[发明专利]利用微生物生产低聚木糖的新方法

说明书

技术领域

本发明属于微生物酶工程技术应用领域，用于以玉米芯为原料生产低聚木糖，特别涉及利用微生物生产低聚木糖的新方法。

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糖苷键连接而成的低聚糖，以木二糖和木三糖为主。低聚木糖天然存在于竹根、水果、蔬菜、牛乳和蜂蜜中，但含量都非常少。用于生产低聚木糖的主要原料有硬木、玉米芯、锯屑、蔗渣、甜菜渣、谷壳、麸皮等。低聚木糖的甜度约为蔗糖的40％，甜味纯正，干品呈浅褐色或淡黄色粉末状，在PH 0.8-1.5时不降解，酸稳定性极高，不吸湿返潮，流动性颇佳，并具有优良的生理活性和良好的热稳定性，是目前所有低聚糖中增殖双歧杆菌效价比最高的益菌因子，被称为“超强双歧因子”，其功效是大豆低聚糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖等其他聚合糖类的10-20倍。低聚木糖活化益生菌的用量最小，被公认为是功能性最强、应用范围最广的功能性低聚糖之一。从20世纪60年代起，低聚木糖的制备就成为世界各国研发的热点，但在相当长一段时间内未解决其生产问题，直到1989年日本三得利(Suntory)公司取得关键性技术突破，实现了低聚木糖工业化生产，并被广泛应用于食品工业、医药保健品等行业中。低聚木糖作为饲料添加剂的研究要晚一些，相关研究结果表明，低聚木糖在动物体内表现出高选择性促进双歧杆菌增殖的显著功能，可促进动物消化道内有益菌的繁殖、抑制有害菌生长、改善微生物菌群平衡、防止病原菌定值肠道以减少其对动物机体造成的毒害；可激活或促进动物机体细胞和体液的免疫功能、减少血氨浓度、提高免疫力和抗体反应能力，从而加强疫苗的保护效能；同时，低聚木糖对大肠杆菌、沙门氏菌有较好的抑制作用，可预防和防止腹泻；双歧杆菌发酵低聚木糖产生大量的短链脂肪酸(醋酸、乳酸)，能刺激肠道蠕动，增加粪便湿润度，并保持一定的渗透压，从而防止便秘的发生；另外，低聚木糖的加入可起到改善饲料利用率、增进矿物质吸收、提高动物生产性能以及替代抗生素的多种功效。低聚木糖在饲料中综合效能的表现使其成为近几年饲料添加剂的主要研究方向之一，尤其是随着对滥用抗生素带来越来越大的副作用的研究的深入，许多国家纷纷立法禁止抗生素作为饲料添加剂使用，而具有抗生素替代作用的微生态制剂的益生菌和益生元成为各国饲料工业中的研究热点。低聚木糖属于益生元(Prebiotics)类，它为消化道已有的有益细菌直接提供可发酵底物，使有益菌-双歧杆菌大量增加，进而调节消化道的微生态平衡，对于动物健康和生产性能的促进作用可以部分或全部替代抗生素。

我国对低聚木糖的研究及生产起步较晚，在“八五”、“九五”期间立项进行研究和攻关，到2000年才首次实现低聚木糖工业化生产，成为世界上第二个可以规模生产高纯度低聚木糖的国家，此时世界主要发达国家的低聚木糖年产量已达到30多万吨。2009年我国饲料的总产量达到1.37亿吨，其中浓缩饲料达到2708万吨，预混合饲料达到595万吨，对饲料添加剂会有相当大的需求，低聚木糖饲料添加剂亦将占据很大比例，其市场需求量巨大。

工业化生产低聚木糖一般以木质纤维素类物质为原料，如富含木聚糖的玉米芯、甘蔗渣、棉子壳、燕麦、桦木等农作物，它们的组成相似，均由木质素、纤维素和半纤维素三种聚合物组成。根据对原料或中间产物木聚糖所采用的处理方式不同，低聚木糖的生产方法分为三类：

1、化学法生产低聚木糖。用富含木聚糖的原料经化学溶剂处理制取低聚木糖，最常见的原料处理是碱法和酸法：碱法制取低聚木糖的不足是使用大量的碱造成设备腐蚀和环境污染；酸法制取低聚木糖的提取液中木糖比例很高，不能满足低聚木糖的生产要求，提取过程会产生许多副反应，生成一些可能致癌物质，从而影响到产品的安全性。

2、酶法生产低聚木糖。即利用酶发酵富含木聚糖的木质纤维素原料生产低聚木糖。酶法生产低聚木糖，以棉子壳、甘蔗渣、玉米芯、稻草、燕麦壳和花生壳等天然纤维物质为原料，采用木聚糖酶分解木聚糖，使之产生低聚木糖，再经脱色、脱盐、浓缩精制等处理，得到低聚木糖糖浆状产品，若在糖浆中添加糊精等赋形剂，再经喷雾干燥，可制成粉状产品。本法由于底物不溶于水，因此反应在固液相上进行，酶促反应比较困难，而且木聚糖酶的基质亲和性会产生吸附现象，造成酶回收十分困难。

3、化学-酶联合法生产低聚木糖。由于水溶性木聚糖比不溶性木聚糖更容易酶解，先采用蒸煮或热水抽取、酸抽取、碱抽取、蒸汽喷爆等方法，从植物原料中提取木聚糖，精制得到水溶性木聚糖，然后经木聚糖酶水解得到低聚木糖粗液，再经脱色、脱盐、浓缩后得到低聚木糖产品。此法目前工业化生产低聚木糖比较常用。