是木聚糖酶水解液的HPLC分析圖譜；圖4是低聚木糖的HPLC分析圖譜。
具體實施例方式
以下結合附圖進一步說明本發明方法實施例1(1)將無霉變稻草抖去灰塵并曬干后磨成1-20mm長的碎草絲；(2)稱取草絲10kg，加入2.5％的KOH溶液50l，浸泡4個小時以后蒸煮15-30分鐘，擠出溶液；向草渣中再加入201 2.5％的KOH溶液，再次蒸煮15-30分鐘，擠出溶液。合并兩部分擠出液，在離心力8000g離心30min獲得上清液約50l；(3)加入95％的乙醇150L，混勻后用磷酸調節pH值至6.0，于8000g離心15min，收集被沉淀的粗提木聚糖；(4)向粗提木聚糖沉淀塊中加入95％的乙醇50l，打碎后低速攪拌2小時使其充分平衡，于8000g離心15min收集沉淀物；再加乙醇重復前述過程2次，獲得產品，取產品樣本經HPLC分析如圖2所示，其中HPLC分析柱Sugarpak 1；6.5mm×300mm糖柱分析，色譜條件柱溫85℃；流動相水；流速0.5mL/min；示差折光檢測器靈敏度4，外標法標定，進樣量為10μL。標準樣品購于Sigma公司，根據標樣，峰14.0為木糖。
實施例2與實施例1基本相同，不同之處在于用10kg碎麥草，30L1％的NaOH溶液、80％的乙醇50L粗提木聚糖；實施例3與實施例1基本相同，不同之處在于用10kg甘蔗渣作原料、100L5％的KOH溶液提取堿溶性物質，得堿抽提液80L，再濃縮至40L；然后加入85％的乙醇200L粗提木聚糖。
實施例4與實施例1基本相同，不同之處在于用硫酸調節pH值至4。
實施例5與實施例1基本相同，不同之處在于用乙酸將pH值調至7。
實施例6與實施例1基本相同，不同之處在于用70％的乙醇30l凈化粗提木聚糖，重復4次。
實施例7與實施例1基本相同，不同之處在于75％的乙醇20l凈化粗提木聚糖，重復6次。
實施例8與實施例1基本相同，不同之處在于90％的乙醇40l凈化粗提木聚糖3次。
實施例9與實施例1基本相同，不同之處在于其中的(1)、(2)制取堿提取液的步驟用現有工藝替代。
實施例10用實施例1得到的產品為原料，參照中國專利200410064667.4的方法制備低聚木糖，用HPLC分析木聚糖酶水解液和除去未分解成分得到的低聚木糖，結果分別如圖3、圖4所示，HPLC分析條件同實施例1。表明本發明制得的產品精度高，品質好。
權利要求
1.一種制備凈化木聚糖的方法，其步驟依次如下步驟A用堿溶液抽提出木質纖維原料中的堿溶性物質；步驟B向堿抽提溶液中加入乙醇，混勻后用酸調節溶液pH；離心或過濾收集沉淀物即為粗提木聚糖；步驟C用乙醇洗滌粗提木聚糖至少一次，得到的沉淀物即為凈化的木聚糖。
2.根據權利要求1所述的木聚糖制備方法，其特征在于，所述的步驟B為向堿抽提溶液中加入1-5倍體積的乙醇，混勻后用酸調節pH至4-7；離心或過濾收集的沉淀物即為粗提木聚糖。
3.根據權利要求2所述的木聚糖制備方法，其特征在于，所述步驟B中向堿抽提溶液中加入3倍體積的乙醇。
4.根據權利要求3所述的木聚糖制備方法，其特征在于，步驟B中所述的酸為磷酸或硫酸。
5.根據權利要求1-4之一所述的木聚糖制備方法，其特征在于，所述的乙醇是濃度等于或高于75％的乙醇。
6.根據權利要求5所述的木聚糖制備方法，其特征在于，所述乙醇濃度為90-95％。
7.根據權利要求5所述的木聚糖制備方法，其特征在于，所述步驟C中用濃度等于或高于75％的乙醇洗滌粗提木聚糖2-5次。
8.根據權利要求7所述的木聚糖制備方法，其特征在于，具體操作如下步驟A每千克原料中加入3-10升1％-5％的KOH或NaOH水溶液，浸泡2小時至2天，蒸煮15-30分鐘，榨出溶液；向殘渣中再加入少量KOH或NaOH水溶液，再次蒸煮15-30分鐘，榨出溶液，合并兩部分榨出液，離心或過濾除去沉淀物即為堿抽提溶液；步驟B向堿抽提溶液中加入3倍體積的95％乙醇，混勻后用磷酸調節pH至6.0；離心或過濾收集的沉淀物即為粗提木聚糖；步驟C向粗提木聚糖中加入95％乙醇，打碎后低速攪拌使充分平衡，離心或過濾收集沉淀物；重復該過程2次，得到木聚糖。
9.根據權利要求1-4之一所述的木聚糖制備方法，其特征在于，在步驟A和B之間還有以下過程將步驟A得到的堿抽提液濃縮。
10.根據權利要求5所述的木聚糖制備方法，其特征在于，步驟C中洗滌粗提木聚糖的乙醇被用于步驟B。
全文摘要
本發明涉及木聚糖制備領域，具體涉及一種凈化木聚糖的制備方法。該方法具體是A.用堿溶液抽提出原料中的堿溶性物質；B.向堿抽提溶液中加入乙醇，混勻后用酸調節溶液pH；離心或過濾收集沉淀物即為粗提木聚糖；C.用乙醇洗滌粗提木聚糖至少一次，得到的沉淀物即為凈化的木聚糖。本發明制備木聚糖的工藝流程具有成本低、無污染、提高產品品質的優點，有很好的應用前景。
文檔編號C07H3/06GK1687094SQ200510039239
公開日2005年10月26日 申請日期2005年5月10日 優先權日2005年5月10日
發明者邵蔚藍, 邵志忠 申請人:南京師范大學