马铃薯渣是马铃薯淀粉生产过程中最多的副产物。其干物质总量略少于马铃薯淀粉产品,是马铃薯加工总量的3%~6%。
马铃薯渣的干物质中,含有50%左右的淀粉,25%左右的粗细纤维,3%左右的可溶性碳水化合物,5%左右的含氮物质(粗蛋白质),还有一些脂肪和灰分元素等。
马铃薯渣中的营养物质还是相当丰富的。比较起来,马铃薯渣的营养成分大于小麦麸皮,甚至与低等玉米相接近。只是马铃薯渣中含有马铃薯茄素等不良物质,如龙葵素、单宁和氢氰酸盐等。所以,马铃薯渣的气味和口味的刺激性较强,有些物质还会刺激动物的消化系统,造成腹泻,甚至产生毒害。所以即使经过脱水干燥后的马铃薯渣,也只能替代动物饲料中的能量原料。
马铃薯淀粉生产线排出的马铃薯渣,含有相当数量的水分。即使静止24小时以后,马铃薯渣的含水量仍不低于80%,这是由于以下原因造成的:
第一,马铃薯渣中仍有未被完全解碎的马铃薯组织小块;
第二,被解碎的马铃薯组织碎块呈絮状,表面积相当大,表面张力可以涵蓄大量的水分;
第三,在解碎工段和筛分工段添加了多量的水。
经实际测量,在生产线的排渣口所排出的马铃薯渣,其含水量最多可达94%。
表5-1是东北某马铃薯淀粉生产企业在生产过程中所排放的马铃薯渣的主要成分表,采样量为50千克。
表5-1 马铃薯渣的主要成分
由于马铃薯渣中的营养物质含量丰富,因而利用价值较大,加工开发的潜力也很大。
(1)马铃薯渣干粉的生产。马铃薯渣干粉的生产,一直被认为是马铃薯淀粉企业副产品加工利用的首要方面。马铃薯渣干粉较疏松,表面积大,吸潮性较强,即使将其水分降到15%以下,也不能长期贮存。特别是在潮湿季节,更应该注意防潮。
马铃薯渣干粉的生产过程是,先使用双鼓对榨机对马铃薯渣进行脱水,使水分降到65%以下。如果榨制前或榨制过程中,在马铃薯渣中适当添加钙制剂,则可防止马铃薯渣滑脱,并可使水分降到60%以下。所添钙制剂,可使用石灰。如果使用磷酸二氢钙或磷酸氢钙,则可增加干粉中的钙含量,提高马铃薯渣的经济价值。
生产中使用的双鼓对榨机,其常见机型是波兰制造的ZPE型双转鼓压榨机。压榨机的工作部件,是两个包着不锈钢网的相向向内转动的转鼓。转鼓上钻有许多的孔,以使挤出的水透过不锈钢网而进入鼓内,并从转动时处于底部的孔隙流到鼓外。每个鼓下,都有一个既是刮刀、又是挡板的装置,把榨后的马铃薯渣与鼓内流出的水隔开。刮刀外下部是废水收集槽,用以收集废水。两边废水合并后流出。流出的废水,可以并入生产线排出的汁水中。经榨制后的马铃薯渣,落入最下部的输料螺旋的料斗中。
压榨后的马铃薯渣可以用干燥机进行干燥。如果想保留马铃薯渣中淀粉的黏度(使其在颗粒饲料中起黏结作用),则可选择两级气流干燥系统,并注意在气流干燥系统的旋风分离筒尾部装设出料螺旋装置,以防堵料。
如果忽略马铃薯渣中淀粉的黏度,可选用管束式干燥机等强干燥系统,对马铃薯渣进行干燥。干燥温度可高一些,进风温度最高可达200℃。
干燥后的马铃薯渣干粉,水分一般应在15%以下,在南方地区,则在13%以下。
(2)马铃薯渣生物制品的生产。
马铃薯渣生物制品,是利用微生物发酵技术,在消耗马铃薯渣中的营养物质后,回收微生物的菌体或体液,经去杂提纯所得到的制品。
目前,利用马铃薯渣生产生物产品的较成熟的技术有:用酵母菌生产酒精、用乳酸杆菌生产乳酸、用黑曲霉菌生产柠檬酸。
1)马铃薯渣生产酒精。用糖质原料(葡萄、苹果和枣等)经发酵获得的乙醇,是人类早期文明和生产的成果之一。
对糖质原料,可以直接用酵母苗发酵而获得乙醇。而淀粉质原料,则必须先进行糖化,然后再经酵母菌发酵,才能获得乙醇。马铃薯渣属于淀粉质原料,用它制酒,也同样要经过先糖化、后发酵的生产过程。
马铃薯渣配料以后,首先要经过蒸煮糊化,然后是糖化、制酒母、发酵和蒸馏。化学反应式为:
C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2↑+热量
在发酵过程中,除了乙醇外,还会产生几十种挥发性组分。这些组分按其沸点高低,可分成三类:
一是低温杂质。是沸点低于乙醇的易挥发物质,如乙醛、乙酸乙酯等。
二是同温杂质。是沸点与乙醇相接近的物质,如异丁酸乙酯、异戊酸乙酯等。
三是高温杂质。是沸点高于乙醇的不易挥发物质,如各种高级醇类。
为去除低温杂质和高温杂质,通常采用蒸馏法。用蒸馏法生产乙醇的主要设备是蒸馏塔,从塔的不同部位可获得不同沸点的沸点产物(醇类蒸气),从而实现了乙醇与其他杂质的蒸馏分离。
用蒸馏法生产乙醇的工艺流程如下:
①液曲培养和酒母培养,都是在生产现场附近进行的。其中液曲是淀粉质原料的糖化剂,需要经过试管培养、种子罐培养和液曲罐培养三个阶段。
②酒母就是乙醇发酵的酵母。酒母的培养要经过试管培养、三角瓶培养、大容量瓶扩培、小酒母罐扩培和酒母罐培养,共五个阶段。
液曲和酒母是两种苗类,二者除了在冰箱中贮存菌种时可以邻近放置外,在培养过程中要注意隔离,防止交叉繁殖。
③采用连续发酵法时,要注意做好生产过程中的消毒灭杂菌工作。
2)马铃薯渣生产乳酸。乳酸的化学名称为2-羟基丙酸,又称丙醇酸。其化学分子式为:CH3CHOHCOOH。它为无色或淡黄色黏稠状液体,无味,被广泛应用于食品、香料、皮革和化妆品工业中。
运用生物发酵方法生产乳酸,可采用乳酸杆菌。但首先也必须将马铃薯渣中的淀粉进行糖化,使之成为单糖或二糖。然后才能在乳酸杆菌体内的酶的作用下,经多次逆转分解,生成丙酮酸。丙酮酸又在乳酸杆菌体内另一种酶(乳酸脱氧酶)的作用下,转变为乳酸,其化学反应式如下:
工艺要点如下:
①黑曲霉菌培养:黑曲霉菌的菌种应向邻近的大专院校或科研部门询购。黑曲霉菌的培养可经过试管斜面培养→三角瓶斜面培养→制种曲→通风制曲四个过程。
其中试管斜面培养和三角瓶斜面培养的培养液加水的培养基液为小米加水的培养液。种曲和制曲则使用麸皮加水所制成的曲料。
②乳酸杆菌培养:培养乳酸杆菌的培养液,可按下列配方配制:3~4波美度饴糖100克,蛋白胨0.5克,牛肉膏0.1克,酵母粉0.1克,硫酸镁0.05克,磷酸二氢钾0.05克,氯化钠0.02克,碳酸钙1.1克。
乳酸杆菌的培养要经过试管培养→三角瓶一级扩培(350毫升培养液)→大烧瓶二级扩培(1 200毫升培养液)三个阶段。培养温度都为49℃±1℃,培养时间为48个小时。
③糊化和发酵:在投料前,对马铃薯渣滓要进行淀粉含率和水分的测定。当淀粉在干物质中的含量低于45%时,要用低档淀粉或用回收池中的淀粉进行补充。
接着,将马铃薯渣滓放入糊化锅中,加入为干物质重量10倍的水,充分搅拌。在打开锅顶放气阀后,再通入蒸汽。锅内温度升高后,锅内产生的蒸汽将锅内的空气排挤出去。待放气阀开始向外排放蒸汽时,将放汽阀关闭,使锅内压力升到0.2兆帕,保持11分钟。然后停止通蒸汽,打开放汽阀降压。再打开出料阀,将已经灭菌和糊化了的糊化醪放入发酵池。
此后,计算出能将糊化醇冲淡至11%~12%浓度所需要的水量,并把这些水直接或通过冲洗糊化锅加入到发酵池中。对于发酵池中的糊化醪要进行翻动式搅拌,并在其周围通入干净冷凉的空气。待糊化醪的温度降至55℃左右时,投入约为糊化醇量0.5%的黑曲霉麸料曲,继续进行搅拌糖化。当糊化醪的温度降至50℃左右时,加入为糊化醪量8%~10%的乳酸杆菌的二级培养液,搅拌均匀,糊化醪即开始发酵。在发酵过程中,要使温度保持在49℃±1℃的范围内。在此期间,每隔2小时要搅拌一次,约10分钟。
发酵12小时后,可用酸度计测量发酵醪的酸度,如果pH值低于5时,可投入碳酸钙中和,使pH值处于5.1~6.2之间。碳酸钙投入量为不大于原料中淀粉(绝干值)总量的70%。
发酵4天后,测量发酵醪中的残糖。当残糖小于0.1%时,发酵即告结束。
发酵结束后,向发酵池中投放氧化钙粉末,同时充分搅拌,并测量发酵醪液的碱度,当pH值达到10时,停止加入氧化钙。一般情况下,氧化钙的加入量不大于淀粉(绝干值)总量的10%。
④压滤:用板框压滤机处理发酵醪液,滤液即是较稀的乳酸钙溶液。
⑤酸解:将乳酸钙溶液泵入蒸发器,浓缩至相对密度为1.082~1.107时,再泵入结晶罐。静置3~5天,使乳酸钙结晶析出。
接着用离心脱水机过滤脱水,使脱出液回到蒸发器,与下次从压滤工段送来的乳酸钙溶液共同浓缩。如此循环,连续不断。
对于浓缩的乳酸钙结晶,要将其置入酸解锅中加水溶解,同时在锅的夹层通入蒸汽,使乳酸钙及锅内的水升温,直至乳酸钙完全落解,要注意使溶液的相对密度达到1.098。然后,在搅拌情况下加入0.2%(w)的活性炭,再逐渐加入浓度为40%~50%的硫酸液,至乳酸钙完全分解。此时,锅中溶液略呈酸性。放置4小时后,将溶液用真空过滤器进行抽滤。经过抽滤后,滤液为浓度20%~25%的稀乳酸,滤渣为硫酸钙。
⑥浓缩与精制:将稀乳液泵入蒸发器内,进行真空脱水,并加入0.2%的活性炭,进行脱色。当蒸发器内的真空度达到负压(85±5)千帕、蒸发器内的水温为85℃左右时,就可以产生蒸发,使乳酸浓度达到50%~53%(相对密度为1.098)。然后出料,再进行真空抽滤,滤液即为乳酸粗品。
用离子交换树脂对乳酸粗品进行精制,除去钙、铁、氯及硫酸根等杂质,使之成为中乳酸。再对中乳酸进行一次脱色和浓缩,使其浓缩至相对密度为1.133。最后,对浓缩的中乳酸进行真空抽滤,所得的滤液即为含量为80%的乳酸成品。
3)马铃薯渣生产柠檬酸。柠檬酸又称枸橼酸,其化学名称为2-羟基-1,2,3-丙烷三羧酸。化学分子式为:C6H8O7。多为晶体或粉末,其产品也可由液体组成。无毒,无臭,有酸味。广泛应用于食品、医药、化工、纺织、建材和化妆品等行业。
用生物发酵方法生产柠檬酸的工艺比较成熟。选择优秀的黑曲霉菌,可以在不加糖化酶的条件下,用马铃薯渣直接生产柠檬酸。在生产上,一般多采用液体深层发酵钙盐提取法的生产工艺。利用微生物产生的多酶,在一定条件下可以将糖类转变为柠檬酸。
柠檬酸生产过程的化学反应方程式如下:
①发酵:2C6H10O5+2H2O+3O2→2C6H8O7+4H2O
②提取:2C6H8O7+H2O+3CaCO3→Ca3(C6H8O9)24H2O↓+3CO2↑
③酸化:Ca(C6H8O7)2+3H2SO4→2C6H8O7+3CaSO4↓
生产工艺要点如下:
①空气净化要彻底。采用深层发酵工艺时,应该使用无菌空气。
②中和时,要准确掌握碳酸钙的用量和添加速度。添加不能过量。否则,过量的碳酸钙会造成母液中胶体等杂质絮凝下沉,影响柠檬酸质量。一旦发现碳酸钙过量,就应迅速补加母液。
③在浓缩结晶时,要保持湿晶体的温度在37℃以上。否则,湿晶体表面会生成一水柠檬酸(粉末),这不仅影响产品光泽,还会因产生结块而阻碍再生产的连续性。
(3)马铃薯渣的直接利用。马铃薯渣中的主要固形物为淀粉、纤维和粗蛋白等,这些物质都是燃烧值比较高的可燃物质。
在进行马铃薯的加工生产时,可直接把马铃薯干渣与生产燃煤混合燃烧,其掺和比例为1:3。也可以用马铃薯渣做辅助黏合剂,将各种煤粉制做成型煤。
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