專利名稱：木聚糖高溫降解制備低聚木糖的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬生物化學(xué)中的功能性食品添加劑制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
低聚糖，又稱寡糖(oligosaccharide)，是由2～10個單糖通過糖苷鍵連接形成的、具有直鏈或支鏈的低度聚合糖類的總稱，分子量約300～2000。功能性低聚糖，是指具有特殊的生物學(xué)功能，特別是能促進腸道內(nèi)雙歧桿菌的增殖，有益于人體健康的一類低聚糖，即所謂的雙歧因子。國外作為商品進入市場的主要品種是低聚乳糖、低聚半乳糖、低聚異麥芽糖、大豆低聚糖、低聚果糖、帕拉金糖、低聚木糖等。國內(nèi)的研究，目前主要集中在大豆低聚糖、低聚異麥芽糖、低聚果糖和低聚木糖的制備和利用方面。
低聚木糖是由2～10個木糖以β-1，4-糖苷鍵連接而成的低聚糖。與其它功能性低聚糖相比，低聚木糖由于具有對雙歧桿菌的高選擇性增殖效果、很難被人體消化酶系統(tǒng)分解、獨特的酸穩(wěn)定性和難發(fā)酵性等優(yōu)點而倍受人們青睞。
低聚木糖可從富含木聚糖的植物纖維原料(如玉米芯、甘蔗渣、樺木、楊木等)提取獲得木聚糖后，在一定的溫度、pH條件下加入木聚糖酶降解制得低聚木糖。用這種方法制備低聚木糖，木聚糖酶的酶活力和酶系構(gòu)成對于低聚木糖的得率和產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。CN 02112568.6《一種植物纖維原料酶降解制備低聚木糖的方法》提供了一種將木聚糖經(jīng)酶降解制備功能性食品添加劑低聚木糖的方法，其特征是以植物纖維原料提取的木聚糖為原料，以里氏木霉木聚糖酶進行降解得到聚合度為2～5的低聚木糖產(chǎn)品。也有選用其它細(xì)菌、放線菌和真菌等制備木聚糖酶之后，將木聚糖經(jīng)酶降解制備低聚木糖的技術(shù)報道。
進一步的研究表明，從植物纖維原料中提取的木聚糖，主要是4-O-甲基-葡萄糖醛酸基木聚糖或阿拉伯糖基-4-O-甲基-葡萄糖醛酸基木聚糖。它的主鏈由β-D-吡喃型木糖基以β-1，4-糖苷鍵連接而成。木聚糖與纖維素和木質(zhì)素一樣，可以在加熱條件下首先軟化，隨后在軟化點以上進行熱降解。木聚糖開始熱降解的溫度比纖維素和木質(zhì)素要低。研究發(fā)現(xiàn)木聚糖的熱降解機理可以分為以下三個階段(1)首先進行無規(guī)則鏈的開裂反應(yīng)；(2)鏈開裂生成的還原末端木糖基，因剝皮反應(yīng)而脫去；(3)不穩(wěn)定末端基逐漸穩(wěn)定，直至終止反應(yīng)。
在木聚糖的熱降解過程中，經(jīng)過第一階段的無規(guī)則鏈開裂反應(yīng)，高聚合度的木聚糖可以得到有效的降解，同時，木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體的連接也會發(fā)生一定程度的降解，釋放出游離的聚合度低的木聚糖分子。如果能夠通過調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)臏囟群蜁r間來控制木聚糖熱解反應(yīng)的過程，使其僅發(fā)生第一階段的無規(guī)則鏈開裂反應(yīng)，就可以采用高溫降解的方法，使木聚糖的β-1，4-糖苷鍵斷裂，從而降解成為聚合度為2～10的水溶性低聚木糖產(chǎn)品。但迄今為止，尚未見此類專利技術(shù)的相關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本技術(shù)的發(fā)明目的是，根據(jù)木聚糖主要由木糖(單糖)經(jīng)β-1，4-糖苷鍵連接而成為聚合物的結(jié)構(gòu)特點和木聚糖的熱降解機理，尋找一種用高溫降解的方法使β-1，4-糖苷鍵斷裂，從而使高聚合度的木聚糖降解成為聚合度為2～10的低聚木糖產(chǎn)品的工藝方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為以木質(zhì)纖維植物中提取的木聚糖為原料，采用高溫降解工藝制取低聚木糖產(chǎn)品，其特征在于高溫降解的最佳反應(yīng)溫度為180±2℃，最佳反應(yīng)時間為30±5min。
嚴(yán)格控制液溫和保溫時間是極其重要的。液溫過低，木聚糖的β-1，4-糖苷鍵很難斷裂，低聚木糖得率很低；液溫過高，不但生成的低聚木糖容易繼續(xù)分解，而且原料中的木質(zhì)素等其它組分也會降解，給產(chǎn)品的分離提純帶來困難。保溫時間過短，無規(guī)則鏈的開裂反應(yīng)不足，木聚糖降解不完全；保溫時間過長，高溫降解進入第二、三階段，其結(jié)果是低聚木糖得率降低，低分子雜質(zhì)含量增加。因此，在液溫180±2℃、保溫時間為30±5min的條件下，可以使得低聚木糖得率最高，而低分子雜質(zhì)的含量最低。采用以上方法，100g木聚糖可制得低聚木糖40～45g。
四

圖1為木聚糖于180℃高溫降解30min得到的上清液中低聚木糖的高效液相色譜(HPLC)分析圖譜，圖中各峰的聚合度由右向左依次為1～10，最左邊大峰是聚合度高的木聚糖和木質(zhì)素降解產(chǎn)物；圖2為木聚糖在160℃條件下高溫降解10～50min，上清液中的低聚木糖、固體渣中的木聚糖及損失的木聚糖隨反應(yīng)時間的變化曲線；圖3為木聚糖在170℃條件下高溫降解10～50min，上清液中的低聚木糖、固體渣中的木聚糖及損失的木聚糖隨反應(yīng)時間的變化曲線；圖4為木聚糖在180℃條件下高溫降解10～50min，上清液中的低聚木糖、固體渣中的木聚糖及損失的木聚糖隨反應(yīng)時間的變化曲線。
五具體實施例方式
實施例1木聚糖的提取將1000g絕干玉米芯粉碎成粒徑為0.5cm左右的顆粒，加入氫氧化鈉400g，水7000g，于85～90℃蒸煮3h。壓濾分離蒸煮液和玉米芯固體渣。蒸煮液用硫酸中和至pH5.0。中和液用截留分子量為6000的聚砜中空纖維超濾柱脫鹽，95％以上的無機鹽和低分子化合物可隨超濾透過液除去，木聚糖則留在超濾母液中。用減壓蒸發(fā)器對超濾母液進行濃縮，使得濃縮液固形物含量為100g/L左右。分析表明，1000g絕干玉米芯經(jīng)以上處理得到的固形物295.0g中，木聚糖為220.4g，占固形物的74.7％；硫酸鈉為18.8g，占6.4％，其余為木質(zhì)素降解產(chǎn)物等雜質(zhì)。
實施例2木聚糖的高溫降解取實施例1得到的木聚糖濃縮液，加水稀釋至含木聚糖5.85％，置入容積為35ml的水解罐中，加蓋密封。該水解罐中含木聚糖2.05g。將油浴升溫至180℃，放入上述水解罐，待溫度再次升至180℃時開始計時，使得水解罐中物質(zhì)在180℃反應(yīng)30min。反應(yīng)完畢后，立即將水解罐置于冷水中冷卻，以終止反應(yīng)。小心打開水解罐，將反應(yīng)液離心，分別收集上清液和固體渣。測定上清液的pH值、平均聚合度和總還原糖，并將總還原糖折算成低聚木糖。測定固體渣的總還原糖，并將總還原糖折算成未降解的木聚糖。反應(yīng)中損失的木聚糖由反應(yīng)前木聚糖總量(2.05g)減去上清液中的低聚木糖和固體渣中的木聚糖而得。測定結(jié)果如表1所示。
表1木聚糖于180℃高溫降解30min的結(jié)果

表1結(jié)果表明，在上述實驗條件下，經(jīng)180℃高溫降解30min，42.5％的木聚糖被降解成為可溶性的低聚木糖，其平均聚合度為2.0；38.2％的木聚糖殘留在固體渣中，未被降解；反應(yīng)中因高溫破壞而損失的木聚糖占19.2％。
對上清液中的低聚木糖作高效液相色譜(HPLC)分析，色譜儀的操作條件如下糖柱Bio-Rad Aminex HPX-42A(300×7.8mm)；保護柱Micro-Guard Carbo-P和Micro-Guard Deashing Cartridges；柱溫85℃；流動相高純水，超聲波脫氣；流速0.6ml/min；檢測器差示折光檢測器(RI)。
分析結(jié)果表明，上清液中的低聚木糖主要由聚合度為2～10的低聚木糖組成，如附圖1所示。
實施例3不同反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對低聚木糖得率的影響采用不同的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間，其余條件同實施例2，可得到附圖2～4所示不同反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對低聚木糖得率的影響曲線。
由附圖2～4可知，在160～180℃內(nèi)，蒸煮溫度越高，相同保溫時間內(nèi)木聚糖轉(zhuǎn)化為低聚木糖的比例越大，同時木聚糖損失也越大。以蒸煮50min為例，在160、170和180℃下蒸煮木聚糖轉(zhuǎn)化率分別為25.1％、28.1％和46.3％，木聚糖損失分別為6.0％、21.6％和34.2％。在同一蒸煮溫度下，木聚糖轉(zhuǎn)化率隨保溫時間的延長而提高，同時木聚糖損失也隨保溫時間的延長而增加。綜合附圖2～4木聚糖轉(zhuǎn)化率和木聚糖損失的變化曲線，可以確定木聚糖高溫降解制取低聚木糖的最佳反應(yīng)條件為180℃±2℃，最佳反應(yīng)時間為30±5min。
本發(fā)明與酶降解制取低聚木糖工藝相比，工藝流程大大縮短，反應(yīng)過程明顯加快，更加易于形成大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)能力。
權(quán)利要求
1.一種以木質(zhì)纖維植物中提取的木聚糖為原料，采用高溫降解工藝制取低聚木糖產(chǎn)品的方法，其特征在于高溫降解的最佳反應(yīng)溫度為180±2℃，最佳反應(yīng)時間為30±5min。
全文摘要
一種根據(jù)木聚糖主要由木糖(單糖)經(jīng)β－1，4－糖苷鍵連接而成為聚合物的結(jié)構(gòu)特點和木聚糖的熱降解機理，采用高溫降解工藝制備低聚木糖產(chǎn)品的方法，其特征在于所采用的高溫降解最佳反應(yīng)溫度為180±2℃，最佳反應(yīng)時間為30±5min。本發(fā)明與酶降解制取低聚木糖工藝相比，工藝流程大大縮短，反應(yīng)過程明顯加快，更加易于形成大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)能力。
文檔編號C08B37/00GK1634948SQ20041006514
公開日2005年7月6日 申請日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者余世袁, 勇強, 顧陽, 王杏文 申請人:南京林業(yè)大學(xué)