一种棉籽糖的渗漉提取方法 【技术领域】
本发明涉及一种棉籽糖的提取方法，属化学工程技术领域。
背景技术
棉籽糖(Raffinose)又称蜜三糖(Melitriose)、棉子糖，由半乳糖、葡萄糖和果糖结合而成，属低聚糖，系非还原糖。经研究发现，棉子糖是人体肠道中双歧杆菌、嗜酸乳酸杆菌等有益菌极好的营养源，能促进它们的增殖，从而抑制肠道内腐败菌的生长，并减少有毒发酵产物的形成。双歧杆菌发酵棉籽糖产生大量的短链脂肪酸，能刺激肠道蠕动、增加粪便润湿度并保持一定的渗透压，从而防止便秘的发生。此外，棉籽糖能改善人体的消化功能，促进人体对钙的吸收，从而增强人体免疫力，对预防疾病和抗衰老具有明显效果。棉子糖还可作为人体和动物活器官移植用保护输送液的主要成分及延长活菌体在常温下存活期的增效剂。棉籽糖的耐酸、耐热性好，在90％的相对湿度下也不会吸湿结块，其本身可作为食品添加剂使用，改善食品的加工特性，防止产品褐变，提高产品质量，延长产品的保质期。棉籽糖因具有优良的理化性能及生理活性，目前已被广泛用于食品、医药及化妆品等行业。
棉籽糖在自然界的分布很广，是除蔗糖外在植物中分布最广的低聚糖，它广泛存在于甜菜、棉籽、蜂蜜、卷心菜、酵母、马铃薯、葡萄、麦类、玉米以及豆科植物的种子中，其中在棉籽中的含量最高，约为4～9％。棉籽仁在被提取棉籽油后产生大量的副产品——脱脂棉籽粕，脱脂棉籽粕中棉籽糖的含量基本保持不变，因此，脱脂棉籽粕饼是工业上生产棉籽糖的极佳原料。
现有技术中，从脱脂棉籽粕中生产棉籽糖，通常将不含色素的棉籽糖提取液直接浓缩结晶后多次重结晶得到。如张大煜等人(从无腺体棉籽中提取棉籽糖的研究，中国油脂，1996，5，7-9)公开的从无腺体棉籽中提取棉籽糖的工艺，棉籽糖的提取率为58.8％，产品纯度为97％以上。中国专利申请200710014172.4公开的一种自棉籽粕中提取棉籽糖的方法，棉籽糖产物收率也很低。由于脱脂棉籽粕中包括棉籽糖、蛋白、盐分、棉酚色素以及单糖和蔗糖等，溶剂提取后，其中的蛋白、盐分、棉酚色素以及其它的单糖或蔗糖等杂质仍然存在，而这些杂质的存在会导致棉籽糖结晶困难，如果在棉籽糖结晶精制前不预先除去这些杂质，则必须通过多次重结晶才能获得高纯度棉籽糖，这样必定导致较低的棉籽糖收率。即便是从无腺体脱脂棉中提取棉籽糖(不需要经过脱色处理)的提取率也低于60％，该方法的生产工艺中物料浪费严重，不能用于工业化规模生产。
因此，为了实现从脱脂棉籽粕中工业化生产高纯度棉籽糖，需要减少成本、提高收率、简化流程，可以从以下几个方面进行考虑：(1)在用有机溶剂从脱脂棉籽粕中浸取获得棉籽糖提取液的过程中，采用低生产成本、高棉籽糖提取率的方法；(2)在对棉籽糖结晶精制前，对棉籽糖提取液进行提纯，即对棉籽糖提取液进行脱色、脱蛋白、脱盐、以及除去单糖和蔗糖等处理，并尽可能采用优化的提纯工艺；(3)采用优化的棉籽糖精制工艺。
现有技术中，从脱脂棉籽粕获得棉籽糖的提取方法主要有水提法、含水有机溶剂提取法和酶解-醇溶液提取法等。目前，从脱脂棉籽粕中提取棉籽糖，最常用的方法是以醇溶液作为提取溶剂，对脱脂棉籽粕采用静态浸取法进行提取。如王兴国等人(脱脂棉籽粕中棉籽糖提取方法的研究，中国油脂，2005，3，57-60)公开了一种棉籽粕中棉籽糖浸出工艺，以乙醇溶液作为提取溶剂，在一定温度下搅拌提取后分离出提取溶液。多次浸提后，合并提取溶液并过滤，得到棉籽糖提取液。该静态浸取法中溶剂用量大，给溶剂回收造成困难并造成溶剂浪费，同时溶剂的利用率低，有效成分浸出不完全，为保证有较高的提取率，一般需要长时间和反复多次的提取，导致提取物中杂质含量上升，成分变复杂，后续分离纯化困难，难以制备高纯度产品。因此，采用现有的常用技术利用提取溶剂从脱脂棉籽粕中提取获得棉籽糖提取液的方法，不能兼顾高提取率和低成本，尤其是溶剂消耗巨大，回收溶剂的成本亦随之升高。
现有技术中，对棉籽糖提取液进行提纯的相关报道，主要是对单一的其中某类杂质除去方法的分别报道。如：(1)除去色素：棉籽糖提取液的脱色方法主要是应用粉末活性炭脱色。梁立新等人(棉籽双液相萃取工艺甲醇相中棉子糖提取液的脱色，食品与发酵工业，2007，4，73-76)和金青哲等人(棉籽糖提取液的脱色与棉酚去除，中国油脂，2005，4，47-49)公开了一种将粉末活性炭加入装有棉籽糖提取液的釜式反应器中静态脱色的方法，脱色完成后从溶液中分离出活性炭得到脱色液；(2)除去盐分：脱盐主要采用离子交换树脂和纳滤脱盐(洛铁男等，离子交换树脂在糖汁脱盐中的应用，中国甜菜糖业，2000，1，3-5；王晓琳等，应用纳滤膜分离糖和盐的实验研究，膜科学与技术，2001，1，44-48)；(3)除去蛋白：主要采用超滤膜分离，如梁立新等人(棉籽双液相萃取工艺甲醇相中棉子糖提取液的脱色，食品与发酵工业，2007，4，73-76)报道了一种通过加入醋酸铅使蛋白变性沉淀，再采用超滤膜分离完成对棉子糖提取液脱蛋白处理的方法；(4)通常的除去单糖和蔗糖的工艺，是在结晶的过程中同时完成的。这些方法只能除去单一的杂质，而且其本身存在这样那样的问题，主要有：如(1)中需要使用大量的粉末活性炭才能达到满意的脱色效果，同时粉末活性炭不能重复利用，并易残留于脱色后溶液中难以完成除去；(2)中的离子交换树脂柱树脂再生时会产生大量的废酸和废碱，造成环境污染，而纳滤膜分离所用的设备投资大，分离膜易污染寿命短；(3)中醋酸铅的使用会带来重金属残留，超滤膜分离所用的设备投资大，分离膜易污染寿命短；(4)中结晶中除去单糖与蔗糖，意味着最终获得高纯度棉籽糖必须通过多次重结晶实现，导致低的棉籽糖收率，因此，如果仅仅将现有技术中除去色素、盐分、蛋白、单糖和蔗糖等这一系列的工序简单结合进行提纯棉籽糖提取液，仍然不能获得理想的棉籽糖收率。棉籽糖提纯过程尚需要进一步的优化和简化。
现有技术中，棉籽糖精制工艺，通常采用结晶或沉淀实现。美国专利US6224684公开了以纯水作为结晶溶剂，在一种带循环装置的结晶器中结晶棉籽糖的方法和装置。该发明中，采用纯水作为结晶溶剂，初始棉籽糖的质量百分浓度为60％，在结晶过程中，由于棉籽糖在纯水中的溶解度大，使得结晶溶液的粘度过大，造成结晶速率下降，仅降温时间就需50小时之多，同时最终棉籽糖的收率也较低。
总的来说，在现有技术条件下，要实现从脱脂棉籽粕中工业化(低成本、高收率、简单流程)生产高纯度棉籽糖，需要分别或整体上对棉籽糖提取方法、棉籽糖提取液提纯过程和棉籽糖精制工艺进行改进，其中对棉籽糖提取方法的改进显得尤其重要，因为棉籽糖提取液中的成分决定了后续的提纯和精制过程的难度。一种工艺简单的、具有高棉籽提取率的从脱脂棉籽粕中提取棉籽糖的方法，获得的棉籽糖提取液中棉籽糖的含量高，杂质的种类和含量少，可有助于简化提纯和精制过程，并同时提高提纯和精制过程中棉籽糖的收率，最终提高(高纯度)棉籽糖产物的收率。
【发明内容】
本发明主要针对以脱脂棉籽粕为原料进行提取得到棉籽糖提取液的方法的改进，旨在提供一种对脱脂棉籽粕中的棉籽糖提取率高、提取溶剂消耗少、操作简单的提取方法。
一种棉籽糖的渗漉提取方法，包括以脱脂棉籽粕为原料利用提取溶剂提取，得到的提取液经提纯和后处理得到棉籽糖，其特征在于，所述的利用提取溶剂提取的过程如下：
(1)将原料脱脂棉籽粕装填入渗漉柱，向渗漉柱中加入提取溶剂，在50～70℃浸泡30～60分钟，加入的提取溶剂的体积为脱脂棉籽粕堆积体积的0.6～1倍。
(2)保温状态下，在渗漉柱中进行渗漉操作，在收集渗漉液的同时向渗漉柱中连续补加提取溶剂，直至收集到的渗漉液的体积为脱脂棉籽粕堆积体积的3～5倍。
脱脂棉籽粕堆积体积：将脱脂棉籽粕装填入渗漉柱，脱脂棉籽粕处于自由堆积状态下的体积，其表观密度为堆积密度；脱脂棉籽粕的堆积密度约为0.77g/ml，即每公斤脱脂棉籽粕堆积体积约为1300ml。
本发明优选采用体积百分浓度为70～85％的甲醇水溶液或体积百分浓度为70～85％的乙醇水溶液为提取溶剂，因为在50～70℃下，棉籽糖在该浓度下的甲醇水溶液或乙醇水溶液中的溶解度大，同时，脱脂棉籽粕中其它成分在其中的溶解量小，因此该浓度下的甲醇水溶液或乙醇水溶液对脱脂棉籽粕中的棉籽糖的选择性提取率高，并且棉籽糖提取液中杂质的含量少，从而在提高棉籽糖的提取率的同时提高棉籽糖的纯度。
本发明中用于浸泡溶胀脱脂棉籽粕的提取溶剂的体积为脱脂棉籽粕堆积体积的0.6～1倍，保证脱脂棉籽粕能够完全浸泡在提取溶剂中。
本发明中向渗漉柱中连续补加的提取溶剂的流速优选为0.2～1.0倍脱脂棉籽粕堆积体积/小时。在该流速范围内，既可以保证提取溶剂和脱脂棉籽粕有充分的接触时间，提高提取溶剂的利用率，又能兼顾生产能力。
本发明中使用的渗漉柱可以是单柱，也可以是多柱串联。多柱串联操作时，前一柱渗漉柱渗漉完成后用去离子水回收得到稀甲醇或稀乙醇溶液可以直接作为后一渗漉柱的溶胀溶剂，避免了溶剂的蒸馏回收过程，大大降低了生产能耗。
为了提高溶剂的利用效率，还可对溶剂按以下方式进行回收处理：用去离子水自上而下流经渗漉柱，控制流速为0.5～1.5倍脱脂棉籽粕堆积体积/小时，收集出口处含提取溶剂与水的混合液体，经蒸馏处理回收溶剂。
在本发明中，脱脂棉籽粕经渗漉提取后得到的提取液中，棉籽糖的含量较高，以干基为基准，棉籽糖的质量百分比可达35～40％，棉籽糖提取率高于95％，同时棉籽粕内残留的提取溶剂可以得到充分的回收。
本发明采用渗漉法从脱脂棉籽粕中提取棉籽糖，依靠提取溶剂与脱脂棉籽粕纤维细胞内外浓度差，使溶质从胞内扩散到胞外的主体相内，将溶剂一份份连续加入到渗漉柱内，细胞周围原本浓度较高的提取液，不断被新溶剂或低浓度提取液所代替，保持着细胞内外最大的浓度梯度，加速溶出传质。而且，溶剂自上向下均匀地流动，渗透与扩散同时进行着，每一层原料与溶剂或提取液都保持一定的浓度差，因此能显著提高提取速度与提取效果，同时降低溶剂消耗。
因为棉籽糖易溶于水、含水乙醇、含水丙酮等极性溶剂，而脱脂棉籽粕中其它成分如部分蛋白、糖类和盐类均可溶于水，其中棉酚色素可用70％的含水丙酮来提取，本发明中，采用含水乙醇或含水甲醇作为提取溶剂，此类提取溶剂对棉籽糖选择性好、渗透性强、浸出率高、安全性好。
本发明具有的有益的效果是：
本发明的方法在保证一定棉籽糖提取率的前提下，不但能显著降低提取溶剂的用量，降低溶剂回收的能耗，而且，还可使提取溶剂能得到充分的回收，大大降低溶剂的损耗和生产成本，有利于工业化生产。
利用本发明得到的棉籽糖提取液进一步处理最终得到棉籽糖(高纯度)的过程，包括其中的各个步骤都可以采用现有技术实现。以下给出其实施方法之一，具体操作如下：
(a)脱色：
将本发明得到的渗漉液进行浓缩处理后，加水配成固含量为10％的溶液，调节pH值至4～6，在30～60℃、以0.5～3BV/h的流速加入到装有吸附剂A的固定床中，收集得到的流出液为脱色液，直至收集到的脱色液体积为5～10BV。
所述的加水配成固含量为10％的溶液中，固含量是指溶液干燥至恒重的质量占干燥前溶液质量的百分比，也即溶液中所有溶质的质量百分含量之和，由于溶液中成分比较复杂，也可能出现悬浮或沉淀，在计算溶液总质量时指的是混合体系的总质量，即也包括悬浮或沉淀等杂物的质量。
BV：床层体积，指固定床吸附柱中吸附剂A装填的床层体积；
BV/h：每小时流过吸附剂A装填的床层的流动相的体积为固定床体积BV的倍数；
所述的吸附剂A为颗粒活性炭、非极性大孔型聚苯乙烯系吸附树脂、弱极性大孔型聚苯乙烯系吸附树脂、非极性大孔型丙烯酸系吸附树脂、弱极性大孔型丙烯酸系吸附树脂、非极性凝胶型聚苯乙烯系吸附树脂、弱极性凝胶型聚苯乙烯系吸附树脂、非极性凝胶型丙烯酸系吸附树脂或弱极性凝胶型丙烯酸系吸附树脂。
(b)吸附分离：
将2～4B′V′经由步骤(a)得到的脱色液，以0.5～3B′V′/h的流速通入装有吸附剂B的固定床中使棉籽糖被吸附剂B吸附，再用去离子水以0.5～3B′V′/h的流速淋洗固定床以回收固定床空隙中的脱色液，得到的淋洗液与脱色液合并套用，最后用2～4B′V′脱附剂以0.5～3B′V′/h的流速对吸附剂B进行解吸，得到含有棉籽糖的洗脱液，吸附分离过程的温度控制在40～80℃；洗脱液经溶剂去除得到棉籽糖粗品；
所述的脱附剂是体积百分浓度为20～60％的甲醇水溶液或体积百分浓度为20～60％的乙醇水溶液；
B′V′：床层体积，指固定床吸附柱中吸附剂B装填的床层体积；
B′V′/h：每小时流过吸附剂B装填的床层的流动相的体积为固定床体积B′V′的倍数；
所述的吸附剂B为非极性大孔型聚苯乙烯系吸附树脂、非极性大孔型丙烯酸系吸附树脂、非极性凝胶型聚苯乙烯系吸附树脂、非极性凝胶型丙烯酸系吸附树脂、颗粒活性炭、键合有C18的硅胶或键合有C30的硅胶。
(c)结晶：
将步骤(b)得到棉籽糖粗品在50～85℃下溶于体积百分浓度为60～80％的甲醇水溶液或体积百分浓度为60～80％的乙醇水溶液后，以0.5～2℃/min的降温速率冷却至30～50℃，加入棉籽糖晶粒进行诱导析晶，晶体析出后以0.5～2℃/min的降温速率冷却至5～30℃后养晶2～24小时，滤出晶体后在30～40℃真空干燥得棉籽糖精品。
【具体实施方式】
下面，通过实施例来详细说明本发明的内容，但本发明并不限定于此。
实施例1：制备棉籽糖的渗漉提取液
脱脂棉籽粕(其中，棉籽糖的质量百分比为3.9％)经筛孔为1.8mm筛子筛分，称取1000克棉籽粕装入渗漉柱(Φ5.6cm×70cm)内，装填均匀后其堆积体积约为1300毫升，再向渗漉柱内加入780毫升体积百分浓度为75％的乙醇水溶液，55℃下浸泡30分钟使其充分溶胀。保温状态下，开启渗漉柱出口阀，同时自渗漉柱顶部连续加入体积百分浓度为75％的乙醇水溶液，控制流速在12毫升/分钟，直至收集到4200毫升渗漉提取液。渗漉提取液经分析，固含量(固含量是指将溶液干燥至恒重时的质量占干燥前溶液质量的百分比，下同)为4.2％，其中，以干基(干基是指溶液干燥后得到的固体的质量，即溶液中的全部溶质的质量总和，下同)计，棉籽糖的质量百分比为38.2％，棉籽糖提取率为95.8％。
用去离子水自渗漉柱顶部加入，置换棉籽粕内残留的乙醇，控制流速为20毫升/分钟，收集出口处低浓度的酒精，再通过浓缩和精馏等方式回收乙醇。
实施例2：制备棉籽糖的渗漉提取液
脱脂棉籽粕(其中，棉籽糖的质量百分比为3.9％)经筛孔为1.8mm筛子筛分，称取3000克棉籽粕分别装入三根相同规格的渗漉柱(Φ5.6cm×70cm)内，装填均匀后其脱脂棉籽粕的堆积体积的平均值约为1260毫升。首先，向渗漉柱内加入约760毫升体积百分浓度为75％的乙醇水溶液，55℃下浸泡30分钟使脱脂棉籽粕充分溶胀。保温状态下，开启第一根渗漉柱出口阀，并将体积百分浓度为75％的乙醇水溶液自渗漉柱顶部连续加入，控制流速在8毫升/分钟，直至收集的渗漉提取液达到4000毫升止。
用去离子水自渗漉柱顶部加入，置换棉籽粕内残留的乙醇，控制流速为20毫升/分钟，收集760毫升乙醇提取液，同时将其连续地通入第二根渗漉柱内，通入完毕后在55℃下浸泡30分钟使脱脂棉籽粕充分溶胀。控制流速在8毫升/分钟，从第二根渗漉柱顶部通入体积百分浓度为75％乙醇水溶液，直至收集的渗漉提取液达到4000毫升止。
用去离子水自渗漉柱顶部加入，置换棉籽粕内残留的乙醇，控制流速为20毫升/分钟，收集760毫升乙醇提取液，同时将其连续地通入第三根渗漉柱内，通入完毕在55℃下浸泡30分钟使脱脂棉籽粕充分溶胀。控制流速在8毫升/分钟，从第三根渗漉柱顶部通入体积百分浓度为75％的乙醇水溶液，直到收集的渗漉提取液达到4000毫升止。
合并所有渗漉液，经分析，固含量为4.8％，其中，以干基计，棉籽糖的质量百分比为36.5％，棉籽糖提取率为98％。
最后用去离子水自渗漉柱顶部加入，置换棉籽粕内残留的乙醇，控制流速为20毫升/分钟，单独收集出口处760毫升乙醇水溶液。
实施例3：制备高纯度棉籽糖
(a)将按实施例1方法制备得到的1900毫升渗漉提取液浓缩至原体积1/10，加水配制成溶液(其中固含量为l0％)，加质量百分浓度为5％的盐酸调节pH值至5。
将约230克颗粒活性炭(吸附剂A)装入尺寸为Φ5.6cm×40cm的吸附柱内，柱床层体积BV为980mL。
以1.0BV/h的流速将上述的调节pH值后的水溶液通过装有颗粒活性炭的固定床吸附柱，温度控制在40℃。收集固定床吸附柱上样过程的流出液(即脱色液)，直至收集到的脱色液为10BV，其颜色较浅(色值不到上样水溶液色值的10％)。以干基计，脱色液中棉籽糖质量百分比为50.6％。用1.5BV去离子水以1.0BV/h的流速冲洗吸附柱，收集得到的水洗液中还含有少量的棉籽糖，可继续循环套用。整个过程，吸附柱温度控制在40℃。上样过程流出的脱色液，经HPLC分析，棉子糖回收率为95％。
最后用2BV的体积百分浓度为60％的乙醇水溶液以1.0BV/h的流速冲洗吸附柱，洗脱液为深红色；再用去离子水置换吸附柱内的乙醇，使吸附柱再生可直接进入下一次的脱色操作。
(b)将1700克已预处理的HZ816树脂(吸附剂B)装入尺寸为Φ5.6cm×97cm的吸附柱内，柱床层体积B′V′约为2400mL。上样料液为步骤(a)所得的棉籽糖脱色液，其中固含量为10％。以1.0B′V′/h的流速向固定床吸附柱内连续通入上述的棉籽糖脱色液2.5B′V′，上样过程收集到的流出液中还含有少量棉籽糖，可直接循环使用。上样完毕，先用2B′V′去离子水以1.5B′V′/h的流速冲洗吸附柱，去除吸附柱内吸附剂空隙残留的脱色液，得到的水洗液可循环使用；再用2B′V′体积百分浓度为40％的乙醇水溶液以1.0B′V′/h流速冲洗吸附柱，解吸HZ816树脂，洗脱HZ816树脂中的棉籽糖，收集得到含棉籽糖的洗脱液。整个过程中吸附柱温度控制在60℃。洗脱液经喷雾干燥得到棉籽糖粗品，经HPLC分析其中棉籽糖的质量百分比为80％。
最后用2B′V′去离子水以2B′V′/h的流速置换吸附柱内的乙醇使HZ816树脂再生。
(c)将所得棉籽糖粗品于80℃下溶于500毫升体积百分浓度为70％乙醇水溶液，缓慢降温冷却，降温速率为1℃/min。降温至40℃后加入170～200目棉籽糖晶粒(即晶种)1.0克进行诱导析晶，再以同样的速度继续缓慢降温至15℃，养晶12小时，过滤，洗涤滤饼，滤饼于40℃下真空干燥得棉籽糖精品，结晶母液与脱色液合并套用。
经HPLC分析，所得棉籽糖精品中棉籽糖质量百分比为98.2％。