CN105907801A - 利用马铃薯渣连续生产膳食纤维、酒精和单细胞蛋白的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用马铃薯渣连续生产膳食纤维、酒精和单细胞蛋白的方法,包括原料选择、糊化、液化、糖化、过滤分离、混合膳食纤维制备、颗粒型膳食纤维制备、粉末型膳食纤维制备、酒精发酵、单细胞蛋白制备和酒精蒸馏。本发明采用了包括果胶酶、淀粉酶和糖化酶的分段处理技术，最大限度地提高了原料中残余淀粉的利用率和糖化率，采用了分割式半连续发酵工艺,不仅可比传统的分批发酵工艺缩短14%的发酵时间，还可省去分批发酵批次之间空罐灭菌的时间和能耗。采用本发明方法与现有的马铃薯渣单项开发利用相比，实现了同时开发生产3种不同的产品，做到了薯渣的综合利用,资源利用达到最大化,减少了废物的排放,提高了经济效益和社会效益。

Description

利用马铃薯渣连续生产膳食纤维、酒精和单细胞蛋白的方法

技术领域

本发明涉及农产品加工废弃物综合利用技术领域,尤其涉及一种以马铃薯渣为原料连续生产膳食纤维、酒精和单细胞蛋白的方法。

背景技术

马铃薯在全球栽培面积很大。我国马铃薯资源也很丰富，种植面积和产量均占到世界总量的20%以上，是世界马铃薯生产第一大国。据农业部统计，2010年我国马铃薯种植面积已达507.75万hm²,总产量达479.91万t，连续16年位居世界首位。近年来马铃薯加工业受到政府的高度重视,加工量和产值逐年递增。马铃薯淀粉加工是我国马铃薯加工产业的重要组成部分，2010年产量达45万t，消耗马铃薯约300万t，产值约36亿元。

马铃薯渣是马铃薯淀粉生产过程中主要的副产物，每生产1吨马铃薯淀粉一般可产生7吨左右的薯渣。大量的薯渣得不到及时的充分利用已成为制约马铃薯淀粉加工行业发展的瓶颈问题之一。马铃薯渣主要由细胞碎片、残余淀粉颗粒和水分组成，含有淀粉、纤维素、果胶、蛋白质等可利用成分，具有很好的开发利用价值。

中国专利200910193602.2公开了一种从马铃薯渣中提取膳食纤维的方法,将马铃薯渣干燥后,粉碎、过筛,制成马铃薯渣粉;在马铃薯渣粉中加水,混匀成马铃薯渣浆后,用混合酶酶解处理,然后煮沸、冷却;再加入中性蛋白酶酶解处理,然后煮沸、冷却,过滤后对滤渣进行干燥、粉碎、过筛,即得膳食纤维。中国专利201410542983.1公开了一种制备马铃薯渣膳食纤维的方法,本发明以湿马铃薯渣为原料，首先采用纤维素酶和果胶酶复合处理破坏纤维素和果胶组分的结构，既解除纤维素和果胶对淀粉的包裹、缠绕作用，又可以提高可溶性膳食纤维的含量，然后加入蛋白酶去除蛋白质，再加入淀粉酶和糖化酶高效率的去除淀粉，分离后的上清液可制备高附加值的可溶性膳食纤维产品，固形物可制备低淀粉含量的膳食纤维产品，实现了对马铃薯渣的高效综合利用。中国专利200610156026.0公开了一种来源于马铃薯渣的膳食纤维的制备方法和应用,本发明以马铃薯渣为原料,在碱性条件下经球磨机破碎,中和,使得薯渣纤维变小,同时使得薯渣中的杂质更易去除,通过酸水解或中温或耐高温淀粉酶水解去除淀粉和蛋白质等,解决了马铃薯渣难以利用的现状,生产的膳食纤维物化、生理性能优于其它种类非水溶性膳食纤维。上述专利对马铃薯渣的开发产品只有膳食纤维单一产品。

中国专利201410230964.5以马铃薯渣为原料同时制备富含生物蛋白的膳食纤维和果胶的工艺方法,本发明采用双螺旋挤压机对新鲜的马铃薯渣进行挤压膨化处理、胶体磨精磨处理、超声破碎和酸化水解处理、复合淀粉酶酶解处理和复合酵母菌发酵培养处理，对发酵液经离心，收集沉淀干燥得富含生物蛋白的马铃薯膳食纤维，上清液经超滤浓缩，干燥得果胶。本发明充分利用了马铃薯渣中淀粉资源，在制备得到富含生物蛋白的马铃薯膳食纤维的同时，也得到了马铃薯果胶。中国专利201010253295.5公开了一种马铃薯渣资源化开发利用新方法,在马铃薯渣浆或者马铃薯渣粉中加水,加入蛋白酶处理,马铃薯渣酶解液离心,收集上清液得多肽液,干燥后得多肽粉,所得到的沉淀物用胰蛋白酶处理后制得膳食纤维。本发明采取酶处理分离法制备马铃薯渣抗氧化肽和膳食纤维两种产品。中国专利201310339205.8公开了一种马铃薯渣综合利用联产淀粉、膳食纤维的加工方法,本发明以马铃薯渣为原料采用机械粉碎和生物酶降解等方法处理薯渣，过滤得沉淀物干燥后得淀粉.上清液经浓缩,加沉淀剂再分离,干燥得可溶性和不可溶性膳食纤维。中国专利201510787252.8公开了一种利用马铃薯废渣生产燃料酒精的方法,该方法将马铃薯废渣浸泡在稀硫酸溶液中反应后抽滤悬浮液,干燥滤渣,放入发酵罐加入里氏木霉菌和麦麸制成麸曲,再加入特制的酵母种子液和硫酸铜恒温下发酵,蒸馏得酒精。与传统工艺相比，本发明利用生料同步糖化发酵生产燃料酒精的方法，能耗和冷却用水降低，减少了可发酵性糖的损失，降低了醪液浓度，酒精产率比传统生产工艺高。同时，该方法省去了糖化过程，可使发酵醪中单糖含量保持在较低水平，防止淀粉降解后生成的糖对酶的抑制作用，可以实现高浓度发酵，大幅度提高生产能力和设备利用率。上述专利延伸了马铃薯渣开发利用的产品,除了膳食纤维外还包括进一步提取的淀粉、果胶和酒精。然而,由于马铃薯渣含有种类较多的营养成分,有待开发的产品及工艺还很多,尤其是低成本的多种产品的综合开发利用技术。

发明内容

本发明的目的是针对目前马铃薯淀粉加工生产中产生的大量薯渣得不到很好利用，不仅造成了宝贵资源的浪费，而且还造成了环境的污染问题，采用现代生物酶技术、微生物发酵技术和现代机械造粒技术和方法，提供一种利用马铃薯渣同时生产食用安全性好的膳食纤维、食用酒精和单细胞蛋白的工艺及方法。

本发明的利用马铃薯渣连续生产膳食纤维、酒精和单细胞蛋白的方法,包括如下步骤：

（1）原料条件 新鲜薯渣，其含水量≦55%、淀粉含量≧20%、蛋白质含量≧4%;

（2）糊化 原料中加入原料重量2-3倍的水，混合在糊化罐中100℃条件下糊化10—30min,然后迅速冷却到60℃以下,备用;

（3）液化 取原料重量0.4% 100,000U的果胶酶,用果胶酶重量3-8倍的净水溶解后加入糊化液中，然后再取原料重量0.3% 10,000U的中温淀粉酶,用中温淀粉酶重量3-8倍的净水溶解后加入糊化液中，搅拌均匀后，在pH为6-6.5，60℃的条件下液化0.5-2h;

（4）糖化 取原料重量1% 100,000U的糖化酶,用糖化酶重量3-8倍的净水溶解后加入(3)制备的液化液中,搅拌均匀后，在pH为6~6.5,60℃的条件下糖化1-3h;

（5）过滤分离 糖化结束后趁热过滤或离心分离，将滤液趁热注入发酵罐内，同时加入原料重量1%—3%的硫酸铵营养盐混合均匀，冷却至30℃备用;

（6）混合膳食纤维制备 将(5)过滤或离心分离得到的滤渣置入烘干设备中，在40—65℃条件下烘干6-24 h得混合膳食纤维;

（7）颗粒型膳食纤维制备 将(6)制得的混合膳食纤维分别过12目和16目的筛，将小于12目和大于16目的筛分物筛出,得颗粒型膳食纤维;

（8）粉末型膳食纤维制备 将(7)作业后大于12目和小于16目的筛分物混合后粉碎通过80目筛,得粉末型膳食纤维;

（9）酒精发酵 在(5)制备的糖化液中接入原料重量的4%-8%,细胞数10⁸个/mL的酿酒酵母酒精发酵剂，30℃条件下进行酒精发酵,发酵初始的12个小时采用开口发酵，12小时后封口密闭,在30-34℃下发酵72 h,备用;

（10）单细胞蛋白制备 将(9)发酵罐底部2/3酒精发酵液在2000-6000 r/min条件下离心分离10-30 min或过滤,固相分离物在60-90℃条件下烘干4-8 h，得单细胞蛋白,发酵罐上部的1/3留在发酵罐为后续酒精发酵利用;

（11）酒精蒸馏 将（10）离心或过滤分离得到的液相分离物蒸馏得酒精。

本发明将马铃薯渣通过果胶酶和中温淀粉酶进行了双酶解法液化降解和糖化处理，使分子量相对比较低的碳水化合物进入溶液状态，分子量相对比较高的碳水化合物保留固体状态，通过过滤操作把两者分离。固态物质通过分离成为膳食纤维，液态物质再经过发酵转化为酒精和单细胞蛋白。经过上述处理，可以将马铃薯渣中的生物质基本利用完毕，增加马铃薯加工产业的经济效益，减轻薯渣对环境造成污染的压力。

采用本发明方法生产的膳食纤维出品率在17.85%以上，颗粒型膳食纤维外观为米黄色、蜂窝状，粉末型膳食纤维为细粉状。生产的酒精（95度）出品率在13.16%以上，无色透明,(酒精度测定采用蒸馏比重法测定)。生产的单细胞蛋白出品率在1.3%以上(单细胞蛋白出品率、膳食纤维出品率和酒精出品率的分母都是相同的,即上述步骤（1）中的新鲜薯渣；单细胞蛋白出品率和膳食纤维出品率的分子都是干重，酒精出品率的分子是液体), 蛋白质含量达到39%,(依据GB/T5511-2008方法检测)。外观为乳白色，酵母细胞数为6.12×10⁹个/g。依据GB/T5009.124-2003对样品进行检测共检验出17种氨基酸，其中含7种必需氨基酸:苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、颉氨酸。

本发明与现有技术相比,具有如下的优势:(1)本发明采用了包括果胶酶、淀粉酶和糖化酶的分段处理技术，最大限度地提高了原料中残余淀粉的利用率和糖化率，最终产品的出品率可提高10%以上。(2) 本发明采用了分割式半连续发酵工艺, 不仅可比传统的分批发酵工艺缩短14%的发酵时间，还可省去分批发酵批次之间空罐灭菌的时间和能耗，明显提高生产效率18%以上，而且比连续发酵工艺降低了生产成本25%以上(注：连续发酵工艺需要相应的较为复杂的连续发酵设备和控制设备，并要求不间断的电力供应条件，管理技术要求也比较高，故生产设备投资大、成本高)，因此更适合中小型马铃薯淀粉企业接产。(3)采用本发明方法与现有的马铃薯渣单项开发利用相比，实现了同时开发生产3种不同的产品，做到了薯渣的综合利用和全部利用,资源利用达到最大化, 最大限度地减少了废物的排放,提高了生产企业的经济效益和社会效益。

实施例1

采用本发明的方法将马铃薯渣连续生产出膳食纤维、酒精和单细胞蛋白,步骤如下:

（1）选好原料选取新鲜薯渣10公斤，要求薯渣原料的含水量≦55%、淀粉含量≧20%、蛋白质含量≧4%;

（2）糊化 将(1)选好的原料放入糊化罐中,加入20公斤的净水,加热至100℃糊化反应10 min,然后迅速冷却到60℃以下,备用;

（3）液化 取40克100,000U的果胶酶,用120ML的净水溶解后加入糊化液中，然后再取30克 10,000U的中温淀粉酶,用90ML的净水溶解后加入糊化液中，搅拌均匀后，在pH为6，60℃的条件下液化0.5h;

（4）糖化 取100克 100,000U的糖化酶,用300ML的净水溶解后加入(3)制备的液化液中,搅拌均匀后，在pH为6,60℃的条件下糖化1h;

（5）过滤分离 糖化结束后趁热离心分离，将滤液趁热注入发酵罐内，同时加入100克的硫酸铵营养盐混合均匀，冷却至30℃备用;

（6）混合膳食纤维制备 将(5)过滤或离心分离得到的滤渣置入烘干设备中，在40℃条件下烘干6h得混合膳食纤维1.82公斤;

（7）颗粒型膳食纤维制备 将(6)制得的混合膳食纤维分别过12目和16目的筛，将小于12目和大于16目的筛分物筛出,得颗粒型膳食纤维0.71公斤;

（8）粉末型膳食纤维制备 将(7)作业后大于12目和小于16目的筛分物混合后粉碎通过80目筛,得粉末型膳食纤维1.11公斤;

（9）酒精发酵 在(5)制备的糖化液中接入原料重量的400克,细胞数10⁸个/mL的酿酒酵母酒精发酵剂，30℃条件下进行酒精发酵,发酵初始的12个小时采用开口发酵，12小时后封口密闭,在30℃下发酵72 h,备用;

（10）单细胞蛋白制备 将(9)发酵罐的酒精发酵液在2000 r/min条件下离心分离10min或过滤,固相分离物在60℃条件下烘干4h，得单细胞蛋白136克,

（11）酒精蒸馏 将（10）离心分离或过滤得到的液相分离物蒸馏得酒精为95度的酒精1390ML。

实施例2

采用本发明的方法将马铃薯渣连续生产出膳食纤维、酒精和单细胞蛋白,步骤如下:

（1）选好原料选取新鲜薯渣10公斤，要求薯渣原料的含水量≦55%、淀粉含量≧20%、蛋白质含量≧4%;

（2）糊化 将(1)选好的原料放入糊化罐中,加入30公斤的净水,加热至100℃糊化反应30 min,然后迅速冷却到60℃以下,备用;

（3）液化 取40克100,000U的果胶酶,用320ML的净水溶解后加入糊化液中，然后再取30克 10,000U的中温淀粉酶,用240ML的净水溶解后加入糊化液中，搅拌均匀后，在pH为6.5，60℃的条件下液化2h;

（4）糖化 取100克 100,000U的糖化酶,用800ML的净水溶解后加入(3)制备的液化液中,搅拌均匀后，在pH为6.5,60℃的条件下糖化3h;

（5）过滤分离 糖化结束后趁热过滤，将滤液趁热注入发酵罐内，同时加入300克的硫酸铵营养盐混合均匀，冷却至30℃备用;

（6）混合膳食纤维制备 将(5)过滤或离心分离得到的滤渣置入烘干设备中，在65℃条件下烘干24h得混合膳食纤维1.94公斤;

（7）颗粒型膳食纤维制备 将(6)制得的混合膳食纤维分别过12目和16目的筛，将小于12目和大于16目的筛分物筛出,得颗粒型膳食纤维0.82公斤;

（8）粉末型膳食纤维制备 将(7)作业后大于12目和小于16目的筛分物混合后粉碎通过80目筛,得粉末型膳食纤维1.12公斤;

（9）酒精发酵 在(5)制备的糖化液中接入原料重量的800克,细胞数10⁸个/mL的酿酒酵母酒精发酵剂，30℃条件下进行酒精发酵,发酵初始的12个小时采用开口发酵，12小时后封口密闭,在34℃下发酵72 h,备用;

（10）单细胞蛋白制备 将(9)发酵罐的酒精发酵液在6000 r/min条件下过滤或离心分离30min,固相分离物在90℃条件下烘干8h，得单细胞蛋白144克,

（11）酒精蒸馏 将（10）过滤或离心分离得到的液相分离物蒸馏得酒精度为95度的酒精1510ML。

实施例3

采用本发明的方法将马铃薯渣连续生产出膳食纤维、酒精和单细胞蛋白,步骤如下:

（1）选好原料选取新鲜薯渣10公斤，要求薯渣原料的含水量≦55%、淀粉含量≧20%、蛋白质含量≧4%;

（2）糊化 将(1)选好的原料放入糊化罐中,加入25公斤的净水,加热至100℃糊化反应15 min,然后迅速冷却到60℃以下,备用;

（3）液化 取40克100,000U的果胶酶,用200ML的净水溶解后加入糊化液中，然后再取30克 10,000U的中温淀粉酶,用150ML的净水溶解后加入糊化液中，搅拌均匀后，在pH为6.2，60℃的条件下液化1h;

（4）糖化 取100克 100,000U的糖化酶,用500ML的净水溶解后加入(3)制备的液化液中,搅拌均匀后，在pH为6.3,60℃的条件下糖化2h;

（5）过滤分离 糖化结束后趁热过滤，将滤液趁热注入发酵罐内，同时加入150克的硫酸铵营养盐混合均匀，冷却至30℃备用;

（6）混合膳食纤维制备 将(5)过滤或离心分离得到的滤渣置入烘干设备中，在55℃条件下烘干12h得混合膳食纤维1.92公斤;

（7）颗粒型膳食纤维制备 将(6)制得的混合膳食纤维分别过12目和16目的筛，将小于12目和大于16目的筛分物筛出,得颗粒型膳食纤维0.82公斤;

（8）粉末型膳食纤维制备 将(7)作业后大于12目和小于16目的筛分物混合后粉碎通过80目筛,得粉末型膳食纤维1.10公斤;

（9）酒精发酵 在(5)制备的糖化液中接入原料重量的600克,细胞数10⁸个/mL的酿酒酵母酒精发酵剂，30℃条件下进行酒精发酵,发酵初始的12个小时采用开口发酵，12小时后封口密闭,在32℃下发酵72 h,备用;

（10）单细胞蛋白制备 将(9)发酵罐的酒精发酵液在4000 r/min条件下过滤或离心分离20min,固相分离物在80℃条件下烘干6h，得单细胞蛋白140克,

（11）酒精蒸馏 将（10）过滤或离心分离得到的液相分离物蒸馏得酒精度为95度的酒精1490ML。

实施例4

采用本发明的方法将马铃薯渣连续生产出膳食纤维、酒精和单细胞蛋白,步骤如下:

（1）选好原料选取新鲜薯渣10公斤，要求薯渣原料的含水量≦55%、淀粉含量≧20%、蛋白质含量≧4%;

（2）糊化 将(1)选好的原料放入糊化罐中,加入25公斤的净水,加热至100℃糊化反应25 min,然后迅速冷却到60℃以下,备用;

（3）液化 取40克100,000U的果胶酶,用160ML的净水溶解后加入糊化液中，然后再取30克 10,000U的中温淀粉酶,用120ML的净水溶解后加入糊化液中，搅拌均匀后，在pH为6-6.5，60℃的条件下液化1.5h;

（4）糖化 取100克 100,000U的糖化酶,用400ML的净水溶解后加入(3)制备的液化液中,搅拌均匀后，在pH为6-6.5，,60℃的条件下糖化2.5h;

（5）过滤分离 糖化结束后趁热过滤或离心分离，，将滤液趁热注入发酵罐内，同时加入200克的硫酸铵营养盐混合均匀，冷却至30℃备用;

（6）混合膳食纤维制备 将(5)过滤或离心分离得到的滤渣置入烘干设备中，在60℃条件下烘干18h得混合膳食纤维1.91公斤;

（7）颗粒型膳食纤维制备 将(6)制得的混合膳食纤维分别过12目和16目的筛，将小于12目和大于16目的筛分物筛出,得颗粒型膳食纤维0.79公斤;

（8）粉末型膳食纤维制备 将(7)作业后大于12目和小于16目的筛分物混合后粉碎通过80目筛,得粉末型膳食纤维1.12公斤;

（9）酒精发酵 在(5)制备的糖化液中接入原料重量的500克,细胞数10⁸个/mL的酿酒酵母酒精发酵剂，30℃条件下进行酒精发酵,发酵初始的12个小时采用开口发酵，12小时后封口密闭,在30-34℃下发酵72 h,备用;

（10）单细胞蛋白制备 将(9)发酵罐底部2/3酒精发酵液在4000-6000 r/min条件下离心分离25min,固相分离物在80℃条件下烘干5h，得单细胞蛋白138克, 发酵罐上部的1/3留下为后续酒精发酵利用;

（11）酒精蒸馏 将（10）过滤或离心分离得到的液相分离物蒸馏得酒精度为95度的酒精1140ML。

Claims (1)

1.利用马铃薯渣连续生产膳食纤维、酒精和单细胞蛋白的方法,包括如下步骤：

（1）原料条件 新鲜薯渣，其含水量≦55%、淀粉含量≧20%、蛋白质含量≧4%;

（2）糊化 原料中加入原料重量2-3倍的水，混合在糊化罐中100℃条件下糊化10—30min,然后迅速冷却到60℃以下,备用;

（3）液化 取原料重量0.4% 100,000U的果胶酶,用果胶酶重量3-8倍的净水溶解后加入糊化液中，然后再取原料重量0.3% 10,000U的中温淀粉酶,用中温淀粉酶重量3-8倍的净水溶解后加入糊化液中，搅拌均匀后，在pH为6-6.5，60℃的条件下液化0.5-2h;

（4）糖化 取原料重量1% 100,000U的糖化酶,用糖化酶重量3-8倍的净水溶解后加入(3)制备的液化液中,搅拌均匀后，在pH为6~6.5,60℃的条件下糖化1-3h;

（5）过滤分离 糖化结束后趁热过滤或离心分离，将滤液趁热注入发酵罐内，同时加入原料重量1%—3%的硫酸铵营养盐混合均匀，冷却至30℃备用;

（6）混合膳食纤维制备 将(5)过滤或离心分离得到的滤渣置入烘干设备中，在40—65℃条件下烘干6-24 h得混合膳食纤维;

（7）颗粒型膳食纤维制备 将(6)制得的混合膳食纤维分别过12目和16目的筛，将小于12目和大于16目的筛分物筛出,得颗粒型膳食纤维;

（8）粉末型膳食纤维制备 将(7)作业后大于12目和小于16目的筛分物混合后粉碎通过80目筛,得粉末型膳食纤维;

（9）酒精发酵 在(5)制备的糖化液中接入原料重量的4%-8%,细胞数10⁸个/mL的酿酒酵母酒精发酵剂，30℃条件下进行酒精发酵,发酵初始的12个小时采用开口发酵，12小时后封口密闭,在30-34℃下发酵72 h,备用;

（10）单细胞蛋白制备 将(9)发酵罐底部2/3酒精发酵液在2000-6000 r/min条件下离心分离10-30 min或过滤,固相分离物在60-90℃条件下烘干4-8 h，得单细胞蛋白,发酵罐上部的1/3留在发酵罐为后续酒精发酵利用;

（11）酒精蒸馏 将（10）离心或过滤分离得到的液相分离物蒸馏得酒精。