乙醇萃取玉米纤维中的植物甾醇的制作方法

专利名称：乙醇萃取玉米纤维中的植物甾醇的制作方法
相关申请的交叉引用本申请是非临时的，并且要求2004年3月22日提交的美国临时专利申请序号60/555,284的优先权，所述临时专利申请名称为“乙醇萃取玉米纤维中的植物甾醇”，其具有相同的申请人作为发明人，即Charles Abbas，Kyle E.Beery，Thomas P.Binder，和AnneM.Rammels berg。美国临时专利申请序号60/555,284的全部内容引入本非临时的实用专利申请作为参考。
联邦资助研究的声明美国政府有对本发明的已付费许可，并且在有限的条件下有权要求专利所有人以合理的方式许可他人实施该发明，所述方式由美国DOE(能源部)授予的裁决号04-03-CA-7060的条款规定。
背景技术：
1.发明领域本发明涉及一种乙醇萃取已经热化学处理的玉米纤维的方法。
2.背景技术说明“湿磨法”是可以将玉米转变成乙醇、玉米甜味剂和淀粉的方法。本文中使用的“玉米纤维”定义为“从湿磨法得到的产物，所述湿磨法包括在升高的温度下在含水二氧化硫中初始浸渍玉米粒，随后温和地研磨并且物理分离外纤维层与淀粉、蛋白质和其它成分”。
通过玉米湿磨法按每蒲式耳经加工玉米13％的比率产生玉米纤维。根据玉米精制者协会(Corn Refiners Association)，在湿磨厂每天产生15,000吨以上的玉米纤维。连同玉米纤维一起，玉米的蛋白质、油和淀粉部分随着所述纤维流、并且随着和玉米胚芽粉(该玉米胚芽粉被混入所述物流中)一起喷洒在所述纤维上的玉米浆和釜馏物一起分离出来，总计约25％的经加工玉米变成部分玉米麸质饲料流。玉米浆是从玉米粒的初始浸渍得到的液体，而釜馏物是得自乙醇发酵液的蒸馏的釜底产物，主要包含水、非挥发性物质，以及主要得自酵母细胞量的固体物。所述玉米浆和釜馏物给玉米麸质饲料提供了营养物和蛋白质，所述玉米麸质饲料是作为动物饲料销售的低价值副产品物流。在本发明中，提供了一种节省成本的方法，它可以将玉米纤维流提升为更加有价值的和可用的成分。
玉米纤维由大约15-25％淀粉、10-13％蛋白质、33-42％半纤维素、15-18％纤维素、3-6％灰分、3-6％油和1-2％其它成分组成。半纤维素由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、香豆酸和阿魏酸在内的其它成分组成。工厂得自脱水压机的玉米纤维流含有30-50％固体。热化学处理玉米纤维期间，将纤维加热至130-180摄氏度(℃)，该处理溶解淀粉和半纤维素部分，而完整地留下纤维素。淀粉由两种类型的葡萄糖聚合物(直链淀粉和支链淀粉)组成。直链淀粉是具有由α-1，4-糖苷键连接的葡萄糖分子的线性聚合物，而支链淀粉是具有由α-1，4-糖苷键连接的葡萄糖分子和α-1，6连接的分支的高度支化的聚合物。玉米纤维中的半纤维素由β-1，4连接的木糖主链和由阿拉伯糖、木糖、半乳糖、葡糖醛酸、甘露糖、阿魏酸和香豆酸组成的侧链组成。可以采用加热与淀粉降解酶或与硫酸的组合，通过水解从纤维中除去淀粉。在这些条件下，首先水解淀粉聚合物成为可溶性寡糖，其可以进一步通过二级酸或酶水解步骤水解成为葡萄糖。通过在高于121℃的温度下处理玉米纤维，可以部分水解半纤维素，但是完成水解木聚糖主链至单体需要进一步用酸或酶进行处理。
淀粉和半纤维素的水解也可以结合成单个步骤。可以在高温下任选地添加酸处理含有得自浸渍法的残留二氧化硫的天然玉米纤维。该处理将导致淀粉和半纤维素的同时水解。
得自水解的淀粉和半纤维素的单糖可用于许多不同的工业用途，包括发酵和催化转化至糖醇并随后转化为多元醇。得自淀粉的葡萄糖可用于酵母发酵生产乙醇，或可以发酵成为其它产物。也可以类似地发酵木糖成为多种本领域熟练技术人员已知的发酵衍生产物。阿魏酸可以用作生产香草醛的原料。
可以将水解步骤后残留的玉米纤维与溶剂接触以萃取存在的油。例如，美国专利No.5,843,499(Moreau等人)公开了，可以在抗氧化剂BHT存在下使用己烷从玉米纤维中萃取含有植物甾醇的油部分。用干燥、研磨过的玉米纤维在室温下搅拌完成Moreau等人公开的方法。Moreau等人提出的萃取产生混合油，该混合油含有三酸甘油酯(TAG)、植物甾醇的脂肪酸酯(St-FA)、游离脂肪酸(FFA)、生育酚、游离植物甾醇(St)、以及植物甾醇的阿魏酸酯(St-F)。Moreau等人报道，普通玉米纤维中油的总百分率高达3.33wt％。此外，Moreau等人报道，在萃取油中有大约18％(wt/wt)总甾醇含量(St-FA、St和St-F)，其中8％为St-FA。
包括β-谷甾醇及其糖苷β-谷甾醇葡萄糖苷(β-sitosterolin)在内的植物甾醇非常类似于胆甾醇分子。这些分子干扰人的胆甾醇吸收。对来自肠的胆固醇的降低的吸收作用减少低密度脂蛋白(LDL)，这降低血浆胆甾醇水平。
对本发明来说，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环状系统的化合物。本文中使用的“总甾醇”包括，例如但是不限于，本文中公开的所有植物甾醇。本文中使用的“植物甾醇”还包括甾醇糖苷、甾醇脂肪酸酯和甾醇阿魏酸酯。
Moreau等人公开的方法与本发明明显不同，因为在本发明中描述的萃取是对高固体含量、热化学处理的玉米纤维完成的。而且，可以对干燥的玉米纤维或者对湿的、未磨过的玉米纤维进行本发明方法的萃取。不需要完全干燥的玉米纤维是本发明方法的一个优点，因为将纤维从65％水(对于机械脱水的玉米纤维是有代表性的)降低至0％非结合水所需的能量高。另外，谷粒粉尘爆炸是谷类储存和碾磨操作的潜在危险。通过加工湿的、未磨过的玉米纤维，使谷粒粉尘爆炸的可能性减到最低程度。浓度从0％/100％水/乙醇至30％/70％水/乙醇的萃取剂用于本发明的方法以萃取植物甾醇。如果热化学处理后玉米纤维的水含量是65％，那么将需要在无水乙醇中添加总玉米纤维流重量的325％，以获得80％/20％溶剂。因此，如果可以在萃取之前降低玉米纤维中存在的水的量，将大大地减少乙醇用量。
乙醇和乙醇/水混合物最适合于生产乙醇的现有玉米湿磨工厂，因为在这类工厂中乙醇和水都可加以利用。
发明概述本发明提供了一种从玉米纤维中萃取甾醇的方法，该方法包括获得含水量为约20重量％至5 0重量％固体(即高固体含量)的玉米纤维浆料，对所述玉米纤维浆料进行热化学处理以产生水解的玉米纤维浆料，将所述水解的玉米纤维浆料脱水以获得含水量为约30至80重量％固体的残留玉米纤维，用水洗涤(至少一次)所述残留玉米纤维，将洗涤、水解的玉米纤维浆料脱水以得到含水量为约30至80重量％固体的残留玉米纤维，以及用乙醇萃取(至少一次)所述残留玉米纤维并从其中分离至少一种甾醇。在该方法的一个更优选的实施方案中，萃取的甾醇是选自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。
在本文所述的本发明的另一个实施方案中，该方法包括这样对所述玉米纤维浆料进行热化学处理将所述玉米纤维浆料从约130摄氏度加热至约180摄氏度，更优选从约130摄氏度加热至约190摄氏度，历时至少约一分钟，更优选至少约2至60分钟。
在本发明的又一个实施方案中，该方法包括其中所述玉米纤维浆料具有约20至50重量％固体的含水量。
在本发明的另一个实施方案中，该方法进一步包括重复用乙醇萃取所述残留玉米纤维至少一次。
本发明方法的另一个实施方案包括在约25摄氏度至75摄氏度的温度下进行所述残留玉米纤维的萃取至少一分钟，优选约30至120分钟。
在本文所述的本发明的一个优选实施方案中，该方法包括其中基于体积/体积的乙醇/水含量是约70％/30％至约100％/0％，更加优选基于体积/体积的乙醇/水含量是95％乙醇和5％水。
在本发明的另一个实施方案中，该方法进一步包括其中所述玉米纤维浆料的所述热化学处理进一步包括使所述玉米纤维浆料经受酸处理。
发明详述本文中使用的“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环状系统的化合物。本文中使用的“总甾醇”包括，例如但是不限于，本文中公开的所有植物甾醇。本文中使用的“植物甾醇”还包括甾醇糖苷、甾醇脂肪酸酯和甾醇阿魏酸酯。
设计用于玉米纤维的水解的经济方法时关键问题之一是工艺用水的使用和利用度。工厂中，工艺用水既是较贵的又是有限的。例如，用Vari-nips压机脱水的玉米纤维流含有50-70％水；然而，该材料具有很少未被吸收的水。这是因为玉米纤维的碳水化合物部分(淀粉、半纤维素和纤维素)能够吸收大量水。本领域技术人员能理解的是，为了具有可以被搅拌的材料，浆料的含水量需要高于80％。本发明的方法不需要在水悬浮液中将该材料调成浆，只要在反应器中加热该材料，同时混合该材料以确保适当的传热。因此，在本发明的详细方法中，没有必要在被搅拌的含水浆料中制备玉米纤维，因此不需要大量水。
另一个直接与玉米纤维浆料中所含的水量有关的问题是玉米纤维水解产物中存在的单糖的浓度。随着水含量增加，产生的糖浆料变得更稀，所以，当水解产物被发酵时，乙醇浓度降低。低于5％乙醇，从发酵液蒸馏乙醇变得不经济。
经常采用得自工厂的其它物流代替工艺用水。本发明的另一个实施方案中，可选择的工艺物流，例如玉米浆和釜馏物，可以用于制备玉米纤维浆料。这些来源提供了水，但是它们也含有含量可达14％的可溶性和不溶性固体，从而影响玉米纤维浆液的混合。
本发明提供了一种从玉米纤维萃取甾醇的方法，包括在高固体含量下玉米纤维的水解。本文中使用的“高固体”是指含水量为约20重量％至约50重量％固体的玉米纤维浆料。本发明的方法包括其中从工厂取出含水量为50-70％的玉米纤维，并将含水量增加至50-80％。可以通过利用压力反应器将玉米纤维热化学水解。这类反应器可以是连续式反应器或间歇式反应器。连续式反应器可以利用螺旋推运器将纤维运送入反应器并保持反应器上的加压密封。间歇式反应器可以是一个密封、旋转的反应器。可以这样完成对纤维的加热将蒸汽注入反应器，以将玉米纤维的温度提高至约130℃，优选至约180℃，更优选至约190℃，并且优选从约138℃至约145℃，更优选从约150℃至约180℃。将玉米纤维保持在这些温度之间至少约1分钟，并且优选从约2分钟至约1小时。然后从反应器中取出纤维，接着脱水以除去含寡糖的液体。
玉米纤维可以在浆料中以20至50％固体的含水量，约130℃至约180℃，优选约130℃至约190℃进行高固体含量热化学水解至少约一分钟，更优选约2分钟至约1小时。一旦玉米纤维被热化学水解，就使用压榨机或过滤设备(例如但是不限于螺杆压榨机或真空过滤器)对它进行脱水。脱水后的残余纤维具有约30％至约80％固体的含水量。然后可能任选地需要对该材料进行部分干燥，以减少本文中讨论的总乙醇用量。
然后用至少1、优选3、更优选7体积的约70％至100％乙醇在约25℃至约75℃的温度下萃取所述纤维至少约一分钟，更优选约10分钟至约2小时。萃取的同时可以将所述玉米纤维例如搅动或搅拌，或可以用逆流萃取器萃取所述玉米纤维。萃取后，进一步处理乙醇以分离油。
实施例实施例1“用乙醇萃取非热化学处理的玉米纤维植物甾醇”和实施例2“用乙醇萃取低固体含量、热化学处理的玉米纤维植物甾醇”分别描述了对于天然的玉米纤维和低固体含量、热化学处理的玉米纤维进行的已知的乙醇萃取。描述实施例1和2以及植物甾醇萃取结果是为了给出比较的基准。实施例3“用95％乙醇萃取高固体含量、热化学处理的玉米纤维”描述了本发明的方法。
实施例1用乙醇萃取非热化学处理的玉米纤维植物甾醇将玉米纤维(总计49.1kg)与过量的水混合，并用氢氧化钠调节pH至5.5。将Genencor Spezyme FREDα-淀粉酶以两倍推荐剂量加入玉米纤维浆料。在半月形大桶中在60-95℃下处理低固体浆料两天(48小时)。降低温度至65℃，并以两倍推荐剂量添加GenencorOptidex L-400淀粉葡糖苷酶和Novozymes Fungamyl 800Lα-淀粉酶，并在65℃下保持浆料1天(24小时)。通过用螺杆压榨机处理将该纤维脱水，并且再次洗涤和脱水3次。在47℃、不搅拌的条件下使用乙醇/水(600mL)以变化的比率(表1)萃取湿的、脱淀粉的玉米纤维部分两个小时。过滤乙醇/玉米纤维浆料，以除去玉米纤维，并在减压下蒸馏含油的乙醇，以减小体积。用己烷萃取残余的油-乙醇混合物两次。萃取期间添加饱和的氯化钠溶液，以促使在不混溶的溶剂之间形成明显的边界。含盐的水层含有大量的沉淀物并且不对其进行分析就弃除。合并己烷层，用活性炭脱色，用硫酸镁干燥，并重力过滤。经由减压下的简单蒸馏除去己烷，并干燥得到的各样品，以得到表1中的样品111A、111C、111D和111E。
将天然的玉米纤维分成100g(36.8g干重)的多份，并且在47℃、不搅拌的条件下使用乙醇/水以变化的比率(表1)萃取两个小时。过滤乙醇/玉米纤维浆料，以除去玉米纤维，并在减压下蒸馏含油的乙醇，以减小体积。用己烷萃取残余的油-乙醇混合物两次。萃取期间添加饱和的氯化钠溶液，以促使在不混溶的溶剂之间形成明显的边界。含盐的水层含有大量的沉淀物并且不对其进行分析就弃除。合并己烷层，用活性炭脱色，用硫酸镁干燥，并重力过滤。经由减压下的简单蒸馏除去己烷，并干燥得到的样品，以得到表1中的样品123A、123B、123C和123D。
实施例2用乙醇萃取低固体含量、热化学处理的玉米纤维植物甾醇在150℃下在搅拌的反应器中处理13％固体含量的玉米纤维三十分钟，不加酸。30分钟后，立刻冷却反应器至95℃，并从反应器中取出玉米纤维。然后通过在减压下过滤使纤维脱水，用去离子水洗涤，并再次脱水。在47℃、不搅拌的条件下使用乙醇/水(750mL)以变化的比率(表1)萃取湿的、热化学处理的玉米纤维部分两个小时。通过过滤玉米纤维得到第一萃取物。使用与第一萃取相同的乙醇/水浓度、时间和温度，对得到的滤饼进行第二萃取。合并两个乙醇滤液，并经由减压下蒸馏减少乙醇。当蒸馏明显减慢时，冷却蒸馏釜内容物，并用己烷萃取两次。萃取期间添加饱和的氯化钠溶液，以促使在不混溶的溶剂之间形成明显的边界。含盐的水层含有大量的沉淀物，并且不对其进行分析就弃除。合并己烷层，用活性炭脱色，用硫酸镁干燥，并重力过滤。经由减压下的简单蒸馏除去己烷，并干燥得到的样品，以得到表1中的样品129A-D。结果与玉米纤维的其它乙醇/水萃取一致(表1)。
在150℃下、在搅拌的反应器中处理13％固体含量的玉米纤维(总计1000g)三十分钟。30分钟后，将11.13mL的9.12M氢氧化钠溶液泵送入反应器以进行碱处理。5分钟后，将3.71mL的50％硫酸加入至反应器，以中和反应器内容物。立刻冷却反应器至95℃，并从反应器中取出玉米纤维。然后通过在减压下过滤使纤维脱水，用去离子水洗涤，并再次脱水。在约47℃、不搅拌的条件下使用70％乙醇/30％水(表1)萃取湿的、热化学处理的玉米纤维约两小时。通过过滤玉米纤维得到第一萃取物。使用与第一萃取相同的乙醇/水浓度和温度，对得到的滤饼进行第二萃取约1.75小时。合并两个乙醇滤液，并经由减压下的蒸馏减少乙醇。当蒸馏明显减慢时，冷却蒸馏釜内容物，并用己烷萃取两次。萃取期间添加饱和的氯化钠溶液，以促使在不混溶的溶剂之间形成明显的边界。含盐的水层含有大量的沉淀物，不对其进行分析就弃除。合并己烷层，用活性炭脱色，用硫酸镁干燥，并重力过滤。经由减压下的简单蒸馏除去己烷，并干燥得到的样品，以得到表1中的样品144。结果与玉米纤维的其它乙醇/水萃取一致(表1)。
用氢氧化钠调节13％固体含量的玉米纤维(总计1077g)至pH约5.34，并添加2mL的Genencor Spezyme FRED以使玉米纤维脱淀粉。加热浆料至约121℃约30分钟，然后添加4.4mL的50％硫酸进行酸处理。约5分钟后，添加12mL的9.12M氢氧化钠以中和浆料，并冷却浆料，在减压下过滤。在约47℃、不搅拌的条件下使用70％乙醇/30％水(表1)对残余玉米纤维的一半进行乙醇萃取约两小时。通过过滤玉米纤维得到第一萃取物。在约46℃下用70％乙醇/30％水对得到的滤饼进行第二萃取约2.5小时。合并头两个乙醇滤液，并经由减压下蒸馏减少乙醇。当蒸馏明显减慢时，冷却蒸馏釜内容物，并用己烷萃取两次。萃取期间添加饱和的氯化钠溶液，以促使在不混溶的溶剂之间形成明显的边界。含盐的水层含有大量的沉淀物，不对其进行分析就弃除。合并己烷层，用活性炭脱色，用硫酸镁干燥，并重力过滤。经由减压下的简单蒸馏除去己烷，并干燥得到的样品，以得到表1中的样品148。结果与玉米纤维的其它乙醇/水萃取一致(表1)。
表1.评估乙醇/水组成对从湿的、天然玉米纤维萃取的物种的影响。
(a)该数值包括存在于用于初始萃取的湿天然玉米纤维中的水，并且是用于第二阶段的再萃取溶剂的水含量。TAG＝三酸甘油酯；FA-est＝脂肪酸酯；FFA＝游离脂肪酸；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。
实施例3用95％乙醇萃取高固体含量、热化学处理的玉米纤维已经在一个转鼓反应器(tumbler reactor)中进行了大规模实验。转鼓反应器是具有夹套的50加仑压力槽，它利用整个反应器的旋转进行混合，而不是在压力槽内部有旋转搅拌器(叶轮)。通过使用该方法，固体装载量可以高于用搅拌器混合时的15％-固体浆料限制。水解方法是残留SO2-催化的玉米纤维中多糖的水解，所述多糖包括淀粉、半纤维素和较少量的纤维素。存在于玉米纤维中的残留SO2来自玉米浸渍过程。对于运转#4232-35、4232-37、4232-40和4232-43，将纤维放入50-加仑转鼓反应器，并且将反应器和夹套中的压力升高至大约50至60psi，其相应于约138℃至约145℃。使反应器保持在压力下并以1rpm旋转30分钟，然后减压并停车。通过使浆料经过螺杆压榨机处理或者通过在减压下过滤，立刻使纤维浆料脱水。然后用过量的热水(温度为约50℃至约100℃)洗涤纤维残留物两次，并且通过螺杆压榨机或通过在减压下过滤取出洗水并收集。收集得自运转#4232-43的液体水解产物，并在高压釜中对其进行次级酸解步骤(1％H2SO4，在121℃下，30分钟)，以将存在于溶液中的寡糖水解成单糖，以产生发酵原料。对于其余的运转，为了进行分析，在约121℃下用1％H2SO4热压处理水解物的小样品约30分钟。表2中显示了每次运转的细节，并且下表3中显示了分析结果。表3中的“-1”是指原始滤液，“-2”是指已经被酸处理而将寡糖水解成单糖的滤液。戊糖包括木糖和阿拉伯糖，己糖包括葡萄糖和半乳糖。
用与运转#4232-35至-43相同的程序完成运转#4232-49，但是在初始水解步骤后，将反应器减压并将300mL酶加入纤维浆料。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。在约60℃下保持反应器约48小时，然后使纤维脱水并且洗涤两次，在两次洗涤之间进行脱水。
用与运转#4232-35至-43相同的程序完成运转#4232-52，但是在初始水解步骤后，将反应器减压并将1重量％(wt％)硫酸加入纤维浆料。使反应器达到约130℃并且将浆料水解约45分钟。完成该运转以确定是否可以在将液体与固体分离之前用酸将初始水解中产生的可溶性寡糖水解为单糖。
表2.转鼓反应器运转细节。
表3.转鼓反应器滤液的分析结果(运转#4232-)(单位为g/L)。
把得自运转#4232-35、4232-37和4232-40的滤液和两个洗涤液汇集起来，并在小的、自然循环蒸发器中将其浓缩至固体浓度为20％，然后通过在转鼓反应器中与添加的1％w/w硫酸一起在约130℃下加热约1小时而进行次级酸解。下文中将汇集的液体称作运转#4232-45。表4中显示糖、蛋白质、酚类和降解产物，表5中显示元素分析，表6中显示氨基酸分析。高含量的硫是由于存在的SO2加上次级水解步骤中为了完全水解寡糖而加入的硫酸。
表4.汇集、浓缩的水解产物的分析结果(单位为g/L)。
表5.浓缩、次级酸水解的玉米纤维滤液的元素分析(单位为mg/kg)。
表6水解之前和之后的氨基酸分析(单位为mg/kg)。
对于油萃取步骤，将得自运转#4232-35、-37、-40、-43、-49和-52的湿纤维残留物(从约25％至约39％干固体)松散地装入未搅拌的20L夹套反应器(具有约40.6厘米(16英寸)的直径和约76.2厘米(30英寸)的高度)，并添加乙醇(95％乙醇/5％水)(添加量为约一至五升)直至从反应器底部出现洗脱液。萃取期间将反应器保持在设定的温度下(参见表7)。使空气向下流过反应器以迫使乙醇通过反应器，并收集洗脱液。从反应器中取出纤维，然后将洗脱液放置在反应器中，并在约56℃、65℃或75℃下用KOH(1％重量/体积，基于样品4232-35、4232-37和4232-40；2％重量/体积，对于样品4232-43、4232-49和4232-52)皂化约两小时，用酸猝灭，并通过在减压下蒸发减小体积直至起泡阻止乙醇的脱除。用等体积的己烷萃取得到的各溶液两次。用等体积的去离子水反萃取浓缩的4232-40和4232-43己烷层，以研究水萃取步骤对最终油样品收率的影响。用硫酸镁干燥每个己烷层，过滤并蒸馏，并回收得到的油样品，称重并提交供分析。发现了水层含有甾醇和甾烷醇，因此停止水反萃取步骤。
表7和8中给出油、甾醇和甾烷醇结果。表8以萃取的油的百分比的形式显示各种甾醇和甾烷醇。样品4232-35、-37、-49和-52没有象样品4232-40和4232-43那样用水反萃取。
将乙醇(EtOH)萃取的玉米纤维残留物完全地干燥并再次称重。因为萃取导致的玉米纤维的质量损失列于表7并且从大约8至28％不等。
表7.关于油收率和从千克量热化学处理的天然玉米纤维萃取的材料的小结。
(a)将该油样品溶解在最少量的己烷中，并用去离子水反萃取三次，留下乙酸乙酯可溶物质在水层中的乳液。
表8.关于千克萃取热化学处理的天然玉米纤维的甾醇结果，基于萃取油重量％。
实施例4在连续逆流萃取器中用100％乙醇萃取高固体含量、热化学处理的玉米纤维在一个转鼓反应器中进行了有一个大规模实验。水解方法是残留SO2-催化的玉米纤维中多糖的水解，所述多糖包括淀粉、半纤维素和较少量的纤维素。在运转#4232-72-1至#4232-72-9中，将纤维放入50-加仑转鼓反应器，将反应器和夹套中的压力升高至大约60psi，其相应于约145℃。对于九个运转中的每一个，将反应器保持在压力下并以1rpm旋转30分钟，然后减压并停车。通过使浆料通过螺杆压榨机进行处理而立刻使纤维浆料脱水。然后用过量的热水(温度为约50℃至约100℃)洗涤纤维残留物两次，并用螺杆压榨机除去洗涤水，并收集。收集得自运转#4232-72-1至#4232-72-9的液体水解产物和洗涤物，并在50加仑搅拌反应器中进行次级酸解步骤(1％H2SO4，在121℃下，30分钟)，将存在于溶液中的寡糖水解成单糖，从而生产发酵原料。表9中显示每次运转的细节。
表9.运转#4232-72-1至#4232-72-9的细节。
在强制循环、长管竖式蒸发器中浓缩汇集的次级酸解的玉米纤维水解产物至固体浓度为31％。下表10中显示得自汇集的水解产物的分析结果。下文中将汇集的液体称作运转#4232-72。高含量的灰分主要由于SO2中的硫加上次级水解步骤中为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。
在六级Crown逆流萃取器中用99.9％乙醇萃取得自运转#4232-72的热化学水解的玉米纤维残留物(44.8kg的56％水份，25.09kg干重)。用乙醇在150(65.6℃)下操作萃取器，乙醇的进料速度为200mL/分钟，链板式输送器速度大约1.5英寸/分钟(3.81厘米/分钟)。将纤维加入至链板式输送器，随着链通过进料口直至每个区域顶部。使用50加仑(189.2升)乙醇萃取纤维。在萃取纤维后，立刻使其进入脱溶剂器(DT)，在其中加热并用两螺条混合机搅拌，以蒸发乙醇。乙醇进入冷凝器，并泵送回到提取器的末级(其中新鲜的乙醇进入)。采用蒸汽加热使DT保持在约140(60℃)并在减压下，使得乙醇蒸气进入冷凝器。收集得自萃取器的乙醇用于进一步处理。
在强制循环、长管竖式蒸发器中浓缩得自萃取的含油乙醇，所述蒸发器在入口和出口具有泵以便连续操作。用于萃取的50加仑(189.2L)乙醇吸收存在于玉米纤维中的水，因此体积增加到55加仑(208.2L)。蒸发器在1 PSIG(108kPa)蒸汽压力、-24in.Hg(20kPa)和约115-120(46-49℃)的液体温度下操作。将55加仑乙醇/油萃取液(208.2L)装入蒸发器，并蒸发至总计3加仑(11.4L)。收集蒸发的乙醇并储存。将浓缩的油萃取液装入较小的自然循环蒸发器。将3加仑(11.4L)浓缩油萃取液浓缩至2.84kg油萃取液。皂化之前和之后，油萃取液中甾醇的浓度示于表11。正如所料，游离植物甾醇的最高浓度是谷甾醇和谷甾烷醇。表12中所示的油组合物中，主要的组分是三酸甘油酯，其次是游离脂肪酸。采用对油的分析测定萃取油％和萃取植物甾醇％。从纤维萃取的油浓缩物的质量是2.42kg，而且通过螺杆压榨机和反应器的加工损耗后，起始天然纤维的估计质量是40.6kg。这导致基于干燥玉米纤维的初始质量的油收率是4.7％，基于干燥玉米纤维的初始质量的植物甾醇收率是0.55％。
表10.关于运转#4232-72的汇集、次级酸解的玉米纤维水解产物浓度
表11.玉米纤维油样品中的甾醇浓度(g/L)
表12油组分浓度(g/L)
上文实施例1和2描述了萃取没有处理过的或用酶处理的玉米纤维。实施例2描述了热化学处理低固体含量的玉米纤维以及萃取植物甾醇。低固体含量热化学处理产生低糖浓度的发酵液，其导致发酵后或催化后低产物浓度。具体地对于乙醇，为了经济地通过蒸馏回收，最终发酵液乙醇浓度需要高于5％。在发酵之前，通过蒸发水，可以充分地浓缩玉米纤维水解产物，然而，这还需要大的能量输入。在本发明方法中，采用加热并任选地采用酸，在约130℃至约190℃的温度下、固体含量约20％至约50％下，热化学处理玉米纤维至少一分钟，优选约2分钟至1小时。该处理降低玉米纤维体积，因而降低萃取油所需乙醇的体积，而没有降低收率或改变油的组成。
本发明公开了热化学处理高固体含量的玉米纤维浆料，然后用乙醇萃取残留玉米纤维以分离植物甾醇的方法。本文中提供的实施例表明，可以处理含水量为50-80％的玉米纤维浆料，以溶解淀粉和半纤维素至不同程度。此外，上述实施例举例说明了以分批、半分批或连续方式使用乙醇作为萃取剂。
尽管为了说明的目的已经描述了本发明的一些具体实施方案，但是对本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离所附权利要求书中限定的本发明的情况下，可以对本发明的细节做出许多变化。
权利要求
1.一种从玉米纤维中萃取甾醇的方法，该方法包括获得含水量为约20重量％至50重量％固体的玉米纤维浆料；对固体含量为20至50重量％固体的所述玉米纤维浆料进行热化学处理以产生水解的玉米纤维浆料；将所述水解的玉米纤维浆料脱水以获得含水量为约30至80重量％固体的残留玉米纤维；洗涤所述残留玉米纤维；将所述洗涤、水解的玉米纤维浆料脱水以获得含水量为约30至80重量％固体的残留玉米纤维；以及用乙醇萃取所述残留玉米纤维并分离至少一种甾醇。
2.权利要求1的方法，包括其中所述玉米纤维浆料的所述热化学处理包括将所述玉米纤维浆料从约130摄氏度加热至约190摄氏度，历时至少一分钟。
3.权利要求1的方法，包括其中在所述热化学处理期间，所述玉米纤维浆料具有约30至80重量％固体的含水量。
4.权利要求1的方法，包括其中所述甾醇是植物甾醇。
5.权利要求4的方法，包括其中所述植物甾醇选自谷甾醇、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.权利要求4的方法，包括其中从玉米纤维中萃取的总植物甾醇的产率为约0.1至1％，基于玉米纤维的初始干燥质量。
7.权利要求4的方法，包括其中从玉米纤维中萃取的总植物甾醇的产率为约0.25至0.6％，基于玉米纤维的初始干燥质量。
8.权利要求1的方法，包括重复所述用所述乙醇萃取所述残留玉米纤维至少一次。
9.权利要求1的方法，包括其中在从约25摄氏度至75摄氏度的温度下进行对所述残留玉米纤维的所述萃取至少一分钟。
10.权利要求1的方法，包括其中进行所述热化学处理约2分钟至约60分钟。
11.权利要求1的方法，包括其中基于体积/体积的乙醇/水含量是约70％/30％至约100％/0％。
12.权利要求11的方法，包括其中基于体积/体积的所述乙醇/水含量是95％乙醇和5％水。
13.权利要求1的方法，包括其中所述玉米纤维浆料的所述热化学处理进一步包括使所述玉米纤维浆料经受酸处理。
全文摘要
本发明提供了一种使用乙醇作为萃取剂，从高固体含量、热化学水解的玉米纤维中萃取甾醇的方法。该方法包括获得含水量为约20重量％至约50重量％固体(高固体含量)的玉米纤维浆料，对20至50％高固体含量的玉米纤维浆料进行热化学处理以产生水解的玉米纤维浆料，将水解的玉米纤维浆料脱水以获得含水量为约30至80重量％固体的残留玉米纤维，洗涤残留的玉米纤维，将洗涤、水解的玉米纤维浆料脱水以获得含水量为约30至80重量％固体的残留玉米纤维，以及用乙醇萃取残留玉米纤维并且分离至少一种甾醇。
文档编号A61K31/575GK101014348SQ200580015491
公开日2007年8月8日 申请日期2005年3月21日 优先权日2004年3月22日
发明者C·阿巴斯, K·E·比瑞, T·P·宾德, A·M·拉米尔斯伯格 申请人:阿彻-丹尼尔斯-米德兰公司