專利名稱：破碎植物葉和/或莖部分的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從植物原料中分離和回收其成分的方法。
和大多數(shù)生物體一樣，植物是由細(xì)胞構(gòu)成的。植物細(xì)胞包含一種通常含水的脂質(zhì)膜，含有多種細(xì)胞器如細(xì)胞核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和葉綠體的細(xì)胞液，以及由微纖維和微管構(gòu)成的并形成成細(xì)胞內(nèi)部骨架的細(xì)胞骨架。植物細(xì)胞中還存在著在保持植物細(xì)胞張力中起重要作用的液泡；液泡用于維持細(xì)胞的緊漲度。
植物細(xì)胞的組成成分可以粗略地分為構(gòu)成活細(xì)胞大部分的水，諸如鹽、脂類(前體)、糖、氨基酸和核苷酸等的組分，大分子如淀粉、蛋白質(zhì)和核酸，以及其他多種分子，例如維生素和色素如葉綠素、胡蘿卜素和葉黃素。
植物細(xì)胞通常由細(xì)胞壁所包圍，細(xì)胞壁賦予植物組織硬度并起到結(jié)構(gòu)的作用。細(xì)胞壁主要由聚集成纖維狀的(半)纖維素和其他糖類聚合物構(gòu)成。木質(zhì)植物還含有大量木質(zhì)素，這是一種由酚類和其他芳香性單體構(gòu)成的聚合物。
植物組織由植物細(xì)胞構(gòu)成，所有這些細(xì)胞當(dāng)其活著時均基本滿足以上之描述。在相對較硬的組織和相對較軟的組織之間可以觀察到一個重要的區(qū)別，即相對較硬的組織中基本上沒有含葉綠體或其他質(zhì)體的細(xì)胞，而相對較軟的組織則含有這些細(xì)胞。一般而言，不存在含葉綠體的細(xì)胞的組織是，例如植物的上皮或表皮組織，植物的厚角組織和厚壁組織或基質(zhì)，以及構(gòu)成植物中重要轉(zhuǎn)運(yùn)管道(木導(dǎo)管和篩管)的維管束或?qū)Ч芙M織。一般而言，當(dāng)植物的一部分隨時間而明顯木質(zhì)化時，在木質(zhì)化部分中的絕大部分細(xì)胞死亡而僅留下細(xì)胞內(nèi)容物的殘跡。具體而言，其中存在的細(xì)胞液和細(xì)胞器將喪失，但對維管束，表皮和基質(zhì)來說它們一般用于構(gòu)成植物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，而且在植物死亡時也往往得以保持。就其特征而言，那些相對較硬的組織(特別是維管束、厚壁組織和表皮)基本不含含葉綠體的細(xì)胞，但作為相對較軟組織的一個重要部分(至少存在于植物的氣生葉和莖中)，也被稱為綠色組織的部分則主要由含葉綠體的薄壁組織細(xì)胞構(gòu)成；事實(shí)上光合作用正是發(fā)生于此。
通過機(jī)械方法從植物原料中回收多種成分，進(jìn)而用于如人類食品或動物飼料的作法，已經(jīng)早為人所熟知。通常植物僅被粉碎或切碎以適于使用，其中一個例子是將玉米切碎制成飼料。
然而，存在于植物細(xì)胞液中的成分特別適用于人類食品或動物飼料，因?yàn)檫@些成分是動物細(xì)胞中相應(yīng)成分的構(gòu)成材料。
用于飼料作物的機(jī)械處理方法被用于回收如(動物)飼料成分，其中所述飼料作物包括如草、紫花苜蓿以及其他新鮮和綠色的植物，通常它們差不多被整株利用，特別是葉和/或莖部分，但在大多數(shù)情況下不包括根。這些植物原料通常是通過擠壓葉和/或莖材料(優(yōu)選為切碎或粉碎的)而加以回收，從而使植物材料的一部分以榨汁形式獲得，而殘留的經(jīng)擠壓的材料則被稱為壓餅。
擠壓所產(chǎn)生的壓力一般會導(dǎo)致材料中植物細(xì)胞打開(斷裂或破裂)，從而造成水性而且是富含食物成分的細(xì)胞液作為榨汁從細(xì)胞中釋放出來，其中還有可能伴隨著細(xì)胞器殘余和包圍細(xì)胞的脂質(zhì)膜的釋放。通常榨汁采用如過濾等方法作進(jìn)一步的處理，此后，例如榨汁中的蛋白質(zhì)可以通過例如酸和/或熱處理等方法絮凝而加以回收。榨汁也可通過超濾或膜過濾、干燥、發(fā)酵或本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的其他方法作進(jìn)一步處理。按此方式，不但供人類和動物消費(fèi)的富含蛋白質(zhì)的營養(yǎng)物或其他高品質(zhì)營養(yǎng)物可以被回收，而且色素如胡蘿卜素(維生素原A)也可被回收。
所得相對較干的壓餅一般被認(rèn)為是較低檔的食品；它含有由(不直接)可消化的纖維素纖維所構(gòu)成的相對完整的纖維束、粘附的榨汁和在壓力影響下未被破壞的殘存細(xì)胞。正是因?yàn)檫@些含有未被回收的細(xì)胞液的殘存植物細(xì)胞賦予了壓餅的飼料價值，壓餅通常被干燥，造?；蛴米黠暳希貏e是反芻動物飼料中相對較低檔的粗飼料成分。
對于機(jī)械破碎如紫花苜?；虿輥碚f，通常采用的一種方法是利用錘式粉碎機(jī)粉碎植物原料然后采用螺旋壓榨機(jī)或壓帶機(jī)擠壓被粉碎的原料(此處將其稱為植物漿)。從而植物漿被分成壓餅部分和榨汁部分。其中榨汁部分被視為含有植物原料中的可工業(yè)回收的成分。錘式粉碎機(jī)一般由其上固定有可自由移動部件的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時這些部件與植物原料接觸并利用沖擊力將其粉碎。當(dāng)植物原料具有好的緊漲度時，即植物細(xì)胞處于張力之下時，錘式粉碎機(jī)的破碎效果相對較高。在這種情況下，沖擊力造成組織破裂并導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物和組織液一起被釋放。如果緊漲度低，打擊植物原料將造成其被壓縮。組織或多或少保持完整，結(jié)果細(xì)胞內(nèi)容物的獲取率明顯偏低。特別是對于那些在植物體內(nèi)僅部分溶解，而其余部分為固體且不溶物質(zhì)形式的細(xì)胞內(nèi)容物的回收率來說，這是主要限制因素。這種情況適用于植物蛋白，同時也適用于脂類和色素。同樣為人所知的錘式粉碎機(jī)可以將相對較干的材料分為兩個部分(如US5,464,160中所述)，在這種情況中忽略了寶貴的榨汁流，而榨汁流中含有富含蛋白質(zhì)的細(xì)胞液。因此，這些類型的粉碎機(jī)不適于加工新鮮的、相對較濕的材料，而且最終產(chǎn)生一種相對較濕的纖維部分。
在上述擠壓至少含葉和/或莖部分的植物原料的方法中，一般而言重要的是原料在收割后短時間內(nèi)，盡可能新鮮的情況下進(jìn)行加工。只有這樣，植物細(xì)胞方具有足夠的張力而在壓力下破裂或斷裂，從而使細(xì)胞液得以釋放。對于收割后植物部分在擠壓前已經(jīng)放置一段時間的情況，植物已經(jīng)干到某種程度，此時其中的植物細(xì)胞已經(jīng)喪失了大部分所需的緊漲度，細(xì)胞過于松弛而在壓力下不能斷裂或破裂。因此，在不新鮮的材料中榨汁的回收效率較低。對于植物的莖，情況也是如此。植物的莖即使在收割前，其植物細(xì)胞由于變干和/或成熟已經(jīng)喪失了大部分的緊漲度。通常這些植物不再為(完全)綠色的而變成棕色或黃色的。木質(zhì)化的植物部分則完全不適于以上方法，因?yàn)槠渲写蠖鄶?shù)的細(xì)胞已經(jīng)死亡，或者它們僅含非常少的細(xì)胞液成分，因此不能用于高品質(zhì)食物的回收。
通常植物材料被分割成壓餅部分和榨汁部分。該方法的特點(diǎn)是僅部分提取(與榨汁一起)細(xì)胞內(nèi)容物(液泡內(nèi)容物和細(xì)胞質(zhì)以及存在于其中的細(xì)胞器，如葉綠體和細(xì)胞核)；細(xì)胞壁與殘存細(xì)胞內(nèi)容物一起基本上完全遺留在壓餅中。包含在壓餅中的物質(zhì)是同樣也包含在原料中的所有組織，此外還包含一部分細(xì)胞內(nèi)容物。新鮮壓餅的顏色基本為綠色的，其中含有葉綠素的葉綠體隨榨汁僅部分被除去。植物原料僅部分粉碎至組織水平；這意味著除單獨(dú)組織如獨(dú)立的維管束外，仍然存在著可辨認(rèn)的葉和莖的碎片。
榨汁基本由細(xì)胞的水性內(nèi)容物組成液泡內(nèi)容物和細(xì)胞質(zhì)，而細(xì)胞質(zhì)中含有細(xì)胞器例如以完整或被粉碎形式存在的葉綠體；細(xì)胞壁組成物基本不存在于榨汁中，它們被保留在壓餅中。
因此，在常規(guī)的分離方法中，蛋白質(zhì)以及其它部分溶解的物質(zhì)的回收率依據(jù)植物體的性質(zhì)、特別是依據(jù)緊漲度而高度可變，通常緊漲度反映了干物質(zhì)含量的不同。
常規(guī)分離方法在擠壓植物漿時的結(jié)果是，僅有部分細(xì)胞內(nèi)容物進(jìn)入榨汁流，而其余部分留在了壓餅中。因此，除了較大部分的細(xì)胞壁外壓餅中仍然含有一部分細(xì)胞內(nèi)容物，正因?yàn)槿绱藟猴灡挥米黠暳稀?br> 因此，相對來說現(xiàn)有的用于從植物材料中從低品質(zhì)成分中分離高品質(zhì)成分的擠壓方法強(qiáng)烈依賴于植物材料中存在的細(xì)胞的緊漲度，這就將這些方法的應(yīng)用局限在相對新鮮和綠色的材料之內(nèi)。當(dāng)采用新鮮和/或綠色的材料時，所得壓餅仍然含有大量的未被破壞的植物細(xì)胞，在其中含有高品質(zhì)的細(xì)胞液，由于壓餅事實(shí)上僅能作為動物飼料中的相對較低品質(zhì)的成分，所以從壓餅僅能獲得低的價位。為從葉和/或莖部分回收高品質(zhì)的成分，需要采用一種較好的辦法，與現(xiàn)有方法相比，這種辦法可以較高效能地破碎植物細(xì)胞，這種方法可以使細(xì)胞液成分更易于回收，并且使含有纖維的殘余材料具有更好的市場前景。本發(fā)明的目的就是要滿足這種需求。
本發(fā)明提供一種從植物材料如葉和/或莖部分分離組份的方法，其特征在于該材料至少被部分纖維化并且隨后被分成纖維部分和榨汁流，使得纖維部分主要包含相對硬的組織如表皮、厚壁組織和維管束，而榨汁流主要包含軟組織如薄壁組織和細(xì)胞液。在一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種分離榨汁流的方法，其中榨汁流包含薄壁組織和葉綠體。
本發(fā)明提供一種新型的分離方法，該方法至少包括兩個步驟在第一步中通過剪切力的作用使植物材料纖維化，而在第二步中纖維成分被從其它物質(zhì)中分離出來。植物體的分離指將其分成多個組份。通過植物體分離產(chǎn)生了一個新的產(chǎn)品流，該產(chǎn)品流與其原料相比具有其它的應(yīng)用可能性。因此，與原始植物體相比，這些新產(chǎn)品流合在一起常常更有價值。本發(fā)明提供一種新的技術(shù)，該技術(shù)的基礎(chǔ)是對植物體纖維化，而后再去纖維。
在一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種從植物材料分離組份的方法，其特征在于該材料通過機(jī)械至少被部分纖維化并且隨后被分成纖維部分和榨汁流，使得纖維部分(參見，如

圖1和2，同時也是一個與常規(guī)方法的對比)主要包含相對硬的組織如表皮、厚壁組織和維管束，而榨汁流(參見，如圖6和7，同時也是一個與常規(guī)方法的對比)主要包含軟組織如薄壁組織和細(xì)胞液。例如在混合器中處理材料，由此進(jìn)行機(jī)械纖維化。優(yōu)選的是，當(dāng)在工業(yè)規(guī)模上需要進(jìn)行該方法時，根據(jù)本發(fā)明，采用一種裝置如具有磨盤的(壓力)勻漿機(jī)，如在紙漿和造紙工業(yè)中所采用的機(jī)械進(jìn)行纖維化，或者采用一種具有等同作用的機(jī)械進(jìn)行纖維化，通過這種作用，植物材料可以被纖維化，并從而被分割成纖維部分和榨汁流，使得纖維部分主要包含相對硬的組織如表皮、厚壁組織和維管束，而榨汁流主要包含軟組織如薄壁組織和細(xì)胞液。
本發(fā)明的方法可被應(yīng)用于所有含纖維的植物材料中，這些植物材料來源于作物和野生植物，以及由培養(yǎng)植物和野生植物所構(gòu)成的雜交產(chǎn)品。例如來源于人工培植草地的植物體，但也可來源于天然草地或路邊，飼料作物如草料草和玉米、紫花苜蓿、苜蓿和其它蝶形植物，纖維作物如亞麻和大麻，以及作物的頂部，這些作物一般培養(yǎng)僅用于收獲其種子、果實(shí)或塊莖，如谷物、甜菜、豌豆、豆、土豆、胡蘿卜、木薯、甘薯。
在纖維化中，導(dǎo)管組織中以及厚壁組織和表皮通過機(jī)械手段與其它成分、基本為薄壁組織脫離。同時薄壁組織被破壞，因此其中的細(xì)胞內(nèi)容物基本上被完全利用?？刹捎萌缭诩垵{或造紙工業(yè)中纖維化木材和木紙漿的磨漿機(jī)進(jìn)行纖維化。磨漿或纖維化一般要向植物材料外加水份而進(jìn)行。結(jié)果產(chǎn)生纖維化材料漿，從該材料漿中可以將纖維除去。由此所得的纖維部分(纖維流)根據(jù)其特性和組成可以用于以下應(yīng)用作為紙和紙板(單一漿種紙板、折疊紙盒用紙板和模型用紙板)的原料，作為生產(chǎn)纖維板(軟板、硬板、粗板、MDF、HDF和MDF/HDF型材)的原料，作為吸濕性材料如尿布、衛(wèi)生巾等的原料，作為制造培養(yǎng)介質(zhì)的原料(花肥和基質(zhì))，覆蓋物(用于防腐或用作雜草和疾病的抑制劑)，作為土壤改良劑或作為燃料。
在去纖維操作中，例如通過過濾將被釋放的纖維與其它植物成分分離。通過清洗和過濾，纖維可被進(jìn)一步純化并且盡可能多的非纖維成分可通過用水清洗來回收。去纖維的漿由所添加的水、組織液、細(xì)胞內(nèi)容物和來自薄壁組織的細(xì)分散細(xì)胞壁所組成的混合物構(gòu)成。通過這種去纖維的漿或榨汁流，其所含的物質(zhì)可被分成或多或少的純的形式，例如蛋白質(zhì)、多肽和氨基酸、酶、色素、脂類、脂肪酸、淀粉、可溶性糖和(細(xì)胞壁)糖，并用于家畜飼養(yǎng)、人類營養(yǎng)、或作為發(fā)酵的基質(zhì)，或通過濃縮可制成高營養(yǎng)價值的飼料或食品，因?yàn)椴荒鼙幌碗y以被消化的纖維成分已經(jīng)被除去了。在后續(xù)的步驟中，該去纖維的漿可被進(jìn)一步分離。例如一種可能性是通過離心將所有固體部分分離，其可進(jìn)行或可以不進(jìn)行一個通過加熱，酸化或其它手段而實(shí)現(xiàn)的絮凝步驟。另一可能性是使用細(xì)胞壁分解酶(果膠酶、纖維素酶等)，并將它們添加到去纖維漿中已溶解物質(zhì)的部分中，由此將薄壁組織細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化成可溶性的糖。
本發(fā)明所提出的方法的特征是在組織水平上分成纖維部分和去纖維部分，其中纖維部分主要包含相對硬的組織(表皮、厚壁組織和維管束)，而去纖維部分主要包含軟組織(薄壁組織)以及它們的內(nèi)容物。概括地說，常規(guī)方法和該新型方法的不同點(diǎn)是從組織液中提取(常規(guī)方法)而非組織分離(新方法)。
本方法還提供一種用于實(shí)施本發(fā)明方法的裝置。這種裝置的特征在于適于本發(fā)明的纖維化，使得較硬的導(dǎo)管組織以及例如厚壁組織和表皮(與纖維部分一起)通過機(jī)械手段與其它成分、基本為薄壁組織脫離。同時薄壁組織被破壞，因此其中的細(xì)胞內(nèi)容物基本被完全利用。此處“纖維化”是指植物原料被置于一種作用力之下使得相對硬的組織與相對軟的組織基本上完全脫離。進(jìn)行纖維化的作用力的結(jié)果是，植物細(xì)胞的絕大多數(shù)將被破壞，使得細(xì)胞液被釋放出來。作為榨汁流，細(xì)胞液通常還包括細(xì)胞器的殘余以及包圍細(xì)胞的脂質(zhì)膜和薄壁組織細(xì)胞膜，通過過濾或其它本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的分離方法細(xì)胞液可被相對簡單地從纖維成分中分離出去。
本發(fā)明的第一個優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明的效率不依賴于原料中植物細(xì)胞的緊漲度，使得與上述擠壓方法相比對植物細(xì)胞的破碎更為有效。
本發(fā)明的第二個優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明提供兩種非常純的產(chǎn)品流。第一個產(chǎn)品流是纖維成分，它主要含有纖維素和半纖維素，主要由元素C、H和O所構(gòu)成(它本身可以作為一種清潔原料)；第二種產(chǎn)品流含有在薄壁組織和細(xì)胞液中存在的所有有價值且復(fù)雜的內(nèi)容物，并且這兩種產(chǎn)品流可被相對簡單地進(jìn)一步分離。
例如通過過濾可以將這兩種產(chǎn)品流相互分離，除過濾外還可以設(shè)想其它的分離方法，如離心，通過水力旋流器和離心過濾處理以及傾析或沉降，或這些方法的聯(lián)合。在去纖維操作中通過如過濾等手段被釋放的纖維與其它植物成分分離。通過清洗和過濾，纖維可被進(jìn)一步純化并且利用清洗用水可以盡可能多地回收非纖維成分。去纖維的漿由所添加的水、組織液、細(xì)胞內(nèi)容物和來自薄壁組織的細(xì)分散細(xì)胞壁所組成的混合物構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的第一種產(chǎn)品流是榨汁流(通常是高營養(yǎng)的)，這種榨汁流包含基本上所有來自植物材料的高品質(zhì)成分或營養(yǎng)物(如糖、果糖-寡聚糖、蛋白質(zhì)、脂類、色素等)的水溶液/懸浮液。通過(低營養(yǎng)的)纖維成分的除去，構(gòu)成了相對高品質(zhì)的產(chǎn)品流，由此多種成分可以被相對簡單地進(jìn)一步純化。已去纖維的產(chǎn)品或榨汁流基本上由薄壁組織，一部分為未被破壞的細(xì)胞而另一部分為被破壞的細(xì)胞材料所構(gòu)成。已去纖維的產(chǎn)品的顏色一般為綠色，因?yàn)榇嬖谕暾幕虮黄茐牡娜~綠體，在分離過程中由于變色有時也為棕綠色。從宏觀上說它是一種流體。微觀上講，基本完整的和被破壞的薄壁組織細(xì)胞和細(xì)胞器如葉綠體在該流體中可以被看見。
根據(jù)本發(fā)明的第二種產(chǎn)品流，即纖維組分，由相對較硬的組織構(gòu)成。通常它們?yōu)榫S管束、厚壁組織和表皮。在分離和清洗過程中細(xì)胞內(nèi)容物從這些組織中脫除或基本上完全被除去。因此纖維主要由細(xì)胞壁成分構(gòu)成。葉綠體在純的纖維制劑中基本不存在。被清洗的纖維顏色一般在白色至黃色或淺棕色之間變化。有時由于回收期間葉綠素的浸漬可以出現(xiàn)淡綠色。宏觀上講，纖維部分的纖維結(jié)構(gòu)主要有維管束的絲狀特性。微觀上講，除了維管束和厚壁組織的絲狀結(jié)構(gòu)，一般來說片狀的表皮組織也可觀察到，其由一個細(xì)胞層厚的片構(gòu)成。維管束由幾個細(xì)胞構(gòu)成，包括木導(dǎo)管和篩管。根據(jù)纖維化的程度，也可出現(xiàn)由一個細(xì)胞構(gòu)成的纖維以及細(xì)胞壁的殘余，和(螺旋、網(wǎng)狀或環(huán)狀的)細(xì)胞壁加厚。表皮片典型地存在氣孔和硅質(zhì)的芽或毛發(fā)。
根據(jù)本發(fā)明的纖維流基本上僅由濕的固體纖維流(主要是纖維素和半纖維素)組成，基本沒有營養(yǎng)價值，因?yàn)檫@種組分不能直接被消化。但是這種不可消化性使得有可能在非食品應(yīng)用中使用這種纖維流。與常規(guī)擠壓法所得的壓餅相比這是完全不同的，因?yàn)閴猴炇聦?shí)上僅適用于飼料應(yīng)用，如果它不被制成食品被吃掉或被進(jìn)一步保存。
例如，本發(fā)明提供纖維部分在能源生產(chǎn)中的應(yīng)用。纖維部分主要含有糖類、纖維素和半纖維素(主要由元素C、H和O構(gòu)成)，它具有非常好的燃燒性，因此可以高效率地轉(zhuǎn)化成有用的能源，例如在熱電站中，同時可以預(yù)想它在燃燒過程中基本沒有或僅釋放少量的有害物質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的方法處理植物原料，然后將所得纖維部分用作燃料，將有利于CO2排放的減少，因?yàn)榇颂幩捎玫氖欠鞘腿剂稀Ｍ瑫r，纖維部分的燃燒對于環(huán)境來說更為清潔，因?yàn)槔w維部分幾乎不含有通常干植物中所存在的鹽類殘存物(如K、Na、Cl、P化合物)和蛋白殘余(它包括S和N化合物)。這些來自于細(xì)胞液的鹽類殘余和蛋白殘余已經(jīng)隨榨汁流而被從纖維部分中分離出去。纖維部分(此處主要是經(jīng)燃燒轉(zhuǎn)化成H2O和CO2的C、H和O化合物)的燃燒與其它鹽類殘余和蛋白殘余仍然存在的植物材料相比對環(huán)境的影響明顯更小。蛋白質(zhì)燃燒導(dǎo)致S和N化合物如S和N的氧化物的排放，不可燃燒的鹽類殘余將造成殘存的灰份。而本發(fā)明纖維成分的燃燒，如S和N的氧化物以及灰份的含量將明顯更少。
由于纖維材料的有機(jī)來源，它也可用于例如作為泥炭的替代物，如在花土中或在花園土中。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方案中，植物材料被纖維化至某種程度，使得如纖維材料主要由基本纖維構(gòu)成，從而使所得的纖維成分或纖維流適用于例如進(jìn)一步加工成紙板和/或紙，或可被用作(天然)纖維而用于復(fù)合材料中或(人造)樹脂的增強(qiáng)。
可采用本發(fā)明方法處理的植物原料的實(shí)例是已知的(飼料)作物，如草(谷物如小麥、黑麥和玉米)、紫花苜蓿、大麻，但也包括作物收割后的殘余物，這些作物葉和/或莖部分通常不被加工，例如土豆或甜菜的頂部在收割后通常被扔到田地中；或者是通常不被加工成汁液的作物，或僅被有限程度地加工的作物，如菠菜、萵苣和草。本發(fā)明方法的高效率使得加工這些植物材料是有利可圖的。
依據(jù)本發(fā)明的方法而加工的植物材料的榨汁流可進(jìn)一步被處理，例如通過過濾，此后例如在榨汁中的蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸、和其它成分或內(nèi)容物質(zhì)可以通過如采用如酸和或熱處理進(jìn)行絮凝而加以回收。榨汁流也可采用超濾或膜過濾、干燥、發(fā)酵、或其它本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的方法做進(jìn)一步處理。按此方式，供人和動物消費(fèi)的富含蛋白質(zhì)或其它高品質(zhì)的營養(yǎng)不但可以從細(xì)胞液中，而且也可以從葉和/或莖中被回收，同時會可回收色素如胡羅卜素(維生素原A)。
根據(jù)本發(fā)明的方法還可用于處理不屬于培養(yǎng)作物的植物材料，例如沿公路或高速公路的路邊草，或在天然領(lǐng)域中草和其它野生植物的混合。
本發(fā)明還提供一種從植物原料中分離組分的方法，所述植物原料收割時間相對較長，已經(jīng)至少是部分地干癟了，或者這種植物原料不再被劃分成新鮮的或綠的，而是經(jīng)過成熟期而變得更加木質(zhì)化和/或更加干燥。這些材料不適合采用擠壓方法進(jìn)行加工，但是現(xiàn)在可以輕松地進(jìn)行加工，因?yàn)楸环鬯榈闹参锛?xì)胞的緊漲度對于本發(fā)明所采用的方法并不重要。
本發(fā)明提供一種磨漿機(jī)，或者一種具有相似作用的裝置以及這種裝置的用途，例如用于從植物原料中分離組分，所述植物原料不再顯現(xiàn)任何的木質(zhì)化，或者僅具有少量的木質(zhì)化并且其中存在薄壁組織。薄壁組織和存在于其內(nèi)的細(xì)胞液是本發(fā)明的榨汁流的基礎(chǔ)。磨漿機(jī)一般用于將木塊破碎成纖維而用于制造形成紙或紙板的紙漿。本發(fā)明提供利用磨漿機(jī)處理作物的方法，所述作物來自大量品種的作物，它們通常不采用磨漿機(jī)進(jìn)行處理。磨漿機(jī)一般不用于處理新鮮和/或綠色的材料，因?yàn)槟绢^主要含有死的或木質(zhì)化的組織，其中大多數(shù)的薄壁組織、以及葉綠體已經(jīng)消失。不同類型的磨漿機(jī)已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。例如帶有錐形盤或帶有平板盤的磨漿機(jī)。本發(fā)明提供這兩種磨漿機(jī)和/或等同裝置在本發(fā)明方法中的應(yīng)用。
以下在本說明書的實(shí)驗(yàn)部分中進(jìn)一步描述本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。實(shí)驗(yàn)部分通過實(shí)驗(yàn)本發(fā)明與常規(guī)方法進(jìn)行了比較。采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)程和工業(yè)裝置進(jìn)行此項(xiàng)工作?；诖朔N方式，可以評價纖維部分的性質(zhì)并且可以比較兩種方法中內(nèi)容物的可回收性。以下所示結(jié)果表明了蛋白質(zhì)和其他內(nèi)容物可回收性的差異。常規(guī)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，在一個Tecator均質(zhì)器中對材料打漿并采用Lloyd Instruments公司的螺旋壓機(jī)擠壓植物漿，對常規(guī)研磨加擠壓的方法進(jìn)行模擬。在一個具有多孔底盤(面積50cm2)的杯中將100g新鮮植物漿于高達(dá)10bar的壓力下擠壓15分鐘。分析起始原料和榨汁的氮含量，以榨汁中粗蛋白含量(氮含量乘以6.25)計(jì)算蛋白質(zhì)的可回收性，結(jié)果表示為占起始原料中粗蛋白含量的百分比。
在更大的規(guī)模中，采用Jenz A30型錘式粉碎機(jī)粉碎草并將所得草漿按1∶7.65的壓縮比在一個Vetter螺旋壓機(jī)中擠壓，該壓機(jī)帶有開孔的壁厚為0.7mm。使植物原料由錘式粉碎機(jī)中通過一次或幾次，可以控制材料的粉碎程度的高低。新方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，在一個切割機(jī)中將新鮮草切碎，然后將30g切碎的草片與400ml水混合，并在一混合器(Braun混合器)中混合10分鐘，采用850μm的篩網(wǎng)過濾混合器中的植物漿，然后清洗并干燥濾除的纖維組分，按此方式對新方法進(jìn)行模擬。分析纖維中的氮、灰分和細(xì)胞壁的含量，并由此計(jì)算去纖維植物漿的組成。纖維產(chǎn)率被定為纖維組分中干物質(zhì)的含量占起始原料中干物質(zhì)含量的百分比。以去纖維植物漿中粗蛋白含量計(jì)算蛋白質(zhì)的可回收性，結(jié)果表示為占起始原料中粗蛋白含量的百分比。
同樣還在Sprout-Waldron 12英寸壓力磨漿機(jī)中對新方法進(jìn)行測試，磨漿機(jī)中磨盤的型號為D2A505。在大氣壓力、磨盤間距為0.04mm的條件下對新鮮草進(jìn)行磨漿或纖維化，其間添加水使得其稠度為含2％干物質(zhì)。然后采用開孔為140μm的篩網(wǎng)過濾纖維。
同樣還在型號為RO 20 FLUFF、序列號為3838、于1985年制造的Sunds盤式磨漿機(jī)中按半工業(yè)的規(guī)模對新方法進(jìn)行測試，磨漿機(jī)安裝有具有高阻力和低阻力的不同型號的磨盤。利用這一磨漿機(jī)對磨盤型號和盤間距對輸出的效應(yīng)以及纖維組成進(jìn)行了研究。
在大氣壓力條件下采用切碎的草進(jìn)行磨漿，可添加水或不添加水。同時也研究了對馬鈴薯秧的纖維化。
草來源于人工草地和天然草地，并被加工成新鮮和切碎的形式。纖維化材料的樣品用手清洗并過濾，然后分析其氮和灰分的含量。纖維平均占草干物質(zhì)33％的比例計(jì)算粗蛋白的可回收性。
馬鈴薯秧來源于生長旺盛期的產(chǎn)淀粉的馬鈴薯植株。馬鈴薯秧被機(jī)械拔起并被粉碎至某種程度。馬鈴薯秧由葉和莖組成。馬鈴薯秧不經(jīng)預(yù)先清洗，在新鮮且不添加水的情況下用磨漿機(jī)處理。纖維化的原料采用手進(jìn)行擠壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在壓餅中，由于存在葉綠體，其綠色是顯著的。同時根據(jù)其大小(截面部分大于1mm)和葉頂端的特征肋狀物，可以辨認(rèn)出葉的碎片。草纖維因其淺顏色(基本完全不含葉綠體)、單獨(dú)纖維的絲狀結(jié)構(gòu)和小的直徑(在此情況下遠(yuǎn)小于1mm)而得以辨認(rèn)。圖中所示連續(xù)數(shù)字間的間隔為1cm。圖3多年生黑麥草(Lolium perenne)的草纖維懸浮液。
可以觀察到直徑在幾十微米的纖維結(jié)構(gòu)(維管束)以及最小直徑高達(dá)幾百微米的表皮碎片。圖4多年生黑麥草(Lolium perenne)之草纖維中表皮的顯微圖。
其特征是在多年生黑麥草中存在氣孔，這些氣孔集中于葉片頂端的表皮中。在氣孔周圍更為致密的組織是下層厚壁組織。長形的表皮細(xì)胞的截面約為20微米。圖5多年生黑麥草(Lolium perenne)之草纖維中維管束的顯微圖維管束的特征是它們由幾個細(xì)胞構(gòu)成并且存在具有網(wǎng)狀加厚部分的管道。在圖中部的纖維直徑約為50微米。圖6多年生黑麥草(Lolium perenne)之去纖維榨汁流中薄壁組織細(xì)胞的顯微圖。這種榨汁流來源于圖1和圖2的纖維組分。
在草葉片中薄壁組織的特征是含有豐富的葉綠體。一些薄壁組織細(xì)胞在分離過程中已經(jīng)被破壞了僅可觀察到細(xì)胞壁，葉綠體孤立地存在于周圍液體中。這些薄壁組織細(xì)胞的尺寸約為20×40微米。圖中所示的組分在照相前被稀釋，從而將本發(fā)明榨汁流中相對大量的薄壁組織細(xì)胞顯現(xiàn)出來。圖7多年生黑麥草(Lolium perenne)之榨汁流中薄壁組織細(xì)胞的顯微圖。
榨汁來源于圖1和圖2的壓餅。圖中所示的組分在照相前被濃縮，從而使榨汁中相對少量的薄壁組織細(xì)胞顯現(xiàn)出來。圖8對草進(jìn)行纖維化或磨漿的流程圖。圖9對草進(jìn)行纖維化或磨漿的流程圖。圖10對草進(jìn)行纖維化或磨漿的流程圖。纖維化表1幾種人工培植草以及幾種其他作物在收獲期內(nèi)的平均纖維成分和纖維產(chǎn)率。
氮含量 灰分含量 細(xì)胞壁含量 纖維產(chǎn)率種/變種(g/kg dm**)(g/kg dm) (g/kg dm) ％原料干物質(zhì)草Lolium perenne 4n Vr.*4.0 50.6 867 28Lolium perenne 2n Vr.*4.3 43.5 865 34Lolium perenne 4n Lt. 4.5 41.1 879 29Lolium perenne 2n Lt. 5.4 34.7 857 29Lolium multiflorum 4n 3.8 47.4 877 24Lolium multiflorum 2n 4.4 36.6 880 27Phleum pratense 4.3 39.8 862 30Festuca arundinacea 4.4 36.7 867 29Dactylis Glomerata5.1 42.0 873 32Festuca pratensis 4.5 44.2 872 32其他植物紫花苜蓿 5.7 18.9 824 28馬鈴薯秧 嫩 4.2 26.1 836 16馬鈴薯秧 老 3.7 50.7 714 21豌豆秧4.8 25.7 832 29甜菜秧12.0 79.7 6809*)4n＝四倍體；2n＝二倍體；Vr.＝早開花；Lt.＝晚開花**)dm干物質(zhì)纖維化植物體產(chǎn)生纖維組分，依賴于材料的特性，以干物質(zhì)含量計(jì)，纖維組分可以在小于10％至大于30％之間變化。其準(zhǔn)確數(shù)字也取決于分離纖維的篩網(wǎng)的開孔和清洗強(qiáng)度。對于Lolium perenne來說，纖維組分中一般含80％的細(xì)胞壁材料，而且其氮含量多低于6-8g/kg干物質(zhì)，灰分含量多低于50-100g/kg干物質(zhì)。
表2纖維的組成磨漿機(jī) 實(shí)驗(yàn)室規(guī)程灰分含量(g/kg dm) 22.3 26.0氮含量(g/kg dm) 5.3 4.4細(xì)胞壁(g/kg dm) 808 792對于采用磨漿機(jī)的實(shí)驗(yàn)和依據(jù)實(shí)驗(yàn)室規(guī)程進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，在纖維組分的組成方面是具有可比性的。去纖維表3草和去纖維草漿的組成草 去纖維草漿磨漿機(jī)實(shí)驗(yàn)室規(guī)程灰分含量(g/kg dm)92.6 138139氮含量(g/kg dm) 31.0 47.4 48.7細(xì)胞壁(g/kg dm) 544375438
除細(xì)胞內(nèi)容物(如蛋白質(zhì))外，去纖維的植物漿還含有一部分來自于植物原料的細(xì)胞壁。這些細(xì)胞壁基本上來自軟的薄壁組織，這些組織在纖維化時破裂并隨后在去纖維化操作中以細(xì)分散材料形式通過篩網(wǎng)。其在去纖維植物漿中的存在量部分依賴于篩網(wǎng)開孔的直徑。表4在研磨＋擠壓和去纖維化時幾種人工培植草以及幾種其他作物在收獲期內(nèi)粗蛋白的回收率。種/變種 研磨＋擠壓(％)去纖維化(％)草Lolium perenne 4n Vr.30 95Lolium perenne 2n Vr.23 94Lolium perenne 4n Lt.22 95Lolium perenne 2n Lt.16 94Lolium multiflorum 4n41 96Lolium multiflorum 2n35 95Phleum pratense 11 94Festuca arundinacea 21 94Dactylis Glomerata 31 93Festuca pratensis17 94其他植物紫花苜蓿 52 95馬鈴薯秧 嫩 51 98馬鈴薯秧 老 42 95豌豆秧 16 95甜菜秧 24 95去纖維化所得的植物漿在大多數(shù)情況下含有大于70％，優(yōu)選大于80％或90％的植物原料中總粗蛋白。可通過離心回收蛋白，在離心前可以進(jìn)行或不進(jìn)行熱絮凝處理。
在常規(guī)的分離方法中，多數(shù)情況下粗蛋白的回收率小于50％。表5將草反復(fù)通過錘式粉碎機(jī)然后在螺旋壓榨機(jī)中擠壓與本發(fā)明之纖維化方法對蛋白回收率的比較。
蛋白回收率(％)錘式粉碎機(jī)＋螺旋壓榨機(jī)通過錘式粉碎機(jī)的次數(shù)1x 282x 304x 358x 43本發(fā)明的纖維化 93-96即使是將草反復(fù)通過錘式粉碎機(jī)反復(fù)破碎，然后在螺旋壓榨機(jī)中擠壓，所觀察到的蛋白回收率仍低于纖維化草所得的蛋白回收率的一半。
在Sunds盤式磨漿機(jī)中進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果概括在表6中。
盤的型號和盤間距的選取決定了纖維化的程度，但是對蛋白回收率的影響程度不大。為獲得高的蛋白回收率(在此情況中大于85％)，對于蛋白含量高的培養(yǎng)草和蛋白含量低的天然草，采取高的吞吐量是有可能的。
馬鈴薯秧十分適于用磨漿機(jī)加工。在纖維組分中木纖維的含量相對較高，因?yàn)槠鹗嫉鸟R鈴薯秧不僅含有葉組織也含有莖組織。馬鈴薯纖維的高灰份含量主要是由于原料未經(jīng)清洗沙土含量高所致。表6采用Sunds盤式磨漿機(jī)進(jìn)行半工業(yè)規(guī)模破碎草和馬鈴薯秧的纖維組成以及蛋白質(zhì)回收率
對草進(jìn)行磨漿的流程圖預(yù)處理所附流程圖(參見圖8至10)開始于提供切碎的草，這與常規(guī)在干草機(jī)中加工草和紫花苜蓿一樣。通常切片長度在幾個厘米數(shù)量級，但也可更長或更短。對于磨漿實(shí)驗(yàn)，在Pierret切截機(jī)中將新鮮草預(yù)先切碎成6毫米長，換而言之，這一長度非常短。從理論上講如此短的長度是不需要的；磨漿或纖維化被擠壓的草(其長度為幾厘米)不成任何問題。清洗實(shí)際應(yīng)用中可能需要清洗步驟以除去砂土，因而降低了儀器損耗并且能夠得到更清潔的產(chǎn)品。當(dāng)然如果砂土或其它污染物不存在時清洗步驟也可以省去。添加亞硫酸鹽添加亞硫酸鹽可能是需要的，但為防止在蛋白質(zhì)和聚苯酚間出現(xiàn)不必要的絡(luò)合也可以不添加。依據(jù)以往加工草汁的經(jīng)驗(yàn)，已知這種絡(luò)合物的形成降低了草蛋白的營養(yǎng)價值。在磨漿過程中環(huán)境可以不同。在磨漿過程中溫度快速升高可能即刻使酶活性停止(煮燙效應(yīng))，并且抑制了聚苯酚的形成。磨漿基本圖(圖8)理論上在磨漿過程中可以添加或不添加液體而進(jìn)行磨漿。在第一個實(shí)驗(yàn)中采用了新鮮草(15％干重)，這一過程進(jìn)行得不順利除非添加大量水使干物質(zhì)百分量變?yōu)榧s2％為止。需要添加液體可能部分依賴于磨漿機(jī)的類型以及草的特性(纖維性)。被擠壓的草(26％干重)可以在不添加水的情況下進(jìn)行磨漿，如果添加水，那么水的添加量與磨漿過程中溫度上升有關(guān)，從而影響了蛋白質(zhì)變性的程度以及以后的加工步驟。
磨漿之后，基本圖包括以下處理步驟濾除纖維，熱絮凝磨漿機(jī)流體，然后采用傾析的方法分離蛋白質(zhì)餅并蒸干去蛋白的流體。對于基本圖可以構(gòu)想兩種極端的變化，一是在磨漿過程中添加最少量的水，另外一個則是添加大量的水。因此，基本圖被轉(zhuǎn)變成變化A(圖9)和變化B(圖10)。磨漿變化A(圖9)對于添加最少量的往復(fù)液體，在磨漿過程中可能出現(xiàn)明顯的溫度上升，在被擠壓的草的實(shí)驗(yàn)中溫度高于70℃。蛋白質(zhì)絮凝和加熱殺菌在磨漿過程中就已經(jīng)發(fā)生，這樣有可能省略一個單獨(dú)的絮凝步驟。在這種情況下，加工流程被減化成磨漿—過濾—傾析—蒸發(fā)參見基本流程的變化A。磨漿變化B(圖10)變化B對于添加大量往復(fù)液體的情況，磨漿過程上的溫度上升可能保持有限在對新鮮草的實(shí)驗(yàn)中溫度約35℃。由此可以想象一部分的蛋白質(zhì)仍留存在溶液中。在這種情況中，經(jīng)磨漿后可以設(shè)想兩種路線，最簡單的路線是在濾除纖維后對流體進(jìn)行熱絮凝并且傾析。在這種情況下，形成蛋白餅，然后可以蒸發(fā)已去蛋白的流體(參見基本流程)。一種更為復(fù)雜的路線(變化B)包括在濾除纖維后先進(jìn)行傾析，由此而得到粗蛋白餅(粗的，也就是與通過篩網(wǎng)的細(xì)分散薄壁組織細(xì)胞壁的混合物)，然后再進(jìn)行熱絮凝并再進(jìn)行傾析。在第二步傾析步驟中可以獲得更為純凈的蛋白餅。濾除纖維為達(dá)到濾除纖維的目的，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的用于分離馬鈴薯纖維那樣，可以采用離心過濾。在該實(shí)驗(yàn)中采用了一種傾斜的濾網(wǎng)，它被架在一個線圈上，其開孔為140×140微米。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模中，采用了開口直徑為850和250微米的篩網(wǎng)。由此得到的經(jīng)驗(yàn)是采用相對較粗的篩網(wǎng)可以分離大多數(shù)的纖維。更細(xì)的纖維組分可以被加到總纖維組分中，或通過酶解加到糖漿、濃縮液或榨汁流中。清洗和干燥纖維經(jīng)過濾而分離出的纖維可能沾染有已溶解的和懸浮的物質(zhì)。因此采用去蛋白的回收液體進(jìn)行清洗是有必要的，然后再通過擠壓/離心除去水分并干燥。干燥蛋白餅通過傾析而分離出的富含蛋白質(zhì)的餅可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員己知的方法，如用于干燥馬鈴薯蛋白的方法進(jìn)行干燥。對于存在相對較高的脂類成分的情況，添加抗氧劑具有改善的效果。去蛋白液體的蒸發(fā)去蛋白的液體可被蒸發(fā)，以構(gòu)成富含糖的糖漿。擴(kuò)展操作基本流程可以被擴(kuò)展從而包括一些用于進(jìn)一步精煉粗蛋白餅的過程。一種可能的附加步驟是利用酶水解粗蛋白餅中的薄壁組織細(xì)胞壁。由此所得的糖可以添加到糖漿、濃縮液或榨汁流中。
權(quán)利要求
1.一種從至少包含葉和/或莖部分的植物材料中分離組份的方法，其特征在于該材料至少被部分纖維化，隨后被分成纖維部分和榨汁流，使得纖維部分主要包含相對硬的組織如表皮、厚壁組織和維管束，而榨汁流主要包含軟組織如薄壁組織和細(xì)胞液。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中榨汁流含有葉綠體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中材料被機(jī)械地纖維化。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中材料采用磨漿機(jī)進(jìn)行纖維化。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其中通過過濾將纖維部分從榨汁流中分離出來。
6.如權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其中植物原料來源于人工培養(yǎng)作物。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中人工培養(yǎng)作物屬于草本植物。
8.采用權(quán)利要求1至7中任一方法制得的纖維部分。
9.如權(quán)利要求8所述的纖維部分的用途。
10.如權(quán)利要求9所述的纖維部分的用途，其是用于能源或紙板和/或紙的生產(chǎn)中。
11.采用權(quán)利要求1至7中任一方法制得的榨汁流。
12.如權(quán)利要求11所述的榨汁流，其包含大于50％、優(yōu)選大于75％、更優(yōu)選大于90％植物原料中的粗蛋白。
13.如權(quán)利要求11或12所述的榨汁流的用途。
14.如權(quán)利要求11或12所述的榨汁流在制造食品中的應(yīng)用。
15.如權(quán)利要求11或12所述的榨汁流在回收或純化至少一種成分中的應(yīng)用。
16.一種實(shí)施權(quán)利要求1至7中任一方法的裝置。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其至少包含一個磨漿機(jī)。
18.一種裝置，其中可實(shí)施權(quán)利要求1至7中的任一方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種從植物材料中分離并回收組份的方法。本發(fā)明提供一種從至少包含葉和/或莖部分的植物材料中分離組份的方法,其特征在于該材料至少被部分纖維化,隨后被分成纖維部分和榨汁流,使得纖維部分主要包含相對硬的組織如表皮、厚壁組織和維管束,而榨汁流主要包含軟組織如薄壁組織和細(xì)胞液。在優(yōu)選的實(shí)施方案中,本發(fā)明提供一種分離特別是包含葉綠體的榨汁的方法。
文檔編號D01B1/10GK1333845SQ99815470
公開日2002年1月30日 申請日期1999年12月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月6日
發(fā)明者安妮·昆拉德·許爾斯特, 揚(yáng)·約瑟夫·瑪麗亞·胡貝特·凱泰萊爾斯, 約翰·彼得·馬里納斯·桑德斯 申請人:馬鈴薯及衍生產(chǎn)品合作銷售生產(chǎn)阿韋貝公司