CN102399830A - 一种全木薯发酵生产柠檬酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发酵生产柠檬酸的方法，尤其是一种全木薯发酵生产柠檬酸的方法，包括粉碎、调浆、液化、过滤、发酵工序，发酵前采用酸性复合酶对原料进行糖化；发酵时采用蛋白渣或蛋白粕作为氮源。本发明通过添加蛋白渣或蛋白粕补充发酵氮源，达到完全非粮发酵的目的，增加过滤工艺又能改善木薯高糖发酵配料浓度过高导致的发酵过程中溶氧不好，同时利用蛋白渣或蛋白粕中的残存碳源，实现原料的综合利用，降低发酵粮耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种发酵生产柠檬酸的方法，尤其是一种全木薯发酵生产柠檬酸的方法。
背景技术
目前，国内柠檬酸行业主要以玉米、瓜干、木薯等作为生产原料发酵生产柠檬酸，其中使用玉米的约占95％，其原料处理及发酵工艺路线如下：干玉米籽粒，经过除尘、除杂，直接粉碎成玉米粉，按一定比例加水调浆，在淀粉酶的作用下，经过高温液化处理，成为流动性较好、便于菌种利用的液化液进入发酵过程，在发酵过程中，通过黑曲霉菌种代谢积累柠檬酸，发酵结束，将含有柠檬酸的发酵液进行下游提取及精制获得柠檬酸产品。玉米原料处理和发酵过程中，产生副产物玉米渣和菌丝渣。
但是，随着粮食危机的进一步蔓延，玉米作为主要粮食供应日益紧张，而瓜干由于其产量小、经济成本高等限制了其广泛应用，所以人们开始致力于采用非粮原料发酵生产柠檬酸的研究，以缓解粮食危机带来的压力。
木薯广泛种植于热带和部分亚热带地区，在我国以广东和广西的种植面积最大，福建和台湾次之，云南、贵州、四川、湖南、江西等省也有少量栽培。木薯含有亚麻仁苦苷，水解后会产生游离氢氰酸，若生食或食品加工过程处理不当易引起中毒，但在加工成薯干后，亚麻仁苦苷大部分都被去除，且用于柠檬酸生产过程在发酵之前的蒸煮液化可将亚麻仁苦苷去除掉，不会危害发酵。因此，作为一种资源丰富、淀粉含量高(木薯干淀粉含量在71％以上)的作物，木薯被用作柠檬酸生产原料对缓解全球粮食压力有重要意义。
但是，使用木薯作为柠檬酸生产原料时，由于其蛋白含量偏低，发酵过程需要补充氮源，而且木薯中胶体物质较多，发酵液粘稠溶氧差。总之，现行的木薯发酵工艺相对于玉米发酵工艺，存在发酵底物浓度低、转化率低、发酵周期长等问题，从而导致发酵粮耗、能耗偏高，发酵指数，发酵产量低等问题，同时对于下游提取也有一定影响。而且传统的木薯发酵工艺中，通过菌体自身分泌酶类对原料进行分解糖化，由于菌体自身酶活力不够以及糖化条件不适合，糖化不彻底，发酵残糖高。
专利申请号为200910233468.4的“一种木薯去渣发酵生产柠檬酸的方法”和专利申请号为201010249932.1的“一种混合发酵原料生产柠檬酸的方法”分别公开了利用木薯作为柠檬酸生产原料和将玉米与木薯混合发酵生产柠檬酸的工艺，前者是采用玉米或来源有限的豆饼粉作为有机氮源，后者则只用玉米作为有机氮源，两者基本上还是通过添加玉米作为发酵原料，没有从根本上避免玉米消耗的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种全木薯发酵生产柠檬酸的方法，采用本发明既可以避免玉米原料的消耗，又能除去木薯发酵液中过多胶质，而且实现了原料的彻底糖化，降低了发酵粮耗，减轻了环保负荷。
本发明提出的一种全木薯发酵生产柠檬酸的方法，其主要步骤为粉碎、调浆、液化、过滤、发酵工序，具体步骤为：
(1)称取木薯原料，粉碎成木薯粉；
(2)向粉碎后的木薯粉中加水，调浆；
(3)将木薯浆输进喷射液化装置，加入高温α-淀粉酶，并进行液化；液化温度为80-110℃，时间0.5-2h，α-淀粉酶的加入量为木薯粉质量的0.2-0.6‰；
(4)对液化后的木薯浆过滤，保留滤清液；
(5)称取蛋白渣或蛋白粕，将其粉碎；
(6)向粉碎后的蛋白渣或蛋白粕中加水，调浆成为蛋白浆；
(7)将蛋白浆输进喷射液化装置，加入高温α-淀粉酶，并进行液化；液化温度为80-105℃，时间0.5-1h，α-淀粉酶的加入量为蛋白渣或蛋白粕干基质量的0.1-0.3‰；
(8)将木薯滤清液和蛋白渣或蛋白粕液化液混合通入发酵罐，调节pH至4-4.5，100-105℃灭菌30min，然后降温至65-70℃；
(9)向发酵罐中加入酸性复合酶糖化；
(10)降温至35-37℃，将发酵罐中接入黑曲霉菌种，通风发酵至发酵结束；
(11)发酵结束后，发酵液进入提取工序提取柠檬酸；
其中步骤(9)中糖化时选用的酸性复合酶加入量为木薯粉质量的0.3-0.4‰，糖化条件为65-70℃糖化10-15h；步骤(5)中采用蛋白渣或蛋白粕作为氮源，粉碎后的蛋白渣或蛋白粕粒径小于1mm。
首先，为了保证木薯粉调浆均匀，需要将木薯粉碎成木薯粉，使其能通过60目筛网。由于木薯浆浓度过低会导致发酵浓度降低，从而最终减少产量；浓度过大会影响后期液化效果，所以调浆时，木薯粉与水的质量比为1∶3。
由于后续工艺中需要对木薯液化液进行过滤，为保证良好的过滤效果和最低的淀粉损失，将调浆后的木薯浆在高温α-淀粉酶作用下，于80-110℃液化0.5-2h，α-淀粉酶的加入量为木薯质量的0.2-0.6‰；该过程中，温度过高、时间过长会过大增加能源消耗，淀粉酶加入量过高会增加成本；反之则会影响液化效果，增加粮耗。所采用的高温α-淀粉酶从市场上直接购得。
由于木薯中胶体物质较多，发酵液粘度大，发酵过程搅拌电机和空压机能耗高，同时增加提取难度，影响中间品质量，所以本发明采用了在原料处理过程对木薯进行过滤处理的方法，去除粘性物质，降低发酵液粘度，提高发酵浓度，减轻下游提取难度，提高产品质量。本发明优选加压转鼓过滤机过滤，其能耗低、自动化水平高、过滤效果好，木薯渣经过洗涤烘干后作为饲料出售，洗涤液可以和滤液合并后一起进入发酵罐。
本发明采用蛋白渣或蛋白粕作为发酵氮源，为了保证发酵过程中蛋白渣或蛋白粕与木薯粉混合均匀，对其中的蛋白成分进行充分利用，提高后期发酵转化率，首先要对蛋白渣或蛋白粕进行粉碎，保证粉碎后的蛋白渣或蛋白粕粒径小于1mm；为了保证后期发酵能够提供充分的氮源，蛋白渣或蛋白粕中蛋白质含量大于16％。
本发明所述的蛋白渣或蛋白粕采用以玉米为原料生产柠檬酸过程中产生副产物玉米渣，也可以采用玉米加工行业的废渣或蛋白喷浆纤维渣或含可溶物干酒精糟颗粒或蛋白粉或蛋白玉米胚芽粕或花生粕。为了保证蛋白渣或蛋白粕易于被发酵过程中的菌种利用，蛋白渣或蛋白粕最好经过再次液化，提高其发酵转化率。
为了保证后期发酵浓度以及液化效果，蛋白渣粕调浆过程中蛋白渣或蛋白粕与水的质量比为1∶2-1∶3。
调浆后的蛋白渣或蛋白粕液在高温α-淀粉酶作用下，于80-105℃液化0.5-1h，淀粉酶的加入量为蛋白渣或蛋白粕干基质量的0.1-0.3‰；该过程中，温度过高、时间过长会过大增加能源消耗，淀粉酶加入量过高会增加成本；反之则会影响液化效果，增加粮耗。
将木薯滤清液和蛋白渣或蛋白粕液混合通入发酵罐，调节pH至4.0-4.5，100-105℃灭菌30min，然后降温至65-70℃；保证发酵过程所需总氮稳定，该过程中蛋白渣或蛋白粕与木薯干重比为1∶10-1∶30，比例过大发酵周期延长、能耗增加；比例过小菌体生长过剩，粮耗增加。
为了使得原料糖化彻底，解决发酵残糖高的问题，本发明通过应用酸性复合酶糖化发酵技术对原料进行彻底糖化，降低发酵粮耗，减轻环保负荷。传统糖化工艺需要对原材料进行彻底糖化以达到最高DX值，而在本发明后期发酵过程中，黑曲霉是有一定糖化能力的，因此发明人对发酵前的糖化工艺进行了一定的调整，酸性复合酶的加入量为木薯粉质量的0.3-0.4‰，采用该技术后，残糖含量由传统工艺中的2％降为1％；由于柠檬酸发酵过程为一个偏酸性环境，为保证发酵前期的酶活力，本发明采用酸性复合酶进行糖化。酸性复合酶最低耐受pH为3.5，最适温度60-70℃。由于木薯淀粉中支链淀粉含量超过80％，木薯中果胶、纤维素含量较高，而该酸性复合酶中含有少量普鲁兰酶、果胶酶和纤维素酶，可以用于水解支链淀粉、果胶和纤维素，从而保证糖化更加彻底，提高原料转化率，并且增加发酵液流动性、降低发酵能耗。本发明所述的酸性复合酶选自诺维信公司的高转化率复合酶。
糖化结束后，将发酵罐中每1mL发酵液加入0.7～1.2万个黑曲霉孢子，通风发酵至发酵结束。发酵结束后，可以采用现有技术提取柠檬酸。表1为发酵液的平均质量指标。
表1发酵液平均质量指标
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用木薯代替玉米作为柠檬酸发酵原料，用现有生产线产生的玉米渣或玉米加工行业的废渣或蛋白喷浆纤维渣或含可溶物干酒精糟颗粒或蛋白粉或蛋白玉米胚芽粕或花生粕作为补充氮源，保证新上生产线不需要消耗玉米原料。
2、本发明相对于传统木薯发酵工艺增添糖化过程，可提高发酵转化率，发酵周期缩短，产酸率提高，粮耗降低，因此发酵产量、成本、质量有较大提高。
3、本发明采用了在原料处理过程对木薯进行过滤处理的方法，去除粘性物质，获得高质量滤液，浊度大幅降低，为后续处理减轻负担，提高了最终产品质量。
附图说明
图1为本发明工艺流程示意图。
具体实施方式
通过以下实施例进一步说明本发明，而非限制本发明。本发明实施例中所述的酸性复合酶选自诺维信公司的高转化率复合酶。
实施例1
一种木薯发酵生产柠檬酸的方法，其主要步骤包括：
(1)称取木薯原料3000kg，粉碎成木薯粉，过60目筛；
(2)向粉碎后的木薯粉中加水，调浆，木薯粉与水的质量比为1∶3
(3)加入高温α-淀粉酶，进行液化；喷射液化温度为90℃，维持时间2h，淀粉酶的加入量为木薯粉质量的0.3‰；
(4)对液化后的木薯浆采用采用加压转鼓过滤机过滤，保留滤清液，滤渣制成饲料；
(5)称取我公司柠檬酸生产过程中玉米处理产生的蛋白渣100kg(蛋白质含量35％)，将其粉碎，粉碎后的玉米渣粒径0.5-0.9mm；
(6)向粉碎后的蛋白渣中加水，调浆，蛋白渣与水的质量比为1∶2；
(7)加入高温α-淀粉酶，进行液化；喷射液化温度为110℃，维持时间20min，淀粉酶的加入量为玉米渣干基质量的0.1‰；
(8)将木薯滤清液和玉米渣浆液混合通入发酵罐，调节pH至4.0-4.5，100-105℃灭菌30min，然后降温至65-70℃；
(9)向发酵罐中加入酸性复合酶，酶的加入量为木薯粉质量的0.3‰，65-70℃糖化15h；
(10)降温至35-37℃，将发酵罐中接入黑曲霉菌种，通风发酵至发酵结束；
(11)发酵结束后，发酵液进入提取工序提取柠檬酸。
本实施例发酵电耗为440kwh/t，发酵周期为55h，产酸率为15.9％，发酵液浊度为8.3。
实施例2
一种木薯发酵生产柠檬酸的方法，其主要步骤包括：
(1)称取木薯原料3000kg，粉碎成木薯粉，过60目筛；
(2)向粉碎后的木薯粉中加水，调浆，木薯粉与水的质量比为1∶3；
(3)加入高温α-淀粉酶，进行液化；喷射液化温度为100℃，维持时间1h，淀粉酶的加入量为木薯粉质量的0.2‰；
(4)对液化后的木薯浆采用采用加压转鼓过滤机过滤，保留滤清液，滤渣制成饲料；
(5)称取外购玉米加工行业的废渣115kg(蛋白质含量30％)，将其粉碎，粉碎后的废渣粒径0.5-0.7mm；
(6)向粉碎后的废渣中加水，调浆，废渣与水的质量比为1∶2.5；
(7)加入高温α-淀粉酶，进行液化；喷射液化温度为100℃，维持时间30min，淀粉酶的加入量为玉米渣干基质量的0.15‰；
(8)将木薯滤清液和玉米渣液化液混合通入发酵罐，调节pH至4.0-4.5，100-105℃灭菌30min，然后降温至65-70℃；
(9)向发酵罐中加入酸性复合酶，酸性复合酶的加入量为木薯粉质量的0.4‰，65-70℃糖化10h；
(10)降温至35-37℃，将发酵罐中接入黑曲霉菌种，通风发酵至发酵结束；
(11)发酵结束后，发酵液进入提取工序提取柠檬酸。
本实施例发酵电耗为445kwh/t，发酵周期为54h，产酸率为16.1％，发酵液浊度为8.5。
实施例3
一种木薯发酵生产柠檬酸的方法，其主要步骤包括：
(1)称取木薯原料3000kg，粉碎成木薯粉，过60目筛；
(2)向粉碎后的木薯粉中加水，调浆，木薯粉与水的质量比为1∶3；
(3)加入高温α-淀粉酶，进行液化；喷射液化温度为105℃，维持时间1h，淀粉酶的加入量为木薯粉质量的0.4‰；
(4)对液化后的木薯浆采用采用厢式压滤机过滤，保留滤清液，滤渣制成饲料；
(5)称取玉米加工行业蛋白喷浆纤维或DDGS或玉米胚芽粕200kg(蛋白质含量18％左右)，将其粉碎，粉碎后的蛋白渣粒径0.1-0.5mm；
(6)向粉碎后的蛋白渣中加水，调浆，蛋白渣与水的质量比为1∶3；
(7)加入高温α-淀粉酶，进行液化；喷射液化温度为80℃，维持时间2h，淀粉酶的加入量为蛋白渣干基质量的0.2‰；
(8)将木薯滤清液和蛋白渣液化液混合通入发酵罐，调节pH至4.0-4.5，100-105℃灭菌30min，然后降温至65-70℃；
(9)向发酵罐中加入酸性复合酶，酸性复合酶的加入量为木薯粉质量的0.4‰，65-70℃糖化10h；
(10)降温至35-37℃，将发酵罐中接入黑曲霉菌种，通风发酵至发酵结束；
(11)发酵结束后，发酵液进入提取工序提取柠檬酸。
本实施例发酵电耗为449kwh/t，发酵周期为57h，产酸率为16.2％，发酵液浊度为8.6。
实施例4
一种木薯发酵生产柠檬酸的方法，其主要步骤包括：
(1)称取木薯原料3000kg，粉碎成木薯粉，过60目筛；
(2)向粉碎后的木薯粉中加水，调浆，木薯粉与水的质量比为1∶3；
(3)加入高温α-淀粉酶，进行液化；喷射液化温度为100℃，时间1h，淀粉酶的加入量为木薯粉质量的0.3‰；
(4)对液化后的木薯浆采用采用加压转鼓过滤机过滤，保留滤清液，滤渣制成饲料；
(5)称取花生粕75kg，蛋白质含量45％，将其粉碎，粉碎后的花生粕粒径0.3-0.7mm；
(6)向粉碎后的花生粕中加水，调浆，花生粕与水的质量比为1∶2；
(7)加入高温α-淀粉酶，进行液化；喷射液化温度为100℃，维持时间50min，淀粉酶的加入量为蛋白渣粕干基质量的0.4‰；
(8)将木薯滤清液和花生粕浆液混合通入发酵罐，调节pH至4.0-4.5，100-105℃灭菌30min，然后降温至65-70℃；
(9)向发酵罐中加入酸性复合酶，酸性复合酶的加入量为木薯粉质量的0.4‰，65-70℃糖化10h；
(10)降温至35-37℃，将发酵罐中接入黑曲霉菌种，通风发酵至发酵结束；
(11)发酵结束后，发酵液进入提取工序提取柠檬酸。
本实施例发酵电耗为446kwh/t，发酵周期为54h，产酸率为16.2％，发酵液浊度为8.5。
Claims (7)
1.一种全木薯发酵生产柠檬酸的方法，其主要步骤为粉碎、调浆、液化、过滤、发酵工序，其特征在于：具体步骤为：
(1)称取木薯原料，粉碎成木薯粉；
(2)向粉碎后的木薯粉中加水，调浆；
(3)将木薯浆输进喷射液化装置，加入高温α-淀粉酶，并进行液化；液化温度为80-110℃，时间0.5-2h，淀粉酶的加入量为木薯粉质量的0.2-0.6‰；
(4)对液化后的木薯浆过滤，保留滤清液；
(5)称取蛋白渣或蛋白粕，将其粉碎；
(6)向粉碎后的蛋白渣或蛋白粕中加水，调浆成为蛋白浆；
(7)将蛋白浆输进喷射液化装置，加入高温α-淀粉酶，并进行液化；液化温度为80-105℃，时间30-60min，α-淀粉酶的加入量为蛋白渣或蛋白粕干基质量的0.1-0.3‰；
(8)将木薯滤清液和蛋白渣或蛋白粕液化液混合通入发酵罐，调节pH至4.0-4.5，100-105℃灭菌30min，然后降温至65-70℃；
(9)向发酵罐中加入酸性复合酶糖化；
(10)降温至35-37℃，将发酵罐中接入黑曲霉菌种，通风发酵至发酵结束；
(11)发酵结束后，发酵液进入提取工序提取柠檬酸；
其中步骤(9)中糖化时选用的酸性复合酶加入量为木薯粉质量的0.3-0.4‰，糖化条件为65-70℃糖化10-15h；步骤(5)中采用蛋白渣或蛋白粕作为氮源，粉碎后的蛋白渣或蛋白粕粒径小于1mm。
2.根据权利要求1所述的全木薯发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于：所述的蛋白渣或蛋白粕中蛋白质质量分数大于16％。
3.根据权利要求1所述的全木薯发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于：所述的蛋白渣或蛋白粕为玉米加工行业的废渣或蛋白喷浆纤维渣或含可溶物干酒精糟颗粒或蛋白粉或蛋白玉米胚芽粕或花生粕。
4.根据权利要求1所述的全木薯发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于：步骤(2)中木薯粉与水的质量比为1∶3。
5.根据权利要求1所述的全木薯发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于：步骤(4)中选用加压转鼓过滤机过滤。
6.根据权利要求1所述的全木薯发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于：步骤(6)中蛋白渣或蛋白粕与水的质量比为1∶2-1∶3。
7.根据权利要求1所述的全木薯发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于：步骤(8)中蛋白渣或蛋白粕与木薯粉干重比为1∶10-1∶30。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20120404 |