MX2014000247A - Proceso de extraccion de hemicelulosa a partir de fibra de maiz. - Google Patents

Abstract

Un proceso para separar uno o más componentes de fibra de maíz que comprende contactar la fibra de maíz con un fluido de extracción que comprende al menos un ácido débil, aumentar la temperatura de la mezcla resultante de fibra y fluido para solubilizar la hemicelulosa de la fibra de maíz en el fluido, enfriar la mezcla, y separar la mezcla de extracción enfriada en una fracción soluble que comprende hemicelulosa disuelta y una fracción insoluble comprendiendo celulosa.

Description

PROCESO DE EXTRACCION DE HEMICELULOSA A PARTIR DE FIBRA DE MAIZ Referencia cruzada a solicitudes relacionadas La presente solicitud es una solicitud no provisional que reclama el beneficio de la solicitud estadounidense provisional no. 61/505373, presentada el 7 de julio de 2011 , la cual es incorporada en la presente por referencia en su totalidad.

Campo de la invención La invención se refiere de manera general al procesamiento de maíz molido. Más específicamente, la invención se refiere a extraer hemicelulosa a partir de fibra de maíz.

Antecedentes de la invención La molienda húmeda de maíz en Estados Unidos de América produce alrededor de 4 millones de toneladas de fibra de maíz cada año. A la fecha, esta fibra de maíz ha sido usada en Estados Unidos de América en aplicaciones de alimento para animales. La fibra de maíz comprende, entre otras cosas, hemicelulosa, la cual también es referida como goma de fibra de maíz y arabinoxilanos. La hemicelulosa de maíz potencialmente tiene valor comercial que excede por mucho su uso en aplicaciones de alimento para animales. Por ejemplo, se cree que la hemicelulosa de maíz puede ser usada como reemplazo de goma arábiga en aplicaciones tales como emulsificación de sabor de bebidas.

Adicionalmente, se cree que la hemicelulosa de maíz puede ser útil en aplicaciones tal como formación de película, espesamiento, emulsificación y estabilización de soluciones y suspensiones acuosas. Además, se sabe que incluyendo hemicelulosa de maíz y sus productos de hidrólisis limitados, los oligosacáridos de arabinoxilano (AXOS) que tienen un grado de polimerización (DP) de 3-10, en alimentos y bebidas puede producir beneficios para la salud, tal como absorción incrementada de calcio y magnesio, absorción de colesterol reducida, colesterol en plasma disminuido, disminuir la acumulación de colesterol en el hígado y efectos bifidogénicos deseables.

En vista de la variedad de aplicaciones de valor relativamente alto posibles para hemicelulosa de maíz, no es sorpresa que los procesos para extraer hemicelulosa a partir de fibra de maíz en una escala comercial han sido y continúan siendo el sujeto de actividades de investigación y desarrollo. Por ejemplo, la patente estadounidense número 6, 147,206 (Donner et al.) describe un proceso para obtener hemicelulosa de alto peso molecular que involucra un tratamiento con peróxido de hidrógeno durante o después de tratar fibra de maíz molida con una solución alcalina, la cual frecuentemente es referida como el proceso de “peróxido de hidrógeno alcalino” o “AHP”. La hemicelulosa producida mediante el proceso AHP es altamente soluble en agua. El rendimiento de hemicelulosa a partir del proceso AHP es conocido por estar dentro de un rango de aproximadamente 35% en peso (24 horas de extracción a 25°C) hasta aproximadamente 42% en eso (2 horas de extracción a 60°C). Los análisis cromatográficos en conjunción con detección de masa molar conducida en producto final de AHP revelaron que una distribución de masa molar bimodal teniendo un componente de alto peso molecular (8.4-16.1 x 105 g/mol) y un componente de bajo peso molecular (1 .1 -2.1 x 105 g/mol). Mezclas de celulosa/arabinoxilano blancas esponjosas (CAX) fueron generadas a partir de los residuos sólidos restantes después de la producción de goma de fibra de maíz. CAX contiene una cantidad significativa de azúcares, como se reveló a partir de L-arabinosa, D-xilosa y D,L-galactosa. Incluso CAX preparada bajo condiciones de AHP extremas (por ejemplo, 1 hora, 100°C), contienen una cantidad significativa de azúcares (por ejemplo, aproximadamente 33% en peso).

Otro proceso conocido para extraer hemicelulosa involucra usar ácido clorhídrico o ácido sulfúrico. Sin embargo, tales procesos resultan en hidrólisis significativa a monómeros de manera que el producto extraído es usado principalmente para fermentación a etanol o ácidos orgánicos. Por ejemplo, se ha reportado que tratar fibra de maíz con 1.0% de ácido sulfúrico a 121 °C durante 2 horas resultó en un rendimiento de azúcar total de aproximadamente 63.3% en peso.

Todavía otro proceso conocido para extraer hemicelulosa a partir de fibra de maíz es conocido como el proceso de explosión con amoníaco (AFEX), el cual involucra tratar materiales conteniendo celulosa con amoníaco líquido para aumentar la reactividad química y biológica de la celulosa. De manera más específica, el proceso de AFEX comprende (a) contactar material conteniendo celulosa con amoníaco por menos de una hora a una presión de tratamiento en el rango de aproximadamente 140 psia (9.842 kg/cm2 absolutos) hasta aproximadamente 180 psia (12.654 kg/cm2 absolutos), y a temperatura ambiente, (b) reducir explosivamente la presión de la presión de tratamiento a presión atmosférica, y (c) separar el amoníaco del material conteniendo celulosa, incrementado por ello la capacidad de digestión de la celulosa en el material conteniendo celulosa y aumentar la disponibilidad de proteína de las fibras y desde dentro de las paredes celulares del material conteniendo celulosa. Después del proceso de AFEX, la fibra de maíz resultante fue sometida a digestión enzimática con una mezcla combinada de componentes comerciales de celulosa amilasa, xilanasa y celulasa para uso en la producción de etanol. El material digerido comprendió aproximadamente 30-40% en peso de glucosa y oligosacáridos.

Todavía otro proceso conocido para extraer hemlcelulosa a partir de fibra de maíz involucra explosión de vapor catalizada con S02 secuencial e hidrólisis enzimática como parte de un proceso de celulosa-a-etanol enzimáticamente mediado. La eficiencia de convertir la combinación de celulosa y hemicelulosa en fibra de maíz a azúcares monoméricos usando una fibra explotada con vapor fue tan alta como aproximadamente 80%, mientras que la eficiencia de conversión sin la explosión de vapor antes de la hidrólisis enzimática fue solo aproximadamente 15%.

Cada uno de los procesos conocidos anteriores para extraer hemicelulosa a partir de fibras de maíz tiene limitaciones. La hemicelulosa de alta calidad puede ser preparada mediante el tratamiento de combinación de álcali y peróxido de hidrógeno. Sin embargo, el costo de producción es demasiado alto con adición de álcali, neutralización de ácido y precipitación de etanol. La extracción basada en ácido sulfúrico o basada en ácido clorhídrico ha mostrado que provoca hidrólisis extensa de hemicelulosa a azúcares, lo cual tiene a hacer el material extraído inadecuado como un producto de alto valor, tal como un reemplazador de goma, una fibra soluble natural baja en azúcar, o agente de volumen bajo en azúcar. Las pruebas del proceso de explosión de amoníaco resultaron en menos de 20% de la fibra total siendo solubilizada junto con que hay una reacción de obscurecimiento significativo y amoníaco residual se encontró en la hemicelulosa extraída. Adicionalmente, el rendimiento de hemicelulosa a partir de tratamientos de vapor o líquido caliente a fibra de maíz es demasiado bajo para ser comercialmente viable.

En vista de lo anterior, todavía existe la necesidad de un proceso para extraer hemicelulosa a partir de fibra de maíz que tiene uno o más de los siguientes atributos: puede ser implementado fácilmente en una escala comercial, es de costo relativamente bajo; puede producir uno o más productos de valor relativamente alto, tal como reemplazadores de goma, fibras naturales bajas en azúcar y/o agentes de volumen bajos en azúcar.

Breve descripción de la invención La presente invención se dirige a un proceso para separar uno o más componentes de fibra de maíz, comprendiendo el proceso: (a) contactar la fibra de maíz, la cual comprende una matriz que comprende hemicelulosa, celulosa y lignina, con un fluido de extracción que comprende al menos un ácido débil para formar una mezcla de extracción; (b) solubilizar hemicelulosa de la fibra de maíz al controlar la temperatura de la mezcla de extracción, de manera que el fluido de extracción es suficientemente ácido para romper los enlaces entre hemicelulosa y lignina vía hidrólisis, TSOL, disolviendo por ello la hemicelulosa solubilizada en el fluido de extracción; (c) extinguir la hidrólisis al controlar la temperatura de la mezcla de extracción de manera que el fluido de extracción no es suficientemente ácido para despolimerizar substancialmente la hemicelulosa disuelta, TEXTINCIONÍ y (d) separar la mezcla de extracción en una fracción soluble comprendiendo hemicelulosa disuelta y una fracción insoluble que comprende celulosa.

La presente invención también se dirige a un proceso para separar uno o más componentes de fibra de maíz desalmidonada, comprendiendo el proceso controlar la temperatura de una mezcla de extracción, la cual comprende fibra de maíz desalmidonada y un fluido de extracción que comprende al menos un ácido carboxílico débil, ara solubilizar y disolver hemicelulosa de la fibra de maíz desalmidonada en el fluido de extracción de manera que la cantidad de hemicelulosa disuelta está en el rango de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 75% en peso de la fibra de maíz desalmidonada y al menos 40% en peso de la hemicelulosa disuelta tiene un grado de polimerización de al menos 3.

Adicionalmente, la presente invención se dirige a un proceso para separar uno o más componentes de fibra de maíz desalmidonada, comprendiendo el proceso solubilizar y disolver hemicelulosa a partir de la fibra de maíz desalmidonada en un fluido de extracción de una mezcla de extracción, la cual comprende aproximadamente 6.5 partes en peso de fibra de maíz desalmidonada y aproximadamente 100 partes en peso del fluido de extracción, en donde el fluido de extracción comprende ácido cítrico a una concentración en el rango de aproximadamente 0.01 M hasta aproximadamente 0.05 M al controlar la temperatura de la mezcla de extracción, de manera que está en el rango de aproximadamente 120°C hasta aproximadamente 150°C por una duración en el rango de aproximadamente 2 minutos hasta aproximadamente 10 minutos y entonces extinguirla a una temperatura por debajo de dicho rango de manera que (a) la cantidad de hemicelulosa disuelta está en el rango de aproximadamente 50 hasta aproximadamente 60% en peso de la fibra de maíz desalmidonada, (b) la hemicelulosa disuelta comprende (i) monosacáridos y disacáridos a una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 40% en peso de la hemicelulosa disuelta, (ii) oligosacáridos a una cantidad total que es menor que aproximadamente 5% en peso de la hemicelulosa disuelta, y (iii) polisacáridos a una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 55 hasta aproximadamente 70% en peso de la hemicelulosa disuelta.

Breve descripción de las figuras La Figura 1 es una gráfica que compara las distribuciones de sacárido de fracciones solubles extraídas de fibra de maíz desalmidonada de acuerdo con modalidades diferentes de un proceso de la presente invención.

La Figura 2 es una gráfica que compara los porcentajes de azúcares (DP1 -2) y fibra soluble (DP 3 y mayor o DP3+) en fracciones solubles extraídas de fibra de maíz desalmidonada de acuerdo con diferentes modalidades de un proceso de la presente invención.

La Figura 3 es una gráfica que compara la distribución de sacárido de una fracción soluble extraída (HC 1 , etiquetada como 7428-145) a 5 DE maltodextrina, galactosa, arabinosa y xilosa.

La Figura 4 muestra perfiles de cromatografía de permeación de gel (GPC) de distribuciones de peso molecular de diferentes muestras de hemicelulosa/AXOS extraídas de acuerdo con diferentes modalidades de un proceso de la presente invención.

La Figura 5 es una gráfica que muestra la distribución de sacáridos de una fracción soluble que fue extraída de acuerdo con un proceso de la presente invención usando ácido cítrico (un ácido débil) con un rendimiento de 58.4% comparado con aquél extraído usando ácido sulfúrico (un ácido fuerte) con un rendimiento de 39.3%.

Descripción detallada de la invención La presente invención se dirige, al menos en parte, a un proceso para separar uno o más componentes de fibra de maíz, el cual comprende una matriz que comprende hemicelulosa, celulosa y lignina. Aunque no se requiere, en una modalidad de la presente invención, el material de fuente de fibra de maíz es desalmidonado con fibra de maíz. Ventajosamente, usar fibra de maíz desalmidonada normalmente resulta en el producto del proceso para tener una fibra de mayor porcentaje, la cual tiende a hacer el producto final más deseable como un ingrediente alimenticio. Es decir, si uno no está preocupado sobre un producto producido por el proceso de la presente invención comprendiendo una cantidad significativa de almidón o almidón hidrolizado (por ejemplo, uso del producto en un proceso de fermentación para la producción de etanol), entonces usar fibra de maíz no desalmidonada puede ser deseable. Además, la fibra de maíz desalmidonada usada en el proceso de la presente invención puede ser desalmidonado de acuerdo con cualquier proceso aplicable de desalmidonado, tal como con enzimas, lavado con agua, y combinaciones de los mismos. En vista de lo anterior, se debería entender que la fibra de maíz, fibra de maíz desalmidonado y cualquier grado de fibra de maíz parcialmente desalmidonada puede usarse en el proceso de la presente invención.

De manera más particular, el proceso de la presente invención comprende contactar fibra de maíz con un fluido de extracción que comprende al menos un ácido débil de una mezcla de extracción. El proceso comprende además solubilizar hemicelulosa de la fibra de maíz al controlar la temperatura de la mezcla de extracción de manera que el fluido de extracción es suficientemente ácido para romper enlaces entre hemicelulosa y lignina vía hidrólisis, TSOL, disolviendo por ello la hemicelulosa solubilizada en el fluido de extracción. El proceso comprende además extinguir la hidrólisis antes mencionada al controlar la temperatura de la mezcla de extracción de manera que el fluido de extracción no es suficientemente ácido para despolimerizar substancialmente la hemicelulosa disuelta, T EXTINCIÓN · Aún más, el proceso comprende separar la mezcla de extracción en una fracción soluble comprendiendo hemicelulosa disuelta y una fracción insoluble comprendiendo celulosa. Así, al realizar este proceso, al menos hemicelulosa es separada de la fibra de maíz. Si se desea procesamiento adicional, el proceso puede comprender también tratar la fracción soluble antes mencionada para separar la hemicelulosa disuelta de fluido de extracción.

Acidos débiles Como se expone antes, el proceso de la presente invención involucra usar un ácido débil. En general, a diferencia de ácidos fuertes, (por ejemplo, HCI y H2SO4), cuando los ácidos débiles (por ejemplo, ácido cítrico y ácido acético) son disueltos en agua, la reacción para formar iones hidronio (H30+) no procede a terminación. Por ejemplo, en una solución 0.1 M de ácido acético a 25°C, solo aproximadamente 1 % de las moléculas de ácido acético ionizan al transferir sus protones a agua. Se debería notar que todas las referencias a pKa expuestas en la presente son los valores a 25°C a menos que se note de otra manera. Se sabe que las constantes de equilibrio, incluyendo pKa, varían con temperatura de acuerdo con la ecuación de van’t Hoff.

El grado de acidez es expresado usualmente como pKa, el cual es el logaritmo negativo de la constante de acidez Ka. Esta práctica es análoga a expresar la concentración de ión hidronio como pH. Existe una relación inversa entre la magnitud del pKa y la fuerza del ácido -mientras mayor es el valor del pKa, más débil es el ácido. Esto incluye números negativos; HCI es considerado un ácido muy fuerte teniendo un pKa de -7, mientras que el ácido nítrico es considerado un ácido débil teniendo un pKa de -1.4. Normalmente, un ácido teniendo un pKa que es cuando más -2 es considerado un ácido débil. Los ácidos con un valor de pKa de -2 o menos son más de 99% disociados a pH 0 (ácido 1 M). Los ácidos débiles incluyen ácidos monopróticos (ácidos que pierden un protón), tal como ácido acético y ácidos polipróticos (ácidos que pueden perder más de un protón), tal como un ácido fosfórico (H3R04), el cual puede perder tres protones que corresponden a tres valores de pKa (pKa1=2.15, pKa2=7.2, y pKa3=12.37).

En ciertas modalidades de la presente invención, cada uno de los ácidos débiles presentes en el fluido de extracción tiene un pKa que es mayor que -2, al menos 0, al menos 2, o al menos 4.

En otras ciertas modalidades de la presente invención, la solución de extracción no comprende algún ácido fuerte. Así, los únicos ácidos presentes en el fluido de extracción son ácidos débiles. En tales modalidades, cada uno de ios ácidos débiles presentes en el fluido de extracción tiene un pKa que es mayor que -2, al menos 0, al menos 2, o al menos 4.

Aunque ácidos debiles inorgánicos, tales como ácido fosfórico y ácido nítrico, pueden ser incluidos en el fluido de extracción (y, de hecho, pueden ser los únicos ácidos débiles en la extracción), en otra modalidad de la presente invención, el fluido de extracción comprende al menos un ácido carboxílico. En otra modalidad, el al menos un ácido débil del fluido de extracción consiste de al menos un ácido carboxílico. Ejemplos de ácidos carboxílicos que son ácidos débiles incluyen ácido cítrico, ácido láctico, ácido málico, ácido acético, ácido fumárico, ácido fórmico, ácido oxálico. En una modalidad, el al menos un ácido carboxílico incluido en el fluido de extracción es seleccionado del grupo que consiste de ácido cítrico, ácido láctico, ácido málico, ácido acético, ácido fumárico, ácido fórmico, ácido oxálico y combinaciones de los mismos. En otra modalidad, el al menos un ácido carboxílico que es seleccionado del grupo que consiste de ácido cítrico, ácido málico, y ácido fumárico y combinaciones. En otra modalidad, el al menos un ácido carboxílico es ácido cítrico.

Normalmente, la cantidad de ácido o ácidos débiles en el fluido de extracción es tal que la concentración total de ácido o ácidos débiles está en el rango de aproximadamente 0.001 M hasta aproximadamente 10 M. Esto es, los resultados experimentales a la fecha indican que el proceso de la presente invención puede ser realizado con un balance deseable entre costos de materias primas, seguridad, tiempo, eficiencia, cuando la concentración total de ácido o ácidos débiles está en el rango de aproximadamente 0.01 M hasta aproximadamente 1 M.

Con respecto al agua en el fluido de extracción, cualquier variedad adecuada puede ser utilizada de acuerdo con la presente invención. Esto es, en el caso de que la hemicelulosa extraída y AXOS vayan a ser usados como ingredientes alimenticios. Normalmente se prefiere agua deionizada o destilada.

Cantidades relativas de fluido de extracción y fibra de maíz en la mezcla de extracción Las practicidades conducen a uno a formar una mezcla de extracción que comprende al menos suficiente fluido de extracción húmedo y suspenden y/o disuelven la cantidad de fibra de maíz que va a ser tratada. Esto es, no se cree que la proporción de fluido de extracción a fibra de maíz sea demasiado crítica. De hecho, se cree que el proceso de la presente invención puede ser realizado con una mezcla de extracción para la cual al proporción de fluido de extracción a fibra de maíz puede estar dentro de un rango relativamente ancho. Por ejemplo, en una modalidad de la presente invención, el proceso es controlado de manera que la mezcla de extracción tiene una proporción en peso de fibra de maíz a fluido de extracción que está en el rango de aproximadamente 1 : 100 hasta aproximadamente 60:100. En otra modalidad, la mezcla de extracción tiene una proporción en peso de fibra de maíz a fluido de extracción que está en el rango de aproximadamente 3: 100 hasta aproximadamente 20: 100.

Solubilizar hemicelulosa Como se menciona antes, el proceso de la presente invención comprende solubilizar hemicelulosa de la fibra de maíz al controlar la temperatura de la mezcla de extracción de manera que el fluido de extracción es suficientemente ácido para romper enlaces entre hemicelulosa y lignina vía hidrólisis, TSOL, disolviendo por ello la hemicelulosa solubilizada en el fluido de extracción. El proceso de la presente invención también comprende extinguir la hidrólisis al controlar la temperatura de la mezcla de extracción de manera que el fluido de extracción no es suficientemente ácido para despolimerizar substancialmente la hemicelulosa disuelta, TEXTINCION· Los ácidos débiles en la mezcla de extracción, cuando están a temperaturas relativamente bajas (por ejemplo, menos de aproximadamente 50°C), tienden no a atacar o reaccionar con los componentes de la fibra de maíz. Por ejemplo, a temperaturas relativamente bajas, los ácidos débiles en la mezcla de extracción no son suficientemente ácidos para romper muchos enlaces entre hemicelulosa y lignina vía hidrólisis en contraste, los ácidos fuertes en una solución a temperaturas relativamente bajas serían suficientemente ácidas para romper enlaces entre hemicelulosa y lignina (el grado de la reacción con respecto a la cantidad de fibra de maíz dependerían, por supuesto en gran parte en la concentración de los ácidos y el pH de la solución). Así, el proceso de la presente invención permite la hidrólisis de enlaces químicos en la fibra de maíz a ser controlada en una manera relativamente simple, confiable y seguirá sin la necesidad para adicionar químicos para neutralizar la acidez de la mezcla de extracción. Para que los enlaces entre la hemicelulosa y lignina se rompan a una velocidad significativa, la temperatura de la mezcla de extracción es simplemente elevada a un punto en el cual el o los ácidos débiles presentes en la mezcla de extracción son suficientemente ácidos para romper enlaces entre hemicelulosa y lignina vía hidrólisis, TSOL- Por el contrario, después de que la cantidad deseada de hidrólisis ha ocurrido, la reacción de hidrólisis en el presente proceso puede ser extinguida o detenida de manera efectiva al controlar (disminuir) la temperatura de la mezcla de extracción a un punto en el cual el fluido de extracción no es suficientemente ácido para hidrolizar significativamente los enlaces químicos de la hemicelulosa disuelta, TEXHNCION· Dicho de otra manera, el valor de TEXTINCION es tal que la acidez del fluido de extracción es suficientemente bajo que la hidrólisis de la hemicelulosa separada para todos los intentos y propósitos es detenido de manera efectiva. Esto es particularmente ventajoso sobre procesos previamente conocidos utilizando ácido clorhídrico o ácido sulfúrico debido a que aquellos ácidos continúan hidrolizando enlaces glicosídicos de hemicelulosa disuelta hasta que son químicamente neutralizados. Como resultado, cuando se usan tales ácidos fuertes, porciones significativas de hemicelulosa separadas de la fibra de maíz tendieron a descomponerse en azúcares (DP1 -2). De esta manera, debido a que la hidrólisis puede ser detenida esencialmente al disminuir simplemente la temperatura de la mezcla de extracción, el proceso de la presente invención puede controlarse de manera que una porción mayor de la hemicelulosa separada de la fibra de maíz es DP3+ aunque todavía permite un rendimiento global relativamente alto de hemicelulosa separada.

Por supuesto, la TSOL mínima y TEXTINCION máxima para cualquier mezcla de extracción particular dependerá, al menos en parte, en los ácidos débiles particulares que están en fluido de extracción. No obstante, determinar una TSOL y TEXTINCION apropiadas para una mezcla de extracción particular es directo para una persona de habilidad ordinaria en la téenica. En una modalidad de la presente invención, TSOL está en el rango de aproximadamente 50°C hasta aproximadamente 350°C. En otra modalidad, TSOL está en el rango de aproximadamente 120°C hasta aproximadamente 150°C en una modalidad de la presente invención, TEXTINCION está en el rango de aproximadamente 5°C hasta aproximadamente 40°C. En otra modalidad, TEXTINCION está en el rango de aproximadamente 10°C hasta aproximadamente 30°C.

De manera similar, la duración que la mezcla de extracción está a TSOL (es decir, a una temperatura en la TSOL) ÍSOL, dependerá de cuánto de la hemicelulosa en la fibra de maíz que se desea que esté disuelta en el fluido de extracción, que a su vez depende, al menos en parte, de la o las temperaturas precisas seleccionadas dentro del rango de TSOL- En general, mientras mayor es la temperatura, los enlaces más rápidos se rompen vía hidrólisis entre constituyentes de la fibra de maíz y una vez que dichos constituyentes son separados (por ejemplo, hemicelulosa disuelta). En general, mientras más larga es la duración de tSoL. más hemicelulosa en la fibra de maíz es disuelta en el fluido de extracción. Por ello, aumenta el rendimiento global de hemicelulosa separada. Pero mientras más larga es la duración, mayor es la cantidad de hemicelulosa disuelta que es despolimerizada a azúcares (DP1 -2). Así, un practicante del proceso de la presente invención seleccionará valores para las variables antes mencionadas, incluyendo tSoL, que resulta en el rendimiento deseado. Las determinaciones para tales valores pueden basarse en la información descrita en la presente, a traves de prueba de rutina, o ambos, y es directa para alguien de habilidad ordinaria en la téenica. En una modalidad de la presente invención, la mezcla de extracción es al menos TSOL por una duración, tSoL. que está en el rango de aproximadamente 1 minuto hasta aproximadamente 200 minutos. En otra modalidad, la mezcla de extracción está a TSOL por una duración, tS0L, que está en el rango de aproximadamente 2 minutos hasta aproximadamente 10 minutos.

Aunque no se requiere, después de que la cantidad deseada de separación de hemicelulosa de lignina y celulosa ha ocurrida, con frecuencia es deseable extinguir la reacción de hidrólisis al disminuir la temperatura del fluido de extracción relativamente rápido con el fin de minimizar la despolimerización de la hemicelulosa que es separada de la fibra de maíz y disuelta en el fluido de extracción. La disminución relativamente rápida en temperatura junto con el calentamiento del fluido de extracción puede ser logrado por una manera apropiada, tal como usar una chamarra para adicionar o remover calor al fluir agua caliente, vapor, agua corriente o agua enfriada a través de ella. En una modalidad de la presente invención, la velocidad promedio de cambio de T SOL a TEXTINCION durante la extinción está en el rango de aproximadamente 0.1 °C/s hasta aproximadamente 5°C/s. En otra modalidad, la velocidad promedio de cambio de TSOL a TEXTINCION durante la extinción está en el rango de aproximadamente 0.5°C/s hasta aproximadamente 1 °C/s.

Se notará que el proceso de la presente invención puede ser conducido en una manera continua. Por ejemplo, la mezcla de extracción puede ser calentada a TSOL al dirigir la mezcla a través de una zona a una temperatura de al menos aproximadamente TSOL, de manera que el tiempo de residencia de cualquier porción de dicha mezcla que está a TSOL es ÍSOL La reacción de hidrólisis es extinguida al dirigir la mezcla a través de una zona a una temperatura que es no mayor que TEXTINCION· Un ejemplo específico de un aparato/operación continuo similar es descrito en la patente estadounidense no. 4,256,509, la cual es incorporada por referencia en la presente en su totalidad.

Separar la mezcla de extracción en fracciones Como se menciona antes, el proceso de la presente invención también comprende separar la mezcla de extracción en una fracción soluble comprendiendo hemicelulosa disuelta y una fracción insoluble que comprende celulosa y lignina. Esto puede lograrse por cualquier manera apropiada tal como filtración o centrifugación.

Aunque no se requiere, si se desea, la fracción insoluble separada comprendiendo celulosa y lignina pueden ser secadas por cualquier manera apropiada, tal como secado en horno o secado con aire soplado, el cual puede ser calentado. Adicionalmente, si se desea, la fracción soluble separada también puede ser tratada para evaporar el solvente (por ejemplo, agua) para producir una fracción soluble secada que comprende hemicelulosa sólida que fue previamente disuelta. La evaporación del solvente puede lograrse por cualquier manera apropiada, tal como secado por aspersión, secado por congelación o secado en horno.

Producto del proceso Como se menciona antes, el proceso de la presente invención puede ser realizado para controlar la cantidad de material soluble, incluyendo hemicelulosa y AXOS, que se extrae o separada de fibra de maíz. Además, como se menciona antes, en ciertas modalidades de la presente invención, el proceso es realizado en fibra de maíz desalmidonada. A manera de ejemplo, en tales modalidades, el proceso puede ser realizado de manera que la hemicelulosa disuelta de la fracción soluble está a una cantidad que está en el rango de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 75% en peso de la fibra de maíz desalmidonada y la celulosa de la fracción insoluble está a una cantidad que está en el rango de aproximadamente 15 hasta aproximadamente 30% en peso de la fibra de maíz desalmidonada. En otras de tales modalidades, la hemicelulosa disuelta de la fracción soluble está en una cantidad que está en el rango de aproximadamente 50 hasta aproximadamente 60% en peso de la fibra de maíz desalmidonada y la celulosa de la fracción insoluble está a una cantidad que está en el rango de aproximadamente 20 hasta aproximadamente 30% en peso de la fibra de maíz desalmidonada.

Tambien se menciona que el proceso de la presente invención puede ser realizado con el fin de controlar el grado de polimerización de tal hemicelulosa separada. A manera de ejemplo, el proceso puede ser realizado en ciertas modalidades, de manera que la hemicelulosa disuelta de la fracción soluble comprende (i) monosacáridos y disacáridos en una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 20 hasta aproximadamente 75% en peso de la hemicelulosa disuelta, (ii) oligosacáridos a una cantidad total que es menor que aproximadamente 10% en peso de la hemicelulosa disuelta, y (¡ii) polisacáridos a una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 25 hasta aproximadamente 70% en peso de la hemicelulsa disuelta. En otras modalidades, la hemicelulosa disuelta de la fracción soluble comprende (i) monosacáridos y disacáridos a una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 40% en peso de la hemicelulosa disuelta, (ii) oligosacáridos a una cantidad total que es menor que aproximadamente 5% en peso de la hemicelulosa disuelta, y (iii) polisacáridos a una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 55 hasta aproximadamente 70% en peso de la hemicelulosa disuelta.

En otra modalidad, el proceso comprende controlar la temperatura de una mezcla de extracción, que comprende fibra de maíz desamildonada y un fluido de extracción que comprende al menos un ácido carboxílico débil, para solubilizar y disolver hemicelulosa de la fibra de maíz desalmidonada en el fluido de extracción, de manera que la cantidad de hemicelulosa disuelta está en el rango de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 75% en peso de la fibra de maíz desalmidonada y al menos 40% en peso de la hemicelulosa disuelta tiene un grado de polimerización de al menos 3. Todavía en otra modalidad, puede ser preferible por al menos 30% en peso de la hemicelulosa disuelta para tener un grado de polimerización de al menos 11. También puede ser preferible para no más de 10% en peso de la hemicelulosa disuelta tener un grado de polimerización en el rango de 3 a 10. Todavía adicionalmente, puede ser preferible para no más de 60% en peso de la hemicelulosa disuelta tener un grado de polimerización en el rango de 1 -2.

Todavía en otra modalidad, el proceso para separar uno o más componentes de fibra de maíz desalmidonada puede ser realizado al solubilizar y disolver hemicelulosa de la fibra de maíz desalmidonada en un fluido de extracción de una mezcla de extracción, la cual comprende aproximadamente 6.5 partes en peso de fibra de maíz desalmidonada y aproximadamente 100 partes en peso del fluido de extracción, en donde el fluido de extracción comprende ácido cítrico a una concentración en el rango de aproximadamente 0.01 M hasta aproximadamente 0.05 M al controlar la temperatura de la mezcla de extracción, de manera que está en el rango de aproximadamente 120°C hasta aproximadamente 150°C por una duración en el rango de aproximadamente 2 minutos hasta aproximadamente 10 minutos y entonces extinguirla a una temperatura por debajo de dicho rango, de manera que (a) la cantidad de hemicelulosa disuelta está en el rango de aproximadamente 50 hasta aproximadamente 60% en peso de la fibra de maíz desalmidonada, (b) la hemicelulosa disuelta comprende (i) monosacáridos y disacáridos a una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 40% en peso de la hemicelulosa disuelta, (ii) oligosacáridos a una cantidad total que es menor que aproximadamente 5% en peso de la hemicelulosa disuelta, y (¡ii) polisacáridos a una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 55 hasta aproximadamente 70% en peso de la hemicelulosa disuelta.

Ejemplos Las siguientes modalidades descritas son meramente representativas de la invención, las cuales pueden ser abarcadas en varias formas. Así, detalles específicos estructurales, funcionales y procesales descritos en los siguientes ejemplos no van a ser interpretados como limitantes.

Proceso para desalmidonar la fibra de maíz Aproximadamente 750 gramos de fibra de maíz de Vetter con 40% de sólidos secos (d.s.) se mezcló con agua purificada a un peso total de 4 kg en un recipiente de acero. La suspensión de fibra fue calentada a temperatura de ebullición (aproximadamente 95°C) sobre una placa caliente con un agitador digital Maxima (Fisher Scientific, Pittsburgh, PA) equipado con una flecha de agitación de 2 cuchillas (45 mm de diámetro). El pH de la suspensión se ajustó a aproximadamente 6.5 usando una solución de NaOH 1 N. Aproximadamente 6 mi de una solución de CaCI2 1 M también fueron adicionados. Entonces aproximadamente 6 mi de Termamyl SC DS (Novozymes North America, 1 nc. , Franklinton, NC) se adicionaron a la suspensión de fibra y la reacción enzimática fue realizada a aproximadamente 95°C durante aproximadamente 1.5 horas. La suspensión de fibra fue sellada en el recipiente de acero usando hojuela de aluminio y mantenida a temperatura ambiente durante la noche. Entonces, la suspensión de fibra fue calentada a aproximadamente 57°C y el pH se ajustó a aproximadamente 4.5 usando una solución de ácido cítrico al 30% en peso. Aproximadamente 6 mi de Spirizyme Fuel (amiloglucosidasa, Novozymes North America, Inc. , Franklinton, NC) se adicionó a la suspensión y se permitió que reaccionara a aproximadamente 57°C durante aproximadamente 3 horas. Entonces, la temperatura de la suspensión se disminuyó a aproximadamente 50°C (el pH fue aproximadamente 4.5) y aproximadamente 6 mi de ProSteepMR (proteasa, Genencor International, Inc. , Rochester, NY) se adicionó y se permitió que hidrolizara la proteína durante aproximadamente 1.5 horas. Entonces, la temperatura fue incrementada a aproximadamente 85°C y se mantuvo durante aproximadamente 5 minutos para inactivar la proteasa y amiloglucosidasa. La fibra desalmidonada fue filtrada en un embudo de Buchner con una tela de filtro No. 2 (Filtration Services, 2171 E. Andrews St. , Macón IL 62544) bajo vacío y la torta de fibra húmeda resultante se secó a aproximadamente 50°C en un horno de aire forzado.

Extracción de hemicelulosa usando ácido cítrico Aproximadamente 90 gramos de fibra de maíz desalmidonada (DS) se combinaron con agua purificada, de manera que el peso combinado fue aproximadamente 1450 gramos. Aproximadamente 20 gramos de una solución de ácido cítrico al 30% en peso se adicionó a la misma junto con un volumen adicional de agua purificada, de manera que el peso total fue aproximadamente 1500 gramos y el pH fue aproximadamente 2.8. La suspensión de fibra fue transferida en un reactor de acero inoxidable de alta presión de 2 litros equipado con agitación y calentamiento con vapor controlado a través de su chaqueta. La suspensión fue calentada a aproximadamente 150°C y sostenida a esa temperatura durante aproximadamente 2 minutos o aproximadamente 10 minutos para solubilizar la hemicelulosa. La suspensión se enfrió entonces rápidamente usando agua corriente en la chaqueta. Después de la reacción, el pH fue aproximadamente 2.8. La solución se filtró usando una tela de filtración No. 2 hermética sobre un embudo de Buchner y la torta de fibra resultante se lavó con agua purificada y se secó a aproximadamente 50°C en un horno de aire forzado durante aproximadamente 24 horas. El peso de filtrado y agua de lavado se registró y la humedad se midió usando un proceso de humedad con horno de aire forzado (aproximadamente 105°C durante aproximadamente 1.5 horas). El peso y humedad de la fibra seca se registró para cálculo de balance de masa.

Cromatografía líquida de alto desempeño (HPLC) El producto del proceso de extracción descrito antes fue sometido a HPLC utilizando una columna basada en resina Aminex® en la forma de plata para separar azúcares de diferentes grados de polimerización (DP) (distribución de sacáridos de DP1 -10). Las columnas basadas en resina Aminex® para separación de carbohidrato usan una combinación de exclusión de tamaño y mecanismos de intercambio de ligando. De manera más específica, para separaciones de oligosacáridos, la exclusión de tamaño es el mecanismo primario de separación (resinas de baja reticulación permiten a los carbohidratos penetrar y a los oligosacáridos separarse por tamaño). Para separaciones de monosacáridos, el intercambio de ligando es el mecanismo primario, el cual involucra la unión de grupos hidroxilo de los azúcares con el contraión fijado de la resina. El intercambio de ligando es afectado por la naturaleza del contraión (Ag + , Ca++, etc.) y por la orientación espacial de los grupos hidroxilo del carbohidrato.

Las muestras fueron corridas usando un sistema de HPLC disponible de Waters Corporation (HPX-42A) en el cual la columna tuvo una longitud de 30 cm y un diámetro interior de 7.8 mm. El sistema fue operado bajo las siguientes condiciones: la temperatura de columna fue aproximadamente 85°C; el solvente fue agua desgasificada deionizada; la velocidad de flujo fue aproximadamente 0.6 ml/minuto; la sensibilidad de detector fue fijada a 16X; el volumen de inyección fue aproximadamente 20 m I ; y el tiempo de corrida fue aproximadamente 25 minutos. Las muestras tuvieron aproximadamente 1 % de sólidos secos. Un estándar conteniendo carbohidratos de cadena lineal conocidos a partir de dextrosa a maltohexosa (DP6) se preparó y analizó para comparar los tiempos de retención de carbohidratos substituidos posibles.

Cromatografía de permeación de gel (GPC) El producto del proceso de extracción descrito antes fue sometido a GPC, la cual separa moleculas basadas en su tamaño o volumen hidrodinámico en solución. Las muestras fueron diluidas en agua y las moléculas fueron separadas usando cuatro columnas de tamaños de poro variantes en serie: una columna Ultrahydragel® 120 A de Waters Corporation; dos columnas de 250 A; y una columna de 1000 A. El eluyente fue agua con NaN03 0.1 N adicionado y la velocidad de flujo fue aproximadamente 0.6 ml/minuto. Después de la separación, las moléculas fueron detectadas con un detector de índice de refracción diferencial que alimenta los datos crudos a un paquete de cómputo cromatográfico de múltiples canales. Las distribuciones de peso molecular fueron calculadas con base en la comparación a una serie de estándares de peso molecular de polisacáridos usando una téenica de calibración de polidispersidad estrecha.

Cromatografía de intercambio aniónico de alto desempeño con detección amperométrica pulsada (PHPAE-PAD) El producto del proceso de extracción descrito antes fue sometido a PHPAE-PAD. Los carbohidratos fueron convertidos en su forma amónica y separados en un intercambiador de anión básico fuerte en la forma de hidróxido. Los aniones de carbohidrato fueron detectados por detección amperométrica pulsada a un electrodo de trabajo de oro. La separación se logró con un conjunto de columnas Dionex Carbopac PA1 con elución de gradiente de acetato en hidróxido de sodio. Las condiciones de corrida iniciales fueron 100 mM hidróxido de sodio durante 4 minutos a 1.2 ml/min. Durante los siguientes 20 minutos, el acetato de sodio se adicionó desde 0 hasta 375 mM de concentración y se sostuvo a la concentración superior durante 10 minutos, 100 mM NaOH/375 mM NaOAc. Las muestras y estándares fueron todas diluidas en agua.

Determinación de dextrosa Las muestras del producto del proceso de extracción antes descrito fueron diluidas para contener menos de 0.2% de dextrosa. La dextrosa fue analizada usando un analizador YSI modelo 27 (Yellow Springs Instrument Co. , Yellow Springs, Ohio).

Análisis de contenido de almidón El producto del proceso de extracción antes descrito fue analizado para contenido de almidón. El almidón en la muestra fue gelatinizado y entonces hidrolizado usando amilasa y amiloglucosidasa a b-D-glucosa. La glucosa fue analizada entonces por el analizador de dextrosa YSI Modelo 27.

Las muestras fueron molidas por un molino de café y entonces aproximadamente 0.2 a 0.4 gramos de muestra se adicionó a un matraz de 50 mi junto con aproximadamente 20 mi de agua deionizada fueron adicionados. El matraz fue cubierto con hojuela de aluminio y se sometieron a autoclave a aproximadamente 121 °C y 20 psi (1.406 kg/cm2) durante aproximadamente 20 minutos para gelatinizar el almidón. Entonces aproximadamente 5.0 mi de amortiguador de acetato (33.0 gramos de acetato de sodio anhidro y 24.0 mi de ácido acético helado en 200 mi) y aproximadamente 0.4 mi de cloruro de calcio (62.5%) se adicionaron en cada matraz. Los matraces fueron cubiertos e incubados a aproximadamente 60°C durante aproximadamente 45 minutos al tiempo que se agitan a una velocidad de 200 rpm. Después de la hidrólisis enzimática, las muestras fueron analizadas para dextrosa usando un analizador de dextrosa YSI . El factor de conversión de 0.9 se usó para conversión de dextrosa a almidón (peso de almidón = 0.9 x peso de dextrosa).

Análisis de contenido de proteína El proceso de nitrógeno de Kjeldahl fue usado para determinación de proteína (Bradstreet, 1954).

Análisis de contenido de ceniza Aproximadamente 2-10 gramos de muestra (dependiendo del contenido de humedad y tipo de muestras) se adicionó a un crisol. La muestra se calentó sobre un mechero de Bunsen para carbonizar las muestras hasta que la muestra ya no fue sostenida ya sea flama o humo. La muestra se colocó en una mufla a aproximadamente 538°C y se calentó durante al menos 5 horas o durante la noche (16 horas). La proporción de peso de residuo al peso de muestra, expresada como un porcentaje, se determinó como el contenido de ceniza (% en peso).

Análisis de contenido de grasa Aproximadamente 2.5-5.0 gramos de muestra se adicionaron en un vaso de laboratorio de vidrio de 400 mi junto con aproximadamente 150 mi de HCI 3 N. El vaso de laboratorio fue cubierto, colocado en una autoclave y calentado durante aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 121 °C y 20 psi (1.406 kg/cm2) para liberar componentes grasos de los complejos de almidón y proteína. Los componentes grasosos liberados fueron separados por filtración y se extrajeron a partir del papel filtro usando eter de petróleo. El residuo de grasa fue determinado gravimétricamente después de la evaporación del solvente. La proporción de residuo de grasa al peso de muestra, expresado como un porcentaje, fue determinado como una medida de la grasa total en la muestra.

Análisis de humedad o sólidos secos (d.s.) La humedad de material celulósico insoluble fue determinada usando el analizador de humedad Computrac (modelo MAX 1000, Arizona Instrument LLC, Chandler, AZ). El sólido seco (d.s.) de fracción soluble fue determinado usando un proceso de horno de aire forzado que involucró secar aproximadamente 12 gramos de solución en una charola de aluminio de 76 mm de diámetro a aproximadamente 105°C durante aproximadamente 1.5 horas. Los d.s. de la fracción soluble secada fue determinada usando un horno de secado al vacío a aproximadamente 70°C durante aproximadamente 5 horas. La proporción de peso de material seco al peso de muestra, expresado como un porcentaje, fue determinado por ser el contenido de sólidos secos (% en peso).

Hidrólisis de ácido sulfúrico Acido sulfúrico aproximadamente 0.15 N fue usado para hidrolizar materiales solubles e insolubles en un baño de agua hirviendo durante aproximadamente 4 horas. Aproximadamente 0.6 mi de ácido sulfúrico 1 N se adicionaron en 4 mi de solución total. El material soluble d.s. fue aproximadamente 1.73% en peso y el material insoluble d.s. fue aproximadamente 4.82% en peso.

Hidrólisis con enzimas Aproximadamente 5 mi de 2.03% en peso de fracción soluble fueron hidrolizados por 10 mI de enzimas durante la noche (aproximadamente 16 horas) y las enzimas fueron inactivadas al calentar la solución por contacto de su recipiente con un baño de agua hirviendo durante aproximadamente 10 minutos.

Resultados y discusión El rendimiento de fibra desalmidonada a partir de fibra de maíz de Vetter fue aproximadamente 65°C como se expone en la Tabla 1.

Tabla 1 5 ‘Substancia seca Las composiciones de la fibra de maíz antes y después de proceso de desalmidonado son mostradas en la Tabla 2.

Tabla 2 Los rendimientos de hemicelulosa extraída (AXOS) variaron desde aproximadamente 33% en peso hasta aproximadamente 65% en peso como se expone en la Tabla 3.

Tabla 3 Las distribuciones de sacárido de fracción soluble son mostradas en las Figuras 1 y 2. Las composiciones de sacáridos tienen distribuciones bimodales: monómeros (arabinosa, xilosa y galactosa) y compuestos con mayores grados de polimerización (DP1 1 , DP12, y mayores). Los sacáridos DP1 y DP2 son considerados azúcares, mientras que los sacáridos DP3+ son fibra potencialmente soluble en agua debido a que no se descomponen por las enzimas digestivas humanas. La Figura 2 muestra que fracciones solubles contienen azúcares (DP1 y DP2) a una concentración dentro de un rango de aproximadamente 309% en peso hasta aproximadamente 45% en peso y DP3+ a una concentración dentro de un rango de aproximadamente 55% en peso hasta aproximadamente 61 % en peso.

Como se ve a partir de los resultados, es posible seleccionar varios parámetros del proceso de la presente invención para controlar el rendimiento y distribución de sacárido de la fracción soluble. En general, estos resultados indican que aumentar la temperatura de solubilización, TSOL, y/o la duración que la mezcla de extracción está a la temperatura de solubilización, tS0L. tiende a aumentar el rendimiento de la fracción soluble pero también tiende a disminuir la cantidad de sacáridos de DP3+ en dicha fracción soluble. Esto es, los resultados anteriores indican que la temperatura de solubilización tiende a jugar un papel mayor en el rendimiento y distribución de sacáridos que la duración que la mezcla de extracción está a la temperatura de solubilización.

Haciendo referencia a la Figura 3, la distribución de sacárido de hemicelulosa extraída/AXOS fue comparada a perfiles cromatográficos 5 de arabinosa, xilosa, galactosa y maltodextrina de equivalencia de dextrosa (DE) de 5. Entre otras cosas, la comparación muestra que la mayoría de las fracciones no de azúcar son similares a maltodextrina DE 5 en pesos moleculares.

Haciendo referencia a la Figura 4, las distribuciones de peso molecular de GPC de hemicelulosas extraídas/AXOS muestran que la extracción a 150°C durante 2 minutos produjo fracción de peso molecular más alto que la extracción a 150°C durante 10 minutos. La extracción a 160°C durante 2 minutos resultó en más azúcares y fracción de peso molecular menos alto que la extracción a 150°C durante 2 minutos.

Las composiciones de fibra de maíz desalmidonada, fracciones solubles e insolubles después de la extracción a 150°C durante 10 minutos fueron analizadas para verificar las purezas de fracción soluble. Los resultados son expuestos en la Tabla 4.

Tabla 4 Se notará que se encontraron poca dextrosa y almidón en la fibra de maíz desalmidonada, fracciones solubles e insolubles debido al exitoso proceso de desalmidonado. Casi toda la grasa y una mayoría de la proteína estuvieron en la fracción insoluble después de la extracción.

La Tabla 5 compara los rendimientos de fracción soluble extraída con y sin substracción de dextrosa, proteína, grasa y almidón a partir de fibra desalmidonada y hemicelulosa.

Tabla 5 El rendimiento despues de la substracción de dextrosa, proteína, grasa y almidón aumentó a 59.5%.

La fracción celulósica insoluble tiene 68% de fibra dietética total (proceso AOAC 99.43), 1 1 % de proteína y 10% de grasa.

Las purezas de fracciones de hemicelulosa soluble e insoluble fueron analizadas mediante hidrólisis de ácido suave a 100°C, seguido por análisis de monómero por HPAEC. El porcentaje de cada monómero (arabinosa, galactosa, glucosa y xilosa) de los monómeros totales es reportado en la Tabla 6.

Tabla 6 El contenido de glucosa de hemicelulosa hidrolizada con ácido es solo 2.5%, lo cual sugiere una contaminación no significativa de almidón en la hemicelulosa extraída. La hemicelulosa extraída fue hidrolizada por cuatro enzimas comerciales y el porcentaje de glucosa más alto sobre monómeros totales fue 7% como se expone en la Tabla 7, lo cual puede venir de algo de celulosa hidrolizada Tabla 7 La hemicelulosa/AXOS fue extraída usando ácido sulfúrico a las mismas condiciones que extracción con ácido cítrico (pH 2.8, 150°C durante 10 minutos). Una solución de ácido sulfúrico 2 N (7.8 gramos totales) fue usada para ajustar el pH a 2.8. Como se expone en la Tabla 8, el rendimiento de hemicelulosa soluble usando extracción de +acido sulfúrico fue 39.3%, lo cual fue significativamente menor que aquél cuando se usó ácido cítrico. Como se muestra en la Figura 5, las distribuciones de sacárido de las fracciones solubles extraídas usando ácido cítrico o ácido sulfúrico son similares. Sin ser ligada a una teoría particular, se cree que la diferencia en rendimiento es debida, al menos en parte, al hecho de que el pKa de ácido cítrico disminuye más a una alta temperatura que ácido sulfúrico, lo cual produce un mayor rendimiento. Además, se cree que debido a que el pKa de ácido cítrico aumenta significativamente cuando la temperatura disminuye, el pKa es suficientemente alto de manera que la hidrólisis se detiene substancialmente. En contraste, el ácido sulfúrico continúa hidrolizando la hemicelulosa a temperatura relativamente baja, tal como 35°C para producir xilosa, arabinosa y galactosa junto con di- y tri-sacáridos. 5 Tabla 8 0 Estos ejemplos del proceso de la presente invención usaron ácido cítrico, un ácido orgánico débil de grado alimenticio, para extraer hemicelulosa de manera que la hidrólisis de hemicelulosa después de la solubilización puede ser controlada. A una temperatura baja casi nada de hidrólisis ocurre debido a la baja fuerza de ácido. El pKa de ácidos debiles y pH de agua disminuyen conforme la temperatura aumenta, de manera que la fuerza de ácido aumenta. La solubilización solo ocurre substancialmente cuando la temperatura es incrementad. Después de que el tiempo de solubilización termina, la solución de fibra de maíz fue extinguida a temperatura ambiente para detener la hidrólisis. La hemicelulosa extraída comprendió aproximadamente 60% en peso de sacáridos con un grado de polimerización de 3 y mayor (DP3+), que puede usarse como una fibra soluble natural. El material celulósico insoluble extraído de la fibra de maíz comprendía aproximadamente 68% de fibra dietética total, la cual puede usarse como una fibra insoluble natural.

Habiendo ilustrado y descrito los principios de la presente invención, debería ser evidente para personas expertas en la téenica que la invención puede modificarse en arreglo y detalle sin apartarse de tales principios.

Aunque los materiales y procesos de esta invención han sido descritos en términos de varias modalidades y ejemplos ilustrativos, será evidente para aquéllos expertos en la técnica que pueden aplicarse variaciones a los materiales y procesos descritos en la presente sin apartarse del concepto, espíritu y alcance de la invención. Como tales, substitutos similares y modificaciones evidentes para aquéllos expertos en la técnica son considerados como que están dentro del espíritu, alcance y concepto de la invención como son definidos por las reivindicaciones anexas.

Como se usa en la presente, “aproximadamente” será entendido por personas de habilidad ordinaria en la téenica y variarán en algún grado dependiendo del contexto en el cual se usa. Si existen usos del término los cuales no son claros para personas de habilidad ordinaria en la técnica, dado el contexto en el cual se usa, “aproximadamente” significarán hasta más o menos 10% del término particular.

Todos los rangos discutidos pueden y no necesariamente también describen todos los sub-rangos en el mismo para todos los propósitos y todos estos sub-rangos son parte de esta invención. Cualquier rango listado puede ser reconocido fácilmente como que describe lo suficiente y permite que el mismo rango sea descompuesto en al menos mitades iguales (por ejemplo, una mitad inferior y mitad superior), tercios, cuartos, décimos, etc. Todavía adicionalmente, por ejemplo, un rango desde 5% hasta 20% debería ser interpretados para incluir valores numéricos tales como, pero no limitados a, 5%, 5.5%, 9.7%, 10.3%, 15%, etc., y sub-rangos, tales como pero no limitados a 5% a 10%, 10% a 15%, 8.9% a 18.9%, etc., además de cualquier otro valor, sub-rango, etc., provisto para propósitos ilustrativos.

Claims (32)

REIVINDICACIONES

1. Un proceso para separar uno o más componentes de fibra de maíz, comprendiendo el proceso: (a) contactar la fibra de maíz, la cual comprende una matriz que comprende hemicelulosa, celulosa y lignina, con un fluido de extracción que comprende al menos un ácido debil para formar una mezcla de extracción; (b) solubilizar hemicelulosa de la fibra de maíz a! controlar la temperatura de la mezcla de extracción, de manera que el fluido de extracción es suficientemente ácido para romper enlaces entre hemicelulosa y lignina vía hidrólisis, TSOL, disolviendo por ello la hemicelulosa solubilizada en el fluido de extracción; (c) extinguir la hidrólisis al controlar la temperatura de la mezcla de extracción de manera que el fluido de extracción no es suficientemente ácido para despolimerizar substancialmente la hemicelulosa disuelta, TEXTINCION; y (d) separar la mezcla de extracción en una fracción soluble que comprende hemicelulosa disuelta y una fracción insoluble que comprende celulosa.

2. El proceso de la reivindicación 1 que comprende además tratar la fracción soluble para separar la hemicelulosa disuelta de fluido de extracción.

3. El proceso de la reivindicación 1 o reivindicación 2, en donde cada ácido débil tiene un pKa (en una solución acuosa a 25°C) que es mayor que -2.

4. El proceso de la reivindicación 1 o reivindicación 2, en donde cada ácido debil tiene un pKa (en una solución acuosa a 25°C) que es al menos 0.

5. El proceso de la reivindicación 1 o reivindicación 2, en donde cada ácido débil tiene un pKa (en una solución acuosa a 25°C) que es al menos 2.

6. El proceso de la reivindicación 1 o reivindicación 2, en donde cada ácido débil tiene un pKa (en una solución acuosa a 25°C) que es al menos 4.

7. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 -6, en donde el al menos un ácido débil consiste de al menos un ácido carboxílico.

8. El proceso de la reivindicación 7 en donde el al menos un ácido carboxílico es seleccionado del grupo que consiste de ácido cítrico, ácido láctico, ácido málico, ácido acético, ácido fumárico, ácido fórmico, ácido oxálico y combinaciones de los mismos.

9. El proceso de la reivindicación 7, en donde el al menos un ácido carboxílico es seleccionado del grupo que consiste de ácido cítrico, ácido málico y ácido fumárico y combinaciones de los mismos.

10. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 -9, en donde el fluido de extracción tiene una concentración total de ácido o ácidos débiles que está en el rango de aproximadamente 0.001 M hasta aproximadamente 10 M.

11. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 -9, en donde el fluido de extracción tiene una concentración total de ácido o ácidos débiles que está en el rango de aproximadamente 0.01 M hasta aproximadamente 1 M.

12. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1-11 , en donde la mezcla de extracción tiene una proporción en peso de fibra de maíz a fluido de extracción que está en el rango de aproximadamente 1 : 100 hasta aproximadamente 60: 100.

13. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1-1 1 , en donde la mezcla de extracción tiene una proporción en peso de fibra de maíz al fluido de extracción que está en el rango de aproximadamente 3: 100 hasta aproximadamente 20: 100.

14. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1-13, en donde TSOL está en el rango de aproximadamente 50°C hasta aproximadamente 350°C, TEXT|N C I ON está en el rango de aproximadamente 5°C hasta aproximadamente 40°C, y la velocidad promedio de cambio de TSOL a TEXTINCION durante la extinción está en el rango de aproximadamente 0.1 °C/s hasta aproximadamente 5°C/s.

15. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 -13, en donde TSOL está en el rango de aproximadamente 120°C hasta aproximadamente 150°C y TEXTINCION está en el rango de aproximadamente 10°C hasta aproximadamente 30°C, y la velocidad promedio de cambio de TSOL a TEXT|NCION durante la extinción está en el rango de aproximadamente 0.5°C/s hasta aproximadamente 1 °C/s.

16. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 -15, en donde la mezcla de extracción está a TSOL por una duración, tSoL, que está en el rango de aproximadamente 1 minuto hasta aproximadamente 200 minutos.

17. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 -15, en donde la mezcla de extracción está a TSOL por una duración, tS0L, que está en el rango de aproximadamente 2 minuto hasta aproximadamente 10 minutos.

18. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 -17, en donde la fibra de maíz es fibra de maíz desalmidonada.

19. El proceso de la reivindicación 18, en donde la hemicelulosa disuelta de la fracción soluble está a una cantidad que está en el rango de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 75% en peso de la fibra de maíz desalmidonada y la celulosa de la fracción insoluble está a una cantidad que está en el rango de aproximadamente 15 hasta aproximadamente 30% en peso de la fibra de maíz desalmidonada.

20. El proceso de la reivindicación 18, en donde la hemicelulosa disuelta de la fracción soluble está a una cantidad que está en el rango de aproximadamente 50 hasta aproximadamente 60% en peso de la fibra de maíz desalmidonada y la celulosa de la fracción insoluble está a una cantidad que está en el rango de aproximadamente 20 hasta aproximadamente 30% en peso de la fibra de maíz desalmidonada.

21. El proceso de la reivindicación 18, en donde la hemicelulosa disuelta de la fracción soluble comprende (i) monosacáridos y disacáridos a una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 20 hasta aproximadamente 75% en peso de la hemicelulosa disuelta, (ii) oligosacáridos a una cantidad total que es menor que aproximadamente 10% en peso de la hemicelulosa disuelta, y (iii) polisacáridos a una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 25 hasta aproximadamente 70% en peso de la hemicelulosa disuelta.

22. El proceso de la reivindicación 18, en donde la hemicelulosa disuelta de la fracción soluble comprende (i) monosacáridos y disacáridos a una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 40% en peso de la hemicelulosa disuelta, (ii) oligosacáridos a una cantidad total que es menor que aproximadamente 5% en peso de la hemicelulosa disuelta, y (iii) polisacáridos a una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 55 hasta aproximadamente 70% en peso de la hemicelulosa disuelta.

23. Un proceso para separar uno o más componentes de fibra de maíz desalmidonada, comprendiendo el proceso controlar la temperatura de una mezcla de extracción, la cual comprende fibra de maíz desalmidonada y un fluido de extracción que comprende al menos un ácido carboxílico débil, para solubilizar y disolver hemicelulosa de la fibra de maíz desalmidonada en el fluido de extracción, de manera que la cantidad de hemicelulosa disuelta está en el rango de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 75% en peso de la fibra de maíz desalmidonada y al menos 40% en peso de la hemicelulosa disuelta tiene un grado de polimerización de al menos 3.

24. El proceso de la reivindicación 23, en donde al menos 30% en peso de la hemicelulosa disuelta tiene un grado de polimerización de al menos 11.

25. El proceso de la reivindicación 23 o reivindicación 24, en donde no más de 10% en peso de la hemicelulosa disuelta tiene un grado de polimerización en el rango de 3 a 10.

26. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 23-25, en donde no más de 60% en peso de la hemicelulosa disuelta tiene un grado de polimerización en el rango de 1 a 2.

27. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 23-26, en donde: el al menos un ácido carboxílico débil es seleccionado del grupo que consiste de ácido cítrico, ácido láctico, ácido málico, ácido acético, ácido fumárico, ácido fórmico, ácido oxálico y combinaciones de los mismos; el fluido de extracción tiene una concentración total de ácido o ácidos carboxílicos débiles que está en el rango de aproximadamente 0.001 M hasta aproximadamente 10 M; y la mezcla de extracción tiene una proporción en peso de fibra de maíz desalmidonada a fluido de extracción que está en el rango de aproximadamente 1 : 10 hasta aproximadamente 60: 100.

28. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 23-27, en donde controlar la temperatura de la mezcla de extracción comprende mantenerla dentro de un rango que es desde aproximadamente 50°C hasta aproximadamente 350°C por una duración que está en el rango de aproximadamente 1 minuto hasta aproximadamente 200 minutos y entonces extinguirla a una temperatura por debajo de dicho rango.

29. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 23-28 que comprende además separar la mezcla de extracción en una fracción soluble comprendiendo hemlcelulosa disuelta y una fracción insoluble comprendiendo celulosa a partir de la fibra de maíz desalmidonada.

30. El proceso de la reivindicación 29, en donde la celulosa está a una cantidad en el rango de aproximadamente 15 hasta aproximadamente 30% en peso de la fibra de maíz desalmidonada.

31. El proceso de la reivindicación 29 o reivindicación 30, que comprende además separar la hemicelulosa disuelta del fluido de extracción.

32. Un proceso para separar uno o más componentes de fibra de maíz desalmidonada, comprendiendo el proceso solubilizar y disolver hemicelulosa de la fibra de maíz desalmidonada en un fluido de extracción de una mezcla de extracción, que comprende aproximadamente 6.5 partes en peso de fibra de maíz desalmidonado y aproximadamente 100 partes en peso del fluido de extracción, en donde el fluido de extracción comprende ácido cítrico a una concentración en el rango de aproximadamente 0.01 M hasta aproximadamente 0.05 M al controlar la temperatura de la mezcla de extracción de manera que está en el rango de aproximadamente 120°C hasta aproximadamente 150°C por una duración en el rango de aproximadamente 2 minutos hasta aproximadamente 10 minutos y entonces extinguirla a una temperatura por debajo de dicho rango, de manera que (a) la cantidad de hemicelulosa disuelta está en el rango de aproximadamente 50 hasta aproximadamente 60% en peso de la fibra de maíz desalmidonada, (b) la hemicelulosa disuelta comprende (i) monosacáridos y disacáridos a una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 40% en peso de la hemicelulosa disuelta, (ii) oligosacáridos a una cantidad total que es menor que aproximadamente 5% en peso de la hemicelulosa disuelta, y (iii) polisacáridos a una cantidad total que está en el rango de aproximadamente 55 hasta aproximadamente 70% en peso de la hemicelulosa disuelta.