CN103980382A - 一种低聚果糖的纯化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低聚果糖的纯化方法，菊粉经菊粉酶酶解后得到初级低聚果糖混合液，将初级低聚果糖混合液置于反应器中，在10～40℃条件下，加入pH5.0～8.0的磷酸缓冲盐和葡萄糖基转移酶，酶解1～20h，酶解液经纳滤膜处理，收集截留液获得纯度大于98％的低聚果糖溶液。本发明方法将蔗糖降解为单糖，再进一步地通过纳滤膜去除单糖而截留聚合度大于2的果聚糖，其纯度大幅提高，能超过98％。同时，将蔗糖降解为单糖后，纳滤透过液中的糖均为微生物能直接利用的单糖，将其作为副产品应用于发酵行业，其市场需求量巨大。
Description
技术领域
本发明属于生物化工技术领域，涉及一种低聚果糖的纯化方法，尤其涉及一种降低菊粉经菊粉酶酶解后产物中二糖的含量提高产品低聚果糖纯度的方法。
背景技术
菊粉，又名菊糖，作为植物能量的储存方式之一，在自然界的分布十分广泛，超过三万种植物中可以找到其含量并为它们的能量储备。菊粉是由果糖经β(2-1)键连接而成的线性直链多糖，末端常带有一个葡萄糖，聚合度DP通常为2～60之间，菊粉实际上也是多种不同聚合度果聚糖的混合物。聚合度较低(DP＝2～9)的果聚糖通常称为低聚果糖，聚合度10～30的果聚糖通常称为多聚果糖，聚合度高于40的果聚糖通常称为高聚果糖。其中，菊芋和菊苣最适合作为生产菊粉的原料，它们来源丰富，菊粉含量高，约占其块茎干重的70％。
低聚果糖也广泛存在于各种植物中，是优良的水溶性膳食纤，是完全符合益生元标准的典型双歧因子，也是人体保健功能研究试验最为深入详尽的寡糖之一，以其优越的生理功能成为近十年来国际食品市场上广泛流行的功能性食品配料。低聚果糖甜度一般为蔗糖的30～60％，在通常的食品pH范围(4.0～7.0)内，低聚果糖具有相当好的热稳定性，加入乳酸饮料、冷饮、果汁、果酱、水果罐头中，在冷藏条件下，保存1～6个月仍很稳定，故可以广泛应用于各种食品。相关研究表明，低聚果糖或它的代谢物没有直接或是潜在的毒性，安全性高，且相关文件也证明低聚果糖是对人体有益的，2000年美国FDA确认低聚果糖为公认安全物质(GRAS)。低聚果糖热量值低，可做低能量食品，预防肥胖症，具有调节血糖水平、降血脂、双向调节肠道菌群防止便秘和腹泻、抑制有毒发酵产物从而保护肝脏预防结肠癌、促进钙镁铁等矿物质的吸收、促进维生素的合成等功效。
由于天然植物中低聚果糖含量一般不高，目前主要通过工业化的方法来进行大规模生产，主要包括两种方法：一种是在蔗糖分子的果糖基上通过β(2-1)糖苷键连接1-n个果糖基而成的蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖、蔗果六糖及其混合物，这种工艺是1983年首先由日本研究成功的，但该工艺的反应过程中含有反应副产物葡萄糖、果糖和较多量的反应底物蔗糖等可消化糖，对于一些特殊人群如糖尿病人和龋齿病人是不利的；另一种是以菊苣或菊芋提取的菊粉为原料，经酶解或酸解而生成的聚合度3-9的果聚糖，这种低聚糖中的果糖分子是以β(2-1)糖苷键连接而成，其结构形式主要是Fn型(F是果糖分子，n是果糖分子数目，如F1、F2、F3、F4、Fn)，此外也含有一定量GFn型的蔗果型低聚果糖，GFn型和Fn型具有非常相似的物理和化学性质。菊粉在酶解过程中也有副产物葡萄糖、果糖和蔗糖等可消化糖。上述两种生产工艺，单糖在下游分离过程中通过纳滤膜能去除，然而在保证聚合度3-9的果聚糖不透过纳滤膜的前提下，二糖也有大量截留，导致最终产品低聚糖纯度偏低，因此选择一种合适的方式降低低聚果糖中二糖的含量且不影响聚合度大于2的GFn型低聚果糖，制备高纯度低聚果糖成为该产业及研究者的研究热点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低聚果糖的纯化方法，酶法降低菊粉酶酶解产物中二糖含量从而提高低聚果糖纯度的方法，获得高品质低聚果糖产品。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种低聚果糖的纯化方法，菊粉经菊粉酶酶解后得到初级低聚果糖混合液，将初级低聚果糖混合液置于反应器中，在10～40℃条件下，加入1mol/L、pH5.0～8.0的磷酸缓冲盐和葡萄糖基转移酶，酶解1～20h，酶解液经纳滤膜处理，收集截留液获得纯度大于98％的低聚果糖溶液。
其中，温度条件优选在30～40℃，最优选30℃。
其中，磷酸缓冲盐的pH优选在6.0～7.0，最优选pH7.0。
其中，酶解时间优选8～20h，最优选14h。
其中，所述的初级低聚果糖混合液，其中低聚果糖的纯度为50～80％。
其中，葡萄糖基转移酶的添加量为1～10U/g，优选4～10U/g，最优选4U/g。
葡萄糖基转移酶的酶活的定义：1分钟能够降解1g蔗糖为1-磷酸葡萄糖和果糖所需的酶量为1U。
其中，pH5.0～8.0的磷酸缓冲盐，其组分为磷酸二氢钾、磷酸氢二钾和磷酸钾的任意一种或几种的组合。pH5.0～8.0的磷酸缓冲盐的用量根据初级低聚果糖混合液中蔗糖的浓度计算，使反应体系中的蔗糖与磷酸盐摩尔比为0.9～1.1，优选摩尔比为1。
其中，所述的纳滤膜，其截留分子量为150～500Da，优选350～500Da，最优选350Da。
其中，纳滤膜处理后透过液即单糖溶液通过MVR蒸发器处理浓缩，蒸出的水用于纳滤膜浓缩液的洗滤用水及纳滤膜洗膜用水。
本发明选择的葡萄糖基转移酶能够降解二糖生成单糖且对聚合度高于2的GFn型(一分子葡萄糖与n分子果糖连接)低聚果糖无影响。
本发明的低聚果糖的纯化方法，加入葡萄糖基转移酶酶解后，使得初级低聚果糖混合液中的单糖和聚合度3-9的果聚糖不发生变化，但是蔗糖转化为单糖；利用通过截留分子量在150～500Da的纳滤膜去除单糖，从而得到纯度>98％高纯度低聚果糖。
有益效果：本发明基于菊粉经菊粉酶酶解后的初级低聚果糖中蔗糖浓度较高，直接采用纳滤膜过滤时，蔗糖的去除率很低，通过一种温和的酶催化反应，将蔗糖降解为单糖，进一步地通过纳滤膜去除单糖而截留聚合度大于2的果聚糖，其纯度大幅提高，能超过98％。另一方面，将蔗糖降解为单糖后，纳滤透过液中的糖均为微生物能直接利用的单糖，将其作为副产品应用于发酵行业，其市场需求量巨大；采用先进的MVR蒸发器，其效率相当于超过20效的多效蒸发器，因此节能性高，且蒸发水纯度高，可直接用于纳滤系统用水。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1：
取两种不同级别的初级低聚果糖混合液100mL(1号和2号纯度分别是50％和80％，蔗糖含量为0.1mol/L)于酶反应器中，葡萄糖基转移酶为5U/g，酶反应温度30℃，1mol/L的pH为7.0的磷酸缓冲盐10mL反应时间在8h，反应后的产物通过截留分子量为350Da的纳滤膜处理，酶处理前后及纳滤处理后产品中单糖、二糖和低聚果糖的含量见表1。
表1初级低聚果糖酶处理前后及纳滤处理后的效果
实施例2：
取纯度80％初级低聚果糖100mL(蔗糖含量为0.1mol/L)于酶反应器中，葡萄糖基转移酶10U/g，酶反应温度30℃，1mol/L、pH为7.0的磷酸缓冲盐10mL，分别取反应时间在1～20h之间的样品进行分析，结果见表2。
表2不同反应时间对初级低聚果糖酶酶处理的影响
| 待处理样品 | 酶解1h | 酶解3h | 酶解8h | 酶解14h | 酶解20h | |
| 单糖含量(％) | >10 | >15 | >17 | >18 | >19 | >19 |
| 二糖含量(％) | >10 | >5 | <3 | <2 | <1 | <1 |
| 低聚果糖含量(％) | ≈80 | ≈80 | ≈80 | ≈80 | ≈80 | ≈80 |
实施例3：
取纯度80％初级低聚果糖100mL(蔗糖含量为0.1mol/L)于酶反应器中，葡萄糖基转移酶1～10U/g，酶反应温度30℃，1mol/L、pH为7.0的磷酸缓冲盐10mL，反应时间8h，结果见表3。
表3不同酶添加量对初级低聚果糖酶酶处理的影响
实施例4
取纯度80％初级低聚果糖100mL(蔗糖含量为0.1mol/L)于酶反应器中，葡萄糖基转移酶4U/g，酶反应温度30℃，1mol/L的pH为5.0～8.0的磷酸缓冲盐10mL，反应时间在8h，结果见表4。
表4不同pH值对初级低聚果糖酶酶处理的影响
| 待处理样品 | pH5.0 | pH6.0 | pH7.0 | pH8.0 | |
| 单糖含量(％) | >10 | >15 | >18 | >19 | >13 |
| 二糖含量(％) | >10 | <5 | <2 | <1 | <7 |
| 低聚果糖含量(％) | ≈80 | ≈80 | ≈80 | ≈80 | ≈80 |
实施例5：
取纯度80％初级低聚果糖100mL(蔗糖含量为0.1mol/L)于酶反应器中，葡萄糖基转移酶4U/g，酶反应温度10～40℃，1mol/L、pH为7.0的磷酸缓冲盐10mL，反应时间在8h，结果见表5。
表5不同反应温度对初级低聚果糖酶酶处理的影响
| 待处理样品 | 温度10℃ | 温度20℃ | 温度30℃ | 温度40℃ | |
| 单糖含量(％) | >10 | >17 | >18 | >19 | >19 |
| 二糖含量(％) | >10 | <3 | <2 | <1 | <1 |
| 低聚果糖含量(％) | ≈80 | ≈80 | ≈80 | ≈80 | ≈80 |
实施例6：
取纯度80％初级低聚果糖100mL(蔗糖含量为0.1mol/L)于酶反应器中，葡萄糖基转移酶为5U/g，酶反应温度30℃，1mol/L、pH为7.0的磷酸缓冲盐10mL，反应时间在8h，反应后的产物通过截留分子量为150～500Da的纳滤膜处理，纳滤处理前后产品中单糖、二糖和低聚果糖的含量见表6。
表6不同截留分子量的纳滤膜对初级低聚果糖酶酶处理后产品过滤效果
| 酶解后 | 150Da纳滤浓缩液 | 350Da纳滤浓缩液 | 500Da纳滤浓缩液 | |
| 单糖含量(％) | >19 | <5 | <1 | <1 |
| 二糖含量(％) | <1 | <1 | <1 | <1 |
| 低聚果糖含量(％) | ≈80 | >94 | >98 | <96 |
| 低聚果糖损失(％) | 0 | 0 | 0 | >2 |
实施例7：
取纯度80％初级低聚果糖100mL(蔗糖含量为0.1mol/L)于酶反应器中，在最优条件下，即葡萄糖基转移酶4U/g，酶反应温度30℃，1mol/L、pH为7.0的磷酸缓冲盐10mL，反应时间在14h，反应后的产物通过截留分子量为350Da的纳滤膜处理，酶处理前后及纳滤处理后产品中单糖、二糖和低聚果糖的含量见表7。
表7最佳酶转化条件下初级低聚果糖酶酶处理后及纳滤后的结果
| 酶解前 | 酶解后 | 纳滤浓缩液 | |
| 单糖含量(％) | >10 | >19 | <1 |
| 二糖含量(％) | >10 | <1 | <1 |
| 低聚果糖含量(％) | ≈80 | ≈80 | ≈98 |
Claims (7)
1.一种低聚果糖的纯化方法，菊粉经菊粉酶酶解后得到初级低聚果糖混合液，其特征在于，将初级低聚果糖混合液置于反应器中，在10～40℃条件下，加入1mol/L、pH5.0～8.0的磷酸缓冲盐和葡萄糖基转移酶，酶解1～20h，酶解液经纳滤膜处理，收集截留液获得纯度大于98％的低聚果糖溶液。
2.根据权利要求1所述的低聚果糖的纯化方法，其特征在于，所述的初级低聚果糖混合液，其中初级低聚果糖混合液中，低聚果糖的纯度为50～80％。
3.根据权利要求1所述的低聚果糖的纯化方法，其特征在于，葡萄糖基转移酶的添加量为1～10U/g。
4.根据权利要求1所述的低聚果糖的纯化方法，其特征在于，pH5.0～8.0的磷酸缓冲盐，其组分为磷酸二氢钾、磷酸氢二钾和磷酸钾的任意一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的低聚果糖的纯化方法，其特征在于，pH5.0～8.0的磷酸缓冲盐的用量根据初级低聚果糖混合液中蔗糖的浓度计算，使反应体系中的蔗糖与磷酸盐摩尔比为0.9～1.1。
6.根据权利要求1所述的低聚果糖的纯化方法，其特征在于，所述的纳滤膜，其截留分子量为150～500Da。
7.根据权利要求1所述的低聚果糖的纯化方法，其特征在于，纳滤膜处理后透过液即单糖溶液通过MVR蒸发器处理浓缩，蒸出的水用于纳滤膜浓缩液的洗滤用水及纳滤膜洗膜用水。
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