制备改良的玉米浆产品的方法 背景技术
本发明涉及从玉米浆制备富含肌醇的改良的玉米浆产品的方法。
肌醇(亦称环己六醇、肌糖和六羟基环己烷)是被一些人认为是维生素B类的部分的一种重要的生长因子(Szmant，“Industrialutilization of renewable resources”，Technomic Publication Company，Lancaster，PA，1986)。它在植物中以游离形式(例如在大豆和甘蔗中)，还以六磷酸酯、肌醇六磷酸钙镁(例如在玉米中)，还以磷脂酰衍生物被发现，磷脂酰衍生物是植物卵磷脂的组分。
肌醇的主要应用是在水产养殖、宠畜食物、动物饲料中，以及在健康和营养的市场开发中。
玉米浆是肌醇的传统工业源(例如Artz和Hach，“Process forrefining crude inositol containing solutions and for recovering inositoltherefrom”，美国专利2,615,053，1952年10月21日)。在该方法中，首先以钙盐的形式沉淀肌醇六磷酸钙镁，然后用强酸水解。因为生产成本高，大约在1987年美国停止按这种方式生产肌醇。因此，肌醇地供应现在来自中国(从玉米浆中生产)，还来自日本(从米糠中生产)。
授予Toyo Koatsu Industries Inc.的美国专利3,270,064描述了通过使用可溶性碱来提高pH(例如氨或苛性碱)和沉淀肌醇六磷酸钙镁来对化学沉淀和水解方法进行改进。接下来在碱土金属碳酸盐，如碳酸镁的存在下，在加热和压力下进行水解。所要求的益处是排除复杂反应并改善终产品的纯度。化学消耗仍是高的，而且使用苛性碱或氨减损剩余材料的价值，因为其不可能用作饲料。
因为在肌醇六磷酸钙镁的沉淀和水解中涉及化学药品，所以游离形式的肌醇的任何来源将是有利的，条件是可以发现有效的方式来分离肌醇和其他组分。为了这种效果，已经有两项专利方法，即授予Rabinowitz的美国专利5,096,594和授予Chao和Sherman的美国专利4,482,761。一种方法基于Ca2+或Pb2+形式的阳离子交换树脂的使用，并用含水二甲亚砜作流动相；另一种方法基于沸石分子筛。前一方法具有使用有机溶剂的缺点，并且在食品产品中铅的使用是完全不能接受的。后一方法又不是很有效。
肌醇不能在一价(Na+或K+)或二价(Ca2+)形式的阳离子交换树脂中有效地与单糖(葡萄糖，且特别是果糖)分离。使用强碱阴离子树脂从糖蒸汽中分离肌醇已经被证明是对来自制糖业的糖蜜型蒸汽的可行的选择(Saska，“Industrial production of inositol：A by-product fromthe cane molasses desugarization process”，1997，Int.Sugar Jnl.，(99)，480-484)。
玉米浆对于敏感的饲料应用，如小动物，尤其是刚断奶的猪崽，不能直接用作饲料，因为高水平的钾和其它盐引发腹泻和其它消化疾病。然而，玉米浆富含非常有用的可溶性蛋白，是高质量的蛋白源，而且在专业的饲料应用中令人感兴趣，条件是能够将有问题的组分从其中分离出。
【发明内容】
根据本发明，提供了从包含悬浮固体、高分子量化合物、肌醇六磷酸和金属成分(metal value)(Mg、Ca、Fe、Mn、Zn、Na和K)的玉米浆制备改良的玉米浆产品的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)对玉米浆进行超滤，以除去悬浮固体和高分子量化合物；
(b)用肌醇六磷酸酶处理步骤(a)的产物，使肌醇六磷酸转化成肌醇一磷酸酯；
(c)用酸性磷酸酶处理步骤(b)的产物，使肌醇一磷酸酯转化成肌醇；
(d)使用引起大多数或所有Mg成分沉淀的可溶性碱将步骤(c)的产物的pH调节至7～9，所述pH的范围包括端值，并除去沉淀；以及
(e)使步骤(d)的产物和强酸阳离子色谱树脂接触，以产生含有大多数剩余金属成分的第一部分，和含有大多数肌醇的第二部分，第二部分就是改良的玉米浆产品。
在步骤(a)中，超滤优选在10000kD至100000kD的范围内进行，所述范围包括端值，优选地在20000kD至40000kD的范围内进行，所述范围包括端值。
将悬浮固体和高分子量化合物除去，因为它们在步骤(e)中导致树脂污染(fouling)。
在超滤中可以使用任何适当的膜材料，例如PVDF(聚偏二氟乙烯)。
在步骤(b)中，肌醇六磷酸酶可以以游离形式使用，或者可以固定在任何适当的载体上。
在步骤(c)中，酸性磷酸酶可以以游离形式使用，或者可以固定在任何适当的载体上。
步骤(b)和(c)可以合并成一个步骤，即同时进行。
在步骤(d)中，优选地将pH调节至7.5～8.5，所述pH的范围包括端值。
优选的碱是氨，因为它引起鸟粪石沉淀，鸟粪石是NH4MgPO4，从而基本上除去所有的Mg成分。否则，Mg成分将干扰步骤(e)中的树脂。
回收的鸟粪石是高价值的缓释肥料。
可以使用的另一种碱是氢氧化钾，它也导致存在的Mg成分沉淀。
在步骤(e)中，术语称作灰分部分的第一部分含有乳酸盐、硫酸盐、磷酸盐和氯化物成分，以及剩余金属成分。
也可以将灰分部分干燥以生产富钾肥料。或者，可以从溶液中结晶钾盐并将剩余溶液用作液体肥料。
第二部分含有肌醇和其它期望的组分，如蛋白质和糖。
在步骤(e)后，可以蒸发改良的玉米浆产品，并干燥以生产富含肌醇的干产品。
【附图说明】
图1是来自实验工作的色谱图；且
图2是阐明来自实验工作的连续模拟移动床的流程图。
具体实施方案
本发明的关键是从包含悬浮固体、高分子量化合物、肌醇六磷酸和一般为金属离子形式的金属成分的玉米浆制备改良的玉米浆产品的方法，该产品富含肌醇。
参照以下实验工作，本发明将得到更详细的描述。
实验工作
步骤(a)—超滤
在以下操作条件下，将来自玉米湿磨机的原始玉米浆(CSL)稀释至30％(m/m)固体，并供给Niro超滤设备：
Advanced Mambrane Technology Inc.(AMT)30000kD的螺旋形PVDF膜，
使用80密耳间隔(2mm)，横向流动速率2-4m/s。压降1巴，
贯穿膜压(TMP)为4-5巴，
浓缩率(渗余物/进料)为0.5。
由浊度计测量的渗透浊度(悬浮固体)小于10NTU(浊度单位)。
进料pH为4.0，
温度为40℃。
结果是除去了导致步骤(e)中树脂污染的悬浮固体及高分子量化合物的产物。
步骤(b)—肌醇六磷酸酶处理
在来自步骤(a)的澄清CSL中的肌醇基本上以肌醇六磷酸或其盐的形式存在。作为含磷酸酯的产品，该产品在任何分离中都会有灰分部分，因此在分离灰分部分之前必须使肌醇六磷酸转化成游离的肌醇。这通过使用肌醇六磷酸酶将肌醇六磷酸水解成肌醇一磷酸酯来实现。处理条件如下：
所用酶：如BASF产品手册中描述的游离形式的BASF Natuphos；
酶剂量：每千克CSL(以30％固体计)500FTU(肌醇六磷酸酶活性单位)；
最优pH：3.0至4.0，以保证足够的肌醇六磷酸酶活性和CSL的保存期限；
温度：40℃；
停留时间：12小时。
所得产品含有肌醇一磷酸酯。来自步骤(b)的典型产物的分析如下： 组分 单位 值一般分析密度pH干物质(白利糖度)Kg/m3％(m/m) 1150 3.0 31.0有机组分葡萄糖FrutoseD-乳酸盐L-乳酸盐肌醇六磷酸肌醇一磷酸酯％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m) 4.21 1.68 5.05 5.61 ＜1 5.61氨基酸苏氨酸甲硫氨酸缬氨酸丙氨酸甘氨酸天冬氨酸盐谷氨酸盐丝氨酸酪氨酸精氨酸异亮氨酸亮氨酸组氨酸半胱氨酸苯丙氨酸％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m) 0.45 0.45 1.57 2.69 0.34 0.17 0.59 0.50 0.28 0.76 0.45 1.43 0.14 未测量 0.84蛋白质成分(折干计算)总游离氨基酸TKN蛋白％(m/m)％(m/m) 10.0 42.0矿物MgCaFeMnZnNaK氯化物游离磷酸盐硫酸盐ppm(m/m)ppm(m/m)ppm(m/m)ppm(m/m)ppm(m/m)ppm(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m)％(m/m) 14516 645 210 113 226 684 6.45 0.98 1.21 7.43
除非另有说明，所有分析均以湿基表示。
步骤(c)一酸性磷酸酶处理
使用酸性磷酸酶将含有一个磷酸酯基团的肌醇一磷酸酯水解成游离的肌醇和游离的磷酸。酸性磷酸酶处理条件如下：
所用酶：来自Shin Nihon Company的Sumizyme PM-L(活性3000u/g)，
剂量：每克CSL(以30％固体计)1个活性单位，
温度为65℃，pH为4.0至4.5，
停留时间：24小时，
实现的转化：＞98％，由通过HPLC进行的肌醇和IMP测量确定。
步骤(d)—pH调节和Mg成分的除去
期望进行色谱树脂分离步骤(步骤(e))，而无任何二价阳离子存在。已知这些阳离子对色谱分离的分离度具有负面影响。
因此，为了避免这个问题，使用氨将步骤(c)的产物的pH调节至7.5～8.5，以导致鸟粪石沉淀。
收集沉淀，并进行XRF分析，XRF分析确证该物质是鸟粪石。使用湿化学测定分析N、Mg和PO4，确证这些化合物以纯鸟粪石所预期的准确化学计量的量存在。还确证几乎没有K(±0.3％)，而且没有Na、Cl、SO4或重量金属存在，纯度超过99％。
鸟粪石作为缓释肥料具有应用。
还分析了澄清的滤液，证实Mg成分基本上被完全除去。然后将该产物用于下一步骤。
步骤(e)—色谱分离
在以下操作条件下在单柱上进行分离：
柱：直径1cm，长100cm，
树脂：Rohm and Haas CR1320色谱树脂，
温度：60℃，
树脂体积：78.5ml，
注入体积：0.01BV，
流速：3ml/min水(2.25BV/h或大概2.3m/h速度)，
检测器：在线折射率(Waters 400)。
图1是显示如下实现的分离的色谱图：
空体积： 0.32BV
部分1(萃余液或灰分)峰： 0.40BV
部分2(富含肌醇)峰： 0.58BV
标记为1的峰是灰分部分的峰，而标记为2的峰是富含肌醇部分的峰。
HPLC分析表明灰分部分含有乳酸盐、硫酸盐、磷酸盐和氯化物成分以及所有阳离子。
干物质测定表明CSL的总固体在部分1和部分2之间等分，所有肌醇都在部分2中。肌醇的浓度以干物质计为10％。
为了优化色谱分离，期望操作连续装置，如模拟移动床(SMB)。以这种方式，可能优化洗脱液和进料流，以实现最少稀释的最佳分离，同时通过在固定位置有效地维持分离峰而维持稳定操作。这意味着两个部分可以从如图2所示的固定端口提取，这在以下将更详细地描述。
所示的设计流速从以上讨论的分批色谱图(脉冲测试)确定，使用标准设计和标度计算(scale-up calculation)，如Advanced SeparationTechnologies(Calgon Carbon的分部)基于他们的Isep旋转转盘系统(rotating carousel system)用以设计分离。设计标准如下：
树脂体积： 总共2.2升(每柱220ml)
步时间(step time)： 4min
树脂流速： 55ml/min
线性速率： 7.5m/h(树脂的安全值为320微米)
床深度： 0.45m
进料速率： 0.1BV/h，
慢产品： 图2的部分2，是富含肌醇的部分
快产品： 图2的部分1，是含有灰分的部分
参照图2，显示了用于连续分离富含肌醇的CSL的中试装置。
步骤(d)的产物经线12，以4ml/min的进料速率加入装置的端口5。经线12，以27.5ml/min的进料速率向装置的端口1加入水。
经线16，以9.35ml/min的速率从装置的端口9移出部分1。
经线18，以22.15ml/min的速率从装置的端口2移出部分2。
经线20，使产物从端口10循环到水的入口线14。
附图中的数字1至10指固定端口。装置中的十根含树脂的柱子每根均以4min的步时间从端口至端口移动。在每步中，每根柱子移向下一个端口，并以这种方式实现连续逆流树脂流。树脂流速是220ml树脂/4min，或55ml/min。
从第一部分中结晶钾盐
为了研究结晶钾盐的可行性，将浓缩的第一部分的少量样品在实验室旋转蒸发仪中在真空下进一步浓缩。产生大约50×300微米大小的细针状晶体，并用实验室离心机收集几克。晶体由粉未X射线衍射分析确定为主要是磷酸氢钾KH2PO4(单钾芒硝)，也有少量的硫酸钾K2SO4。