本發(fā)明涉及生物技術領域，特別涉及一種作物秸稈制備膳食纖維的方法。

背景技術：

膳食纖維主要指來自于植物細胞壁的纖維素、半纖維素、木質素以及樹脂、果膠等不易被消化的成份。膳食纖維是健康飲食不可缺少的，在保持消化系統(tǒng)健康方面扮演著重要的角色。

我國約有10億人應補充膳食纖維。按每人每天補充6克計算，則每年需要220萬噸膳食纖維。而我國現在膳食纖維的年產量不足10萬噸。因此，我國膳食纖維的潛在市場非常大，市場前景非常廣闊，亟待開發(fā)。

目前，國內外均采用小麥麩皮、玉米麩皮、米糠、豆渣、果皮以及魔芋等為原料制備膳食纖維；但與秸稈來源的膳食纖維相比較，其產品的吸水性及潤漲性差一些。

我國每年可收獲作物秸稈9億多噸。據測定，作物秸稈含有的粗纖維（包括纖維素、半纖維素及木質素）總量占干重的質量分數平均達到75-85%，是制備膳食纖維的優(yōu)良原材料。

所述秸稈包括小麥、玉米、水稻、棉花、高粱、大豆、花生、薯類、瓜類等農作物及苜蓿、沙打旺等牧草收獲籽實后剩余的莖、葉、皮（殼）、蔓藤（秧）等以及甘蔗（渣）玉米芯、竹子、蘆葦等。

近年來，國內外對利用秸稈制備膳食纖維的工藝、設備、方法等進行了許多研究工作，如中國專利（CN 105029452 A、CN 105695325 A等）相繼公開了利用小麥、玉米秸稈提取膳食纖維的方法。但目前尚未有工藝簡單、易于推廣、投資少、周期短的秸稈膳食纖維的生產技術。

技術實現要素：

為了彌補現有技術的不足，本發(fā)明提供了一種作物秸稈制備膳食纖維的方法。

本發(fā)明的技術方案為：

一種作物秸稈制備膳食纖維的方法，包括步驟：

1）秸稈經去雜、除塵、揉絲、切段、水洗后置入蒸煮罐；

2）向蒸煮罐中加入秸稈質量1-20倍的水，加入堿至堿液質量濃度為1-10%；通入蒸汽至蒸煮罐內升溫至60-100℃，向蒸煮罐中通入惰性氣體，將蒸煮罐內空氣排凈；然后間歇性向蒸煮罐內通入蒸汽以及惰性氣體，以維持蒸煮罐內溫度為60-100℃、壓力為0.1-0.3MPa，保溫保壓10-120分鐘；

3）將蒸煮罐內的物質釋放出來，并轉移至研磨磨中研磨；

4）固液分離，得濾渣一和濾液一；

5）將濾渣一置入酶解罐，向酶解罐中加入濾渣一質量1-10倍的水，用稀酸調節(jié)pH至4-8，加入復合蛋白酶，間歇1-3分鐘，通入惰性氣體，酶解10-80分鐘；隨后加入常溫型α-淀粉酶，酶解10-80分鐘；然后通入蒸汽升溫至60-70℃，保溫2-20分鐘滅活酶的活性；所述復合蛋白酶由具備內肽酶活性的堿性蛋白酶和具備端肽酶活性的蛋白酶K組成；所述常溫型α-淀粉酶由微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌分泌所得α-淀粉酶，所述常溫型α-淀粉酶的適宜溫度為22-35℃；

6）滅酶后，將酶解罐內的物質釋放出來，固液分離，得濾渣二和濾液二；

7）所得濾渣二用水洗滌若干次，固液分離，并集中收集濾液，得濾渣三和濾液三；

8）濾渣三經干燥、粉碎，即得含有纖維素及木質素的混合纖維；

9）濾液一中加入濾液一體積1-10倍的乙醇，攪拌后穩(wěn)定1-3小時，分離得濾渣四和濾液四；

10）濾渣四采用稀堿液溶解，然后加入稀堿液體積1-10倍的乙醇，攪拌后穩(wěn)定至沉淀析出完全，分離沉淀與清液；

11）步驟10）所得沉淀重復步驟10）的操作若干次，最終分離得濾渣五和濾液五；

12）濾渣五經干燥粉碎得半纖維素成品；

13）半纖維素成品與步驟8）所得含有纖維素及木質素的混合纖維混勻，即得膳食纖維成品。

作為優(yōu)選方案，步驟5）中，所述微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌的獲取步驟具體為：將地衣芽孢桿菌的培養(yǎng)液置于微波發(fā)生器，設置微波功率為850-950W，脈沖頻率為2300MHz，微波處理20s，冷卻20s，依此往復25-35次；將微波處理后的培養(yǎng)液涂布在固體培養(yǎng)基上，30℃條件下培養(yǎng)1-2天，由存活下來的菌落中篩選四株常溫下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢桿菌的變異菌株。

進一步地，選出常溫下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢桿菌的變異菌株擴大培養(yǎng)，從而獲得所述常溫型α-淀粉酶。采用該方法獲得的常溫型α-淀粉酶，在常溫下即可高效酶解淀粉，既降低了能耗，又避免了副反應的發(fā)生。

作為優(yōu)選方案，所述復合蛋白酶中具備內肽酶活性的堿性蛋白酶與具備端肽酶活性的蛋白酶K的比例為1:1-3；所述復合蛋白酶的加入量滿足每千克干基秸稈400-800U，所述常溫型α-淀粉酶的加入量滿足每千克干基秸稈300-700U。

作為優(yōu)選方案，所述堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水或氫氧化鈣。

作為優(yōu)選方案，所述惰性氣體為氮氣、氦氣或氬氣。優(yōu)選為氮氣，氮氣成本低。

作為優(yōu)選方案，步驟8）、步驟12）中所述干燥為噴霧干燥、熱風干燥、流化床干燥或冷凍干燥；干燥溫度小于120℃。

作為優(yōu)選方案，步驟9）、步驟10）中所用乙醇的體積分數為95%。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明對常規(guī)的汽爆分離技術進行了改進，工藝中采用了低溫、高壓條件，并應用了特殊的生物酶，保證了本發(fā)明對秸稈利用的高效率、高質量、高收益。本發(fā)明利用各種秸稈制備膳食纖維得率高，且所得膳食纖維的純度高。

本發(fā)明在實施時，可以新建，也可以充分利用眾多的已經或頻臨倒閉的紙漿、木糖生產型企業(yè)（尤其是中小型紙漿、木糖企業(yè)），在其設備、車間稍加改造后即可生產出合格的膳食纖維；投入小、周期短、易推廣。

具體實施方式

實施例1

一種作物秸稈制備膳食纖維的方法，包括步驟：

1）小麥秸稈經去雜、除塵、揉絲、切段、水洗后置入蒸煮罐；

2）向蒸煮罐中加入秸稈質量10倍的水，加入氨水至堿液質量濃度為6%；通入蒸汽至蒸煮罐內升溫至95℃，向蒸煮罐中通入惰性氣體，將蒸煮罐內空氣排凈；然后間歇性向蒸煮罐內通入蒸汽以及惰性氣體，以維持蒸煮罐內溫度為95℃、壓力為0.3MPa，保溫保壓60分鐘；間歇性通入惰性氣體還可使秸稈在蒸煮罐內均勻分布；

該步驟中，采用較低蒸煮溫度以避免各組份的分解反應、脫水（焦化）反應、剝皮反應等，采用較高壓力（通過通入惰性氣體實現）保證了堿液向秸稈細胞壁間的有效滲透，采用惰性環(huán)境（通入惰性氣體實現）避免了各組份分子基團的氧化反應、乙酰基的酯化反應等，從而保證了各物質的完整性、高得率以及高質量；此步驟用稀堿可以提取出半纖維素并抽提出灰分中的大部分硅質等無機鹽；

3）將蒸煮罐內的物質釋放出來，并轉移至研磨磨（盤磨或膠體磨等）中研磨20分鐘；用機械法破解部分大分子之間的化學鍵連接，利于下一步酶系與物料充分接觸。

4）固液分離，得濾渣一和濾液一；

5）將濾渣一置入酶解罐，向酶解罐中加入濾渣一質量5倍的水，用稀乙酸調節(jié)pH至7，加入復合蛋白酶（500U/千克干基秸稈），間歇1分鐘，通入氮氣1分鐘，酶解40分鐘；隨后加入常溫型α-淀粉酶（400U/千克干基秸稈），酶解30分鐘；然后通入蒸汽升溫至65℃，保溫12分鐘滅活酶的活性；

其中，復合蛋白酶由具備內肽酶活性的堿性蛋白酶和具備端肽酶活性的蛋白酶K組成，復合蛋白酶中具備內肽酶活性的堿性蛋白酶與具備端肽酶活性的蛋白酶K的比例為1: 1；該復合蛋白酶可以在常溫下高效水解蛋白質；

常溫型α-淀粉酶由微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌分泌所得α-淀粉酶；微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌的獲取步驟具體為：將地衣芽孢桿菌的培養(yǎng)液置于微波發(fā)生器，設置微波功率為900W，脈沖頻率為2300MHz，微波處理20s，冷卻20s，依此往復30次；將微波處理后的培養(yǎng)液涂布在固體培養(yǎng)基上，30℃條件下培養(yǎng)1-2天，由存活下來的菌落中篩選四株常溫下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢桿菌的變異菌株。選出常溫下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢桿菌的變異菌株擴大培養(yǎng)，從而獲得常溫型α-淀粉酶；常溫型α-淀粉酶在22-35℃溫度下高效率地水解淀粉，不必像目前大多采用的高溫型α-淀粉酶需要高溫（80-90℃）條件，因而減少了能耗也降低了對設備的要求，同時極大減少了副反應的發(fā)生；此處用酶法可以柔和地將蛋白質、淀粉水解成小分子的肽類、氨基酸、麥芽糖、葡萄糖等進入濾液中，從而成功脫除蛋白質和淀粉；以保證膳食纖維的純度。

6）滅酶后，將酶解罐內的物質釋放出來，采用壓濾機壓濾，固液分離，得濾渣二和濾液二；

7）所得濾渣二用水洗滌兩次，固液分離，并集中收集濾液，得濾渣三和濾液三；

8）濾渣三經熱風干燥（溫度低于120℃）、粉碎，即得含有纖維素及木質素的混合纖維；

9）濾液一中加入濾液一體積5倍的95%的乙醇，攪拌15分鐘，穩(wěn)定1.5小時，分離得濾渣四和濾液四；

10）濾渣四采用稀氨水溶解，然后加入稀氨水體積5倍的95%的乙醇，攪拌后穩(wěn)定至沉淀析出完全，分離沉淀與清液；

11）步驟10）所得沉淀重復步驟10）的操作兩次，最終分離得濾渣五和濾液五；

12）濾渣五經熱風干燥（溫度低于120℃）、粉碎得半纖維素成品；

13）半纖維素成品與步驟8）所得含有纖維素及木質素的混合纖維混勻，即得膳食纖維成品。

依據國家標準GB/T 5009.88—2008（食品中膳食纖維的測定）進行檢測。結果表明，上述小麥秸稈的膳食纖維得率85%、小麥秸稈的膳食纖維純度90%；其余各項指標均符合膳食纖維國標要求。

另外，整個工藝中的乙醇可回收再利用。

實施例2

一種作物秸稈制備膳食纖維的方法，包括步驟：

1）玉米秸稈經去雜、除塵、揉絲、切段、水洗后置入蒸煮罐；

2）向蒸煮罐中加入秸稈質量8倍的水，加入氫氧化鉀至堿液質量濃度為8%；通入蒸汽至蒸煮罐內升溫至90℃，向蒸煮罐中通入惰性氣體氮氣，將蒸煮罐內空氣排凈；然后間歇性向蒸煮罐內通入蒸汽以及惰性氣體氮氣，以維持蒸煮罐內溫度為90℃、壓力為0.2MPa，保溫保壓90分鐘；間歇性通入惰性氣體還可使秸稈在蒸煮罐內均勻分布；

該步驟中，采用較低蒸煮溫度以避免各組份的分解反應、脫水（焦化）反應、剝皮反應等，采用較高壓力（通過通入惰性氣體實現）保證了堿液向秸稈細胞壁間的有效滲透，采用惰性環(huán)境（通入惰性氣體實現）避免了各組份分子基團的氧化反應、乙?；孽セ磻?，從而保證各個物質的完整性、高得率以及高質量；此步驟用稀堿可以提取出半纖維素并抽提出灰分中的大部分硅質等無機鹽；

3）將蒸煮罐內的物質釋放出來，并轉移至研磨磨（盤磨或膠體磨等）中研磨20分鐘；用機械法破解部分大分子之間的化學鍵連接，利于下一步酶系與物料充分接觸。

4）固液分離，得濾渣一和濾液一；

5）將濾渣一置入酶解罐，向酶解罐中加入濾渣一質量5倍的水，用稀硝酸調節(jié)pH至7.2，加入復合蛋白酶（600U/千克干基秸稈），間歇1分鐘，通入氮氣1分鐘，酶解50分鐘；隨后加入常溫型α-淀粉酶（500U/千克干基秸稈），酶解45分鐘；然后通入蒸汽升溫至70℃，保溫12分鐘滅活酶的活性；

其中，復合蛋白酶由具備內肽酶活性的堿性蛋白酶和具備端肽酶活性的蛋白酶K組成，復合蛋白酶中具備內肽酶活性的堿性蛋白酶與具備端肽酶活性的蛋白酶K的比例為1: 2；該復合蛋白酶可以在常溫條件下高效率水解蛋白質；常溫型α-淀粉酶由微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌分泌所得α-淀粉酶；微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌的獲取步驟具體為：將地衣芽孢桿菌的培養(yǎng)液置于微波發(fā)生器，設置微波功率為900W，脈沖頻率為2300MHz，微波處理20s，冷卻20s，依此往復30次；將微波處理后的培養(yǎng)液涂布在固體培養(yǎng)基上，30℃條件下培養(yǎng)1-2天，由存活下來的菌落中篩選四株常溫下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢桿菌的變異菌株。選出常溫下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢桿菌的變異菌株擴大培養(yǎng)，從而獲得常溫型α-淀粉酶；常溫型α-淀粉酶在22-35℃溫度下高效率地水解淀粉，不必像目前大多采用的高溫型α-淀粉酶需要高溫（80-90℃）條件，因而減少了能耗也降低了對設備的要求，同時極大減少了副反應的發(fā)生；此處用酶法可以柔和地將蛋白質、淀粉水解成小分子的肽類、氨基酸、麥芽糖、葡萄糖等進入濾液中，從而成功脫除蛋白質和淀粉；以保證膳食纖維的純度。

6）滅酶后，將酶解罐內的物質釋放出來，采用壓濾機壓濾，固液分離，得濾渣二和濾液二；

7）所得濾渣二用水洗滌兩次，固液分離，并集中收集濾液，得濾渣三和濾液三；

8）濾渣三經流化床干燥（溫度低于120℃）、粉碎，即得含有纖維素及木質素的混合纖維；

9）濾液一中加入濾液一體積6倍的95%的乙醇，攪拌10分鐘，穩(wěn)定2小時，分離得濾渣四和濾液四；

10）濾渣四采用稀氫氧化鉀溶液溶解，然后加入稀氫氧化鉀溶液體積5倍的95%的乙醇，攪拌后穩(wěn)定至沉淀析出完全，分離沉淀與清液；

11）步驟10）所得沉淀重復步驟10）的操作兩次，最終分離得濾渣五和濾液五；

12）濾渣五經流化床干燥（溫度低于120℃）、粉碎得半纖維素成品；

13）半纖維素成品與步驟8）所得含有纖維素及木質素的混合纖維混勻，即得膳食纖維成品。

依據國家標準GB/T 5009.88—2008（食品中膳食纖維的測定）進行檢測。結果表明，上述玉米秸稈的膳食纖維得率86%、玉米秸稈的膳食纖維純度92%；其余各項指標均符合膳食纖維國標要求。

另外，整個工藝中的乙醇可回收再利用。

實施例3

一種作物秸稈制備膳食纖維的方法，包括步驟：

1）蘆葦經去雜、除塵、揉絲、切段、水洗后置入蒸煮罐；

2）向蒸煮罐中加入蘆葦質量12倍的水，加入氨水至堿液質量濃度為6%；通入蒸汽至蒸煮罐內升溫至92.5℃，向蒸煮罐中通入惰性氣體，將蒸煮罐內空氣排凈；然后間歇性向蒸煮罐內通入蒸汽以及惰性氣體，以維持蒸煮罐內溫度為92.5℃、壓力為0.4MPa，保溫保壓70分鐘；間歇性通入惰性氣體還可使物料在蒸煮罐內均勻分布；

該步驟中，采用較低蒸煮溫度以避免各組份的分解反應、脫水（焦化）反應、剝皮反應等，采用較高壓力（通過通入惰性氣體實現）保證了堿液向蘆葦細胞壁間的有效滲透，采用惰性環(huán)境（通入惰性氣體實現）避免了各組份分子基團的氧化反應、乙?；孽セ磻龋瑥亩ＷC了各物質的完整性、高得率以及高質量；此步驟用稀堿可以提取出半纖維素并抽提出灰分中的大部分硅質等無機鹽；

3）將蒸煮罐內的物質釋放出來，并轉移至研磨磨（盤磨或膠體磨等）中研磨25分鐘；用機械法破解部分大分子之間的化學鍵連接，利于下一步酶系與物料充分接觸。

4）固液分離，得濾渣一和濾液一；

5）將濾渣一置入酶解罐，向酶解罐中加入濾渣一質量6倍的水，用稀乙酸調節(jié)pH至7.1，加入復合蛋白酶（550U/千克干基秸稈），間歇1分鐘，通入氮氣1分鐘，酶解40分鐘；隨后加入常溫型α-淀粉酶（450U/千克干基秸稈），酶解30分鐘；然后通入蒸汽升溫至65℃，保溫14分鐘滅活酶的活性；

其中，復合蛋白酶由具備內肽酶活性的堿性蛋白酶和具備端肽酶活性的蛋白酶K組成，復合蛋白酶中具備內肽酶活性的堿性蛋白酶與具備端肽酶活性的蛋白酶K的比例為1: 1.5；該復合蛋白酶可以在常溫下高效水解蛋白質；

常溫型α-淀粉酶由微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌分泌所得α-淀粉酶；微波誘導所得變異地衣芽孢桿菌的獲取步驟具體為：將地衣芽孢桿菌的培養(yǎng)液置于微波發(fā)生器，設置微波功率為900W，脈沖頻率為2300MHz，微波處理20s，冷卻20s，依此往復30次；將微波處理后的培養(yǎng)液涂布在固體培養(yǎng)基上，30℃條件下培養(yǎng)1-2天，由存活下來的菌落中篩選四株常溫下α-淀粉酶活性高的地衣芽孢桿菌的變異菌株。選出常溫下α-淀粉酶活性最高的地衣芽孢桿菌的變異菌株擴大培養(yǎng)，從而獲得常溫型α-淀粉酶；常溫型α-淀粉酶在22-35℃溫度下高效率地水解淀粉，不必像目前大多采用的高溫型α-淀粉酶需要高溫（80-90℃）條件，因而減少了能耗也降低了對設備的要求，同時極大減少了副反應的發(fā)生；此處用酶法可以柔和地將蛋白質、淀粉水解成小分子的肽類、氨基酸、麥芽糖、葡萄糖等進入濾液中，從而成功脫除蛋白質和淀粉；以保證膳食纖維的純度。

6）滅酶后，將酶解罐內的物質釋放出來，采用壓濾機壓濾，固液分離，得濾渣二和濾液二；

7）所得濾渣二用水洗滌兩次，固液分離，并集中收集濾液，得濾渣三和濾液三；

8）濾渣三經熱風干燥（溫度低于120℃）、粉碎，即得含有纖維素及木質素的混合纖維；

9）濾液一中加入濾液一體積4倍的95%的乙醇，攪拌12分鐘，穩(wěn)定2小時，分離得濾渣四和濾液四；

10）濾渣四采用稀氨水溶解，然后加入稀氨水體積4倍的95%的乙醇，攪拌后穩(wěn)定至沉淀析出完全，分離沉淀與清液；

11）步驟10）所得沉淀重復步驟10）的操作兩次，最終分離得濾渣五和濾液五；

12）濾渣五經熱風干燥（溫度低于120℃）、粉碎得半纖維素成品；

13）半纖維素成品與步驟8）所得含有纖維素及木質素的混合纖維混勻，即得膳食纖維成品。

依據國家標準GB/T 5009.88—2008（食品中膳食纖維的測定）進行檢測。結果表明，上述蘆葦的膳食纖維得率89%、蘆葦的膳食纖維純度94%；其余各項指標均符合膳食纖維國標要求。

另外，整個工藝中的乙醇可回收再利用。