CN1333845A - 破碎植物叶和/或茎部分的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从植物材料中分离并回收组份的方法。本发明提供一种从至少包含叶和/或茎部分的植物材料中分离组份的方法,其特征在于该材料至少被部分纤维化,随后被分成纤维部分和榨汁流,使得纤维部分主要包含相对硬的组织如表皮、厚壁组织和维管束,而榨汁流主要包含软组织如薄壁组织和细胞液。在优选的实施方案中,本发明提供一种分离特别是包含叶绿体的榨汁的方法。

Description

破碎植物叶和/或茎部分的方法

本发明涉及从植物原料中分离和回收其成分的方法。

和大多数生物体一样，植物是由细胞构成的。植物细胞包含一种通常含水的脂质膜，含有多种细胞器如细胞核、线粒体、内质网和叶绿体的细胞液，以及由微纤维和微管构成的并形成成细胞内部骨架的细胞骨架。植物细胞中还存在着在保持植物细胞张力中起重要作用的液泡；液泡用于维持细胞的紧涨度。

植物细胞的组成成分可以粗略地分为构成活细胞大部分的水，诸如盐、脂类(前体)、糖、氨基酸和核苷酸等的组分，大分子如淀粉、蛋白质和核酸，以及其他多种分子，例如维生素和色素如叶绿素、胡萝卜素和叶黄素。

植物细胞通常由细胞壁所包围，细胞壁赋予植物组织硬度并起到结构的作用。细胞壁主要由聚集成纤维状的(半)纤维素和其他糖类聚合物构成。木质植物还含有大量木质素，这是一种由酚类和其他芳香性单体构成的聚合物。

植物组织由植物细胞构成，所有这些细胞当其活着时均基本满足以上之描述。在相对较硬的组织和相对较软的组织之间可以观察到一个重要的区别，即相对较硬的组织中基本上没有含叶绿体或其他质体的细胞，而相对较软的组织则含有这些细胞。一般而言，不存在含叶绿体的细胞的组织是，例如植物的上皮或表皮组织，植物的厚角组织和厚壁组织或基质，以及构成植物中重要转运管道(木导管和筛管)的维管束或导管组织。一般而言，当植物的一部分随时间而明显木质化时，在木质化部分中的绝大部分细胞死亡而仅留下细胞内容物的残迹。具体而言，其中存在的细胞液和细胞器将丧失，但对维管束，表皮和基质来说它们一般用于构成植物的形态和结构，而且在植物死亡时也往往得以保持。就其特征而言，那些相对较硬的组织(特别是维管束、厚壁组织和表皮)基本不含含叶绿体的细胞，但作为相对较软组织的一个重要部分(至少存在于植物的气生叶和茎中)，也被称为绿色组织的部分则主要由含叶绿体的薄壁组织细胞构成；事实上光合作用正是发生于此。

通过机械方法从植物原料中回收多种成分，进而用于如人类食品或动物饲料的作法，已经早为人所熟知。通常植物仅被粉碎或切碎以适于使用，其中一个例子是将玉米切碎制成饲料。

然而，存在于植物细胞液中的成分特别适用于人类食品或动物饲料，因为这些成分是动物细胞中相应成分的构成材料。

用于饲料作物的机械处理方法被用于回收如(动物)饲料成分，其中所述饲料作物包括如草、紫花苜蓿以及其他新鲜和绿色的植物，通常它们差不多被整株利用，特别是叶和/或茎部分，但在大多数情况下不包括根。这些植物原料通常是通过挤压叶和/或茎材料(优选为切碎或粉碎的)而加以回收，从而使植物材料的一部分以榨汁形式获得，而残留的经挤压的材料则被称为压饼。

挤压所产生的压力一般会导致材料中植物细胞打开(断裂或破裂)，从而造成水性而且是富含食物成分的细胞液作为榨汁从细胞中释放出来，其中还有可能伴随着细胞器残余和包围细胞的脂质膜的释放。通常榨汁采用如过滤等方法作进一步的处理，此后，例如榨汁中的蛋白质可以通过例如酸和/或热处理等方法絮凝而加以回收。榨汁也可通过超滤或膜过滤、干燥、发酵或本领域技术人员所熟知的其他方法作进一步处理。按此方式，不但供人类和动物消费的富含蛋白质的营养物或其他高品质营养物可以被回收，而且色素如胡萝卜素(维生素原A)也可被回收。

所得相对较干的压饼一般被认为是较低档的食品；它含有由(不直接)可消化的纤维素纤维所构成的相对完整的纤维束、粘附的榨汁和在压力影响下未被破坏的残存细胞。正是因为这些含有未被回收的细胞液的残存植物细胞赋予了压饼的饲料价值，压饼通常被干燥，造粒或用作饲料，特别是反刍动物饲料中相对较低档的粗饲料成分。

对于机械破碎如紫花苜蓿或草来说，通常采用的一种方法是利用锤式粉碎机粉碎植物原料然后采用螺旋压榨机或压带机挤压被粉碎的原料(此处将其称为植物浆)。从而植物浆被分成压饼部分和榨汁部分。其中榨汁部分被视为含有植物原料中的可工业回收的成分。锤式粉碎机一般由其上固定有可自由移动部件的转子构成，当转子转动时这些部件与植物原料接触并利用冲击力将其粉碎。当植物原料具有好的紧涨度时，即植物细胞处于张力之下时，锤式粉碎机的破碎效果相对较高。在这种情况下，冲击力造成组织破裂并导致细胞内容物和组织液一起被释放。如果紧涨度低，打击植物原料将造成其被压缩。组织或多或少保持完整，结果细胞内容物的获取率明显偏低。特别是对于那些在植物体内仅部分溶解，而其余部分为固体且不溶物质形式的细胞内容物的回收率来说，这是主要限制因素。这种情况适用于植物蛋白，同时也适用于脂类和色素。同样为人所知的锤式粉碎机可以将相对较干的材料分为两个部分(如US5,464,160中所述)，在这种情况中忽略了宝贵的榨汁流，而榨汁流中含有富含蛋白质的细胞液。因此，这些类型的粉碎机不适于加工新鲜的、相对较湿的材料，而且最终产生一种相对较湿的纤维部分。

在上述挤压至少含叶和/或茎部分的植物原料的方法中，一般而言重要的是原料在收割后短时间内，尽可能新鲜的情况下进行加工。只有这样，植物细胞方具有足够的张力而在压力下破裂或断裂，从而使细胞液得以释放。对于收割后植物部分在挤压前已经放置一段时间的情况，植物已经干到某种程度，此时其中的植物细胞已经丧失了大部分所需的紧涨度，细胞过于松弛而在压力下不能断裂或破裂。因此，在不新鲜的材料中榨汁的回收效率较低。对于植物的茎，情况也是如此。植物的茎即使在收割前，其植物细胞由于变干和/或成熟已经丧失了大部分的紧涨度。通常这些植物不再为(完全)绿色的而变成棕色或黄色的。木质化的植物部分则完全不适于以上方法，因为其中大多数的细胞已经死亡，或者它们仅含非常少的细胞液成分，因此不能用于高品质食物的回收。

通常植物材料被分割成压饼部分和榨汁部分。该方法的特点是仅部分提取(与榨汁一起)细胞内容物(液泡内容物和细胞质以及存在于其中的细胞器，如叶绿体和细胞核)；细胞壁与残存细胞内容物一起基本上完全遗留在压饼中。包含在压饼中的物质是同样也包含在原料中的所有组织，此外还包含一部分细胞内容物。新鲜压饼的颜色基本为绿色的，其中含有叶绿素的叶绿体随榨汁仅部分被除去。植物原料仅部分粉碎至组织水平；这意味着除单独组织如独立的维管束外，仍然存在着可辨认的叶和茎的碎片。

榨汁基本由细胞的水性内容物组成：液泡内容物和细胞质，而细胞质中含有细胞器例如以完整或被粉碎形式存在的叶绿体；细胞壁组成物基本不存在于榨汁中，它们被保留在压饼中。

因此，在常规的分离方法中，蛋白质以及其它部分溶解的物质的回收率依据植物体的性质、特别是依据紧涨度而高度可变，通常紧涨度反映了干物质含量的不同。

常规分离方法在挤压植物浆时的结果是，仅有部分细胞内容物进入榨汁流，而其余部分留在了压饼中。因此，除了较大部分的细胞壁外压饼中仍然含有一部分细胞内容物，正因为如此压饼被用作饲料。

因此，相对来说现有的用于从植物材料中从低品质成分中分离高品质成分的挤压方法强烈依赖于植物材料中存在的细胞的紧涨度，这就将这些方法的应用局限在相对新鲜和绿色的材料之内。当采用新鲜和/或绿色的材料时，所得压饼仍然含有大量的未被破坏的植物细胞，在其中含有高品质的细胞液，由于压饼事实上仅能作为动物饲料中的相对较低品质的成分，所以从压饼仅能获得低的价位。为从叶和/或茎部分回收高品质的成分，需要采用一种较好的办法，与现有方法相比，这种办法可以较高效能地破碎植物细胞，这种方法可以使细胞液成分更易于回收，并且使含有纤维的残余材料具有更好的市场前景。本发明的目的就是要满足这种需求。

本发明提供一种从植物材料如叶和/或茎部分分离组份的方法，其特征在于该材料至少被部分纤维化并且随后被分成纤维部分和榨汁流，使得纤维部分主要包含相对硬的组织如表皮、厚壁组织和维管束，而榨汁流主要包含软组织如薄壁组织和细胞液。在一个优选的实施方案中，本发明提供一种分离榨汁流的方法，其中榨汁流包含薄壁组织和叶绿体。

本发明提供一种新型的分离方法，该方法至少包括两个步骤：在第一步中通过剪切力的作用使植物材料纤维化，而在第二步中纤维成分被从其它物质中分离出来。植物体的分离指将其分成多个组份。通过植物体分离产生了一个新的产品流，该产品流与其原料相比具有其它的应用可能性。因此，与原始植物体相比，这些新产品流合在一起常常更有价值。本发明提供一种新的技术，该技术的基础是对植物体纤维化，而后再去纤维。

在一个优选的实施方案中，本发明提供一种从植物材料分离组份的方法，其特征在于该材料通过机械至少被部分纤维化并且随后被分成纤维部分和榨汁流，使得纤维部分(参见，如图1和2，同时也是一个与常规方法的对比)主要包含相对硬的组织如表皮、厚壁组织和维管束，而榨汁流(参见，如图6和7，同时也是一个与常规方法的对比)主要包含软组织如薄壁组织和细胞液。例如在混合器中处理材料，由此进行机械纤维化。优选的是，当在工业规模上需要进行该方法时，根据本发明，采用一种装置如具有磨盘的(压力)匀浆机，如在纸浆和造纸工业中所采用的机械进行纤维化，或者采用一种具有等同作用的机械进行纤维化，通过这种作用，植物材料可以被纤维化，并从而被分割成纤维部分和榨汁流，使得纤维部分主要包含相对硬的组织如表皮、厚壁组织和维管束，而榨汁流主要包含软组织如薄壁组织和细胞液。

本发明的方法可被应用于所有含纤维的植物材料中，这些植物材料来源于作物和野生植物，以及由培养植物和野生植物所构成的杂交产品。例如来源于人工培植草地的植物体，但也可来源于天然草地或路边，饲料作物如草料草和玉米、紫花苜蓿、苜蓿和其它蝶形植物，纤维作物如亚麻和大麻，以及作物的顶部，这些作物一般培养仅用于收获其种子、果实或块茎，如谷物、甜菜、豌豆、豆、土豆、胡萝卜、木薯、甘薯。

在纤维化中，导管组织中以及厚壁组织和表皮通过机械手段与其它成分、基本为薄壁组织脱离。同时薄壁组织被破坏，因此其中的细胞内容物基本上被完全利用。可采用如在纸浆或造纸工业中纤维化木材和木纸浆的磨浆机进行纤维化。磨浆或纤维化一般要向植物材料外加水份而进行。结果产生纤维化材料浆，从该材料浆中可以将纤维除去。由此所得的纤维部分(纤维流)根据其特性和组成可以用于以下应用：作为纸和纸板(单一浆种纸板、折叠纸盒用纸板和模型用纸板)的原料，作为生产纤维板(软板、硬板、粗板、MDF、HDF和MDF/HDF型材)的原料，作为吸湿性材料如尿布、卫生巾等的原料，作为制造培养介质的原料(花肥和基质)，覆盖物(用于防腐或用作杂草和疾病的抑制剂)，作为土壤改良剂或作为燃料。

在去纤维操作中，例如通过过滤将被释放的纤维与其它植物成分分离。通过清洗和过滤，纤维可被进一步纯化并且尽可能多的非纤维成分可通过用水清洗来回收。去纤维的浆由所添加的水、组织液、细胞内容物和来自薄壁组织的细分散细胞壁所组成的混合物构成。通过这种去纤维的浆或榨汁流，其所含的物质可被分成或多或少的纯的形式，例如蛋白质、多肽和氨基酸、酶、色素、脂类、脂肪酸、淀粉、可溶性糖和(细胞壁)糖，并用于家畜饲养、人类营养、或作为发酵的基质，或通过浓缩可制成高营养价值的饲料或食品，因为不能被消化和难以被消化的纤维成分已经被除去了。在后续的步骤中，该去纤维的浆可被进一步分离。例如一种可能性是通过离心将所有固体部分分离，其可进行或可以不进行一个通过加热，酸化或其它手段而实现的絮凝步骤。另一可能性是使用细胞壁分解酶(果胶酶、纤维素酶等)，并将它们添加到去纤维浆中已溶解物质的部分中，由此将薄壁组织细胞壁转化成可溶性的糖。

本发明所提出的方法的特征是在组织水平上分成纤维部分和去纤维部分，其中纤维部分主要包含相对硬的组织(表皮、厚壁组织和维管束)，而去纤维部分主要包含软组织(薄壁组织)以及它们的内容物。概括地说，常规方法和该新型方法的不同点是从组织液中提取(常规方法)而非组织分离(新方法)。

本方法还提供一种用于实施本发明方法的装置。这种装置的特征在于适于本发明的纤维化，使得较硬的导管组织以及例如厚壁组织和表皮(与纤维部分一起)通过机械手段与其它成分、基本为薄壁组织脱离。同时薄壁组织被破坏，因此其中的细胞内容物基本被完全利用。此处“纤维化”是指植物原料被置于一种作用力之下使得相对硬的组织与相对软的组织基本上完全脱离。进行纤维化的作用力的结果是，植物细胞的绝大多数将被破坏，使得细胞液被释放出来。作为榨汁流，细胞液通常还包括细胞器的残余以及包围细胞的脂质膜和薄壁组织细胞膜，通过过滤或其它本领域技术人员所熟知的分离方法细胞液可被相对简单地从纤维成分中分离出去。

本发明的第一个优点是本发明的效率不依赖于原料中植物细胞的紧涨度，使得与上述挤压方法相比对植物细胞的破碎更为有效。

本发明的第二个优点是本发明提供两种非常纯的产品流。第一个产品流是纤维成分，它主要含有纤维素和半纤维素，主要由元素C、H和O所构成(它本身可以作为一种清洁原料)；第二种产品流含有在薄壁组织和细胞液中存在的所有有价值且复杂的内容物，并且这两种产品流可被相对简单地进一步分离。

例如通过过滤可以将这两种产品流相互分离，除过滤外还可以设想其它的分离方法，如离心，通过水力旋流器和离心过滤处理以及倾析或沉降，或这些方法的联合。在去纤维操作中通过如过滤等手段被释放的纤维与其它植物成分分离。通过清洗和过滤，纤维可被进一步纯化并且利用清洗用水可以尽可能多地回收非纤维成分。去纤维的浆由所添加的水、组织液、细胞内容物和来自薄壁组织的细分散细胞壁所组成的混合物构成。

根据本发明的第一种产品流是榨汁流(通常是高营养的)，这种榨汁流包含基本上所有来自植物材料的高品质成分或营养物(如糖、果糖-寡聚糖、蛋白质、脂类、色素等)的水溶液/悬浮液。通过(低营养的)纤维成分的除去，构成了相对高品质的产品流，由此多种成分可以被相对简单地进一步纯化。已去纤维的产品或榨汁流基本上由薄壁组织，一部分为未被破坏的细胞而另一部分为被破坏的细胞材料所构成。已去纤维的产品的颜色一般为绿色，因为存在完整的或被破坏的叶绿体，在分离过程中由于变色有时也为棕绿色。从宏观上说它是一种流体。微观上讲，基本完整的和被破坏的薄壁组织细胞和细胞器如叶绿体在该流体中可以被看见。

根据本发明的第二种产品流，即纤维组分，由相对较硬的组织构成。通常它们为维管束、厚壁组织和表皮。在分离和清洗过程中细胞内容物从这些组织中脱除或基本上完全被除去。因此纤维主要由细胞壁成分构成。叶绿体在纯的纤维制剂中基本不存在。被清洗的纤维颜色一般在白色至黄色或浅棕色之间变化。有时由于回收期间叶绿素的浸渍可以出现淡绿色。宏观上讲，纤维部分的纤维结构主要有维管束的丝状特性。微观上讲，除了维管束和厚壁组织的丝状结构，一般来说片状的表皮组织也可观察到，其由一个细胞层厚的片构成。维管束由几个细胞构成，包括木导管和筛管。根据纤维化的程度，也可出现由一个细胞构成的纤维以及细胞壁的残余，和(螺旋、网状或环状的)细胞壁加厚。表皮片典型地存在气孔和硅质的芽或毛发。

根据本发明的纤维流基本上仅由湿的固体纤维流(主要是纤维素和半纤维素)组成，基本没有营养价值，因为这种组分不能直接被消化。但是这种不可消化性使得有可能在非食品应用中使用这种纤维流。与常规挤压法所得的压饼相比这是完全不同的，因为压饼事实上仅适用于饲料应用，如果它不被制成食品被吃掉或被进一步保存。

例如，本发明提供纤维部分在能源生产中的应用。纤维部分主要含有糖类、纤维素和半纤维素(主要由元素C、H和O构成)，它具有非常好的燃烧性，因此可以高效率地转化成有用的能源，例如在热电站中，同时可以预想它在燃烧过程中基本没有或仅释放少量的有害物质。根据本发明的方法处理植物原料，然后将所得纤维部分用作燃料，将有利于CO₂排放的减少，因为此处所采用的是非石油燃料。同时，纤维部分的燃烧对于环境来说更为清洁，因为纤维部分几乎不含有通常干植物中所存在的盐类残存物(如K、Na、Cl、P化合物)和蛋白残余(它包括S和N化合物)。这些来自于细胞液的盐类残余和蛋白残余已经随榨汁流而被从纤维部分中分离出去。纤维部分(此处主要是经燃烧转化成H₂O和CO₂的C、H和O化合物)的燃烧与其它盐类残余和蛋白残余仍然存在的植物材料相比对环境的影响明显更小。蛋白质燃烧导致S和N化合物如S和N的氧化物的排放，不可燃烧的盐类残余将造成残存的灰份。而本发明纤维成分的燃烧，如S和N的氧化物以及灰份的含量将明显更少。

由于纤维材料的有机来源，它也可用于例如作为泥炭的替代物，如在花土中或在花园土中。

在本发明的一个优选实施方案中，植物材料被纤维化至某种程度，使得如纤维材料主要由基本纤维构成，从而使所得的纤维成分或纤维流适用于例如进一步加工成纸板和/或纸，或可被用作(天然)纤维而用于复合材料中或(人造)树脂的增强。

可采用本发明方法处理的植物原料的实例是已知的(饲料)作物，如草(谷物如小麦、黑麦和玉米)、紫花苜蓿、大麻，但也包括作物收割后的残余物，这些作物叶和/或茎部分通常不被加工，例如土豆或甜菜的顶部在收割后通常被扔到田地中；或者是通常不被加工成汁液的作物，或仅被有限程度地加工的作物，如菠菜、莴苣和草。本发明方法的高效率使得加工这些植物材料是有利可图的。

依据本发明的方法而加工的植物材料的榨汁流可进一步被处理，例如通过过滤，此后例如在榨汁中的蛋白质、多肽、氨基酸、和其它成分或内容物质可以通过如采用如酸和或热处理进行絮凝而加以回收。榨汁流也可采用超滤或膜过滤、干燥、发酵、或其它本领域技术人员所熟知的方法做进一步处理。按此方式，供人和动物消费的富含蛋白质或其它高品质的营养不但可以从细胞液中，而且也可以从叶和/或茎中被回收，同时会可回收色素如胡罗卜素(维生素原A)。

根据本发明的方法还可用于处理不属于培养作物的植物材料，例如沿公路或高速公路的路边草，或在天然领域中草和其它野生植物的混合。

本发明还提供一种从植物原料中分离组分的方法，所述植物原料收割时间相对较长，已经至少是部分地干瘪了，或者这种植物原料不再被划分成新鲜的或绿的，而是经过成熟期而变得更加木质化和/或更加干燥。这些材料不适合采用挤压方法进行加工，但是现在可以轻松地进行加工，因为被粉碎的植物细胞的紧涨度对于本发明所采用的方法并不重要。

本发明提供一种磨浆机，或者一种具有相似作用的装置以及这种装置的用途，例如用于从植物原料中分离组分，所述植物原料不再显现任何的木质化，或者仅具有少量的木质化并且其中存在薄壁组织。薄壁组织和存在于其内的细胞液是本发明的榨汁流的基础。磨浆机一般用于将木块破碎成纤维而用于制造形成纸或纸板的纸浆。本发明提供利用磨浆机处理作物的方法，所述作物来自大量品种的作物，它们通常不采用磨浆机进行处理。磨浆机一般不用于处理新鲜和/或绿色的材料，因为木头主要含有死的或木质化的组织，其中大多数的薄壁组织、以及叶绿体已经消失。不同类型的磨浆机已为本领域技术人员所熟知。例如带有锥形盘或带有平板盘的磨浆机。本发明提供这两种磨浆机和/或等同装置在本发明方法中的应用。

以下在本说明书的实验部分中进一步描述本发明，但本发明并不仅限于此。实验部分

通过实验本发明与常规方法进行了比较。采用实验室规程和工业装置进行此项工作。基于此种方式，可以评价纤维部分的性质并且可以比较两种方法中内容物的可回收性。以下所示结果表明了蛋白质和其他内容物可回收性的差异。常规方法

进行实验室规模的实验，在一个Tecator均质器中对材料打浆并采用Lloyd Instruments公司的螺旋压机挤压植物浆，对常规研磨加挤压的方法进行模拟。在一个具有多孔底盘(面积50cm²)的杯中将100g新鲜植物浆于高达10bar的压力下挤压15分钟。分析起始原料和榨汁的氮含量，以榨汁中粗蛋白含量(氮含量乘以6.25)计算蛋白质的可回收性，结果表示为占起始原料中粗蛋白含量的百分比。

在更大的规模中，采用Jenz A30型锤式粉碎机粉碎草并将所得草浆按1∶7.65的压缩比在一个Vetter螺旋压机中挤压，该压机带有开孔的壁厚为0.7mm。使植物原料由锤式粉碎机中通过一次或几次，可以控制材料的粉碎程度的高低。新方法

进行实验室规模的实验，在一个切割机中将新鲜草切碎，然后将30g切碎的草片与400ml水混合，并在一混合器(Braun混合器)中混合10分钟，采用850μm的筛网过滤混合器中的植物浆，然后清洗并干燥滤除的纤维组分，按此方式对新方法进行模拟。分析纤维中的氮、灰分和细胞壁的含量，并由此计算去纤维植物浆的组成。纤维产率被定为纤维组分中干物质的含量占起始原料中干物质含量的百分比。以去纤维植物浆中粗蛋白含量计算蛋白质的可回收性，结果表示为占起始原料中粗蛋白含量的百分比。

同样还在Sprout-Waldron 12英寸压力磨浆机中对新方法进行测试，磨浆机中磨盘的型号为D2A505。在大气压力、磨盘间距为0.04mm的条件下对新鲜草进行磨浆或纤维化，其间添加水使得其稠度为含2％干物质。然后采用开孔为140μm的筛网过滤纤维。

同样还在型号为RO 20 FLUFF、序列号为3838、于1985年制造的Sunds盘式磨浆机中按半工业的规模对新方法进行测试，磨浆机安装有具有高阻力和低阻力的不同型号的磨盘。利用这一磨浆机对磨盘型号和盘间距对输出的效应以及纤维组成进行了研究。

在大气压力条件下采用切碎的草进行磨浆，可添加水或不添加水。同时也研究了对马铃薯秧的纤维化。

草来源于人工草地和天然草地，并被加工成新鲜和切碎的形式。纤维化材料的样品用手清洗并过滤，然后分析其氮和灰分的含量。纤维平均占草干物质33％的比例计算粗蛋白的可回收性。

马铃薯秧来源于生长旺盛期的产淀粉的马铃薯植株。马铃薯秧被机械拔起并被粉碎至某种程度。马铃薯秧由叶和茎组成。马铃薯秧不经预先清洗，在新鲜且不添加水的情况下用磨浆机处理。纤维化的原料采用手进行挤压。实验结果：

附图描述：图1和图2(详细图)

草压饼(左)和草纤维(右)来源于多年生黑麦草(Lolium perenne)。

在压饼中，由于存在叶绿体，其绿色是显著的。同时根据其大小(截面部分大于1mm)和叶顶端的特征肋状物，可以辨认出叶的碎片。草纤维因其浅颜色(基本完全不含叶绿体)、单独纤维的丝状结构和小的直径(在此情况下远小于1mm)而得以辨认。图中所示连续数字间的间隔为1cm。图3

多年生黑麦草(Lolium perenne)的草纤维悬浮液。

可以观察到直径在几十微米的纤维结构(维管束)以及最小直径高达几百微米的表皮碎片。图4

多年生黑麦草(Lolium perenne)之草纤维中表皮的显微图。

其特征是在多年生黑麦草中存在气孔，这些气孔集中于叶片顶端的表皮中。在气孔周围更为致密的组织是下层厚壁组织。长形的表皮细胞的截面约为20微米。图5

多年生黑麦草(Lolium perenne)之草纤维中维管束的显微图

维管束的特征是它们由几个细胞构成并且存在具有网状加厚部分的管道。在图中部的纤维直径约为50微米。图6

多年生黑麦草(Lolium perenne)之去纤维榨汁流中薄壁组织细胞的显微图。这种榨汁流来源于图1和图2的纤维组分。

在草叶片中薄壁组织的特征是含有丰富的叶绿体。一些薄壁组织细胞在分离过程中已经被破坏了：仅可观察到细胞壁，叶绿体孤立地存在于周围液体中。这些薄壁组织细胞的尺寸约为20×40微米。图中所示的组分在照相前被稀释，从而将本发明榨汁流中相对大量的薄壁组织细胞显现出来。图7

多年生黑麦草(Lolium perenne)之榨汁流中薄壁组织细胞的显微图。

榨汁来源于图1和图2的压饼。图中所示的组分在照相前被浓缩，从而使榨汁中相对少量的薄壁组织细胞显现出来。图8

对草进行纤维化或磨浆的流程图。图9

对草进行纤维化或磨浆的流程图。图10

对草进行纤维化或磨浆的流程图。纤维化表1：几种人工培植草以及几种其他作物在收获期内的平均纤维成分和纤维产率。

                    氮含量  灰分含量  细胞壁含量  纤维产率种/变种

                 (g/kg dm^**)(g/kg dm) (g/kg dm) ％原料干物质草Lolium perenne 4n Vr.^*   4.0       50.6      867       28Lolium perenne 2n Vr.^*   4.3       43.5      865       34Lolium perenne 4n Lt.     4.5       41.1      879       29Lolium perenne 2n Lt.     5.4       34.7      857       29Lolium multiflorum 4n     3.8       47.4      877       24Lolium multiflorum 2n     4.4       36.6      880       27Phleum pratense           4.3       39.8      862       30Festuca arundinacea       4.4       36.7      867       29Dactylis Glomerata        5.1       42.0      873       32Festuca pratensis         4.5       44.2      872       32其他植物紫花苜蓿                  5.7       18.9      824       28马铃薯秧 嫩               4.2       26.1      836       16马铃薯秧 老               3.7       50.7      714       21豌豆秧                    4.8       25.7      832       29甜菜秧                    12.0      79.7      680        9^*)4n＝四倍体；2n＝二倍体；Vr.＝早开花；Lt.＝晚开花^**)dm：干物质

纤维化植物体产生纤维组分，依赖于材料的特性，以干物质含量计，纤维组分可以在小于10％至大于30％之间变化。其准确数字也取决于分离纤维的筛网的开孔和清洗强度。对于Lolium perenne来说，纤维组分中一般含80％的细胞壁材料，而且其氮含量多低于6-8g/kg干物质，灰分含量多低于50-100g/kg干物质。

              表2：纤维的组成

               磨浆机       实验室规程灰分含量(g/kg dm)   22.3         26.0氮含量(g/kg dm)     5.3          4.4细胞壁(g/kg dm)     808          792

对于采用磨浆机的实验和依据实验室规程进行的实验，在纤维组分的组成方面是具有可比性的。去纤维

           表3：草和去纤维草浆的组成

                  草           去纤维草浆

                           磨浆机    实验室规程灰分含量(g/kg dm)

                 92.6       138        139氮含量(g/kg dm)      31.0       47.4       48.7细胞壁(g/kg dm)      544        375        438

除细胞内容物(如蛋白质)外，去纤维的植物浆还含有一部分来自于植物原料的细胞壁。这些细胞壁基本上来自软的薄壁组织，这些组织在纤维化时破裂并随后在去纤维化操作中以细分散材料形式通过筛网。其在去纤维植物浆中的存在量部分依赖于筛网开孔的直径。表4：在研磨＋挤压和去纤维化时几种人工培植草以及几种其他作物在收获期内粗蛋白的回收率。种/变种                 研磨＋挤压(％)    去纤维化(％)草Lolium perenne 4n Vr.        30               95Lolium perenne 2n Vr.        23               94Lolium perenne 4n Lt.        22               95Lolium perenne 2n Lt.        16               94Lolium multiflorum 4n        41               96Lolium multiflorum 2n        35               95Phleum pratense              11               94Festuca arundinacea          21               94Dactylis Glomerata           31               93Festuca pratensis            17               94其他植物紫花苜蓿                     52               95马铃薯秧 嫩                  51               98马铃薯秧 老                  42               95豌豆秧                       16               95甜菜秧                       24               95

去纤维化所得的植物浆在大多数情况下含有大于70％，优选大于80％或90％的植物原料中总粗蛋白。可通过离心回收蛋白，在离心前可以进行或不进行热絮凝处理。

在常规的分离方法中，多数情况下粗蛋白的回收率小于50％。表5：将草反复通过锤式粉碎机然后在螺旋压榨机中挤压与本发明之纤维化方法对蛋白回收率的比较。

                         蛋白回收率

                            (％)

锤式粉碎机＋螺旋压榨机

通过锤式粉碎机的次数

    1x                       28

    2x                       30

    4x                       35

    8x                       43

本发明的纤维化              93-96

即使是将草反复通过锤式粉碎机反复破碎，然后在螺旋压榨机中挤压，所观察到的蛋白回收率仍低于纤维化草所得的蛋白回收率的一半。

在Sunds盘式磨浆机中进行的试验结果概括在表6中。

盘的型号和盘间距的选取决定了纤维化的程度，但是对蛋白回收率的影响程度不大。为获得高的蛋白回收率(在此情况中大于85％)，对于蛋白含量高的培养草和蛋白含量低的天然草，采取高的吞吐量是有可能的。

马铃薯秧十分适于用磨浆机加工。在纤维组分中木纤维的含量相对较高，因为起始的马铃薯秧不仅含有叶组织也含有茎组织。马铃薯纤维的高灰份含量主要是由于原料未经清洗沙土含量高所致。表6：采用Sunds盘式磨浆机进行半工业规模破碎草和马铃薯秧的纤维组成以及蛋白质回收率

原料	原料组成			磨盘		产量	纤维组成		蛋白质回收率
											d.m.	灰分	N	磨盘阻力	磨盘间距		灰分	N
	(g/kg鲜草)	(g/kg d.m.)	(g/kg d.m.)		mm	(kg d.m/小时)	(g/kg d.m)	(g/kg d.m.)	(％)
										人工培养草	154	91	19.3	高	0.4	-	13	5	91
人工培养草	142	183	36.1	高	0.10	39	31	14	87
										＂	＂	＂	＂	高	0.50	55	27	15	86
＂	＂	＂	＂	高	1.00	104	38	15	86
										＂	＂	＂	＂	低	0.05	157	49	14	87
＂	＂	＂	＂	低	0.10	135	41	14	87
										＂	＂	＂	＂	低	0.50	139	54	15	86
＂	＂	＂	＂	低	1.00	211	82	20	82
										天然草	215	138	12.1	低	0.10	-	41	6	84
马铃薯秧	104	342	23.5	高	0.20	-	473	15.2	-
										＂	119	344	27.0	低	0.20	-	374	19.0	-

对草进行磨浆的流程图预处理

所附流程图(参见图8至10)开始于提供切碎的草，这与常规在干草机中加工草和紫花苜蓿一样。通常切片长度在几个厘米数量级，但也可更长或更短。对于磨浆实验，在Pierret切截机中将新鲜草预先切碎成6毫米长，换而言之，这一长度非常短。从理论上讲如此短的长度是不需要的；磨浆或纤维化被挤压的草(其长度为几厘米)不成任何问题。清洗

实际应用中可能需要清洗步骤以除去砂土，因而降低了仪器损耗并且能够得到更清洁的产品。当然如果砂土或其它污染物不存在时清洗步骤也可以省去。添加亚硫酸盐

添加亚硫酸盐可能是需要的，但为防止在蛋白质和聚苯酚间出现不必要的络合也可以不添加。依据以往加工草汁的经验，已知这种络合物的形成降低了草蛋白的营养价值。在磨浆过程中环境可以不同。在磨浆过程中温度快速升高可能即刻使酶活性停止(煮烫效应)，并且抑制了聚苯酚的形成。磨浆：基本图(图8)

理论上在磨浆过程中可以添加或不添加液体而进行磨浆。在第一个实验中采用了新鲜草(15％干重)，这一过程进行得不顺利除非添加大量水使干物质百分量变为约2％为止。需要添加液体可能部分依赖于磨浆机的类型以及草的特性(纤维性)。被挤压的草(26％干重)可以在不添加水的情况下进行磨浆，如果添加水，那么水的添加量与磨浆过程中温度上升有关，从而影响了蛋白质变性的程度以及以后的加工步骤。

磨浆之后，基本图包括以下处理步骤：滤除纤维，热絮凝磨浆机流体，然后采用倾析的方法分离蛋白质饼并蒸干去蛋白的流体。对于基本图可以构想两种极端的变化，一是在磨浆过程中添加最少量的水，另外一个则是添加大量的水。因此，基本图被转变成变化A(图9)和变化B(图10)。磨浆：变化A(图9)

对于添加最少量的往复液体，在磨浆过程中可能出现明显的温度上升，在被挤压的草的实验中温度高于70℃。蛋白质絮凝和加热杀菌在磨浆过程中就已经发生，这样有可能省略一个单独的絮凝步骤。在这种情况下，加工流程被减化成磨浆—过滤—倾析—蒸发：参见基本流程的变化A。磨浆：变化B(图10)

变化B：对于添加大量往复液体的情况，磨浆过程上的温度上升可能保持有限：在对新鲜草的实验中温度约35℃。由此可以想象一部分的蛋白质仍留存在溶液中。在这种情况中，经磨浆后可以设想两种路线，最简单的路线是在滤除纤维后对流体进行热絮凝并且倾析。在这种情况下，形成蛋白饼，然后可以蒸发已去蛋白的流体(参见基本流程)。一种更为复杂的路线(变化B)包括在滤除纤维后先进行倾析，由此而得到粗蛋白饼(粗的，也就是与通过筛网的细分散薄壁组织细胞壁的混合物)，然后再进行热絮凝并再进行倾析。在第二步倾析步骤中可以获得更为纯净的蛋白饼。滤除纤维

为达到滤除纤维的目的，如本领域技术人员所熟知的用于分离马铃薯纤维那样，可以采用离心过滤。在该实验中采用了一种倾斜的滤网，它被架在一个线圈上，其开孔为140×140微米。在实验室规模中，采用了开口直径为850和250微米的筛网。由此得到的经验是采用相对较粗的筛网可以分离大多数的纤维。更细的纤维组分可以被加到总纤维组分中，或通过酶解加到糖浆、浓缩液或榨汁流中。清洗和干燥纤维

经过滤而分离出的纤维可能沾染有已溶解的和悬浮的物质。因此采用去蛋白的回收液体进行清洗是有必要的，然后再通过挤压/离心除去水分并干燥。干燥蛋白饼

通过倾析而分离出的富含蛋白质的饼可以采用本领域技术人员己知的方法，如用于干燥马铃薯蛋白的方法进行干燥。对于存在相对较高的脂类成分的情况，添加抗氧剂具有改善的效果。去蛋白液体的蒸发

去蛋白的液体可被蒸发，以构成富含糖的糖浆。扩展操作

基本流程可以被扩展从而包括一些用于进一步精炼粗蛋白饼的过程。一种可能的附加步骤是利用酶水解粗蛋白饼中的薄壁组织细胞壁。由此所得的糖可以添加到糖浆、浓缩液或榨汁流中。

Claims (18)

1、一种从至少包含叶和/或茎部分的植物材料中分离组份的方法，其特征在于该材料至少被部分纤维化，随后被分成纤维部分和榨汁流，使得纤维部分主要包含相对硬的组织如表皮、厚壁组织和维管束，而榨汁流主要包含软组织如薄壁组织和细胞液。

2、如权利要求1所述的方法，其中榨汁流含有叶绿体。

3、如权利要求1或2所述的方法，其中材料被机械地纤维化。

4、如权利要求3所述的方法，其中材料采用磨浆机进行纤维化。

5、如权利要求1至4之一所述的方法，其中通过过滤将纤维部分从榨汁流中分离出来。

6、如权利要求1至5之一所述的方法，其中植物原料来源于人工培养作物。

7、如权利要求6所述的方法，其中人工培养作物属于草本植物。

8、采用权利要求1至7中任一方法制得的纤维部分。

9、如权利要求8所述的纤维部分的用途。

10、如权利要求9所述的纤维部分的用途，其是用于能源或纸板和/或纸的生产中。

11、采用权利要求1至7中任一方法制得的榨汁流。

12、如权利要求11所述的榨汁流，其包含大于50％、优选大于75％、更优选大于90％植物原料中的粗蛋白。

13、如权利要求11或12所述的榨汁流的用途。

14、如权利要求11或12所述的榨汁流在制造食品中的应用。

15、如权利要求11或12所述的榨汁流在回收或纯化至少一种成分中的应用。

16、一种实施权利要求1至7中任一方法的装置。

17、如权利要求16所述的装置，其至少包含一个磨浆机。

18、一种装置，其中可实施权利要求1至7中的任一方法。

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