一种从玉米纤维中提取半纤维素的方法技术

一种分离玉米纤维的一种或多种成分的方法，该方法包括将玉米纤维与含有至少一种弱酸的提取液接触，将得到的纤维与液体的混合物的温度升至使玉米纤维中的半纤维素溶解进入液体中，将所述混合物冷却，并将冷却后的提取混合物分离成含有溶解的纤维素的可溶部分和含有木质素的不可溶部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种从玉米纤维中提取半纤维素的方法相关申请的交叉引用本申请是要求2011年7月7日提交的美国临时申请号为61/505373的专利申请的优先权的正式申请，并将其所有内容并入本专利技术中。
本专利技术涉及对碾磨过的玉米的加工。具体地，本专利技术涉及从玉米纤维中提取半纤维素。
技术介绍
在美国，玉米的湿磨法每年可以产生玉米纤维4,000,000多吨。到目前，这些玉米纤维被美国的动物饲养所使用。玉米纤维含有但不限于，被称为玉米纤维胶和阿糖基木聚糖的半纤维素。玉米半纤维素的市场价值很可能远远高于它在动物饲养上的应用。例如，玉米半纤维素被认为可以用来在一些应用中，如在饮料香精乳化剂中，作为阿拉伯树胶的替代物。另外，玉米半纤维素也被认为可以在一些应用中，如在水溶液与悬浮液中膜的形成、增厚、乳化和稳定中，发挥作用。进一步地，已知在食品和饮料中含有玉米半纤维素和它的有限水解产物，聚合度（DP）为3-10的阿拉伯糖基木聚糖-低聚糖（AXOS），可以对健康带来有益影响，如增加对钙镁的吸收，减少对胆固醇的吸收，降低血浆胆固醇，减少肝脏中的胆固醇累积，以及带来好的益菌保护效应。鉴于玉米半纤维素的大量可能的较高价值的应用，从玉米纤维中提取半纤维素的工艺已具有商业规模，并继续成为调查和开发工作的主题也就不足为怪了。例如，美国专利号6,147,206（Donner等）公开了一种获得大分子量的半纤维素的方法，涉及在用碱性溶液处理磨碎的玉米期间与处理后用过氧化氢处理，该方法经常被称为“碱性过氧化氢法”或者“AHP”方法。采用AHP方法生产的半纤维素在水中有很高的溶解度。已知采用AHP方法生产的半纤维素的产量在大约35wt%（在25℃下提取24个小时）到大约42wt%（在60℃下提取2个小时）的范围内。对AHP的最终产物做色谱分析连同摩尔质量检测，结果显示为双峰的摩尔质量分布，具有高分子量成分（8.4-16.1×105g/mole）和低分子量成分（1.1-2.1×105g/mole）。白色、蓬松的纤维素/阿糖基木聚糖混合物（CAX）由从玉米纤维胶的生产后剩下的固体残渣生成。CAX含有大量的食糖，显示主要有L-树胶醛醣、D-木糖和D,L-半乳糖。即便在极端的AHP环境（例如，1个小时，100℃）下制备的CAX仍然含有大量的食糖（例如，大约33wt%）。另一种已知的提取半纤维素的方法涉及使用盐酸和硫酸。然而，这样的方法会导致显著的水解为单体的现象，以至于提取的产物主要用于发酵为乙醇或有机酸。例如，据报道在121℃下用1.0%的硫酸处理玉米纤维会产生大约63.3%的总糖产量。另一种从玉米纤维中提取半纤维素的被称为“氨-爆破（AFEX）”的方法，其涉及用液氮处理含有纤维素的物料，以增强纤维素的化学和生物反应。更具体地说，AFEX方法包括（a）在大约140psia到大约180psia范围的处理压力下，在室温下，将含有纤维素的物料与氨接触少于一个小时，（b）爆发性地将压力从处理压力减少到大气压力，并且（c）将氨与含有纤维素的物料分离，从而增加了含有纤维素的物料中纤维的可消化性，并增加了纤维中和含有纤维素的物料的细胞壁内部的蛋白质的可用性。用AFEX方法处理后，将得到的玉米纤维用由商业淀粉酶、木聚糖酶和纤维素酶纤维素成分组成的混合物进行酶消化，以用于乙醇生产。消化后的物料含有大约30-40wt%的葡萄糖和低聚糖。另一种已知的从玉米纤维中提取半纤维素的方法涉及在纤维素转化为乙醇的酶促反应过程中，使用连续SO2催化蒸汽的爆破和酶法水解反应。玉米纤维中的纤维素和半纤维素转化为单糖的转化过程中，如果使用被蒸汽爆破过的纤维，转化效率可以高达大约80%，但是如果酶法水解之前不进行蒸汽爆破，转化效率只有大约15%。前面所述的每种从玉米纤维中提取半纤维素的已知方法都具有局限性。高品质的半纤维素可以通过碱与过氧化氢的组合来处理的方法获得。然而，加碱、酸中和以及醇沉淀的工艺的生产成品太高。以硫酸或盐酸为基础的提取工艺会导致半纤维素深度水解为食糖，这易于导致提取出来的材料不适于用作高价值的产品，如口香糖的替代物、低糖的天然可溶纤维或低糖的膨胀剂。对“氨-爆破”方法的测试显示只有不到20%的纤维溶解，伴随着显著的褐变反应，并且在提取的半纤维素中发现了残留的氨。此外，从经过热液体或蒸汽处理的玉米纤维中提取的半纤维素的产量过低而没有商业可行性。综上所述，仍然需要一种从玉米纤维中提取半纤维素的方法，该方法具有如下一种或多种的特征：易于工业生产并且成本相对较低；可以生产一种或多种具有相对高价值的产品，如口香糖的替代物、低糖的天然纤维和/或低糖的膨胀剂。
技术实现思路
本专利技术提供了一种分离玉米纤维的一种或多种成分的方法，该方法包括：(e)将所述玉米纤维与提取液接触以形成提取混合物，所述玉米纤维含有基质，所述基质含有半纤维素、纤维素和木质素，所述提取液含有至少一种弱酸；(f)通过控制所述提取混合物的温度T溶解，使所述提取液充分酸化，以通过水解来打破半纤维素和木质素之间的键合，从而溶解所述玉米纤维中的半纤维素，因而使可溶解的半纤维素溶入所述提取液中；(g)通过控制所述提取混合物的温度T抑制，从而使所述提取液不充分酸化以基本上解聚溶解的半纤维素，从而抑制水解；并且(h)将所述提取混合物分离为含有溶解的半纤维素的可溶部分和含有纤维素的不可溶部分。本专利技术还提供了一种分离去淀粉的玉米纤维的一种或多种成分的方法，该方法包括控制提取混合物的温度，所述提取混合物含有去淀粉的玉米纤维和含有至少一种弱羧酸的提取液，使半纤维素从去淀粉的玉米纤维中溶解并溶入所述提取液中，从而使溶解的半纤维素的重量占所述去淀粉的玉米纤维的重量的大约30%到大约75%，并且所述溶解的半纤维素的重量的至少40%具有至少为3的聚合度。另外，本专利技术提供了一种分离去淀粉的玉米纤维的一种或多种成分的方法，该方法包括通过控制提取混合物的温度在大约120℃到150℃的范围内保持大约2分钟到10分钟的时间段，然后将其抑制到所述范围以下的温度，将半纤维素从去淀粉的玉米纤维中溶解并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约6.5重量份的去淀粉的玉米纤维和大约100重量份的提取液，所述提取液含有浓度范围在大约0.01M到0.05M范围内的柠檬酸，从而使(a)溶解的半纤维素的重量占所述去淀粉玉米纤维重量的大约50%到大约60%，(b)所述溶解的半纤维素含有(i)总重量占所述溶解的半纤维素重量的大约30%到大约40%范围内的单糖和二糖，(ii)总重量占所述溶解的半纤维素重量的低于大约5%的低聚糖，和(iii)总重量占所述溶解的半纤维素重量的大约55%到大约70%范围内的多糖。附图说明图1为根据本专利技术不同的实施方式，从去淀粉玉米纤维中提取得到的可溶部分的糖类分布的对比图。图2为根据本专利技术不同的实施方式，从去淀粉玉米纤维中提取得到的可溶部分中食糖（DP1-2）的含量和可溶纤维（DP3及以上或DP3+）的含量的对比图。图3为提取的可溶部分（KC1，被标记为7428-145）与5DE麦芽糖糊精、半乳糖、树胶醛醣和木糖的糖类分布的对比图。图4为根据本专利技术的方法的不同实施方式提取的不同的半纤维素/AXOS样品的分子量分布的凝胶渗透色谱（GPC）图。图5为根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分离玉米纤维的一种或多种成分的方法，该方法包括：(a)将所述玉米纤维与提取液接触以形成提取混合物，所述玉米纤维含有基质，所述基质含有半纤维素、纤维素和木质素，所述提取液含有至少一种弱酸；(b)通过控制所述提取混合物的温度T溶解，使所述提取液充分酸化，以通过水解来打破半纤维素和木质素之间的键合，从而溶解所述玉米纤维中的半纤维素，因而使可溶解的半纤维素溶入所述提取液中；(c)通过控制所述提取混合物的温度T抑制，使所述提取液不充分酸化以基本上解聚溶解的半纤维素，从而抑制水解；并且(d)将所述提取混合物分离为含有溶解的半纤维素的可溶部分和含有纤维素的不可溶部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.07.07 US 61/505,3731.一种分离去淀粉的玉米纤维中的一种或多种成分的方法，该方法包括：(a)将所述去淀粉的玉米纤维与水溶性提取液接触以形成提取混合物，所述去淀粉的玉米纤维含有基质，所述基质含有半纤维素、纤维素和木质素，所述提取液含有至少一种弱酸，所述提取液中弱酸的总浓度在0.01M到1M的范围内；(b)通过控制所述提取混合物的温度T溶解，使所述提取液具有足够的酸性，以通过水解来打破半纤维素和木质素之间的键合，从而溶解所述去淀粉的玉米纤维中的半纤维素，因而使可溶解的半纤维素溶入所述提取液中；然后(c)通过控制所述提取混合物的温度T抑制，使所述提取液不具有足够的酸性以基本上解聚溶解的半纤维素，从而抑制水解；然后(d)将所述提取混合物分离为含有溶解的半纤维素的可溶部分和含有纤维素和木质素的不可溶部分，其中，T溶解在120℃到150℃的范围内，并且所述提取混合物在T溶解下的持续时间t溶解在2分钟到10分钟的范围内，T抑制在10℃到30℃的范围内，并且在所述抑制过程中，从T溶解转变到T抑制的平均速度在0.1℃/s到5℃/s的范围内，并且所述可溶部分中溶解的半纤维素的重量占所述去淀粉的玉米纤维重量的30％到75％，并且所述不可溶部分中纤维素的重量占所述去淀粉的玉米纤维重量的15％到30％，所述溶解的半纤维素重量的至少30％具有至少为11的聚合度，所述溶解的半纤维素重量的至多10％具有在3到10的范围内的聚合度，以及所述溶解的半纤维素重量的至多60％具有在1到2的范围内的聚合度。2.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法进一步包括处理所述可溶部分，使溶解的半纤维素从所述提取液中分离。3.根据权利要求1所述的方法，其中，在25℃下的水溶液中，每种弱酸的pKa的值大于-2。4.根据权利要求1所述的方法，其中，在25℃下的水溶液中，每种弱酸的pKa的值至少为0。5.根据权利要求1所述的方法，其中，在25℃下的水溶液中，每种弱酸的pKa的值至少为2。6.根据权利要求1所述的方法，其中，在25℃下的水溶液中，每种弱酸的pKa的值至少为4。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种弱酸包括至少一种羧酸。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种弱酸选自由柠檬酸、乳酸、羟基丁二酸、醋酸、富马酸、甲酸、乙二酸和它们的组合组成的组。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种弱酸选自由柠檬酸、羟基丁二酸和富马酸以及它们的组合组成的组。10.根据权利要求1-9中任意一项所述的方法，其中，所述提取混合物中，去淀粉的玉米纤维与提取液的重量比在1:100到60:100的范围内。11.根据权利要求1-9中任意一项所述的方法，其中，所述提取混合物中，去淀粉的玉米纤维与提取液的重量比在3:100到20:100的范围内。12.根据权利要求1-9中任意一项所述的方法，其中，从T溶解转变到T抑制的平均速度在0.5℃/s到1...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·A·枚徳何卡尔，A·J·霍夫曼，X·韩，
申请(专利权)人：泰特莱尔组分美国公司，
类型：
国别省市：