CN1671295A - 用螺杆传送装置处理谷物材料的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种通过螺杆传送装置使用加工液处理谷物材料的方法。该螺杆传送装置较佳是螺杆挤出机或螺杆输送机。还公开了使用经处理的谷物材料作为发酵原料的方法。此外，公开了使用经处理的谷物材料生产发酵原料的方法。

Description

用螺杆传送装置处理谷物材料的方法

本申请要求2002年7月23日提交的美国临时申请系列号60/397982的优先权，本文将该临时申请的全部内容纳入作为参考。

                            发明领域

本发明涉及一种通过螺杆传送装置(screw transporter)用加工液处理谷物材料的方法。本发明还涉及使用经处理的谷物材料作为发酵原料的方法，以及用该经处理谷物材料生产发酵原料。

                            发明背景

谷物，包括玉米、燕麦、大麦、黑麦、小麦、稻米和高粱，含有不同浓度的淀粉、蛋白质、纤维和其它营养成分。通常，需要加工谷物，分离出富含这些成分之一的各种级分或物流(stream)，以提供如发酵原料(feedstock)。由于这些成分包含在谷物的谷粒中，因此，大多数加工方法开始的步骤是暴露该谷粒、分散(separate)、浓缩、分离(isolate)、或释放出这些粗的成分，然后采用去聚合化学物质或酶进一步精制或改性这些粗成分。

为了释放谷物谷粒的粗成分，如以玉米粒为例，通常通过干磨或湿磨加工玉米。虽然与湿磨相比，干磨需要较少的操作成本和资本投入，但是由于玉米胚芽的回收差，干磨的成本效益被抵消。这样，在美国，大多数的玉米加工都采用湿磨进行。

传统的湿磨方法包括浸泡玉米，使玉米粒软化，以帮助胚芽、纤维、淀粉和蛋白质分离。在浸泡期间，玉米吸收浸泡液，玉米内的淀粉-蛋白质基质被破坏。通常，浸泡之后是研磨、高速离心和/或过滤，以分离玉米胚芽、蛋白质、纤维和淀粉。然后分离纯化各单独的组分(淀粉、蛋白质、纤维、胚芽)，以提供产品流。还可根据任何目的如提供发酵原料而进一步处理或混合这些产品流。

湿磨方法是耗能和资本昂贵的方法，至少部分是因为需要能量来使浸泡过程中未被玉米吸收而留下的过量水脱水而导致。因此，需要将浸泡期间处理玉米所需水的量减到最少和促进随后各成分的分离的方法。

                            发明内容

本发明涉及一种处理谷物材料的方法，它包括在螺杆传送装置中用加工液处理谷物材料，通过该螺杆传送装置将该谷物材料传送较佳至少1小时，然后回收该经处理的谷物材料。本发明经处理的谷物材料可用作发酵原料，并可用于发酵原料的生产。

                            发明详述

本发明涉及一种处理谷物材料的方法，它包括在螺杆传送装置中用加工液处理谷物材料，通过该螺杆传送装置传送该谷物材料较佳至少1小时，然后回收该经处理的谷物材料。本方法的经处理的谷物材料可用作发酵原料，并可用于发酵原料的生产中。

术语“谷物材料”定义为任何谷物材料或其部分。任何谷物材料或其部分都可采用本方法处理。用本方法处理的谷物材料包括玉米、燕麦、大麦、黑麦、小麦、稻米和高粱，或其混合物。谷物材料可包括全谷粒或经粉碎的谷粒。在使用经粉碎谷物材料的情况中，有利的是根据大小分离该经粉碎谷物材料，以在将粉碎的谷物材料导入螺杆传送装置前分离和除去通过10目筛孔的材料。

如果需要预处理谷物材料，则可使用溶剂。作为溶剂，可使用任何水性溶剂或有机溶剂或其混合物。有机溶剂的例子包括己烷、异己烷、乙醇、甲醇、丙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲亚砜等。优选使用的溶剂是水性溶剂，如含水的亚硫酸盐，较佳是以二氧化硫和/或亚硫酸氢盐(bisulfite)的形式引入。

可将各种添加剂加到溶剂中。例如，可加入能增强溶剂的吸收和/或谷物材料分离成各种成分的添加剂。此外，可加入还原剂和/或pH调节剂、消泡剂、增湿剂等。还原剂的例子包括SO₂和亚硫酸盐和亚硫酸氢盐、巯基乙醇(mercartoethanol)、巯基乙酸等；合适的pH调节剂包括乳酸、乙酸、盐酸、氢氧化钠、石灰等。此外，还可使用各种酶，如纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶等。

用于本方法的螺杆传送装置是包括以下组件的任何装置：(1)螺杆，如螺旋钻(augar)；和(2)容器，如桶、管或槽；其中，在螺杆绕着其轴旋转时，加入螺杆传送装置的谷物材料被传送。这样，螺杆传送装置包括螺杆挤出机和螺杆输送机。螺杆挤出机除进料口和排出口外还包括位于密闭室内的螺杆，其中，该容器如桶或管围住该螺杆。螺杆输送机包括螺杆和开口容器，如槽，其中该容器不完全围住该螺杆。

在本方法中，用加工液处理谷物材料。该加工液较佳包含水和其它溶剂。可使用任何溶剂，如有机溶剂，包括己烷、异己烷、乙醇、甲醇、丙酮、丙醇、异丙醇、丁醇、二甲基甲酰胺、二甲亚砜等。优选使用水性溶剂，如含水的亚硫酸盐。加工液任选地可含有酸或碱，用于控制其pH值。可使用任何酸或碱，如氢氧化钠、氢氧化钙、乳酸等。此外，加工液可任选地含有其它添加剂，如二氧化硫，通常约500-3000ppm，或酶。合适的酶可包括蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶或它们的组合。

在本方法中，可使用任何量的加工液接触谷物材料。在优选的实施例中，以加工液与谷物材料的比为每公吨谷物材料约0.30-0.67m3加工液的量加入加工液(每浦氏耳谷物材料约2.0-4.5加仑加工液)。在本方法又一优选实施例中，以谷物材料完全吸收加工液的量加入加工液。

在本方法中，可在任何时候(any point)将加工液加到螺杆传送装置中。可以任何方式将加工液加到螺杆传送装置中，如以与谷物材料的流向相同的方向或相反的方向加入，或者在该螺杆传送装置内的多个位置上加入。

可在任何合适的温度下实施本发明处理谷物材料的方法。在优选的实施例中，在约15℃(59°F)到约65℃(149°F)的温度范围内实施处理谷物材料的方法。

在本方法中，采用并通过螺杆传送装置输送谷物材料。谷物材料通过螺杆传送装置输送的时间较佳至少约1小时。在更优选的实施例中，输送谷物材料的时间至少约为3小时到约10小时。

在本方法中，可使用一个以上螺杆传送装置处理谷物材料。在这方面，可在各单独的螺杆传送装置之间粉碎谷物材料。粉碎谷物材料到5-90％的胚芽仍能以完整胚芽的形式回收的程度。在此实施例中，在粉碎前，可加入水，以促进胚芽从经处理的谷物材料中释放。使用任何常规的方法回收胚芽，如使用旋液分离器。

经本方法处理的谷物材料适用于任何应用，尤其适用于使用常规浸泡的材料的情形。具体而言，期望将经本方法处理的谷物材料用作发酵原料。此外，期望将经处理的谷物材料用于发酵原料的生产，如用于乙醇生产。

实施湿磨经本方法处理的玉米的示范性例子如下：

谷物材料的湿加工可定义为加工谷物材料，其中所使用的水量超过该谷物材料能够吸收的量，以提高该谷物材料中各组分的分离。湿加工可能需要谷物材料或干磨谷物材料得到的产品。谷物材料的湿加工和/或湿磨将提供含有淀粉的产品。

在研磨用水的存在下研磨浸泡的玉米产品。浸泡玉米的研磨在三个阶段中进行。第一阶段(下文称为第一次研磨)使用装备有Devil′s齿板的91cm(36英寸)研磨机以900rpm使浸泡过的玉米释放出大部分胚芽(germ)。以约6.2bar(90psi)的压力使第一次研磨排出的浆料进料通过由15.24cm(6英寸)旋液分离器组成的2-通路旋液分离器组，分离出胚芽。用研磨用水洗涤分离的胚芽，在转鼓干燥器中干燥，得到干燥的胚芽产品。再次研磨余下的大多数胚芽已分离的浆料，使用装备有Devil′s齿板的第二台91cm(36英寸)研磨机(下文称为第二次研磨)在900rpm粗磨，从该浆料中的研磨玉米中分离出余下的胚芽。分离出第二次研磨浆料排出物中存在的游离胚芽，并如上述使用旋液分离器回收。除去胚芽后，使余下的玉米材料通过50微米筛(下文称为第三次研磨脱水筛选)。含有淀粉-蛋白质的滤出物通过筛子，而被筛阻拦而保留下来的玉米材料则使用装备有Devil′s齿板的91cm(36英寸)研磨机(下文称为第三次研磨)以1800rpm精细研磨。使用7阶段过筛分离系统除去第三次研磨排出物浆料中的纤维成分，该系统是如此安排以使纤维以与研磨用水逆向流动的方向被洗涤，用加到该筛系统中的研磨用水洗涤最干净的纤维。在最后阶段(第7阶段)排出洗过的纤维，而在第1阶段则排出含有淀粉和蛋白质的浆料。第1次纤维洗涤阶段筛孔大小为50微米，第2到第6阶段为75微米，最后阶段为150微米。使用螺旋压榨机给洗过的纤维脱水，用旋转式干燥器干燥，得到干燥的纤维产品。将第三次研磨脱水筛选和第1阶段纤维洗涤的排出物合并，得到密度大约为8波美的浆料。用Merco H36离心机浓缩该浆料。该离心机以2600rpm操作，并装备有24号大小的管口。离心得到的溢流液(overflow)用作浸泡用的加工液(也称为研磨用水)，而底流浆料(密度为12波美)则进料到第二台H36离心机(称为主要离心机)中。通过该主要离心机分离进料浆液中的淀粉-蛋白质。该主要离心机在2200rpm操作，装备有24号大小的管口，得到底流和溢流浆料。溢流浆料富含蛋白质，含有约60％(db)的蛋白质，而底流浆料富含淀粉。然后使用第三台Merco H36离心机以2600rpm离心得到的富含蛋白质的底流浆料，使其进一步脱水，并在转鼓过滤器上脱水，使用快速干燥器干燥。这得到干燥的富含蛋白质的产品，也称为玉米麸质粉(corn glutenmeal)。使上述第二台Merco H36离心机的底流的富含淀粉的浆料通过12阶段Dorr-Oliver蛤壳式旋液分离器淀粉洗涤机组。设计该淀粉洗涤机组，使从该组第1阶段进入的富含淀粉物流与从该组第12阶段进入的饮用水逆向流动。各淀粉洗涤阶段具有以平行方式排列的几个10mm旋液分离器。除了第12阶段外，其余各淀粉洗涤阶段的进料压力通常为6.2bar(90psi)，第12阶段的进料压力是8.27(120psi)。

以底流从该淀粉洗涤机组的第12阶段回收浆料密度为23波美的纯化淀粉，也称为玉米湿磨的淀粉浆料或淀粉产品。

关于玉米湿磨的更多信息可参见“Technology of Corn Wet Milling andAssociated Processes”，第69-125页，Paul H.Blanchard，Elsevier SciencePublishers B.V.Amsterdam。

含有淀粉的湿加工或湿磨产物可以任何常规的方式使用。例如，含有淀粉的湿加工或湿磨产品可用作发酵原料。在另一个实施例中，含有淀粉产品的湿加工或湿磨产品可被加工成发酵原料。

以下提供生产发酵原料的方法的一个例子。可任选地水解采用先前所述的湿加工或湿磨方法生产的含淀粉产品，形成将被加到发酵介质中的发酵原料。可将淀粉浆料水解到任何程度，以形成水解淀粉，包括水解成葡萄糖。可以任何方式水解淀粉浆料。例如，可对淀粉浆料进行酸水解而将其水解。通常，酸包括无机酸，如盐酸等。提高温度可增加水解的速率，而且温度可根据所需的水解程度而大范围地改变。酸水解可能使淀粉水解程度有限。如果希望超出其水解水平，必须使用其它水解方法，如用淀粉水解酶对淀粉进行酶消化。

以下描述用酸水解进行淀粉水解的示范性方法：

a)提供23波美的淀粉浆料；

b)用22波美的盐酸将浆料的pH调整到1.8；

c)在146℃(295°F)将pH为1.8的该浆料注入Dedert连续酸转化系统中(Olympia Fields，IIIinois，USA)18分钟，在该转化系统中处理后，该淀粉被水解成85葡萄糖当量值(DE)；和

d)然后用10％苏打灰将转化的淀粉的pH调节为4.8，冷却。

以下描述采用酶水解进行淀粉水解的示范性方法：

采用以下步骤1)液化和步骤2)糖化进行淀粉水解。

1)液化：将水加到淀粉中，将干固体含量调到35％。用氢氧化钠溶液将浆料的pH调到5.5。将氯化钙加到该浆料中，使游离钙最小值达5ppm。以每公吨淀粉干固体0.4升酶的量将TERMAMYL SUPRA酶(得自Novozymes NorthAmerica，Inc的商标登记的淀粉酶)加到该pH调整了的浆料中。然后，在连续蒸汽加压锅中将该混合物加热至108℃(226.4°F)，并在加压容器中维持5分钟。然后将煮熟的该混合物冷却到95℃(203°F)，维持100分钟。产生DE为8-12的淀粉水解产物。

2)糖化：将上述液化步骤获得的淀粉水解产物冷却到60℃，加入水，将干固体含量调到32％。用硫酸将此稀释的水解产物的pH调到4.1-4.3。以每公吨干固体0.7升酶的量加入DEXTROZYME酶(得自Novozymes NorthAmerica，Inc的商标登记的淀粉葡糖苷酶和支链淀粉酶(pullulanase)的混合物〕，然后维持该混合物40小时。，以干固体计，获得95-97％的葡萄糖含量。

关于淀粉水解的更多信息可参见“Technology of Corn Wet Milling andAssociated Processes”，第217-266页，Paul H.Blanchard，Elsevier SciencePublishers B.V.Amsterdam。

在本发明中，可使用任何能水解谷物材料的酶。谷物水解酶的例子包括淀粉水解酶(例如淀粉酶、支链淀粉酶)、蛋白质水解酶(如蛋白酶、肽酶)、纤维水解酶(如纤维素酶、木聚糖酶)以及肌醇六磷酸水解酶(如肌醇六磷酸酶)。

提供下述实施例用于阐述本发明，并帮助本领域普通的技术人员制备和使用本发明。这些实施例不以任何方式限制本发明的范围。

                            实施例

实施例1

将全谷物玉米装到螺杆传送装置的入口或导入端。在螺杆传送装置的排出口或位置加入加工液，这样加工液和玉米在螺杆挤出机中相向流动。该加工液含有水、2000ppm二氧化硫和0.2％(w/w)乳酸。以每公吨玉米约0.45m3加工液的量加入该加工液(每浦氏耳玉米3.0加仑加工液)，使得未吸收的加工液的量最小。玉米在螺杆挤出机中输送的时间大约是7小时，加工的温度维持在约50℃。玉米和加工液连续通过该传送装置。回收所得的经处理的谷物材料。如果需要，可进行常规的湿磨分离步骤回收胚芽、纤维、淀粉和/或蛋白质。

实施例2

实施实施例1的步骤，但有以下例外。使用大麦替换玉米作为谷物材料，加入加工液，使其与大麦同向流动。由此获得经处理的大麦。如果需要，可采用常规的湿磨分离方法分离纤维、淀粉和/或蛋白质。

实施例3

采用实施例1的步骤，但有以下例外。加工液含有氢氧化钠，替换二氧化硫和乳酸。分离和回收所得的经处理谷物材料。

实施例4

实施实施例1的步骤，但有以下例外。用三台相连的螺杆传送装置替换单台螺杆传送装置。各螺杆传送装置之间使用91cm(36英寸)盘磨机，玉米于其中交换(commuted)。

实施例5

采用实施例1的步骤，但有以下例外。用含有水和5％w/w巯基乙酸的加工液替换实施例1中使用的加工液。

实施例6

采用实施例1的步骤，但有以下例外。使用大于10目的研磨玉米粒替换全玉米(whole corn)。

已结合各具体和阐述性实施方式和技术描述了本发明。但是，在不偏离本发明精神和范围的情况下，本领域技术人员将认识到可对本发明作出许多改变和变动。

Claims (21)

1.一种处理谷物材料的方法，其特征在于，它包括在螺杆传送装置中用加工液处理谷物材料，和通过该螺杆传送装置输送该谷物材料。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述谷物材料选自玉米、燕麦、大麦、黑麦、小麦、稻米、高粱以及它们的混合物。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述螺杆传送装置选自螺杆挤出机和螺杆输送机。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述谷物材料含有吸收的溶剂，选自水性溶剂、有机溶剂或它们的混合物。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述水性溶剂是水。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述溶剂含有至少一种选自增湿剂、还原剂和pH调节剂的化合物。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工液含有酸和二氧化硫。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述酸是乳酸。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述谷物材料用加工液处理至少1小时。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述谷物材料用加工液处理至少3小时。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度范围为约15-65℃。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工液存在的量为每公吨谷物材料约0.30-0.67m³的加工液(每浦氏耳谷物材料约4.5加仑加工液)。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述加工液以将完全被谷物材料吸收的量存在。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用一台以上螺杆传送装置。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，磨碎螺杆传送装置的排出物。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括从经加工的谷物材料中分离出胚芽、淀粉和蛋白质，提供含淀粉物流。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，水解所述含淀粉物流。

18.一种生产发酵原料的方法，其特征在于，该方法包括，使用依照权利要求16方法制得的含淀粉物流。

19.一种生产发酵原料的方法，其特征在于，该方法包括，使用依照权利要求17方法制得的经水解的含淀粉物流。

20.一种使用权利要求16的含淀粉物流产品的方法，用作发酵原料。

21.一种使用权利要求17的经水解的含淀粉物流的方法，用作发酵原料。