CN1671830A - 谷物材料加工方法 - Google Patents

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M·马歇尔
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Abstract

公开了一种谷物材料的加工方法，与传统的玉米湿磨法相比，该方法减少谷物浸泡时间并减少操作环节。这种方法涉及连续而同时地让谷物吸收溶剂并研磨谷物材料。还公开了将本方法的产物用于生产发酵原料。还公开了将本方法的产物用作发酵原料。

Description

谷物材料加工方法
本申请要求2002年7月23日提交的美国临时专利申请序列No.60/398,030的优先权，该申请的全部内容被引入本文作为参考。
技术领域
本发明涉及一种谷物材料的加工方法，与传统湿磨法相比，该方法减少谷物浸泡时间并减少操作环节。
发明背景
包括玉米、燕麦、大麦、裸麦、小麦、稻米和高梁等在内的谷物，都含有不同浓度的淀粉、蛋白、纤维和其它营养物质。通常需要对谷物进行加工，以便分离出富含这些组分中某一组分的不同部分或物流。由于这些组分常常存在于谷粒的内部，所以大多数加工方法的开始步骤是对谷粒进行处理，从而暴露或释放出原始组分。
随着甜味剂、植物油和乙醇产业变得越来越有竞争力，需要更有效的并且排放物更少的谷物研磨方法。传统上，诸如玉米、高梁、小麦和稻米等谷物用湿磨法、干磨法或挤压法进行加工。然而，在美国大多数加工的玉米是用湿磨法进行处理的。
玉米湿磨法中的起始操作是浸泡，通常涉及在受控的温度和二氧化硫(SO2)条件下，把谷粒长时间浸泡于一系列容器(如约20到48小时)，并结合乳酸发酵。这些条件用于使水和二氧化硫扩散并进入谷粒，从而使谷粒软化并瓦解淀粉-蛋白基质。在浸泡过程中谷粒的软化有助于胚芽和纤维与胚乳分离，而淀粉-蛋白基质的瓦解有助于产生高质量的淀粉。
浸泡是一种半批次的操作，与浸泡设备有关的投资和维护成本高、需要大面积、生产率改变的灵活性差、并且是高能耗的。此外，在浸泡过程中一部分碳水化合物常常因发酵而丧失，并且某些蛋白也会被溶解。
有利的是开发一种加工谷物材料(如玉米)的方法，该方法可减少浸泡所需时间并可减少操作环节。
发明概要
本发明涉及一种谷物材料加工方法，它包括：提供一谷物材料，以及在至少1分钟的期间内连续而同时地使谷物材料吸收溶剂并研磨谷物材料。
本发明还涉及一种生产淀粉产品的方法。此外，本发明还涉及回收含油的胚芽产物、纤维产物和/或蛋白产物。
本发明还涉及将本发明方法产生的产物用于生产发酵原料的方法。本发明还涉及将本发明方法产生的产物用作发酵原料的方法。
发明详述
本发明涉及一种谷物材料加工方法，它包括：提供一谷物材料，以及在至少1分钟的期间内连续而同时地使谷物材料吸收溶剂并研磨谷物材料。
本发明还涉及一种生产淀粉产品的方法。此外，本发明还涉及回收含油的胚芽产物、纤维产物和/或蛋白产物。
本发明还涉及将本发明方法产生的产物用于生产发酵原料的方法。本发明还涉及将本发明方法产生的产物用作发酵原料的方法。
除了用于生产发酵原料之外，本方法的产物可用于任何常规应用。
如本文所用，术语“谷物材料”指任何一种谷物材料或其部分。更具体地，任何谷物材料可用于此处所述的方法。合适的谷物材料例子是玉米、高粱、燕麦、大麦、裸麦、小麦、稻米或其混合物。
在本方法中，谷物材料吸收溶剂。作为溶剂，可以使用任何水性溶剂、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。优选使用的是水性溶剂，如含亚硫酸盐(优选以二氧化硫或亚硫酸氢盐的形式引入)的水。在至少约1分钟的一段时间之后，谷物材料对溶剂的吸收即告完成。较佳地，吸收时间是约5分钟到约5小时，更佳地，是约1小时到约3小时。
在溶剂中可以掺入各种不同的添加剂。例如，可掺入有助于溶剂吸收和/或使谷物材料分离成各组分的添加剂。此外，可掺入还原剂和/或pH调节剂；消泡剂；湿润剂等。还原剂的例子包括SO2、亚硫酸盐和亚硫酸氢盐，巯基乙醇，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，还可以使用酶，例如纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶等。
谷物材料的研磨可用任何已知方式实现。合适的研磨谷物材料的设备例子如下：研磨粉碎机、叶轮式粉磨机、搅拌机、掺和器(blender)、磨盘式磨碎机、辊式粉碎机、锤式粉碎机、冲击式研磨机、针式磨碎机(pin mill)等。优选的例子是叶轮式粉磨机、掺和器、针式磨碎机、搅拌机和研磨粉碎机。
对谷物材料的研磨可以在任何的每分钟转速下进行，优选约5-10000rpm(转/分钟)。较佳地在约100-5000rpm，而更佳地在约500-3000rpm下进行研磨。
在本方法中，谷物材料的研磨可在任何温度下进行，优选约1-100℃的温度。较佳地温度范围是约40-75℃，而更佳地约45-65℃。
本方法取代了传统玉米湿磨法中的浸泡、第一次研磨和可能要进行的第二次和第三次研磨的操作环节。另外，本方法也减少了通常与这些操作环节中的某些环节(尤其是浸泡)相关的时间。使用与常规湿磨法相关的技术，本发明的产物可被进一步分离和纯化，形成淀粉、胚芽、纤维和蛋白质。
用本方法处理的谷物材料，可以用于任何使用常规玉米湿磨材料的场合。特别是，用本方法处理的谷物材料可用作发酵原料。此外，这种经处理的谷物材料可用于生产发酵原料，例如用于乙醇生产。
对用本方法处理的玉米进行湿磨的典型过程，描述如下：
谷物材料的湿加工可定义为一种谷物材料的处理方法，其中使用的水量超过了谷物材料的吸收量，以便提高谷物材料中各组分的分离。湿加工法需要谷物材料或通过干磨谷物材料而得到的产物。对谷物进行湿加工和/或湿磨可提供含淀粉的产物。
用本方法处理的玉米，在约6.2巴(bar)(90psi)下加压进料，通过双流式水力旋流器(two-pass hydrocyclone)设备组(该设备组由15.24cm(6英寸)的水力旋流器构成)，从而分离胚芽。分离的胚芽用研磨生产用水(mill processwater)洗涤，然后在转鼓干燥器中干燥，得到干燥的胚芽产物，该产物可进一步处理后以便回收油。大部分胚芽已被分离的剩余浆料被再次研磨，用装有Devil齿板的91cm(36英寸)研磨机在900rpm下进行粗磨，从而将浆料中的其余胚芽与研碎的玉米分开(本文称为第二次研磨)。存在于第二次研磨的排放浆料中游离胚芽，可如上所述用水力旋流器进行分离和回收。在去除胚芽后，余下的玉米材料通过50微米的筛网(称为第三次研磨脱水筛分)。含淀粉-蛋白的滤液向前流动，而作为滤渣被筛网阻挡的玉米材料，用在1800rpm下工作的、装有Devil齿板的91cm(36英寸)研磨机进行细磨(本文称为第三次研磨)。在第三次研磨排放物的浆料中的纤维组分，通过七级筛网分离系统去除，该系统的设置是这样的：纤维组分以相对于研磨生产用水呈纤维反向流方式洗涤，其中用添加至筛网系统的研磨生产用水洗涤最干净的纤维。洗涤后的纤维在最后一阶段(第七级)排出，而含淀粉和蛋白的浆料中在第一阶段排出。第一纤维洗涤阶段的筛网孔径是50微米，随后是第2至第6阶段的75微米，而最后阶段是150微米。洗涤后的纤维用螺旋压力机脱水，用旋转式干燥器干燥，得到干燥的纤维产品。
合并来自于第三次研磨脱水筛分过程的排出物和第一纤维洗涤阶段的排出物，形成密度约8波美度的浆料。该浆料用Merco H36型离心机增稠。该离心机配有24号大小的喷嘴并在2600rpm下工作。从离心机上部流出的液体被用作浸泡过程的生产用水(也称为研磨用水)，而底部流出的波美度12的浆料被送入第二个H36型离心机(称为主离心机)。进料浆料中的淀粉-蛋白用主离心机进行分离。主离心机在2200rpm下工作，并配有24号大小的喷嘴，从而产生底流浆料和溢流浆料。溢流浆料富含蛋白，含大约60％蛋白量；而底流浆料富含淀粉。来自该离心过程的富含蛋白的溢流浆料，接着通过第三个Merco H36型离心机(在2600rpm工作)的离心而进一步脱水，用转鼓过滤器脱水，然后用快速干燥器干燥。这样就形成干燥的富含蛋白的产物，也就是已知的玉米面筋。使来自上述第二Merco H36型离心机的底流的、富含淀粉的浆料，通过12级Dorr-Oliver蛤壳式(clam shell)水力旋流器构成淀粉洗涤设备组。该淀粉洗涤设备组被设计成，在进入该组设备中第一级的富含淀粉的物流和进入该组设备中第十二级的饮用水之间形成反向流。每一级的淀粉洗涤阶段均有数个平行设置的10mm水力旋流器。除第十二级外，每一淀粉洗涤阶段的典型进料压力为6.2巴(90psi)；第十二级的进料压力是8.27巴(120psi)。
浆料密度为23波美度的纯化淀粉，以来自淀粉洗涤设备组中第十二级的底流形式被回收，这也称为玉米湿磨的淀粉浆料或淀粉产物。关于玉米湿磨法的进一步信息，可参见 Technology of Corn Wet Milling and Associated ProcessesP.69-125，Paul H.Blanchard，Elsevier Science Publishers B.V.Amsterdam。
湿加工或湿磨法产生的含淀粉的产物，可用任何常规方式加以利用。举例来说，湿加工或湿磨法产生的含淀粉的产物可用作发酵原料。在另一实例中，湿加工或湿磨法产生的含淀粉的产物可被加工成发酵原料。
作为生产发酵原料的方法的例子，提供以下内容。从上述湿加工法或湿磨法产生的含淀粉的产物，可任选地进行水解，从而形成发酵原料，以便掺入发酵培养基。淀粉浆料可进行任何程度的水解，从而形成水解淀粉(包括葡萄糖)。淀粉浆料可用任何方法进行水解。例如可将淀粉浆料进行酸水解处理，从而水解淀粉浆料。典型的酸包括无机酸例如盐酸等。升高温度可提高水解速率，并且温度可在大范围内变动，这取决于所需的水解程度。酸水解被限定在可进行淀粉水解的程度内。如果有人希望超过这种水解水平，那就必须使用其它的水解手段，例如用淀粉水解酶对淀粉进行酶消化。
一个代表性的通过酸水解法进行淀粉水解的方法，描述如下：
a)提供23波美度的淀粉浆料；
b)用22波美度的盐酸，将所述浆料的pH调至1.8；
c)将pH1.8的浆料引入Dedert连续式酸转化系统(Olympia Fields，Illinois，USA)，在146℃(295°F)下放置18分钟，在转化系统中处理后，淀粉被水解至85葡萄糖当量(DE)；然后
d)用10％纯碱将转化后淀粉的pH调至4.8，然后冷却。
一个代表性的通过酶/酶水解进行淀粉水解的方法，描述如下：
淀粉水解在以下两个步骤中进行：1)液化步骤和2)糖化步骤。
1)液化：向淀粉中加入水，调节干固体含量至35％。用氢氧化钠溶液调节浆料pH至5.5。向浆料中加入氯化钙，使游离钙浓度最少为5ppm。向该调过pH的浆料中加入TERMAMYL SUPRA酶(可从Novozymes North America，Inc购得的有商标的淀粉酶)，用量为每吨淀粉干固体加入0.4升。然后，将混合物在连续喷射式煮浆锅中加热到108℃(226.4°F)，然后在密封加压容器中保持5分钟。然后，将煮过后的混合物冷却到95℃(203°F)并保持100分钟。产生了葡萄糖当量为8-12的淀粉水解产物。
2)糖化：将得自上述液化步骤的淀粉水解产物冷却到60℃，通过加入水将干固体含量调至32％。用亚硫酸将稀释后的水解产物pH调至4.1-4.3。按照每吨干固体中加入0.7公升的比例，添加DEXTROZYME E酶(从Novozymes NorthAmerica，Inc购买的、商品化的淀粉葡萄糖苷酶和支链淀粉酶(pullunase)的混合物)，并放置该混合物40小时。得到了95-97％的葡萄糖内含物，按干固体计算。关于淀粉水解的进一步信息，可参见 Technology of Corn Wet Milling and Associated Processes p.217-266，Paul H.Blanchard，Elsevier Science PublishersB.V.Amsterdam。
下列实施例用于阐述本发明并协助一般技术人员实施和使用本发明。这些实施例不以任何方式限制本发明的范围。
实施例
在实施例的实施过程中，使用以下测试步骤。
测定油回收率的程序
将用本发明方法产生的物质，通过1.68毫米(mm)孔的筛网(12目)，从而分离出胚芽。将被1.68mm孔的筛网(12目)截留的物质漂浮于12波美度的氯化钠溶液中。漂浮的胚芽被脱脂，然后漂洗胚芽以去除残留的氯化钠。分离的胚芽用玉米精练协会标准方法No.G-12(Corn Refiners Association Standard MethodNo.G-12)进行干燥。用玉米精练协会标准方法No.G-11测定分离的胚芽和初始玉米中的油含量。油回收率由以下公式得出：
油回收率=[胚芽中的油(克/胚芽克数)×胚芽质量(克)]，[初始玉米中油(克/使用的玉米克数)×使用的玉米质量(克)]×100
实施例1
实施例1阐述了一种谷物材料的加工方法，其中150克玉米连续而同时地进行溶剂吸收和研磨。在进行操作时，使用配有1公升不锈钢容器的Waring掺和器(型号51BL32，VWR International，Indianapolis，IN)，它装有标准的不锈钢反转式刀刃。掺和器(blender)装有转速计(Dent Controls，型号DM4004)以监测刀刃的每分钟旋转次数(rpm)，还装有调压变压器以控制刀刃的每分钟旋转次数。在进行操作时，玉米和溶剂被同时倒入掺和器。每个实验操作的细节和油回收率列于表1。
                                  表1
操作编号 溶剂类型  溶剂吸收和研磨时间(分钟) 研磨速度(RPM) 温度(℃) 溶剂总质量(g) 油回收率(％)
1 浸泡溶液1     60     1600     50     400     50.8
2 浸泡溶液1     90     1200     50     400     77.2
3 浸泡溶液1     90     1600     50     400     67.3
4 浸泡溶液1     90     1600     50     250     62.7
5 浸泡溶液1     90     1600     50     550     68.0
6 浸泡溶液1     90     1600     22     400     62.2
7 浸泡溶液1     90     2000     50     400     62.8
8 浸泡溶液1     120     1600     50     400     81.0
9 水     90     1600     50     400     60.5
1浸泡溶液是含0.2％(w/w)二氧化硫和1.0％(w/w)乳酸的水溶液。
实施例2
实施例2阐述了一种谷物材料的加工方法，其中谷物材料(150克玉米)预浸泡于溶剂中，然后将得到的预浸泡的玉米连续且同时地进行溶剂吸收和研磨。在该实施例中，预浸泡处理过程的剩余溶剂被用于进行随后的吸收。
用于预浸泡和随后吸收的溶剂是含0.2％(w/w)二氧化硫和1.0％(w/w)乳酸的水溶液。在这些操作中使用的溶剂数量大约是400克。
将预浸泡的玉米和剩余溶剂倒入装有1公升不锈钢容器的Waring掺和器(型号51BL32，VWR International，Indianapolis，IN)，它装有标准的不锈钢反转式刀刃。掺和器装有转速计(Dent Controls，型号DM4004)以监测刀刃的每分钟旋转次数(rpm)，还装有调压变压器以控制刀刃的每分钟旋转次数。
在实施例2的操作中，研磨rpm(每分钟旋转次数)随操作时间的增加而提高。预浸泡时间之后的操作时间是90分钟。研磨转速是：起始时为1200rpm，15分钟为1300rpm，30分钟为1400rpm，50分钟为1500rpm，60分钟为1700rpm，和75分钟为2000rpm。整个90分钟内温度维持在50℃。
每个实验操作的细节和油回收率列于表2。
                        表2
    步骤编号   预浸泡时间(分钟)     油回收率(％)
    1     15     69.3
    2     30     67.8
    3     60     65.1
    4     960     66.8
实施例3
实施例3阐述了一种谷物材料的加工方法，其中谷物材料(玉米)和溶剂被加入2公升圆筒中。在操作过程中，谷物和玉米被散布式刀刃(目录号：14215-318，VWR International Inc，USA)持续搅拌。一部分的玉米和溶剂被连续引入Quaker City研磨机(型号4E，The Straub Co.，Philadelphia，PA，USA)。研磨平台的间隙比玉米平均厚度略小。在通过研磨机后，滑流返回装有搅拌器的圆筒。操作的整个过程为约90分钟，而温度保持在约50℃。
使用的溶剂是含0.2％(w/w)二氧化硫和1.0％(w/w)乳酸的水溶液。在该操作中使用的溶剂数量大约是400克。
在实施例3的操作中，Quaker City研磨机(型号4E，The Straub Co.，Philadelphia，PA，USA)的研磨平台的间隙随操作时间而下降。研磨平台间隙在最初20分钟为5.08mm，下一个20分钟是4.527mm，下一个20分钟是3.048mm，下一个20分钟是1.525mm，下一个10分钟是0.762mm。
实施例4
按照实施例1的方法，不同点在于用大麦替代玉米。可获得与实施例1相似的结果。
实施例5
按照实施例1的方法，不同点在于散布式刀刃(目录号14215-318，VWRInternational Inc，USA)转速为3000rpm。可获得相似的结果。
实施例6
按照实施例1的方法，不同点在于温度维持在60℃。可获得相似的油回收率。
实施例7
按照实施例3的方法，不同点在于使用装有1公升不锈钢容器并装有标准的不锈钢反转式刀刃的Waring掺和器(型号51BL32，VWR International，Indianapolis，IN)替换Quaker City研磨机。掺和器装有转速计(Dent Controls，型号DM4004)以监测刀刃的每分钟旋转次数(rpm)，还装有调压变压器以控制刀刃的每分钟旋转次数。在整个过程中刀刃的rpm被设置为1200rpm。可获得相似的结果。
从以上实施例中可以看出，与传统加工方法相比，本方法能在更短时间内和更少操作环节情况下加工谷物材料。例如，使用需要较少操作环节的干磨法时，通常油回收率仅为约30-55％。使用常规湿磨法能使油回收率达到65-85％。然而，这是在耗费了24-50小时的长浸泡时间下实现的。
本发明已经结合各种具体的和阐述性的实例和技术进行了描述。然而，本领域技术人员应理解，可以在本发明的精神和范围内进行各种改动和变化。

Claims (17)

1.一种谷物材料的加工方法，其特征在于，包括提供一谷物材料，以及在至少1分钟的期间内连续而同时地使谷物材料吸收溶剂并研磨谷物材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在大约5-10,000转/分钟下研磨谷物材料。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在大约100-5,000转/分钟下研磨谷物材料。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在大约500-3,000转/分钟下研磨谷物材料。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，吸收溶剂并研磨谷物材料的时间为约1-3小时。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，温度范围为约1-100℃。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，温度范围为约45-65℃。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，谷物材料选自下组：玉米、燕麦、大麦、小麦、稻米、高梁以及它们的混合物。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，被谷物吸收的溶剂是选自下组的溶剂：水溶液、有机溶液及其混合物。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述溶剂还含有至少一种选自下组的化合物：湿润剂、还原剂、酶和pH调节剂。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，溶剂是水。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括从加工的谷物材料分离出胚芽、纤维和蛋白，从而提供含淀粉的物流。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，含淀粉的物流是经水解的。
14.一种生产发酵原料的方法，其特征在于，包括使用权利要求12所述方法产生的含淀粉的物流。
15.一种生产发酵原料的方法，其特征在于，包括使用权利要求13所述方法产生的经水解的、含淀粉的物流。
16.权利要求12所述方法产生的含淀粉的物流的用法，其特征在于，用作发酵原料。
17.权利要求13所述方法产生的经水解的、含淀粉的物流的用法，其特征在于，用作发酵原料。
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