專利名稱：堿性萃取過程中的溫度控制的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種從生物原料，特別是從甜菜粕或甜菜中萃取并獲得原料成份的方法。肖縣*植物中通常含有的原料成份，特別是水溶性成份，如蔗糖、土木香粉或淀粉。這 些原料成份包含在植物細胞中，并由阻止細胞液滲出的細胞膜分隔開。因此在萃取細 胞物質的工藝的初步階段，有必要破壞這些細胞膜，以至于使細胞液能夠滲透出來。這種可以被稱為植物原料變性的過程通常是將植物原料加熱到70'C以上來完成的。這 個過程首先是將植物原料加熱，然后從被加熱的變性植物原料中萃取所需物質。這一 過程是將萃取劑逆流注入到原料碎片中，使原料碎片釋放出糖并由萃取劑吸收這些糖。 萃取劑的溫度通常低于加熱變性后的植物原料溫度。原料碎片的溫度會沿著萃取路線 而降低，即原料碎片沿著萃取路線逐漸冷卻。經過這個已知的萃取方法后，盡可能快 地將切碎的甜菜加熱到70C以上并逆流注入萃取液，通常是水，如淡水或冷凝液進行 萃取。沿著萃取路線形成一個溫度梯度，在碎片加熱后，原料的溫度將從碎片進入到 碎片排放而逐漸降低。然而，實現這一方法的先決條件是萃取要在一定的溫度范圍內(65'C至75C)進 行，在這個溫度范圍之間在原料碎片中已經發生了碎片框架結構組織的變化和化學變 化。從而使不含糖的成份從原料碎片中被萃取出來，并使萃取物的純度降低。同樣地， 通過髙溫使原料碎片的結構弱化。這個前提是很重要的，因為通常下一步工藝是例如 使用雙向螺旋壓力機進行擠壓而使原料碎片機械脫水。原料碎片在溫度負荷下隨之產 生的碎片結構的弱化降低了原料碎片的脫水能力。本發明以解決這個技術問題為基礎，提出了一個盡可能完備的、有很大選擇性的 從生物原料中萃取所需物質，特別是從甜菜或甜菜粕中萃取糖的方法，這種處理方法 能夠以較低成本的方法盡可能小地破壞原料組織結構，同時得到盡可能髙純度的萃取 物。本發明解決這一問題的方法是提供一種從生物原料，特別是從糖蘿卜(Beta vulgaris)或者甜菜粕中萃取所含物質，特別是例如糖的水溶性所含物質的過程，其中
在萃取過程中使萃取設備中的生物原料經歷一個上升的溫度梯度，即生物原料在萃取 過程中從原料進入到原料排放被加熱。特別地，本發明提出了一種在甜菜萃取裝置中 對生物原料，特別是甜菜，優選是甜菜粕進行萃取的方法，在萃取過程中，甜菜萃取 裝置中的生物原料尤其是甜菜、或者優選是甜菜粕的溫度從碎片進入到碎片排放被升 髙，即建立了沿著萃取路線或者說在萃取過程中升高或者反向的溫度梯度。根據本發明，可以從生物原料，以至于從每一種生物原料中借助萃取劑分離組分， 特別是水溶性物質成份。在特別優選的實施方案中，生物原料是植物原料，特別是如 甜菜、甘蔗或菊苣以及其部分或塊狀物，更優選是甜菜粕的原料。這些生物原料可以 是固體狀的，如甜菜粕或甜菜碎片汁的混合物，而這種汁可以是通過對生物原料進行 預處理例如切割、加熱變性或電穿孔得到的細胞液。根據本發明，萃取劑是一種從生物原料中萃取所需原料成份的試劑，例如水，特 別是淡水或者由制糖廠提供的冷凝液。根據本發明可以理解，從固體或液體物質混合物尤其是生物原料中，借助適當的 溶劑萃取特定的原料成份特別是糖的這一分離過程，使得在溶劑和被溶解的原料，即生物原料的所含物質之間不發生化學反應。如上所述的從生物原料中得到水溶性成份 產物的這一過程，優選將液態相的水作為萃取劑使用，例如從糖蘿卜和/或糖蘿卜碎片 中得到糖。在本發明的變型中，可以通過使用主要為非極性和/或有機的溶劑，從生物 原料中獲得附加的或專門的脂溶性原料成份。本發明設計為在生物原料經過諸如切割和/或電穿孔和/或加熱變性的預處理后，在 進行萃取時要達到特定的起始測試溫度，在萃取的過程中這個起始測試溫度從開始到結束會逐步升髙。本發明設計為生物原料的溫度在萃取過程期間，或者從空間上看沿著萃取路線是逐步升高的，優選地至少為101C，至少為15'C，至少為20匸，至少為25 C或更優選至少為30'C。在特別優選的實施方案中，在進行這種萃取方法的過程中， 將萃取劑以可以進行萃取的高于生物原料的溫度的形式施加給生物原料。在優選的方 式中，萃取劑以逆流原理被注入到生物原料中，以便首先使純凈的萃取劑在萃取路線 結束處與生物原料中所含成份相結合，并在那里導致萃取物的加熱，并且在之后的萃 取過程中釋放越來越減小的熱量給生物原料，直到萃取路線開始處。這樣做的好處是， 沿著萃取路線產生了一個使生物原料所具有的上升溫度曲線的逆轉。同時有利的是， 在逆流注入的原理下，不僅產生一個物質流，而且還產生一個熱量流。這樣使萃取裝 置所需的加熱量減少成為可能。在特別優選的實施方案中，在加入萃取劑時，特別是 萃取過程終止前，溫度為從40"至100'C，優選是50"至80"時，即使在逆流處理中進 行的進一步的萃取過程時生物原料被加熱的情況下，生物原料中的熱傳遞給了萃取物， 而自身的溫度被降低。本發明改進了對甜菜組織進行脫水的能力，以至于提髙萃取物的產量并提高其純 度，這尤其是因為對生物原料特別是甜菜組織進行了特別仔細的處理，并且由于更為 有效地使細胞打開，實現了在一定范圍內的反轉的溫度梯度。在萃取過程終止前的高 溫，使最后殘留的糖也能被萃取出來，即同時保證了髙的碎片壓榨能力和低的糖份損 失。在優選的方式中，本發明設計為使生物原料，特別是甜菜粕的溫度在萃取過程開始，即原料進入，特別是碎片進入時，其溫度為0'C至40"，更好的是25"至36'C。這 個溫度在從原料進入，特別是碎片進入到原料排放，特別是碎片排放的萃取過程中在 萃取設備中被升髙，也就是說優選是溫度從40^C至80X:。在特別優選的方式中，生物 原料，特別是甜菜粕在原料排放時，特別是碎片排放時從萃取設備中取出的溫度是40 X:至60'C,優選的是45C至55"之間。在另外一種特別優選的方式中，生物原料，特 別是甜菜粕在原料排放時，特別是在碎片排放時從萃取設備中取出的溫度是60'C至80 'C，優選的是65'C至75'C之間。在另外一種特別優選的方式中，對以切碎的形式，例如以甜菜粕的形式的生物原 料進行電穿孔。根據本發明可以設想對可以進行萃取的生物原料在萃取之前進行熱解 鎖。在進一步優選的方式中，將輔助原料特別是石灰和/或石灰乳添加到生物原料，特 別是經電穿孔的甜菜粕中。在一種特別優選的實施方案中，實施的萃取是堿性的萃取。由此在這種優選方法 下生物物質萃取時的ph值大約是7至14。在一種優選的變型中進行堿性萃取，特別是使用堿性劑，如石灰乳或/和生石灰進 行萃取。所謂"堿性"指的是使用ph值大約是7至14 (在2(TC)的水性溶劑。 一種 優選的變型是堿性萃取在ph值是7.5至12，尤其是ph值大約在ll，如ph值在11.5 時進行。在堿性萃取過程中，無法在所有的情況下都避免生物原料發生不希望的化學反應， 特別是可能形成一部分可溶性髙分子果膠酸鈣時。為了減少此不希望的化學反應，植 物原料通過預先添加石灰乳或蔗糖酸鈣溶液，在溫度相對低(低于20"C)的條件下被 堿性化。公知的是，萃取溫度大約是70TC至751C之間時會發生不希望的堿性萃取的化 學反應，從而部分形成果膠酸鈣，使石灰乳碳酸鈣過濾溶液成為漿狀，從而難以進行 過濾。相反根據本發明，在溫度相對低的條件下進行優選的堿性萃取降低了這些髙分 子化合物的形成，由此利用漿液的過濾，特別是從糖蘿卜中萃取得到的石灰乳的凈化 液，可以達到一個低于lcn^/秒的過濾系數。
生物原料的堿性化一般是直接在電穿孔之前或之后加入石灰乳、氫氧化鈣、蔗糖 酸鈣或生石灰而進行的，尤其在進行生物原料進一步的加工前或者甚至在電穿孔前在 中間場所中進行。在本發明的另一種方案中，堿性物質也可以直接在萃取過程前加入。 優選的，根據本發明通常將堿性物質以水溶性的形式添加，優選是噴灑到生物原料中。 在本發明的另一種方案中，為了達到生物原料堿性化的目的，在試驗過程中加入至少 一種以固體形式，優選是粉末狀的堿性物質，特別是石灰，例如生石灰。通過生物原料堿性化，降低了生物原料被污染的危險，提髙了生物原料和分離出的細胞液中的微生物的穩定性。其微生物的穩定性大約是l(^KBE/ml。本發明使用的萃取裝置優選為塔式萃取裝置。在本發明的變型中該萃取裝置是雙 螺旋式萃取裝置，如DDS萃取裝置。在另外的變型中，該萃取裝置是滾筒式萃取裝置， 如RT萃取滾筒。本發明的方式尤其適用于對植物原料進行堿性萃取。在本發明一種優選的方式中， 在萃取前碎片處在溫度相對低(低于20'C)的條件下，以石灰或石灰乳、堿性的氫氧 化鈣溶劑或者蔗糖酸鈣溶液進行預處理。在溫度低于20C的條件下進行預處理可以使 膠狀糖蘿卜汁(框架物質)穩定，并使得后面的萃取在較髙溫度下進行成為可能。該 預處理使框架物質對鈣的吸收能力提髙，使碎片的脫水能力明顯提高。此外，保護了 糖以避免發生微生物降解代謝。本發明特別優選之處是，從生物原料中萃取所需原料成份前進行電穿孔處理，即 在導電介質中施加髙電壓場。該髙電壓場是通過人們熟知的方式產生的，例如對接帶 有電壓的電極，特別是對生物原料通髙電壓。可以使用脈沖式髙電壓處理，也可以是周期性的交流電壓場和直流電壓場。場強 例如為大約0.1至20kV/cm,特別是l至5kV/cm,優選是2至4 kV/cm。在一種變型中， 在生物原料進行穿孔處理時使介質的電導率與生物原料的電導率相符合，由此在生物 原料中達到一種最佳的通量線。尤其是電導率為0.2至10mS/cm，特別是0.2至2.1 mS/cm 或2.6至6.0mS/cm。在特別優選的方式中，電穿孔處理是對完整的果實進行的，如整個 糖蘿卜，在對原料進行電穿孔之后必要時再將原料切碎。當然在一種優選的方式中， 這種電穿孔處理對切碎形式的生物原料如甜菜粕也是可行的。在另一種優選的方案中，從按照本發明萃取的生物原料，如按照本發明萃取的碎 片，即碎片汁的混合物中得到所需的原料成份。本試驗優選的方法是，將從萃取得到 的原料成份在多級結晶裝置中結晶出糖。被萃取后的生物原料，特別是萃取過的甜菜 粕將再次機械脫水并與諸如糖蜜混和，進一步在烘干后制成飼料，特別是飼料片而進 入市場。
在另一種優選的方案中，在根據本發明的萃取之前或之后向生物原料提供至少一 種輔助原料。根據本發明，此"輔助原料"的組成或者化學成份不能對所提取出來的 成份物質，尤其是對食品成份產生絲毫的影響。此輔助原料一般為冷凝物、處理水、 溶劑、消毒劑如福爾馬林或發泡填充劑。尤其例如是堿性或負離子助凝劑，它能加強 生物原料對堿性和/或鈣離子，如石灰乳、生石灰、氫氧化鈣、蔗糖酸鈣、硫酸鈣和其 他鈣鹽和/或鋁鹽的吸附力。根據本發明通常將至少一種輔助原料制成溶劑加入，最好 是噴灑到生物原料中。在另一種方式中，加入至少一種固體狀，優選是粉末狀的輔助 原料。輔助原料的作用還包括將分離出的細胞液進行預凈化。
本發明的優點在于提髙了從生物原料，特別是從甜菜粕中萃取所需原料成份的能 力，也標志著通過壓榨得到更高含量的原料成份，其特征在于第一步是對生物原料， 特別是糖蘿卜或者甜菜粕進行電穿孔處理，下一步是在進行了電穿孔處理后的生物原 料，特別電穿孔過的糖蘿卜或者甜菜粕的堿性萃取過程中，形成逆向的或升高的溫度 梯度，并最終實現具有更髙壓榨能力的萃取后的生物原料。
本發明另外的優點在于，經過電穿孔的生物原料，特別是萃取后的甜菜粕，通過
壓榨得到很高的干物質含量，通常大約38% TS,優選的是40%到42%，這是通過第一 歩對生物原料，特別是糖蘿卜或者甜菜粕進行電穿孔處理，在下一步中，特別是在電 穿孔處理后的生物原料，尤其是電穿孔過的糖蘿卜或者甜菜粕的堿性萃取過程中，形 成升高的和/或逆向的溫度梯度，再下一歩是對電穿孔的生物原料，特別是電穿孔的糖 蘿卜或者甜菜粕以眾所周知的方式進行壓榨，并隨后獲得在萃取之后具有增大的干物 質含量的生物原料。
另外優選的實施例可以參見所附的詳細說明。下面通過實施例和附圖對本發明進 行更詳細的說明。
圖l示出了在本發明和傳統情況下在萃取裝置中溫度變化的曲線。 圖2示出了在本發明和傳統情況下以不同方式進行處理的所萃取碎片壓榨后的結果。
圖3示出了在本發明和傳統情況下，以不同方式進行處理的碎片的壓榨損失和萃取 損失。
將本發明和已知的加工方法在工業領域(大約用一噸糖蘿卜)進行測試。測試范
圍包括一臺工業用電穿孔裝置(吞吐量10t/h)，一臺工業用切割機，用其可以將糖
蘿卜切成塊和碎片，一臺通過蒸汽加熱的雙螺旋式萃取裝置(DDS型)和雙向螺旋壓榨機。
傳統加工方法(堿性萃取)
首先，糖蘿卜被噴灑以堿化劑并以工業切割工具進行切割。堿化過程在切割工具 中完成。通過向切割工具中的甜菜進行噴灑，使氫氧化鈣溶液很好地分布在可以進行 處理的碎片原料上。為了避免發生不希望的次級反應(生成可溶性果膠酸鈣)，本工
序將在溫度低于20'C的寒冷環境條件下進行。將堿性化處理后的甜菜粕轉移到雙螺旋 式萃取裝置中。之后將堿性化處理后的甜菜粕在雙螺旋式萃取裝置中進行兩小時的萃 取。通過對加熱罩的部分進行加熱來調節所需的溫度梯度(見圖l)。從原料進入到原
料排出，對萃取裝置中的溫度梯度進行了ll次測量，如下所示(生物原料的溫度)
57.2/75〃9.9/79〃4.6/69.8/63.9/62.1/60.2/57.1/57.2
在將堿化碎片裝入萃取槽時開始測量點l，在添加萃取劑(冷凝物)時進行測量點
10 (測量點ll:控水區)。
沿著萃取路線(測量點1至4)，首先對甜菜粕加熱以產生熱變性并使細胞膜打開 (測量點1至4)。之后進行實際的萃取，再次略微降低萃取溫度(測量點5至11)。
本發明的加工方法
將大約l噸糖蘿卜裝入工業用電穿孔裝置(吞吐量大約10t/h)中，進行電脈沖(通
過電等離子體打開細胞)。然后糖蘿卜被噴灑上堿化劑，在寒冷環境中以工業用切割工 具將其切碎。
之后將甜菜粕轉移到工業用萃取裝置中，進行超過2小時的萃取。將萃取淡水加熱 到一定的溫度(在本情況中是7(TC)，并將萃取物(甜菜粕)和萃取劑(淡水)中逆 向導入從而產生溫度梯度(見圖l)。在萃取裝置過程中溫度梯度沿著ll個測量點記錄 如下(生物原料的溫度)
36/45/49/54/55/59/62/64/67/66.5
完全無需通過加熱罩熱交換對萃取原料進行間接加熱。 結果以及大致的結論
測試結果顯示，通過本發明的加工方法形成萃取的碎片(壓榨的碎片中干物質含 量為40.4%)明顯比通過傳統加工方法形成萃取的碎片(壓榨的碎片中干物質含量為
33.9%)(圖2)更易于脫水。根據本發明的方法顯然較好地保持了甜菜粕的結構。特 別是在低的起始測試溫度下利用堿性引導萃取，這時堿性作用還很髙的情況下，在實 驗中，實現了對甜菜粕原料更為精細的處理，這明顯提髙了萃取的甜菜粕的脫水能力。
在實驗中，本發明的方法也取得了更好的萃取結果(圖3)。圖中展示出了所述情 況。壓榨甜菜粕和萃取甜菜粕的損失率的比較。在傳統情況下，萃取后甜菜粕損失率 為5.6%，在本發明的方法中損失率為3.7%。在傳統情況下壓榨后甜菜粕的損失率為 1.2%,在本發明中損失率為0.74%。萃取后的損失率是指在可以被萃取的物質中沒被萃 取出來的、而留在萃取的甜菜粕中的那部分蔗糖，壓榨后的損失率是指在可以被萃取 的物質中留在壓榨后的甜菜粕中的那部分蔗糖。根據本發明利用相似的萃取壓搾條件， 實現了更低的損失率。
萃取產量的改善相對于傳統方法來說是相當出乎預料之外的，這是由于以前通常 認為更低的平均萃取溫度使原料成份轉化的驅動力減小，而萃取產量將隨之降低。通 常人們認為，在萃取過程中，蔗糖分子從植物細胞中擴散出是決定性的處理過程。蔗 糖分子滲入水溶劑中的擴散系數是與溫度緊密相關的。然而根據本發明的方法，人們 發現，盡管在萃取過程中間溫度有所降低，但卻取得了更好的萃取結果，這極有可能 是因為在萃取過程開始時，通過電等離子體打開細胞造成的對流的傳輸過程對于細胞 液流出起到了重要的作用，這使得在低溫時不損害碎片結構的情況下，通過電穿孔和 細胞內的有效壓力(緊縮)打開了細胞成為可能。在萃取過程結束時，顯然擴散過程 對最后殘余的糖的萃取有著更重要的作用。顯然高溫對此過程有著很大的幫助。
因此，通過該具體的實例，在萃取過程中對巳經過電穿孔的植物原料進行萃取時， 建立了一個整體相當低的溫度，例如從0"至5(TC溫度范圍內的反向溫度梯度。通過 在萃取結束時升高萃取溫度，使得對最后殘留的糖的提取比在傳統情況下更有效，并 且處于更精細的條件下。這種低溫提取的意義在于，對植物原料進行盡可能仔細的處 理后，投入盡可能少的費用而盡可能更大程度的利用糖。然而要得到盡可能高的收益， 最終的萃取溫度就要升高到約70C。
權利要求
1.一種用于在萃取設備中萃取生物原料，特別是甜菜粕或甜菜的方法，其特征在于在萃取的過程中，萃取設備中生物原料的溫度從原料進入時到原料排放時被升高。
2. 根據權利要求l的方法，其特征在于，在原料進入時生物原料的溫度在0"至40c的范圍內。
3. 根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在原料進入時生物原料 的溫度在25C至361C的范圍內。
4. 根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在原料排放時生物原料 的溫度在40"至80C的范圍內。
5. 根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在原料排放時生物原料 的溫度在601C至90TC的范圍內。
6. 根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在原料排放時生物原料 的溫度在65°0至75*0的范圍內。
7. 根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在原料排放時生物原料 的溫度在40"至60X:的范圍內。
8. 根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在原料排放時生物原料 的溫度在45"至55X:的范圍內。
9. 根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，生物原料在萃取前進行電 穿孔。
10. 根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在萃取前向生物原料 中加入優選是石灰和/或石灰乳、和/或蔗糖酸鈣溶液的輔助原料。
11. 根據權利要求10的方法，其特征在于，在20"時以下加入石灰、石灰乳、 或者蔗糖酸鈣溶液。
12. 根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，萃取是堿性萃取。
13. 根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在萃取期間生物原 料的溫度通過萃取劑逐步升高，優選是以逆流的過程。
14. 根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在萃取開始時萃取 劑的溫度是50"至80X:。
15. 根據前面權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，萃取劑是水。
16. —種提高萃取的生物原料的壓榨能力的方法，其特征在于，對生物原料進 行電穿孔，隨后按照權利要求1至15所述的方法進行萃取。
17. —種從萃取的生物原料中獲得提取物的方法，其特征在于，按照權利要求l 至15所述的方法對生物原料進行萃取。
全文摘要
本發明涉及一種從生物原料，特別是從糖蘿卜中萃取并回收成分的改進方法。
文檔編號C13B10/08GK101160415SQ200680011485
公開日2008年4月9日 申請日期2006年3月15日 優先權日2005年4月15日
發明者托馬斯·米歇爾貝格爾, 斯特凡·弗倫策爾, 約亨·阿諾爾德 申請人:甜糖(曼海姆/奧克森富特)股份公司