CN112964050A - 一种低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法及设备 - Google Patents

一种低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及单细胞蛋白加工技术领域，特别是涉及一种低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法及设备，通过分离、浓缩、加工处理、干燥和灭菌制得单细胞蛋白粉，加工处理包括脱稳、破壁和成形，脱稳包括对物料进行1‑15 min的升温搅拌；破壁包括对物料进行6‑120 min的30‑90℃恒温搅拌；成形包括将物料制备成条状菌泥；干燥包括通过低温干燥设备进行干燥，干燥温度为50‑90℃，干燥时间为30‑120min。本发明采用低温干燥设备代替现有技术的闪蒸干燥设备，低温干燥的方式热效率高，并且低温干燥后没有废气产生，同时，以操作难度而言，气流闪蒸干燥对操作工的要求比较高，而低温干燥则简单易上手。结合本发明的相关参数的设置，可以制备得到符合要求的游离核苷酸含量以及新鲜度的产物。

Description

一种低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法及设备
技术领域
本发明涉及单细胞蛋白加工技术领域，特别是涉及一种低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法及设备。
背景技术
单细胞蛋白(Single cell protein简称SCP)又称微生物蛋白或菌体蛋白，是利用工业废水、废气、天然气、石油烷烃类、农副加工产品以及有机废弃物等作为培养基，培养酵母、非病源性细菌、微型菌、真菌等单细胞生物体，然后经过净化干燥处理后制成，是食品工业和饲料工业重要的蛋白质来源。单细胞蛋白产品含有丰富的蛋白质，氨基酸的种类齐全比例适当。单细胞蛋白还含有丰富的脂肪、碳水化合物、核酸、维生素和无机盐，并含有钙、磷、钾、铁、镁、钠、锰等矿物质元素，还含有多种酶。酵母、酵母水解物在动物饲料中已成功用于鱼粉蛋白的替代、动物免疫增强、饲料口感的改善等。单细胞蛋白中核苷酸及其衍生物具有非常重要的生理生化功能，主要的功能有：作为RNA和DNA合成的原料；作为代谢的调节物质；作为辅酶的成分，如辅酶A；激活糖原和糖蛋白合成的重要中介物，也是磷脂合成的中介物，活化中间产物；参与遗传信息传递；ATP是生命过程的直接能；AMP调节平滑肌的收缩性并可调节血流量；核苷酸还可以作为甲基的供体等。
由于有害微生物、有害化学物质、重金属等会对产品质量安全造成危害的考虑。目前已经或正在进行产业化开发的单细胞蛋白产品的品种较少，主要集中于使用安全风险低、来自于食品工业的产品或副产品作为原料进行单细胞蛋白的培养及生产。如啤酒酵母及酶解啤酒酵母作为饲料原料在动物上的使用，啤酒在生产时需要达到严格的食品安全标准，由其产生的有机质副产物和酵母蛋白的生物、化学、物理危害都达到最低，从而为饲料工业的应用提供可靠的安全保证。
我国专利公开号CN105166322A公开了一种高产量使用自溶工艺生产好氧型单细胞蛋白的方法，通过气流闪蒸干燥设备对物料进行干燥，气流闪蒸干燥设备的优点是干燥速度快，能够充分保证物料的新鲜度，但是为实现快速的干燥需要较高的供气量，这也就使得气流闪蒸干燥设备整体较大，需要设置数米高的烟囱进行排气，且排放出的烟气需要进行过滤和除臭等操作，以免造成污染。
发明内容
本发明的目的在于弥补上述的制备单细胞蛋白的不足及缺陷，提供一种低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法。
为了实现上述目的，设计一种低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法，通过分离、浓缩、加工处理、干燥和灭菌的步骤制得所述的单细胞蛋白粉，所述的加工处理包括脱稳、破壁和成形，其中，所述的脱稳包括对浓缩后得到的物料进行1-15min的升温搅拌；所述的破壁包括对升温搅拌后的物料进行6-120min的30-90℃恒温搅拌；所述的成形包括将恒温搅拌后的物料制备成条状菌泥；所述的干燥包括通过低温干燥设备对条状菌泥进行干燥，干燥温度为50-90℃，干燥时间为30-120min。
优选地，所述的单细胞通过固体发酵、液体发酵和溶气发酵中的至少一种方法得到。
优选地，所述分离和浓缩通过膜过滤、压滤、重力沉降、离心、振动、筛分、吸附、磁化吸附、微射流和气浮中的至少一种实现。
优选地，所述的脱稳的过程中，接触升温的接触面积在25㎡/m3及以上，加热膏状菌泥温差10℃及以下，接触升温1-15min达到目标温度30-90℃。
优选地，所述的脱稳结束后，膏状菌泥的运动粘度小于5mPa·S。
优选地，在所述的破壁的过程中，在30-90℃的目标温度下恒温搅拌6-120min，接触保温的接触面积在5㎡/m3及以上，保温膏状菌泥温差10℃及以下。
优选地，细胞破壁后释放细胞内物质，游离核苷酸含量占总干物质的0.5％及以上，或者游离核苷酸占总核苷酸的比例12％及以上。
优选地，所述的成形是通过挤压和分割中的至少一种，将膏状菌泥分割成长宽小于2cm或者小于
Figure BDA0002947931310000031
的条状菌泥。
优选地，干燥后菌泥的含水率为40％-10％。
本发明还涉及一种用于所述的低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法的装置，包括加热保温设备、低温干燥设备和灭菌设备。
本发明同现有技术相比，工艺及其制成的产品具有以下优点：本发明采用低温干燥设备代替现有技术的闪蒸干燥设备，相较于闪蒸干燥设备，低温干燥的方式热效率高，并且低温干燥后没有废气产生，同时，以操作难度而言，气流闪蒸干燥对操作工的要求比较高，而低温干燥则简单易上手。此外，低温干燥还有噪声低、占地面积小和净空高要求低的优点。结合本发明的相关技术参数的设置，可以制备得到符合要求的游离核苷酸含量以及新鲜度的产物。
附图说明
图1是本发明的步骤示意图。
图2是加热保温设备的示意图。
图3是低温干燥设备的示意图。
图中：1.投料口 2.主轴隔断 3.壳体蒸汽入口 4.喷淋清洗器 5.保温段桨叶蒸汽入口和疏水口 6.出料口 7.壳体疏水口 8.保温段桨叶 9.升温段桨叶 10.电动机和减速机 11.升温段桨叶蒸汽入口和疏水口 12.入料口 13.切条成形器 14.循环送风器 15.铺料履带 16.热能回收装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，这种方法及设备的原理和采用的设备对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
单细胞蛋白产品含有丰富的核苷酸，市场上酵母类的产品是饲料工业主要的核苷酸提供者。由于工艺特点的原因，自溶酵母、酶解酵母、水解酵母等产品含有较多游离态的核酸水解物，研究发现现有很多酵母产品既含有游离核苷酸，也含有较高含量的游离碱基。游离核苷酸能被动物快速吸收，发挥重要生理功能，游离碱基则会对动物肝脏肾脏造成不良影响。游离碱基含量过多意味着生产过程当中有重要营养价值的核苷酸被酶解、水解或微生物代谢。这会造成酵母产品的质量下降，提供的核苷酸含量降低，进而能为动物提供免疫功能的作用减少，同时增加的游离碱基如腺嘌呤则会对动物造成毒性。判断单细胞蛋白的生产工艺对核苷酸的破坏程度，使用既能反应工艺条件的优劣又能为产品质量控制提供科学的、反映营养价值的评估方法就变得极为重要。游离核苷酸数值越高说明代表内源酶分解核酸为核苷酸的程度越高。游离碱基是细菌代谢的产物，含量越高说明腐败微生物生长越多，作为查看自溶后产品腐败程度的指标。因此，本发明的实施方式中将以游离核苷酸和游离碱基的含量作为评判产品的主要指标。
参见图1所示，本发明所提供的低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法，通过分离、浓缩、加工处理、干燥和灭菌的步骤制得所述的单细胞蛋白粉，所述的加工处理包括脱稳、破壁和成形，其中，所述的脱稳包括对浓缩后得到的物料进行1-15min的升温搅拌；所述的破壁包括对升温搅拌后的物料进行6-120min的30-90℃恒温搅拌；所述的成形包括将恒温搅拌后的物料制备成条状菌泥；所述的干燥包括通过低温干燥设备对条状菌泥进行干燥，干燥温度为50-90℃，干燥时间为30-120min。
其中，所述的单细胞通过固体发酵、液体发酵和溶气发酵中的至少一种方法得到。
所述分离和浓缩通过膜过滤、压滤、重力沉降、离心、振动、筛分、吸附、磁化吸附、微射流和气浮中的至少一种实现。
在脱稳过程中单细胞胞外聚合物和荚膜中的蛋白质和葡萄糖醛酸结构破坏，单细胞菌团结构破坏，细胞中间的结合水释放出来形成自由水。并且，细胞破壁后释放细胞内物质，游离核苷酸含量占总干物质的0.5％及以上，或者游离核苷酸占总核苷酸的比例12％及以上。从而，通过加工处理使胞外聚合物脱稳和细胞破壁，将单细胞胞外结合水和细胞内组织水释放，然后经过成形增加物料的蒸发表面积，实现快速的干燥。
由于本发明方法采用了低温干燥的方式，干燥所需的时间将长于现有的采用闪蒸干燥方法的制备方式，因此，为了保证物料的新鲜度，则需要使得加工处理所用的时间尽量减少。同时，在通过现有工艺对物料进行加热搅拌时，发现升温速度越慢，物料释放胞内物质(以游离核苷酸计)越难，尤其是冬天原料温度较低时，胞内物质的释放难度还会增加，加热升温后的物料粘性很高，后续进入干燥设备时还需要加入干料混合搅拌以降低粘性。而经研究发现，这是由于物料受热后多糖糊化，从而将整个菌团会包裹。
因此，本发明方法在脱稳过程中，对物料仅进行1-15min的升温搅拌，并在破壁过程中，对物料仅进行6-120min的30-90℃恒温搅拌，同时，通过增加加热设备与物料之间的接触面积的方式，实现对物料的快速、均匀升温。参见图2所示，物料由投料口投入加热保温设备中，如加入桨叶干燥机中，首先经过升温段桨叶进行脱稳操作，而后被输送前进至保温段桨叶进行破壁操作。例如，通过增加升温段的物料与设备的传热接触面积。从而，经实验，在将升温速度从20分钟降低到10分钟，然后再进入保温段，使得游离核苷酸释放需要的时间变短了30分钟左右，不仅有助于实现对物料的新鲜度要求，同时还使得物料胞内物质的释放更为便捷。
表1.进行30min升温搅拌后进行恒温搅拌的实验数据
Figure BDA0002947931310000071
表2.进行10min升温搅拌后进行恒温搅拌的实验数据
Figure BDA0002947931310000072
结合表1和表2所示，升温时间的缩短使得物料胞内物质的释放更为便捷，在相同的恒温搅拌时间下，可以获得更多的游离核苷酸。同时，由表2可知随着恒温搅拌时间的增加，所述的游离核苷酸的总含量先增加而后减少，这是由于保温虽然能够使得胞内物质释放，但同时也会使得游离核苷酸分解成游离碱基，因此，恒温搅拌时间也并非越长越好。基于新鲜度和游离核苷酸的含量的需求，优选地本实施方式在脱稳过程中，对物料进行10min的升温搅拌，并在破壁过程中，对物料进行80min的75℃恒温搅拌。
在优选的实施方式中，在所述的脱稳的过程中，接触升温的接触面积在25㎡/m3及以上，接触升温1-15min达到目标温度30-90℃，由于污泥是膏状物质，在加热的过程中，接触受热面这部分的菌泥温度高，并将热量逐渐传导到没有接触到受热面的菌泥，因而存在温差，加热时膏状菌泥的温差优选地控制在10℃及以下。所述的脱稳结束后，膏状菌泥的运动粘度小于5mPa·S。
在优选的实施方式中，在所述的破壁的过程中，在30-90℃的目标温度下恒温搅拌6-120min，接触保温的接触面积在5㎡/m3及以上，保温时膏状菌泥温差控制在10℃及以下。细胞破壁后释放细胞内物质，游离核苷酸含量占总干物质的0.5％及以上，或者游离核苷酸占总核苷酸的比例12％及以上。
破壁后还需对物料进行成形操作，以使物料成为条状，从而能更便于和更充分地实现后续的低温干燥操作，所述的成形是通过挤压和分割中的至少一种，将膏状菌泥分割成长宽小于2cm或者小于
Figure BDA0002947931310000081
的条状菌泥，干燥后菌泥的含水率为40％-10％。参见图3所示，在一个实施方式中，所述的成形设备内设有两道沿竖向设置的铺料履带，物料进料后先被入口处的切条成形器切割，而后被第一条铺料履带又右至左输送，并在运动到末端后下落至第二条铺料履带上，第二条铺料履带的进口处同样设有一切条成形器，再次对物料进行切割，随后物料被第二条铺料履带向右输送至出口。
在成形完成后，即对所述的物料进行低温干燥操作，干燥温度为50-90℃，干燥时间为30-120min。在本实施方式中，即通过常规的隧道式低温干燥设备进行干燥，物料由隧道式低温干燥设备内的履带进行输送。相较于气流闪蒸干燥而言，低温干燥的方式热效率高，气流闪蒸干燥的热效率最大只有55％，而低温干燥的热效率可达80％及以上。同时，低温干燥后没有废气产生，而气流闪蒸干燥的废气量很大。并且，以操作难度而言，气流闪蒸干燥对操作工的要求比较高，而低温干燥则简单易上手。此外，低温干燥还有噪声低、占地面积小和净空高要求低的优点。
参见表3和表4所示，通过对比实验可知，采用本发明方法的减少升温时间并结合低温干燥的处理方法，所获得的产物的游离核苷酸含量和VBN参数与闪蒸干燥方法获得的产物的游离核苷酸含量和VBN参数相近，同时还克服了闪蒸干燥用气量大、占地面积大和易造成污染的缺点。
表3.对比实验数据1
Figure BDA0002947931310000091
表4.对比实验数据2
Figure BDA0002947931310000092
所述的灭菌是通过隧道式微波灭菌设备进行灭菌，灭菌后制得蛋白粉产品，蛋白粉产品中细菌总数小于1×104CFU/g,霉菌总数小于100CFU/g。
本实施方式还提供一种用于所述的低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法的装置，包括分离浓缩设备、加热保温设备、低温干燥设备和灭菌设备，其中，加热保温设备采用桨叶干燥机，用于菌泥细胞加热破壁，配有压缩机回收蒸发的水蒸气，减少废气排放；低温干燥设备采用低温带式干燥机，用于菌泥干燥，配有压缩机回收热能，无废气排放；灭菌设备采用隧道式微波设备，用于菌泥的灭菌，保证产品中细菌全部灭活。
加热保温设备、低温干燥设备和灭菌设备三台设备的体积和占地面积小于现有的采用闪蒸蒸汽干燥的设备，将加热保温设备、低温干燥设备和灭菌设备三台设备放置在集装箱中实现整体搬运，而后在现场拼装，其装配十分便捷，同时还可整合三台设备的PLC，构造一个整体的PLC控制系统，进而实现对设备的远程控制。

Claims (10)

1.一种低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法，通过分离、浓缩、加工处理、干燥和灭菌的步骤制得所述的单细胞蛋白粉，其特征在于所述的加工处理包括脱稳、破壁和成形，其中
所述的脱稳包括对浓缩后得到的物料进行1-15 min的升温搅拌；
所述的破壁包括对升温搅拌后的物料进行6-120 min的30-90℃恒温搅拌；
所述的成形包括将恒温搅拌后的物料制备成条状菌泥；
所述的干燥包括通过低温干燥设备对条状菌泥进行干燥，干燥温度为50-90℃，干燥时间为30-120min。
2.如权利要求1所述的低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法，其特征在于所述的单细胞通过固体发酵、液体发酵和溶气发酵中的至少一种方法得到。
3.如权利要求1所述的低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法，其特征在于所述分离和浓缩通过膜过滤、压滤、重力沉降、离心、振动、筛分、吸附、磁化吸附、微射流和气浮中的至少一种实现。
4.如权利要求1所述的低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法，其特征在于所述的脱稳的过程中，接触升温的接触面积在25㎡/m³及以上，加热膏状菌泥温差10℃及以下，接触升温1-15 min达到目标温度30-90℃。
5.如权利要求1或4所述的低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法，其特征在于所述的脱稳结束后，膏状菌泥的运动粘度小于5mPa•S。
6.如权利要求1所述的低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法，其特征在于在所述的破壁的过程中，在30-90℃的目标温度下恒温搅拌6-120 min，接触保温的接触面积在5㎡/m³及以上，保温膏状菌泥温差10℃及以下。
7.如权利要求1或6所述的低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法，其特征在于细胞破壁后释放细胞内物质，游离核苷酸含量占总干物质的0.5%及以上，或者游离核苷酸占总核苷酸的比例12%及以上。
8.如权利要求1所述的低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法，其特征在于所述的成形是通过挤压和分割中的至少一种，将膏状菌泥分割成长宽小于2cm或者小于φ2cm的条状菌泥。
9.如权利要求1所述的低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法，其特征在于干燥后菌泥的含水率为40%-10%。
10.一种用于如权利要求1所述的低温快速干燥单细胞蛋白粉的方法的装置，其特征在于包括加热保温设备、低温干燥设备和灭菌设备。
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