一種從玉米纖維中提取半纖維素的方法

2023-04-23 17:34:56

一種從玉米纖維中提取半纖維素的方法
【專利摘要】一種分離玉米纖維的一種或多種成分的方法，該方法包括將玉米纖維與含有至少一種弱酸的提取液接觸，將得到的纖維與液體的混合物的溫度升至使玉米纖維中的半纖維素溶解進入液體中，將所述混合物冷卻，並將冷卻後的提取混合物分離成含有溶解的纖維素的可溶部分和含有木質素的不可溶部分。
【專利說明】一種從玉米纖維中提取半纖維素的方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請是要求2011年7月7日提交的美國臨時申請號為61/505373的專利申請的優先權的正式申請，並將其所有內容併入本發明中。
【技術領域】
[0003]本發明涉及對碾磨過的玉米的加工。具體地，本發明涉及從玉米纖維中提取半纖維素。
【背景技術】
[0004]在美國，玉米的溼磨法每年可以產生玉米纖維4，000，000多噸。到目前，這些玉米纖維被美國的動物飼養所使用。玉米纖維含有但不限於，被稱為玉米纖維膠和阿糖基木聚糖的半纖維素。玉米半纖維素的市場價值很可能遠遠高於它在動物飼養上的應用。例如，玉米半纖維素被認為可以用來在一些應用中，如在飲料香精乳化劑中，作為阿拉伯樹膠的替代物。另外，玉米半纖維素也被認為可以在一些應用中，如在水溶液與懸浮液中膜的形成、增厚、乳化和穩定中，發揮作用。進一步地，已知在食品和飲料中含有玉米半纖維素和它的有限水解產物，聚合度(DP)為3-10的阿拉伯糖基木聚糖-低聚糖(AX0S)，可以對健康帶來有益影響，如增加對鈣鎂的吸收，減少對膽固醇的吸收，降低血漿膽固醇，減少肝臟中的膽固醇累積，以及帶來好 的益菌保護效應。
[0005]鑑於玉米半纖維素的大量可能的較高價值的應用，從玉米纖維中提取半纖維素的工藝已具有商業規模，並繼續成為調查和開發工作的主題也就不足為怪了。例如，美國專利號6，147，206 (Donner等)公開了一種獲得大分子量的半纖維素的方法，涉及在用鹼性溶液處理磨碎的玉米期間與處理後用過氧化氫處理，該方法經常被稱為「鹼性過氧化氫法」或者「ΑΗΡ」方法。採用AHP方法生產的半纖維素在水中有很高的溶解度。已知採用AHP方法生產的半纖維素的產量在大約35wt% (在25°C下提取24個小時)到大約42wt% (在60°C下提取2個小時)的範圍內。對AHP的最終產物做色譜分析連同摩爾質量檢測，結果顯示為雙峰的摩爾質量分布，具有聞分子量成分(8.4-16.1 X 105g/mole)和低分子量成分(1.1-2.1 X 105g/mole)。白色、蓬鬆的纖維素/阿糖基木聚糖混合物(CAX)由從玉米纖維膠的生產後剩下的固體殘渣生成。CAX含有大量的食糖，顯示主要有L-樹膠醛醣、D-木糖和D, L-半乳糖。即便在極端的AHP環境(例如，I個小時，IO(TC)下製備的CAX仍然含有大量的食糖(例如，大約 33wt%)。
[0006]另一種已知的提取半纖維素的方法涉及使用鹽酸和硫酸。然而，這樣的方法會導致顯著的水解為單體的現象，以至於提取的產物主要用於發酵為乙醇或有機酸。例如，據報導在121°C下用1.0%的硫酸處理玉米纖維會產生大約63.3%的總糖產量。
[0007]另一種從玉米纖維中提取半纖維素的被稱為「氨-爆破(AFEX)」的方法，其涉及用液氮處理含有纖維素的物料，以增強纖維素的化學和生物反應。更具體地說，AFEX方法包括(a)在大約140psia到大約ISOpsia範圍的處理壓力下，在室溫下，將含有纖維素的物料與氨接觸少於一個小時，(b)爆發性地將壓力從處理壓力減少到大氣壓力，並且(C)將氨與含有纖維素的物料分離，從而增加了含有纖維素的物料中纖維的可消化性，並增加了纖維中和含有纖維素的物料的細胞壁內部的蛋白質的可用性。用AFEX方法處理後，將得到的玉米纖維用由商業澱粉酶、木聚糖酶和纖維素酶纖維素成分組成的混合物進行酶消化，以用於乙醇生產。消化後的物料含有大約30-40wt%的葡萄糖和低聚糖。
[0008]另一種已知的從玉米纖維中提取半纖維素的方法涉及在纖維素轉化為乙醇的酶促反應過程中，使用連續SO2催化蒸汽的爆破和酶法水解反應。玉米纖維中的纖維素和半纖維素轉化為單糖的轉化過程中，如果使用被蒸汽爆破過的纖維，轉化效率可以高達大約80%，但是如果酶法水解之前不進行蒸汽爆破，轉化效率只有大約15%。
[0009]前面所述的每種從玉米纖維中提取半纖維素的已知方法都具有局限性。高品質的半纖維素可以通過鹼與過氧化氫的組合來處理的方法獲得。然而，加鹼、酸中和以及醇沉澱的工藝的生產成品太高。以硫酸或鹽酸為基礎的提取工藝會導致半纖維素深度水解為食糖，這易於導致提取出來的材料不適於用作高價值的產品，如口香糖的替代物、低糖的天然可溶纖維或低糖的膨脹劑。對「氨-爆破」方法的測試顯示只有不到20%的纖維溶解，伴隨著顯著的褐變反應，並且在提取的半纖維素中發現了殘留的氨。此外，從經過熱液體或蒸汽處理的玉米纖維中提取的半纖維素的產量過低而沒有商業可行性。
[0010]綜上所述，仍然需要一種從玉米纖維中提取半纖維素的方法，該方法具有如下一種或多種的特徵:易於工業生產並且成本相對較低；可以生產一種或多種具有相對高價值的產品，如口香糖的替代物、低糖的天然纖維和/或低糖的膨脹劑。

【發明內容】

[0011]本發明提供了一種分離玉米纖維的一種或多種成分的方法，該方法包括:
[0012](e)將所述玉米纖維與提取液接觸以形成提取混合物，所述玉米纖維含有基質，所述基質含有半纖維素、纖維素和木質素，所述提取液含有至少一種弱酸；
`[0013](f)通過控制所述提取混合物的溫度Tjaff,使所述提取液充分酸化，以通過水解來打破半纖維素和木質素之間的鍵合，從而溶解所述玉米纖維中的半纖維素，因而使可溶解的半纖維素溶入所述提取液中；
[0014](g)通過控制所述提取混合物的溫度Twa，從而使所述提取液不充分酸化以基本上解聚溶解的半纖維素，從而抑制水解；並且
[0015](h)將所述提取混合物分離為含有溶解的半纖維素的可溶部分和含有纖維素的不可溶部分。
[0016]本發明還提供了一種分離去澱粉的玉米纖維的一種或多種成分的方法，該方法包括控制提取混合物的溫度，所述提取混合物含有去澱粉的玉米纖維和含有至少一種弱羧酸的提取液，使半纖維素從去澱粉的玉米纖維中溶解並溶入所述提取液中，從而使溶解的半纖維素的重量佔所述去澱粉的玉米纖維的重量的大約30%到大約75%，並且所述溶解的半纖維素的重量的至少40%具有至少為3的聚合度。
[0017]另外，本發明提供了一種分離去澱粉的玉米纖維的一種或多種成分的方法，該方法包括通過控制提取混合物的溫度在大約120°C到150°C的範圍內保持大約2分鐘到10分鐘的時間段，然後將其抑制到所述範圍以下的溫度，將半纖維素從去澱粉的玉米纖維中溶解並溶入所述提取混合物中的提取液中，所述提取混合物含有大約6.5重量份的去澱粉的玉米纖維和大約100重量份的提取液，所述提取液含有濃度範圍在大約0.01M到0.05M範圍內的檸檬酸，從而使(a)溶解的半纖維素的重量佔所述去澱粉玉米纖維重量的大約50%到大約60%，(b)所述溶解的半纖維素含有(i)總重量佔所述溶解的半纖維素重量的大約30%到大約40%範圍內的單糖和二糖，(ii)總重量佔所述溶解的半纖維素重量的低於大約5%的低聚糖，和(iii)總重量佔所述溶解的半纖維素重量的大約55%到大約70%範圍內的多糖。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為根據本發明不同的實施方式，從去澱粉玉米纖維中提取得到的可溶部分的糖類分布的對比圖。
[0019]圖2為根據本發明不同的實施方式，從去澱粉玉米纖維中提取得到的可溶部分中食糖(DP1-2)的含量和可溶纖維(DP3及以上或DP3+)的含量的對比圖。
[0020]圖3為提取的可溶部分(KCl，被標記為7428-145)與5DE麥芽糖糊精、半乳糖、樹膠醛醣和木糖的糖類分布的對比圖。
[0021]圖4為根據本發明的方法的不同實施方式提取的不同的半纖維素/AXOS樣品的分子量分布的凝膠滲透色譜(GPC)圖。
[0022]圖5為根據本發明使用檸檬酸(弱酸)、產量為58.4%的方法提取的可溶部分和使用硫酸(強酸)、產量為39.3%的方法提取的可溶部分的糖類分布的對比圖。
【具體實施方式】
[0023]本發明至少部分地涉及一種從含有半纖維素、纖維素和木質素的玉米纖維中分離出一種或多種成分的方法。儘管不是必需的，在本發明的一個【具體實施方式】中，玉米纖維的源材料是去澱粉的玉米纖維。有利的是，使用去澱粉的玉米纖維可以明顯地導致該方法的產品有更高含量的纖維，易於使最終產品更適於做食品配料成分。即便如此，如果並不關注本發明的產品是否含有大量的澱粉或水解了的澱粉(例如，產品在用於生產乙醇的發酵過程的應用)，那麼使用不去澱粉的玉米纖維也是可以滿足要求的。進一步地，本發明中所使用的去澱粉的玉米纖維可以通過以下任意的去澱粉的方法實現，如酶解、水洗和兩者的組合。綜上所述，可以理解為玉米纖維、去澱粉的玉米纖維和任何程度的部分去澱粉的玉米纖維都可以在本發明的方法中使用。
[0024]尤其地，本發明的方法包括將玉米纖維與含有至少一種弱酸的提取液接觸以形成提取混合液。該方法進一步包括通過控制提取混合物的溫度Tjaff,使提取液充分酸化，以通過水解來打破半纖維素和木質素之間的鍵合，從而溶解所述玉米纖維中的半纖維素，因而使可溶解的半纖維素溶入提取液中。該方法進一步包括通過控制提取混合物的溫度Tw$IJ,使提取液不充分酸化以基本上解聚溶解的半纖維素，從而抑制水解。更進一步地，該方法包括將提取混合物分離為含有溶解的半纖維素的可溶部分和含有纖維素的不可溶部分。因此，通過該方法的實施，至少半纖維素可以從玉米纖維中分離出來。如果需要進一步實施，該方法可以還包括通過處 理所述可溶部分，以將溶解的半纖維素從提取液中分離出來。
[0025]HM[0026]如前所述，本發明的方法涉及使用弱酸。通常來說，與強酸(例如，HCl和&504)不同，當將弱酸(例如，檸檬酸和醋酸)溶於水時，形成水合氫離子(H3O+)的反應不會繼續完成。例如，在25°C的0.1M的醋酸溶液中，只有大約1%的醋酸分子通過把質子轉移給水而離子化。應該指出的是，除非另有說明，這裡所述的所有參考值均為在25°C下的值。根據範特霍夫方程(van』 t Hoff equation),可知包括pKa的平衡常數都會隨著溫度而變化。
[0027]酸度通常表述為pKa，其為酸度常數Ka的負對數。這種方法類似於把水合氫離子的濃度表述為pH。pKa的大小與酸的強度存在著相反的關係-pKa的值越大，酸的強度越弱。這包括負數；鹽酸被認為是一種非常強的酸，它的PKa為-7，反之硝酸被認為是一種弱酸，它的PKaS-1.4。通常來說，PKa大於-2的酸被認為是弱酸。PKaS-2或者更低的酸可以在pH為0(1M的酸)時99%以上解離。弱酸包括一元酸(失去一個質子的酸)如醋酸，和多元酸(可以失去不止一個質子的酸)，如可以失去三個質子、對應三個？1^值(？1^=2.15、pKa2=7.2並且 pKa3=12.37)的磷酸(Η3Ρ04)。
[0028]在本發明的【具體實施方式】中，提取液中的每種弱酸的pKa值為大於-2、至少為O、至少為2或至少為4。
[0029]在本發明其他的【具體實施方式】中，提取溶液不含有任何強酸。因此，提取液中唯一的酸是弱酸。在這樣的實施方式中，提取液中的每種弱酸的PKa值為大於-2、至少為O、至少為2或至少為4。
[0030]在本發明的另一個實施方式中，儘管提取液中可能含有無機弱酸如磷酸和硝酸(並且，事實上，可能是提取液中唯一的弱酸)，但是提取液含有至少一種羧酸。在另一個實施方式中，提取液中的至少一種弱酸含有至少一種羧酸。作為弱酸的羧酸的例子包括檸檬酸、乳酸、羥基丁二酸、醋酸、富馬酸、甲酸、乙二酸。在一個實施方式中，提取液中含有的至少一種羧酸選自由檸檬酸、乳酸、羥基丁二酸、醋酸、富馬酸、甲酸、乙二酸及它們的組合組成的組。在另一個實施方式中，所述至少一種羧酸選自由檸檬酸、羥基丁二酸和富馬酸以及它們的組合組成的組。在其他的實施方式中，所述至少一種羧酸是檸檬酸。
[0031]通常來說，提取液中弱酸的量使弱酸的總濃度在大約0.0OlM到大約IOM的範圍內。也就是說，迄今為止的實驗結果顯示，當弱酸的總濃度在大約0.01M到大約IM的範圍內時，本發明的方法可以在原材料成本、安全、時間和效率上達到令人滿意的平衡。
[0032]關於提取液中的水，任何合適的種類都可以按照本發明來使用。也就是說，如果將提取的半纖維素和AXOS用作食品添加劑時，一般來說更適於採用去離子水和蒸餾水。
[0033]提取混合物中提取液和S米纖維的相對含暈
[0034]實踐中形成了一種提取混合物，該提取混合物含有至少足夠的提取液，潤溼並懸浮和/或溶解需要被處理的玉米纖維。也就是說，提取液與玉米纖維的比例並不是至關重要的。事實上，本發明所用的提取混合物中提取液和玉米纖維的比例可以在一個相對較大的範圍內波動。例如，在本發明的一個【具體實施方式】中，控制所述方式從而使得提取混合物中玉米纖維和提取液的重量比可以在大約1:100到大約60:100的範圍內。在另一個實施方式中，提取混合物中玉米纖維和提取液的重量比在大約3:100到大約20:100的範圍內。
[0035]溶解半纖維素
[0036]如上所述，本發明的方法包括通過控制提取混合物的溫度Tjaff，使提取液充分酸化，以通過水解來打破半纖維素和木質素之間的鍵合，從而溶解所述玉米纖維中的半纖維素，因而使可溶解的半纖維素溶入提取液中。該方法進一步包括通過控制提取混合物的溫度Twa，從而使提取液不充分酸化以基本上解聚溶解的半纖維素，從而抑制水解。
[0037]當在相對較低的溫度時(例如，低於大約50°C )，提取混合物中的弱酸傾向於不攻擊玉米纖維中的組分或與之發生反應。例如，在相對較低的溫度時，提取混合物中的弱酸不能充分酸化以通過水解打破半纖維素和木質素之間的鍵合。相反地，在相對較低的溫度下，溶液中的強酸可以充分酸化以打破半纖維素和木質素之間的鍵合(玉米纖維的反應程度當然在很大程度上與酸的濃度和溶液的PH有關)。因此，本發明的方法允許玉米纖維中化學鍵的水解被控制在一個相對簡單、可靠和安全的方式下，而無需加入化學物質來中和提取混合物的酸度。為了以顯著的速度打破半纖維素和木質素之間的鍵合，提取混合物的溫度被簡單地提升到可以使提取混合物中的弱酸充分酸化以通過水解來打破半纖維素和木質素之間的鍵合的溫度T _。
[0038]相反地，在水解已經達到需要的量時，要通過控制(降低)提取混合物的溫度Twa，在該溫度Twa下，提取液不能充分酸化以大量地水解溶解的半纖維素的化學鍵，從而使本發明中的水解反應得到有效地抑制或停止。換句話來說，Twa的值是要達到能夠使提取液的酸度足夠低而使分離得到的半纖維素能夠達到我們的目的被有效地停止。這與先前已知的使用鹽酸或硫酸的方法相比具有明顯的優勢，因為這些酸會持續地水解溶解的半纖維素中的糖苷鍵，直到被化學中和。因此，當使用這些強酸時，從玉米纖維中分離出的半纖維素的很大一部分會地被分解為食糖(DP1-2)。因此，由於可以簡單地通過降低提取混合物的溫度實現基本停止水解反應，本發明可以通過控制使得玉米纖維中分離得到的半纖維素的更大部分是DP3+，並且仍然可以實現相對較高的總產量的分離的半纖維素。
[0039]當然，任何具體的提取混合物的T_的最低溫度和T?φ$(的最高溫度至少部分地取決於提取混合物中具體的弱酸。儘管如此，為某個具體的提取混合物確定一個合適的Tjaff和Twa對本領域的普通技術人員來說是簡單明確的。在本發明一個具體的實施方式中，Ts解在大約50°c到大約350°C的範圍內。在另一個具體的實施方式中，Tjaff在大約120°C到大約150°C的範圍內。在另一個具體的實施方式中，Twffl在大約5°C到大約40°C的範圍內。在另一個具體的實施方式中，Twffl在大約10°C到大約30°C的範圍內。
[0040]同樣地，提取混合物在Tjaff (也就是說，!^^中的某一個具體的溫度)下的持續時間 取決於需要被溶解在提取混合物中的玉米纖維中的半纖維素的量，並且反過來，也至少
部分地取決於在Tjaff的範圍內選擇的具體溫度。通常來說，溫度越高，就能越快地通過水解打破玉米纖維中的成分之間的鍵合，並且分離所述成分(例如，溶解的半纖維素)。通常來說，持續的時間越長，越多的玉米纖維中的半纖維素可以被溶解於提取液中。因而得到更高產量的分離出的半纖維素。但是持續時間越長，更多的溶解的半纖維素被解聚為食糖(DP1-2)。因此，本發明的實際操作者會從前面所述的各種變量(包括Tjaff)中選擇合適的值，以達到滿意的結果。這些值的確定可能基於這裡公開的信息，或者常規測試，或者兩者，這對本領域的普通技術人員來說是簡單明確的。在本發明一個具體的實施方式中，提取混合物在Tjaff的溫度下的持續時間在大約I分鐘到大約200分鐘的範圍內。在另一個具體的實施方式下，提取混合物在Tjaff的溫度下的持續時間在大約2分鐘到大約10分鐘的範圍內。
[0041]儘管不是必需的，但是從木質素和纖維素中已經分離得到足夠的半纖維時，經常需要相對迅速地降低提取液的溫度，以抑制水解反應，使從玉米纖維中分離出並溶解於提取液中的半纖維素的解聚作用達到最低。這種相對較快地降低和加熱提取液的方法可以通過任意合適的方法來實現，比如通過對夾套通入流動的熱水、蒸汽、自來水或冷卻水來加熱或降溫。在本發明一個具體地實施方式中，在抑制過程中，從Tjaff轉變到Twffl的平均速度在大約0.rc /s到大約0.50C /s的範圍內。在另一個具體的實施方式中，在抑制過程中，從T_轉變到Τ.的平均速度在大約0.50C /s到大約1°C /s的範圍內。
[0042]需要注意的是，本發明的方法可以在連續的方式下實施。例如，可以通過將提取混合物引入溫度至少大約為Tjaff的區域中來將其加熱至Tjaff,以滿足在Tjaff下的所述提取混合物的所有部分的停留時間為水解反應是通過把混合物引入溫度不高於Twa的區域中來抑制。一個相似的持續的裝置/操作的特定例子在美國專利號為4，256，509已經描述，並將所述專利的所有內容併入本發明。
[0043]分離提取混合物至各部分
[0044]如前面所述，本發明也包括把提取混合物分離為含有溶解的半纖維素的可溶部分以及含有纖維素和木質素的不可溶部分。這可以通過任意合適的方法來實現，比如過濾或離心分離。
[0045]儘管不是必需，如果需要，分離得到的含有纖維素和木質素的不可溶部分可以通過任意合適的方法來進行乾燥，比如加熱的烘乾爐乾燥或吹風機乾燥。另外，如果需要，分離得到的可溶部分可以進行 蒸發溶劑(如水)的處理，以得到乾燥的含有之前溶解的固體半纖維素的可溶部分。溶劑的蒸發可以通過任意合適的方法實現，比如噴霧乾燥、冷凍乾燥或烘乾爐乾燥。
[0046]所述方法的產品
[0047]如前面所述，本發明的方法可以控制可溶物料的量。所述可溶物料包括從玉米纖維中提取和分離的半纖維素和AX0S。進一步地，如前面所述，在本發明的某些具體的實施方式中使用的是去澱粉的玉米纖維。舉例來說，在這樣的實施方式中，可溶部分中的溶解的半纖維素的重量佔去澱粉玉米纖維重量的大約30%到大約75%，並且不可溶部分中的纖維素的重量佔去澱粉玉米纖維重量的大約15%到大約30%。在另外的這樣的實施方式中，可溶部分中的溶解的半纖維素的重量佔去澱粉玉米纖維的大約50%到大約60%，並且不可溶部分中的纖維素的重量佔去澱粉玉米纖維的大約20%到大約30%。
[0048]前面也提到本發明的方法需要控制分離出的半纖維素的聚合度。舉例來說，在某些具體的實施方式中，可溶部分的溶解的半纖維素含有(i)總重量佔溶解的半纖維素重量的大約20%到大約75%範圍內的單糖和二糖，(ii)總重量佔溶解的半纖維素重量的低於大約10%的低聚糖，和(iii)總重量佔溶解的半纖維素重量的大約25%到大約70%範圍內的多糖。在另外的實施方式中，可溶部分的溶解的半纖維素含有(i)總重量佔溶解的半纖維素重量的大約30%到大約40%範圍內的單糖和二糖，(ii)總重量佔溶解的半纖維素重量的低於大約5%的低聚糖，和(iii)總重量佔溶解的半纖維素重量的大約55%到大約70%範圍內的多糖。
[0049]在另一個具體的實施方式中，該方法包括控制提取混合物的溫度，所述提取混合物含有去澱粉的玉米纖維和含有至少一種弱羧酸的提取液，使半纖維素從去澱粉玉米纖維中溶解並溶入提取液中，從而使溶解的半纖維素的重量佔所述去澱粉的玉米纖維的重量的大約30%到大約75%，並且溶解的半纖維素的重量的至少40%具有至少為3的聚合度。在另一個具體的實施方式中，使溶解的半纖維素的重量的至少30%具有至少為11的聚合度可能會更適合，使溶解的半纖維素的重量的不超過10%具有3到10的範圍內的聚合度也可能更適合。更進一步地，使溶解的半纖維素的重量的不超過60%具有在I到2的範圍內的聚合度也可能更適合。[0050]在另一個具體的實施方式中，從分離去澱粉的玉米纖維的一種或多種成分的方法可以包括通過控制提取混合物的溫度在大約120°C到大約150°C的範圍內保持大約2分鐘到10分鐘的時間段，然後將其抑制到所述範圍以下的溫度，將半纖維素從去澱粉的玉米纖維中溶解並溶入提取混合物中的提取液中，所述提取混合物含有大約6.5重量份的去澱粉的玉米纖維和大約100重量份的提取液，所述提取液含有濃度範圍在大約0.01M到大約
0.05M範圍內的檸檬酸，從而使(a)溶解的半纖維素的重量佔所述去澱粉玉米纖維重量的大約50%到大約60%，(b)溶解的半纖維素含有(i)總重量佔溶解的半纖維素重量的大約30%到大約40%範圍內的單糖和二糖，(ii)總重量佔溶解的半纖維素重量的低於大約5%的低聚糖，和(iii)總重量佔溶解的半纖維素重量的大約55%到大約70%範圍內的多糖。
[0051]實施例
[0052]以下公開的【具體實施方式】只是可以以不同形式體現的本發明的代表。因此，以下實施例公開的特定的結構、功能和實施細節並不視為限制。
[0053]玉米纖維去澱粉的方法
[0054]在鋼製容器中，將大約750g乾重(d.s.)為40%的Vetter的玉米纖維與至總重為4kg的純淨水混合。將纖維懸浮液在帶有裝備有2個葉片(直徑45mm)的攪拌軸的Maxima數字攪拌器(Fisher Scientific, Pittsburgh, PA)的加熱板上加熱至沸點(大約95°C )。將懸浮液的PH值用IN的NaOH溶液調至大約6.5。並且加入大約6mL的IM的CaCl2溶液。然後向纖維懸浮液中加入大約6mL的Termamyl SC DS(諾維信北美有限公司，弗蘭柯林頓，NC)，並在大約95°C下進行酶促反應大約1.5小時。將纖維懸浮液用鋁箔密封在鋼製容器中並在室溫下過夜。然後，將纖維懸浮液加熱至大約57°C，並用30wt%的檸檬酸溶液調節pH至4.5。向懸浮液中加入大約6mL的糖化酶(Spirizyme fuel)(澱粉轉葡糖苷酶,諾維信北美有限公司，弗蘭柯林頓，NC)，並在大約57°C下反應大約3個小時。然後，將懸浮液降溫至大約50°C (pH約4.5)並加入6!^ ProSteep? (蛋白酶，傑能科國際有限公司，羅切斯特，NY)進行蛋白質水解大約1.5小時。然後，將溫度升高到大約85°C並保持大約5分鐘，使蛋白酶和澱粉轉葡糖苷酶失活。去澱粉的纖維使用裝有2號濾布(過濾服務，2171E.安德魯斯聖，梅肯IL62544)的布氏漏鬥過濾，並將獲得的濾餅在大約50°C的送風型烘箱中乾燥。
[0055]使用檸檬酸提取半纖維素
[0056]向大約90g的去澱粉玉米纖維(DS)中加入淨化水使總重量大約為1450g。加入大約20g的30wt%的檸檬酸溶液並伴有附加體積的純淨水，使總重達到大約1500g，pH值達到大約2.8。將纖維懸浮液轉移到帶有攪拌裝置和通過夾套進行可控的蒸汽加熱的2L高壓不鏽鋼反應器中。將懸浮液加熱到大約150°C並保持大約2分鐘或大約10分鐘以溶解半纖維素。然後用夾套中的自來水將懸浮液迅速冷卻。反應後，pH大約為2.8。溶液用裝備有繃緊的2號濾布的布氏漏鬥過濾，並且將獲得的濾餅用純淨水衝洗並在大約50°C的送風型烘箱中乾燥大約24小時。記錄濾液和衝洗水的重量，並用送風型烘箱的溼度測量方法(大約105°C下1.5小時)測量溼度。
[0057]高效液相色譜法(HPLC)
[0058]將前面所述提取工藝的產品通入裝備有銀質Aminex?樹脂基柱子的HPLC，以分離不同聚合度(DP)的食糖(糖類分布在聚合度1-10)。Aminex?樹脂基柱子是根據尺寸排阻和配體交換的機理進行糖類的分離。具體地說，對低聚糖的分離來說，尺寸排阻是分離的首要機理(低交聯的樹脂可以按照尺寸允許糖類滲透並使低聚糖分離)。對單糖的分離來說，配體交換是首要的機理，其涉及食糖上的羥基與樹脂上固定的平衡離子的結合。配體交換受到平衡離子的性質和糖類上羥基基團的空間位置的影響。
[0059]樣品用從Waters公司(HPX-42A)購買的帶有長度30cm、內徑7.8mm的柱子的HPLC進行測定。系統的運行條件為:柱溫大約85°C ;溶劑採用去離子除氣水；流速大約0.6mL/分鐘；檢測器靈敏度設置為16X ;進樣量大約20 μ I ;運行時間大約25分鐘。樣品乾重大約1%。製備和分析了含有從葡萄糖到麥芽六糖(DP6)的已知直鏈糖類的標準樣品，以便與可能的替代糖類的停留時間進行比較。
[0060]凝膠滲誘色譜法(GPC)
[0061]將前面所述的提取工藝的產品通入GPC，基於分子的尺寸和溶液中的流體力學體積進行分子分離。將樣品用水稀釋，並用四種不同孔徑串聯的柱子(從Waters公司購買的
一個Ultrahydragel?120A的柱子；兩個250A的柱子；和一個1000A的柱子)進行分子
分離。洗脫液為加入了 0. 1N NaNO3的水，流速為大約0.6ml/分鐘。分離後，分子通過能夠將原始數據提供給多通道色譜軟體包的差示折光檢測器進行檢測。分子量分布通過與一系列多糖分子量標準樣進行比較，使用窄多分散性校準技術進行計算。
[0062]帶有脈衝安培檢測的高效陰離子交換色譜法(PHPAE-PAD)
[0063]將前面所述的產品通入PHPAE-PAD。糖類被轉化為其陰離子的形式，並且在以羥基形式存在的強鹼性陰離子交換劑上分離。將糖類陰離子在金制的工作電極上進行脈衝安培檢測。用Dionex Carbopac PAl柱子在氫氧化鈉溶液中用醋酸梯度洗脫的方法進行分離。開始的運行環境是用1.2mL/min的IOOmM的氫氧化鈉運行4分鐘。在接下來的20分鐘，加入O到375mM的乙酸鈉，並使上層濃度在IOOmM Na0H/375mM NaOAc下維持10分鐘。樣品和標準液均用水稀釋。
[0064]葡萄糖的測定
[0065]將前面所述提取工藝的產品的樣品稀釋至葡萄糖含量小於0.2%。葡萄糖用YSI模型27分析儀(黃泉儀器有限公司，黃泉，俄亥俄州)檢測。
[0066]澱粉含暈分析
[0067]將前面所述提取工藝的產品用於分析澱粉含量。樣品中的澱粉被膠化，並用澱粉酶和澱粉轉葡糖苷酶將其轉化為β -D-葡萄糖。然後用YSI模型27葡萄糖分析儀進行葡萄糖分析。
[0068]將樣品用轉盤進行研磨，然後取大約0.2g到大約0.4g樣品加入50mL燒瓶中，並加入大約20mL去離子水。燒瓶用鋁箔覆蓋，在大約12rC、20psi下高壓蒸汽處理大約20分鐘，使成膠狀澱粉。然後往每個燒瓶中加入約5.0mL的醋酸緩衝液(200mL中含有33.0g無水醋酸鈉和24.0mL冰醋酸)和大約0.4mL的氯化鈣(6.25%)。燒瓶被蓋好並放置在大約60°C下以200rpm的速率振蕩大約45分鐘。酶法水解之後，樣品用YSI葡萄糖分析儀分析葡萄糖。葡萄糖至澱粉的轉化使用轉化因數0.9 (澱粉的重量=0.9X葡萄糖的重量)。
[0069]蛋白質含暈分析
[0070]蛋白質的測定米用凱氏(Kieldahl)定氮法進行(Bradstreet, 1954)。
[0071]灰分含暈分析
[0072]向坩堝中加入大約2-10g樣品(取決於樣品的溼度和類型)。將樣品用本生燈加熱使之碳化，直到樣品不再能夠維持火焰或煙。將樣品放入大約538°C的馬弗爐中，並加熱至少5個小時或過夜(16小時)。 殘渣重量與樣品重量的比，用百分比的形式表示，被定義為灰分的含量(wt%)。
[0073]脂肪含暈分析
[0074]向400mL的玻璃燒杯中加入大約2.5-5.0g樣品，並加入大約150mL3N的HC1。將燒杯蓋好，放置於高壓滅菌器中，在大約12rC、20psi下加熱大約15分鐘，使脂肪成分從澱粉和蛋白質複合物中脫離。脫離的脂肪成分通過過濾並用石油醚從濾紙中提取的方法進行分離。溶劑蒸發後測定脂肪殘渣的重量。脂肪殘渣的重量與樣品重量的比，用百分比的形式表示，被定義為樣品中總脂肪含量。
[0075]溼度和乾物質的分析
[0076]不可溶的纖維素物料的溼度通過微水分分析儀(Model MAX1000，亞利桑那儀器有限公司，Chandler，AZ)進行測定。可溶部分中的乾物質(d.s.)使用送風型烘箱法進行測定，該方法包括將12g溶液放置於76mm直徑的鋁盤中，在105°C下乾燥1.5小時。乾燥後的可溶部分的乾物質在大約70°C的真空乾燥爐放置大約5個小時進行測量。乾燥後物料的重量與樣品重量的比，用百分比的形式表示，被定義為乾物質的含量(wt%)。
[0077]硫酸水解
[0078]將大約0.15N的硫酸在沸水浴中用於對可溶與不可溶物質水解大約4個小時。將大約0.6mLlN的硫酸加入到總量4mL的溶液中。可溶物料的乾物質大約為1.73wt%,不可溶物料的乾物質大約為4.82wt%。
[0079]酶水解
[0080]將大約5mL2.03wt%的可溶部分用10 μ I的酶水解一夜(大約16小時)，然後將盛裝溶液的容器用沸水浴加熱大約10分鐘，使酶滅活。
[0081]結果與討論
[0082]源自Vetter玉米纖維的去澱粉的纖維的產量約為65wt%,如表1所示。
[0083]表1
[0084]
【權利要求】
1.一種分離玉米纖維的一種或多種成分的方法,該方法包括: (a)將所述玉米纖維與提取液接觸以形成提取混合物，所述玉米纖維含有基質，所述基質含有半纖維素、纖維素和木質素，所述提取液含有至少一種弱酸； (b)通過控制所述提取混合物的溫度Tjaff，使所述提取液充分酸化，以通過水解來打破半纖維素和木質素之間的鍵合，從而溶解所述玉米纖維中的半纖維素，因而使可溶解的半纖維素溶入所述提取液中； (c)通過控制所述提取混合物的溫度Twa，使所述提取液不充分酸化以基本上解聚溶解的半纖維素，從而抑制水解；並且 (d)將所述提取混合物分離為含有溶解的半纖維素的可溶部分和含有纖維素的不可溶部分。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，該方法進一步包括處理所述可溶部分，使溶解的半纖維素從提取液中分離。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中，每種弱酸的pKa的值(在25°C下的水溶液中)大於_2。
4.根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中，每種弱酸的pKa的值(在25°C下的水溶液中)至少為O。
5.根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中，每種弱酸的pKa的值(在25°C下的水溶液中)至少為2。
6.根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中，每種弱酸的pKa的值(在25°C下的水溶液中)至少為4。`
7.根據權利要求1-6中任意一項所述的方法，其中，所述至少一種弱酸包括至少一種羧酸。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述至少一種羧酸選自由檸檬酸、乳酸、羥基丁二酸、醋酸、富馬酸、甲酸、乙二酸和它們的組合組成的組。
9.根據權利要求7所述的方法，其中，所述至少一種羧酸選自由檸檬酸、羥基丁二酸和富馬酸以及它們的組合組成的組。
10.根據權利要求1-9中任意一項所述的方法，其中，所述提取液中弱酸的總濃度在大約0.0OlM到大約IOM的範圍內。
11.根據權利要求1-9中任意一項所述的方法，其中，所述提取液中弱酸的總濃度在大約0.01M到大約IM的範圍內。
12.根據權利要求1-11中任意一項所述的方法，其中，所述提取混合物中，玉米纖維與提取液的重量比在大約1:100到大約60:100的範圍內。
13.根據權利要求1-11中任意一項所述的方法，其中，所述提取混合物中，玉米纖維與提取液的重量比在大約3:100到大約20:100的範圍內。
14.根據權利要求1-13中任意一項所述的方法，其中，Tjaff在大約50°C到大約350°C的範圍內，Twffl在大約5°C到大約40°C的範圍內，並且在所述抑制過程中，從Tjaff轉變到Twffl的平均速度在大約0.10C /s到大約5°C /s的範圍內。
15.根據權利要求1-13中任意一項所述的方法，其中，Tjaff在大約120°C到大約150°C的範圍內，Twffl在大約10°C到大約30°C的範圍內，並且在所述抑制過程中，從Tjaff轉變到T的平均速度在大約0.5°C /s到大約1°C /s的範圍內。
16.根據權利要求1-15中任意一項所述的方法，其中，所述提取混合物在Tjaff下的持續時間t_在大約I分鐘到大約200分鐘的範圍內。
17.根據權利要求1-15中任意一項所述的方法，其中，所述提取混合物在Tjaff下的持續時間在大約2分鐘到大約10分鐘的範圍內。
18.根據權利要求1-17中任意一項所述的方法，其中，所述玉米纖維是去澱粉的玉米纖維。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述可溶部分中溶解的半纖維素的重量佔所述去澱粉的玉米纖維重量的大約30%到大約75%，並且所述不可溶部分中纖維素的重量佔所述去澱粉的玉米纖維重量的大約15%到大約30%。
20.根據權利要求18所述的方法，其中，所述可溶部分中溶解的半纖維素的重量佔所述去澱粉的玉米纖維重量的大約50%到大約60%，並且所述不可溶部分中纖維素的重量佔所述去澱粉的纖維重量的大約20%到大約30%。
21.根據權利要求18所述的方法，其中，所述可溶部分中溶解的半纖維素含有(i)總重量佔所述溶解的半纖維素重量的大約20%到大約75%範圍內的單糖和二糖，(ii)總重量佔所述溶解的半纖維素重量的低於大約10%的低聚糖，和(iii)總重量佔所述溶解的半纖維素重量的大約25%到大約70%範圍內的多糖。
22.根據權利要求 18所述的方法，其中，所述可溶部分中溶解的半纖維素含有(i)總重量佔所述溶解的半纖維素重量的大約30%到大約40%範圍內的單糖和二糖，(ii)總重量佔所述溶解的半纖維素重量的低於大約5%的低聚糖，和(iii)總重量佔所述溶解的半纖維素重量的大約55%到大約70%範圍內的多糖。
23.一種分離去澱粉的玉米纖維的一種或多種成分的方法，該方法包括控制提取混合物的溫度，所述提取混合物含有去澱粉的玉米纖維和含有至少一種弱羧酸的提取液，使半纖維素從去澱粉的玉米纖維中溶解並溶入所述提取液中，從而使溶解的半纖維素的重量佔所述去澱粉的玉米纖維的重量的大約30%到大約75%，並且所述溶解的半纖維素重量的至少40%具有至少為3的聚合度。
24.根據權利要求23所述的方法，其中，所述溶解的半纖維素重量的至少30%具有至少為11的聚合度。
25.根據權利要求23或權利要求24所述的方法，其中，所述溶解的半纖維素重量的至多10%具有在3到10的範圍內的聚合度。
26.根據權利要求23-25中任意一項所述的方法，其中，所述溶解的半纖維素重量的至多60%具有在I到2的範圍內的聚合度。
27.根據權利要求23-26中任意一項所述的方法，其中，所述至少一種弱羧酸選自由檸檬酸、乳酸、羥基丁二酸、醋酸、富馬酸、甲酸、乙二酸和它們的組合組成的組；所述提取液中所含弱羧酸的總濃度在大約0.0OlM到大約IOM的範圍內；並且所述提取混合液中去澱粉的玉米纖維與提取液的重量比在大約1:100到大約60:100的範圍內。
28.根據權利要求23-27中任意一項所述的方法，其中，控制所述提取混合物的溫度包括使所述提取混合物在大約50°C到大約350°C的溫度範圍內保持大約I分鐘到大約200分鐘的時間段，然後將其抑制到所述範圍以下的溫度。
29.根據權利要求23-28中任意一項所述的方法，其中，該方法進一步包括將所述提取混合物分離為含有溶解的半纖維素的可溶部分和含有源自所述去澱粉的玉米纖維中的纖維素的不可溶部分。
30.根據權利要求29所述的方法，其中，所述纖維素的重量佔所述去澱粉的玉米纖維重量的大約15%到大約30%。
31.根據權利要求29或權利要求30所述的方法，其中，該方法進一步包括從所述提取液中分離溶解的半纖維素。
32.—種分離去澱粉的玉米纖維的一種或多種成分的方法，該方法包括通過控制提取混合物的溫度在大約120°C到大約150°C的範圍內保持大約2分鐘到大約10分鐘的時間段，然後將其抑制到所述範圍以下的溫度，將半纖維素從所述去澱粉的玉米纖維中溶解並溶入所述提取混合物中的提取液中，所述提取混合物含有大約6.5重量份的去澱粉的玉米纖維和大約100重量份的提取液，所述提取液含有濃度範圍在大約0.01M到大約0.05M範圍內的檸檬酸，從而使(a)溶解的半纖維素的重量佔所述去澱粉玉米纖維重量的大約50%到大約60%，(b)所述溶解的半纖維素含有(i)總重量佔所述溶解的半纖維素重量的大約30%到大約40%範圍內的單糖和二糖，(ii)總重量佔所述溶解的半纖維素重量的低於大約5%的低聚糖，和(iii)總重量佔所述溶解的半纖維素重量的大約55%到大約70%範圍內的多糖。·
【文檔編號】C08B37/00GK103717622SQ201280033590
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年7月5日 優先權日:2011年7月7日
【發明者】R·A·枚徳何卡爾, A·J·霍夫曼, X·韓 申請人:泰特&萊爾組分美國公司