專利名稱：乙醇萃取玉米纖維中的植物甾醇的制作方法
相關(guān)申請的交叉引用本申請是非臨時的，并且要求2004年3月22日提交的美國臨時專利申請序號60/555,284的優(yōu)先權(quán)，所述臨時專利申請名稱為“乙醇萃取玉米纖維中的植物甾醇”，其具有相同的申請人作為發(fā)明人，即Charles Abbas，Kyle E.Beery，Thomas P.Binder，和AnneM.Rammels berg。美國臨時專利申請序號60/555,284的全部內(nèi)容引入本非臨時的實(shí)用專利申請作為參考。
聯(lián)邦資助研究的聲明美國政府有對本發(fā)明的已付費(fèi)許可，并且在有限的條件下有權(quán)要求專利所有人以合理的方式許可他人實(shí)施該發(fā)明，所述方式由美國DOE(能源部)授予的裁決號04-03-CA-7060的條款規(guī)定。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種乙醇萃取已經(jīng)熱化學(xué)處理的玉米纖維的方法。
2.背景技術(shù)說明“濕磨法”是可以將玉米轉(zhuǎn)變成乙醇、玉米甜味劑和淀粉的方法。本文中使用的“玉米纖維”定義為“從濕磨法得到的產(chǎn)物，所述濕磨法包括在升高的溫度下在含水二氧化硫中初始浸漬玉米粒，隨后溫和地研磨并且物理分離外纖維層與淀粉、蛋白質(zhì)和其它成分”。
通過玉米濕磨法按每蒲式耳經(jīng)加工玉米13％的比率產(chǎn)生玉米纖維。根據(jù)玉米精制者協(xié)會(Corn Refiners Association)，在濕磨廠每天產(chǎn)生15,000噸以上的玉米纖維。連同玉米纖維一起，玉米的蛋白質(zhì)、油和淀粉部分隨著所述纖維流、并且隨著和玉米胚芽粉(該玉米胚芽粉被混入所述物流中)一起噴灑在所述纖維上的玉米漿和釜餾物一起分離出來，總計(jì)約25％的經(jīng)加工玉米變成部分玉米麩質(zhì)飼料流。玉米漿是從玉米粒的初始浸漬得到的液體，而釜餾物是得自乙醇發(fā)酵液的蒸餾的釜底產(chǎn)物，主要包含水、非揮發(fā)性物質(zhì)，以及主要得自酵母細(xì)胞量的固體物。所述玉米漿和釜餾物給玉米麩質(zhì)飼料提供了營養(yǎng)物和蛋白質(zhì)，所述玉米麩質(zhì)飼料是作為動物飼料銷售的低價值副產(chǎn)品物流。在本發(fā)明中，提供了一種節(jié)省成本的方法，它可以將玉米纖維流提升為更加有價值的和可用的成分。
玉米纖維由大約15-25％淀粉、10-13％蛋白質(zhì)、33-42％半纖維素、15-18％纖維素、3-6％灰分、3-6％油和1-2％其它成分組成。半纖維素由50-55％木糖、30-35％阿拉伯糖、4-6％半乳糖、3-5％D-葡糖醛酸和2-5％包括甘露糖、香豆酸和阿魏酸在內(nèi)的其它成分組成。工廠得自脫水壓機(jī)的玉米纖維流含有30-50％固體。熱化學(xué)處理玉米纖維期間，將纖維加熱至130-180攝氏度(℃)，該處理溶解淀粉和半纖維素部分，而完整地留下纖維素。淀粉由兩種類型的葡萄糖聚合物(直鏈淀粉和支鏈淀粉)組成。直鏈淀粉是具有由α-1，4-糖苷鍵連接的葡萄糖分子的線性聚合物，而支鏈淀粉是具有由α-1，4-糖苷鍵連接的葡萄糖分子和α-1，6連接的分支的高度支化的聚合物。玉米纖維中的半纖維素由β-1，4連接的木糖主鏈和由阿拉伯糖、木糖、半乳糖、葡糖醛酸、甘露糖、阿魏酸和香豆酸組成的側(cè)鏈組成。可以采用加熱與淀粉降解酶或與硫酸的組合，通過水解從纖維中除去淀粉。在這些條件下，首先水解淀粉聚合物成為可溶性寡糖，其可以進(jìn)一步通過二級酸或酶水解步驟水解成為葡萄糖。通過在高于121℃的溫度下處理玉米纖維，可以部分水解半纖維素，但是完成水解木聚糖主鏈至單體需要進(jìn)一步用酸或酶進(jìn)行處理。
淀粉和半纖維素的水解也可以結(jié)合成單個步驟?？梢栽诟邷叵氯芜x地添加酸處理含有得自浸漬法的殘留二氧化硫的天然玉米纖維。該處理將導(dǎo)致淀粉和半纖維素的同時水解。
得自水解的淀粉和半纖維素的單糖可用于許多不同的工業(yè)用途，包括發(fā)酵和催化轉(zhuǎn)化至糖醇并隨后轉(zhuǎn)化為多元醇。得自淀粉的葡萄糖可用于酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，或可以發(fā)酵成為其它產(chǎn)物。也可以類似地發(fā)酵木糖成為多種本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員已知的發(fā)酵衍生產(chǎn)物。阿魏酸可以用作生產(chǎn)香草醛的原料。
可以將水解步驟后殘留的玉米纖維與溶劑接觸以萃取存在的油。例如，美國專利No.5,843,499(Moreau等人)公開了，可以在抗氧化劑BHT存在下使用己烷從玉米纖維中萃取含有植物甾醇的油部分。用干燥、研磨過的玉米纖維在室溫下攪拌完成Moreau等人公開的方法。Moreau等人提出的萃取產(chǎn)生混合油，該混合油含有三酸甘油酯(TAG)、植物甾醇的脂肪酸酯(St-FA)、游離脂肪酸(FFA)、生育酚、游離植物甾醇(St)、以及植物甾醇的阿魏酸酯(St-F)。Moreau等人報(bào)道，普通玉米纖維中油的總百分率高達(dá)3.33wt％。此外，Moreau等人報(bào)道，在萃取油中有大約18％(wt/wt)總甾醇含量(St-FA、St和St-F)，其中8％為St-FA。
包括β-谷甾醇及其糖苷β-谷甾醇葡萄糖苷(β-sitosterolin)在內(nèi)的植物甾醇非常類似于膽甾醇分子。這些分子干擾人的膽甾醇吸收。對來自腸的膽固醇的降低的吸收作用減少低密度脂蛋白(LDL)，這降低血漿膽甾醇水平。
對本發(fā)明來說，植物甾醇包括，例如但是不限于，β-谷甾醇、谷甾烷醇(sitostanol)、菜油甾醇、菜油甾烷醇(campestanol)、豆甾醇、豆甾烷醇、菜子甾醇和其它含有甾醇環(huán)狀系統(tǒng)的化合物。本文中使用的“總甾醇”包括，例如但是不限于，本文中公開的所有植物甾醇。本文中使用的“植物甾醇”還包括甾醇糖苷、甾醇脂肪酸酯和甾醇阿魏酸酯。
Moreau等人公開的方法與本發(fā)明明顯不同，因?yàn)樵诒景l(fā)明中描述的萃取是對高固體含量、熱化學(xué)處理的玉米纖維完成的。而且，可以對干燥的玉米纖維或者對濕的、未磨過的玉米纖維進(jìn)行本發(fā)明方法的萃取。不需要完全干燥的玉米纖維是本發(fā)明方法的一個優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)閷⒗w維從65％水(對于機(jī)械脫水的玉米纖維是有代表性的)降低至0％非結(jié)合水所需的能量高。另外，谷粒粉塵爆炸是谷類儲存和碾磨操作的潛在危險。通過加工濕的、未磨過的玉米纖維，使谷粒粉塵爆炸的可能性減到最低程度。濃度從0％/100％水/乙醇至30％/70％水/乙醇的萃取劑用于本發(fā)明的方法以萃取植物甾醇。如果熱化學(xué)處理后玉米纖維的水含量是65％，那么將需要在無水乙醇中添加總玉米纖維流重量的325％，以獲得80％/20％溶劑。因此，如果可以在萃取之前降低玉米纖維中存在的水的量，將大大地減少乙醇用量。
乙醇和乙醇/水混合物最適合于生產(chǎn)乙醇的現(xiàn)有玉米濕磨工廠，因?yàn)樵谶@類工廠中乙醇和水都可加以利用。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種從玉米纖維中萃取甾醇的方法，該方法包括獲得含水量為約20重量％至5 0重量％固體(即高固體含量)的玉米纖維漿料，對所述玉米纖維漿料進(jìn)行熱化學(xué)處理以產(chǎn)生水解的玉米纖維漿料，將所述水解的玉米纖維漿料脫水以獲得含水量為約30至80重量％固體的殘留玉米纖維，用水洗滌(至少一次)所述殘留玉米纖維，將洗滌、水解的玉米纖維漿料脫水以得到含水量為約30至80重量％固體的殘留玉米纖維，以及用乙醇萃取(至少一次)所述殘留玉米纖維并從其中分離至少一種甾醇。在該方法的一個更優(yōu)選的實(shí)施方案中，萃取的甾醇是選自α、β和γ形式的谷甾醇、谷甾烷醇、豆甾醇、豆甾烷醇、菜油甾醇、菜油甾烷醇、菠菜甾醇、植物甾醇酯、植物甾烷醇(phytostanol)酯及其混合物的植物甾醇。
在本文所述的本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，該方法包括這樣對所述玉米纖維漿料進(jìn)行熱化學(xué)處理將所述玉米纖維漿料從約130攝氏度加熱至約180攝氏度，更優(yōu)選從約130攝氏度加熱至約190攝氏度，歷時至少約一分鐘，更優(yōu)選至少約2至60分鐘。
在本發(fā)明的又一個實(shí)施方案中，該方法包括其中所述玉米纖維漿料具有約20至50重量％固體的含水量。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包括重復(fù)用乙醇萃取所述殘留玉米纖維至少一次。
本發(fā)明方法的另一個實(shí)施方案包括在約25攝氏度至75攝氏度的溫度下進(jìn)行所述殘留玉米纖維的萃取至少一分鐘，優(yōu)選約30至120分鐘。
在本文所述的本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方案中，該方法包括其中基于體積/體積的乙醇/水含量是約70％/30％至約100％/0％，更加優(yōu)選基于體積/體積的乙醇/水含量是95％乙醇和5％水。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包括其中所述玉米纖維漿料的所述熱化學(xué)處理進(jìn)一步包括使所述玉米纖維漿料經(jīng)受酸處理。
發(fā)明詳述本文中使用的“植物甾醇”包括，例如但是不限于，β-谷甾醇、谷甾烷醇、菜油甾醇、菜油甾烷醇、豆甾醇、豆甾烷醇、菜子甾醇和其它含有甾醇環(huán)狀系統(tǒng)的化合物。本文中使用的“總甾醇”包括，例如但是不限于，本文中公開的所有植物甾醇。本文中使用的“植物甾醇”還包括甾醇糖苷、甾醇脂肪酸酯和甾醇阿魏酸酯。
設(shè)計(jì)用于玉米纖維的水解的經(jīng)濟(jì)方法時關(guān)鍵問題之一是工藝用水的使用和利用度。工廠中，工藝用水既是較貴的又是有限的。例如，用Vari-nips壓機(jī)脫水的玉米纖維流含有50-70％水；然而，該材料具有很少未被吸收的水。這是因?yàn)橛衩桌w維的碳水化合物部分(淀粉、半纖維素和纖維素)能夠吸收大量水。本領(lǐng)域技術(shù)人員能理解的是，為了具有可以被攪拌的材料，漿料的含水量需要高于80％。本發(fā)明的方法不需要在水懸浮液中將該材料調(diào)成漿，只要在反應(yīng)器中加熱該材料，同時混合該材料以確保適當(dāng)?shù)膫鳠?。因此，在本發(fā)明的詳細(xì)方法中，沒有必要在被攪拌的含水漿料中制備玉米纖維，因此不需要大量水。
另一個直接與玉米纖維漿料中所含的水量有關(guān)的問題是玉米纖維水解產(chǎn)物中存在的單糖的濃度。隨著水含量增加，產(chǎn)生的糖漿料變得更稀，所以，當(dāng)水解產(chǎn)物被發(fā)酵時，乙醇濃度降低。低于5％乙醇，從發(fā)酵液蒸餾乙醇變得不經(jīng)濟(jì)。
經(jīng)常采用得自工廠的其它物流代替工藝用水。本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，可選擇的工藝物流，例如玉米漿和釜餾物，可以用于制備玉米纖維漿料。這些來源提供了水，但是它們也含有含量可達(dá)14％的可溶性和不溶性固體，從而影響玉米纖維漿液的混合。
本發(fā)明提供了一種從玉米纖維萃取甾醇的方法，包括在高固體含量下玉米纖維的水解。本文中使用的“高固體”是指含水量為約20重量％至約50重量％固體的玉米纖維漿料。本發(fā)明的方法包括其中從工廠取出含水量為50-70％的玉米纖維，并將含水量增加至50-80％。可以通過利用壓力反應(yīng)器將玉米纖維熱化學(xué)水解。這類反應(yīng)器可以是連續(xù)式反應(yīng)器或間歇式反應(yīng)器。連續(xù)式反應(yīng)器可以利用螺旋推運(yùn)器將纖維運(yùn)送入反應(yīng)器并保持反應(yīng)器上的加壓密封。間歇式反應(yīng)器可以是一個密封、旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)器。可以這樣完成對纖維的加熱將蒸汽注入反應(yīng)器，以將玉米纖維的溫度提高至約130℃，優(yōu)選至約180℃，更優(yōu)選至約190℃，并且優(yōu)選從約138℃至約145℃，更優(yōu)選從約150℃至約180℃。將玉米纖維保持在這些溫度之間至少約1分鐘，并且優(yōu)選從約2分鐘至約1小時。然后從反應(yīng)器中取出纖維，接著脫水以除去含寡糖的液體。
玉米纖維可以在漿料中以20至50％固體的含水量，約130℃至約180℃，優(yōu)選約130℃至約190℃進(jìn)行高固體含量熱化學(xué)水解至少約一分鐘，更優(yōu)選約2分鐘至約1小時。一旦玉米纖維被熱化學(xué)水解，就使用壓榨機(jī)或過濾設(shè)備(例如但是不限于螺桿壓榨機(jī)或真空過濾器)對它進(jìn)行脫水。脫水后的殘余纖維具有約30％至約80％固體的含水量。然后可能任選地需要對該材料進(jìn)行部分干燥，以減少本文中討論的總乙醇用量。
然后用至少1、優(yōu)選3、更優(yōu)選7體積的約70％至100％乙醇在約25℃至約75℃的溫度下萃取所述纖維至少約一分鐘，更優(yōu)選約10分鐘至約2小時。萃取的同時可以將所述玉米纖維例如攪動或攪拌，或可以用逆流萃取器萃取所述玉米纖維。萃取后，進(jìn)一步處理乙醇以分離油。
實(shí)施例實(shí)施例1“用乙醇萃取非熱化學(xué)處理的玉米纖維植物甾醇”和實(shí)施例2“用乙醇萃取低固體含量、熱化學(xué)處理的玉米纖維植物甾醇”分別描述了對于天然的玉米纖維和低固體含量、熱化學(xué)處理的玉米纖維進(jìn)行的已知的乙醇萃取。描述實(shí)施例1和2以及植物甾醇萃取結(jié)果是為了給出比較的基準(zhǔn)。實(shí)施例3“用95％乙醇萃取高固體含量、熱化學(xué)處理的玉米纖維”描述了本發(fā)明的方法。
實(shí)施例1用乙醇萃取非熱化學(xué)處理的玉米纖維植物甾醇將玉米纖維(總計(jì)49.1kg)與過量的水混合，并用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至5.5。將Genencor Spezyme FREDα-淀粉酶以兩倍推薦劑量加入玉米纖維漿料。在半月形大桶中在60-95℃下處理低固體漿料兩天(48小時)。降低溫度至65℃，并以兩倍推薦劑量添加GenencorOptidex L-400淀粉葡糖苷酶和Novozymes Fungamyl 800Lα-淀粉酶，并在65℃下保持漿料1天(24小時)。通過用螺桿壓榨機(jī)處理將該纖維脫水，并且再次洗滌和脫水3次。在47℃、不攪拌的條件下使用乙醇/水(600mL)以變化的比率(表1)萃取濕的、脫淀粉的玉米纖維部分兩個小時。過濾乙醇/玉米纖維漿料，以除去玉米纖維，并在減壓下蒸餾含油的乙醇，以減小體積。用己烷萃取殘余的油-乙醇混合物兩次。萃取期間添加飽和的氯化鈉溶液，以促使在不混溶的溶劑之間形成明顯的邊界。含鹽的水層含有大量的沉淀物并且不對其進(jìn)行分析就棄除。合并己烷層，用活性炭脫色，用硫酸鎂干燥，并重力過濾。經(jīng)由減壓下的簡單蒸餾除去己烷，并干燥得到的各樣品，以得到表1中的樣品111A、111C、111D和111E。
將天然的玉米纖維分成100g(36.8g干重)的多份，并且在47℃、不攪拌的條件下使用乙醇/水以變化的比率(表1)萃取兩個小時。過濾乙醇/玉米纖維漿料，以除去玉米纖維，并在減壓下蒸餾含油的乙醇，以減小體積。用己烷萃取殘余的油-乙醇混合物兩次。萃取期間添加飽和的氯化鈉溶液，以促使在不混溶的溶劑之間形成明顯的邊界。含鹽的水層含有大量的沉淀物并且不對其進(jìn)行分析就棄除。合并己烷層，用活性炭脫色，用硫酸鎂干燥，并重力過濾。經(jīng)由減壓下的簡單蒸餾除去己烷，并干燥得到的樣品，以得到表1中的樣品123A、123B、123C和123D。
實(shí)施例2用乙醇萃取低固體含量、熱化學(xué)處理的玉米纖維植物甾醇在150℃下在攪拌的反應(yīng)器中處理13％固體含量的玉米纖維三十分鐘，不加酸。30分鐘后，立刻冷卻反應(yīng)器至95℃，并從反應(yīng)器中取出玉米纖維。然后通過在減壓下過濾使纖維脫水，用去離子水洗滌，并再次脫水。在47℃、不攪拌的條件下使用乙醇/水(750mL)以變化的比率(表1)萃取濕的、熱化學(xué)處理的玉米纖維部分兩個小時。通過過濾玉米纖維得到第一萃取物。使用與第一萃取相同的乙醇/水濃度、時間和溫度，對得到的濾餅進(jìn)行第二萃取。合并兩個乙醇濾液，并經(jīng)由減壓下蒸餾減少乙醇。當(dāng)蒸餾明顯減慢時，冷卻蒸餾釜內(nèi)容物，并用己烷萃取兩次。萃取期間添加飽和的氯化鈉溶液，以促使在不混溶的溶劑之間形成明顯的邊界。含鹽的水層含有大量的沉淀物，并且不對其進(jìn)行分析就棄除。合并己烷層，用活性炭脫色，用硫酸鎂干燥，并重力過濾。經(jīng)由減壓下的簡單蒸餾除去己烷，并干燥得到的樣品，以得到表1中的樣品129A-D。結(jié)果與玉米纖維的其它乙醇/水萃取一致(表1)。
在150℃下、在攪拌的反應(yīng)器中處理13％固體含量的玉米纖維(總計(jì)1000g)三十分鐘。30分鐘后，將11.13mL的9.12M氫氧化鈉溶液泵送入反應(yīng)器以進(jìn)行堿處理。5分鐘后，將3.71mL的50％硫酸加入至反應(yīng)器，以中和反應(yīng)器內(nèi)容物。立刻冷卻反應(yīng)器至95℃，并從反應(yīng)器中取出玉米纖維。然后通過在減壓下過濾使纖維脫水，用去離子水洗滌，并再次脫水。在約47℃、不攪拌的條件下使用70％乙醇/30％水(表1)萃取濕的、熱化學(xué)處理的玉米纖維約兩小時。通過過濾玉米纖維得到第一萃取物。使用與第一萃取相同的乙醇/水濃度和溫度，對得到的濾餅進(jìn)行第二萃取約1.75小時。合并兩個乙醇濾液，并經(jīng)由減壓下的蒸餾減少乙醇。當(dāng)蒸餾明顯減慢時，冷卻蒸餾釜內(nèi)容物，并用己烷萃取兩次。萃取期間添加飽和的氯化鈉溶液，以促使在不混溶的溶劑之間形成明顯的邊界。含鹽的水層含有大量的沉淀物，不對其進(jìn)行分析就棄除。合并己烷層，用活性炭脫色，用硫酸鎂干燥，并重力過濾。經(jīng)由減壓下的簡單蒸餾除去己烷，并干燥得到的樣品，以得到表1中的樣品144。結(jié)果與玉米纖維的其它乙醇/水萃取一致(表1)。
用氫氧化鈉調(diào)節(jié)13％固體含量的玉米纖維(總計(jì)1077g)至pH約5.34，并添加2mL的Genencor Spezyme FRED以使玉米纖維脫淀粉。加熱漿料至約121℃約30分鐘，然后添加4.4mL的50％硫酸進(jìn)行酸處理。約5分鐘后，添加12mL的9.12M氫氧化鈉以中和漿料，并冷卻漿料，在減壓下過濾。在約47℃、不攪拌的條件下使用70％乙醇/30％水(表1)對殘余玉米纖維的一半進(jìn)行乙醇萃取約兩小時。通過過濾玉米纖維得到第一萃取物。在約46℃下用70％乙醇/30％水對得到的濾餅進(jìn)行第二萃取約2.5小時。合并頭兩個乙醇濾液，并經(jīng)由減壓下蒸餾減少乙醇。當(dāng)蒸餾明顯減慢時，冷卻蒸餾釜內(nèi)容物，并用己烷萃取兩次。萃取期間添加飽和的氯化鈉溶液，以促使在不混溶的溶劑之間形成明顯的邊界。含鹽的水層含有大量的沉淀物，不對其進(jìn)行分析就棄除。合并己烷層，用活性炭脫色，用硫酸鎂干燥，并重力過濾。經(jīng)由減壓下的簡單蒸餾除去己烷，并干燥得到的樣品，以得到表1中的樣品148。結(jié)果與玉米纖維的其它乙醇/水萃取一致(表1)。
表1.評估乙醇/水組成對從濕的、天然玉米纖維萃取的物種的影響。
(a)該數(shù)值包括存在于用于初始萃取的濕天然玉米纖維中的水，并且是用于第二階段的再萃取溶劑的水含量。TAG＝三酸甘油酯；FA-est＝脂肪酸酯；FFA＝游離脂肪酸；St＝植物甾醇；St-F＝植物甾醇阿魏酸酯；St-FA＝植物甾醇脂肪酸酯。
實(shí)施例3用95％乙醇萃取高固體含量、熱化學(xué)處理的玉米纖維已經(jīng)在一個轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器(tumbler reactor)中進(jìn)行了大規(guī)模實(shí)驗(yàn)。轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器是具有夾套的50加侖壓力槽，它利用整個反應(yīng)器的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行混合，而不是在壓力槽內(nèi)部有旋轉(zhuǎn)攪拌器(葉輪)。通過使用該方法，固體裝載量可以高于用攪拌器混合時的15％-固體漿料限制。水解方法是殘留SO2-催化的玉米纖維中多糖的水解，所述多糖包括淀粉、半纖維素和較少量的纖維素。存在于玉米纖維中的殘留SO2來自玉米浸漬過程。對于運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-35、4232-37、4232-40和4232-43，將纖維放入50-加侖轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器，并且將反應(yīng)器和夾套中的壓力升高至大約50至60psi，其相應(yīng)于約138℃至約145℃。使反應(yīng)器保持在壓力下并以1rpm旋轉(zhuǎn)30分鐘，然后減壓并停車。通過使?jié){料經(jīng)過螺桿壓榨機(jī)處理或者通過在減壓下過濾，立刻使纖維漿料脫水。然后用過量的熱水(溫度為約50℃至約100℃)洗滌纖維殘留物兩次，并且通過螺桿壓榨機(jī)或通過在減壓下過濾取出洗水并收集。收集得自運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-43的液體水解產(chǎn)物，并在高壓釜中對其進(jìn)行次級酸解步驟(1％H2SO4，在121℃下，30分鐘)，以將存在于溶液中的寡糖水解成單糖，以產(chǎn)生發(fā)酵原料。對于其余的運(yùn)轉(zhuǎn)，為了進(jìn)行分析，在約121℃下用1％H2SO4熱壓處理水解物的小樣品約30分鐘。表2中顯示了每次運(yùn)轉(zhuǎn)的細(xì)節(jié)，并且下表3中顯示了分析結(jié)果。表3中的“-1”是指原始濾液，“-2”是指已經(jīng)被酸處理而將寡糖水解成單糖的濾液。戊糖包括木糖和阿拉伯糖，己糖包括葡萄糖和半乳糖。
用與運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-35至-43相同的程序完成運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-49，但是在初始水解步驟后，將反應(yīng)器減壓并將300mL酶加入纖維漿料。加入的酶是各50mL的Dyadic International hemicellulases FoodCelPlus，ViscoStar 150L，ViscoStar CL CONC，和Neutral FungalCellulase，Genencor International Spezyme FREDα-淀粉酶，和Novozymes Optidex L-400淀粉葡糖苷酶。在約60℃下保持反應(yīng)器約48小時，然后使纖維脫水并且洗滌兩次，在兩次洗滌之間進(jìn)行脫水。
用與運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-35至-43相同的程序完成運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-52，但是在初始水解步驟后，將反應(yīng)器減壓并將1重量％(wt％)硫酸加入纖維漿料。使反應(yīng)器達(dá)到約130℃并且將漿料水解約45分鐘。完成該運(yùn)轉(zhuǎn)以確定是否可以在將液體與固體分離之前用酸將初始水解中產(chǎn)生的可溶性寡糖水解為單糖。
表2.轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器運(yùn)轉(zhuǎn)細(xì)節(jié)。
表3.轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器濾液的分析結(jié)果(運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-)(單位為g/L)。
把得自運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-35、4232-37和4232-40的濾液和兩個洗滌液匯集起來，并在小的、自然循環(huán)蒸發(fā)器中將其濃縮至固體濃度為20％，然后通過在轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器中與添加的1％w/w硫酸一起在約130℃下加熱約1小時而進(jìn)行次級酸解。下文中將匯集的液體稱作運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-45。表4中顯示糖、蛋白質(zhì)、酚類和降解產(chǎn)物，表5中顯示元素分析，表6中顯示氨基酸分析。高含量的硫是由于存在的SO2加上次級水解步驟中為了完全水解寡糖而加入的硫酸。
表4.匯集、濃縮的水解產(chǎn)物的分析結(jié)果(單位為g/L)。
表5.濃縮、次級酸水解的玉米纖維濾液的元素分析(單位為mg/kg)。
表6水解之前和之后的氨基酸分析(單位為mg/kg)。
對于油萃取步驟，將得自運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-35、-37、-40、-43、-49和-52的濕纖維殘留物(從約25％至約39％干固體)松散地裝入未攪拌的20L夾套反應(yīng)器(具有約40.6厘米(16英寸)的直徑和約76.2厘米(30英寸)的高度)，并添加乙醇(95％乙醇/5％水)(添加量為約一至五升)直至從反應(yīng)器底部出現(xiàn)洗脫液。萃取期間將反應(yīng)器保持在設(shè)定的溫度下(參見表7)。使空氣向下流過反應(yīng)器以迫使乙醇通過反應(yīng)器，并收集洗脫液。從反應(yīng)器中取出纖維，然后將洗脫液放置在反應(yīng)器中，并在約56℃、65℃或75℃下用KOH(1％重量/體積，基于樣品4232-35、4232-37和4232-40；2％重量/體積，對于樣品4232-43、4232-49和4232-52)皂化約兩小時，用酸猝滅，并通過在減壓下蒸發(fā)減小體積直至起泡阻止乙醇的脫除。用等體積的己烷萃取得到的各溶液兩次。用等體積的去離子水反萃取濃縮的4232-40和4232-43己烷層，以研究水萃取步驟對最終油樣品收率的影響。用硫酸鎂干燥每個己烷層，過濾并蒸餾，并回收得到的油樣品，稱重并提交供分析。發(fā)現(xiàn)了水層含有甾醇和甾烷醇，因此停止水反萃取步驟。
表7和8中給出油、甾醇和甾烷醇結(jié)果。表8以萃取的油的百分比的形式顯示各種甾醇和甾烷醇。樣品4232-35、-37、-49和-52沒有象樣品4232-40和4232-43那樣用水反萃取。
將乙醇(EtOH)萃取的玉米纖維殘留物完全地干燥并再次稱重。因?yàn)檩腿?dǎo)致的玉米纖維的質(zhì)量損失列于表7并且從大約8至28％不等。
表7.關(guān)于油收率和從千克量熱化學(xué)處理的天然玉米纖維萃取的材料的小結(jié)。
(a)將該油樣品溶解在最少量的己烷中，并用去離子水反萃取三次，留下乙酸乙酯可溶物質(zhì)在水層中的乳液。
表8.關(guān)于千克萃取熱化學(xué)處理的天然玉米纖維的甾醇結(jié)果，基于萃取油重量％。
實(shí)施例4在連續(xù)逆流萃取器中用100％乙醇萃取高固體含量、熱化學(xué)處理的玉米纖維在一個轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器中進(jìn)行了有一個大規(guī)模實(shí)驗(yàn)。水解方法是殘留SO2-催化的玉米纖維中多糖的水解，所述多糖包括淀粉、半纖維素和較少量的纖維素。在運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-72-1至#4232-72-9中，將纖維放入50-加侖轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器，將反應(yīng)器和夾套中的壓力升高至大約60psi，其相應(yīng)于約145℃。對于九個運(yùn)轉(zhuǎn)中的每一個，將反應(yīng)器保持在壓力下并以1rpm旋轉(zhuǎn)30分鐘，然后減壓并停車。通過使?jié){料通過螺桿壓榨機(jī)進(jìn)行處理而立刻使纖維漿料脫水。然后用過量的熱水(溫度為約50℃至約100℃)洗滌纖維殘留物兩次，并用螺桿壓榨機(jī)除去洗滌水，并收集。收集得自運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-72-1至#4232-72-9的液體水解產(chǎn)物和洗滌物，并在50加侖攪拌反應(yīng)器中進(jìn)行次級酸解步驟(1％H2SO4，在121℃下，30分鐘)，將存在于溶液中的寡糖水解成單糖，從而生產(chǎn)發(fā)酵原料。表9中顯示每次運(yùn)轉(zhuǎn)的細(xì)節(jié)。
表9.運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-72-1至#4232-72-9的細(xì)節(jié)。
在強(qiáng)制循環(huán)、長管豎式蒸發(fā)器中濃縮匯集的次級酸解的玉米纖維水解產(chǎn)物至固體濃度為31％。下表10中顯示得自匯集的水解產(chǎn)物的分析結(jié)果。下文中將匯集的液體稱作運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-72。高含量的灰分主要由于SO2中的硫加上次級水解步驟中為了完全地水解寡糖而加入的硫酸。戊糖包括木糖、阿拉伯糖和果糖，己糖包括葡萄糖，甘露糖和半乳糖。
在六級Crown逆流萃取器中用99.9％乙醇萃取得自運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-72的熱化學(xué)水解的玉米纖維殘留物(44.8kg的56％水份，25.09kg干重)。用乙醇在150(65.6℃)下操作萃取器，乙醇的進(jìn)料速度為200mL/分鐘，鏈板式輸送器速度大約1.5英寸/分鐘(3.81厘米/分鐘)。將纖維加入至鏈板式輸送器，隨著鏈通過進(jìn)料口直至每個區(qū)域頂部。使用50加侖(189.2升)乙醇萃取纖維。在萃取纖維后，立刻使其進(jìn)入脫溶劑器(DT)，在其中加熱并用兩螺條混合機(jī)攪拌，以蒸發(fā)乙醇。乙醇進(jìn)入冷凝器，并泵送回到提取器的末級(其中新鮮的乙醇進(jìn)入)。采用蒸汽加熱使DT保持在約140(60℃)并在減壓下，使得乙醇蒸氣進(jìn)入冷凝器。收集得自萃取器的乙醇用于進(jìn)一步處理。
在強(qiáng)制循環(huán)、長管豎式蒸發(fā)器中濃縮得自萃取的含油乙醇，所述蒸發(fā)器在入口和出口具有泵以便連續(xù)操作。用于萃取的50加侖(189.2L)乙醇吸收存在于玉米纖維中的水，因此體積增加到55加侖(208.2L)。蒸發(fā)器在1 PSIG(108kPa)蒸汽壓力、-24in.Hg(20kPa)和約115-120(46-49℃)的液體溫度下操作。將55加侖乙醇/油萃取液(208.2L)裝入蒸發(fā)器，并蒸發(fā)至總計(jì)3加侖(11.4L)。收集蒸發(fā)的乙醇并儲存。將濃縮的油萃取液裝入較小的自然循環(huán)蒸發(fā)器。將3加侖(11.4L)濃縮油萃取液濃縮至2.84kg油萃取液。皂化之前和之后，油萃取液中甾醇的濃度示于表11。正如所料，游離植物甾醇的最高濃度是谷甾醇和谷甾烷醇。表12中所示的油組合物中，主要的組分是三酸甘油酯，其次是游離脂肪酸。采用對油的分析測定萃取油％和萃取植物甾醇％。從纖維萃取的油濃縮物的質(zhì)量是2.42kg，而且通過螺桿壓榨機(jī)和反應(yīng)器的加工損耗后，起始天然纖維的估計(jì)質(zhì)量是40.6kg。這導(dǎo)致基于干燥玉米纖維的初始質(zhì)量的油收率是4.7％，基于干燥玉米纖維的初始質(zhì)量的植物甾醇收率是0.55％。
表10.關(guān)于運(yùn)轉(zhuǎn)#4232-72的匯集、次級酸解的玉米纖維水解產(chǎn)物濃度
表11.玉米纖維油樣品中的甾醇濃度(g/L)
表12油組分濃度(g/L)
上文實(shí)施例1和2描述了萃取沒有處理過的或用酶處理的玉米纖維。實(shí)施例2描述了熱化學(xué)處理低固體含量的玉米纖維以及萃取植物甾醇。低固體含量熱化學(xué)處理產(chǎn)生低糖濃度的發(fā)酵液，其導(dǎo)致發(fā)酵后或催化后低產(chǎn)物濃度。具體地對于乙醇，為了經(jīng)濟(jì)地通過蒸餾回收，最終發(fā)酵液乙醇濃度需要高于5％。在發(fā)酵之前，通過蒸發(fā)水，可以充分地濃縮玉米纖維水解產(chǎn)物，然而，這還需要大的能量輸入。在本發(fā)明方法中，采用加熱并任選地采用酸，在約130℃至約190℃的溫度下、固體含量約20％至約50％下，熱化學(xué)處理玉米纖維至少一分鐘，優(yōu)選約2分鐘至1小時。該處理降低玉米纖維體積，因而降低萃取油所需乙醇的體積，而沒有降低收率或改變油的組成。
本發(fā)明公開了熱化學(xué)處理高固體含量的玉米纖維漿料，然后用乙醇萃取殘留玉米纖維以分離植物甾醇的方法。本文中提供的實(shí)施例表明，可以處理含水量為50-80％的玉米纖維漿料，以溶解淀粉和半纖維素至不同程度。此外，上述實(shí)施例舉例說明了以分批、半分批或連續(xù)方式使用乙醇作為萃取劑。
盡管為了說明的目的已經(jīng)描述了本發(fā)明的一些具體實(shí)施方案，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，在不脫離所附權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的情況下，可以對本發(fā)明的細(xì)節(jié)做出許多變化。
權(quán)利要求
1.一種從玉米纖維中萃取甾醇的方法，該方法包括獲得含水量為約20重量％至50重量％固體的玉米纖維漿料；對固體含量為20至50重量％固體的所述玉米纖維漿料進(jìn)行熱化學(xué)處理以產(chǎn)生水解的玉米纖維漿料；將所述水解的玉米纖維漿料脫水以獲得含水量為約30至80重量％固體的殘留玉米纖維；洗滌所述殘留玉米纖維；將所述洗滌、水解的玉米纖維漿料脫水以獲得含水量為約30至80重量％固體的殘留玉米纖維；以及用乙醇萃取所述殘留玉米纖維并分離至少一種甾醇。
2.權(quán)利要求1的方法，包括其中所述玉米纖維漿料的所述熱化學(xué)處理包括將所述玉米纖維漿料從約130攝氏度加熱至約190攝氏度，歷時至少一分鐘。
3.權(quán)利要求1的方法，包括其中在所述熱化學(xué)處理期間，所述玉米纖維漿料具有約30至80重量％固體的含水量。
4.權(quán)利要求1的方法，包括其中所述甾醇是植物甾醇。
5.權(quán)利要求4的方法，包括其中所述植物甾醇選自谷甾醇、谷甾烷醇、豆甾醇、豆甾烷醇、菜油甾醇、菜油甾烷醇、菠菜甾醇、植物甾醇酯、植物甾烷醇酯及其混合物。
6.權(quán)利要求4的方法，包括其中從玉米纖維中萃取的總植物甾醇的產(chǎn)率為約0.1至1％，基于玉米纖維的初始干燥質(zhì)量。
7.權(quán)利要求4的方法，包括其中從玉米纖維中萃取的總植物甾醇的產(chǎn)率為約0.25至0.6％，基于玉米纖維的初始干燥質(zhì)量。
8.權(quán)利要求1的方法，包括重復(fù)所述用所述乙醇萃取所述殘留玉米纖維至少一次。
9.權(quán)利要求1的方法，包括其中在從約25攝氏度至75攝氏度的溫度下進(jìn)行對所述殘留玉米纖維的所述萃取至少一分鐘。
10.權(quán)利要求1的方法，包括其中進(jìn)行所述熱化學(xué)處理約2分鐘至約60分鐘。
11.權(quán)利要求1的方法，包括其中基于體積/體積的乙醇/水含量是約70％/30％至約100％/0％。
12.權(quán)利要求11的方法，包括其中基于體積/體積的所述乙醇/水含量是95％乙醇和5％水。
13.權(quán)利要求1的方法，包括其中所述玉米纖維漿料的所述熱化學(xué)處理進(jìn)一步包括使所述玉米纖維漿料經(jīng)受酸處理。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種使用乙醇作為萃取劑，從高固體含量、熱化學(xué)水解的玉米纖維中萃取甾醇的方法。該方法包括獲得含水量為約20重量％至約50重量％固體(高固體含量)的玉米纖維漿料，對20至50％高固體含量的玉米纖維漿料進(jìn)行熱化學(xué)處理以產(chǎn)生水解的玉米纖維漿料，將水解的玉米纖維漿料脫水以獲得含水量為約30至80重量％固體的殘留玉米纖維，洗滌殘留的玉米纖維，將洗滌、水解的玉米纖維漿料脫水以獲得含水量為約30至80重量％固體的殘留玉米纖維，以及用乙醇萃取殘留玉米纖維并且分離至少一種甾醇。
文檔編號A61K31/575GK101014348SQ200580015491
公開日2007年8月8日 申請日期2005年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月22日
發(fā)明者C·阿巴斯, K·E·比瑞, T·P·賓德, A·M·拉米爾斯伯格 申請人:阿徹-丹尼爾斯-米德蘭公司