CN102368902A - 玉米蛋白组合物 - Google Patents

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Abstract

公开了一种在设置为由发酵产物生产乙醇和酒糟的系统中由原料生产生物制品的方法。公开了一种被设置为将原料加工成发酵产物和包括乙醇和粗粉的生物制品的系统。公开了一种在生物精炼系统中由原料所生产的发酵产物所生产的生物制品。

Description

玉米蛋白组合物
相关申请的交叉引用
本申请要求以下申请的优先权并特意引入以供参考：(a)2008年12月31日提交的题为“EXTRACTION OF ZEIN FROM FERMENTEDCORN(从发酵玉米提取玉米蛋白)”的美国临时专利申请第61/196,720号(为美国专利申请第12/347,566号)；(b)2008年12月31日提交的题为“EXTRACTION OF ZEIN FROM FERMENTINGFRACTIONATED CORN(从发酵分级玉米提取玉米蛋白)”的美国临时专利申请第61/207,868号(为美国专利申请第12/347,743号)；(c)2009年3月18日提交的题为“EXTRACTION OF ZEIN FROMFERMENTED CORN(从发酵玉米提取玉米蛋白)”的美国临时专利申请第61/161,313号；(d)2009年3月18日提交的题为“EXTRACTIONOF ZEIN FROM FERMENTING FRACTIONATED CORN(从发酵分级玉米提取玉米蛋白)”的美国临时专利申请第61/161,318号；(e)2009年3月18日提交的题为“ZEIN EXTRACTION AND RECOVERY(玉米蛋白提取和回收)”的美国临时专利申请第61/161,322号；和(f)2009年3月18日提交的题为“ZEIN EXTRACTION AND RECOVERY(玉米蛋白提取和回收)”的美国临时专利申请第61/161,325号。
政府权益声明
依据与能源部的合同第DE-FG36-08GO8033号，政府在本申请要求权利的发明中享有权利。
技术领域
本申请涉及一种用于从发酵产物提取蛋白质的系统。本申请还涉及一种在由玉米生产乙醇中用于从发酵固体提取玉米蛋白的系统。本申请还涉及提取的玉米蛋白的组合物，包括α-玉米蛋白、β-玉米蛋白和γ-玉米蛋白。
背景技术
玉米蛋白是一组可从玉米或含玉米蛋白质的基质如玉米蛋白粉(corn gluten meal)中提取的植物蛋白质。美国食品与药物管理局将玉米蛋白归类于GRAS(公认安全的)，其具有许多商业用途包括制造可食用的食品包装、可食用膜、生物可降解的塑料树脂、胶姆糖胶基、片剂包衣化合物、粘合剂、纸杯涂层、汽水瓶盖衬里(lining)等。玉米蛋白还可加工成树脂和其它可被挤压或轧成多种塑料制品的生物塑料聚合物。
玉米蛋白属于一类称为醇溶谷蛋白的蛋白质，可溶于醇。玉米蛋白包括玉米中总蛋白的约百分之四十至五十，或玉米粒的约百分之四。已将玉米蛋白进一步分成四个亚类：α-玉米蛋白、β-玉米蛋白、γ-玉米蛋白和δ-玉米蛋白。α-玉米蛋白是主要商业化使用的玉米蛋白，占玉米中玉米蛋白的约百分之七十。β-玉米蛋白约占玉米中玉米蛋白的百分之五。γ-玉米蛋白占玉米中玉米蛋白的约百分之二十至二十五，δ-玉米蛋白占玉米蛋白的约百分之一至五。各个玉米蛋白型(α、β、γ和δ)具有不同的氨基酸构型(profile)，表现出略微不同的性质。可从玉米或玉米加工的副产物中提取并回收玉米蛋白。
玉米蛋白粉是湿磨生产乙醇的一种副产物，因其蛋白质含量为百分之六十或更高，是用于玉米蛋白提取的代表性起始物。二氧化硫或其它在玉米蛋白粉的制备过程中(如在浸泡过程中)可能使用的化学品对玉米蛋白的质量可能有不利影响。
可由谷物类原料(如玉米)、纤维素原料(如柳枝稷或玉米芯)、或其它植物原料(如甘蔗)生产乙醇。由玉米生产乙醇产出适合用作玉米蛋白提取的起始物的发酵产物(如副产物)。
在湿磨过程中，由玉米生产乙醇通过首先在含有二氧化硫的水中浸泡玉米粒，然后将玉米粒分成胚乳、纤维和胚芽。进一步处理胚乳以生产淀粉和可干燥成为玉米蛋白粉的玉米麸质。玉米蛋白粉可包括至少百分之六十的蛋白质，在商业化的玉米蛋白生产中通常将其用作玉米蛋白提取的起始物。二氧化硫或其它在玉米蛋白粉的制备过程中可能使用的化学品可能对玉米质量有不利影响。
也可用干磨法由玉米生产乙醇。在干磨法中，将含淀粉的原料如玉米，磨成粉末并用水和酶调成浆液。可蒸煮浆液以使淀粉液化并促进糖化作用。可添加额外的酶以完成糖化作用，以将淀粉分解成可使用产乙醇类(ethanologen)(如酵母)发酵的单糖(如葡萄糖)。发酵生产发酵产物，包括液体部分或组分和固体部分或组分。液体部分包括乙醇和水及可溶性组分。剩余的固体包括例如蛋白质、纤维、油和其它不可溶的组分。
可将包括液体组分和固体组分的发酵产物蒸馏，以分离乙醇和总酒糟(例如湿固体或发酵固体)。总酒糟包括剩余的固体和水，并可将其进一步分离成湿饼(wet cake)和稀酒糟。可将湿饼(湿的固体)干燥成粗粉如干酒糟(DDG)；可将稀酒糟还原成糖浆并在干燥过程中将其加入到湿饼或粗粉中，以生产具有可溶物的干酒糟(DDGS)。粗粉如DDG和DDGS可用作动物饲料产品。
根据一种不同的方法，如美国专利申请公开第2005/0239181号中所述，可将淀粉转化成糖类并在无需“蒸煮”或液化的生淀粉工艺中发酵。可利用生淀粉工艺避免对蛋白质和浆液的其它组分的热破坏。
可用不使用二氧化硫的干式分提法代替湿磨法将玉米分级分离成胚乳、纤维和胚芽。可通过分级分离和通过从发酵中除去淀粉中较少的纤维和胚芽，减少发酵产物中剩余固体的量。胚乳主要由淀粉和蛋白质组成，并存在少量的纤维和油。玉米蛋白也主要集中于胚乳中；超过一半的胚乳蛋白由玉米蛋白构成。在发酵胚乳时，残留固体包括高浓度的玉米蛋白。胚乳发酵中干燥的残留固体富含蛋白质，导致了被称为“高蛋白干酒糟”(DDG HP)的粗粉。
干酒糟(DDG)包含玉米蛋白，但如果对产物进行化学处理或加热，不能回收到高比例或高质量的玉米蛋白。
提供一种用于从发酵产物中提取蛋白质的系统将会是有益的。提供一种在设置为由发酵产物生产乙醇和酒糟的系统中由原料生产生物制品的方法也将是有益的。提供一种被设置以将原料加工成发酵产物和包括乙醇和粗粉的生物制品的系统也将是有益的。提供一种在生物精炼系统中由原料所生产的发酵产物生产的生物制品也将是有益的。
发明内容
本发明涉及一种在设置为由发酵产物生产乙醇和酒糟的系统中由原料生产生物制品的方法。该方法包括将原料加工成含淀粉组分和产生包括含淀粉组分的浆液的步骤。该方法包括将浆液的含淀粉组分制备成用于发酵的可发酵组分，并将浆液的可发酵组分中的至少一部分发酵成发酵产物的步骤。该方法包括将发酵产物加工成包括乙醇和酒糟的生物制品并从发酵产物生产包括玉米蛋白组合物的生物制品的步骤。
本发明涉及一个被设置为将原料加工成发酵产物和包括乙醇和粗粉的生物制品的系统。该系统包括用于将原料加工成含淀粉组分从而能够形成包括含淀粉组分的浆液的磨粉机。该系统还包括被设置为容纳浆液并用于将含淀粉组分的可发酵组分发酵成发酵产物的容器。该系统包括用于从发酵产物中回收乙醇并将湿固体物质从发酵产物中分离以干燥成粗粉的蒸馏系统。该系统包括用于从发酵产物中提取包括玉米蛋白组合物的生物制品的系统。发酵产物包括蛋白质组分，玉米蛋白组合物包括发酵产物的蛋白质组分的至少一部分。
本发明涉及在生物精炼系统中由原料所生产的发酵产物所生产的生物制品。生物制品包括包含α玉米蛋白和β玉米蛋白以及γ玉米蛋白的玉米蛋白组合物。已从发酵产物的蛋白质组分提取该玉米蛋白组合物。
附图说明
图1为乙醇生产设施的示意图。
图2A至2C为乙醇生产设施的示意框图。
图3A至3C为乙醇生产工艺的工艺流程图。
图4为乙醇生产设施中所用设备的示意框图，包括从发酵的固体提取玉米蛋白的系统。
图5A至5B为用于从生淀粉干固体(DDG)和生淀粉胚乳干固体(DDG HP)提取玉米蛋白的系统的工艺流程图。图5A为采用碾磨法的玉米蛋白提取的工艺流程。图5B为采用分级分离方法的玉米蛋白提取的工艺流程。
图6A至6B为用于玉米蛋白提取的系统的工艺流程图。图6A为从生淀粉胚乳发酵醪提取玉米蛋白的工艺流程。图6B为从湿饼提取玉米蛋白的工艺流程。
图7A至7C为发酵的固体的平均组成表。图7A为传统的、生淀粉、和胚乳发酵的发酵醪组成表。图7B为生淀粉发酵的湿饼组成表。图7C为传统的、生淀粉、胚乳发酵的干固体(DDG)组成表。
图8为传统的、生淀粉、和生淀粉胚乳发酵中发酵醪的平均组成图表。
图9为用于玉米蛋白提取的起始物中的平均蛋白质含量图表。
图10为玉米蛋白提取容器的工作条件和参数表。
图11为玉米蛋白提取工艺的参数和工作条件的图形表示。
图12为说明源于不同起始物的玉米蛋白提取产量的表。
图13为玉米蛋白组合物的示例性色谱图。
图14A至14C为提供实验提取数据的玉米蛋白的组成表。图14A为实验室规模下从发酵醪提取的玉米蛋白的组成表。图14B为在实验室规模下从高蛋白干酒糟提取的玉米蛋白的组成表。图14C为在中试规模下从高蛋白干酒糟提取的玉米蛋白的组成表。
图15为均质化和温度的影响的表。
图16为从不同的起始物提取的玉米蛋白溶液在不同的保存条件下玉米蛋白凝胶化的时间表。
图17A至17B为在不同温度下随时间推移的玉米蛋白的粘度图。图17A为从高蛋白干酒糟提取的玉米蛋白的粘度图。图17B为从玉米蛋白粉中提取的玉米蛋白的粘度图。
具体实施方式
图1为乙醇工厂的示意框图。可将在设置为从发酵产物生产乙醇和酒糟的系统中从原料生产生物制品的方法用于乙醇工厂。乙醇工厂可包括被设置为将原料加工成发酵产物和包括乙醇和粗粉的生物制品的系统。工厂包括用于生产玉米类乙醇的设施，且玉米蛋白可从发酵固体——一种发酵产物的组分——提取。发酵固体可包括发酵醪、发酵醪固体、湿固体、湿饼、或干固体、酒糟粉(meal distillers grains)(如DDG、DDGS、DDG HP)。乙醇工厂可利用不同的系统和方法，如传统的淀粉液化(例如，在其它工艺中，熟淀粉或生淀粉水解)来加工玉米(或其它类型的生物质)。
图2A至2C为乙醇生产设施的示意框图。图2A为用于采用传统的“熟淀粉”发酵工艺200的设施系统的示意框图。在由玉米生产乙醇的“熟淀粉”乙醇工厂中，加工玉米粒以将含淀粉物质(如胚乳)与其它物质(如纤维和胚芽)分离。然后将含淀粉物质与水调成浆体并使其液化以促进糖化作用，此时淀粉被转化成糖(葡萄糖)，并促进发酵，此时糖被产乙醇类(酵母)转化成乙醇。发酵的产物(发酵产物)为包括液体组分和固体组分的发酵醪。传统的乙醇工厂通常用到的一个工艺——含淀粉物质的液化通过在淀粉的凝胶化温度或高于此温度(通常在或高于60-75℃)“蒸煮”浆液而进行。
图2B为采用“生淀粉”发酵工艺的设施系统的示意框图。在“生淀粉”发酵中，可在没有“蒸煮”或液化(如在“熟淀粉”工艺中)的条件下转化和发酵淀粉。图2C为采用生淀粉胚乳发酵工艺204的设施系统的示意框图。在生淀粉胚乳发酵工艺中，将玉米粒分级分离成胚乳、胚芽和纤维。分级分离工艺是为了将含淀粉的胚乳与胚芽和纤维(淀粉少)分离。然后将胚乳供应到“生淀粉”发酵工艺中。
图3A至3C为乙醇生产工艺的工艺流程图。图3A为传统的乙醇生产工艺300的工艺流程图，并对应图2A中熟淀粉发酵产生干酒糟(DDG)或具有可溶物的干酒糟(DDGS)之处。图3B为包括生淀粉水解步骤的乙醇生产工艺302的工艺流程图，并对应图2B中生淀粉发酵产生DDG或DDGS之处。图3C为生淀粉胚乳乙醇生产工艺304的工艺流程图，并对应图2C中生淀粉胚乳发酵产生高蛋白干酒糟(DDGHP)之处。
乙醇生产设施中所用的用于从发酵固体(如DDG HP、DDGS、DDG、发酵醪和湿饼)中提取玉米蛋白的设备在图4中说明。基本相同的设备用于各个不同的发酵工艺(传统的、生淀粉、生淀粉胚乳)和各类不同的起始物(发酵固体、DDG HP、DDGS、DDG、发酵醪、湿饼)。根据一个示例性的实施方式，所用的原料为DDG HP。根据另一个实施方式，所用的原料可为DDG。
根据一个示例性的实施方式，玉米蛋白提取和回收工艺可包括三步：提取、精炼(如纯化)和回收。提取步骤通过溶解作用移动玉米蛋白；玉米蛋白可溶于含水醇。提取设备包括要投入发酵固体(其可通过锤磨机404加工)的反应容器402；发酵固体为图3A至3C所示的各乙醇工艺的产出物。
其它进到反应容器402的进料包括氢氧化钠(NaOH，任选的)、醇、水、蒸汽和酸(任选的)。根据一些实施方式，醇可选自包括C1至C7醇类(如甲醇、乙醇、或丙醇)的醇组合物。根据一些实施方式，该醇为乙醇。
根据一个示例性的实施方式，含水醇(或含水乙醇)溶液包括萃取剂，如基于起始物的干固体一定量的氢氧化钠。根据一个示例性的实施方式，使用高达7.0％的氢氧化钠。根据一个优选的实施方式，氢氧化钠的浓度为2.8％-4.0％。根据最优选的实施方式，氢氧化钠的浓度为3.2％-3.8％。
根据一个实施方式，将反应容器402的内容物倒入离心机中，如可调圆片喷嘴式离心机406(或篮式离心机)，以分离成固体组分和液体组分，包括乙醇和玉米蛋白。玉米蛋白可通过过滤精炼，并通过干燥或析出从液体组分中回收。
如所示，精炼或纯化步骤可包括使用多个设置以除去不同大小的物质的过滤器(或膜)(如不同孔径的滤膜)。第一个过滤器408可具有，例如一微米的孔径(例如微滤器)。设计第一个过滤器408以通过除去在分离步骤中未除去的悬浮固体而保护超滤膜。将固体送到罐410，对液体进一步处理以回收玉米蛋白。然后液体被传递到第二个过滤器412，其可以为截留10,000分子量的滤膜，用以除去小分子量的组分并浓缩玉米蛋白溶液。将截留物(如玉米蛋白/乙醇溶液)输送到贮罐414(容器或混合反应器)，对透过物进一步处理以回收乙醇(如通过蒸馏)。
通过干燥溶液(如用真空双滚筒干燥器416或脱溶剂器)从截留溶液(如从第二个过滤器412)中回收玉米蛋白。根据一些实施方式，可通过稀释醇浓度至玉米蛋白不再可溶(如50％(w/v)或更低)，使玉米蛋白溶液沉淀。
在一个实施方式中，可用沸石从玉米蛋白组合物中除去杂质。在将玉米蛋白溶液中的颜色和气味杂质有效吸收到沸石上的条件下，使包含于含水醇溶剂中的玉米蛋白的粗溶液与沸石吸附剂接触。可将处理过的溶液从吸附剂中分离，用以回收溶解在含水醇溶剂中的高质量的玉米蛋白。任选地，可通过使处理的溶液与活性碳吸附剂或活性炭和沸石吸附剂的混合物接触以除去更多的杂质(如残余的颜色或气味)。可用分批、半连续或连续系统进行该工艺。
图5A至5B图示从生淀粉发酵工艺中从干固体(DDG)和胚乳干固体(DDG HP)中提取玉米蛋白的工艺流程图。图5A图示从生淀粉发酵工艺(如，不用分级分离)中提取玉米蛋白的工艺流程502。DDG或DDGS 504用于玉米蛋白提取和回收506，可来源于乙醇生产工艺508干燥步骤510后。图5B图示有分级分离514的玉米蛋白提取的工艺流程512。在分级分离514过程中，将玉米胚芽和纤维516从胚乳518中分离并去除，余下胚乳518用于发酵520。乙醇生产工艺528中干燥526之后，DDG HP 522用于玉米蛋白提取和回收524。
图6A至6B图示玉米蛋白提取的工艺流程图。图6A图示从生淀粉胚乳发酵醪提取玉米蛋白的工艺流程602。在这种情况下，将玉米604分级分离606，以除去胚芽和纤维608，余下胚乳610用于发酵612。产生浆液614。发酵后发酵醪614用于玉米蛋白提取和回收616。图6B图示从湿饼中提取玉米蛋白的工艺流程616。如图示，玉米粒618经过分级分离620以从胚乳624中除去胚芽和纤维622。产生浆液626。将胚乳624糖化并发酵628成发酵产物，如发酵醪，其被分离630成示为稀酒糟632的液体组分、和示为包括湿饼634的固体组分。湿饼634用于玉米蛋白提取636和回收638。
图7A至7C为要用作玉米蛋白提取的起始物的发酵固体(DDG、DDG HP、DDGS、发酵醪和湿饼)的平均(代表商业化生产)组成表。
图7A为发酵醪组成表，也在图8中直观表示，其图示根据一个示例性的实施方式的实施例中所用的发酵醪的平均组成图表。呈现了源于三个不同类型的工艺的发酵醪的数据：传统发酵、生淀粉发酵和胚乳发酵。这些数为“原态(as is)”的状态。发酵醪组成和其它信息从六个实验中收集。
用于生淀粉发酵的湿饼组成在图7B中图示。湿饼的平均含湿量为69.1％，蛋白含量为干物质的31.0％。
图7C图示了用于传统发酵、生淀粉发酵和胚乳发酵的干固体(DDG)的组成表。图示的硫含量和蛋白质含量是平均组成，以干物质的百分比计。
用于玉米蛋白提取的起始物中的平均蛋白质含量902的图表示于图9。将各起始物的蛋白质含量分成两个子集(subset)，一个对应干基重(图表的左部)，一个对应“原态”状态下的起始物(图表的右部)。如图示，起始物可以是传统发酵醪、传统的DDGS、生淀粉发酵醪、生淀粉湿饼、生淀粉DDGS、胚乳发酵醪、和/或胚乳DDGS。浓度值表示为百分比。
图10图示了玉米蛋白提取的工作条件和参数的表。为各个溶剂∶固体比、用于发酵醪的溶剂∶固体比、溶剂乙醇浓度、氢氧化钠浓度、温度和提取时间提供了典型范围、优选范围和最优选的值或范围。这些参数和工作条件的图形表示在图11中说明。玉米蛋白提取的参数和工作条件的范围用嵌套的范围表示。典型范围用外部的确定值表示，优选范围用内部的确定值识别，最优选的值或范围在虚框内识别。
溶剂∶固体比1102为溶剂重量(结合乙醇和水)相对于固体的重量。溶剂∶固体的典型范围为4∶1至10∶1。溶剂∶固体比的优选范围为4∶1至7∶1。最优选的溶剂∶固体比为5∶1。
对于从发酵醪提取玉米蛋白1104，溶剂∶固体比的典型范围为6∶1至10∶1。溶剂∶固体比的优选范围为7∶1至10∶1。最优选的溶剂∶固体比为7∶1至8∶1。
溶剂乙醇的浓度1106为提取溶剂中乙醇的重量百分比浓度。溶剂乙醇的浓度的典型范围为40％至90％。溶剂乙醇的浓度的优选范围为50％至80％。溶剂乙醇的浓度的最优选的范围为60％至70％。
氢氧化钠浓度1108为基于干燥质的固体重量。氢氧化钠浓度的典型范围为0至5％。优选的范围为2.8％至4.0％。最优选的范围为3.4％至3.6％。
提取温度1110是提取容器中浆液的温度。玉米蛋白提取的典型温度范围为20至78摄氏度。玉米蛋白提取的优选的温度范围为50至75摄氏度。玉米蛋白提取的最优选的温度范围为68至70摄氏度。
提取时间1112为浆液保持在提取温度的持续时间。典型的提取时间为20至120分钟。优选的提取时间为25至60分钟。最优选的提取时间为28至30分钟。
实施例
进行实验和检测以评估源于不同的起始物和工艺的玉米蛋白的组成和产量。图12至17提供实施例相关的信息。
根据一系列实施例，从不同的起始物(发酵醪、湿饼和DDG)，从不同的乙醇工艺(熟淀粉发酵、生淀粉发酵和胚乳生淀粉发酵)中提取玉米蛋白组合物，以比较玉米蛋白的产量。在70摄氏度用70％的乙醇水溶液和3.5％的氢氧化钠(基于起始物的干固体)提取玉米蛋白30分钟。图12为说明示例性的玉米蛋白提取的产量的表。从DDG中提取(从生淀粉发酵中)比从“熟淀粉”发酵工艺(示为“传统发酵”)中从DDG提取回收更多的玉米蛋白。将玉米分级分离和生淀粉发酵相结合提供更优的提取效率(最好部分地由DDG HP更高的蛋白质含量说明)。
图13为在实验室规模从DDG HP提取的玉米蛋白的HPLC色谱的实例。所示为α-玉米蛋白(α玉米蛋白)、β-玉米蛋白(β玉米蛋白)和γ-玉米蛋白(γ玉米蛋白)。用此技术没有将β和γ-玉米蛋白的峰完全分开，β和γ的相对量记为两种类型的玉米蛋白的总和。
进行实验以研究从不同的起始物提取的玉米蛋白的产量和组成。图14A至14C为玉米蛋白的组成表，其详细说明产量和组成实验的结果。
在实验室规模下从发酵醪提取玉米蛋白以研究提取的玉米蛋白的产量和组成。图14A为在实验室规模从发酵醪提取的玉米蛋白的组成表。通过实验说明六个实施例，各工艺进行两个实验(传统发酵、生淀粉发酵和胚乳生淀粉发酵)。这些实验的起始物在图7A的表中说明。数据来源于使用有(“是”)或无(“否”)氢氧化钠(NaOH)的溶剂(乙醇)的实验性提取。如果未使用氢氧化钠，提取/回收的玉米蛋白中β-玉米蛋白和γ-玉米蛋白的含量为零或者极其接近于零，如图14A所示。使用氢氧化钠时，β-玉米蛋白和γ-玉米蛋白的含量明显较高(此实施例中高达约25.9％)。如图14A所示，回收的玉米蛋白的量，以克计，干基重几乎是不用氢氧化钠时回收的玉米蛋白的量的两倍。通过玉米蛋白的反相液相色谱(RP-HPLC)分析，得到玉米蛋白的α、β和γ-玉米蛋白组成。
开展研究以测定在实验室规模从高蛋白干酒糟中提取的玉米蛋白的产量和组成。数据来源于使用70％乙醇和3.5％氢氧化钠(基于起始物的干固体)的实验性提取。通过玉米蛋白的RP-HPLC分析，得到玉米蛋白的α、β和γ-玉米蛋白组成。在实验室规模源于高蛋白干酒糟的玉米蛋白的产量和组成的结果示于图14B。
生物制品包括玉米蛋白组合物，其包括以干重计玉米蛋白组合物的至少70％重量的蛋白质组分，和不超过10％重量的脂肪组分。蛋白质组分包括玉米蛋白组合物。
在中试规模从高蛋白干酒糟中提取玉米蛋白，以研究提取的玉米蛋白的产量和组成。数据来源于使用77kg溶剂和15.4kg干DDG HP的中试规模提取。根据从DDG提取玉米蛋白的一个示例性实施方式，用于玉米蛋白提取和回收的设备包括：用于提取的80升反应容器；48″x 30″多孔篮式离心机(商购于Sanborn Technologies of Walpole，Massachusetts)，以从玉米蛋白溶液中分离悬浮固体；含有聚醚砜7.9″UF 10,000分子量截留的膜的滤膜(商购于Parker Hannifin of Cleveland，Ohio)，以浓缩并除去玉米蛋白溶液中的杂质；和32″x 72″的真空双滚筒干燥器(商购于Buflovak of Buffalo，New York)，以从溶液中干燥玉米蛋白。通过对玉米蛋白的RP-HPLC色谱分析，得到玉米蛋白的α、β和γ-玉米蛋白的组成。玉米蛋白的产量和组成示于图14C。
从发酵醪中提取玉米蛋白，以研究均质化和温度对玉米蛋白提取回收的影响。根据一个示例性的实施方式，玉米蛋白提取方法包括将发酵过的发酵醪和50克(以干重计)固体，与足够的乙醇混合生产70％(w/w)的乙醇水溶液。用另外的70％(w/w)的含水乙醇进一步稀释该混合物，以生产溶剂∶固体比为9∶1的提取混合物。提取所需的乙醇和70％的含水乙醇的确切用量取决于发酵醪固体的含水量。
用含氢氧化钠或不含氢氧化钠的溶剂进行提取。如果使用氢氧化钠，加热前将2.3ml 50％(w/w)的溶液加入到溶剂中。在水浴中，在封闭的容器内分别将溶剂和发酵醪固体加热至70摄氏度。将热的溶剂和发酵醪固体混合，然后用功率设定在26的Polytron Model PT-2100均质器(购自Kinematica AG of Switzerland)均质化3分钟。
均质化后，用Model IEC HN-SII离心机(购自InternationalEquipment Co.of Needham Heights，MA)将混合物以5000rpm离心10分钟。将固体组分或部分风干并保留待分析。用6N的盐酸或50％(w/w)的氢氧化钠将液体组分或部分(含玉米蛋白)中和至约pH 7。通过在过冷水中(约0摄氏度)使溶液沉淀，回收液体部分中所含的玉米蛋白。用Beckman Model J-6B离心机(购自Beckman Coulter Inc.of Brea，CA)在4600rpm离心10分钟，将玉米蛋白从水中移出。弃掉液体，风干并分析玉米蛋白。
分析结果示于图15，其为说明均质化和温度对玉米蛋白提取回收的影响的表。根据一个实施方式，可通过在70摄氏度对原料均质化缩短提取时间。对各个传统发酵、生淀粉发酵和胚乳生淀粉发酵说明了两组回收值，其为理论值的百分比。每第一个值为30分钟搅拌、50摄氏度、70％乙醇和3.5％氢氧化钠(基于起始物的干固体)。第二个值为3分钟均质化、70摄氏度、70％乙醇和3.5％氢氧化钠(基于起始物的干固体)。将样品均质化提高提取效率，并还可将提取时间从30分钟减少到3分钟。
研究了不同提取起始物在不同温度下玉米蛋白的凝胶化时间。图16说明了从不同起始物中提取的玉米蛋白溶液在不同保存条件下的玉米蛋白的凝胶化时间表。在70摄氏度在50升的反应器(购自NorthlandStainless，Tomahawk，WI)中用70％的含水乙醇和3.5％的氢氧化钠(基于起始物的干固体)提取玉米蛋白20分钟。然后在配备有50微米孔的聚合滤布的20英寸x 9.5英寸的篮式离心机(购自SanbornTechnologies of Walpole，MA)中离心混合物以除去固体。将含有玉米蛋白的液体部分浓缩并通过10,000分子量截留的超滤膜(购自Parker-Hannifin of Cleveland，OH)纯化。
将玉米蛋白溶液分成三个样品：一个室温保存(约22摄氏度)，一个在5摄氏度保存，一个在40摄氏度保存。通过将300毫升样品倒入600毫升的Griffen烧杯，每天测量玉米蛋白溶液的粘度，用Brookfield Digital Viscosity Meter DV-I(购自Brookfield EngineeringLaboratories of Middleboro，MA)进行粘度测量。用Spindle 2以100转/每分钟检测溶液粘度。检测样品粘度直至样品形成凝胶。
研究了不同温度下玉米蛋白随时间推移的粘度，如图17A至17B所示。用厘泊(cP)表示的粘度沿纵轴显示，用天表示的时间沿横轴显示。图17A图示从高蛋白干酒糟中提取的玉米蛋白的粘度，图17B图示从玉米蛋白粉中提取的玉米蛋白的粘度。室温为22摄氏度，冰箱温度为5摄氏度，烘箱温度为40摄氏度。
对玉米蛋白溶液的初步粘度检测显示它们为非牛顿的和触变性的。从玉米蛋白粉中提取的玉米蛋白溶液(约100厘泊)表现出相比从高蛋白干酒糟中提取的玉米蛋白溶液(约200厘泊)较低的粘度，但相比从高蛋白干酒糟中提取的玉米蛋白溶液，其在室温24天和在40摄氏度12天后凝胶化之前达到超过700厘泊的粘度，从玉米蛋白粉中提取的玉米蛋白溶液在达到较低的粘度后凝胶化更快(室温17天和40摄氏度10天，二者均约为300厘泊)。粘度不同可能是由于从玉米蛋白粉中提取的玉米蛋白溶液因湿磨过程中所用的二氧化硫导致潜在损失，因而含有较低分子量的玉米蛋白肽。当在5摄氏度保存时，两种玉米蛋白溶液均经过3至4个月来凝胶化。
两种玉米蛋白溶液看起来也不同。从高蛋白干酒糟中提取的玉米蛋白溶液含有单一相，而从玉米蛋白粉中提取的玉米蛋白溶液包含两相，可通过实验室离心分离。室温保存时，底部相在不到一天内凝胶化，顶部相经过约38天凝胶化。
根据另一个不同的实施方式，生产生物制品包括通过将溶剂组合物用于发酵产物，并用溶剂组合物将发酵产物分离成玉米蛋白组合物和固体组分来提取玉米蛋白组合物。溶剂组合物包括一种制剂。该制剂可包括氢氧化钠。制剂可包括氢氧化钾。制剂可包括酸。制剂可包括盐酸。制剂可包括萃取剂。萃取剂可包括碱金属氢氧化物。萃取剂可为亚硫酸盐。萃取剂可包括焦亚硫酸钠。萃取剂可包括硫醇(phiol)。萃取剂可包括2-巯基乙醇。
根据各个实施方式，可通过加工改变玉米蛋白的各蛋白质的浓度，从而在有效范围内回收玉米蛋白，使其具有更特别适用于特定商业用途的组成(如通过提高β和γ-玉米蛋白的百分比以允许在需求强度的应用中有更多的用途)。
传统的玉米蛋白提取方法使用百分之七十的含水乙醇来提取玉米蛋白。公开的实施方式提供如下方法，其中提取后使乙醇浓度升高，优选为百分之九十。由于增加乙醇的百分比，更多的β-玉米蛋白和γ-玉米蛋白可从玉米蛋白溶液中沉淀出。
回收的玉米蛋白的产量取决于用于提取的时间、温度、粒径和含水乙醇的百分比。也可将氢氧化钠加入到溶剂中以提高玉米蛋白产量。在溶剂中使用氢氧化钠(如，作为萃取剂)还改变β和γ玉米蛋白的溶解度并能够提取β和γ玉米蛋白。也可使用其它萃取剂，如其它碱金属氢氧化物(如氢氧化钾)、酸(盐酸或硫酸)、或亚硫酸盐(如亚硫酸钠、硫酸氢钠或焦亚硫酸钠)。乙醇、萃取剂和起始物的相对体积会根据起始物的含湿量和目标乙醇浓度改变。
通过在50摄氏度或更高提取以及通过将3.5％的氢氧化钠或另一种还原剂添加到含水乙醇中，促进玉米蛋白回收。通过用氢氧化钠提高萃取溶剂的pH，玉米蛋白回收增加。降低pH也会增加回收的物质量，但回收的物质含蛋白较少。不调节溶剂的pH提取最少量的玉米蛋白。
术语“干酒糟”、“DDG”、“具有可溶物的干酒糟”、“DDGS”、“颗粒”、“颗粒状物质”、“成粒状物质”或类似术语可指微粒物。尽管可在乙醇工厂中发酵许多类型的生物质生产多种类型的微粒产物以被运送到其它位置，为说明本发明的物质特性和操作方面的目的，本申请自始至终讨论了生产干酒糟的玉米类乙醇工厂。
词语“示例性的”用来表示作为实例、例子或举例说明。不一定要将任何描述为“示例性的”方面或设计解释为相比其它方面或设计优选的或有优势的，也不是要排除本领域普通技术人员已知的等效的示例性结构和技术。相反，词语示例性的使用是为了以具体形式呈现概念，且公开的主题不被这些实施例限制。
术语“或”是要表示包括在内的“或”而不是排它的“或”。在详细的说明书或权利要求中术语“包括”、“具有”、“含有”和其它类似的词语所用的范围内，为避免疑义，这些术语意为包含在内的，以与术语“包括”相似的形式作为不排除任何附加的或其它的元素的开放性过渡词。
考虑到示例性的设备和方法，参照各图的流程图将更好地理解可根据本公开的主题实施的方法。但为了简化解释的目的，以一系列方框显示和描述方法，应当并且可以理解，要求保护的主题不被方框的顺序所限制，因为一些方框可能以与所描绘和叙述的不同的顺序发生和/或与其它方框同时发生。此外，并不是所有说明的方框都是在实施方法中所需要的。
值得注意的是，本申请所描述的和图中所示的本公开主题的元件的结构和设置仅仅是举例说明性的。尽管本公开中已经详细描述了一些实施方式，阅读此公开的本领域技术人员将容易理解，在本质上不背离所述主题的新教导和优点的条件下，许多修改是可能的(如不同元件的尺寸、规模、结构、形状和比例、参数值、安装设置、材料的使用、颜色、方向等)。例如，显示为整体形成的元件、界面的操作可以反转或以其它方式变化，可改变结构和/或部件或连接体或其它系统元件的长或宽，可改变设置在元件之间的调节位置的性质或数量。应注意，系统的元件和/或组件可由任何提供足够强度或耐久性、任何各种各样的颜色、质地和组合的任何各种各样的材料构成。因此，所有此类修改要包括在本公开的主题的范围内。在不背离本发明的精神的条件下，可在示例性实施方式的设计、工作条件和设置中做出其它替代、修改、变化和删除。

Claims (50)

1.一种在生物精炼系统中由原料所生产的发酵产物所生产的生物制品，其包括：
玉米蛋白组合物，包括α玉米蛋白、β玉米蛋白和γ玉米蛋白；
其中已从所述发酵产物的蛋白质组分中提取出所述玉米蛋白组合物。
2.如权利要求1所述的生物制品，其中所述玉米蛋白组合物包括，以干基重计，组合百分比为所述玉米蛋白组合物中所述玉米蛋白的至少4％重量的β玉米蛋白和γ玉米蛋白。
3.如权利要求1所述的生物制品，其中所述玉米蛋白组合物包括百分比为所述玉米蛋白组合物中所述玉米蛋白的至少68％重量的α玉米蛋白。
4.如权利要求1所述的生物制品，其中所述玉米蛋白组合物以干基重计包括：
所述玉米蛋白组合物的至少70％重量的蛋白质组分；和
不高于10％重量的脂肪组分；
其中所述蛋白质组分包括所述玉米蛋白组合物。
5.如权利要求1所述的生物制品，其中所述玉米蛋白组合物包括：
所述玉米蛋白组合物中玉米蛋白的至少68％重量的α玉米蛋白；及
β玉米蛋白和γ玉米蛋白。
6.如权利要求5所述的生物制品，包括至少4％组合重量的β玉米蛋白和γ玉米蛋白。
7.如权利要求1所述的生物制品，其中所述生物精炼系统包括具有以下步骤的方法：
(a)将原料加工成含淀粉组分；
(b)将所述含淀粉组分制备成用于发酵的可发酵组分；
(c)将所述可发酵组分的至少一部分发酵成发酵产物；
(d)由所述发酵产物生产包括玉米蛋白组合物的生物制品。
8.如权利要求7所述的生物制品，其中所述发酵产物包括发酵醪，且从所述发酵醪中提取所述玉米蛋白组合物。
9.如权利要求7所述的生物制品，其中所述发酵产物包括乙醇和酒糟。
10.如权利要求9所述的生物制品，其中所述酒糟包括湿固体。
11.如权利要求10所述的生物制品，其中所述湿固体包括湿饼。
12.如权利要求7所述的生物制品，其中所述生物精炼系统包括蒸馏系统，所述发酵产物被供应至所述蒸馏系统，并在所述发酵产物已被供应到所述蒸馏系统后进行提取所述玉米蛋白组合物的步骤。
13.如权利要求7所述的生物制品，其中生产所述玉米组合物的步骤包括将溶剂组合物应用于所述发酵产物的步骤，并且用所述溶剂组合物分离所述发酵产物中的固体。
14.如权利要求13所述的生物制品，其中所述发酵产物包括发酵固体，并且生产所述玉米蛋白组合物的步骤还包括碾磨所述发酵固体；将碾磨过的发酵固体供应到容器中；并且其中在所述容器中用所述溶剂组合物处理所述发酵固体；并用所述溶剂组合物分离所述发酵产物中溶解的固体。
15.如权利要求14所述的生物制品，其中所述发酵固体包括粗粉。
16.如权利要求14所述的生物制品，其中所述发酵固体包括干酒糟。
17.如权利要求7所述的生物制品，其中所述原料为玉米，并且加工所述原料的步骤包括碾磨。
18.如权利要求7所述的生物制品，其中所述原料为玉米，且加工所述原料的步骤包括将所述玉米分级分离成胚乳、胚芽和纤维，并且所述含淀粉组分包括基本没有胚芽和纤维的胚乳。
19.如权利要求7所述的生物制品，其中将所述含淀粉组分制备成所述可发酵组分的步骤包括液化。
20.如权利要求7所述的生物制品，其中将所述含淀粉组分制备成可所述可发酵组分的步骤包括生淀粉水解。
21.如权利要求20所述的生物制品，其中所述玉米蛋白组合物包括组合百分比为所述玉米蛋白组合物中所述玉米蛋白的至少4％重量的β玉米蛋白和γ玉米蛋白。
22.如权利要求20所述的生物制品，其中所述玉米蛋白组合物包括百分比为所述玉米蛋白组合物中所述玉米蛋白的至少68％重量的α玉米蛋白。
23.如权利要求20所述的生物制品，包括：
以干基重计占所述玉米蛋白组合物的至少70％的蛋白质组分；
以干基重计不高于10％的脂肪组分；
其中所述蛋白质组分包括所述玉米蛋白组合物。
24.如权利要求20所述的生物制品，其说所述玉米蛋白组合物包括
至少68％重量的α玉米蛋白；及
β玉米蛋白和γ玉米蛋白。
25.如权利要求24所述的生物制品，包括至少4％组合重量的β玉米蛋白和γ玉米蛋白。
26.如权利要求20所述的生物制品，其中所述原料包括含有蛋白质组分的玉米，且所述玉米蛋白组合物在所述蛋白质组分中包括至少70％的所述玉米蛋白。
27.如权利要求19所述的生物制品，其中所述原料包括含有蛋白质组分的玉米，且所述玉米蛋白组合物在所述蛋白质组分中包括至少60％的玉米蛋白。
28.如权利要求13所述的生物制品，其中所述溶剂组合物包括制剂。
29.如权利要求28所述的生物制品，其中所述制剂包括萃取剂。
30.如权利要求29所述的生物制品，其中所述制剂包括酸。
31.如权利要求29所述的生物制品，其中所述制剂包括氢氧化钠。
32.如权利要求29所述的生物制品，其中所述制剂包括亚硫酸盐。
33.如权利要求32所述的生物制品，其中所述制剂包括焦亚硫酸钠。
34.如权利要求29所述的生物制品，其中所述制剂包括碱金属氢氧化物。
35.如权利要求29所述的生物制品，其中所述制剂包括氢氧化钾。
36.如权利要求29所述的生物制品，其中所述制剂包括硫醇。
37.如权利要求36所述的生物制品，其中所述制剂包括2-巯基乙醇。
38.如权利要求28所述的生物制品，其中所述玉米蛋白组合物包括组合百分比为所述玉米蛋白组合物中所述玉米蛋白的至少4％重量的β玉米蛋白和γ玉米蛋白。
39.如权利要求28所述的生物制品，其中所述玉米蛋白组合物包括百分比为所述玉米蛋白组合物中所述玉米蛋白的至少68％重量的α玉米蛋白。
40.如权利要求28所述的生物制品，包括：
以干基重计占所述玉米蛋白组合物的至少70％的蛋白质组分；
以干基重计不高于10％的脂肪组分；
其中所述蛋白质组分包括所述玉米蛋白组合物。
41.如权利要求28所述的生物制品，其中所述玉米蛋白组合物包括
在所述玉米蛋白组合物中所述玉米蛋白的至少68％重量的α玉米蛋白；及
β玉米蛋白和γ玉米蛋白。
42.如权利要求28所述的生物制品，包括在所述玉米蛋白组合物中所述玉米蛋白的至少4％组合重量的β玉米蛋白和γ玉米蛋白。
43.如权利要求19所述的生物制品，还包括应用包含制剂的溶剂组合物的步骤。
44.如权利要求43所述的生物制品，其中所述原料包括含有蛋白质组分的玉米，且所述玉米蛋白组合物在所述蛋白质组分中包括至少60％的所述玉米蛋白。
45.如权利要求20所述的生物制品，还包括应用包含制剂的溶剂组合物的步骤。
46.如权利要求45所述的生物制品，其中所述原料包括含有蛋白质组分的玉米，且所述玉米蛋白组合物在所述蛋白质组分中包括至少70％的所述玉米蛋白。
47.如权利要求7所述的生物制品，还包括干燥所述玉米蛋白组合物的步骤，其中不将所述玉米蛋白组合物的温度升高到高于约130℃而生产所述玉米蛋白组合物。
48.如权利要求7所述的生物制品，其中不将所述玉米蛋白组合物的温度升高到高于约75℃的温度而生产所述玉米蛋白组合物。
49.如权利要求8所述的生物制品，其中所述工艺步骤均不包括将所述发酵产物的温度升高到高于约45℃的温度。
50.如权利要求1所述的生物制品，其中所述生物精炼系统包括具有如下步骤的方法
(a)将原料加工成含淀粉组分；
(b)产生包括所述含淀粉组分的浆液；
(c)将所述浆液的含淀粉组分制备成用于发酵的可发酵组分；
(d)将所述浆液中的所述可发酵组分的至少一部分发酵成发酵产物；
(e)将所述发酵产物加工成包括乙醇和粗粉的生物制品；以及
(f)从所述发酵产物生产包括玉米蛋白组合物的生物制品。
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