本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种半纤维素制备低聚木糖的方法。
背景技术：
低聚木糖又称木寡糖，是由2-7个木糖分子以β-1,4糖苷键结合而成的功能性聚合糖。与通常人们所用的大豆低聚糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖等相比具有独特的优势，它可以选择性地促进肠道双歧杆菌的增殖活性。其双歧因子功能是其它聚合糖类的10-20倍。
低聚木糖的制备方法通常有以下几种：
1、先用高温蒸煮含木聚糖的原材料，再进一步用酶解到低聚木糖；
2、直接通过蒸汽、水或稀的无机酸来水解原料，生成低聚木糖。
目前行业内生产低聚木糖的原料是玉米芯粉、稻壳或木质半纤维素等农林废弃物。目前行业内生产低聚木糖的生产工艺是玉米芯粉先经过酸预处理，然后进行间歇高压蒸煮，最后进行酶解获得低聚木糖。
现有的制备低聚木糖的方法存在的问题是：玉米芯粉间歇蒸煮，废热蒸汽不好回收，物料浓缩都是用蒸发器，蒸汽消耗高，多次酶解净化导致酸碱消耗高，脱色成本高，污水排放量大；糖化后的料液透光率低(＜1％)，电导率高(＞5000μs/cm)，固含量低(＜3％)，而且生产低聚木糖的纯度最大只能达到70％左右。
技术实现要素：
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种半纤维素制备低聚木糖的方法。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种半纤维素制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：
(1)将半纤维素与水混合，半纤维素与水的质量比例为1:6，加酸调节ph至4.5-5.5，然后升温至80-90℃，搅拌混合均匀，形成半纤维素的悬浮液；
(2)把半纤维素粉的悬浮液输送至增压喷射器，通过喷射器进入层流罐，使物料在层流罐内停留50-60min，最后进入汽液分离器进行汽液分离；将汽液分离器闪蒸的二次蒸汽进行余热回收；
(3)汽液分离后的液体进入糖化罐，温度控制在50±1℃，每1m3物料添加0.05-0.3kg的木聚糖酶和0.05-0.3kg糖化酶，酶解10h；
(4)酶解结束后，检测低聚木糖纯度，然后升温至80-90℃灭酶，保持灭酶温度30-40min后过滤；
(5)向滤液中加活性炭脱色过滤处理，透光率＞30％；
(6)脱色后的滤液经过超滤，出料透光率＞50％；
(7)超滤后的滤液再经过膜浓缩，折光率＞18％；
(8)将步骤(2)中回收的余热，用于步骤(7)得到物料的浓缩，出料折光率＞30％；
(9)步骤(8)浓缩后的物料再次进行脱色，脱色过滤后的透光率＞50％；
(10)步骤(9)二次脱色后的物料再进行离子交换，离子交换后的电导率＜20μs/cm，ph值4-7，透光率＞95％；阳离子交换柱、阴离子交换柱分别用盐酸、液碱再生，盐酸、液碱的质量浓度均为3-4％，淋洗用反渗透的纯水，反渗透的纯水的电导率＜30μs/cm；
(11)经步骤(10)离子交换后的糖液再进行二次浓缩，浓缩后的物料进行成品灌装；
(12)如果需要造粒，二次浓缩后的糖液折光率控制在50-60％，进色谱提纯，含量提升到96％以上，然后添加赋形剂，喷雾造粒，生产粒状低聚木糖。
进一步地，步骤(7)中，膜浓缩时，采用的是纳滤膜。
进一步地，步骤(2)中，半纤维素粉的悬浮液进入增压喷射器后，同时打开增压喷射器的蒸汽阀门，对物料进行蒸汽加热，使压力在0.6-0.7mpa，保持物料温度在160-170℃。
进一步地，步骤(12)中，赋形剂为麦芽糊精、玉米芯渣中的至少一种。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中，原料采用半纤维素粉，先是加酸和水搅拌混合成悬浮液，ph值调至4.5-5.5，然后用泵输入增压喷射器，再经过层流罐，通过汽液分离器迅速释放压力，二次蒸汽回收用于后续物料的加热，液体进入糖化罐，降温后再加入木聚糖酶和糖化酶，糖化后的料液电导率低＜3000μs/cm，低聚木糖的纯度＞80％，产品质量提升，污水量大幅度减少，汽液分离的余热方便回收，能源消耗降低。
(2)本发明拓展制备低聚木糖的原料，验证半纤维素粉生产低聚木糖工艺的有效性；解决蒸煮的废热利用问题；汽爆的废热可以用于膜浓缩后的物料浓缩，每生产1t糖浆节约蒸汽2t蒸汽。
(3)本发明采用了膜技术，超滤降低了活性炭的消耗，每生产1t糖浆可以节约活性炭200kg，纳滤浓缩膜降低了蒸汽消耗，每生产1t糖浆节约5t蒸汽。
(4)本发明的制备方法能提高低聚木糖糖液质量；现有技术中，原料为玉米芯粉生产低聚木糖的纯度只能达到70％左右，而采用本发明制备方法最终得到的低聚木糖糖浆的纯度可以达到80％以上，料液透光率＞90％，电导率低＝＜20μs/cm。
(5)本发明的制备方法能够减少酸碱消耗和污水排放。现有技术中，玉米芯粉中含有大量杂物，酶解后的糖浆色素、离子较多；本发明采用的半纤维粉中所含杂物较少，酶解后的糖液质量较好，可以减少酸碱消耗和污水排放约30％左右。
附图说明
图1是本发明制备低聚木糖的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，应当指出的是，具体实施方式只是对本发明的详细说明，不应视为对本发明的限定。
实施例1
一种半纤维素制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：
(1)先在糖浆罐(全容积15m3)里加工艺水12m3，然后再添加2t半纤维素粉(含水量＜15％)，加醋酸调节ph至4.5，升温至82℃，搅拌混合均匀；得到半纤维素粉的悬浮液；加入其它的酸会影响酶解后低聚木糖的纯度。
半纤维素粉可以通过商业途径进行购买得到，也可以按照常规的方法进行制备。本实施例中，购买的半纤维素粉是从粘胶纤维的制浆废液中提取的；半纤维素含量在85-90％，水分在12％以内，且灰分低于3.5％，有效成分高，杂质含量较小。
(2)启动输送泵，把步骤(1)得到的半纤维素粉的悬浮液输送至增压喷射器，同时打开增压喷射器的蒸汽阀门，对物料进行蒸汽加热，然后把物料输送至层流罐，保证喷射器的蒸汽压在0.6mpa，保持物料温度在160℃左右，保证物料在层流罐内停留50min，最后进入气液分离器。物料在层流罐内停留时间长短对收率和纯度有一定的影响。停留时间长了会增加单糖的含量，降低低聚木糖的纯度。层流罐中，也要保持：蒸汽压在0.6mpa，物料温度在160℃。
(3)物料经过气液分离器闪蒸的二次蒸汽进行余热回收(回收的余热可以用于膜浓缩后的废热蒸发器进行物料浓缩)，物料进入汽液分离器的收集罐。汽爆对收率和纯度有影响。汽爆效果越好，能促进酶解效果，提高低聚木糖的收率和纯度。
(4)步骤(3)收集后的物料通过泵输入至糖化罐(15m3)后，当液位达到80％时，关闭进料阀门的同时打开另一糖化罐的进料阀门，然后降温至50℃，然后加入1.0kg的木聚糖酶和1.0kg糖化酶，酶解10h。木聚糖酶和糖化酶均是通过商业途径购得，其中，木聚糖酶型号sp25，酶活≥75000u/g，糖化酶(复配葡萄糖淀粉酶glumasel，酶活10万u/ml。
(5)酶解结束后检测酶解罐内糖液的低聚木糖含量，确认低聚木糖纯度，然后升温至80℃以上灭酶。在本实施例中，升温至85℃。
(6)保持灭酶温度半小时以上，然后把物料输送至烛式过滤器和板框过滤器，滤液中加粉末活性炭，进行脱色脱处理，透光率＞30％；本实施例中，保持灭酶温度32min。加入活性炭的比例：以透光为准，添加量为1m3滤液加3kg活性炭。
(7)脱色后的滤液先经过超滤，出料透光率＞50％，然后再经过纳滤膜，出料折光率＞18％。采用的超滤膜截留的分子量为10000道尔顿，采用的纳滤膜截留的分子量为300道尔顿。
(8)经过膜浓缩的料液，再经过废热蒸发器(利用连续蒸煮闪蒸的二次蒸汽加热)进行浓缩，出料浓度在30％以上。
(9)步骤(8)浓缩后的物料进行二次脱色，脱色过滤后，物料的透光率＞50％。此处，二次脱色跟上述提到的活性炭脱色，是一样的，添加量为：1m3滤液加3kg活性炭；
(10)二次脱色后的物料再进行离子交换，离子交换后的电导率＜20μs/cm，ph值4，透光率＞95％；此处离子交换是指：采用阳、阴离子交换组合，采用001×7阳离子交换树脂，d301阴离子交换树脂，离子交换处理温度为＜45℃，离子交换处理的流速为2倍树脂体积/小时(具体地，树脂的体积为5m3，物料流量为10m3/h)。
离子交换结束后，先用水把物料顶出，以折光率小于1％为准，避免糖液损耗。然后进行再生，阳离子交换柱用盐酸，阴离子交换柱用液碱，浸泡3h后排出废酸碱，接着用纯水淋洗，阳柱的淋洗终点是ph值3-3.5，阴柱淋洗的ph值终点是9.5-10，淋洗完成后备用；再生用的盐酸、液碱，质量浓度均为3％，淋洗纯水的电导率＜30μs/cm。
(11)离子交换后的糖液再经过超滤，滤液回到二次脱色罐，透过液进二次浓缩，出料质量浓度在77％，浓缩后的物料再进行成品灌装。此处采用的超滤膜截留的分子量为1000-2000道尔顿。二次浓缩指的是：采用三效板式蒸发器进行浓缩，一效真空度为-0.01～-0.03mpa，温度为95-105℃；二效真空度为-0.04～-0.06mpa，温度为80-85℃；三效真空度为-0.01～-0.03mpa，温度为65-75℃。
(12)如果需要造粒，二次浓缩的糖液折光率控制在50％，进色谱提纯，含量提升到96％以上，然后添加赋形剂，通过喷雾造粒，生产粒状低聚木糖。赋形剂为麦芽糊精、玉米芯渣中的至少一种，本实施例中，采用麦芽糊精。
实施例2
一种半纤维素制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：
(1)先在糖浆罐(全容积15m3)里加工艺水，然后再添加半纤维素粉(含水量＜15％)，半纤维素粉与水的质量比例为1:6，加醋酸调节ph至5，升温至85℃，搅拌混合均匀；得到半纤维素粉的悬浮液；半纤维素粉可以通过商业途径进行购买得到，也可以按照常规的方法进行制备。本实施例中，购买的半纤维素粉是从粘胶纤维的制浆废液中提取；半纤维素含量在85-90％，水分在12％以内，且灰分低于3.5％，有效成分高，杂质含量较小。
(2)启动输送泵，把步骤(1)得到的半纤维素粉的悬浮液输送至增压喷射器，同时打开增压喷射器的蒸汽阀门，对物料进行蒸汽加热，然后把物料输送至层流罐，保证喷射器的蒸汽压在0.7mpa，保持物料温度在165℃左右，保证物料在层流罐内停留55min，最后进入气液分离器。物料在层流罐内停留时间长短对收率和纯度有影响。层流罐中，也要保持：蒸汽压在0.7mpa，物料温度在165℃。
(3)物料经过气液分离器闪蒸的二次蒸汽进行余热回收(回收的余热可以用于膜浓缩后的废热蒸发器进行物料浓缩)，物料进入汽液分离器的收集罐。
(4)步骤(3)收集后的物料通过泵输入至糖化罐(15m3)后，当液位达到80％时，关闭进料阀门的同时打开另一糖化罐的进料阀门，然后降温至50℃，然后加入木聚糖酶和糖化酶，酶解10h；每1m3物料添加0.2kg的木聚糖酶和0.2kg糖化酶。木聚糖酶和糖化酶均是通过商业途径购得，其中，木聚糖酶型号sp25，酶活≥75000u/g，糖化酶(复配葡萄糖淀粉酶glumasel)酶活10万u/ml。
(5)酶解结束后检测酶解罐内糖液的低聚木糖含量，确认低聚木糖纯度，然后升温至80℃以上灭酶。在本实施例中，升温至90℃进行灭酶。
(6)保持灭酶温度半小时以上，然后把物料输送至烛式过滤器和板框过滤器，滤液中加粉末活性炭，进行脱色脱处理，透光率＞30％；本实施例中，保持灭酶温度35min。加入活性炭的比例：以透光为准，添加量为1m3滤液加3kg活性炭。
(7)脱色后的滤液先经过超滤，出料透光率＞50％，然后再经过纳滤膜，出料折光率＞18％。采用的超滤膜截留的分子量为10000道尔顿，采用的纳滤膜截留的分子量为300道尔顿。
(8)经过膜浓缩的料液，再经过废热蒸发器(利用连续蒸煮闪蒸的二次蒸汽加热)进行浓缩，出料浓度在30％以上。
(9)步骤(8)浓缩后的物料进行二次脱色，脱色过滤后，物料的透光率＞50％。此处，二次脱色跟上述提到的活性炭脱色，是一样的，添加量为：1m3滤液加3kg活性炭。
(10)二次脱色后的物料再进行离子交换，离子交换后的电导率＜20μs/cm，ph值5，透光率＞95％；此处离子交换是指：采用阳、阴离子交换组合，采用001×7阳离子交换树脂，d301阴离子交换树脂，离子交换处理温度为＜45℃，离子交换处理的流速为2倍树脂体积/小时(具体地，树脂的体积为5m3，物料流量为10m3/h)。
离子交换结束后，先用水把物料顶出，以折光率小于1％为准，避免糖液损耗。然后进行再生，阳离子交换柱用盐酸，阴离子交换柱用液碱，浸泡3h后排出废酸碱，接着用纯水淋洗，阳柱的淋洗终点是ph值3-3.5，阴柱淋洗的ph值终点是9.5-10，淋洗完成后备用；再生用的盐酸、液碱，质量浓度均为3％，淋洗纯水的电导率＜30μs/cm。
(11)离子交换后的糖液再经过超滤，滤液回到二次脱色罐，透过液进二次浓缩，出料质量浓度在74％，浓缩后的物料再进行成品灌装。此处采用的超滤膜截留的分子量为1000-2000道尔顿。二次浓缩指的是：采用三效板式蒸发器进行浓缩，一效真空度为-0.01～-0.03mpa，温度为95-105℃；二效真空度为-0.04～-0.06mpa，温度为80-85℃；三效真空度为-0.01～-0.03mpa，温度为65-75℃。
(12)如果需要造粒，二次浓缩的糖液折光率控制在50-60％，进色谱提纯，含量提升到96％以上，然后添加赋形剂，通过喷雾造粒，生产粒状低聚木糖。赋形剂为麦芽糊精、玉米芯渣中的至少一种，本实施例中，采用玉米芯渣。
本实施例中的其他实施方式与实施例1相同。
实施例3
一种半纤维素制备低聚木糖的方法，包括以下步骤：
(1)先在糖浆罐(全容积15m3)里加工艺水，然后再添加半纤维素粉(含水量＜15％)，半纤维素粉与水的质量比例为1:6，加醋酸调节ph至5，升温至90℃，搅拌混合均匀；得到半纤维素粉的悬浮液；半纤维素粉可以通过商业途径进行购买得到，也可以按照常规的方法进行制备。本实施例中，购买的半纤维素粉是从粘胶纤维的制浆废液中提取的；半纤维素含量在85-90％，水分在12％以内，且灰分低于3.5％，有效成分高，杂质含量较小。
(2)启动输送泵，把步骤(1)得到的半纤维素粉的悬浮液输送至增压喷射器，同时打开增压喷射器的蒸汽阀门，对物料进行蒸汽加热，然后把物料输送至层流罐，保证喷射器的蒸汽压在0.7mpa，保持物料温度在170℃左右，保证物料在层流罐内停留60min，最后进入气液分离器。层流罐中，也要保持：蒸汽压在0.7mpa，物料温度在170℃。
(3)物料经过气液分离器闪蒸的二次蒸汽进行余热回收(回收的余热可以用于膜浓缩后的废热蒸发器进行物料浓缩)，物料进入汽液分离器的收集罐。
(4)步骤(3)收集后的物料通过泵输入至糖化罐(15m3)后，当液位达到80％时，关闭进料阀门的同时打开另一糖化罐的进料阀门，然后降温至50℃，然后加入木聚糖酶和糖化酶，酶解10h；每1m3物料添加0.3kg的木聚糖酶和0.3kg糖化酶；木聚糖酶和糖化酶均是通过商业途径购得，其中，木聚糖酶型号sp25，酶活≥75000u/g，糖化酶(复配葡萄糖淀粉酶glumasel，酶活10万u/ml。
(5)酶解结束后检测酶解罐内糖液的低聚木糖含量，确认低聚木糖纯度，然后升温至80℃以上灭酶。在本实施例中，升温至85℃。
(6)保持灭酶温度半小时以上，然后把物料输送至烛式过滤器和板框过滤器，滤液中加粉末活性炭，进行脱色脱处理，透光率＞30％；本实施例中，保持灭酶温度40min。加入活性炭的比例：以透光为准，添加量为1m3滤液加3kg活性炭。
(7)脱色后的滤液先经过超滤，出料透光率＞50％，然后再经过纳滤膜，出料折光率＞18％。采用的超滤膜截留的分子量为10000道尔顿，采用的纳滤膜截留的分子量为300道尔顿。
(8)经过膜浓缩的料液，再经过废热蒸发器(利用连续蒸煮闪蒸的二次蒸汽加热)进行浓缩，出料折光率在30％以上。
(9)步骤(8)浓缩后的物料进行二次脱色，脱色过滤后，物料的透光率＞50％。此处，二次脱色跟上述提到的活性炭脱色，是一样的，添加量为：1m3滤液加3kg活性炭。
(10)步骤(9)二次脱色后的物料再进行离子交换，离子交换后的电导率＜20μs/cm，ph值6，透光率＞95％；此处离子交换是指：采用阳、阴离子交换组合，采用001×7阳离子交换树脂，d301阴离子交换树脂，离子交换处理温度为＜45℃，离子交换处理的流速为2倍树脂体积/小时(具体地，树脂的体积为5m3，物料流量为10m3/h)。
离子交换结束后，先用水把物料顶出，以折光率小于1％为准，避免糖液损耗。然后进行再生，阳离子交换柱用盐酸，阴离子交换柱用液碱，浸泡3h后排出废酸碱，接着用纯水淋洗，阳柱的淋洗终点是ph值3-3.5，阴柱淋洗的ph值终点是9.5-10，淋洗完成后备用；再生用的盐酸、液碱，质量浓度均为4％，淋洗纯水的电导率＜30μs/cm。
(11)离子交换后的糖液再经过超滤，滤液回到二次脱色罐，透过液进二次浓缩，出料质量浓度在75％，浓缩后的物料再进行成品灌装。此处采用的超滤膜截留的分子量为1000-2000道尔顿。二次浓缩指的是：采用三效板式蒸发器进行浓缩，一效真空度为-0.01～-0.03mpa，温度为95-105℃；二效真空度为-0.04～-0.06mpa，温度为80-85℃；三效真空度为-0.01～-0.03mpa，温度为65-75℃。
(12)如果需要造粒，二次浓缩的糖液折光率控制在50-60％，进色谱提纯，含量提升到96％以上，然后添加赋形剂，通过喷雾造粒，生产粒状低聚木糖。赋形剂为麦芽糊精、玉米芯渣中的至少一种，本实施例中，采用麦芽糊精。
本实施例中的其他实施方式与实施例1相同。
对比例1
本实施例中没有汽爆步骤，即不存在步骤(2)，直接进入气液分离器。
本实施例中的其他实施方式与实施例1相同。
对比例2
本实施例中，只采用一种酶(木聚糖酶)，其他步骤与实施例1相同。
对比例3
本实施例中，只采用一种酶(糖化酶)，其他步骤与实施例1相同。
表1实施例与对比例中酶解结束后糖液中的低聚木糖检测结果
表2实施例与对比例最终制得的成品的检测结果
由表1可以得到，实施例中酶解结束后得到的低聚木糖的纯度较高(＞80％)，料液透光率＜10％，电导率在2000-3000us/cm。对比例中，酶解结束后得到的低聚木糖的纯度不高(＜＝70％)，料液透光率＜10％，电导率比实施例中的电导率数据相差不大。
由表2可以得到，实施例中最终制得的低聚木糖的纯度较高(＞80％)，料液透光率＞90％，电导率低(＝＜20μs/cm)。与实施例相比，对比例1中，缺少汽爆步骤，不利于低聚木糖的制备，得到的低聚木糖的纯度较低，电导率大，料液透光率与实施例中的料液透光率相差不大。对比例2与对比例3中，只采用一种酶进行酶解，不利于高纯度低聚木糖的制备，制得的低聚木糖的纯度低，料液透光率与实施例中的料液透光率相差不大，电导率比实施例中的电导率略大。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
1.一种半纤维素粉制备低聚木糖的方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)将半纤维素粉与水混合，半纤维素粉与水的质量比例为1:6，加酸调节ph至4.5-5.5，然后升温至80-90℃，搅拌混合均匀，形成半纤维素的悬浮液；
(2)把半纤维素粉的悬浮液输送至增压喷射器，通过喷射器进入层流罐，使物料在层流罐内停留50-60min，最后进入汽液分离器进行汽液分离；将汽液分离器闪蒸的二次蒸汽进行余热回收；
(3)汽液分离后的液体进入糖化罐，温度控制在50±1℃，每1m3物料添加0.05-0.3kg的木聚糖酶和0.05-0.3kg糖化酶，酶解10h；
(4)酶解结束后，检测低聚木糖纯度，然后升温至80-90℃灭酶，保持灭酶温度30-40min后过滤；
(5)向滤液中加活性炭脱色过滤处理，透光率＞30％；
(6)脱色后的滤液经过超滤，出料透光率＞50％；
(7)超滤后的滤液再经过膜浓缩，折光率＞18％；
(8)将步骤(2)中回收的余热，用于步骤(7)得到物料的浓缩，出料折光率＞30％；
(9)步骤(8)浓缩后的物料再次进行脱色，脱色过滤后的透光率＞50％；
(10)步骤(9)二次脱色后的物料再进行离子交换，离子交换后的电导率＜20μs/cm，ph值4-7，透光率＞95％；阳离子交换柱、阴离子交换柱分别用盐酸、液碱再生，盐酸、液碱的质量浓度均为3-4％，淋洗用反渗透的纯水，反渗透的纯水的电导率＜30μs/cm；
(11)经步骤(10)离子交换后的糖液再进行二次浓缩，浓缩后的物料进行成品灌装；
(12)如果需要造粒，二次浓缩后的糖液折光率控制在50-60％，进色谱提纯，含量提升到96％以上，然后添加赋形剂，喷雾造粒，生产粒状低聚木糖。
2.根据权利要求1所述的一种半纤维素制备低聚木糖的方法，其特征是，步骤(7)中，膜浓缩时，采用的是纳滤膜。
3.根据权利要求1所述的一种半纤维素制备低聚木糖的方法，其特征是，步骤(2)中，半纤维素粉的悬浮液进入增压喷射器后，同时打开增压喷射器的蒸汽阀门，对物料进行蒸汽加热，使压力在0.6-0.7mpa，保持物料温度在160-170℃。
4.根据权利要求1所述的一种半纤维素制备低聚木糖的方法，其特征是，步骤(12)中，赋形剂为麦芽糊精、玉米芯渣中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种半纤维素制备低聚木糖的方法，其特征是，步骤(1)中，加醋酸调节ph至4.5-5.5。
技术总结