CN108149506B

CN108149506B - 用酒糟生产高纯度纤维素、半纤维素及木质素的方法

Info

Publication number: CN108149506B
Application number: CN201810108510.9A
Authority: CN
Inventors: 禹果
Original assignee: Guizhou Huaqing Kewei Environmental Energy Co Ltd
Current assignee: Guizhou Huaqing Kewei Environmental Energy Co Ltd
Priority date: 2018-02-03
Filing date: 2018-02-03
Publication date: 2020-03-10
Anticipated expiration: 2038-02-03
Also published as: CN108149506A

Abstract

本发明公开了一种用酒糟生产高纯度纤维素、半纤维素及木质素的方法，其特征在于，它们的生产步骤包括：1）烘干碾磨；2）蛋白去除：使用生物酶对酒糟进行蛋白去除；3）有机溶剂高温高压处理：加入食品级有机溶剂水溶液进行高温高压处理；再固液分离，获得固体纤维素和液体组分；4）滤液沉淀：使用冷却水与滤液进行混合，静置沉淀得到木质素；5）剩余液体被送至真空蒸馏装置进行有机溶剂回收和水分蒸发，从而得到高纯度半纤维素。本发明分离出来的高纯度纤维素、半纤维素和木质素可以作为高价值功能性膳食纤维原料添加到各类食品中。本发明包括任何联合使用这些分离处理方法生产酒糟高纯度纤维素、半纤维素以及木质素。

Description

用酒糟生产高纯度纤维素、半纤维素及木质素的方法

技术领域

本发明涉及一种用酒糟生产高纯度纤维素、半纤维素及木质素的方法，具体而言，涉及一种利用物理、化学、生物三种组合联合的方法生产酒糟纤维素、半纤维素以及木质素的加工方法。

背景技术

各类谷物（高粱，小麦，玉米，大麦，大米等）在微生物发酵作用下将其所含的淀粉成分转化为乙醇，是白酒、啤酒、黄酒、以及酒精生产等发酵行业的基本生产原理。谷物经发酵、酒类与酒精提取后的剩余组分，俗称酒糟。酒糟通常含有较高水分，且有机物含量高，如直接丢弃或不妥善处置容易造成环境污染。同时由于谷物中的蛋白质、氨基酸、纤维等其他有价值组分在淀粉发酵产乙醇过程中的损失较少，仍存在于酒糟之中，因此如果不对酒糟加以利用，会造成资源的极大浪费。

膳食纤维通常不能被人体消化道酶分解，其主要成分是多糖类（纤维素、半纤维素）以及木质素。膳食纤维能改变肠道内的食物性质，改变其他营养物与化学物质的吸收方式，增加肠道内以及胃内的食物体积，可增加饱足感。同时膳食纤维能增强大肠内的菌落成分以及吸附肠道中的有害物质，从而促进人体健康。近年来，随着肥胖引起的高血糖高血压问题的不断增加，将膳食纤维作为高价值功能性纤维原料添加到各类食品中的需求也在提高。

目前，国内外尚未见到利用酒糟生产高纯度高价值纤维素、半纤维素以及木质素的报道。目前与此相关的发明专利申请包括CN 102356882 B（利用啤酒糟生产生物膳食纤维素的方法及其产品）、CN 105476031 A（酒糟膳食纤维及其生产方法）以及CN 102960742A（酶法提取酒糟中水溶性膳食纤维的方法）。

其中CN 102356882 B的方法与步骤包括：将啤酒糟加水磨浆，调pH 至5-6，静置20-40 分钟，过滤除去固体物质后再往滤液中加入5-10 重量百分比的蛋白酶，保温50-70摄氏度，酶解1-3 小时，调pH 值至中性，再次过滤去除固体物质后灭菌作为生物膳食纤维素产生菌培养基使用，或加入其它营养物质后灭菌再作为生物膳食纤维素产生菌培养基使用，再接种生物膳食纤维素产生菌，发酵生产生物膳食纤维素膜。可见此专利是利用啤酒酒糟中的营养物质作为生物膳食纤维素的培养基，继而采用发酵法生产生物膳食纤维素膜，并非从啤酒糟中分离纤维素、半纤维素以及木质素。

CN 105476031 A阐述了另一种酒糟膳食纤维生产方法。此方法涉及以下步骤：1）将酒糟和氯化钙进行搅拌反应，静置凝絮，再过滤收集凝絮物；2）加酸脱钙；3）使用碳酸钠进行碱处理；4）使用双氧水进行漂白处理；5）洗涤与干燥。可见此工艺所生产的酒糟纤维是纤维素、半纤维素和木质素的混合体，其核心在于使用高浓度的碱溶液对酒糟进行处理。由于在碱溶液处理之后没有对混合产物进行分离，所以得到的膳食纤维产物是纤维素、半纤维素以及木质素的混合物。

CN 102960742 A 阐述的水溶性膳食纤维的提取过程包含以下步骤：新鲜酒糟粉→调pH →控温酶解→离心→ pH 调至中性→浓缩→ 4倍体积95%乙醇沉淀→静置→过滤→干燥→称重得到水溶性膳食纤维。此工艺的主要核心步骤在于去除酒糟中的脂肪与蛋白质后，将常温下溶于95%乙醇的组分视为酒糟中的水溶性膳食纤维组分，然后经提取、过滤与干燥后得到水溶性膳食纤维。可见此种工艺得到的产物也是纤维素、半纤维素以及木质素的混合物。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用酒糟生产高纯度纤维素、半纤维素及木质素的方法，该方法采用了与背景文献完全不同的工艺方法，利用物理化学与生物的方法将酒糟纤维中的纤维素、半纤维素和木质素进行逐步的分离和纯化，得到高纯度的纤维素、半纤维素和木质素。由于膳食纤维中的关键三种成分在本发明所描述的技术条件下得以分离、纯化，因此使得酒糟纤维的营养价值和市场价值得以充分体现。同时本发明使用食品级的有机溶剂水溶液作为核心分离试剂，避免了由于使用高浓度碱溶液对酒糟进行处理使酒糟溶液颜色发黑并产生其他反应副产物；整个工艺过程中不对酒糟进行再次的生物发酵。

本发明的目的及其解决的主要技术问题是采用以下技术方案来实现的：一种用酒糟生产的高纯度纤维素、半纤维素及木质素，其特征在于，它们的生产步骤包括：

1）烘干碾磨：将水分含量处于40-90%的原酒糟烘干并且碾磨，使得酒糟的水分降至5-30%，粒径在65-300目之间；

2）蛋白去除：使用生物酶对酒糟进行蛋白去除；所述生物酶是蛋白酶或是蛋白酶与占蛋白酶含量1%-5%的纤维素酶的混合酶；

3）有机溶剂水溶液高温高压处理：加入食品级有机溶剂水溶液进行高温高压处理；然后再进行固液分离，从而获得固体纤维素和液体组分；所述食品级有机溶剂水溶液是含30%-60%食品级乙醇的水溶液，或是含0.1%-5%食品级乙酸乙酯以及40%-60%食品级乙醇的混合水溶液；

4）滤液沉淀：使用冷却水与滤液进行混合，静置沉淀得到木质素；

5）有机溶剂和水分蒸发：剩余液体被送至真空蒸馏装置进行有机溶剂回收和水分蒸发，从而得到高纯度半纤维素。

所述步骤1）使用的烘干方式为滚筒干燥、闪蒸干燥、烘箱干燥、冷冻干燥以及传统的自然干燥。

所述步骤1）的碾磨方式为锤式碾磨、盘式碾磨、对辊碾磨、针式碾磨，以及球磨。

所述步骤3）有机溶剂高温高压处理过程中，加工的温度在120-250摄氏度之间，加工的气压在450-4000千帕斯卡之间。

所述步骤3）固液分离工艺使用高速离心方式或是使用滤布或是膜过滤方式。

所述步骤3）之后使用1%的乙酸和0.5%的双氧水对纤维素固体进行漂白和纯化。

本发明与现有技术相比具有明显不同的特征并且实现了膳食纤维中三种主要成分的分离与纯化。由以上技术方案可知，本发明完全利用物理化学与生物的方法将酒糟纤维中的纤维素、半纤维素和木质素进行逐步的分离和纯化，使得酒糟纤维的营养价值和市场价值得以充分体现；同时使用食品级绿色无毒的有机溶剂水溶液作为核心分离试剂，避免了由于使用高浓度碱溶液对酒糟进行处理使酒糟溶液颜色发黑并产生其他反应副产物；该方法整个工艺过程中不对酒糟进行再次的生物发酵。分离出来的高纯度纤维素、半纤维素和木质素可以作为高价值功能性膳食纤维原料添加到各类食品中。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的用酒糟生产高纯度纤维素、半纤维素及木质素的方法具体实施方式、结构、特征及其效果，详细说明如后。

参见图1，一种用酒糟生产高纯度纤维素、半纤维素及木质素的方法，它们的生产工艺包括以下步骤：

（1）烘干碾磨。原酒糟的水分含量一般处于40-90%之间。第一步是通过烘干的方式将酒糟的水分降至5-30%之间，使得酒糟便于储存和后续加工。然后将烘干后的酒糟碾磨至65-300目之间。

（2）蛋白去除。酒糟的蛋白含量根据发酵谷物原料以及酿酒方式的不同而不同，一般酒糟蛋白质含量在10-30%之间。为了从酒糟中分离得到高纯度的纤维素、半纤维素以及木质素，第二步是通过生物的方式去除酒糟中的蛋白，通过使用生物酶溶解酒糟中的蛋白质，然后通过固液分离的方法得到水溶性蛋白和非水溶性纤维混合物。所述生物酶是蛋白酶或是蛋白酶与占蛋白酶含量1%-5%的纤维素酶的混合酶。

（3）有机溶剂高温处理。去除蛋白后，将固体酒糟纤维组分与食品级有机溶剂水溶液进行混合，然后在高温高压的条件下使得纤维中的木质素和半纤维素溶解，而在此条件下纤维素保持原有的固体状态。因此，纤维素固体能够在接下来的工艺中通过固液分离设备（比如离心机，压滤机等）得以分离。在取得纤维素固体以后，继而用双氧水和乙酸对纤维素进行进一步纯化和漂白，来获得高纯度纤维素。食品级有机溶剂可以是含30%-60%食品级乙醇的水溶液，或是含0.1%-5%食品级乙酸乙酯以及40%-60%食品级乙醇的混合水溶液。

（4）滤液沉淀。固液分离后的滤液部分含有大量的木质素和半纤维素。将滤液与冷却水进行混合并充分搅拌。在此过程中，木质素会在水中形成絮凝状，得以沉淀析出，从而得到高纯度木质素。

（5）有机溶剂和水分蒸发。在木质素分离以后，剩余液体被送至真空蒸馏装置进行有机溶剂回收和水分蒸发，从而得到高纯度半纤维素。

所述的步骤（1）中的碾磨装置可选用（但不局限于）锤式碾磨机，盘式碾磨机，对辊碾磨机，针式碾磨机、以及球磨机。

所述的步骤（3）反应的温度控制在120-250摄氏度之间，压力控制在在450-4000千帕斯卡之间。

实施例1：

在此实施例中，酒糟来自于贵州一家以高粱、小麦为主要发酵原料的白酒生产厂家。实验步骤参照图1。具体的实施步骤包括：

1）使用对流烘干的方法在60摄氏度的环境下对酒糟进行烘干，烘干后的酒糟水分为15.3%。然后使用锤式碾磨机对干酒糟进行碾磨，使碾磨后的物料可通过65目筛。

2）在从步骤（1）中获得的50克研磨后的干酒糟中加入100毫升蒸馏水和0.5毫升蛋白酶，水浴摇床培养2小时，温度为60摄氏度。

3）使用高速离心机对反应后酒糟进行固液分离（8000转每分钟，10分钟），从而分离水溶性蛋白和非水溶性纤维固体。

4）将分离得到的纤维固体转移至高温高压反应器中，加入100毫升含55%食用乙醇以及0.2%食用乙酸乙酯的的水溶液，加热至180摄氏度，反应器内气压增至1.1兆帕斯卡，维持此温度与压力条件20分钟。

5）使用高速离心机对步骤（4）反应后的混合液进行固液分离，得到纤维素固体和富含木质素与半纤维素的离心液。

6）使用1%的乙酸和0.5%的双氧水对纤维素固体进行漂白和纯化，得到高纯度纤维素；

7）滤液中加入100毫升冷却水，剧烈摇晃5分钟，然后通过离心机沉淀得到的固相组分即为高纯度木质素。

8）剩余液相组分被转移至真空蒸馏装置，通过蒸馏回收乙醇与乙酸乙酯，所得到的乙醇和乙酸乙酯可循环用于步骤4) 。

9）继续蒸发剩余水分得到高纯度半纤维素。

10）对分离出来的纤维素、半纤维素和木质素进行称量和主要成分分析，并计算分离效率。

通过此次试验，发现50克干酒糟能生产出11.3克纤维素，9.1克半纤维素和5.6克木质素。根据成分分析，发现纤维素的纯度为89%，半纤维素的纯度为78%，木质素的纯度为75%。

实施例2：

在此实施例中，酒糟是来自于贵州一家以大麦为主要发酵原料的啤酒厂家。实验步骤参照图1。具体的实施步骤包括：

1）使用对流烘干的方法在60摄氏度的环境下对酒糟进行烘干，烘干后的酒糟水分在10.7%。然后使用盘式碾磨机对此酒糟进行碾磨，使研磨后的酒糟颗粒可通过70目筛。

2）取3公斤研磨后的干酒糟置于15升生物反应器内，加入6升蒸馏水、30毫升蛋白酶（Alcalase）以及0.3毫升纤维素酶，设置温度为55摄氏度，搅拌速度为60转每分钟，反应时间为40分钟。

3）使用碟式离心机对反应后的酒糟进行固液分离，从而使得水溶性蛋白和非水溶性固体纤维得以分离。

4）将收集后的固体纤维组分转移至高温反应器中，加入60升含40%食用乙醇水溶液，加热至160摄氏度，反应器内气压增至0.6兆帕斯卡，维持此温度和压力30分钟。

5）使用高速离心机对反应后的混合液进行固液分离，得到纤维素固体和富含木质素和半纤维素的离心液。

7）在滤液中加入100升冷却水，搅拌2小时，然后沉淀离心得到的固相组分即为高纯度木质素。

8）剩余液相组分被转移至真空蒸馏装置，通过蒸馏回收乙醇，所得到的乙醇可循环用于步骤4)。

9）继续蒸发剩余水分得到高纯度半纤维素。

通过此次试验，发现3千克干酒糟能生产处0.5千克纤维素，0.7千克半纤维素和0.4千克木质素。另外，根据成分分析，发现纤维素的纯度为83%，半纤维素的纯度为71%，木质素的纯度为68%。

实施例3：

在此实施例中，酒糟来自于江苏一家以大米为主要原料的黄酒生产厂家。实验步骤参照图1。具体的实施步骤包括：

1）使用对流烘干的方法在55摄氏度的环境下对酒糟进行烘干，使烘干后的酒糟水分为18.5%。然后使用对辊式碾磨机对干米酒酒糟进行碾磨，使碾磨后的物料可通过75目筛。

2）在从步骤（1）中获得的200克研磨后的干酒糟中加入400毫升蒸馏水和2.0毫升蛋白酶，水浴摇床培养1.5小时，温度为60摄氏度。

3）使用高速离心机对反应后酒糟进行固液分离（9000转每分钟，8分钟），从而分离水溶性蛋白和非水溶性纤维固体。

4）将分离得到的纤维固体转移至高温高压反应器中，加入400毫升含40%食用乙醇的水溶液，加热至190摄氏度，反应器内气压增至1.2兆帕斯卡，维持此温度和压力25分钟。

5）使用高速离心机对步骤（4）反应后的混合液进行固液分离，得到纤维素固体和富含木质素和半纤维素的离心液。

7）滤液中加入500毫升冷却水，剧烈摇晃10分钟，然后通过沉淀离心得到的固相组分即为高纯度木质素。

9）继续蒸发剩余水分得到高纯度半纤维素。

通过此次试验，发现200克干酒糟能生产出42.5克纤维素，35.8克半纤维素和21.4克木质素。根据成分分析，发现纤维素的纯度为91%，半纤维素的纯度为82%，木质素的纯度为80%。

本发明完全利用物理化学与生物的方法将酒糟纤维中的纤维素、半纤维素和木质素进行逐步的分离和纯化，使得酒糟纤维的营养价值和市场价值得以充分体现；同时使用食品级绿色无毒的有机溶剂作为核心分离试剂，避免了由于使用高浓度碱溶液对酒糟进行处理使酒糟溶液颜色发黑并产生其他反应副产物；该方法整个工艺过程中不对酒糟进行再次的生物发酵。分离出来的高纯度纤维素、半纤维素和木质素可以作为高价值功能性膳食纤维原料添加到各类食品中。本发明包括任何联合使用这些分离处理方法生产酒糟高纯度纤维素、半纤维素以及木质素。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种用酒糟生产高纯度纤维素、半纤维素及木质素的方法，其特征在于：它们的生产步骤包括：

3）有机溶剂高温高压处理：加入食品级有机溶剂水溶液进行高温高压处理；然后再进行固液分离，从而获得固体纤维素和液体组分；所述食品级有机溶剂水溶液是含30%-60%食品级乙醇的水溶液，或是含0.1%-5%食品级乙酸乙酯以及40%-60%食品级乙醇的混合水溶液；

5）有机溶剂和水分蒸发：剩余液体被送至真空蒸馏装置进行有机溶剂回收和水分蒸发，从而得到高纯度半纤维素；

步骤3）加工的温度在120-250摄氏度之间，加工的气压在450-4000千帕斯卡之间。

2.根据权利要求1所述的用酒糟生产高纯度纤维素、半纤维素及木质素的方法，其特征在于：步骤1）使用的烘干方式为滚筒干燥、闪蒸干燥、烘箱干燥、冷冻干燥以及传统的自然干燥。

3.根据权利要求1所述的用酒糟生产高纯度纤维素、半纤维素及木质素的方法，其特征在于：步骤1）的碾磨方式为锤式碾磨、盘式碾磨、对辊碾磨、针式碾磨，以及球磨。

4.根据权利要求1所述的用酒糟生产高纯度纤维素、半纤维素及木质素的方法，其特征在于：步骤3）固液分离工艺使用高速离心方式或是使用滤布或是膜过滤方式。

5.根据权利要求1所述的用酒糟生产高纯度纤维素、半纤维素及木质素的方法，其特征在于：所述步骤3）之后使用1%的乙酸和0.5%的双氧水对纤维素固体进行漂白和纯化。