乙醇萃取玉米纖維中的植物甾醇的製作方法
2023-11-12 03:46:07
專利名稱：乙醇萃取玉米纖維中的植物甾醇的製作方法
相關申請的交叉引用本申請是非臨時的，並且要求2004年3月22日提交的美國臨時專利申請序號60/555,284的優先權，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的全部內容引入本非臨時的實用專利申請作為參考。
聯邦資助研究的聲明美國政府有對本發明的已付費許可，並且在有限的條件下有權要求專利所有人以合理的方式許可他人實施該發明，所述方式由美國DOE(能源部)授予的裁決號04-03-CA-7060的條款規定。
背景技術：
1.發明領域本發明涉及一種乙醇萃取已經熱化學處理的玉米纖維的方法。
2.背景技術說明「溼磨法」是可以將玉米轉變成乙醇、玉米甜味劑和澱粉的方法。本文中使用的「玉米纖維」定義為「從溼磨法得到的產物，所述溼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，隨後溫和地研磨並且物理分離外纖維層與澱粉、蛋白質和其它成分」。
通過玉米溼磨法按每蒲式耳經加工玉米13％的比率產生玉米纖維。根據玉米精製者協會(Corn Refiners Association)，在溼磨廠每天產生15,000噸以上的玉米纖維。連同玉米纖維一起，玉米的蛋白質、油和澱粉部分隨著所述纖維流、並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，總計約25％的經加工玉米變成部分玉米麩質飼料流。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酵液的蒸餾的釜底產物，主要包含水、非揮發性物質，以及主要得自酵母細胞量的固體物。所述玉米漿和釜餾物給玉米麩質飼料提供了營養物和蛋白質，所述玉米麩質飼料是作為動物飼料銷售的低價值副產品物流。在本發明中，提供了一種節省成本的方法，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％澱粉、10-13％蛋白質、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的其它成分組成。工廠得自脫水壓機的玉米纖維流含有30-50％固體。熱化學處理玉米纖維期間，將纖維加熱至130-180攝氏度(℃)，該處理溶解澱粉和半纖維素部分，而完整地留下纖維素。澱粉由兩種類型的葡萄糖聚合物(直鏈澱粉和支鏈澱粉)組成。直鏈澱粉是具有由α-1，4-糖苷鍵連接的葡萄糖分子的線性聚合物，而支鏈澱粉是具有由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鏈組成。可以採用加熱與澱粉降解酶或與硫酸的組合，通過水解從纖維中除去澱粉。在這些條件下，首先水解澱粉聚合物成為可溶性寡糖，其可以進一步通過二級酸或酶水解步驟水解成為葡萄糖。通過在高於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一步用酸或酶進行處理。
澱粉和半纖維素的水解也可以結合成單個步驟。可以在高溫下任選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。該處理將導致澱粉和半纖維素的同時水解。
得自水解的澱粉和半纖維素的單糖可用於許多不同的工業用途，包括發酵和催化轉化至糖醇並隨後轉化為多元醇。得自澱粉的葡萄糖可用於酵母發酵生產乙醇，或可以發酵成為其它產物。也可以類似地發酵木糖成為多種本領域熟練技術人員已知的發酵衍生產物。阿魏酸可以用作生產香草醛的原料。
可以將水解步驟後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。用乾燥、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等人報導，普通玉米纖維中油的總百分率高達3.33wt％。此外，Moreau等人報導，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)在內的植物甾醇非常類似於膽甾醇分子。這些分子幹擾人的膽甾醇吸收。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。
對本發明來說，植物甾醇包括，例如但是不限於，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狀系統的化合物。本文中使用的「總甾醇」包括，例如但是不限於，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明明顯不同，因為在本發明中描述的萃取是對高固體含量、熱化學處理的玉米纖維完成的。而且，可以對乾燥的玉米纖維或者對溼的、未磨過的玉米纖維進行本發明方法的萃取。不需要完全乾燥的玉米纖維是本發明方法的一個優點，因為將纖維從65％水(對於機械脫水的玉米纖維是有代表性的)降低至0％非結合水所需的能量高。另外，穀粒粉塵爆炸是穀類儲存和碾磨操作的潛在危險。通過加工溼的、未磨過的玉米纖維，使穀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/乙醇的萃取劑用於本發明的方法以萃取植物甾醇。如果熱化學處理後玉米纖維的水含量是65％，那麼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/水混合物最適合於生產乙醇的現有玉米溼磨工廠，因為在這類工廠中乙醇和水都可加以利用。
發明概述本發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行熱化學處理以產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)所述殘留玉米纖維並從其中分離至少一種甾醇。在該方法的一個更優選的實施方案中，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。
在本文所述的本發明的另一個實施方案中，該方法包括這樣對所述玉米纖維漿料進行熱化學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，更優選至少約2至60分鐘。
在本發明的又一個實施方案中，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。
在本發明的另一個實施方案中，該方法進一步包括重複用乙醇萃取所述殘留玉米纖維至少一次。
本發明方法的另一個實施方案包括在約25攝氏度至75攝氏度的溫度下進行所述殘留玉米纖維的萃取至少一分鐘，優選約30至120分鐘。
在本文所述的本發明的一個優選實施方案中，該方法包括其中基於體積/體積的乙醇/水含量是約70％/30％至約100％/0％，更加優選基於體積/體積的乙醇/水含量是95％乙醇和5％水。
在本發明的另一個實施方案中，該方法進一步包括其中所述玉米纖維漿料的所述熱化學處理進一步包括使所述玉米纖維漿料經受酸處理。
發明詳述本文中使用的「植物甾醇」包括，例如但是不限於，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狀系統的化合物。本文中使用的「總甾醇」包括，例如但是不限於，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。
設計用於玉米纖維的水解的經濟方法時關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。這是因為玉米纖維的碳水化合物部分(澱粉、半纖維素和纖維素)能夠吸收大量水。本領域技術人員能理解的是，為了具有可以被攪拌的材料，漿料的含水量需要高於80％。本發明的方法不需要在水懸浮液中將該材料調成漿，只要在反應器中加熱該材料，同時混合該材料以確保適當的傳熱。因此，在本發明的詳細方法中，沒有必要在被攪拌的含水漿料中製備玉米纖維，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的問題是玉米纖維水解產物中存在的單糖的濃度。隨著水含量增加，產生的糖漿料變得更稀，所以，當水解產物被發酵時，乙醇濃度降低。低於5％乙醇，從發酵液蒸餾乙醇變得不經濟。
經常採用得自工廠的其它物流代替工藝用水。本發明的另一個實施方案中，可選擇的工藝物流，例如玉米漿和釜餾物，可以用於製備玉米纖維漿料。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。本發明的方法包括其中從工廠取出含水量為50-70％的玉米纖維，並將含水量增加至50-80％。可以通過利用壓力反應器將玉米纖維熱化學水解。這類反應器可以是連續式反應器或間歇式反應器。連續式反應器可以利用螺旋推運器將纖維運送入反應器並保持反應器上的加壓密封。間歇式反應器可以是一個密封、旋轉的反應器。可以這樣完成對纖維的加熱將蒸汽注入反應器，以將玉米纖維的溫度提高至約130℃，優選至約180℃，更優選至約190℃，並且優選從約138℃至約145℃，更優選從約150℃至約180℃。將玉米纖維保持在這些溫度之間至少約1分鐘，並且優選從約2分鐘至約1小時。然後從反應器中取出纖維，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℃，優選約130℃至約190℃進行高固體含量熱化學水解至少約一分鐘，更優選約2分鐘至約1小時。一旦玉米纖維被熱化學水解，就使用壓榨機或過濾設備(例如但是不限於螺杆壓榨機或真空過濾器)對它進行脫水。脫水後的殘餘纖維具有約30％至約80％固體的含水量。然後可能任選地需要對該材料進行部分乾燥，以減少本文中討論的總乙醇用量。
然後用至少1、優選3、更優選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。萃取後，進一步處理乙醇以分離油。
實施例實施例1「用乙醇萃取非熱化學處理的玉米纖維植物甾醇」和實施例2「用乙醇萃取低固體含量、熱化學處理的玉米纖維植物甾醇」分別描述了對於天然的玉米纖維和低固體含量、熱化學處理的玉米纖維進行的已知的乙醇萃取。描述實施例1和2以及植物甾醇萃取結果是為了給出比較的基準。實施例3「用95％乙醇萃取高固體含量、熱化學處理的玉米纖維」描述了本發明的方法。
實施例1用乙醇萃取非熱化學處理的玉米纖維植物甾醇將玉米纖維(總計49.1kg)與過量的水混合，並用氫氧化鈉調節pH至5.5。將Genencor Spezyme FREDα-澱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℃，並以兩倍推薦劑量添加GenencorOptidex L-400澱粉葡糖苷酶和Novozymes Fungamyl 800Lα-澱粉酶，並在65℃下保持漿料1天(24小時)。通過用螺杆壓榨機處理將該纖維脫水，並且再次洗滌和脫水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)萃取溼的、脫澱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，並在減壓下蒸餾含油的乙醇，以減小體積。用己烷萃取殘餘的油-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澱物並且不對其進行分析就棄除。合併己烷層，用活性炭脫色，用硫酸鎂乾燥，並重力過濾。經由減壓下的簡單蒸餾除去己烷，並乾燥得到的各樣品，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乾重)的多份，並且在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，並在減壓下蒸餾含油的乙醇，以減小體積。用己烷萃取殘餘的油-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澱物並且不對其進行分析就棄除。合併己烷層，用活性炭脫色，用硫酸鎂乾燥，並重力過濾。經由減壓下的簡單蒸餾除去己烷，並乾燥得到的樣品，以得到表1中的樣品123A、123B、123C和123D。
實施例2用乙醇萃取低固體含量、熱化學處理的玉米纖維植物甾醇在150℃下在攪拌的反應器中處理13％固體含量的玉米纖維三十分鐘，不加酸。30分鐘後，立刻冷卻反應器至95℃，並從反應器中取出玉米纖維。然後通過在減壓下過濾使纖維脫水，用去離子水洗滌，並再次脫水。在47℃、不攪拌的條件下使用乙醇/水(750mL)以變化的比率(表1)萃取溼的、熱化學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，對得到的濾餅進行第二萃取。合併兩個乙醇濾液，並經由減壓下蒸餾減少乙醇。當蒸餾明顯減慢時，冷卻蒸餾釜內容物，並用己烷萃取兩次。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澱物，並且不對其進行分析就棄除。合併己烷層，用活性炭脫色，用硫酸鎂乾燥，並重力過濾。經由減壓下的簡單蒸餾除去己烷，並乾燥得到的樣品，以得到表1中的樣品129A-D。結果與玉米纖維的其它乙醇/水萃取一致(表1)。
在150℃下、在攪拌的反應器中處理13％固體含量的玉米纖維(總計1000g)三十分鐘。30分鐘後，將11.13mL的9.12M氫氧化鈉溶液泵送入反應器以進行鹼處理。5分鐘後，將3.71mL的50％硫酸加入至反應器，以中和反應器內容物。立刻冷卻反應器至95℃，並從反應器中取出玉米纖維。然後通過在減壓下過濾使纖維脫水，用去離子水洗滌，並再次脫水。在約47℃、不攪拌的條件下使用70％乙醇/30％水(表1)萃取溼的、熱化學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，對得到的濾餅進行第二萃取約1.75小時。合併兩個乙醇濾液，並經由減壓下的蒸餾減少乙醇。當蒸餾明顯減慢時，冷卻蒸餾釜內容物，並用己烷萃取兩次。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澱物，不對其進行分析就棄除。合併己烷層，用活性炭脫色，用硫酸鎂乾燥，並重力過濾。經由減壓下的簡單蒸餾除去己烷，並乾燥得到的樣品，以得到表1中的樣品144。結果與玉米纖維的其它乙醇/水萃取一致(表1)。
用氫氧化鈉調節13％固體含量的玉米纖維(總計1077g)至pH約5.34，並添加2mL的Genencor Spezyme FRED以使玉米纖維脫澱粉。加熱漿料至約121℃約30分鐘，然後添加4.4mL的50％硫酸進行酸處理。約5分鐘後，添加12mL的9.12M氫氧化鈉以中和漿料，並冷卻漿料，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)對殘餘玉米纖維的一半進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％水對得到的濾餅進行第二萃取約2.5小時。合併頭兩個乙醇濾液，並經由減壓下蒸餾減少乙醇。當蒸餾明顯減慢時，冷卻蒸餾釜內容物，並用己烷萃取兩次。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澱物，不對其進行分析就棄除。合併己烷層，用活性炭脫色，用硫酸鎂乾燥，並重力過濾。經由減壓下的簡單蒸餾除去己烷，並乾燥得到的樣品，以得到表1中的樣品148。結果與玉米纖維的其它乙醇/水萃取一致(表1)。
表1.評估乙醇/水組成對從溼的、天然玉米纖維萃取的物種的影響。
(a)該數值包括存在於用於初始萃取的溼天然玉米纖維中的水，並且是用於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。
實施例3用95％乙醇萃取高固體含量、熱化學處理的玉米纖維已經在一個轉鼓反應器(tumbler reactor)中進行了大規模實驗。轉鼓反應器是具有夾套的50加侖壓力槽，它利用整個反應器的旋轉進行混合，而不是在壓力槽內部有旋轉攪拌器(葉輪)。通過使用該方法，固體裝載量可以高於用攪拌器混合時的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，所述多糖包括澱粉、半纖維素和較少量的纖維素。存在於玉米纖維中的殘留SO2來自玉米浸漬過程。對於運轉#4232-35、4232-37、4232-40和4232-43，將纖維放入50-加侖轉鼓反應器，並且將反應器和夾套中的壓力升高至大約50至60psi，其相應於約138℃至約145℃。使反應器保持在壓力下並以1rpm旋轉30分鐘，然後減壓並停車。通過使漿料經過螺杆壓榨機處理或者通過在減壓下過濾，立刻使纖維漿料脫水。然後用過量的熱水(溫度為約50℃至約100℃)洗滌纖維殘留物兩次，並且通過螺杆壓榨機或通過在減壓下過濾取出洗水並收集。收集得自運轉#4232-43的液體水解產物，並在高壓釜中對其進行次級酸解步驟(1％H2SO4，在121℃下，30分鐘)，以將存在於溶液中的寡糖水解成單糖，以產生發酵原料。對於其餘的運轉，為了進行分析，在約121℃下用1％H2SO4熱壓處理水解物的小樣品約30分鐘。表2中顯示了每次運轉的細節，並且下表3中顯示了分析結果。表3中的「-1」是指原始濾液，「-2」是指已經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。
用與運轉#4232-35至-43相同的程序完成運轉#4232-49，但是在初始水解步驟後，將反應器減壓並將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-澱粉酶，和Novozymes Optidex L-400澱粉葡糖苷酶。在約60℃下保持反應器約48小時，然後使纖維脫水並且洗滌兩次，在兩次洗滌之間進行脫水。
用與運轉#4232-35至-43相同的程序完成運轉#4232-52，但是在初始水解步驟後，將反應器減壓並將1重量％(wt％)硫酸加入纖維漿料。使反應器達到約130℃並且將漿料水解約45分鐘。完成該運轉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生的可溶性寡糖水解為單糖。
表2.轉鼓反應器運轉細節。
表3.轉鼓反應器濾液的分析結果(運轉#4232-)(單位為g/L)。
把得自運轉#4232-35、4232-37和4232-40的濾液和兩個洗滌液匯集起來，並在小的、自然循環蒸發器中將其濃縮至固體濃度為20％，然後通過在轉鼓反應器中與添加的1％w/w硫酸一起在約130℃下加熱約1小時而進行次級酸解。下文中將匯集的液體稱作運轉#4232-45。表4中顯示糖、蛋白質、酚類和降解產物，表5中顯示元素分析，表6中顯示胺基酸分析。高含量的硫是由於存在的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、濃縮的水解產物的分析結果(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水解之前和之後的胺基酸分析(單位為mg/kg)。
對於油萃取步驟，將得自運轉#4232-35、-37、-40、-43、-49和-52的溼纖維殘留物(從約25％至約39％幹固體)鬆散地裝入未攪拌的20L夾套反應器(具有約40.6釐米(16英寸)的直徑和約76.2釐米(30英寸)的高度)，並添加乙醇(95％乙醇/5％水)(添加量為約一至五升)直至從反應器底部出現洗脫液。萃取期間將反應器保持在設定的溫度下(參見表7)。使空氣向下流過反應器以迫使乙醇通過反應器，並收集洗脫液。從反應器中取出纖維，然後將洗脫液放置在反應器中，並在約56℃、65℃或75℃下用KOH(1％重量/體積，基於樣品4232-35、4232-37和4232-40；2％重量/體積，對於樣品4232-43、4232-49和4232-52)皂化約兩小時，用酸猝滅，並通過在減壓下蒸發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。用硫酸鎂乾燥每個己烷層，過濾並蒸餾，並回收得到的油樣品，稱重並提交供分析。發現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乾燥並再次稱重。因為萃取導致的玉米纖維的質量損失列於表7並且從大約8至28％不等。
表7.關於油收率和從千克量熱化學處理的天然玉米纖維萃取的材料的小結。
(a)將該油樣品溶解在最少量的己烷中，並用去離子水反萃取三次，留下乙酸乙酯可溶物質在水層中的乳液。
表8.關於千克萃取熱化學處理的天然玉米纖維的甾醇結果，基於萃取油重量％。
實施例4在連續逆流萃取器中用100％乙醇萃取高固體含量、熱化學處理的玉米纖維在一個轉鼓反應器中進行了有一個大規模實驗。水解方法是殘留SO2-催化的玉米纖維中多糖的水解，所述多糖包括澱粉、半纖維素和較少量的纖維素。在運轉#4232-72-1至#4232-72-9中，將纖維放入50-加侖轉鼓反應器，將反應器和夾套中的壓力升高至大約60psi，其相應於約145℃。對於九個運轉中的每一個，將反應器保持在壓力下並以1rpm旋轉30分鐘，然後減壓並停車。通過使漿料通過螺杆壓榨機進行處理而立刻使纖維漿料脫水。然後用過量的熱水(溫度為約50℃至約100℃)洗滌纖維殘留物兩次，並用螺杆壓榨機除去洗滌水，並收集。收集得自運轉#4232-72-1至#4232-72-9的液體水解產物和洗滌物，並在50加侖攪拌反應器中進行次級酸解步驟(1％H2SO4，在121℃下，30分鐘)，將存在於溶液中的寡糖水解成單糖，從而生產發酵原料。表9中顯示每次運轉的細節。
表9.運轉#4232-72-1至#4232-72-9的細節。
在強制循環、長管豎式蒸發器中濃縮匯集的次級酸解的玉米纖維水解產物至固體濃度為31％。下表10中顯示得自匯集的水解產物的分析結果。下文中將匯集的液體稱作運轉#4232-72。高含量的灰分主要由於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％乙醇萃取得自運轉#4232-72的熱化學水解的玉米纖維殘留物(44.8kg的56％水份，25.09kg乾重)。用乙醇在150(65.6℃)下操作萃取器，乙醇的進料速度為200mL/分鐘，鏈板式輸送器速度大約1.5英寸/分鐘(3.81釐米/分鐘)。將纖維加入至鏈板式輸送器，隨著鏈通過進料口直至每個區域頂部。使用50加侖(189.2升)乙醇萃取纖維。在萃取纖維後，立刻使其進入脫溶劑器(DT)，在其中加熱並用兩螺條混合機攪拌，以蒸發乙醇。乙醇進入冷凝器，並泵送回到提取器的末級(其中新鮮的乙醇進入)。採用蒸汽加熱使DT保持在約140(60℃)並在減壓下，使得乙醇蒸氣進入冷凝器。收集得自萃取器的乙醇用於進一步處理。
在強制循環、長管豎式蒸發器中濃縮得自萃取的含油乙醇，所述蒸發器在入口和出口具有泵以便連續操作。用於萃取的50加侖(189.2L)乙醇吸收存在於玉米纖維中的水，因此體積增加到55加侖(208.2L)。蒸發器在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)裝入蒸發器，並蒸發至總計3加侖(11.4L)。收集蒸發的乙醇並儲存。將濃縮的油萃取液裝入較小的自然循環蒸發器。將3加侖(11.4L)濃縮油萃取液濃縮至2.84kg油萃取液。皂化之前和之後，油萃取液中甾醇的濃度示於表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。採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量是2.42kg，而且通過螺杆壓榨機和反應器的加工損耗後，起始天然纖維的估計質量是40.6kg。這導致基於乾燥玉米纖維的初始質量的油收率是4.7％，基於乾燥玉米纖維的初始質量的植物甾醇收率是0.55％。
表10.關於運轉#4232-72的匯集、次級酸解的玉米纖維水解產物濃度
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。實施例2描述了熱化學處理低固體含量的玉米纖維以及萃取植物甾醇。低固體含量熱化學處理產生低糖濃度的發酵液，其導致發酵後或催化後低產物濃度。具體地對於乙醇，為了經濟地通過蒸餾回收，最終發酵液乙醇濃度需要高於5％。在發酵之前，通過蒸發水，可以充分地濃縮玉米纖維水解產物，然而，這還需要大的能量輸入。在本發明方法中，採用加熱並任選地採用酸，在約130℃至約190℃的溫度下、固體含量約20％至約50％下，熱化學處理玉米纖維至少一分鐘，優選約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。
本發明公開了熱化學處理高固體含量的玉米纖維漿料，然後用乙醇萃取殘留玉米纖維以分離植物甾醇的方法。本文中提供的實施例表明，可以處理含水量為50-80％的玉米纖維漿料，以溶解澱粉和半纖維素至不同程度。此外，上述實施例舉例說明了以分批、半分批或連續方式使用乙醇作為萃取劑。
儘管為了說明的目的已經描述了本發明的一些具體實施方案，但是對本領域技術人員而言顯而易見的是，在不脫離所附權利要求書中限定的本發明的情況下，可以對本發明的細節做出許多變化。
權利要求
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行熱化學處理以產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並分離至少一種甾醇。
2.權利要求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.權利要求1的方法，包括其中在所述熱化學處理期間，所述玉米纖維漿料具有約30至80重量％固體的含水量。
4.權利要求1的方法，包括其中所述甾醇是植物甾醇。
5.權利要求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率為約0.1至1％，基於玉米纖維的初始乾燥質量。
7.權利要求4的方法，包括其中從玉米纖維中萃取的總植物甾醇的產率為約0.25至0.6％，基於玉米纖維的初始乾燥質量。
8.權利要求1的方法，包括重複所述用所述乙醇萃取所述殘留玉米纖維至少一次。
9.權利要求1的方法，包括其中在從約25攝氏度至75攝氏度的溫度下進行對所述殘留玉米纖維的所述萃取至少一分鐘。
10.權利要求1的方法，包括其中進行所述熱化學處理約2分鐘至約60分鐘。
11.權利要求1的方法，包括其中基於體積/體積的乙醇/水含量是約70％/30％至約100％/0％。
12.權利要求11的方法，包括其中基於體積/體積的所述乙醇/水含量是95％乙醇和5％水。
13.權利要求1的方法，包括其中所述玉米纖維漿料的所述熱化學處理進一步包括使所述玉米纖維漿料經受酸處理。
全文摘要
本發明提供了一種使用乙醇作為萃取劑，從高固體含量、熱化學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行熱化學處理以產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並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 優先權日2004年3月22日
發明者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