一种半乳糖葡萄糖混合物的制备方法
阅读说明：本技术 一种半乳糖葡萄糖混合物的制备方法 (Preparation method of galactose glucose mixture ) 是由 李伟 王彦平 孟蝶 巴根纳 樊启程 付永 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种半乳糖葡萄糖混合物的制备方法,包括以下步骤：(1)以牛奶为原料,制备粗乳糖液；(2)将粗乳糖液进行脱盐脱色,获得精制乳糖液；(3)将β-半乳糖苷酶加入精制乳糖液中,使乳糖进行水解；(4)进行真空浓缩或RO膜浓缩,获得精制浓缩的半乳糖葡萄糖混合物。其中,乳糖的水解率达到95％以上,所制得的混合物中半乳糖含量大于22％,葡萄糖含量大于22％,乳糖含量小于5.0％,总固形物大于55％,灰分小于总固形物的0.3％。(The invention provides a preparation method of a galactose glucose mixture, which comprises the following steps: (1) taking milk as a raw material, and preparing a crude milk sugar solution; (2) desalting and decoloring the crude lactose liquid to obtain refined lactose liquid; (3) adding beta-galactosidase into refined lactose liquid to hydrolyze lactose; (4) vacuum concentrating or concentrating with RO membrane to obtain refined and concentrated galactose glucose mixture. Wherein, the hydrolysis rate of lactose is more than 95%, the galactose content in the prepared mixture is more than 22%, the glucose content is more than 22%, the lactose content is less than 5.0%, the total solid content is more than 55%, and the ash content is less than 0.3% of the total solid content.)
技术领域
本发明涉及乳糖水解技术，具体涉及由乳糖制备半乳糖和葡萄糖混合物的方法。
背景技术
乳糖液是乳清液、牛乳或牛乳超滤透过液的主要成分，粗乳糖液通常含有乳清蛋白、乳矿物盐及类胡萝卜素，乳糖甜度低，成人不易吸收利用，乳糖如果直接应用在液态乳制品，替代蔗糖或糖浆，容易结晶而且造成乳糖不耐，同时乳矿物盐特别是钠和钾对产品口感及添加量影响较大。乳糖液如果直接排放，由于生物需氧量高，使得乳糖排放处理耗资大，环境污染严重。
乳糖水解技术目前主要有酸水解法和酶水解法。酸水解法反应快，易发生褐变；酶水解法副反应少，条件温和，反应专一。目前未发现采用乳糖酶将乳糖液水解制备成高浓度的精制的半乳糖葡萄糖混合物的相关工艺。
为此本发明利用乳糖水解工艺技术，将乳糖水解成高浓度高纯度的半乳糖和葡萄糖混合物，然后将其直接应用在液态乳制品中或经过精制和干燥技术后加工成糖粉。其中在水解产物中，葡萄糖是人体各器官代谢的能量来源，半乳糖是人体大脑和粘膜组织的结构成分，剩余的乳糖就可发挥一定的营养与保健作用。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种高浓度高纯度的半乳糖葡萄糖混合物产品的制备方法，所获得的产品组分为半乳糖和葡萄糖以及微量的乳糖，其它微量灰分的质量小于总干物质的0.3％，所述产品可用于不同的食品领域。
由于半乳糖和葡萄糖都是单糖，分子小，浓度高粘度大，脱盐精制和浓缩技术难度较大，因此难以得到高浓度精制的半乳糖葡萄糖混合物。本发明采用一种新的工艺技术，将牛奶分离的粗乳糖液加工成高浓度高纯度的半乳糖葡萄糖混合液或半乳糖葡萄糖混合粉。
具体地，本发明采用精制脱盐脱色技术将粗乳糖液制备成精制乳糖液，再采用生物酶解技术，制备了一种乳糖和乳矿物盐含量低的高浓度半乳糖葡萄糖混合物。
更具体地，本发明将脱脂奶超滤渗透液(粗乳糖液)通过纳滤、电渗析、离子交换、活性炭过滤吸附进行脱盐脱色，随后进行乳糖酶直接水解或固定化乳糖酶水解，乳糖水解率达到95％以上，所得的产物中灰分小于总干物质的0.3％，半乳糖、葡萄糖和乳糖总含量大于99.0％，然后通过 RO膜浓缩及真空蒸发(旋转式流化床)浓缩，制备成一种半乳糖葡萄糖混合液(总固形物含量>55％)，再将该混合液经过85-95℃/15-30s的巴氏杀菌及灭酶处理，采用无菌灌装技术灌入无菌袋或桶，制备成一种高浓度高纯度的半乳糖葡萄糖混合物，该混合物主要成分为半乳糖和葡萄糖，以及极少量的乳糖和乳糖酶(或不含乳糖酶)。
因而，本发明提供了一种半乳糖葡萄糖混合物的制备方法，其包括以下步骤：
1)以牛奶(优选脱脂奶)为原料，制备粗乳糖液；
2)将粗乳糖液进行脱盐脱色，获得精制乳糖液；
3)将β-半乳糖苷酶加入精制乳糖液中，使乳糖进行水解；
4)进行真空浓缩或RO膜浓缩，获得精制浓缩的半乳糖葡萄糖混合物。
在本发明的一个具体实施方案中，步骤1)中，当牛奶为生鲜牛奶、全脂牛奶、半脂牛奶、还原奶、无抗牛奶、水牛奶时，进行过滤除杂、离心分离以获得脱脂奶，然后将脱脂奶进行巴氏杀菌和超滤，优选地，所述超滤过程中超滤膜的孔径为0.01μm-0.05μm。
其中，所述过滤除杂和离心分离的具体操作为，将牛奶经过60-80目的过滤器过滤，除掉部分杂质或异物，预热到50-60℃，经过离心机分离 (转速5000-6000rpm)，分离出脱脂奶(脂肪<0.06％)和稀奶油(脂肪含量35-45％)；
其中，所述巴氏杀菌的具体操作为，将脱脂奶经过巴氏杀菌(温度 70-90℃，时间15s)，冷却到8-10℃；
其中，所述超滤的具体操作为，将巴氏杀菌后的脱脂奶经过超滤(孔径0.01μm-0.05μm，膜压力范围2-6bar),截留分子量大于500u，分离出粗乳糖液和蛋白液。
在本发明的一个具体实施方案中，所述步骤2)中包括以下步骤：
a.纳滤：优选所述纳滤膜的孔径为0.001μm-0.002μm，膜压力10-15bar；该过程可截留分子量为150-500u，分离出乳糖、水分、非蛋白氮和一价钠离子和钾离子；
b.阳离子交换：将乳糖液经过阳离子交换树脂，优选所述树脂孔径为 0.5mm-1.0mm；该阳离子交换树脂具有较弱的反应基如羧基(－COOH基)，可用于除去二阶离子(如钙/镁离子)；
c.电渗析：在外加直流电场作用下，利用离子交换膜对乳糖液中的离子进行选择透过分离；该过程可用于使溶液中阴、阳离子发生离子迁移，分别通过阴、阳离子交换膜除掉乳糖液中磷酸根离子、氯离子、氢氧根离子、钙离子、钾离子、镁离子、钠离子；
d.阴离子交换：将乳糖液经过阴离子交换树脂，优选所述阴离子交换树脂孔径为0.1-0.5mm；该阴离子交换树脂含有弱碱性基团，可用于除去磷酸根离子、氯离子、柠檬酸根离子；
e.活性炭吸附：优选地，活性炭表面的微孔直径为2～10nm之间，活性炭具有巨大的表面积，每克活性炭表面积优选为500～1500m2；该过程可用于吸附乳糖液中的β胡萝卜素和维生素。
在本发明的一个具体实施方案中，所述β-半乳糖苷酶来自于乳酸克鲁维酵母菌(Kluyveromyces lactis)。
在本发明的一个具体实施方案中，所述水解的温度为35-45℃。
在本发明的一个具体实施方案中，所述水解的pH范围为5.0-7.0。
在本发明的一个具体实施方案中，所述真空浓缩的条件为真空度 -0.7～-0.8bar，温度50-70℃。
在本发明的一个具体实施方案中，所述RO膜的孔径为1.0-5.0nm。
在本发明的一个具体实施方案中，在步骤4)之后进一步包括步骤5) 杀菌灭酶，将所述精制浓缩的半乳糖葡萄糖混合液进行巴氏杀菌灭酶，优选温度为85-95℃，时间为15-30s；更优选地，包含在步骤(5)之后的干燥步骤，以制备半乳糖葡萄糖混合粉。
本发明的另一个目的是提供由上述方法所制备的半乳糖和葡萄糖混合物，优选为液体或粉状物。
本发明的技术效果
本发明的制备方法具有以下优点：
1.本发明使用牛奶作为原料提取乳糖
现有技术中一般使用奶酪的副产物乳糖液(其含有乳清蛋白、发酵剂和凝乳酶)作为原料提取乳糖，其中，发酵剂产生蛋白酶分解蛋白，分解乳糖产生乳酸，所获得的乳糖杂质多，不利于后续的乳糖水解。而本发明直接使用牛奶作为原料制备乳糖液，所制得的乳糖纯度高且晶型稳定，有利于后续的酶解。
2.本发明在对乳糖液进行水解之前将乳糖液进行脱盐精制
现有技术中一般采用直接将乳糖酶加入粗制乳糖液中，所得的半乳糖葡萄糖混合物中含有大量的盐离子，由于半乳糖和葡萄糖都是单糖，分子小，浓度高粘度大，其混合物脱盐精制和浓缩技术难度较大，因此难以得到高浓度精制的半乳糖葡萄糖混合物。而本发明在水解之前，先将粗乳糖液通过电渗析、离子交换和活性炭过滤获得精制乳糖液，从而获得高浓度高纯度的半乳糖葡萄糖混合物，其中乳糖水解率95％以上，灰分小于总固形物质量的0.3％。
在本发明的由乳糖制备半乳糖葡萄糖混合物的方法中，乳糖的水解率达到95％以上，所制得的混合物中半乳糖含量大于22％，葡萄糖含量大于 22％，乳糖含量小于5.0％，乳糖液干物质(即，总固形物)大于55％，灰分小于干物质的0.3％，pH值在5以上。本发明解决了粗乳糖液直接应用存在的甜度低、乳矿物盐含量高、乳糖不耐症问题。由于半乳糖在水中的溶解度为68g/100ml(25℃)，葡萄糖在水中的溶解度为83g/100ml(20℃)，因而混合物在常温条件下不易结晶，可以作为一种天然原料应用在各种液态乳制品或其它任意食品中。其质量规格如下：
表1
项目
指标
检验方法
半乳糖，g/100g≥
22.0
GB/T 23780
葡萄糖,g/100g≥
22.0
GB 5009.8
乳糖，g/100g≤
5.0
GB 5009.8
干物质(固形物)，g/100g≥
55
GB/T 12143
pH值
5.0～7.0
GB 5009.237
灰分，g/100g≤
0.15
GB5009.4-2016
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法，所用的试剂如无特别说明均为可商购的试剂。
实施例1
一种半乳糖葡萄糖混合物的制备方法，包括以下步骤：
1)以全脂牛奶为原料，制备粗乳糖液，包括：
a.脱脂奶制备：原奶经过60目的双联过滤器过滤，再经过离心分离机，转速5000rpm，分离为脱脂奶和稀奶油，脱脂奶脂肪含量0.05％，杂质度小于0.05g/10ml。
b.巴氏杀菌：脱脂奶经过巴氏杀菌(70℃/15s)。
c.超滤：将脱脂奶经过超滤膜分离为粗乳糖液和牛奶蛋白液，分离温度6-10℃，膜压力6bar,孔径0.01μm，乳糖液固形物含量5.0％。
2)将粗乳糖液进行脱盐脱色，获得精制乳糖液，其包括：
a.纳滤：乳糖液经过纳滤，孔径0.001μm，温度8℃，膜压力10bar, 钠离子由原来1000mg/kg降低到600mg/kg,钾离子由原来3200mg/kg降低到2200mg/kg，乳糖含量由原来4.0％浓缩到12.0％。
b.阳离子交换：乳糖液经过弱酸性阳离子交换树酯，孔径0.5mm，通过离子交换技术，钙离子由800mg/kg降低到200mg/kg、镁离子由原来 180mg/kg降低到80mg/kg。
c.电渗析：乳糖液在外加直流电场作用下，经过电渗析(聚乙烯异相离子交换膜)对溶液中阳离子和阴离子进行选择透过，钠离子由原来 600mg/kg降低到200mg/kg，钾离子由原来2000mg/kg降低到1000mg/kg，钙离子由200mg/kg降低到30mg/kg，镁离子由原来50mg/kg降低到 20mg/kg，磷酸根离子由原来900mg/kg降低到80mg/kg，氯离子由原来10mg/kg降低到5mg/kg，氢氧根离子由原来5mg/kg降低到2mg/kg。
d.阴离子交换：乳糖液经过弱碱性阴离子交换树酯，孔径为0.1mm，这类树脂含有弱碱性基团，磷酸根离子由原来80mg/kg降低到5mg/kg、氯离子由原来5.0mg/kg降低到1.0mg/kg、氢氧根离子由原来2mg/kg降低到1mg/kg。
e.活性炭吸附：活性炭表面的微孔直径2nm，每克活性炭表面积为 1500m2，吸附乳糖液中β胡萝卜素，由原来0.5μg/100g降低到未检出，维生素B2由原来0.6mg/100g降低到未检出。
3)将β-半乳糖苷酶加入精制乳糖液中，使乳糖进行水解，具体操作包括：
将0.2％的乳酸克鲁维酵母菌产生的β-半乳糖苷酶(酶活力为30万) 加入步骤2)所得的15％的浓缩乳糖液中，水解温度45℃，pH值5.5，水解4小时，将乳糖水解为6.0g半乳糖和6.0g葡萄糖，水解率达到95％以上。
4)将水解产物进行真空浓缩或RO膜浓缩，获得精制浓缩的半乳糖葡萄糖混合液，其具体操作包括：
将半乳糖葡萄糖混合液通过真空度-0.7bar，温度50℃的单效或多效真空蒸发器固形物浓缩到56.0％。或通过RO膜浓缩，孔径1.0nm，将半乳糖葡萄糖混合液固形物浓缩到56.0％。
5)杀菌灭酶：将上述半乳糖葡萄糖混合液进行巴氏杀菌灭酶，温度 85℃/15s。
6)无菌灌注：无菌或超净条件下进行灌注，温度25℃。
成品质量标准检测结果如下表
表2
实施例2
一种半乳糖葡萄糖混合物的制备方法，包括以下步骤：
1)以生鲜牛奶为原料，制备粗乳糖液，包括以下步骤：
a.脱脂奶制备：原奶经过70目过滤器过滤，再经过离心分离机，转速5500rpm，分离为脱脂奶和稀奶油，脱脂奶脂肪含量0.05％，杂质度小于0.03g/10ml。
b.巴氏杀菌：脱脂奶经过巴氏杀菌(80℃/15s)。
c.超滤：将脱脂奶经过超滤膜分离为粗乳糖液和牛奶蛋白液，孔径 0.03μm，分离温度10-12℃，膜压力4bar,乳糖液固形物含量15.0％。
2)将粗乳糖液进行脱盐脱色，获得精制乳糖液，其包括：
a.纳滤：纳滤温度8-10℃，膜压力12bar,孔径0.0015μm，钠离子由原来900mg/kg降低到500mg/kg,钾离子由原来3000mg/kg降低到1800mg/kg，乳糖含量由原来5.0％浓缩到14.5％。
b.阳离子交换：乳糖液经过弱酸性阳离子交换树酯，孔径0.85mm，通过离子交换技术，钙离子由600mg/kg降低到150mg/kg、镁离子由原来 150mg/kg降低到50mg/kg。
c.电渗析：电渗析(聚乙烯异相离子交换膜)对溶液中阳离子和阴离子进行选择透过，钠离子由原来500mg/kg降低到100mg/kg,钾离子由原来 1800mg/kg降低到600mg/kg，钙离子由150mg/kg降低到10mg/kg、镁离子由原来50mg/kg降低到10mg/kg，磷酸根离子由原来700mg/kg降低到 60mg/kg、氯离子由原来15mg/kg降低到3mg/kg、氢氧根离子由原来3mg/kg降低到1mg/kg。
d.阴离子交换：乳糖液经过弱碱性阴离子交换树酯，孔径为0.3mm，这类树脂含有弱碱性基团，磷酸根离子由原来60mg/kg降低到2mg/kg、氯离子由原来5.0mg/kg降低到1.0mg/kg、氢氧根离子由原来1mg/kg降低到0.5mg/kg。
e.活性炭吸附：活性炭表面的微孔直径6nm，每克活性炭表面积为 1000m2，吸附乳糖液中β胡萝卜素由原来0.5μg/100g降低到未检出，维生素B2由原来0.6mg/100g降低到未检出。
3)将β-半乳糖苷酶加入精制乳糖液中，使乳糖进行水解，具体操作包括：
将0.15％的乳酸克鲁维酵母菌产生的β-半乳糖苷酶(酶活力为30万) 加入步骤2)所得的14.5％的浓缩乳糖液中，水解温度40℃，pH值6.0，水解6小时，将乳糖水解为5.8g半乳糖和5.8g葡萄糖，水解率达到95％以上。
4)将水解产物进行真空浓缩或RO膜浓缩，获得精制浓缩的半乳糖葡萄糖混合液，其具体包括：
将半乳糖葡萄糖混合液通过真空度为-0.75bar，温度60℃的单效或多效真空蒸发器，或通过RO膜浓缩，孔径3nm，将半乳糖葡萄糖混合液固形物浓缩到58.0％。
5)杀菌灭酶：将上述半乳糖葡萄糖混合液进行巴氏杀菌灭酶，温度 90℃/30s，随后进行干燥以获得半乳糖葡萄糖混合粉。
6)无菌灌注：无菌或超净条件下进行灌注，温度30℃。
成品质量标准检测结果如下表：
表3
项目
指标
检验方法
半乳糖，g/100g
25.0
GB/T 23780
葡萄糖，g/100g
25.0
GB 5009.8
乳糖，g/100g
1.5
GB 5009.8
干物质(固形物)，g/100g
58.0
GB/T 12143
pH值
6.0
GB 5009.237
灰分，g/100g
0.12
GB5009.4-2016
实施例3
一种半乳糖葡萄糖混合物的制备方法，包括以下步骤：
1)以脱脂牛奶为原料，制备粗乳糖液，包括：
a.巴氏杀菌：脱脂奶经过巴氏杀菌(90℃/15s)。
b.超滤：将脱脂奶经过超滤膜分离为粗乳糖液和牛奶蛋白液，孔径0.05μm，膜压力4bar，分离温度9-10℃，乳糖液固形物含量5.8％。
2)将粗乳糖液进行脱盐脱色，获得精制乳糖液，其包括以下步骤：
a.纳滤：粗乳糖液经过纳滤，纳滤温度9-12℃，膜压力15bar,孔径 0.002μm，钠离子由原来900mg/kg降低到500mg/kg,钾离子由原来 3000mg/kg降低到1800mg/kg，乳糖含量由原来5.8％浓缩到14.8％。
b.阳离子交换：乳糖液经过弱酸性阳离子交换树酯，孔径1.0mm，通过离子交换技术，钙离子由600mg/kg降低到150mg/kg、镁离子由原来 150mg/kg降低到50mg/kg。
c.电渗析：乳糖液经过电渗析(聚乙烯异相离子交换膜)对溶液中阳离子和阴离子进行选择透过，钠离子由原来500mg/kg降低到100mg/kg, 钾离子由原来1800mg/kg降低到600mg/kg，钙离子由150mg/kg降低到 5mg/kg、镁离子由原来50mg/kg降低到5mg/kg，磷酸根离子由原来700mg/kg降低到6mg/kg、氯离子由原来15mg/kg降低到2mg/kg、氢氧根离子由原来6mg/kg降低到1mg/kg。
d.阴离子交换：乳糖液经过弱碱性阴离子交换树酯，孔径为0.5mm，这类树脂含有弱碱性基团，磷酸根离子由原来6mg/kg降低到1mg/kg、氯离子由原来2.0mg/kg降低到0.5mg/kg、氢氧根离子由原来1mg/kg降低到 0.1mg/kg。
e.活性炭吸附：活性炭表面的微孔直径10nm，每克活性炭表面积为 500m2，吸附乳糖液中β胡萝卜素由原来0.5μg/100g降低到未检出，维生素B2由原来0.6mg/100g降低到未检出。
3)将β-半乳糖苷酶加入精制乳糖液中，使乳糖进行水解，具体操作包括以下：
将0.2％的乳酸克鲁维酵母菌产生的β-半乳糖苷酶(酶活力为30万) 加入步骤2)所得的14.8％的浓缩乳糖液中，水解温度35℃，pH值5.8，水解8小时，将乳糖水解为6.0g半乳糖和6.0g葡萄糖，水解率达到95％以上。
4)将水解产物进行真空浓缩或RO膜浓缩，获得精制浓缩的半乳糖葡萄糖混合液，其具体包括：
将半乳糖葡萄糖混合液通过真空度-0.8bar，温度70℃的单效或多效真空蒸发器，或通过RO膜浓缩，孔径5nm，将半乳糖葡萄糖混合液固形物浓缩到60％。
5)杀菌灭酶：将上述半乳糖葡萄糖混合液进行巴氏杀菌灭酶，温度 95℃/30s。
6)无菌灌注：无菌或超净条件下进行灌注，温度28℃。
成品质量标准检测结果如下表
表4
项目
指标
检验方法
半乳糖，g/100g
27.0
GB/T 23780
葡萄糖，g/100g
27.0
GB 5009.8
乳糖，g/100g
1.0
GB 5009.8
干物质(固形物)，g/100g
60
GB/T 12143
pH值
5.8
GB 5009.237
灰分，g/100g
0.15
GB5009.4-2016
实施例4
与上述实施例3的步骤相同，区别之处在于，步骤3)中乳糖水解的pH 值为5.0。成品质量标准检测结果如下表：
表5
实施例5
与上述实施例3的步骤相同，区别之处在于，步骤3)中乳糖水解的pH 值为7.0。成品质量标准检测结果如下表：
表6
项目
指标
检验方法
半乳糖，g/100g
23.6
GB/T 23780
葡萄糖，g/100g
24.5
GB 5009.8
乳糖，g/100g
0.86
GB 5009.8
干物质(固形物)，g/100g
56
GB/T 12143
pH值
7.0
GB 5009.237
灰分，g/100g
0.14
GB5009.4-2016
对比例1
与上述实施例2的步骤相同，区别之处在于，步骤1)中取奶酪的副产物乳清液作为原料进行超滤分离、脱盐精制、酶解和浓缩处理，具体参数同上述实施例2步骤1)的超滤和步骤2)—6)。
所得的成品质量标准检测结果如下表：
表7
项目
指标
检验方法
半乳糖，g/100g
17.6
GB/T 23780
葡萄糖,g/100g
16.8
GB 5009.8
乳糖，g/100g
15.0
GB 5009.8
干物质(固形物)，g/100g
56
GB/T 12143
pH值
4.5
GB 5009.237
灰分，g/100g
1.56
GB5009.4-2016
对比例2
与上述实施例2的步骤相同，区别之处在于，改变步骤3)乳糖水解的次序，即在完成步骤1)超滤之后首先进行乳糖水解，然后依次进行步骤2) 以及步骤4)至步骤6)。
所得的成品质量标准检测结果如下表：
表8
项目
指标
检验方法
半乳糖，g/100g
12
GB/T 23780
葡萄糖,g/100g
12.6
GB 5009.8
乳糖，g/100g
25
GB 5009.8
干物质(固形物)，g/100g
56
GB/T 12143
pH值
4.8
GB 5009.237
灰分，g/100g
2.5
GB5009.4-2016
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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