WO2011057444A1 - 纤维素生物质生产人造粮食的方法 - Google Patents

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WO2011057444A1
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catalyst
solution
drying
grain
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朱作霖
孙萌
苏春高
叶红平
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淮北中润生物能源技术开发有限公司
美国升阳制药公司
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K1/00—Glucose; Glucose-containing syrups
    • C13K1/02—Glucose; Glucose-containing syrups obtained by saccharification of cellulosic materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23L—FOODS, FOODSTUFFS, OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES, NOT COVERED BY SUBCLASSES A21D OR A23B-A23J; THEIR PREPARATION OR TREATMENT, e.g. COOKING, MODIFICATION OF NUTRITIVE QUALITIES, PHYSICAL TREATMENT; PRESERVATION OF FOODS OR FOODSTUFFS, IN GENERAL
    • A23L7/00—Cereal-derived products; Malt products; Preparation or treatment thereof
    • A23L7/10—Cereal-derived products
    • A23L7/197—Treatment of whole grains not provided for in groups A23L7/117 - A23L7/196

Definitions

  • the present invention relates to the preparation of edible materials consisting of sugars and proteins, and more particularly to a method and production process for preparing artificial food using cellulose biomass as a raw material. Background technique
  • Food is a substance that is mainly used in starch, supplemented by protein, used for food, and provides energy and amino acids to the body. That is, after entering the body, it is converted into a substance mainly composed of monosaccharides and supplemented by amino acids.
  • Cellulose biomass is the most abundant organic carbon source on the planet, regenerated annually, and its yield is much higher than grain production. Statistics show that China's annual biomass production exceeds 2.1 billion tons, while grain production is only about 500 million tons, which means that the annual production of cellulosic biomass is more than three times that of grain production in China. By analogy, the annual global production of cellulosic biomass is at least three times the annual grain production. If you can get a grain-replaceable substance from cellulosic biomass, you can dramatically increase the annual global food production and solve human hunger. Summary of the invention
  • a method of preparing artificial grain comprising the steps of:
  • the catalyst described in the step (1) is selected from the group consisting of organic acids, inorganic acids, or a mixture thereof; and the catalyst is used in an amount of from 0.1 to 10% by weight based on the weight of the cellulosic biomass.
  • the cellulosic biomass in step (1) is pulverized into a cellulosic biomass having a particle size of 1 to 3 mm.
  • the solution 2 in the step (3) is a solution which is subjected to decolorization treatment.
  • the artificial grain conductivity of the liquid obtained in the step (3) is less than 50 s/cm.
  • the step (3) further comprises the step (4): drying the liquid artificial grain to obtain a solid artificial grain.
  • the drying method in the step (4) is selected from the group consisting of spray drying, vacuum drying, low temperature freeze drying, film drying, boiling drying and the like.
  • step (1) the cellulosic biomass and the catalyst are mixed at 110 to 130 ° C for 30 minutes and 2 hours.
  • step (1) based on the weight of the cellulosic biomass, the catalyst is used.
  • the amount is 8-10% by weight.
  • the cellulosic biomass (Cel lulosic Biomass or Lignocellulosic Biomass) of the present invention is defined as: a cellulose-containing biomass whose main organic polymer components include cellulose, hemicellulose, lignin, protein, Etc., such as various hardwoods, cork, bark, leaves, roots, rattan, weeds, reeds, bamboo, aquatic plants, crop waste including but not limited to corn stover, sorghum straw, wheat straw, bean straw, rapeseed , peanut meal, potato scorpion, herbal fruit mash, and cotton stalk, etc.
  • the term "artificial food” and the term “food substitute” are used interchangeably and refer to edible substances consisting of sugars and proteins, ie, sugar-based, amino acid-assisted, and cereals.
  • a substance similar to the ingredients that enter the body after digestion Preferably, it refers to a mixture of water-soluble small molecules derived from the hemicellulose and protein of the cellulosic biomass.
  • the water-soluble small molecules include monosaccharides, polysaccharides, amino acids, and peptides.
  • the catalyst for degradation is an acidic substance, which may be an organic acid or an inorganic acid, which may be a liquid or a solid, and may be a pure single acid, a mixture of acids, or a solid carrier.
  • the acid catalyst is preferably hydrochloric acid because foods generally do not allow other acid ions or content. Sodium chloride is permitted in foods, and at the same time, because the sodium chloride removal technology is quite mature, the removal cost is relatively low.
  • the amount of the catalyst is generally from 0.1% to 10% (corresponding to cellulose biomass, weight ratio), and the amount of the catalyst not in this interval can also catalyze the progress of the reaction, but the reaction amount is slower than the amount of the catalyst in this interval. Not preferred; the amount of catalyst above this interval is too high and not preferred.
  • the reaction process generally includes the following steps.
  • Cellulose biomass is pulverized, generally with a particle size of 2 mm, too large, but the reaction rate is slow, too small, but pulverizing into small particles requires more energy.
  • Acid catalyzed degradation of hemicellulose and protein in cellulosic biomass is generally above 50 ° C and below 150 ° C.
  • the reaction can be carried out at 50 ° C or lower, but the reaction is slow, which is not preferable.
  • the reaction can be carried out at 150 ° C or higher, but the degradation rate of the amino acid and the monosaccharide is accelerated, which is not preferable.
  • Acid-catalyzed degradation of hemicellulose and protein in cellulosic biomass either in batch reactor systems or in continuous flow reactor systems, or continuous It is carried out in a flow through reactor system.
  • the method for producing artificial grain from the cellulosic biomass disclosed in the present invention is applicable to all cellulose-containing biomass, including but not limited to fresh cellulosic biomass, or dried cellulosic biomass, such as various Hardwood, cork, bark, leaves, roots, rattan, weeds, reeds, bamboo, aquatic plants; cellulose, waste, crops of agriculture, forestry, vegetables and fruit and sugar processing, including but not Limited to corn stover Straw, sorghum straw, wheat straw, bean straw, rapeseed straw, cotton straw, sesame straw, peanut meal, potato scorpion, herbal fruit sorghum, and cotton stalk, etc.
  • the method for preparing artificial grain comprises the steps of:
  • the units in the weight percent by weight in the present invention are well known to those skilled in the art and, for example, refer to the weight of the solute in a 100 ml solution.
  • the liquid of the solid product was filtered off, and the pH was adjusted to about 6 with 40% sodium hydroxide, and the salt was removed by electrodialysis until the conductivity of the solution was less than 5 ( ⁇ s/cm).
  • Spray drying gave 156 g of a pale yellow solid (yield 15.6%).
  • the product was determined to have an amino acid content of 19 g, i.e., a protein content of 12%, similar to the common cereal.
  • the other ingredients are mainly monosaccharides, which are 18 grams of glucose, 19 grams of arabinose, 48 grams of xylose, 68 grams of galactose, and the rest are ash.
  • Example 2
  • the reaction was similar to that of Example 1, except for the type of catalyst, the amount used, and the reaction time.
  • the protein content of the product is between 8-14%.
  • the composition of artificial grain obtained from different cellulosic biomass is somewhat different, the composition of the products is similar, and the difference is only the ratio of these components. If we use this method of invention to prepare food, according to China's annual output of about 1.6 billion tons of cellulosic biomass, we can get about 250 million tons of grain, which is equivalent to a direct increase of 50% in China's grain, that is, China will increase. With a population of 700 million, the demand for food can be solved.

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Description

纤维素生物质生产人造粮食的方法 技术领域
本发明涉及由糖类和蛋白质组成的可食用物质的制备， 尤其涉及一种使用纤 维素生物质为原料制备人造粮食的方法和生产工艺。 背景技术
粮食， 是以淀粉为主、 蛋白质为辅的、 用于食用， 为身体提供能量和氨基酸 的物质。 即进入体内后， 被转化为单糖为主、 氨基酸为辅的物质。
全球人口的增长是不可逆转的趋势， 而传统的粮食， 各种谷物的种子， 受可 耕种面积的限制，增产的步伐无法跟上人口增加的速度，特别是全球暖化造成的恶 劣天气， 将直接影响谷物的生长。 但是， 很多纤维素生物质， 野草、 芦苇、 竹子、 水生植物、等等， 它们有时在恶劣天气下反而更易于增长。如何满足不断增长人口 的粮食需求， 对人类社会及其重要。 2009年 6月联合国的统计资料显示， 当前有 超过 10亿人口处于饥饿状态。
纤维素生物质是地球上产量最大的有机碳源， 每年再生， 其产量远远高于谷 物的产量。 统计资料显示， 中国每年的生物质产量超过 21亿吨， 而谷物的产量只 有约 5亿吨，也就是说，纤维素生物质的年产量，在中国，是谷物产量的 3倍以上。 如此类推， 全球的纤维素生物质年产量， 也至少是谷物年产量的 3倍以上。如果能 够从纤维素生物质中得到可以替代谷物的物质， 就可以大幅提高全球粮食的年产 量， 解决人类的饥饿问题。 发明内容
本发明的目的在于提供一种使用纤维素生物质为原材料， 制备以糖类为主、 氨基酸为辅，和谷物进入体内消化后成分相类似的物质， 即人造粮食的方法和生产 工艺。 在本发明中， 提供了一种人造粮食的制备方法， 所述的方法包括步骤：
( 1 ) 将纤维素生物质和催化剂在 50— 150°C混合 1分钟一 9小时， 过滤得到 溶液 1 ;
(2) 调节溶液 1的酸碱度， 得到 pH5.5— 7.5的溶液 2; 和
(3 ) 除去溶液 2中的盐， 得到液体的人造粮食。
在另一优选例中， 步骤（1 ) 中所述的催化剂选自有机酸、 无机酸、 或其混合; 以所述纤维素生物质的重量计， 催化剂的用量为 0.1— 10wt%。
在另一优选例中， 步骤 （1 ) 中的纤维素生物质是经粉碎成粒度在 1一 3mm的 纤维素生物质。
在另一优选例中， 步骤 （3 ) 中的溶液 2是经脱色处理的溶液。
在另一优选例中， 步骤 （3 ) 中得到的液体的人造粮食电导率小于 50 s/cm。 在另一优选例中， 步骤（3 )后还包括步骤（4) : 将液体的人造粮食进行干燥， 得到固体的人造粮食。
在另一优选例中， 步骤 （4) 中的干燥方法选自喷雾干燥、 真空干燥、 低温冷 冻干燥、 薄膜干燥、 沸腾干燥等。
在另一优选例中， 步骤 （1 ) 中， 纤维素生物质和催化剂在 110— 130°C混合 30分钟一 2小时。
在另一优选例中， 步骤 （1 ) 中， 以所述纤维素生物质的重量计， 催化剂的用 量为 8—10wt%。 在本发明的第二方面， 提供了一种纤维素生物质的用途， 用于制备人造粮食。 据此， 本发明从纤维素生物质中得到可以替代谷物的物质， 可望大幅提高全 球粮食的年产量， 为解决人类的饥饿问题尽力。 具体实施方式
本发明的纤维素生物质 （Cel lulosic Biomass 或称为 Lignocellulosic Biomass ) 原料的定义是： 含有纤维素的生物质， 它们主要的有机高聚物成分包括 纤维素、 半纤维素、 木质素、 蛋白质、 等， 如各种硬木， 软木， 树皮、 树叶、 树根、 藤条， 野草， 芦苇， 竹子， 水生植物、 农作物的废弃物包括但不限于玉米秸秆、 高 粱秸秆、 麦秸、 豆秸、 油菜秸、 花生秧、 薯类的秧、 草本水果秧、 和棉花秸、 等等。
在本发明中， 术语 "人造粮食"和术语 "粮食的替代品"可以互换使用， 都 是指由糖类和蛋白质组成的可食用物质， 即以糖类为主、氨基酸为辅， 和谷物进入 体内消化后成分相类似的物质。优选地，是指来自纤维素生物质的半纤维素和蛋白 质经过催化剂作用而得到的水溶性小分子的混合物。 所述的水溶性小分子包括单 糖、 多糖、 氨基酸、 和肽。
降解的催化剂是酸性物质， 可以是有机酸和无机酸， 它们可以是液体、也可以 是固体， 可以是纯的单一酸， 也可以是酸的混合物， 或者固体载体上。
虽然无机酸都可以使用，但是由于食物中一般不允许其它酸根离子或含量有限 制， 酸催化剂优选盐酸。 氯化钠在食品中是允许的， 同时， 由于氯化钠脱除技术相 当的成熟， 脱除成本相对较低。 催化剂的用量一般为 0. 1%-10% (对应于纤维素生物质， 重量比）， 不在这个区 间的催化剂用量也可以催化反应的进行，但是低于这个区间的催化剂用量， 反应较 慢， 不优选； 高于这个区间的催化剂用量， 成本太高， 也不优选。
反应过程一般包括以下步骤。
1、 粉碎纤维素生物质，
2、 催化降解纤维素生物质中的半纤维素和蛋白质，
3、 中和脱盐，
4、 脱色干燥。
纤维素生物质粉碎， 一般粒度在 2毫米， 太大也可以， 但是反应速度较慢， 太小也行， 但是粉碎成很小的颗粒需要较多的能耗。
酸催化降解纤维素生物质中的半纤维素和蛋白质，反应温度一般在 50° C以上、 150° C以下。 50° C以下可以反应， 但是反应较慢， 不优选； 150° C以上也可以反应， 但是氨基酸和单糖的降解速度加快， 不优选。
酸催化降解纤维素生物质中的半纤维素和蛋白质， 反应不需要外加压力。 反 应一般需要一分钟以上、 几个小时以内。
酸催化降解纤维素生物质中的半纤维素和蛋白质，既可以在间歇反应器 (Batch reactor systems)中进行， 也可以在连续式流云力反应器系统（Continuous flow reactor systems)，或者是持续流经式反应器系统 (Flow through reactor systems) 中进行。
本发明中揭示的纤维素生物质生产人造粮食的方法，适用于所有的含纤维素的 生物质， 包括但不局限于新鲜的纤维素生物质， 或者是干燥的纤维素生物质， 如各 种硬木， 软木， 树皮、 树叶、 树根、 藤条， 野草， 芦苇， 竹子， 水生植物； 农、 林、 蔬菜与水果和糖加工业的含纤维素的下脚料、农作物的废弃物包括但不限于玉米秸 秆、 高粱秸秆、 麦秸、 豆秸、 油菜秸、 棉秸、 芝麻秸、 花生秧、 薯类的秧、 草本水 果秧、 和棉花秸、 等等。
在本发明的一个优选例中， 所述的人造粮食的制备方法， 包括步骤：
(a)将粉碎成粒度在 1一 3mm的纤维素生物质和催化剂在 80— 14CTC混合 0. 5 一 2小时， 过滤得到溶液 a;
(b ) 调节溶液 a的酸碱度， 得到 pH5. 8-6. 2的溶液 b;
( c ) 除去溶液 b中的盐， 得到电导率低于 50 s/cm的液体人造粮食； 和
( d) 将液体人造粮食进行干燥， 得到固体人造粮食。
制备固体人造粮食的过程中，可以加入所有允许的其它组分，以制备不同口味、 硬度、 特殊消化需要、 等产品。 下面结合具体实施例， 进一步阐述本发明。应理解， 这些实施例仅用于说明本 发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常 按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。 除非另外说明， 否则所有的百分数、 比率、 比例、 或份数按重量计。
本发明中的重量体积百分比中的单位是本领域技术人员所熟知的，例如是指在 100毫升的溶液中溶质的重量。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的 意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方 法中。 文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。 实施例 1
向搪玻璃反应器内加入 1000克的麦秸（干重）、 9升的 1%浓度的盐酸， 密封， 升温度 12CTC并维持在此温度下 1个小时。
冷却到室温后， 过滤， 固体用纯水洗涤后， 留作其它用途。
滤去固体产物的液体， 使用 40%的氢氧化钠将 pH调节到 6左右， 电渗析除盐， 直到溶液的电导率低于 5(^s/cm。
向上述溶液中加入 200克的糖用活性炭， 缓慢搅拌一小时后， 过滤除去固体， 得透明无色或近无色液体。
喷雾干燥， 得 156克淡黄色固体 （产率 15.6%)， 定氮法测定产品中的氨基酸 含量为 19克， 即蛋白质含量为 12%， 类似于常见的谷物。 其它成分主要为单糖， 分别为葡萄糖 18克、 阿拉伯糖 19克、 木糖 48克、 半乳糖 68克， 其余为灰分。 使 用液相色谱分析法， 液相色谱法 HPLC为经典单糖分析方法， 使用 SUPELCOSIL 的 LC-NH2分离柱 （250X4.6mm)， 流动相为乙腈： 水 =3 : 1， 流速为 1毫升 /分钟， 折射率检测器，核糖的保留时间在 5.8分钟左右、木糖的保留时间在 6.6分钟左右、 阿拉伯糖的保留时间在 7.3分钟左右、 果糖的保留时间在 8.2分钟左右、 葡萄糖的 保留时间在 9.7分钟左右、 半乳糖的保留时间在 10.2分钟左右。 实施例 2
反应和实施例 1相类似， 不同之处为催化剂种类、 用量、 反应时间。
向搪玻璃反应器内加入 1000克的纤维素生物质 （干重） 、 9升的含酸催化剂 的水， 密封， 升温到预定温度后， 维持在此温度下预定的时间。
冷却到室温后， 过滤， 固体用纯水洗涤后， 留作其它用途。
滤去固体产物的液体， 将 pH调节到 6左右， 除盐， 直到溶液的电导率低于
50 s/cm。
向上述溶液中加入 200克的糖用活性炭， 缓慢搅拌一小时后， 过滤除去固体， 得透明无色或近无色液体。
Figure imgf000008_0001
产物中蛋白质含量介于 8-14%之间。 不同纤维素生物质得到的人造粮食组成虽然有点区别，但是产物组成类似， 差 别仅仅是这些组分的比例。如果使用我们发明的这个方法制备粮食， 按中国每年约 16亿吨的纤维素生物质产量计算， 可以得到约 2. 5亿吨的粮食， 相当于中国的粮 食直接增加 50%， 即中国再增加 7亿人口， 都可以解决粮食的需求。

Claims

权 利 要 求
1.一种人造粮食的制备方法， 其特征在于， 所述的方法包括步骤：
( 1 ) 将纤维素生物质和催化剂在 50— 150°C混合 1分钟一 9小时， 过滤得到 溶液 1 ;
(2) 调节溶液 1的酸碱度， 得到 pH5.5— 7.5的溶液 2; 和
(3 ) 除去溶液 2中的盐， 得到液体的人造粮食。
2.如权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 步骤 （1 ) 中所述的催化剂选自有 机酸、无机酸、或其混合;以所述纤维素生物质的重量计，催化剂的用量为 0.1— 10wt %。
3.如权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 步骤 （1 ) 中的纤维素生物质是经 粉碎成粒度在 1一 3mm的纤维素生物质。
4.如权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 步骤 （3 ) 中的溶液 2是经脱色处 理的溶液。
5.如权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 步骤 （3 ) 中得到的液体的人造粮 食电导率小于 50 μ s/cm。
6.如权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 步骤 （3 ) 后还包括步骤 （4) : 将 液体的人造粮食进行干燥， 得到固体的人造粮食。
7.如权利要求 6所述的方法， 其特征在于， 步骤 （4) 中的干燥方法选自喷雾 干燥、 真空干燥、 低温冷冻干燥、 薄膜干燥、 沸腾干燥等。
8.如权利要求 1一 7任一所述的方法， 其特征在于， 步骤（1 ) 中， 纤维素生物 质和催化剂在 110— 130°C混合 30分钟一 2小时。
9.如权利要求 2所述的方法， 其特征在于， 步骤 （1 ) 中， 以所述纤维素生物 质的重量计， 催化剂的用量为 8— 10wt%。
10.—种纤维素生物质的用途， 其特征在于， 用于制备人造粮食。
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