[发明专利]一种从玉米纤维中提取半纤维素的方法

说明书

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发明中。

技术领域

本发明涉及对碾磨过的玉米的加工。具体地，本发明涉及从玉米纤维中提取半纤维素。

背景技术

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。