專利名稱：一種利用擠壓膨化技術(shù)制備粗木糖液的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種木糖液的制備方法，尤其涉及一種利用擠壓膨化技術(shù)制備木糖液的方法，屬于生物工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
木糖(D-xylose)是重要的化工原料，主要通過加氫制備木糖醇，同時在醫(yī)藥、皮 革、染料等領(lǐng)域，木糖也有著廣泛的用途；木糖在食品、飲料中可作為無熱量甜味劑，適用于 肥胖及糖尿病患者。近年來在國內(nèi)外，木糖作為食品甜味劑頗受青睞，需求量日益增長。木糖是利用富含多聚戊糖的農(nóng)作物經(jīng)化工的方法制取獲得，從理論上來說，只要 含有半纖維素的植物都可以用來生產(chǎn)木糖，這些原料包括玉米芯、甘蔗渣、棉籽殼、麥稈等。 木糖可以采用酸水解法、堿水解法進行生產(chǎn)。由于木糖能夠溶于堿，并與堿作用造成其結(jié)構(gòu) 的破壞，因而在木糖的實際生產(chǎn)中堿水解法不常采用。酸水解法能夠徹底水解木聚糖，產(chǎn)物 以木糖為主，與堿水解法相比，生產(chǎn)工藝相對簡單、可控性好，目前工業(yè)生產(chǎn)木糖多采用酸 水解法。但該生產(chǎn)工藝中，每生產(chǎn)1噸木糖要排放超過300噸的廢水，且由于酸與糖和木質(zhì) 素的作用，酸解液中含有很多醛、酸、酚等生物活性抑制因子，阻礙了酸解木糖溶液的直接 生物轉(zhuǎn)化。酶法生產(chǎn)木糖以其清潔的生產(chǎn)工藝和低生物活性抑制因子含量逐漸受到研究的 關(guān)注，但由于植物體木質(zhì)纖維晶體結(jié)構(gòu)致密，造成微生物不能直接降解木聚糖原料或降解 速度較慢，不能用于工業(yè)化生產(chǎn)，所以在酶解半纖維素原料之前，要對半纖維素原料進行預 處理，破壞其木質(zhì)纖維晶體結(jié)構(gòu)。對半纖維素原料的預處理主要有化學法(酸法、堿法等) 和物理法(高溫蒸煮、蒸汽爆破等)。化學法預處理纖維素原料，存在與酸水解法和堿水 解法生產(chǎn)木糖相同的問題。高溫蒸煮由于加工過程中溫度較高和時間較長，部分木糖被轉(zhuǎn) 化成乙酸或糠醛，一方面影響了木糖的產(chǎn)率，另一方面這些物質(zhì)為生物活性抑制因子，對木 糖的溶液的生物轉(zhuǎn)化有抑制作用；與高溫蒸煮相比，蒸汽爆破極大的降低了木糖向乙酸或 糠醛的轉(zhuǎn)化，但是由于無法實現(xiàn)連續(xù)化、大批量的處理原料而阻礙了該技術(shù)應用于工業(yè)生 產(chǎn)。擠壓膨化技術(shù)是橡膠工業(yè)和食品工業(yè)中常采用的處理加工技術(shù)，通過擠壓和加熱等方 法給物料高溫、高壓的作用，在擠壓腔體的末端，熔融的物料在高壓的作用下通過?？锥鴶D 出時，由于壓力的突然下降，水蒸汽迅速膨脹和散失，物料的結(jié)構(gòu)會發(fā)生劇烈膨大作用，最 終形成多孔疏松結(jié)構(gòu)，該技術(shù)具有生產(chǎn)能力大、連續(xù)化等特點?，F(xiàn)有擠壓膨化技術(shù)主要應用 于橡膠、食品、飼料等方面。將擠壓膨化技術(shù)和酶法結(jié)合生產(chǎn)木糖至今國內(nèi)外均未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的污染環(huán)境、生產(chǎn)過程復雜、產(chǎn)品得率低、生 物活性抑制因子高等問題，而提供一種新的生產(chǎn)粗木糖溶液的方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的工藝流程參見

圖1，先將半纖維素進行擠壓膨化預 處理，然后進行酶解，最后分離即可得到粗木糖液。
一種利用擠壓膨化技術(shù)生產(chǎn)木糖的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)擠壓膨化預處理原料。將半纖維素原材料直接放入單螺桿或雙螺桿擠出機中， 在螺桿轉(zhuǎn)速為100-300轉(zhuǎn)/分鐘條件下進行粉碎、擠壓、膨化處理，采用蒸汽或電加熱，加熱 溫度為100-300°C，處理時間為5-10分鐘，在出料口瞬間減壓將料釋放，獲得擠壓膨化預處 理的半纖維素原料。(2)酶解預處理原料。將擠壓膨化預處理的半纖維素原料按照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為100U/ml，酶解pH值為5. 0-5. 9 ；酶解時間 為10-100小時；酶解溫度為為50-60°C。(3)離心或過濾分離原料。將步驟(2)的混合液離心或過濾，所得清溶液即為粗木 糖溶液。利用液相色譜測定粗木糖溶液中的木糖濃度，該粗木糖可用于制備木糖，也可直 接用于木糖的生物催化轉(zhuǎn)化。本發(fā)明方法中，半纖維素原材料可以是玉米芯、棉籽殼、甘蔗渣、玉米稈、麥稈等含 有木聚糖半纖維素的農(nóng)作物，同時也包括其他半纖維素成份包含木聚糖的植物原料，且木 聚糖組分含量越多越好。本發(fā)明方法中，木聚糖降解酶為混合酶，其中包括木聚糖酶、木糖苷酶、纖維素酶。本發(fā)明方法步驟(1)中處理時間的長短與造壓段和粉碎段的長度和體積有關(guān)，造 壓段和粉碎段越長，體積越大，所需時間越長。本發(fā)明方法中，擠壓技術(shù)是指將半纖維素原料放入單螺桿或雙螺桿擠出機中，半 纖維素原料經(jīng)過螺桿擠壓、造壓和高溫蒸汽增濕、加熱以及擠出機出口部位瞬間壓力釋放 的處理，半纖維素晶體結(jié)構(gòu)被大幅度改變，其中木質(zhì)纖維素晶體結(jié)構(gòu)被破壞形成無定型晶 體結(jié)構(gòu)，同時部分木聚糖在處理過程中部分降解成可溶性低聚木糖，從而使半纖維素能夠 與酶直接接觸，易于降解。目前國內(nèi)外現(xiàn)有木糖生產(chǎn)技術(shù)存在污染環(huán)境、生產(chǎn)過程復雜等缺點。本發(fā)明將擠 壓膨化技術(shù)和酶水解技術(shù)相結(jié)合克服了上述缺點。利用酶水解的方法代替酸水解的方法， 減少了含酸廢液對環(huán)境的污染。生產(chǎn)工藝簡單采用擠壓機直接對半纖維素原材料進行粉 碎，省去了粉碎原料的過程；采用酶水解法代替酸水解法，省去了后續(xù)中和除酸的過程。說明書附1為利用擠壓膨化技術(shù)制備粗木糖液的工藝流程
具體實施例方式實例1 在粉碎段和造壓長度為2. 3米的單螺桿擠出機中放入玉米芯，在螺桿轉(zhuǎn)速為100 轉(zhuǎn)/分鐘條件下進行粉碎、擠壓、膨化處理，蒸汽加熱保持溫度為100°c，處理時間5分鐘， 在出料口瞬間減壓獲得擠壓膨化預處理的半纖維素原料；預處理后的半纖維素原料按照 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、纖維素酶)水溶液，其木 聚糖降解酶活性為100U/ml，在pH值5. 0，溫度50°C的條件下酶解10小時，將所得酶解液離 心過濾，得到粗木糖液，然后在高壓液相色譜上檢測木糖含量，木糖得率達到25 %。實例2
在粉碎段和造壓長度為2. 3米的單螺桿擠出機中放入玉米芯，在螺桿轉(zhuǎn)速為200 轉(zhuǎn)/分鐘條件下進行粉碎、擠壓、膨化處理，蒸汽加熱保持溫度為170°C，處理時間5分鐘， 在出料口瞬間減壓獲得擠壓膨化預處理的半纖維素原料。預處理后的半纖維素原料按照 15ml/g的比例加入半纖維素降解酶液(其中包括木聚糖酶、木糖苷酶、纖維素酶)，其木 聚糖降解酶活性為100U/ml，在pH值5. 5，溫度55°C的條件下酶解30小時，將所得酶解液離 心過濾，得到粗木糖液，然后在高壓液相色譜上檢測木糖含量，木糖得率達到70 %。實例3 在粉碎段和造壓長度為2. 3米的單螺桿擠出機中放入玉米芯，在螺桿轉(zhuǎn)速為300 轉(zhuǎn)/分鐘條件下進行粉碎、擠壓、膨化處理，蒸汽加熱保持溫度為200°C，處理時間5分鐘， 在出料口瞬間減壓獲得擠壓膨化預處理的半纖維素原料。預處理后的半纖維素原料按照 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、纖維素酶)水溶液，其木 聚糖降解酶活性為100U/ml，在pH值5. 9，溫度60°C的條件下酶解100小時，將所得酶解液 過濾，得到粗木糖液，然后在高壓液相色譜上檢測木糖含量，木糖得率達到65 %。
權(quán)利要求
一種利用擠壓膨化技術(shù)生產(chǎn)木糖的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)擠壓膨化預處理原料。將半纖維素原材料直接放入單螺桿或雙螺桿擠出機中，在螺桿轉(zhuǎn)速為100-300轉(zhuǎn)/分鐘條件下進行粉碎、擠壓、膨化處理，采用蒸汽或電加熱，加熱溫度為100-300℃，處理時間為5-10分鐘，在出料口瞬間減壓將料釋放，獲得擠壓膨化預處理的半纖維素原料。(2)酶解預處理原料。將擠壓膨化預處理的半纖維素原料按照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為100U/ml，酶解pH值為5.0-5.9；酶解時間為10-100小時；酶解溫度為為50-60℃。(3)離心或過濾分離原料。將步驟(2)的混合液離心或過濾，所得清溶液即為粗木糖溶液。
2.按照權(quán)利要求1的一種利用擠壓膨化技術(shù)生產(chǎn)木糖的方法，其特征在于，所述半纖 維素原材料為玉米芯。
3.按照權(quán)利要求1的一種利用擠壓膨化技術(shù)生產(chǎn)木糖的方法，其特征在于，木聚糖降 解酶為混合酶，其中包括木聚糖酶、木糖苷酶、纖維素酶。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用擠壓膨化技術(shù)生產(chǎn)木糖的方法，先將半纖維素直接在單螺桿或雙螺桿擠出機中進行擠壓膨化預處理，然后采用木聚糖降解酶對擠壓膨化預處理的材料進行酶解，最后分離即可得到粗木糖液。本發(fā)明方法減少了含酸廢液對環(huán)境的污染，且具有生產(chǎn)工藝簡單、產(chǎn)率高的優(yōu)點。
文檔編號C12P19/14GK101875952SQ20091024221
公開日2010年11月3日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者傅曉蕾, 王文雅, 王曉輝, 薛艷玲, 袁其朋 申請人:北京化工大學