一种复合酶耦合连续纳滤膜分离甜菜多糖和甜菜碱的方法

1.本发明涉及有效成分分离技术领域，更具体的说是涉及一种复合酶耦合连续纳滤膜分离甜菜多糖和甜菜碱的方法。


背景技术：

2.甜菜是主要糖料作物之一，甜菜制糖约占全球制糖产量的25％，其生产规模和产生的经济效益庞大。为提高糖品纯度，国内制糖厂在制糖过程中多数采用双碳酸法饱充清净工艺澄清甜菜渗出汁，但该工艺能耗高，制糖效率低，且有一些非糖成分仍保留在浓缩糖液中未得到有效去除，影响最终糖品结晶率和品质。还有更多的非糖成分成为废蜜后经排放流入地下水，浪费了资源并导致一定程度的水质污染。
3.非糖活性成分包括色素物质，有机大分子物质(多糖和果胶)和小分子物质(甜菜碱和还原糖)。甜菜多糖是一种分子量范围在0.74～300kda的活性多糖，具有抗氧化，抑菌和调节免疫功能等重要生理活性。甜菜碱是一种季胺型生物碱，分子量为117.15，具有抗氧化、改善心血管疾病、改善肠道功能、抗肿瘤等活性，广泛应用在临床治疗、食品和化妆品等领域。
4.因此，提供一种综合开发甜菜多糖和甜菜碱的甜菜制糖工艺是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种复合酶耦合连续纳滤膜分离甜菜多糖和甜菜碱的方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种复合酶耦合连续纳滤膜分离甜菜多糖和甜菜碱的方法，包括以下步骤：
8.s1：将复合酶加入甜菜浸出液中，酶解，得酶解浸出液，所述复合酶为果胶酶、淀粉酶和木聚糖酶的混合物；
9.s2：酶解浸出液经超滤膜澄清和活性炭脱色后，经一级纳滤，得截留液1和透过液1；
10.透过液1经二级纳滤，得截留液2和透过液2；
11.所述截留液1为甜菜多糖浓缩液，所述透过液2为甜菜碱浓缩液。所述截留液2为蔗糖浓缩液。
12.有益效果：本发明采用低温复合酶酶解耦合多级纳滤膜过滤，通过降低料液悬浮物含量和不利于膜分离的非水溶性果胶含量，提高甜菜多糖和甜菜碱的收率，提高原料转化率。
13.作为本发明优选的技术方案，所述复合酶为低温复合酶，复合酶的添加量以重量体积比计为甜菜浸出液的3
‰
，
14.且复合酶中果胶酶、淀粉酶和木聚糖酶的重量比为7:2:1。
15.更优选的，所述果胶酶酶活力500u/mg，所述淀粉酶酶活力50u/mg，所述木聚糖酶酶活力6000u/mg。
16.作为本发明优选的技术方案，s1所述酶解的温度为45℃，时间为30min～2h，且酶解初始调节ph值至5。
17.更优选的，酶解时间为2h。
18.更有选的，用柠檬酸调节所述ph值。
19.作为本发明优选的技术方案，s2所述一级纳滤的膜截留分子量为200～800da，二级纳滤的膜截留分子量为150～200da。
20.一级纳滤膜将大部分甜菜粗多糖，而使甜菜碱、双糖(含蔗糖)和单糖(含葡萄糖)透过；透过的成分再经二级纳滤膜进行分离，将蔗糖截留而使甜菜碱和单糖透过。经过两级纳滤实现甜菜多糖、蔗糖和甜菜碱的有效分离。
21.更优选的，一级纳滤和二级纳滤的装置压力为1.0～8.0mpa，ph9.0～10.0，温度35～55℃，时间60min。
22.更优选的，一级纳滤和二级纳滤的装置压力为3.0mpa，温度55℃。
23.作为本发明优选的技术方案，s1所述甜菜浸出液为甜菜洗净切丝后经水提取，在渗出器中渗出，在旋液器中除杂所得。
24.作为本发明优选的技术方案，s2所述超滤膜孔径为15kda，将酶解浸出液静置30min以上，取上清液过超滤膜。
25.作为本发明优选的技术方案，s2所述活性炭脱色将ph值控制在9～10，温度50℃，时间15min。
26.作为本发明优选的技术方案，还包括后处理步骤：s2所得甜菜多糖浓缩液，经浓缩、冷冻干燥，得甜菜多糖；所得甜菜碱浓缩液，经浓缩、冷冻干燥，得甜菜碱；所得蔗糖浓缩液浸入制糖工序制备蔗糖。
27.更优选的，甜菜多糖浓缩温度为75～80℃，浓缩真空度0.1mpa，冷冻干燥真空度0.1kpa，温度-40℃，时间48h；甜菜碱浓缩温度70℃，浓缩真空度0.1mpa，冷冻干燥真空度0.1kpa，温度-40℃，时间48h。
28.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明(1)采用低温酶解过程，极大保留了甜菜多糖，避免高温引起的多糖分解；(2)对浸出液中的果胶进行酶解，极大降低了料液粘度，从而降低膜操作的压力，降低所需能耗；(3)利用活性炭吸附色素，增加甜菜多糖和甜菜碱的纯度。本发明方法主要特征是高效环保、提高原料转化率，是一种从甜菜浸出液中连续回收不同分子量有效活性成分的方法，既能满足制糖工艺需求，也能充分利用资源，同时减少环境污染。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
30.图1附图为本发明实施例1分离浓缩工艺流程图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
32.实施例中未详细阐述的原料、设备均为市售常规生产试验设备，在此不再赘述。
33.实施例1
34.一种复合酶耦合连续纳滤膜分离甜菜多糖和甜菜碱的方法，具体步骤如下(参见附图1)：
35.(1)预处理：甜菜洗净切丝后以水为提取液，在渗出器中连续渗出，在旋液器中除杂，得到甜菜浸出液。
36.(2)复合酶解：往甜菜浸出液中加入3
‰
(w/v)的复合酶(果胶酶：淀粉酶：木聚糖酶＝7:2:1)，充分混合后，用柠檬酸调整料液ph＝5，加温至45℃酶解2h，得到酶解浸出液。本实施例酶解罐处理量为300m3/h。
37.(3)澄清脱色：酶解浸出液自然沉降30min，取上清液经过超滤膜澄清和活性炭脱色；超滤膜型号为管式超滤膜，膜后压保持在0.2mpa。
38.(4)连续纳滤膜工艺：澄清脱色后的料液经过两级卷式纳滤膜，膜前压控制在3～7mpa之间，料液经过一级纳滤后，得截留液1(甜菜多糖浓缩液)和透过液1；透过液1进入二级纳滤，得透过液2(甜菜碱浓缩液)和截留液2，截留液2为蔗糖浓缩液继续进入制糖工艺。
39.(5)浓缩干燥：对截留液1进行浓缩，浓缩温度为75～80℃，真空度0.1mpa，浓缩至料液可溶性固形物含量在20～25
°
，再经真空度0.1kpa，温度-40℃冷冻干燥48h得甜菜多糖干品
ⅴ
。
40.对透过液2进行浓缩，浓缩温度为70℃，真空度0.1mpa，浓缩至料液可溶性固形物含量在20～25
°
，再经真空度为0.1kpa，温度-40℃冷冻干燥48h得甜菜碱粗干品
ⅴ
。
41.本实施例在酶解过程中，分别于15min、30min、60min、90min、120min和150min采样测试悬浮物沉降时间和悬浮物量。沉降物量为充分沉降后底部悬浮物体积。充分沉降后测上清液与沉降物重量比，分别为1.5ml/50ml(ph＝5.0)，3ml/50ml(ph＝4.9)，4ml/50ml(ph＝4.8)，5ml/50ml(ph＝4.6)，9ml/50ml(ph＝4.4)和10ml/50ml(ph＝4.4)。可见，120min时沉降效果明显，随着酶解时间的延长，果胶分解后，之前被果胶包裹的易沉降固体析出，加之絮凝作用，使酶解后甜菜浸出液的沉降性能大大改善。
42.对比例1
43.考查不同的酶处理且不经连续纳滤膜的效果
44.(1)预处理：甜菜洗净切丝后以水为提取液，在渗出器中渗出，在旋液器中除杂，得到甜菜浸出液。
45.(2)酶解：往甜菜浸出液中加入3
‰
(w/v)的酶，充分混合后，用柠檬酸调整料液ph＝5，加温至45℃酶解2h，得到酶解浸出液。本实施例酶解罐处理量为300m3/h。
46.不同酶处理后料液粘度变化见表1。
47.表1
[0048][0049]
注：复合酶ⅰ为果胶酶：纤维素酶＝8:2，复合酶ⅱ为果胶酶：淀粉酶：木聚糖酶＝7:2:1。本发明实施例和对比例所用酶的活力为：果胶酶500u/mg、纤维素酶50u/mg、淀粉酶50u/mg和木聚糖酶6000u/mg。
[0050]
(3)澄清脱色：由于上步骤酶解以复合酶ⅰ和复合酶ⅱ效果最好，因此分别收集复合酶ⅰ和复合酶ⅱ的酶解浸出液静置沉降30min，分别取上清液经过超滤膜澄清和活性炭脱色；超滤膜型号为管式超滤膜，膜后压保持在0.2mpa。
[0051]
(4)浓缩干燥：将复合酶ⅰ的脱色后料液在80℃、真空度0.1mpa浓缩干燥至料液可溶性固形物含量在20～25
°
，再经真空度0.1kpa温度-40℃冷冻干燥48h得到甜菜多糖和甜菜碱混合粗干品ⅰ。
[0052]
将复合酶ⅱ的脱色后料液在80℃、真空度0.1mpa浓缩干燥至料液可溶性固形物含量在20～25
°
，再经真空度0.1kpa温度-40℃冷冻干燥48h得到甜菜多糖和甜菜碱混合粗干品ⅱ。
[0053]
对比例2
[0054]
考察不经酶解的效果
[0055]
(1)预处理：甜菜洗净切丝后以水为提取液，在渗出器中渗出，在旋液器中除杂，得到甜菜浸出液。
[0056]
(2)澄清脱色：甜菜浸出液经过超滤膜澄清和活性炭脱色；超滤膜型号为管式超滤膜，膜后压保持在0.6mpa。
[0057]
(3)连续纳滤膜工艺：澄清脱色后的料液经过两级卷式超滤膜，膜前压控制在5～9mpa之间，料液经过一级纳滤后，得截留液1(甜菜多糖浓缩液)和透过液1；透过液1进入二级纳滤，得透过液2(甜菜碱浓缩液)和截留液2，截留液2为蔗糖浓缩液继续进入制糖工艺。
[0058]
(5)浓缩干燥：对截留液1进行浓缩，浓缩温度为75～80℃、真空度0.1mpa，浓缩至料液可溶性固形物含量在20～25
°
，再经真空度0.1kpa，温度-40℃冷冻干燥48h，得甜菜多糖干品ⅲ。
[0059]
对透过液2进行浓缩，浓缩温度为70℃、真空度0.1mpa，浓缩至料液可溶性固形物含量在20～25
°
，再经真空度0.1kpa，温度-40℃冷冻干燥48h，得甜菜碱粗干品ⅲ。
[0060]
对比例3
[0061]
考察不同种类复合酶 多级纳滤的效果
[0062]
(1)预处理：甜菜洗净切丝后以水为提取液，在渗出器中渗出，在旋液器中除杂，得
到甜菜浸出液。
[0063]
(2)复合酶解：往甜菜浸出液中加入3
‰
(w/v)的复合酶(果胶酶：纤维素酶＝8:2)，充分混合后，用柠檬酸调整料液ph＝5，加温至45℃酶解2h，得到酶解浸出液。本实施例酶解罐处理量为300m3/h。
[0064]
(3)澄清脱色：酶解浸出液静置沉降30min，取上清液经过超滤膜澄清和活性炭脱色；超滤膜型号为管式超滤膜，膜后压保持在0.2mpa。
[0065]
(4)连续纳滤膜工艺：澄清脱色后的料液经过两级卷式超滤膜，膜前压控制在3～7mpa之间，料液经过一级纳滤后，得截留液1(甜菜多糖浓缩液)和透过液1；透过液1进入二级纳滤，得透过液2(甜菜碱浓缩液)和截留液2，截留液2为蔗糖浓缩液继续进入制糖工艺。
[0066]
(5)浓缩干燥：对截留液1进行浓缩，浓缩温度为75～80℃、真空度0.1mpa，浓缩至料液可溶性固形物含量在20～25
°
，再经真空度0.1kpa，温度-40℃冷冻干燥48h，得甜菜多糖干品ⅳ。
[0067]
对透过液2进行浓缩，浓缩温度为70℃、真空度0.1mpa，浓缩至料液可溶性固形物含量在20～25
°
，再经真空度0.1kpa，温度-40℃冷冻干燥48h，得甜菜碱粗干品ⅳ。
[0068]
实施例2
[0069]
对实施例1和对比例1-3所得甜菜多糖干品和甜菜碱干品或甜菜多糖和甜菜碱混合粗品的多糖和甜菜碱含量进行检测，所得结果见表2。
[0070]
用苯酚硫酸法测粗多糖得率(粗多糖质量g/原料重量g
×
100％)，hplc法测冻干粗品中甜菜碱纯度(甜菜碱质量g/粗品重量/g
×
100％)；甜菜碱得率(甜菜碱质量g/原料重量g
×
100％)，收率(甜菜碱甜菜多糖总重量g/原料重量g
×
100％)。
[0071]
表2
[0072][0073][0074]
以上结果可见，由于复合酶ⅰ和ⅱ处理后，渗出液中的单糖、双糖以及果胶酶解产物(半乳糖醛酸)等同多糖物质一同进入超滤阶段，并作为滤液一同滤出，未能起到分离多糖和甜菜碱的作用，且大量的单糖、各种小分子色素、离子、部分其它可溶有机物混杂一起，导致苯酚硫酸法测得结果偏高，而且甜菜碱纯度较低。仅纳滤处理时，超滤阶段中大量果胶在浸出汁内，部分溶解在水中，部分以悬浮状态存在，且裹携大量易沉降固体，因此大量果胶被超滤膜截留，导致超滤膜通量较低，效率较低，最终导致纳滤工段多糖截留率较低，含
杂率高。本发明中复合酶耦合连续纳滤膜工艺不仅可以从甜菜渗出汁中连续分离甜菜多糖和甜菜碱，回收率高，而且降低膜压，增加膜使用寿命，降低能耗，适用持久的制糖工艺需求。
[0075]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0076]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。