CN107645912A - 烟草衍生的纤维素糖 - Google Patents
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Abstract
本文提供由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，所述方法包括i)接收烟草材料，所述烟草材料包括收获的烟草属物种的植物的茎秆材料和根部材料中的至少一种；ii)使所述烟草材料脱木质素以形成烟草衍生的浆粕；和iii)使所述烟草衍生的浆粕水解以形成包括残余固体和液体的经水解烟草产物，所述液体包括至少一种烟草衍生的纤维素糖。本文还提供衍生自经水解烟草材料的纤维素糖，所述烟草材料包括收获的烟草属物种植物的烟草茎秆材料和烟草根部材料中的至少一种。还提供烟草产品，所述烟草产品并入有衍生自经水解烟草材料的所述纤维素糖或衍生自所述纤维素糖的产品。
Description
技术领域
本发明涉及由烟草制成或衍生自烟草或以其它方式并入有烟草或烟草的组分的产品。特别令人感兴趣的是获自或衍生自烟草属物种植物的茎秆或根部的成分或组分。
背景技术
香烟、雪茄和烟袋是流行的吸烟制品，其以不同形式使用烟草。这类吸烟制品是通过加热或燃烧烟草以产生可以被吸烟者吸入的浮质(例如烟雾)来使用。流行的吸烟制品(如香烟)具有大体上圆柱形杆状结构，并且包括可点燃抽吸材料的装料、卷筒或管柱，如由包装纸环绕的切碎的烟草(例如呈去筋烟叶形式)，从而形成所谓的“烟丝杆”。通常，香烟具有以端对端关系与烟丝杆对准的圆柱形过滤器元件。通常，过滤器元件包含由称为“包裹塞”的纸张材料围绕的塑化乙酸纤维素丝束。某些香烟并入有具有多个区段的过滤器元件，并且这些区段中的一个可包含活性炭粒子。通常，使用称为“接装纸”的围绕包裹材料将过滤器元件附接到烟丝杆的一个端部。还变得期望将接装材料和包裹塞打孔，以便用环境空气提供抽吸主流烟雾的稀释。香烟是由吸烟者通过点燃其一个端部并且燃烧烟丝杆来使用。接着，吸烟者通过在香烟的相对端部(例如过滤器端部)抽吸来将主流烟雾接收到他/她的口中。
用于香烟制造的烟草通常以掺合形式使用。举例来说，某些流行的烟草掺合物，通常被称为“美国掺合物(American blends)”，包含烟熏烟、白肋烟和东方烟草的混合物，并且在许多情况下，包含某些经处理的烟草，如复原烟草和经处理的烟草梗。用于制造具体香烟品牌的烟草掺合物内的每种类型的烟草的确切量在各品牌之间不同。然而，对于许多烟草掺合物，烟熏烟占掺合物的相对大比例，而东方烟草占掺合物的相对小比例。参见例如《烟草百科全书(Tobacco Encyclopedia)》,Voges(编)第44-45页(1984),Browne,《香烟设计(The Design of Cigarettes)》,第3版,第43页(1990)和《烟草生产、化学方法和技术(Tobacco Production,Chemistry and Technology)》,Davis等人(编)第346页(1999)。
烟草还可以所谓的“无烟”形式享用。特别流行的无烟烟草产品是通过将一些形式的经处理的烟草或含烟草的调配物***用户的口中来使用。参见例如，以下文献中阐述的无烟烟草调配物的类型、成分和加工方法：Schwartz的美国专利第1,376,586号；Levi的美国专利第3,696,917号；Pittman等人的美国专利第4,513,756号；Sensabaugh,Jr.等人的美国专利第4,528,993号；Story等人的美国专利第4,624,269号；Tibbetts的美国专利第4,991,599号；Townsend的美国专利第4,987,907号；Sprinkle,III等人的美国专利第5,092,352号；White等人的美国专利第5,387,416号；Williams的美国专利第6,668,839号；Williams的美国专利第6,834,654号；Atchley等人的美国专利第6,953,040号；Atchley等人的美国专利第7,032,601号；和Atchley等人的美国专利第7,694,686号；Williams的美国专利公开案第2004/0020503号；Quinter等人的美国专利公开案第2005/0115580号；Strickland等人的美国专利公开案第2005/0244521号；Strickland等人的美国专利公开案第2006/0191548号；Holton,Jr.等人的美国专利公开案第2007/0062549号；Holton,Jr.等人的美国专利公开案第2007/0186941号；Strickland等人的美国专利公开案第2007/0186942号；Dube等人的美国专利公开案第2008/0029110号；Robinson等人的美国专利公开案第2008/0029116号；Mua等人的美国专利公开案第2008/0029117号；Robinson等人的美国专利公开案第2008/0173317号；Engstrom等人的美国专利公开案第2008/0196730号；Neilsen等人的美国专利公开案第2008/0209586号；Crawford等人的美国专利公开案第2008/0305216号；Mua等人的美国专利公开案第2009/0025738号；Brinkley等人的美国专利公开案第2009/0025739号；Essen等人的美国专利公开案第2009/0065013号；Kumar等人的美国专利公开案第2009/0293889号；Doolittle等人的美国专利公开案第2010/0018540号；Gerardi等人的美国专利公开案第2010/0018541号；Gao等人的美国专利公开案第2010/0291245号；Mua等人的美国专利公开案第2011/0139164号；Coleman,III等人的美国专利公开案第2011/0174323号；Beeson等人的美国专利公开案第2011/0247640号；Coleman,III等人的美国专利公开案第2011/0259353号；Cantrell等人的美国专利公开案第2012/0037175号；Hunt等人的美国专利公开案第2012/0055494号；Sebastian等人的美国专利公开案第2012/0103353号；Byrd等人的美国专利公开案第2012/0125354号；Cantrell等人的美国专利公开案第2012/0138073号；和Cantrell等人的美国专利公开案第2012/0138074号；Arnarp等人的PCT WO 04/095959；Atchley等人的PCT WO 05/063060；Engstrom的PCT WO05/004480；Bjorkholm的PCT WO 05/016036；Quinter等人的PCT WO 05/041699和Atchley的PCT WO 10/132444；所述文献中的每个以引用的方式并入本文中。
一种类型的无烟烟草产品被称为“鼻烟”。在欧洲，特别是瑞典，已经由或通过如瑞典火柴公司(Swedish Match AB)、费德勒和伦格恩公司(Fiedler&Lundgren AB)、古斯塔瓦斯公司(Gustavus AB)、斯坎迪那维思科托巴思科帕格尼公司(SkandinaviskTobakskompagni A/S)以及洛克生产公司(Rocker Production AB)的公司制造出代表性类型的湿鼻烟产品(通常被称为“小鼻烟(snus)”)。在美国可购得的小鼻烟产品是以R.J.雷诺兹烟草公司(R.J.Reynolds Tobacco Company)的骆驼小鼻烟冰味(Camel Snus Frost)、骆驼小鼻烟原味(Camel Snus Original)以及骆驼小鼻烟香味(Camel Snus Spice)为商标名出售。还参见例如Bryzgalov等人,1N1800生命周期评估、常见松散和部分小鼻烟的比较性生命周期评估(1N1800Life Cycle Assessment,Comparative Life Cycle Assessment ofGeneral Loose and Portion Snus)(2005)。另外，与小鼻烟制造相关联的某些质量标准已被汇编成所谓的GothiaTek标准。代表性无烟烟草产品还按以下商标名出售：奥利弗韦斯特A/S(Oliver Twist A/S)家族的奥利弗韦斯特(Oliver Twist)、美国无烟烟草公司(Smokeless Tobacco Co.)的哥本哈根(Copenhagen)湿烟草、哥本哈根袋装烟草、斯扣班低(Skoal Bandits)、斯扣袋装烟草(Skoal Pouches)、斯扣干(SkoalDry)、公鸡(Rooster)、红海豹(Red Seal)长烟、爱斯基摩人(Husky)和狂欢(Revel)薄荷烟草封装；美国飞利浦莫里斯公司(Philip Morris)的万宝路小鼻烟(Marlboro Snus)和“塔博卡(taboka)”；以及美国鼻烟公司(American Snuff Company,LLC)的利瓦伊加勒特(Levi Garrett)、山峰(Peachy)、泰勒的骄傲(Taylor's Pride)、科迪亚克(Kodiak)、霍肯冬青(HawkenWintergreen)、灰熊(Grizzly)、牙齿(Dental)、肯塔基王(Kentucky King)和猛犸象穴(Mammoth Cave)；R.J.雷诺烟草公司(R.J.Reynolds Tobacco Company)的骆驼小鼻烟(Camel Snus)、骆驼球(Camel Orbs)、骆驼棒(Camel Sticks)和骆驼带(Camel Strips)。出售的其它示例性无烟烟草产品包括以下名称的产品：斯维什国际公司(SwisherInternational,Inc.)的卡亚克湿鼻烟(Kayak moist snuff)和查塔努加咀嚼烟草(Chattanooga Chew chewing tobacco)；和平克顿烟草公司(Pinkerton Tobacco Co.LP)的雷德曼咀嚼烟草(Redman chewing tobacco)。
将期望的是，为通常被视为废料的烟草植物的部分提供附加用途。具体地说，将有利的是，开发衍生自烟草生物质的产品，具体地衍生自烟草属物种植物的茎秆或根部的产品。
发明内容
本发明提供由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，包含i)接收烟草材料，所述烟草材料包含收获的烟草属物种植物的茎秆材料和根部材料中的至少一种；ii)使烟草材料脱木质素以形成烟草衍生的浆粕；和iii)使烟草衍生的浆粕水解以形成包含残余固体和液体的经水解烟草产物，所述液体包含至少一种烟草衍生的纤维素糖。在各种实施例中，烟草材料可包含至少约90干重％的收获的烟草属物种植物的茎秆材料和根部材料中的至少一种。
在各种实施例中，使烟草材料脱木质素的步骤可包含磨碎收获的烟草属物种植物的茎秆材料和根部材料中的至少一种，以形成烟草衍生的浆粕。使烟草材料脱木质素的步骤可进一步包含例如对烟草衍生的浆粕进行冲洗和脱水。在某些实施例中，使烟草材料脱木质素的步骤可进一步包含将烟草衍生的浆粕的pH调节到在约4.5到约5.5的范围内的值。本发明的方法可进一步包含将烟草衍生的浆粕干燥到至少10％的水分含量或更小。
在各种实施例中，使烟草衍生的浆粕水解的步骤可包含在至少一种酶存在下烟草衍生的浆粕的酶促糖化。在某些实施例中，方法可包括两步糖化过程，所述过程包括将至少一种酶添加到经历酶促水解的烟草衍生的浆粕，以减少经水解烟草产物中木糖的量。
在各种实施例中，方法可进一步包含使包含至少一种烟草衍生的纤维素糖的液体蒸发以形成稠合糖浆。稠合糖浆可包含例如至少约80重量％的葡萄糖。在一些实施例中，稠合糖浆可包含例如约15重量％的木糖或更少。
在各种实施例中，方法可进一步包含使用镍催化剂，通过氢化将衍生自原始烟草材料的葡萄糖转化为山梨醇。在一些实施例中，方法可进一步包含通过水解将衍生自原始烟草材料的葡萄糖转化成乙酰丙酸。
在各种实施例中，方法可进一步包含将酵母添加到经水解烟草产物，和允许经水解烟草产物和酵母发酵并形成包含甘油的经发酵浆粕浆料。产生的甘油的平均产率例如可为经脱木质素的烟草衍生的浆粕的总重量的至少约10重量％。
在一些实施例中，方法可进一步包含分离残余固体和液体；将酵母添加到液体；和允许液体和酵母发酵并形成包含乙醇的经发酵产物。在某些实施例中，方法可进一步包含分离残余固体和液体；将高蛋白质培养基添加到液体；和允许液体和高蛋白质培养基发酵并形成包含乳酸的经发酵产物。
在各种实施例中，方法可进一步包含将烟草衍生的纤维素糖并入到烟草产品中。烟草产品可为例如吸烟制品。
本发明还提供衍生自经水解烟草材料的纤维素糖，所述烟草材料包含收获的烟草属物种植物的烟草茎秆材料和烟草根部材料中的至少一种。在水解之前，烟草材料可包含至少约90干重％的收获的烟草属物种植物的茎秆材料和根部材料中的至少一种。
在若干实施例中，可提供烟草产品，所述烟草产品并入有衍生自经水解烟草材料的纤维素糖或衍生自纤维素糖的下游产品。纤维素糖的下游产品可选自由以下组成的群组：高果糖烟草糖浆、甘油、乙酰丙酸、乳酸和其组合。
本发明包括(但不限于)以下实施例：
实施例1：一种由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，包含：
i)接收烟草材料，所述烟草材料包含收获的烟草属物种植物的茎秆材料和根部材料中的至少一种；
ii)使烟草材料脱木质素以形成烟草衍生的浆粕；和
iii)使烟草衍生的浆粕水解以形成包含残余固体和液体的经水解烟草产物，所述液体包含至少一种烟草衍生的纤维素糖。
实施例2：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，其中烟草材料包含至少约90干重％的收获的烟草属物种植物的茎秆材料和根部材料中的至少一种。
实施例3：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，其中使烟草材料脱木质素的步骤包含磨碎收获的烟草属物种植物的茎秆材料和根部材料中的至少一种，以形成烟草衍生的浆粕。
实施例4：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，其中使烟草材料脱木质素的步骤进一步包含对烟草衍生的浆粕进行冲洗和脱水。
实施例5：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，其中使烟草材料脱木质素的步骤进一步包含将烟草衍生的浆粕的pH调节到在约4.5到约5.5的范围内的值。
实施例6：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，进一步包含将烟草衍生的浆粕干燥到至少10％的水分含量或更小。
实施例7：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，其中使烟草衍生的浆粕水解的步骤包含在至少一种酶存在下烟草衍生的浆粕的酶促糖化。
实施例8：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，进一步包含将至少一种酶添加到水解步骤(iii)，以减少经水解烟草产物中木糖的量。
实施例9：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，进一步包含使包含至少一种烟草衍生的纤维素糖的液体蒸发以形成稠合糖浆。
实施例10：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，其中稠合糖浆包含至少约80重量％的葡萄糖。
实施例11：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，进一步包含使用镍催化剂，通过氢化将葡萄糖转化为山梨醇。
实施例12：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，进一步包含通过水解将葡萄糖转化为乙酰丙酸。
实施例13：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，其中稠合糖浆包含约15重量％的木糖或更少。
实施例14：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，进一步包含将酵母添加到经水解烟草产物，和允许经水解烟草产物和酵母发酵并形成包含甘油的经发酵浆粕浆料。
实施例15：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，其中产生的甘油的平均产率为烟草衍生的浆粕的至少约10重量％。
实施例16：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，进一步包含分离残余固体和液体；将酵母添加到液体；和允许液体和酵母发酵并形成包含乙醇的经发酵产物。
实施例17：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，进一步包含分离残余固体和液体；将高蛋白质培养基添加到液体；和允许液体和高蛋白质培养基发酵并形成包含乳酸的经发酵产物。
实施例18：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，进一步包含将烟草衍生的纤维素糖并入到烟草产品中。
实施例19：根据任一前述或后述实施例的由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，其中烟草产品为吸烟制品。
实施例20：一种衍生自经水解烟草材料的纤维素糖，所述烟草材料包含收获的烟草属物种植物的烟草茎秆材料和烟草根部材料中的至少一种。
实施例21：根据任一前述或后述实施例的纤维素糖，其中烟草材料包含至少约90干重％的收获的烟草属物种植物的茎秆材料和根部材料中的至少一种。
实施例22：一种并入有根据任一前述或后述实施例的纤维素糖或根据任一前述或后述实施例的纤维素糖的下游产品的烟草产品，所述纤维素糖的下游产品选自由以下组成的群组：高果糖烟草糖浆、甘油、乙酰丙酸、乳酸和其组合。
通过阅读下文详细描述连同下文简要描述的附图，本公开的这些和其它特征、方面和优点将显而易见。本发明包括以上指出的实施例中的两个、三个、四个或更多个的任何组合以及本公开中阐述的任何两个、三个、四个或更多个特征或要素的组合，不管这类特征或要素是否在本文中的一个特定实施例描述中明确地组合。本公开旨在整体阅读，使得在其各种方面和实施例中的任一个中所公开的本发明的任何可分离特征或要素应视为旨在是可组合的，除非上下文另外明确规定。
附图说明
为了提供对本发明的实施例的理解，参照附图，其不一定按比例绘制，并且其中参考数字是指本发明的示例性实施例的组件。附图仅是示例性，并且不应解释为限制本发明。
图1是描述由烟草生物质材料形成纤维素糖和任选的下游产品的方法的流程图；
图2是具有香烟形式的吸烟制品的分解透视图，其示出香烟的可点燃抽吸材料、包裹材料组成部分和过滤器元件；
图3是无烟烟草产品实施例的跨越产品的宽度取得的顶视图，其示出填充有烟草材料的外袋；以及
图4是根据本公开的实例实施例的通过电子吸烟制品的剖视图，所述电子吸烟制品包含筒柱和控制主体并且包括贮存器外壳。
具体实施方式
现在将在下文中更全面地描述本发明。然而，本发明可以许多不同的形式得到体现，并且不应被解释为限于本文中阐述的实施例；相反地，提供这些实施例，从而本公开内容将是透彻且完整，并且这些实施例将把本发明的范围完整地传达给本领域技术人员。除非上下文另外明确规定，否则如本说明书和权利要求书中所用，单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”包括多个指示物。提及“干重％”或“干重基”是指以干燥成分(即除了水之外的所有成分)计的重量。
本发明提供由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，包含i)接收烟草材料，所述烟草材料包含收获的烟草属物种植物的茎秆材料和根部材料中的至少一种；ii)使烟草材料脱木质素以形成烟草衍生的浆粕；和iii)使烟草衍生的浆粕水解以形成包含残余固体和液体的经水解烟草产物，所述液体包含至少一种烟草衍生的纤维素糖。在若干实施例中，方法可进一步包含将烟草衍生的纤维素糖转化为下游产品，如下文更详细地论述。本发明还提供衍生自经水解烟草材料的纤维素糖，所述烟草材料包含收获的烟草属物种植物的烟草茎秆材料和烟草根部材料中的至少一种。
如在图1中所示并在下文更详细地论述，烟草生物质(在操作100处装载)可在操作102处经历制浆过程，并且在某些实施例中，在操作104处经历脱木质素过程。经脱木质素的产物可包含例如木质素、木糖和纤维素浆粕。木质素和木糖可与浆粕分离，并且例如可在操作106处回收木质素。任选地，例如在操作108处，木糖可经历转化和回收过程以产生木糖糖浆、甘油、乳酸、乙酸和其组合。另外，例如在操作110处，纤维素浆粕可经历水解和糖回收过程以产生各种产物，包括木糖、葡萄糖和葡萄糖糖浆。在操作112处，葡萄糖可进一步经历转化过程以产生高果糖烟草糖浆。在操作114处，葡萄糖还可经历各种转化过程以产生生物产品，包括甘油、乳酸、山梨醇、乙酰丙酸、乙醇和其组合，如下文更详细地论述。
烟草材料
如在图1的操作100处所示，例如，根据本发明的烟草材料的制备可包含收获来自烟草属物种的植物，和在某些实施例中，从植物分离某些组成部分，如茎秆和/或根部，和物理地加工这些组成部分。尽管在本发明中可使用整个烟草植物或其任何组成部分(例如叶子、花、梗、根部、茎秆等)，但是有利的是使用烟草植物的茎秆和/或根部。说明书的其余部分集中在植物的茎秆和/或根部的使用上，但是本发明不限于这类实施例。
可将烟草茎秆和/或根部分离成单独的块(例如与茎秆分离的根部，和/或彼此分离的根部部分，如大根部、中等根部和小根部部分)，或可以组合茎秆和根部。“茎秆”意指在已经去除叶子(包括梗和叶片)之后留下的茎秆。可以如例如以下文献中所描述对根据本发明适用的“根部”和各种特定根部部分定义并分类：Mauseth,《植物学：植物生物学的介绍(Botany:An Introduction to Plant Biology)》:第四版,琼斯和巴特利特出版社(Jonesand Bartlett Publishers)(2009)，以及Glimn-Lacy等人,《图解说明植物学(BotanyIllustrated)》,第二版,斯普林格出版社(Springer)(2006)，所述文献以引用的方式并入本文中。通常对收获的茎秆和/或根部进行清洗、磨碎并干燥，以产生可描述为微粒(即，切碎的、粉碎的、磨碎的、粒化的或粉末状的)的材料。如本文所使用，茎秆和/或根部还可指代已经经历提取过程以去除水可溶材料的茎秆和/或根部。在茎秆和/或根部材料经历提取过程之后剩余的纤维素材料(即，浆粕)还可适用于本发明。
烟草植物的根部和茎秆的纤维素含量的重量百分比比烟草梗高。因此，烟草植物的根部和茎秆的糖产量潜力比烟草梗高。另外，烟草梗代表用于制备在烟草产品中使用的烟草复原薄片和膨胀的梗材料的有价值起始材料。使用烟草梗作为纤维素糖的来源将减少可用于其它烟草制造工艺中的烟草梗的供应。烟草茎秆和根部代表不以其它方式用于烟草制造中的烟草材料，并且因此代表用于制备烟草衍生的纤维素糖的极好的原始材料。不以其它方式用于烟草制造中的附加烟草原始材料是所谓的烟草尘(即，在香烟制造期间收集的非常小的颗粒烟草材料)和所谓的去梗尘(即，在烟草叶子的去梗期间收集的烟草衍生的材料)。烟草尘和去梗尘还可用于生产纤维素糖。
尽管烟草材料可以包含来自烟草属物种植物任何部分的材料，但是材料的大部分通常包含从植物的茎秆和/或根部获得的材料。举例来说，在某些实施例中，烟草材料包含至少约90干重％、至少约92干重％、至少约95干重％或至少约97干重％的收获的烟草属物种植物的茎秆材料和根部材料中的至少一种。
以这类形式提供茎秆和/或根部的方式可不同。举例来说，从烟草属植物茎秆获得的材料可与从烟草属植物根部获得的材料分开并单独地处理。另外，可使来自茎秆和/或根部的不同部分的材料分开并单独地处理(例如，可在整个加工中衍生自根部的不同部分的材料保持分离)。在一些实施例中，来自烟草属植物的不同部分的材料可组合并在一起处理，从而形成单一均质烟草材料。在一些实施例中，使来自烟草属植物的不同部分的材料分开并单独地处理，并且在加工的一些阶段组合以得到单一烟草产品。
优选地，物理加工步骤包含使用用于磨碎、碾磨等的设备和技术将来自烟草属植物的茎秆和/或根部捣碎、磨碎和/或粉碎为微粒形式。在某些优选实施例中，在物理加工步骤之前使茎秆和/或根部干燥，并且因此茎秆和/或根部在磨碎或碾磨期间在形式上是相对干燥的。举例来说，当茎秆和/或根部的水分含量小于约15重量％或小于约5重量％时，可磨碎或碾磨茎秆和/或根部。在这类实施例中，可以使用如锤磨机、刀头、空气控制碾磨机等。
在捣碎、磨碎和/或粉碎烟草属茎秆和/或根部之后提供的烟草材料可具有任何大小。烟草材料可是这样的，即其部分或块的平均宽度和/或长度在约1/16英寸到约2英寸之间、约1/4英寸到约1英寸之间或约1/4英寸到约1/2英寸之间。在一些实施例中，烟草材料的平均宽度和/或长度大于或等于约1/8英寸、大于或等于约1/4英寸、大于或等于约1/2英寸、大于或等于约1英寸，或大于或等于约2英寸。
在某些实施例中，可用水处理烟草材料以从其中提取烟草材料的水可溶组分。在一些优选实施例中，微粒或粉末烟草材料可与水组合，以形成湿润含水材料(例如呈悬浮液或浆料形式)，并且通常加热所得材料以实现各种化合物的提取。用于形成湿润材料的水可为纯水(例如自来水或去离子水)或水与合适的共溶剂(如某些醇)的混合物。在某些实施例中，以湿润材料的总重量计，添加以形成湿润材料的水的量可为至少约50重量％，或至少约60重量％，或至少约70重量％。在一些情况下，水的量描述可为至少约80重量％，或至少约90重量％。
如此产生的提取物可以包含一定水平的夹带在液体中的固体(不可溶)材料。因此，“提取物”旨在意指在茎秆和/或根部与水接触后获得材料，并且可以包含溶解于其中的可溶组分和固体分散组分。在提取过程之后，通常过滤提取的液体组分以去除至少一些固体。换句话说，去除不可溶于含水溶剂的烟草材料部分中的一些或全部。过滤过程可包含使液体通过一个或多个过滤网以去除所选大小的微粒物质。筛网可以例如静止、振动、旋转或其任何组合。过滤器可以是例如压滤器或压力过滤器。在一些实施例中，使用的过滤方法可涉及微滤、超滤和/或纳滤。可使用助滤剂以提供有效的过滤，并且助滤剂可包含通常用于此目的的任何材料。举例来说，一些常用助滤剂包括纤维素纤维、珍珠岩、膨润土、硅藻土和其它含硅材料。为了去除固体组分，还可使用替代方法，例如，组分的离心或沉降/沉积以及液体的虹吸。参见，例如在以下中描述的工艺和产品：Dube等人的美国专利申请公开案第2012/0152265号和Dube等人的美国专利申请公开案第2012/0192880号，所述文献以全文引用的方式并入本文中。提取的固体组分可用作在本文所述的本发明的各种实施例中的起始烟草材料。
根据本发明产生的烟草材料的确切组成可不同。组成可以部分取决于烟草材料是由烟草属茎秆、根部还是其组合制备的。单独由从烟草属茎秆获得的材料制备的烟草材料可以展现与单独由从烟草属根部获得的材料制备的烟草材料不同的特点。类似地，由从这些组成部分中的一种的某些部分获得的材料制备的烟草材料可以展现与从此组成部分的其它部分获得的材料不同的特点(例如由中等根部材料制备的烟草材料可以不同于由大根部材料制备的烟草材料)。举例来说，在某些实施例中，衍生自烟草属茎秆的烟草材料的挥发性化合物含量比衍生自烟草属根部的烟草材料高。
在本发明的工艺中使用的来烟草属物种的植物的选择可不同；并且具体地说，一种或多种烟草的类型可不同。用作衍生烟草材料的烟草茎秆和/或根部的来源的烟草的类型可不同。可使用的烟草包括烟熏烟或弗吉尼亚(Virginia)烟草(例如K326)、白肋烟、晒烟(例如印度卡努尔(Indian Kurnool)和东方烟草，包括卡泰里尼(Katerini)、普瑞里普(Prelip)、科莫蒂尼(Komotini)、克桑西(Xanthi)和扬博尔(Yambol)烟草)、马里兰州(Maryland)烟草、深色(dark)烟、深色烤(dark-fired)烟、深色晾(dark air cured)烟(例如帕桑达(Passanda)、古巴(Cubano)、杰定(Jatin)和贝祖基(Bezuki)烟草)、浅色晾烟(例如北威斯康星(North Wisconsin)和加尔泡(Galpao)烟草)、印度晾烟、红色俄罗斯(RedRussian)和黄花烟(Rustica)烟草，以及多种其它罕见的或特殊的烟草。各种类型的烟草、生长习惯和收获习惯的描述阐述于《烟草制备、化学方法和技术(Tobacco Production,Chemistry and Technology)》,Davis等人(编)(1999)中，其以引用的方式并入本文中。烟草属物种中各种代表性类型的植物阐述于以下中：Goodspeed,《烟草属(The GenusNicotiana)》,(Chonica Botanica)(1954)；Sensabaugh,Jr.等人的美国专利第4,660,577号；White等人的美国专利第5,387,416号和Lawson等人的美国专利第7,025,066号；Lawrence,Jr.的美国专利申请公开案第2006/0037623号和Marshall等人的美国专利申请公开案第2008/0245377号；其中的每个以引用的方式并入本文中。
在本发明中使用的材料的具体烟草属物种也可不同。特别令人感兴趣的是N.alata、N.arentsii、N.excelsior、N.forgetiana、N.glauca、N.glutinosa、N.gossei、N.kawakamii、N.knightiana、N.langsdorffi、N.otophora、N.setchelli、N.sylvestris、N.tomentosa、N.tomentosiformis、N.undulata和N.x sanderae。还感兴趣的是N.africana、N.amplexicaulis、N.benavidesii、N.bonariensis、N.debneyi、N.longiflora、N.maritina、N.megalosiphon、N.occidentalis、N.paniculata、N.plumbaginifolia、N.raimondii、N.rosulata、N.rustica、N.simulans、N.stocktonii、N.suaveolens、N.tabacum、N.umbratica、N.velutina和N.wigandioides。来自烟草属物种的其它植物包括N.acaulis、N.acuminata、N.attenuata、N.benthamiana、N.cavicola、N.clevelandii、N.cordifolia、N.corymbosa、N.fragrans、N.goodspeedii、N.linearis、N.miersii、N.nudicaulis、N.obtusifolia、N.occidentalis subsp.Hersperis、N.pauciflora、N.petunioides、N.quadrivalvis、N.repanda、N.rotundifolia、N.solanifolia和N.spegazzinii。可使用基因修饰或杂交育种技术衍生烟草属物种(例如烟草植物可经基因工程改造或杂交育种以增加或降低某些组分的产生或以其它方式改变某些特点或属性)。参见例如阐述于以下中的植物的基因修饰的类型：Fitzmaurice等人的美国专利第5,539,093号；Wahab等人的美国专利第5,668,295号；Fitzmaurice等人的美国专利第5,705,624号；Weigl的美国专利第5,844,119号；Dominguez等人的美国专利第6,730,832号；Liu等人的美国专利第7,173,170号；Colliver等人的美国专利第7,208,659号；和Benning等人的美国专利第7,230,160号；Conkling等人的美国专利申请公开案第2006/0236434号；以及Nielsen等人的PCT WO 2008/103935。
来自烟草属物种的一种或多种植物组成部分可以非成熟形式使用。也就是说，可在植物达到通常被视为熟或成熟的阶段之前收获植物。因而，例如可在烟草植物正要长芽、正开始形成叶子、正开始开花等时收获植物。
来自烟草属物种的植物组成部分可以成熟形式使用。也就是说，可在植物达到传统地被视为熟透、过熟或成熟的点时收获植物。因而，例如通过使用农民常规使用的烟草收获技术，可收获东方烟草植物，可收获白肋烟草植物，或可根据茎秆位置收获或采摘弗吉尼亚烟草叶子。
在收获之后，烟草属物种植物或其部分可以未经加工处理的形式使用(例如可在不经受任何烘烤过程的情况下使用烟草)。举例来说，呈未经加工处理的形式的烟草可冷冻、冷冻干燥、经受照射、变黄、干燥、蒸煮(例如烘焙、油炸或煮沸)，或以其它方式进行用于稍后使用的储存或处理。这类烟草还可经受老化条件。
将烟草材料转化为纤维素材料
在本发明的各种实施例中，可通过例如烟草材料的脱木质素将烟草材料转化成纤维素材料。烟草材料的脱木质素可涉及多个操作。作为初始步骤，烟草生物质可经历制浆过程。可以机械方式或以化学方式由原始材料产生浆粕，例如如在图1中操作102处所示。
举例来说，精制器机械制浆技术可用于产生烟草茎秆和/或根部浆粕。在机械制浆过程中，例如可切削原始烟草材料，并且然后将其进料在精制机之间，在所述精制机中，在转动金属圆盘之间将碎片制成纤维。参见例如公开于以下中的机械制浆设备和工艺：Huusari的美国专利第4,421,595号和Vikman的美国专利第7,237,733号、WO 2010/023363、CA 1074606和CN 201268810，所述全部文献以全文引用的方式并入本文中。在一些实施例中，可用水预处理原始烟草茎秆和/或根部若干小时。水与茎秆的重量比可为大约10:1到约5:1(例如约7:1)。预处理烟草茎秆可软化茎秆并去除水可溶提取物。然后可将经预处理的混合物排干到约20％的稠度。如本文所使用，术语“稠度”被定义为混合物中固体的百分比。然后，可在大气压力下通过多次通过可切削茎秆的机器精制此经预处理的茎秆。参见例如在以下中论述的机器：Nicholson等人的美国专利第3,661,192号；Smith等人的美国专利第3,861,602号；Maucher的美国专利第4,135,563号；和Morey的美国专利第5,005,620号，所述文献中的每个以引用的方式并入本文中。在各种实施例中，可校准机器使得每次连续通过的茎秆碎片的目标大小可减小。然后例如，可在PFI碾磨机中将这些经切削的浆粕精制成各种水平。参见例如在以下中论述的方法和装置：Albert等人的美国专利第6,773,552号；和Mambrim Filho等人的美国申请公开案第2010/0036113号，所述文献以引用的方式并入本文中。
如在图1的操作104处所示，例如，烟草衍生的浆粕可经历脱木质素过程。机械制浆不分离木质素与纤维素纤维，因此产率通常相对高(即，高于95％)。若干工艺可用于使以机械方式制浆的烟草材料脱木质素。举例来说，浆粕可用水进行冲洗并脱水至少一次。可通过湿法分级、离心、过滤或类似液体分离工艺使浆粕脱水。离心机或其它类似设备可有助于浆粕和糖浆(即，固体和液体)分离。参见例如公开于以下中的设备：Davis的美国专利第521,104号、Stallman等人的美国专利第3,168,474号、West的美国专利第5,713,826号和Collier的美国专利第7,060,017号，所述文献中的每个以全文引用的方式并入本文中。举例来说，筐式离心机可适用于帮助浆粕脱水和木质素糖浆回收操作。另外，浆粕可然后冲洗一次或多次，并且可将pH调节到约4.5到约5.5的范围。在优选实施例中，可将pH调节到约4.8。浆粕可在每次冲洗之后进行脱水。
在一些实施例中，化学制浆工艺可用于使烟草生物质制浆和脱木质素。化学制浆工艺通过将木质素溶解在蒸煮液中，使得可在不严重地降解纤维素纤维的情况下从纤维素纤维洗掉将纤维素纤维粘合在一起的木质素，来分离木质素与纤维素纤维。本领域中已知存在三种主要化学制浆工艺。苏打制浆涉及在氢氧化钠蒸煮液中蒸煮原始材料碎片。从苏打制浆演变的牛皮纸工艺涉及在氢氧化钠和硫化钠的溶液中蒸煮原始材料碎片。酸性亚硫酸盐工艺涉及在蒸煮中使用亚硫酸和硫酸氢根离子。牛皮纸工艺是用于化学木材制浆的最常用方法；然而，苏打工艺还可用于产生一些硬木浆粕。包括(但不限于)以上列出的三种实例的任何化学制浆工艺可用于从原始烟草材料产生烟草浆粕。
蒸煮液可包含强碱。如本文所使用，强碱指代能够在酸碱反应中使非常弱的酸去质子化的碱性化合物(或这类化合物的组合)。举例来说，可适用于本发明的强碱包括(但不限于)以下中的一种或多种：氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、氢氧化铵、碳酸氢铵和碳酸铵。在一些实施例中，强碱的重量可大于投入的烟草的重量的约5％、大于投入的烟草的重量的约25％，或大于投入的烟草的重量的约40％。在某些实施例中，强碱的重量可小于投入的烟草的重量的约60％，或小于投入的烟草的重量的约50％。在再另外的实施例中，强碱的重量可为投入的烟草的重量的约5％到约50％或约30％到约40％。在其它实施例中，各种其它化学物质和其重量比还可用于以化学方式制浆投入的烟草。
除将投入的烟草与强碱组合之外，以化学方式制浆投入的烟草可包括加热投入的烟草和强碱。可加热投入的烟草和强碱以增加化学制浆的效力。就这一点而言，蒸煮温度或时间的增加将引起增大的反应速率(木质素去除速率)。
在各种实施例中，有机溶剂工艺可用于使烟草生物质脱木质素。有机溶剂(基于溶剂的)制浆是化学制浆方法，其中通过有机溶剂或溶剂加水体系进行生物质的脱木质素。参见例如描述于以下中的有机溶剂工艺：Ziaie-Shirkolaee等人,《关于在麦秸的有机溶剂脱木质素期间纤维素降解的研究和浆粕特性的评估(Study on Cellulose Degradationduring Organosolv Delignification of Wheat Straw and Evaluation of PulpProperties)》,《伊朗聚合物杂志(Iranian Polymer Journal)》16(2),2007,第83-96页，所述文献以引用的方式并入本文中。有机溶剂使用在溶剂(例如乙醇或丁醇)的存在下浆粕的酸分解来溶解木质素并将木质素从浆粕中去除。参见例如以引用的方式并入本文中的美国专利申请公开案第2013/0172628号。
在一些实施例中，产生烟草衍生的纤维素材料的方法可包括一个或多个附加操作。参见例如以全文引用的方式并入本文中的Byrd Jr.等人的美国专利申请公开案第2013/0276801号。举例来说，投入的烟草在制浆之前可经历另外的加工步骤，和/或脱木质素方法可包括附加处理步骤(例如使投入的烟草干燥、使投入的烟草除髓、碾磨投入的烟草等)。在一些实施例中，可进行这些附加步骤以从投入的烟草和/或烟草浆粕中人工地去除木髓(其包含木质素)，并因此例如减少在化学制浆过程期间使投入的烟草脱木质素所必需的化学物质的量。可将水与烟草浆粕混合以形成浆料，并过滤浆料，例如以从烟草浆粕中去除一些非纤维素材料，如木髓、薄壁组织和组织。可进行附加处理步骤(例如碾磨投入的烟草)，以增加投入的烟草的表面积，使得增大制浆和/或漂白操作的效力。在制浆之前烟草茎秆的基于蒸汽或基于水的预水解可例如减少在漂白操作中必需的化学物质的量。为试图通过保护碳水化合物在脱木质素期间不受强碱破坏而提供较高产率，例如可在化学制浆方法中使用蒽醌。在制浆和脱木质素领域中已知的其它加工步骤可用于由投入的原始烟草形成纤维素材料。
在一些实施例中，可经由本领域中已知的分离工艺分离含水混合物木质素和木糖与浆粕，并且可在操作106处回收木质素。举例来说，可将水蒸煮出液体以制得更浓缩的木质素糖浆。在某些实施例中，可将酸或碱添加到木质素糖浆以形成木质素盐。在一些实施例中，可将第I族或第II族金属(例如镁、钙、钾等)添加到木质素糖浆，以经由沉淀形成固体(例如氢氧化钙)。
在一些实施例中，例如在操作108处，与浆粕分离的木糖可经历任选的转化和回收过程，以产生木糖糖浆、甘油、乳酸、乙酸和其组合。转化和回收过程可类似于以下关于葡萄糖转化和回收过程描述的那些，然而，衍生自木糖的生物产品的产率可相对低。实际上，在各种实施例中，木糖的转化和回收可主要引起乙酸的形成。
烟草衍生的纤维素糖的形成
在使烟草生物质脱木质素之后，纤维素材料经历至少一种糖化过程，如例如在图1的的操作110处所示。本领域中已知的任何形式的水解可用于使烟草衍生的纤维素材料中的碳水化合物分解成组成部分糖分子。在某些实施例中，在水解过程中，弱酸或弱碱(或两者)的盐可溶解于水中。举例来说，还可使用酸-碱催化的水解。在各种实施例中，纤维素材料可经历酶促水解以形成葡萄糖。参见例如在以下中呈现的纤维素的酶促水解的论述：Zhang,Yi-Heng Percival等人,《增进对纤维素的酶促水解的总体理解：非络合纤维素酶体系(Toward an Aggregated Understanding of Enzymatic Hydrolysis of Cellulose:Noncomplexed Cellulase Systems.)》威立国际科学.生物技术和生物工程(WileyInterScience.Biotechnology and Bioengineering),第88卷,第7期,2004年12月30日,第797-824页。一般来说，纤维素酶体系可使纤维素材料水解。不可溶纤维素材料可同时经历三个过程：(i)残余固相纤维素的化学和物理变化；(ii)形成包含纤维二糖、可溶纤维糊精和葡萄糖的中间产物的固相纤维素的初级水解；以及(iii)次级水解，所述次级水解涉及使可溶中间物水解为较低分子量中间物，并最终水解为包含葡萄糖的液相产物。因此，使烟草衍生的纤维素材料水解可产生包含残余固体和液体的经水解烟草产物(即，液体糊状物)，所述液体包含至少一种烟草衍生的纤维素糖。在各种实施例中，至少一种烟草衍生的纤维素糖可包括葡萄糖、木糖和其组合。
在各种实施例中，用于糖化的酶可包含CTec 2(由诺维信公司(NovozymesA/S)生产)。CTec 2是由生物质生产糖的有效的纤维素酶/半纤维素酶。在一些实施例中，用于糖化的酶可包含由帝斯曼特殊食品公司(DSM Food Specialties B.V.)(荷兰)生产的酶，如针对食品加工的酶。本领域中已知的任何纤维素酶/半纤维素酶可用于本文描述的酶促糖化过程中。通常由制造商推荐用于酶促水解的优选的酶浓度和时间段。在各种实施例中，酶浓度可在约1重量％到约10重量％，或约2重量％到约5重量％的范围内。在优选实施例中，酶浓度可为经历酶促水解的总材料的约3重量％。在各种实施例中，在约48小时内可实现明显水解(即，起始纤维素材料约50％到约75％的转化)。
在各种实施例中，可通过离心、过滤或其它液体/固体分离手段从液体糊状物中去除残余固体。离心机或其它类似设备可有助于固体和液体分离。参见例如公开于以下中的设备：Davis的美国专利第521,104号、Stallman等人的美国专利第3,168,474号、West的美国专利第5,713,826号和Collier的美国专利第7,060,017号，所述文献中的每个以全文引用的方式并入本文中。.
在某些实施例中，可使分离的液体稠合以形成糖浆。蒸发器例如可用于使液体产物稠合。在某些实施例中，机械蒸气再压缩(MVR)蒸发器可适用于辅助使糖浆稠合。参见例如公开于以下中的蒸发器和工艺：Laguilharre等人的美国专利第4,303,468号、Starmer的美国专利第3,396,086号和Ostman的美国专利第4,530,737号；以及Zimmer的美国专利申请公开案第2014/0262730号，所述文献中的每个以引用的方式并入本文中。衍生自经水解烟草产物的浓缩糖浆可包含至少约80重量％的葡萄糖、至少约85重量％的葡萄糖或至少约90重量％的葡萄糖。在某些实施例中，浓缩糖浆可包含约20重量％的木糖或更少、约15重量％的木糖或更少、约10重量％的木糖或更少或约5重量％的木糖或更少。
在各种实施例中，可将酶添加到糖化过程，以便减少液体产物中木糖的量。酶例如可在最终糖化之前去除半纤维素。在各种实施例中，酶可选自由以下组成的群组：(由美国生物***公司(American BioSystems,Inc.)生产)、HC&HC2500(由诺维信公司生产)、木聚糖酶(由二元公司(Dyadic Inc.)生产)和其组合。是对半纤维素具有高特异性、具有仅少量的纤维素酶活性的酶。HC&HC 2500是对半纤维素非常具有特异性，并同样具有非常少量的纤维素酶活性的酶。木聚糖酶是已经表明具有高纤维素酶活性以及高木聚糖酶活性的酶。通常由制造商推荐优选的酶浓度。
下游产品
如上所论述，本发明提供衍生自经水解烟草材料的纤维素糖，所述烟草材料包含收获的烟草属物种植物的烟草茎秆材料和烟草根部材料中的至少一种。根据本发明产生的烟草衍生的纤维素糖材料可适用于生产各种产品，包括(但不限于)保湿剂、酸、调味剂、乙醇和其它葡萄糖衍生的产品。参见例如在图1中示出的工艺流程图中列出的产品。下文更详细地论述由烟草衍生的葡萄糖生产的各种产品。
高果糖烟草糖浆
如上所述，烟草衍生的纤维素材料可经历酶促水解以形成例如葡萄糖。然后，可使用市售固定化葡萄糖异构酶(例如由诺维信生产的类型IT)生产高果糖烟草糖浆。如在图1的操作112处所示，例如，此异构化可将不是非常甜的葡萄糖转化为最甜天然糖的果糖。得自此工艺的糖浆可与蔗糖(甘蔗糖)在许多食品应用中竞争。举例来说，因为高果糖糖浆比蔗糖便宜，所以几乎所有软饮料制造商都使用高果糖糖浆。烟草产品还可并入有例如用于调味的高果糖糖浆。
葡萄糖异构酶(D-葡萄糖酮异构酶)使葡萄糖异构化为果糖。葡萄糖异构化为果糖是将葡萄糖转化为丙酮酸的糖酵解循环的一部分。完成这个的方式是使醛(半缩醛)葡萄糖异构化为酮(作为半缩醛)果糖，并且制得另一种磷酸酯。异构化利用涉及与羰基碳相邻的碳的C-H键的容易断裂。在下一步骤中，使果糖的碳3和碳4之间的键断裂。
举例来说，诺和工业(Novo Industries)已经从凝结芽孢杆菌(B.coagulans)开发出葡萄糖异构酶，用于商业使用。当开发出用于酶的固定化的程序，使得可反复地使用相同批次的酶时，用于由葡萄糖生产果糖的商业工艺变得可行。在此固定化酶工艺中，微生物进行葡萄糖的直接异构化。此葡萄糖异构酶主要是木糖异构酶，因此必须添加木糖或含木糖化合物，用于酶的诱导。
甘油
如图1的操作114处所示，例如，可由烟草衍生的葡萄糖产生甘油。如图1的操作108处所示，例如，还可由从使烟草浆粕脱木质素回收的木糖产生甘油。甘油可适用于各种不同行业和产品。举例来说，在食品和饮料中，甘油可用作保湿剂、溶剂、甜味剂和其组合。甘油还可适用于帮助保存食品、用作填充剂和/或用作增稠剂。甘油还可适用于医疗、药物和个人护理产品(例如用于提供润滑和/或作为保湿剂)。各种烟草产品还可并入有呈保湿剂、甜味剂、溶剂和其组合形式的甘油。
如上所述，烟草衍生的纤维素材料可经历酶促水解以形成葡萄糖。用于糖化的酶可包含例如CTec 3(由诺维信公司生产)。CTec 3是由生物质生产糖的有效纤维素酶/半纤维素酶。在各种实施例中，可将酵母添加到糖化过程以产生包含甘油的经水解烟草产物。举例来说，可使用快速发起面包酵母。在各种实施例中，每升烟草浆粕浆料可使用约10g的酵母，其中烟草浆粕浆料是约5％到10％的固体(例如约9％的固体)。营养素和啤酒花(即，用于酵母的食物)还可用于对工艺进行补充。可允许经水解烟草产物和酵母发酵，并从而形成包含甘油的经发酵浆粕浆料。在各种实施例中，产生的甘油的平均产率为起始纤维素材料的至少约10重量％。可对溶液使用弱碱负离子以去除任何乳酸杂质。
在各种实施例中，可将pH调节剂或缓冲剂添加到糖化过程，以将pH控制在最佳范围内，这可取决于使用的纤维素材料和酵母。举例来说，在糖化过程期间，可将pH保持在约5到约10的范围内。示例性试剂包括金属氢氧化物、金属碳酸盐、金属碳酸氢盐和其混合物。特定示例性材料包括氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸钠和碳酸氢钠。在酶促水解中使用的pH调节剂或缓冲材料的量可不同，但通常至多约5干重％，并且某些实施例的特征可在于至少约0.5干重％(如约1干重％到约5干重％)的pH调节剂/缓冲剂含量。
在一些实施例中，在整个反应中，可定期添加低剂量的亚硫酸氢盐(例如约2000ppm或更少)，以便使乙醛不挥发并增加由酵母产生的甘油。亚硫酸氢盐例如可呈Na2S2O5形式。在发酵过程期间，可使用pH控制器和碱将pH保持在6.7和7.3之间，以便在酵母可耐受的pH范围内稳定亚硫酸氢盐浓度。
山梨醇
如上所述，烟草衍生的纤维素材料可经历酶促水解以形成葡萄糖。在某些实施例中，可使葡萄糖稠合以形成糖浆。可例如使用镍催化剂，通过氢化将稠合葡萄糖糖浆转化为山梨醇。山梨醇可适用作糖替代物。山梨醇还可用作非刺激性轻泻剂。山梨醇还可适用于医疗应用和医疗保健、食品和化妆用途，例如作为保湿剂和/或增稠剂。山梨醇还可适用作烟草产品(例如吸烟制品和/或无烟烟草产品)中的保湿剂。在一些方面，由于山梨醇具有用于透明调配物的足够高的折射率，所以山梨醇可用于形成透明凝胶。
已知用于由葡萄糖产生山梨醇的高产率和高效的方法。自从1942年以来，使用镍通过分批氢化产生山梨醇。参见以引用的方式并入本文中的Zhang,J,《工业与工程化学研究(Ind.Eng.Chem.Res.)》2013,52,11800。葡萄糖的分批氢化的改进主要是对镍海绵类型催化剂的改变，如添加钼、铬和铁。用于由葡萄糖产生山梨醇而专门生产的市售催化剂包括(但不限于)BASF ActimetTMC、W.R.Grace 3111和Johnson Matthey“海绵金属催化剂1”。这些催化剂通常具有约2重量％的钼。镍催化剂由于其低成本获得工业背景的欢迎。然而，它们在反应环境中不是完全稳定的。
在氢化过程期间，镍被施加到产物，并且特别是在高体积生产情况下或当期望美国药典(USP)级产品时，镍的去除增加成本。因而，研究已经存在这样的趋势：在各种载体上使用钌催化剂用于生产山梨醇。参见以引用的方式并入本文中的Zhang,J,《工业与工程化学研究》2013,52,11802-11804。然而，由于在一些镍催化剂的浸提行为方面的改进和镍催化剂的低成本，镍催化剂将很可能在镍被代替之前的一定时间内作为用于葡萄糖到山梨醇氢化的选择。
对于山梨醇生产，连续工艺也是常用的。由葡萄糖产生山梨醇的典型连续工艺是以引用的方式并入本文中的Chou的美国专利第4,322,569号的主题。以受控的速率将前体进料到催化剂固定床的上方，其中以高压力供应氢气来以高产率将葡萄糖氢化为山梨醇。
如在以引用的方式并入本文中的Zhang,J,《工业与工程化学研究》2013,52,11805中揭示，还发现可在不使用气体氢气的情况下将葡萄糖转变为山梨醇。使用Pd/C作为催化剂和甲酸钠作为还原剂，实现高达71.7％的产率和94.1％的山梨醇生产选择率。甲酸是由烟草原料产生乙酰丙酸的副产物，并且甲酸钠仅是所述副产物的钠盐。
乙酰丙酸
如上所述，烟草衍生的纤维素材料可经历酶促水解以形成葡萄糖。参见例如图1的操作114。在某些实施例中，可使葡萄糖稠合以形成糖浆。可通过水解将稠合葡萄糖糖浆转化为乙酰丙酸。乙酰丙酸可起药物、塑化剂和各种其它添加剂的前体的作用。可由乙酰丙酸制备潜在的生物燃料。各种烟草产品可并入有乙酰丙酸。举例来说，电子吸烟制品可将乙酰丙酸并入浮质前体组合物中。
可将用于由生物质产生乙酰丙酸所采取的方法粗略地分组为四种类别：(1)浓酸/低温水解；(2)稀酸/高温水解；(3)连续工艺；以及(4)两步连续工艺。
麦肯齐(Mckenzie)有机合成程序提供浓酸/低温水解的实例，所述麦肯齐有机合成程序描述于以引用的方式并入本文中的《有机合成(Organic Syntheses)》,Coll.Vol 1,第335页(1941)中。此类型的水解具有多个缺点，如大量产生腐黑物、处理困难、低产量，并且由于其强酸性废料流是环境不友好的。
第二代生物质水解以产生乙酰丙酸是稀酸/高温水解反应。由于其高温条件，在压力容器中执行这些反应。可例如在以下中查看用于乙酰丙酸的46种酸催化的分批生产方法的表：Girsuta,B,《得自木质纤维素生物质的乙酰丙酸(Levulinic Acid fromLignocellulosic Biomass)》,论文,格罗宁根大学(University of Groningen),2007，所述文献以引用的方式并入本文中。这些方法中的三十四种使用高温(高于100℃)和低酸浓度。
连续工艺已经在一段时间是乙酰丙酸的工业生产的选择。较早的连续工艺是在通过管式炉的连续流中进行的高温水解。更为新近的生产流程使用反应挤出机以更受控的方式升高酸性浆料的温度并使水解反应发生。参见例如以引用的方式并入本文中的Ghorpade等人的美国专利第5,859,263号。
构成生物质水解和乙酰丙酸产生的过程的化学反应的较深分析揭示，可有利的是分离碳水化合物水解步骤与乙酰丙酸产生。暴露于相对高温度(例如约210℃)持续短时间段(例如约12秒)的生物质以高产率水解为己糖和戊糖。连续去除戊糖反应产物和调节反应条件(例如约190℃，持续约20分钟)可提供由己糖最佳地产生乙酰丙酸。
在威斯康星大学的工作为工业规模的乙酰丙酸生产提供另一有前景的未来方向。参见例如以引用的方式并入本文中的Dumesic的美国专利第8,389,749号。认识到有利的不仅是分离生物质水解为糖与乙酰丙酸产生，而且是从含水水解环境中连续地分离中间物羟甲基糠醛。这通过两相反应器设计来实现，其中羟甲基糠醛被连续地提取到有机溶剂(2-仲丁基苯酚)中并输送到另一两相反应容器中，在所述反应容器中，已经最佳化羟甲基糠醛到乙酰丙酸反应条件，并且连续地去除所得产物。还正研究作为用于此工艺的更环境可接受反应介质的替代溶剂，如γ戊内酯。参见例如以引用的方式并入本文中的Alonso,D,《能源环境科学(Energy Environ.Sci.)》,2013,6,76-80。
乳酸
如上所述，烟草衍生的纤维素材料可经历酶促水解以形成包含残余固体和液体的经水解烟草产物(即，液体糊状物)，所述液体包含至少一种烟草衍生的纤维素糖。如在图1的操作114处所示，例如，过程可进一步包含分离残余固体和液体、将高蛋白质培养基添加到液体，和允许液体和高蛋白质培养基发酵并形成包含乳酸的经发酵产物。如在图1的操作108处所示，例如，还可由木糖的转化和回收过程产生乳酸。
由将如葡萄糖、蔗糖或半乳糖的简单碳水化合物转化为乳酸的乳酸菌执行乳酸发酵。乳酸菌(LAB)(也称为乳杆菌目)是革兰氏阳性、非产芽孢球菌、球杆菌或杆菌的分支，具有小于53mol％G+C(鸟嘌呤+胞嘧啶)的DNA碱基组成。它们通常是非呼吸性的，并缺乏催化酶。它们主要使葡萄糖发酵为乳酸，或发酵为乳酸CO2和乙醇。在纯乳酸发酵中，一分子的葡萄糖最终转化为两分子的乳酸。在异质乳酸发酵中，在被称作磷酸酮醇酶途径的过程中除乳酸之外，还产生二氧化碳和乙醇。尽管许多属的细菌产生乳酸作为初级或次级发酵终产物，但是术语“乳酸菌”常规地经保留用于乳杆菌目中的属，所述属除肉食杆菌属(Carnobacterium)、肠球菌属(Enterococcus)、酒球菌属(Oenococcus)、四体球菌属(Tetragenococcus)、漫游球菌属(Vagococcus)和魏斯氏菌属(Weisella)之外，还包括乳杆菌属(Lactobacillus)、白念珠球菌属(Leuconostoc)、小球菌属(Pediococcus)、乳球菌属(Lactococcus)和链球菌属(Streptococcus)。乳酸发酵的两种常见应用是在例如酸奶和泡菜的生产中。
乳酸可适用作用于产生聚乳酸(PLA)的单体，所述聚乳酸作为可生物降解聚合物具有许多应用。无烟烟草产品例如可在适用于形成容纳烟草组合物的外部袋的材料中并入烟草衍生的PLA。吸烟制品例如可在过滤器中并入烟草衍生的PLA。烟草产品还可包括在烟草组合物中的乳酸和浮质前体组合物，作为防腐剂、固化剂和/或调味剂。乳酸还可用于药物技术中，以由以其它方式不可溶的活性成分产生水可溶乳酸盐。乳酸可适用于体表制剂和化妆品中，以调节酸性和其消毒和角质层分离特性。乳酸可适用作食品防腐剂、固化剂和调味剂。乳酸还可适用于清洁剂(作为肥皂浮渣去除剂)和抗菌剂中。乳酸与碳酸氢铵组合用于牌蚊类引诱剂中。一般来说，在许多不同产品中，乳酸作为相对环境安全和天然的成分是有益的。
乙醇
如上所述，烟草衍生的纤维素材料可经历酶促水解以形成包含残余固体和液体的经水解烟草产物(即，液体糊状物)，所述液体包含至少一种烟草衍生的纤维素糖。如在图1的操作114处所示，例如，过程可进一步包含分离残余固体和液体、将酵母添加到液体，和允许液体和酵母发酵并形成包含乙醇的经发酵产物。
乙醇(也称为乙基醇)是酒精饮料中存在的醇的主要类型。乙醇例如还可适用作溶剂、消毒剂、燃料和现代温度计中的活动流体。用作工业原料或溶剂的乙醇通常由乙烯的酸催化水合作用制成。用于酒精饮料中的乙醇和用作的燃料的绝大部分乙醇通过发酵产生。
关于乙醇发酵，当某些物种的酵母(例如酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae))在低氧条件下使糖(例如葡萄糖)代谢时，它们产生乙醇和二氧化碳。此过程可在例如约35℃到40℃下进行。乙醇对酵母的毒性可限制可通过酿造获得的乙醇浓度。因而，增补或蒸馏工艺可用于获得较高的乙醇浓度。
如上所论述，含纤维素材料(例如烟草植物的根部和/或梗)通常含有其它多糖，包括半纤维素。半纤维素的水解提供五碳糖，如木糖。最常用于乙醇生产的酵母的酿酒酵母不可使木糖代谢。因而，在某些实施例中，可在经历乙醇发酵过程之前经由酶促处理减小经水解产物中木糖的浓度。
烟草产品中烟草衍生的纤维素糖材料的用途
如上所述，根据本发明产生的纤维素糖材料可适用于生产衍生自烟草葡萄糖的各种产品，包括(但不限于)保湿剂、填充剂、调味剂和各种酸。根据本发明的工艺产生的纤维素糖材料和其它下游产品可适用作并入到例如烟草产品中的组成部分。添加有本发明的材料的烟草产品可不同，并且可包括经配置或适于将烟草或其一些组成部分递送到产品的用户的任何产品。示例性烟草产品包括吸烟制品(例如香烟)、无烟烟草产品和含有烟草材料或其它在使用期间不燃烧的植物材料的浮质产生装置。
在各种实施例中，可将衍生自纤维素糖材料(具体地说，烟草葡萄糖)的产品以可点燃抽吸填充材料中的调味剂、填充剂和/或保湿剂的形式并入到吸烟制品中。在一些实施例中，衍生自本发明的纤维素糖材料的乳酸可用于生产聚乳酸，所述聚乳酸可适用于过滤产品中，包括例如吸烟制品中的过滤器。
参照图2，其示出呈香烟形式并具有吸烟制品的某些代表性组成部分的吸烟制品10，所述组成部分可含有衍生自本发明的纤维素糖材料的产品。香烟10包括围绕包裹材料16中所含的可点燃抽吸填充材料(例如约0.3到约1.0g的可点燃抽吸填充材料，如烟草材料)的装料或卷筒的大体上圆柱形杆12。杆12常规地被称为“烟丝条”。烟丝条12的端部开放以暴露可点燃抽吸填充材料。香烟10被示出为具有一个任选的施加于包裹材料16的条带22(例如包括成膜剂(如淀粉、乙基纤维素或海藻酸钠)的印刷涂层)，并且所述条带以与香烟的纵向轴线横切的方向围绕香烟杆。条带22可印刷在包裹材料的内表面上(即面向可点燃抽吸填充材料)，或不太优选地，在包裹材料的外表面上。
在烟丝条12的一个端部处是点燃端部18，并且将过滤器元件26定位在口端部20处。过滤器元件26与烟丝条12的一个端部相邻定位，使得过滤器元件和烟丝条以端对端关系轴向对准，优选地彼此邻接。过滤器元件26可以具有大体上圆柱形形状，并且其直径可以基本上等于烟丝条的直径。过滤器元件26的端部允许空气和烟雾通过其中。包裹塞28包覆过滤器元件，并且接装材料(未示出)包覆包裹塞和杆12的外包裹材料16的一部分，从而将杆固定到过滤器元件26。
本发明的过滤器元件通常包含多个纵向延伸的区段。每个区段可具有不同的特性，并且可以包括能够过滤或吸收微粒物质和/或气相化合物的各种材料。通常，本发明的过滤器元件包括2到6个区段，经常地2到4个区段。在一个优选实施例中，过滤器元件包括口端部区段、烟草端部区段和在其之间的隔间。此过滤器布置有时被称为“隔间过滤器”或“塞/空间/塞”过滤器。如下文更详细地描述，可以将隔间划分成两个或更多个隔间。
在各种实施例中，过滤器元件可包含呈活性碳材料形式的吸附剂，其中将能够去除主流烟雾的至少一种气相组分的活性碳并入到过滤器元件中。在某些实施例中，过滤器元件26可包括通气孔30，所述通气孔30延伸通过接装纸(未示出)和包裹塞28，并且因此提供主流烟雾的空气稀释。通气孔30可以经配置为围绕过滤器元件26周向性延伸的单线的穿孔，或可以包含若干线的穿孔。如将理解，通气孔30的确切数目和大小将根据期望水平的空气稀释而变化。
在各种实施例中，可将衍生自纤维素糖材料(具体地说，烟草葡萄糖)的产品以无烟烟草调配物中的调味剂、填充剂和/或保湿剂形式并入到无烟烟草产品中。在一些实施例中，衍生自本发明的纤维素糖材料的乳酸可用于生产聚乳酸，所述聚乳酸可适用于非织造产品中，包括例如适用于袋装产品的非织造织物。
本发明的无烟烟草产品的形式可不同。在一个具体实施例中，产品呈小鼻烟类型产品的形式，所述小鼻烟类型产品含有微粒烟草材料和衍生自烟草葡萄糖的调味剂、填充剂和/或保湿剂。用于调配小鼻烟类型烟草调配物的方式和方法对于小鼻烟烟草产品生产领域的技术人员将是显而易见的。举例来说，如图3所示，示例性袋装产品300可包含呈袋形式的外部水可渗透容器320，所述容器320含有适于经口使用的微粒混合物315。本文示出的外部水可渗透袋的取向、大小和类型以及适于经口使用的组合物的类型和性质不应被解释为对其进行限制。
在各种实施例中，水分可渗透包或袋可用作容器，用于内部组合物的使用。这类包或袋(如图3所示的实施例中的容器袋320)的组成/构造可以如本文所指出的变化。举例来说，用于制造无烟烟草产品的类型的合适的包、袋或容器(其可根据本发明修改)可以以下商标名购得：CatchDry、Ettan、General、Granit、Goteborgs Rape、Grovsnus White、Metropol Kaktus、Mocca Anis、Mocca Mint、Mocca Wintergreen、Kicks、Probe、Prince、Skruf和TreAnkrare。在形状和形式上与本文所述的袋装产品的各种实施例类似的袋类型的产品可作为ZONNIC(由Niconovum AB配销)商购。另外，在以引用的方式并入本文中的Axelsson等人的PCT WO 2007/104573的实例1中，将在形状和形式上与袋装产品的各种实施例大体上类似的袋类型产品阐述为鼻烟包组合物E-J，使用赋形剂成分和可用于制造如本文所述的袋装产品的加工条件生产所述鼻烟包组合物E-J。
每个袋内含有材料的量可以不同。在较小实施例中，每个袋内材料的干重是至少约50mg到约150mg。对于较大实施例，每个袋内材料的干重优选地不超过约300mg到约500mg。每个袋内的材料可包含衍生自由原始烟草材料产生的葡萄糖的调味剂、填充剂和/或保湿剂。
在一些实施例中，每个袋/容器可以具有设置在其中的风味剂构件，如在以引用的方式并入本文中的Holton,Jr.等人的美国专利第7,861,728号中更详细地描述。风味剂构件可包含衍生自如上所论述的烟草葡萄糖的调味剂。如果需要，每个袋内可含有其它组分。举例来说，可以连同至少一个胶囊或在不具有至少一个胶囊的情况下，将至少一种风味水分散性或水可溶材料(例如呼吸清新可食用膜类型材料)的风味带、块或薄片设置在每个袋内。可以折叠或揉皱这类带或薄片，以便将其容易地并入在袋内。参见例如阐述于以下中的材料的类型和技术：Scott等人的美国专利第6,887,307号和Leung等人的美国专利第6,923,981号；以及《欧洲食品***杂志(EFSA Journal)》(2004)85,1-32；所述文献以引用的方式并入本文中。
在各种实施例中，外部水可渗透袋可包含由衍生自烟草葡萄糖的乳酸产生的PLA。小鼻烟类型产品的各种组件和其组分的描述还阐述于Lundin等人的美国专利申请公开案第号2004/0118422中，所述文献以引用的方式并入本文中。此外，参见例如Linden的美国专利第4,607,479号；Nielsen的美国专利第4,631,899号；Wydick等人的美国专利第5,346,734号；和Derr的美国专利第6,162,516号，以及Hansson等人的美国专利公开案第号2005/0061339；所述文献中的每个以引用的方式并入本文中。此外，参见阐述于以引用的方式并入本文中的Kjerstad的美国专利第5,167,244号中的袋的类型。使用如作为SB 51-1/T、SBL50和SB 53-2/T可购自Merz Verpackungmaschinen GmBH的设备制造小鼻烟类型的产品。小鼻烟袋可作为单独的袋提供，或可将多个袋(例如2个、4个、5个、10个、12个、15个、20个、25个或30个袋)连接或链接在一起(例如，以端对端方式)，使得可容易地从袋的单件式股束或矩阵中取出单个袋或单独的部分，用于使用。
本发明不限于小鼻烟类型无烟烟草产品。举例来说，还可将烟草材料和衍生自烟草葡萄糖的调味剂、填充剂和/或保湿剂的混合物并入到各种无烟烟草形式中，如松散湿鼻烟、松散干鼻烟、咀嚼烟草、粒化烟草块、挤出烟草带或块、粉末状块和组分的精细粉碎或碾磨附聚物、片状块(例如其可在流化床中通过使烟草调配物组分附聚形成)、模制烟草块(例如以硬币、圆柱体、豆、立方体等的大致形状形成)、含烟草胶状物的块、并入有可食用材料与烟草块和/或烟草提取物组合的混合物的产品、并入有由固体不可食用基材承载的烟草(例如呈烟草提取物形式)的产品等。举例来说，无烟烟草产品可具有以下形式：压缩烟草团粒、多层挤出块、挤出或成形杆或棒、组合物(其具有由不同类型的烟草调配物围绕的一种类型的烟草调配物)、胶布状膜的卷筒、容易地水可溶解或水分散性膜或带(参见例如Chan等人的美国专利申请公开案第2006/0198873号)或胶囊状材料，所述胶囊状材料具有外部壳体(例如在性质上可为透明、无色、半透明或高度彩色的可弯曲或硬外部壳体)和内部区，所述内部区具有烟草或烟草香料(例如并入一些形式的烟草的牛顿流体或触变流体)。
在一些实施例中，本发明的无烟烟草产品可具有含片、片剂、舌下片(microtab)或其它片剂类型产品的形式。参见例如阐述于以下中的含片调配物的类型和用于调配或制造含片的技术：Shaw的美国专利第4,967,773号；Acharya的美国专利第5,110,605号；Dam的美国专利第5,733,574号；Santus的美国专利第6,280,761号；Andersson等人的美国专利第6,676,959号；Wilhelmsen的美国专利第6,248,760号；和美国专利第7,374,779号；Wilhelmsen的美国专利公开案第2001/0016593号；Liu等人的美国专利公开案第2004/0101543号；Mcneight的美国专利公开案第2006/0120974号；Chau等人的美国专利公开案第2008/0020050号；Gin等人的美国专利公开案第2009/0081291号；以及Axelsson等人的美国专利公开案第2010/0004294号；所述文献以引用的方式并入本文中。
根据加工的无烟烟草产品的类型，除烟草材料和衍生自烟草葡萄糖的调味剂、填充剂和/或保湿剂之外，烟草产品还可包括一种或多种附加组分。举例来说，烟草材料和衍生自烟草葡萄糖的调味剂、填充剂和/或保湿剂可与其它材料或成分一起加工、掺合、调配、组合和/或混合，所述其它材料或成分如其它烟草材料或调味剂、填充剂、粘合剂、pH调节剂、缓冲剂、盐、甜味剂、着色剂、崩解助剂、保湿剂和防腐剂(其中任一种可以是经囊封的成分)。参见例如阐述于以下中的那些代表性组分、组分的组合、那些组分和成分相对于烟草的相对量和使用那些组分的方式和方法：Mua等人的美国专利公开案第2011/0315154号和Holton,Jr.等人的美国专利公开案第2007/0062549号以及Holton,Jr.的美国专利第7,861,728号，所述文献中的每个以引用的方式并入本文中。
在各种实施例中，可将衍生自纤维素糖材料(具体地说，烟草葡萄糖)的产品以电子吸烟制品中的调味剂、填充剂和/或保湿剂的形式并入到无烟烟草产品中。已经提出了许多吸烟产品、风味产生器和药用吸入器，其利用电能来蒸发或加热挥发性材料或尝试在不燃烧烟草的情况下在很大程度上提供香烟、雪茄或烟袋的感觉。参见例如阐述于在以下中描述的背景技术中的各种替代吸烟制品、浮质递送装置和产热源：Robinson等人的美国专利第7,726,320号、Griffith Jr.等人的美国专利公开案第2013/0255702号、Sebastian等人的美国专利公开案第2014/0000638号、Collett等人的美国专利公开案第2014/0060554号、Sears等人的美国专利公开案第2014/0096781号、Ampolini等人的美国专利公开案第2014/0096782号和2013年8月28日提交的Davis等人的美国专利申请第14/011,992号，所述文献以全文引用的方式并入本文中。
图4中示出电子吸烟制品200的示例性实施例。如其中所示，控制主体202可由控制主体壳体201形成，所述控制主体壳体201可包括控制组件206、流量传感器208、电池210和LED 212。筒柱204可由包围贮存器外壳244的筒柱壳体203形成，所述贮存器外壳244与液体输送元件236流体连通，所述液体输送元件236适于以毛细作用方式或以其它方式将储存于贮存器外壳中的浮质前体组合物输送到加热器234。开口228可以存在于筒柱壳体203中，以允许形成的浮质从筒柱204排出。这类组件代表可以存在于筒柱中的组件，并且不旨在限制本公开所涵盖的筒柱组件的范围。筒柱204可以适于通过在控制主体突起件224和筒柱接收座240之间的压入配合接合来接合控制主体202。这类接合可促进控制主体202和筒柱204之间的稳定连接，以及在控制主体中的电池210和控制组件206与筒柱中的加热器234之间建立电连接。筒柱204还可包括一个或多个电子组件250，所述一个或多个电子组件250可以包括IC、存储器组件、传感器等。电子组件250可以适于与控制组件206通信。根据本公开的电子吸烟装置的各种组件可选自本领域中描述的和可商购的组件。
在各种实施例中，浮质前体组合物可包含烟草衍生的纤维素糖或烟草衍生的糖的下游产品，所述下游产品选自由以下组成的群组：葡萄糖、葡萄糖糖浆、高果糖烟草糖浆、甘油、乳酸、乙酰丙酸、山梨醇和其组合。用于可以根据本公开使用的浮质前体材料的示例性调配物描述于以下中：Robinson等人的美国专利第7,217,320号；Zheng等人的美国专利公开案第2013/0008457号；Chong等人的美国专利公开案第2013/0213417号；Collett等人的美国专利公开案第2014/0060554号；以及Sebastian等人的美国专利公开案第2014/0000638号，所述文献的公开内容以全文引用的方式并入本文中。可并入有本文所述的纤维素糖和其下游产品的其它浮质前体包括已经并入在以下中的浮质前体：R.J.雷诺蒸气公司(R.J.Reynolds Vapor Company)的产品、罗瑞拉德技术(LorillardTechnologies)的BLUTM产品、Mistic Ecigs的MISTIC MENTHOL产品，和CN创新公司(CNCreative Ltd)的VYPE产品。可购自Johnson Creek Enterprises LLC的电子香烟的所谓的“烟雾果汁”也是期望的。
实验
本发明的方面由以下实例更完全地说明，阐述实例以说明本发明的某些方面并且不应被解释为限制本发明。
实例1
由原始烟草材料产生葡萄糖。执行三组脱木质素和糖化。每一组由磨碎(以机械方式制浆)烟草茎秆生物质，用于在大致工作体积为约60加仑的大型脱木质素导流管槽中进行两次脱木质素构成。在每次脱木质素中使用14千克(干重)的烟草茎秆。在磨碎烟草茎秆生物质之后，对于每次脱木质素剩余10kg经脱木质素的浆粕。
然后对经脱木质素的浆粕进行冲洗、脱水并再次冲洗。将pH调节到4.8，并且然后使浆粕再次脱水以获得准备好进行酶促糖化的浆粕。执行两次添加糖化，以干重计，以5％固体和5％酶加载水平开始。在此运行24小时之后，将第二次添加的浆粕添加到糊状物，并运行附加24小时。
从糊状物中去除残余固体，并且将液体移动到蒸发器以稠合。所得的浓缩葡萄糖糖浆的糖组成为84.4重量％的葡萄糖和15.6重量％的木糖。
实例2
由原始烟草材料产生具有降低的木糖浓度的葡萄糖糖浆。遵循以上实例1中描述的过程以产生葡萄糖糖浆。然而，为了从糖浆中消除木糖，在最终糖化之前使用木聚糖酶以去除半纤维素。使用三种不同类型的木聚糖酶( HC&HC 2500、Xylanase和其组合)。
HC&HC 2500是释放木糖而无葡萄糖的唯一酶。然而，木糖的释放低于所期望的。添加另一种木聚糖酶示出半纤维素的良好水解，但也表现出相同的纤维素水解。然而，在此步骤中，木聚糖酶的组合使得能够去除一半仍然可利用的半纤维素，这将葡萄糖糖浆中木糖降低了约50％，但是未消除木糖。
实例3
使用市售固定化葡萄糖异构酶(也称为Sweetzyme类型)产生高果糖烟草糖浆。在55℃和13％的初始烟草葡萄糖浓度下进行实验。在将酶(45g)添加到4L的含有葡萄糖的Tris-缓冲剂介质(pH 7.5)之前使酶水合。果糖产率大约为0.5g g-1。最终葡萄糖和果糖浓度分别是275g/L和225g/L。此反应示出实验数据和模型预测之间的良好配合(Gaily,M.H.等人《使用酿酒酵母由高度浓缩椰枣提取物生产果糖(Production of fructose fromhighly concentrated date extracts using Saccharomyces cerevisiae.)》《生物技术通讯(Biotechnology Letters)》,2013)。
实例4
由原始烟草材料产生甘油。磨碎烟草茎秆生物质(以机械方式制浆)，用于在大致工作体积为约60加仑的大型脱木质素导流管槽中进行脱木质素。然后对经脱木质素的浆粕进行冲洗、脱水并再次冲洗。将pH调节到4.8，并且然后使浆粕再次脱水以获得准备好进行酶促糖化的浆粕。使用强加载(3重量％)的CTec 3(由诺维信公司生产)酶糖化经脱木质素的烟草浆粕提供用于甘油生产的烟草葡萄糖。
在添加10g/L的快速发起面包酵母之前，使烟草浆粕浆料(9％固体)水解24小时。营养素和啤酒花还补充介质。在整个反应中定期添加呈Na2S2O5形式的低剂量的亚硫酸氢盐(2000ppm)，以便使乙醛不挥发并增加由酵母产生的甘油。使用pH控制器和AmOH2将pH保持在6.7和7.3之间，以便在酵母可耐受的pH范围内稳定亚硫酸氢盐浓度。以浆粕的重量计，以13％的平均产率产生超过100g的甘油。对溶液使用弱碱负离子以去除任何乳酸杂质。
实例5
由烟草衍生的葡萄糖产生山梨醇。遵循以上实例1中描述的过程以产生葡萄糖糖浆。遵循由以下概述的条件以设计降低烟草衍生的葡萄糖葡萄糖转变为山梨醇：Gallezot,P.《催化杂志(J.Catal.)》146(1994)93和Hoffer,B.W.,《调整雷尼类型和负载类型Ni催化剂用于商业氢化反应(Tuning Raney-type and Supported Ni Catalysts forCommercial Hydrogenation reactions.)》论文,荷兰,代尔夫特,代尔夫特科技大学(Delft University of Technology,Delft,The Netherlands),2003。如催化剂类型、前体浓度、H2压力、反应温度和清除循环的关键参数经调适用于在反应中使用。
具体来说，我们降低烟草葡萄糖转变为山梨醇如下。烟草衍生的葡萄糖(白利糖度34.9、约100g、0.55M)存在于H2O中，得到250mL的溶液体积。通过将0.1M乙酸和Mo合金雷尼镍(W.R.Grace 3202，3g)添加到溶液，将pH调节到6.5。将反应混合物置于600ml不锈钢Parr搅拌高压釜中，所述高压釜配备有热电偶控制的加热套和由Parr振荡氢化设备调适的清除***。反应容器暴露于3次真空抽空/H2填充循环以从***清除氧气。断开清除***，并添加氢气到800psig(5.5mPa)的压力。开始搅拌(1000rpm)并将反应物快速加热到120℃。反应需要在2.5h的时间段内将氢气压力水平从580psi(4mPa)返回到800psi 3次，在所述时间段已经停止H2吸收。在水浴中将反应容器快速冷却到25℃，并且小心地释放H2压力。容器经真空清除以减少溶解于溶液中的H2量。打开高压釜，磁性雷尼镍保持在具有强大磁体的高压釜下半部的底部处，并且将反应溶液倾析到锥形瓶中。用蒸馏H2O洗涤催化剂，并且洗液与产物组合。催化剂浸没在水中。在烧结漏斗上通过硅藻土垫真空过滤水溶液，以去除任何非磁性镍颗粒。
反应重复两次，并且由于催化剂洗涤过程的性质，最终溶液具有稍微不同的体积，并且因此具有不同的山梨醇浓度。HPLC分析示出轮次1的山梨醇浓度为150g/L，并且轮次2的山梨醇浓度为173g/L。所得溶液是澄清和白色的。
实例6
由烟草生物质产生乙酰丙酸。遵循以上实例1中描述的过程以由原始烟草材料产生葡萄糖。由以下概述的条件适于乙酰丙酸合成的水解部分：Du,X.,《应用化学(Angew.Chem.)》2011,123,7961-7965和Runge,T,《工业与工程化学研究》2012,51,3265-3270，所述文献以引用的方式并入本文中。大多数现代的文献使用乙酰丙酸作为其它反应的原料，因此在现代的文献中存在很少的分离程序。以引用的方式并入本文中的Edwards的美国专利第4,612,391号描述其中用有机溶剂提取酸性和碱性溶液以纯化产物的工艺。通过将乙酸乙酯代替其中提出的不合乎环保需要的氯化溶剂来调适此工艺。
如下产生乙酰丙酸样品。将葡萄糖(44.6g，0.248摩尔)溶于0.5M H2SO4(230mL)中并加载到500mL内衬有特氟隆的l不锈钢搅拌高压釜中。将高压釜快速加热到170℃(约30分钟)，并在达到目标温度之后剧烈搅拌45分钟。去除外套，并使高压釜在水浴中快速冷却。当设备达到40℃时，将其置于环架中，并移除顶部。将反应混合物倒入500mL锥形瓶中并且输送到实验室。在此时的HPLC分析给出15g/L到16g/L的乙酰丙酸浓度。通过添加CaO(5g)使酸性溶液的pH为1，用于去除H2SO4和不可溶腐黑物。过滤出所得的CaSO4，用DI H2O洗涤滤饼，并且用乙酸乙酯(3×100mL)提取含有乙酰丙酸和甲酸的水溶液。用盐水洗涤有机物，并且通过旋转蒸发去除乙酸乙酯。将附加水添加到残余物，以确保所有甲酸作为共沸物被去除。将残余物溶解于3N NaOH(150mL)中，并用乙酸乙酯洗涤，用于经由Na盐形成去除不是羧酸的有机化合物。用浓HCl将碱性水溶液酸化到pH 1，并且用乙酸乙酯(3×100mL)提取酸性溶液，用于去除水可溶盐和回收产物。通过用饱和盐水溶液洗涤来干燥有机溶液，并且通过旋转蒸发去除有机溶剂。将重复的反应的产物合并，并且用活性炭处理粗乙酰丙酸以去除颜色。
实例7
由烟草生物质产生乳酸。遵循以上实例1中描述的过程以由原始烟草材料产生葡萄糖。
成功的乳酸产率是观测到烟草衍生的葡萄糖到乳酸的转化率大于90％。使部分精制的烟草葡萄糖(82g/L)在具有高蛋白质培养基的12L反应器中发酵，直至完全去除糖。使用CaOH2和pH控制器将pH维持在6.5+/-0.2。将温度保持在38℃。培养基接种有10g/L细菌组合物，包括嗜热链球菌(S.thermophiles)、保加利亚乳杆菌(L.bulgaricus)、嗜酸乳杆菌(L.acidophilus)、双歧杆菌(Bifidus)、干酪乳杆菌(L.casei)和鼠李糖乳杆菌(L.rhamnosus)的活培养物。在小于48小时内完成发酵。
在完成后，使用CaOH2将发酵液的pH增大到10.15，随后将反应器加热到50℃，以便杀死存在的有机体并使蛋白质材料凝结，用于改善过滤。然后，用硫酸使乳酸钙分解，并且去除硫酸钙(沉淀)。将乳酸溶液浓缩到15％，用活性碳漂白，并且然后浓缩到33％。使用更精制的烟草葡萄糖(例如在使用之前用活性碳净化)并在非常低的蛋白质培养基中发酵5到10天可改善此程序。
实例8
由烟草生物质产生乙醇。如以上实例1中所述，烟草衍生的纤维素材料经历酶促水解以形成包含残余固体和液体的经水解烟草产物(即，液体糊状物)，所述液体包含葡萄糖。分离残余固体和液体，将酵母添加到液体，并且允许液体和酵母发酵并形成包含乙醇的经发酵产物。
关于烟草衍生的葡萄糖的发酵，20升反应器容器填充有14L的22白利糖度的烟草梗衍生的葡萄糖/木糖(根据实例1产生)。添加营养素和缓冲剂，随后添加酵母(由BPI开发的专属酵母絮凝物菌株)。允许糖浆发酵48小时，其后HPLC分析指示约100g/L的乙醇并且几乎没有残余葡萄糖。分析还示出产生约13g/L的甘油，作为乙醇发酵的天然‘副产物’。
关于乙醇蒸馏，设计和建造蒸馏塔，用于回收和纯化烟草梗乙醇。塔由2"不锈钢管件制作，并且然后装有不锈钢筛类型填料。汽提段(在进料下方)的长度为50cm，并且精馏器(在进料上方)的长度为100cm。通过具有两个头部的变速蠕动泵控制进料和底部物流出，一个头部用于将进料泵送到塔的中间，并且一个头部用于将‘底部物’从再沸器泵出。基于进料浓度确定回流速率。
关于乙醇回收，使14L的25白利糖度的烟草梗葡萄糖/木糖发酵为95g/L乙醇，并且然后用冷凝器煮沸以去除约50％的体积。这产生6L的残余发酵液，其包含浓缩乙醇溶液和浓缩残余木糖/甘油溶液。回收7L的冷凝物，其中第一个3.5L为20％乙醇，并且第二个3.5L冷凝物为5％乙醇。14L的HPLC分析指示产生作为可回收的副产物的约12g/L的甘油。
接下来，将专属的生物工艺创新公司(西拉斐特，伊利诺斯州)(Bio ProcessInnovations(West Lafayette,IL))的木糖代谢酵母菌株添加到浓缩发酵液并添加空气，旨在去除木糖(将木糖转化为酵母细胞团块)，并基本上仅留下甘油(连同酵母和未消耗的营养素)。浓缩发酵液中的一些抑制剂不允许木糖酵母生长并消耗木糖。有可能的是，进行4小时的高热量‘煮沸’引起抑制剂的形成，或仅仅是发酵液的浓度使从酶(或发酵的副产物)留下的一些抑制剂足够高以或多或少停止发酵。最终7L被弃去，而不回收甘油。
通过组合2L的5％乙醇(第二瓶)与3.5L的20％乙醇，将3.5L的20％乙醇稀释到约14％乙醇。对塔进行加热，其中在再沸器中具有1L的水和1L的5％乙醇(第二瓶)。一旦塔是热的，测量冷凝速率在大约2到3ml/min，这大大低于30ml/min的设计速率。因此塔是隔热的，将冷凝速率增加到5.5ml/min。将回流速率设定在2.5ml/min，并且塔运行约12小时，其中净产生1.3L的165标准酒精度乙醇。将另一‘枪刺’类型加热器添加到再沸器应当增加煮沸150％到约15ml/min冷凝物。
本发明所属领域的技术人员将想到本发明许多修改和其它实施例，其具有前述描述中所呈现的教示内容的益处。因此，应理解，本发明不限于所公开的特定实施例并且修改和其它实施例旨在被包括于所附权利要求书的范围内。尽管本文中使用了特定术语，但所述术语仅在通用和描述性意义上使用，而不用于限制目的。
Claims (22)
1.一种由烟草属物种植物的茎秆或根部形成纤维素糖的方法，包含：
i)接收烟草材料，所述烟草材料包含收获的所述烟草属物种植物的茎秆材料和根部材料中的至少一种；
ii)使所述烟草材料脱木质素以形成烟草衍生的浆粕；和
iii)使所述烟草衍生的浆粕水解以形成包含残余固体和液体的经水解烟草产物，所述液体包含至少一种烟草衍生的纤维素糖。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述烟草材料包含至少约90干重％的所述收获的所述烟草属物种植物的所述茎秆材料和所述根部材料中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中使所述烟草材料脱木质素的所述步骤包含磨碎收获的所述烟草属物种植物的所述茎秆材料和所述根部材料中的至少一种，以形成所述烟草衍生的浆粕。
4.根据权利要求3所述的方法，其中使所述烟草材料脱木质素的所述步骤进一步包含对所述烟草衍生的浆粕进行冲洗和脱水。
5.根据权利要求3所述的方法，其中使所述烟草材料脱木质素的所述步骤进一步包含将所述烟草衍生的浆粕的pH调节到在约4.5到约5.5的范围内的值。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包含将所述烟草衍生的浆粕干燥到至少10％的水分含量或更小。
7.根据权利要求1所述的方法，其中使所述烟草衍生的浆粕水解的所述步骤包含在至少一种酶存在下所述烟草衍生的浆粕的酶促糖化。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包含将至少一种酶添加到所述水解步骤(iii)，以减少所述经水解烟草产物中木糖的量。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包含使包含至少一种烟草衍生的纤维素糖的所述液体蒸发以形成稠合糖浆。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述稠合糖浆包含至少约80重量％的葡萄糖。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包含使用镍催化剂，通过氢化将所述葡萄糖转化为山梨醇。
12.根据权利要求10所述的方法，进一步包含通过水解将所述葡萄糖转化为乙酰丙酸。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述稠合糖浆包含约15重量％的木糖或更少。
14.根据权利要求1所述的方法，进一步包含将酵母添加到所述经水解烟草产物和允许所述经水解烟草产物和酵母发酵并形成包含甘油的经发酵浆粕浆料。
15.根据权利要求14所述的方法，其中产生的甘油的平均产率为所述烟草衍生的浆粕的至少约10重量％。
16.根据权利要求1所述的方法，进一步包含分离所述残余固体和所述液体；将酵母添加到所述液体；和允许所述液体和所述酵母发酵并形成包含乙醇的经发酵产物。
17.根据权利要求1所述的方法，进一步包含分离所述残余固体和所述液体；将高蛋白质培养基添加到所述液体；和允许所述液体和所述高蛋白质培养基发酵并形成包含乳酸的经发酵产物。
18.根据权利要求1所述的方法，进一步包含将所述烟草衍生的纤维素糖并入到烟草产品中。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述烟草产品为吸烟制品。
20.一种衍生自经水解烟草材料的纤维素糖，所述烟草材料包含收获的烟草属物种植物的烟草茎秆材料和烟草根部材料中的至少一种。
21.根据权利要求20所述的纤维素糖，其中所述烟草材料包含至少约90干重％的所述收获的所述烟草属物种植物的所述茎秆材料和所述根部材料中的至少一种。
22.一种烟草产品，并入有根据权利要求20所述的纤维素糖或所述纤维素糖的下游产品，所述下游产品选自由以下组成的群组：高果糖烟草糖浆、甘油、乙酰丙酸、乳酸和其组合。
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