生产可食用产品的生物质的酶处理方法

专利名称：生产可食用产品的生物质的酶处理方法
技术领域：
本发明涉及多种生物质的新颖处理方法。本发明中的处理方法利用水相酶解以分离生物质中的各种成分。
相关申请本申请涉及临时专利申请60/182,451并要求其优先权。
与本发明相关的背景技术传统的生物质处理方法一般采用多步骤进行，会产生不需要的副产物，并且容易降解掉生物质中的一些成分。这些处理方法需要特定的设备，使得该处理过程成本很高。并且，这些常规方法中的许多步骤费时耗力，还会产生大量的污水。
所以，需要这样一种新的生物质处理方法能够获得多食品级和附加值的成分(包括蛋白质、可溶纤维、水溶性微量营养物质、及高级食用油)，并能避免传统方法的弊端。
发明简述本发明的新颖处理方法可以满足提高生物质处理技术水平的需求。本发明中新颖方法利用溶液中酶解反应分离生物质中成分，从而克服了生物质传统处理方法的成本高、耗时、及可能会破坏环境等弊端。本发明中的方法可以制备多种有用的及有价值的生物质产物，包括生物质油、生物质纤维、生物质蛋白、及生物质汁。
本发明中的方法包括，先对生物质匀浆进行酶处理，然后对酶解产物进行分离，获得至少一油相、一水相、和一固相。本发明的目的之一是此三相的产物不需要任何进一步处理就可以食用。本发明中的方法还包括油相的纯化。进一步，本发明中的方法还包括将水相分离为可循环水产物和生物质汁浓缩物，及将固相分离为生物质残渣产物和生物质蛋白产物。本发明进一步的目的是，所获得的循环水产物、生物质汁浓缩物、生物质残渣产物以及生物质蛋白产物，不需要进一步处理就可以食用。本发明其他目的在发明详述中更为明了。
发明详述本发明中术语按以下定义应用(除非有其他与之相反的说明)“可食用”指可以为人类食用而不会导致明显有损健康的后果。
“生物质(biomass)”指植物的花、干、叶、跟、茎(包括块茎)及果实(包括果皮、果肉、及种子)，该植物至少为以下植物中的一种棕榈、香蕉、甘蔗、甜菜、桔子、柚子、土豆、苹果、或葡萄。本发明的处理方法优选原生物质。但是，也可以使用干燥生物质、或脱脂生物质。
“脱脂生物质”指经过如压榨(例如，使用螺旋式压榨机)等方式处理后的生物质，除去了生物质中的大量油脂。
“有效颗粒尺寸”指生物质具有的平均颗粒尺寸使酶得以催化本发明必需的化学反应。“有效水量、处理时间、pH值和温度”指可以使酶催化本发明必需化学反应的物质或条件的值。进一步，在本发明的方法中，颗粒尺寸、水量、持续时间、pH值及温度的单个的值应该与其他参数相匹配，如所用酶的量和性质。虽然本申请对于如何估量这些数值提供了指导，并为本发明一些优选实施例设定了具体数值，但是本领域技术人员可以变换条件以及选择其他合适参数。当未给出具体参数值时，可以假定一个值来代表有效参数。
“生物质匀浆(Biomass slurry)”指生物质和水的混合物。
“酶”指一类可以作为生化催化剂的蛋白质分子。
“酶反应产物匀浆”指对生物质进行酶处理后获得的一系列生物质产物的混合物。
“油相”指分离酶反应产物匀浆获得的一类产物。虽然该相会含有溶质、颗粒物及水，但是其含量较之固相和水相为少。“油相”主要含可食用油。
“水相”指分离酶反应产物匀浆获得的一类产物。虽然该相会含有溶质(如，蛋白质分子)、颗粒物及油，但是其含量较之固相和油相为少。“水相”至少含可食用的生物质汁和可循环水。
“固相”指分离酶反应产物匀浆获得的一类物质。虽然该相在分离后会含有一些液体，但是液体(水和油)的含量比水相和油相少。“固相”至少含有可食用的生物质残渣和生物质蛋白质。
“纯化”指从物质中去除部分杂质的过程。纯化后，仍会有一些杂质残余。
“可循环水产物”指分离水相而获得的产物。虽然该产物会含有一些溶质、颗粒物、或油，其含量较之生物质汁为少。“可循环水产物”主要为一定品质的水(以工业效率及环境管理标准来衡量)，可以用来与生物质混合形成生物质匀浆。以这种方式应用时，可以减少或去除废水排放而减轻污染。
“生物质汁浓缩物”指分离水相而获得的产物。该产物为至少含有水及生物质蛋白的混合物。根据所选用的分离水相的方法不同，“生物质汁浓缩物”可以含有会产生甜味和/或香味的成分。当生物质汁用作现成的饮料时，这些属性就非常重要。
“生物质残渣产物(Biomass grate product)”指分离固相而获得的产物。虽然该产物会含有油、水、及生物质蛋白产物，其主要含碱提取过程中不溶的生物质残渣(如，纤维素)。
“生物质蛋白产物”指分离固相而获得的产物。虽然该产物会含有油、水、及生物质残渣产物，其主要含蛋白质分子。
“真空干燥”指在温度高于气温且压力低于一个大气压(101.3KPa)下去除生物质产物中水分的一种处理方法。
“短路蒸馏”指用短路蒸馏装置对液体混合物进行气化，然后差分冷却进行冷凝以收集成分的方法。
“大约”指+/-5％范围内(不包括pH值)。如，“大约10微米”即“9.5微米至10.5微米范围内”。当涉及pH值时，指+/-0.2范围内。如，“pH值大约10”指“pH值在9.8至10.2之间”。
“游离脂肪酸”指具有游离羧基的脂肪酸分子，从而不是甘油酯。
“膜分离方法”指一种方法，膜的使用为其中一个部分，膜至少对水分子是透过性的，但是对于体积大于水分子的其他分子(如，蛋白质、糖类)是不可透过性的。
“超滤”指借助一种水、无机盐、有机小分子(如，葡萄糖)可透过，而大分子(如，白蛋白)不可透过的膜，在压力驱动下进行膜分离的方法。
“反渗透”指借助一种水、有机小分子(如，酒精)可透过、而大分子(如，白蛋白)、无机盐、及其他非离子性有机化合物(如，果糖)不可透过的膜，在压力驱动下，让液体自膜的高浓度侧向低浓度侧流动的一种膜分离方法。
“原生物质(raw biomass)”指新鲜的生物质(如，没有经过干燥、或脱脂)。
“平均颗粒尺寸”指所取颗粒样品直径的算数平均值。
“果胶酶”指可以催化果胶水解的酶。
“纤维素酶”指可以催化纤维素水解的酶。
“半纤维素酶”指可以催化半纤维素水解的酶。
“糖酶”指催化糖水解的酶。
“按比重分相”指依据产物各相的比重实现相分离的方法。
“离心分离”指借助离心力实现各相依据比重而分离的方法。
“蛋白质分离方法”指任何可以将蛋白质分子自水、其他生物分子(如，类脂)或其他蛋白质分子中分离出来的方法。例如，本发明中的方法可以根据蛋白质分子大小、结合特异性、电荷、溶解性实现其分离。
“蛋白质溶解方法”指对含有不溶蛋白质的溶液进行处理，直到该蛋白质分子基本溶解的方法。
“碱提取”指使用具有碱性pH值的溶液将蛋白质分子从固体中提取出来。
“稀溶液”指浓度小于5摩尔/升的溶液。
“等电沉淀方法”指降低蛋白质溶液pH值以沉淀出蛋白质分子的方法。
不同方法的各个优选参数(包括但并不限于，生物质的平均颗粒尺寸、温度、pH值、酶的类型、酶处理时间)可以单独适用于具体的处理方法，也可以用于各种方法步骤的组合。
本发明中的方法使用的原料生物质具有有效的颗粒尺寸。可以从未加工生物质、干燥、或脱脂生物质中获得该原料。假如使用脱脂生物质，本发明中的方法获得的生物质油很少。
为了提高酶解的效率，可以用研磨或切碎方式减小生物质的平均颗粒尺寸。用这种方式减小颗粒尺寸，将会有助于酶解。通常可以用食品级磨(如，Szego磨)来磨碎。本发明中平均颗粒尺寸较好为大约0.1至大约50微米，更好为大约1至大约15微米，优选5至10微米。优选的平均颗粒尺寸取决于颗粒处理条件，并可以由本领域普通技术人员容易地确定。
向生物质中加水可以显著提高酶解反应的产量。加水的操作可以在磨碎处理之前、之中、或之后。因为磨碎处理会产生热效应，本发明优选实施例在磨碎处理前加入水，可以最大程度降低热效应对生物质中热敏性物质的损伤(如，生物质蛋白)。向有效尺寸的生物质颗粒中加水就形成生物质匀浆。较好地，生物质匀浆含有大约1份生物质和大约1至大约20份水(w/v)；更好地，生物质匀浆含有大约1份生物质和大约5至大约10份水；优选地，生物质匀浆含有大约1份生物质和大约10份水。在一优选实施例中，使用室温下的水或加入前加热的水。较好地，水温为大约23℃至大约60℃；更好地，水温为大约23℃至大约40℃；优选地，水温为大约35℃。
可以对生物质匀浆的温度和pH值进行调整，使之有利于酶解反应的进行。根据选用酶的类型以及其他参数，应该在加入酶之前依照酶供应者的推荐调整pH值和温度。在一优选实施例中，在加入酶之前对生物质匀浆进行了加热。生物质匀浆的温度较好为大约23℃至大约75℃，更好为大约40℃至大约65℃，优选大约50℃。在另一优选实施例中，在加入酶之前事先调整生物质匀浆的pH值为大约3至大约6.5，更好为大约4至大约5.5，优选大约4.5。为了获得优选的降低的pH值，可以加入合适的酸。为达到该目的，优选食品级的酸，如食品级磷酸。
制得生物质匀浆后，接着进行酶解步骤。多种市售的酶可以有效地满足本发明中酶解处理的需要。通常，这些酶由生产商推荐，用于降解植物材料的细胞结构，比如含有生物质油的细胞壁组织(如，纤维素和半纤维素)。各种酶可以单独使用也可以与其他有效的酶结合使用以获得需要的特定结果。用于本发明处理的酶的优选类型包括果胶酶、糖酶、纤维素酶和半纤维素酶及其组合型。特别优选一种果胶酶、糖酶、纤维素酶和半纤维素酶的组合。本发明中具体使用的酶包括Pectinex 3xL(一种果胶酶)、SP-249(一种糖酶)、Celluclast 1.5L(一种纤维素酶)、Gamanase(一种半纤维素酶)。这四种酶均可从Novo Nordisk(丹麦)购买。本发明的方法中优选采用Gamanase。
欲提高酶解过程的效率，应该选择有效的酶量、有效的温度、pH值、以及酶处理时间。单个参数的设置需要参照所使用的酶的类型以及该酶解反应中的其他参数。酶的生产商一般会在这些方面提供较多指导。在一优选实施例中，所使用的酶量为生物质质量的大约0.1％至大约5％，更好为大约1％至大约3％，优选大约2％。酶处理可以在任意合适的容器中进行(如，搅拌槽)。优选的酶处理时间为直到生物质中的油脂完全或几乎完全解离出夹所需时间。依据不同的处理参数和酶的类型，酶处理时间通常在大约3至大约36小时。酶处理时间较好为大约5至大约30小时，更好为大约7至大约24小时，优选大约20小时。在处理过程中，可以先搅拌一段时间然后停止搅拌一段时间(可以在同一或不同容器中进行，如沉清槽)。比如，加入酶以后，让匀浆在升高的温度(如50℃)下搅拌酶解5个小时，然后在同样温度下不搅拌放置15个小时。在酶解处理过程中，匀浆中的生物质降解为各组成成分，得到酶解产物匀浆。此时，可以通过测定酶解产物中油脂的含量推断反应的进程。当酶解产物匀浆中的油脂产量几乎达到原料生物质中油脂含量时，可以终止酶解处理。
酶处理后，接着进行酶解产物匀浆各成分的分离。虽然多种分离技术可以达到该目的，按比重分相(如，按比重沉淀或离心)方法较好，优选离心方法。离心参数可由本领域普通技术人员很容易地确定。工业离心机的有效设置为3000-6000Xg。如果使用实验室离心机，已证明配置固定转头的IEC的有效设置为9000Xg。由该分离过程至少可以获得三个相(1)固相，(2)水相，(3)油相。可以利用各相之间互相污染的程度来评价分离的效果。分离过程中也可能会产生乳液相。消除该相也是本发明的目的之一。该乳液相一般包括油和水的混合物，并由可溶性表面活性蛋白所稳定。向乳液层中加入酸或对其加热可以将该层分离为油和水。获得的水层和油层可以分别加入先前获得的水相和油相中。下面的内容是由酶解产物匀浆分离得到的三个主要相的进一步继续处理。油相油相中的生物质油有较佳的品质。因为酶处理对生物质各成分(包括油脂)相对比较温和，所以获得的油可以直接使用而不需进一步处理。因为此原因，获得的生物质油保持了天然的口味和香气，品质优于传统工业方式生产的RBD(精炼，脱色，除味)生物质油。进一步地，该酶处理相对于传统工业生产获得了一定比例的回收。
虽然酶处理后得到的油的品质已经较高，但是如果对油相进行进一步纯化，品质将更好。对酶解产物匀浆进行分离后，油相会含有大约2％的水分。利用真空干燥可以减小残余水分，较好为少于大约1.0％(质量比)，优选少于大约0.1％。该添加的步骤可以减弱中性甘油三脂的水解。同样，可以利用短路蒸馏减少游离脂肪酸的质量使之少于大约2％(质量比)，优选少于大约0.5％。水相分离酶解产物匀浆获得的水相含有明显的、令人愉悦的生物质香味、略微的甜味、以及较低的粘性，并且可以直接使用而勿需进一步的加工。假如生物质匀浆的pH值低于大约5的话，该相通常会含有较高比例的生物质蛋白质。在此条件下蛋白质溶解于水相。
虽然不需要对该水相进一步处理就可以直接使用，但也可以将该相至少分离成可循环水和生物质汁浓缩物。通过对水相的进一步处理，蛋白质及其他需要物质的浓度会得到提高并保留在生物质汁浓缩物中。技术人员可以利用熟知的浓缩方法，如冰冻干燥。优选使用膜分离方法，如超滤或反向渗透(虽然超滤可能会导致香味的损失)。工业规模处理优选反向渗透。在分离前最好用巴氏法消毒水相，或在分离后消毒生物质汁。
从水相中提取可循环水产物是本发明的进一步目标。通常，可循环水产物中会保留一定的杂质，比如残留的糖及蛋白质分子。然而，利用本发明中的方法可以降低杂质量并提高可循环水产物品质，使之可以循环使用。换言之，可循环水产物可以用于处理开始时添加的水(

图1)。水的循环使用减少了生物质酶处理过程的污水排放。本发明中该操作的潜在优势还在于节约开支、减少法律责任、及提高企业形象。固相分离酶反应产物匀浆获得的固相是可以食用的。需要的话，也可以进一步处理以获得生物质残渣产物和生物质蛋白产物。可以用常用的蛋白质分离方法分离这些物质。优选首先用碱提取来溶解蛋白质。在本发明优选实施例中，固相中的蛋白质在有效pH值下提取到碱性水溶液中，通常的pH值在大约9至大约12.5，更好为大约10至大约12，优选大约11至大约12。可以采用任何有效的碱性溶液，包括氢氧化钠和氢氧化钾。优选稀释的氢氧化钠溶液。通常，相对于固相物质加入水的比例为大约1份固相比大约10至大约20份水(w/v)；优选大约1份固相比大约15份水。然后加入碱性溶液以提高固相与水混合物的pH值，使之达到有效pH值。在碱提取过程加入额外的碱溶液以维持固相和水混合物的有效pH值。碱溶液可以溶解固相中的大量蛋白质。蛋白质溶解后，对含有溶解蛋白质的滤液进行酸化可以沉淀蛋白质。等电沉淀使用的酸性水溶液的pH值在大约4至大约6，更好为大约4至大约5，优选大约4.5。沉淀的蛋白质显白色并且基本不带生物质气味。可以通过常规方法分离沉淀的蛋白质，优选离心分离。
对固相的分离还可以获得高植物纤维含量的生物质纤维。不用进一步处理，生物质纤维产物就可以食用。同时也可以用合适方法进行干燥以获得商业上更成熟的产品。比如，喷雾干燥方法。
不拘泥于理论，本发明使用酶降解生物质的组织结构以让其中存储的油脂释放出来。结果是，不用常规的粗式提取方法(如，压榨或挥发性溶剂提取)就可以将生物质油从剩余的生物质成分中提取出来。进一步地，温和的酶处理过程允许其他生物质成分的有效回收(如，生物质蛋白、生物质纤维、及生物质汁浓缩物)。这样，本发明提供了一种生物质多功能应用的经济的、整体化的方法。
虽然，通过本发明中的方法使这些来自生物质的产物不需进一步加工就可以直接用作食品级成分是本发明目的之一，这些产物也可以用作动物饲料、或其他工业应用。比如，通过本发明中的方法获得的生物质油是食品级的，也可以掺入其他可食用产品(如，烹调油、烘烤配料或调味素)。另外，生物质油也可用作工业用途，如用作清洁剂、肥皂、乳油、及洗发液。
进一步地，利用本发明方法回收的其他生物质产物(包括生物质残渣产物、生物质蛋白产物、生物质汁浓缩物和可循环水产物)可以直接用作食品级材料和掺入食品中。比如，这些来自生物质的产物可以用在大量营养食品中(如，天然饮品、饮料及饮料混合物)。虽然这些产物的其他应用也为本领域技术人员所熟知，但是生物质残渣产物作为糠及其他富含纤维材料的替代品具有特别的意义。同时，通过本发明中方法回收的蛋白产物具有较高的蛋白含量，也可以用作大豆蛋白的替代品。这些应用还非限定地包括用作肉类添加物、已加工食品、保健食品、运动饮料混合物、婴儿食品及烘烤食品。
尽管本发明已经参照优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改、变化、和等同物由所附的权利要求书的内容涵盖。
其他实施例涵盖在权利要求中。
权利要求
1.生产可食用生物质产物的方法，包括将有效颗粒尺寸的生物质与有效量的水混合形成生物质匀浆；在有效pH值和温度条件下使用至少一种酶经有效时间处理生物质匀浆生成酶解产物匀浆；以及分离所述酶解产物匀浆，至少形成一油相、一水相、及一固相。
2.根据权利要求1所述的方法，包括油相的纯化。
3.根据权利要求1所述的方法，包括水相的分离，至少产生一种可循环水产物及生物质汁浓缩物。
4.根据权利要求1所述的方法，包括固相的分离，至少形成一种生物质残渣产物和生物质蛋白产物。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述纯化方法是真空干燥。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述纯化方法是短路蒸馏。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述纯化后的油相所含游离脂肪酸的质量比低于大约0.5％。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述纯化后的油相所含游离脂肪酸的质量比低于大约0.1％。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述纯化后的油相所含水的质量比低于大约0.5％。
10.根据权利要求5所述的方法，其中所述纯化后的油相所含水的质量比低于大约0.1％。
11.根据权利要求3所述的方法，其中所述的有效量的水取自可循环水产物。
12.根据权利要求3所述的方法，其中所述水相的分离使用的是膜分离方法。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述膜分离方法为超滤。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述膜分离方法为反向渗透。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物质来自原生物质。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物质的平均颗粒尺寸为大约10微米。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物质匀浆包括大约一份生物质和大约1至大约20份水。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物质匀浆包括大约一份生物质和大约5至大约10份水。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述pH值为大约4至大约6。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述酶占所述生物质的质量比至少为大约0.1％至大约3％。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述酶占所述生物质的质量比为大约2％。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度为大约25℃至大约75℃。
23.根据权利要求1所述的方法，其中所述处理时间为大约3至大约24小时。
24.根据权利要求1所述的方法，其中所述处理时间为大约15小时。
25.根据权利要求1所述的方法，其中所述酶选自由果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶、糖酶及其混合物组成的组。
26.根据权利要求1所述的方法，其中所述酶为半纤维素酶。
27.根据权利要求1所述的方法，其中所述酶反应产物匀浆由按比重分相而获得。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述按比重分相为离心分离。
29.根据权利要求4所述的方法，其中所述固相的分离是通过蛋白质分离方法而实施的。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述固相分离方法是通过蛋白质溶解方法而实施的。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述蛋白质溶解方法是碱提取。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述碱提取在pH值大约11至大约12下实施。
33.根据权利要求31所述的方法，其中所述碱提取包括氢氧化钠稀溶液的使用。
34.根据权利要求4所述的方法，其中所述生物质残渣产物干燥后所含水分的质量比低于大约6％。
35.权利要求4所述的方法，包括等电沉淀步骤。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述等电沉淀步骤是在pH值大约4至大约5条件下实施的。
37.根据权利要求4所述的方法，其中所述生物质蛋白产物至少占生物质蛋白总量的大约5％。
38.根据权利要求4所述的方法，其中所述生物质蛋白产物至少占生物质蛋白总量的大约10％。
39.权利要求3所述的方法，包括对生物质匀浆浓缩液进行等电沉淀步骤。
40.权利要求3所述的方法，包括对生物质匀浆浓缩液进行碱溶解步骤和等电沉淀步骤。
41.权利要求4所述的方法，包括碱溶解步骤和等电沉淀步骤。
42.根据权利要求40或41所述的方法，其中所述碱溶解在pH值大约11至大约12条件下实施，并且所述等电沉淀在pH值大约4至大约5条件下实施。
全文摘要
本发明涉及新颖的生物质酶解处理方法,可以实现对生物质各成分的分离。该方法有效地避免了若干成本高、耗时、及有潜在危险的传统的生物质处理步骤。本发明中的方法可以制备多种有用的及有价值的生物质产物,包括生物质油、生物质残渣、生物质蛋白、及生物质汁。
文档编号A23J1/00GK1423531SQ01807992
公开日2003年6月11日 申请日期2001年2月13日 优先权日2000年2月15日
发明者罗纳德·H·兰 申请人:利波詹尼克斯公司