CN101255453A

CN101255453A - 应用发酵法提取紫甘薯花青素色素的方法

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Publication number: CN101255453A
Application number: CNA2007100663940A
Authority: CN
Inventors: 杨蕴力
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2008-09-03

Abstract

本发明的目的是利用紫甘薯发酵过程中加入黑曲酶分解果胶；加入液化酶、糖化酶、酵母菌，使淀粉转化为酒精。为UF(微滤)膜装置分离紫甘薯花青素色素进行预处理，以清除对膜装置污染的微粒和不溶胶状物。本发明采用蒸汽喷射液化技术，避免常规液化时因高温蒸煮对紫甘薯花青素色素的热分解。并通过综合利用，节能减排，提高经济效益。

Description

应用发酵法提取紫甘薯花青素色素的方法

技术领域

本发明涉及天然色素与酒精领域，具体地说就是利用紫甘薯生产酒精的发酵过程，在紫甘薯液化醪中添加黑曲酶、淀粉酶、糖化酶、酵母菌和采用蒸汽喷射液化器，把淀粉液化、糖化，使醪液中果胶等杂质的长链结构大部分水解，从而有效地避免淀粉、果胶、蛋白质等不溶胶状物和微粒对分离、浓缩膜组件的污染，保证膜组件稳定、高质量地分离、浓缩紫甘薯花青素色素。

技术背景

随着人们对食品安全的关注，国家加大了对食品、化妆品中违规使用人工合成色素(如苏丹红)的打击力度，使人们对天然色素无可替代的优越性有了全新的认识。紫甘薯花青素色素是上世纪末发现，并在发达国家广泛应用于食品、化妆品和保健品等领域的重要天然色素。紫甘薯花青素色素是多种花青素的混合色素，其主要成分是氰定酰基葡萄苷(cyanidinacyl glucoside)和甲基花青素酰基葡萄苷(peonidin acyl glucoside)⁽¹⁾。紫甘薯花青素色素溶液的紫外光谱扫描显示，该色素在紫外光区283-285nm和328-330nm处分别有较强的吸收峰，为花色苷酰基特征峰；在可见光区的525-530nm处可见1个吸收峰，为典型的花青素光谱特性⁽²⁾。紫甘薯花青素色素除具有较其他天然色素更好的光热稳定性外⁽³⁾，还具有较强的抗脂质体过氧化能力和清除人体内羟自由基的能力⁽⁴⁾。相关信息和提取技术传入国内后，不少企业竟相生产，但常规的化学萃取和减压浓缩工艺成本高、效率低，有明显的异味，较大地限制了生产总量和产品品质，使紫甘薯花青素色素市场一直处于价高质次的状态。尽管如此，其产品还是主要销往日、美、韩国等。为了提高提取效率，获得较高品质的紫甘薯花青素色素，一些企业开始采用国际上较先进的膜分离技术来提高紫甘薯花青素色素质量和产量。如昆明某天然色素公司在国内膜技术企业的帮助下，投资150万元人民币装备了一套年产50吨紫甘薯花青素色素的膜分离装置。开始的效果令人十分振奋，其纯度可达到360(E_1cm ^10％)，提取效率几乎是其他方法的一倍多。但随着淀粉、果胶、蛋白质等不溶胶状物对膜组件的污染，膜分离效率不断降低，直到整个装置无法工作。

因为果胶的分子质量与紫甘薯花青素色素十分接近，用同样的膜分离方法不可能把果胶有效清除掉。紫甘薯的果胶含量约占总重的2-3％。果胶是紫甘薯细胞壁的重要组分，大多是同聚半乳糖醛酸、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖I和II。这些甲基戊糖长链结构组分在萃取色素时，溶解在色素浸提液里，当这些溶液进入膜分离装置时，果胶、蛋白质等杂质就以不溶胶状物的形式附着在分离膜的表面，造成了难以消除的膜污染。目前，国际上用于食品工业的UF(超滤)、NF(纳滤)、RO(反渗透)等膜装置，主要是高分子的聚合物膜。由于高压、高温、强酸和强碱都会使膜结构损坏，所以常规的清洗方法无法清除膜污染。本发明采用发酵法对紫甘薯过滤液进行有效预处理，清除了紫甘薯醪液中的不溶颗粒和不溶胶状物，使紫甘薯过滤液达到膜分离、浓缩装置的工作要求。

发明内容

本发明是应用全糖液发酵法和酶解法在紫甘薯发酵的过程中，清除紫甘薯所含的淀粉、果胶、蛋白质、鞣酸等能堵塞和污染分离、浓缩膜装置的微粒和不溶胶状物，以保证膜分离、浓缩装置能够高效、高品质的分离、浓缩紫甘薯花青素色素；同时，通过综合利用废水回用，具有较好的节能减排效果。

为了实现上述目的，本发明为了避免紫甘薯花青素色素在常规液化工序中的长时间高温蒸煮而热分解，特采用蒸气喷射液化技术，使紫甘薯液化醪在可控的温度下瞬间加热，利用蒸气喷射的巨大剪切力使紫甘薯液迅速液化。

本发明所述的酶解法，是利用黑曲酶含有的多种果胶酶对果胶的长链结构进行切割、水解。并在果胶酶的作用下，使一部分未完全水解的带负电荷的果胶质与带正电荷的蛋白质、鞣酸等微粒结合，絮积沉淀。这些絮积物在卧式沉降离心机固液分离时，与其它没有糖化的固体物质一起分离出去。经干燥后作为动物饲料。

本发明所述的黑曲酶(Aspergillusniger)，主要含有阿聚糖酶(Arabanases)、果胶裂解酶(pectin lysase，pl，E.C.4.2.2.10)、果胶甲基脂化酶(pectin methylesteraes，PMF，E.C.3.1.1.11)等七种内切PG、两种外切PG和七种PL同功酶，加量为1％。为方便使用，也可以采用已经商品化的阿聚糖酶(Arabanases)、果胶裂解酶(pectin lysase，pl，E.C.4.2.2.10)、果胶甲基脂化酶(pectin methylesteraes，PMF，E.C.3.1.1.11)，加量以购买的酶活性使用量为准。使用温度50～55℃，PH 4.0～5.0，保持时间1～2小时。(单位为质量百分数)

本发明所述的发酵法是全糖液发酵，是在紫甘薯液化醪中加入糖化酶(E.C.3.2.1.3)使短糊精转化成可发酵糖，通过卧式沉降式离心机对糖化醪进行固液分离，将没有糖化的固体物质和不溶胶状物全部分离出去，用剩下的全液体的糖化醪进行发酵。发酵时采用商品化的TH-AADY干酵母，发酵结束时，用孔径1.2μm的不锈钢或陶瓷MF(微滤)膜分离装置过滤发酵醪，回收酵母菌再利用，并对发酵醪进行UF膜分离前的预处理，滤过液进入UF(超滤)膜分离装置，分离紫甘薯花青素色素。

本发明所述的糖化酶(E.C.3.2.1.3)是商品化的糖化酶，加量30～50U/g，PH 4.0～5.0。

本发明所述的紫甘薯为色素含量高和单产高的美国“黑薯”、日本的“紫薯王”及国内有关农科部门引种改良的色素含量高和单产高的紫甘薯品种的鲜薯或热风干燥加工的紫甘薯薯干(鲜薯和薯干的计算比重为3∶1)。

本发明所述的蒸气喷射液化技术，为酒精行业近年推广使用的一项瞬间加热高效节能新技术。使用时先用蒸汽将喷射系统预热至90～95℃，再用泵将鲜薯粉浆送入喷射器。蒸汽压力为0.4～0.6Mpa；运行温度控制在100～115℃以内(以昆明地区海拔1900m的水沸点为准)。

本发明所述的分离装置是UF(超滤)陶瓷膜装置，膜材料为三氧化二铝，膜孔径为0.3μm，膜管内径3mm，外径7mm，膜的水通量120L/(m².h)，操作压力0.1MPa，MWCO(截留分子量)为25000。采用双通道过滤，每路通道工作30min后，用NaOH溶液循环反向冲洗20min，清水冲洗10min，交换清洗可用自控装置控制。

本发明所述的浓缩装置是采用RO(反渗透)膜与NF(纳滤)膜连用的浓缩装置。RO(反渗透)膜采用聚酰胺卷式膜，常温操作压力为0.15～0.20MPa，膜的水通量120L/(m².h)。RO膜NMWCO(截留量)M＝200kg/kmol；NF(纳滤)膜采用NF40，NMWCO M＝150kg/kmol。

本发明的优点在于：1、采用全糖液发酵法得到的紫甘薯花青素色素溶液含淀粉量非常少，其固形物为21.8％，是一种清澄的色素液；而采用常法(酸性萃取)制得的紫甘薯花青素色素溶液其固形物达52.7％。采用全糖液发酵简化了发酵醪的输送系统，减少了杂菌污染发酵醪的机会，为分离紫甘薯花青素色素创造了基本条件，同时也减少了发酵醪蒸馏酒精时的能源负担。2、本发明使用黑曲酶后，紫甘薯液化醪所含果胶充分水解液化，果胶中的甲基化的a-1，4同聚半乳糖醛酸在黑曲酶的作用下，形成C4-C5不饱和寡糖醛苷，直接参与料液糖化，不仅避免了果胶对分离膜的污染，而且，也消除了产生甲醇的基本条件，使酒精产量增加了1-2％。3、本发明使用黑曲酶的重要作用还在于，在多种果胶酶的作用下，一部分未完全水解的带负电荷的果胶质与带正电荷的蛋白质、鞣酸等微粒结合，絮积沉淀，在固液分离时与其它没有糖化的固体物质一起分离出去，较彻底地清除了膜组件的污染源。4、本发明采用的蒸气喷射液化技术，为酒精行业近年推广使用的一项瞬间加热高效节能新技术，不仅保证紫甘薯花青素色素不会被热分解，还使加热能耗降低50％以上。5、本发明通过综合利用，将淀粉转化为酒精，发酵过程中分离的固体物经干燥后作动物饲料，蒸馏、浓缩工序的废水经RO膜处理后回用到液化工序，MF工序回收的酵母菌可回用到发酵工序，总之，为按常规方法生产酒精、色素的行业摸索一条节能减排、综合利用的新路。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是色素浓缩工序的RO(反渗透)膜与NF(纳滤)膜连用的浓缩方式示意图。

具体实施方式

紫甘薯鲜薯前处理：在清洗机中加水清洗，去除泥土和杂质。

液化工序：在紫甘薯鲜薯粉碎时加入黑曲酶0.5％，用50～55℃的温水浸泡，加水量为1∶0.25～0.3，气体搅动30min，静置1～2小时，再用泵将鲜薯粉浆送入蒸气喷射器。使用时先用蒸气将喷射系统预热至90～95℃，蒸气压力为0.4～0.6Mpa；运行温度控制在100～115℃以内(以昆明地区海拔1900m的水沸点为准)经过液化喷射器的鲜薯粉浆瞬间被加热熟化，并在液化喷射器巨大剪切力的作用下粉浆迅速液化。液化后的液化醪进入1#调整罐，pH5.0～7.5，温度90～95℃，加入耐高温a-淀粉酶(E.C.3.2.1.1)，加量5～10ug/g，气体搅动10min，保持时间30min。液化醪经过平板换热器进入2#调整罐，将温度降至50～65℃，PH 4.0～5.0，加入黑曲酶0.5％，空气搅动20min，保持时间4～6小时。将2#调整罐的上清液泵入糖化醪罐，底层的絮积物由排污管排出，视情况可加工成果胶。

糖化工序：糖化醪罐液位90％，温度40～55℃，pH4.0～4.5，加糖化酶(E.C.3.2.1.3)，加量30～50U/g，糖化时间1.5小时。泵入卧式沉降式离心机进行固液分离，分离出来的固体含有较多蛋白质和纤维素，经沸腾干燥器干燥粉碎后，作动物饲料。糖化醪进入发酵罐，外观糖22～25Bx，糖化率45～55％。

发酵工序：经平板换热器将温度降至30～31℃，调pH3.5～3.8，发酵醪进入势能梯度连续发酵系统的1#发酵罐，液位90％。加入TH-AADY酵母菌，酵母数0.8～1.2亿/ml，挥发酸0.1～0.2，酒精含量5～6％(体积分数)；2#发酵罐32～33℃，pH3.9～4.2，挥发酸0.15～0.2；3～4#发酵罐温度控制在37℃以内，总酸不超过3.5～4.0。发酵成熟标准：酒精含量11～12.5％，外观糖0.5～1.0Bx以下，残总糖2.0％以下。发酵醪液泵入MF(微滤)膜预处理工序，糖液与酵母菌母液分离，滤余液(酵母菌母液)全部回用至1#发酵罐。滤过液进入势能剃度连续发酵系统，发酵系统罐间更换发酵醪的速度为每小时5～8％。连续发酵系统的总发酵时间比间隙发酵少10小时，平均总发酵时间为55小时。

MF(微滤)膜预处理工序：采用单元通道直径6mm陶瓷管式复合单元，材质为高纯a-氧化铝微滤膜，膜孔径1.2μm，过滤通量50L(m².h)，操作压力为0.25Mpa，膜表面流速5m/s，选用每4小时清洗一次的程序，清洗液用0.5mol/L NaOH溶液，反向冲洗30min后，用清水洗至中性。可用130℃蒸气灭菌。也可以采用德国SEITZ公司的SX-06M错流膜组件过滤机。MF(微滤)膜过滤发酵醪，渗余液主要是酵母菌。如有可能残存的不溶胶状物。根据检测，可加5g/m³的矾作絮凝剂，，使分散的胶体粒子凝结成大的团块排污管排除，上清液的酵母菌全部回用到发酵工序。

UF(超滤)膜色素分离工序：采用PCI公司的AN620(APN)膜组件，NMWCO(分子截留量)25000的聚丙烯腈管式超滤亲水性膜。没有经过预处理的发酵醪可以直接进入UF(超滤)管式膜色素分离装置，操作温度60℃，pH4～5，最大压力1Mpa。系统为实现高传质系数，过滤需在湍流下操作，每根膜管的流速达25～35L/min，能耗1000W/m²，该系统能回收利用果胶。如认为该系统能耗高，也可以采用国产的PAN中空纤维膜，型号0905，NMWCO 25000，膜面积/m² 3.0，膜直径/mm 3.0，滤过速率120L/(m².h)，使用压力0.1～0.15Mpa。只能过滤经MF(微滤)膜预处理工序处理过的粘稠度较低的没有不溶胶状物的发酵醪，但可比管式超滤膜节电90％。经UF(超滤)膜色素分离工序后的发酵醪微粒数量应减到＜200微粒(＞1.5μm的)/mL，SDI(淤积指数)＜3单位以内。

色素浓缩工序：采用RO(反渗透)膜与NF(纳滤)连用的浓缩方式，这种连用方式的优点是可以在不加大工作压力的情况下，增加色素浓缩极限。经UF(超滤)膜色素分离工序得到的10～11(E_1cm ^10％)色价的渗余液，通过RO、NF浓缩系统后，可以得到80～100(E_1cm ^10％)色价的紫甘薯花青素色素浸膏。

RO(反渗透)膜采用美国Ditto公司的聚酰胺卷式膜，滤过速率120L/(m².h)，操作压力为5～7Mpa。NF(纳滤)采用NF40，其操作压力比RO膜低0.5Mpa。RO膜NMWCO(分子截留量)M＝200kg/kmol，NF的NMWCOM＝150kg/kmol。在RO(反渗透)膜前应装有＜10μm的滤芯式保安过滤器和ASTN法测定的在线监测SDI系统，浓缩系统启动后，每隔1.5小时就需测定一次，以保证RO与NF连用的浓缩系统的安全。单位为分数百分数，色价为(E_1cm ^10％)。

蒸馏工序：发酵醪a为分离、浓缩工序提取色素后的RO滤过液(基本是水与酒精)，酒精含量为10～12％。发酵醪a经与三级精馏塔底产物换热后进入1#精馏塔。1#精馏塔底用一次蒸汽(140～150℃)作再沸器的热源，而塔顶产物则作2#精馏塔的再沸器热源；而2#精馏塔的塔顶产物再作3#精馏塔的再沸器的热源，3#精馏塔的塔顶产物就是94～95％的酒精。

脱水工序：3#精馏塔的94～95％酒精经再沸器加热后，进入PV(渗透蒸发)膜组件(PV膜采用北京蓝景膜技术公司的MPD系列膜组件)，渗余液为无水酒精(99.5％)，渗透液是含有极少量酒精的水，仍返回1#精馏塔。3#精馏塔的酒精经再沸器加热至60～100℃后进入PV(渗透蒸发)膜组件，膜后压力为500～2000pa，冷凝器温度为-15～20℃。各塔底物流经热回收后进入另一组PV膜组件，渗余液经热回收后进入1#精馏塔，渗过液则经反渗透RO处理后得到可以循环使用的工艺水。(酒精单位为体积百分数，其它单位为质量百分数。)

Claims

1. 应用发酵法提取紫甘薯花青素色素的方法，其特征是在紫甘薯浆液中加入黑曲酶、液化酶、糖化酶、酵母菌和使用蒸汽喷射液化器，使紫甘薯醪液发酵，并利用MF(微滤)膜对发酵醪进行分离、浓缩前的预处理，消除微粒和其他不溶胶状物在分离色素时对分离、浓缩膜装置的污染，从而保证膜装置高效、高品质的提取紫甘薯花青素色素。

2. 按权利要求1所述的方法，其特征是采用在紫甘薯醪液中添加黑曲酶(Aspergillusniger){主要含有阿聚糖酶(Arabanases)、果胶裂解酶(pectinlysase，pl，E.C.4.2.2.10)、果胶甲基脂化酶(pectinmethylesteraes，PMF，E.C.3.1.1.11)等七种内切PG、两种外切PG和七种PL同功酶或已经商品化的阿聚糖酶(Arabanases)、果胶裂解酶(pectinlysase，pl，E.C.4.2.2.10)、果胶甲基脂化酶(pectinmethylesteraes，PMF，E.C.3.1.1.11)}，使紫甘薯液化醪中的果胶水解，絮积沉淀。

3. 按权利要求1所述的方法，其特征是在紫甘薯醪液中加入淀粉酶、糖化酶和酵母菌，使紫甘薯醪液液化、糖化、发酵，并在糖化工序结束时，用机械离心方式，分离出不糖化的固体物和絮积沉淀的不溶胶状物，以纯液体的全糖液糖化醪进入发酵工序，使发酵醪成为纯液体的发酵醪。避免紫甘薯发酵醪中的微粒和不溶胶状物对分离、浓缩膜装置的污染。

4. 按权利要求1所述的方法，其特征是在熟化紫甘薯浆液时采用蒸汽喷射液化技术，避免紫甘薯花青素色素在常规液化工序时因高温蒸煮而热分解。

5. 按权利要求1所述的方法，其特征是采用MF(微滤)膜对紫甘薯发酵醪进行酵母菌回收和分离、浓缩紫甘薯花青素色素前的预处理。

6. 按权利要求1所述的方法，其特征是采用UF(超滤)膜装置分离紫甘薯花青素色素。

7. 按权利要求1所述的方法，其特征是采用RO(反渗透)膜装置对“权利要求6”所述的方法分离出来的紫甘薯花青素色素进行浓缩。