申请日2016.08.19
公开(公告)日2017.01.18
IPC分类号A23L2/04; C07K1/34; C07K1/14; C07K14/415
摘要
本发明公开了一种甘薯淀粉加工废水全资源化利用方法，利用甘薯淀粉加工产生的甘薯汁清液提取甘薯蛋白，首先通过pH调节和低温加热分离部分甘薯蛋白，蛋白含量大约50‑60%，作为饲料蛋白产品，剩余清液继续加热至95‑105℃，又有蛋白成分析出，这部分蛋白含量高(85%以上)、品相好，可作为优质甘薯蛋白用于食品加工;分离蛋白后的清液用于制备甘薯饮料，清液中含有的其他营养成分得以保留，最大限度的利用了甘薯淀粉高浓废水资源。
摘要附图
权利要求书
1.一种甘薯淀粉加工废水全资源化利用方法,包括如下步骤：
(1)甘薯蛋白提取
将甘薯淀粉加工废水调整pH至甘薯蛋白等电点附近，然后加热至35-45℃，保温沉淀5-10分钟，进行第一次固液分离，第一次固液分离得到的沉淀，经洗涤干燥获得低纯度甘薯蛋白;
第一次固液分离的分离清液继续加热至95-105℃，保温1-15分钟，进行第二次固液分离，第二次固液分离得到的沉淀，经洗涤干燥获得高纯度甘薯蛋白;
(2)甘薯饮料制备
将高纯度甘薯蛋白提取后的分离清液，经调配、杀菌、灌装制成甘薯饮料;或将高纯度甘薯蛋白提取后的分离清液进一步浓缩制成甘薯浓缩汁。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述甘薯淀粉加工废水由以下步骤制备获得：
(i)新鲜甘薯经初步清洗、然后进行人工挑选和除杂，然后进一步清洗至符合食品加工需求，去皮或不去皮均可;
(ii)洗净的甘薯加水经机械破碎;
(iii)对步骤(ii)机械破碎后的甘薯浆液进行筛分，得到甘薯淀粉浆液和甘薯渣，甘薯淀粉浆液进行固液分离，分离得到的沉淀制备甘薯淀粉，分离得到的清液即为甘薯淀粉加工废水。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(ii)中的机械破碎方式采包括但不限于锤式粉碎、磋磨粉碎、刨丝式粉碎方式或者几种粉碎方式结合的方式;
或者，步骤(ii)中粉碎过程的加水比例为新鲜甘薯重量的1.0-3.0倍;优选的，加水比例为新鲜甘薯重量的1.5-2.5倍;
或者，步骤(iii)中的筛分的包括但不限于过滤、离心筛或振动筛;
或者，步骤(iii)中的固液分离方式包括但不限于离心、真空转鼓过滤方式。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中调整pH方式为加酸调节，优选的，调整pH所使用的酸选自柠檬酸、乳酸、醋酸、苹果酸及其它食品级有机或无机酸的一种或几种配合使用;优选的，调整pH至4.5±0.2。
或者，步骤(1)中的加热方式包括但不限于直接加热、喷射加热、板式换 热方式中的一种;
或者，固液分离方式包括但不限于离心分离、板框过滤、真空抽滤中的一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，甘薯饮料的制备中的饮料调配辅料的添加为按需添加，调配辅料包括甜味剂、酸味剂、稳定剂、香精、维生素或矿物质中的一种或两种或多种;
优选的，所述甜味剂选择蔗糖、乳糖、果糖、甜蜜素中的一种或多种，更优选的，甜味剂采用由甘薯淀粉制备过程中的甘薯渣酶解制备的糖浆;
优选的，酸味剂选择柠檬酸、果酸、果醋中的一种或几种;
优选的，稳定剂选择羧甲基纤维素钠、黄原胶或海藻酸钠中的一种或几种;
优选的，所述香精选择薄荷、香兰素、咖啡或乙基麦芽酚中的一种或几种;
优选的，所述维生素选择维生素A、维生素C或叶酸，维生素B12、维生素E、牛磺酸中的一种或几种;
优选的，所述矿物质选择可溶性钙、铁、锌中的一种或几种。
6.一种甘薯全资源化利用方法，包括如下步骤：
1)挑拣、清洗
新鲜甘薯经初步清洗、然后进行人工挑选和除杂，然后进一步清洗至符合食品加工需求，去皮不去皮均可;
2)破碎
洗净的甘薯经机械破碎，加水比例比单纯甘薯淀粉加工适当减少，优选的，加水比例为新鲜甘薯重量的1.0-3.0倍，更优选的为1.5-2.5倍;
3)筛分
对步骤2)破碎后的甘薯浆液进行筛分，得到甘薯淀粉浆液和甘薯渣，分离得到的薯渣制备糖液、膳食纤维或直接干燥出售;
4)固液分离
将步骤3)得到的甘薯淀粉浆液进行固液分离，分离得到的淀粉经进一步洗涤、干燥制备商品甘薯淀粉;
5)甘薯蛋白提取
将步骤4)得到分离清液调整pH至4.5±0.2，然后加热至40±2℃，保温沉淀5-10分钟，固液分离，分离得到的沉淀，经洗涤干燥得低纯度甘薯蛋白;分离清液继续加热至95-105℃，保温1-15分钟，固液分离，分离得到的沉淀经 洗涤干燥得高纯度甘薯蛋白;
6)甘薯饮料制备
将步骤5)得到的分离清液经调配、杀菌、灌装制成甘薯饮料;或将步骤5)得到的分离清液进一步浓缩制成甘薯浓缩汁。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)中的破碎方式包括但不限于锤式粉碎、磋磨粉碎、刨丝式粉碎方式或者几种粉碎方式结合的方式。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3)中的筛分方式包括但不限于过滤、离心筛、振动筛。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4)中的固液分离方式包括但不限于离心、真空转鼓过滤方式。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤5)中pH方式为加酸调节，优选的，调整pH所使用的酸可以是柠檬酸、乳酸、醋酸、苹果酸及其它食品级有机或无机酸的一种或几种配合使用。
或者，步骤5)中的加热方式包括但不限于直接加热、喷射加热、板式换热;
或者，步骤5)中的固液分离方式包括但不限于离心分离、板框过滤、真空抽滤。
说明书
一种甘薯淀粉加工废水全资源化利用方法
技术领域
本发明涉及一种甘薯淀粉加工废水全资源化利用方法，属于农产品加工领域。
背景技术
甘薯原产于南美洲，16世纪由菲律宾和越南等地传入我国。甘薯为一年生草质蔓性藤本植物，主要利用块根栽培。甘薯又名地瓜、红薯等，富含淀粉、糖类，可提供大量热能，所以非洲和亚洲的部分国家以甘薯为主食。另外，甘薯还富含纤维素、维生素、多种矿物质以及各种氨基酸，营养价值十分丰富。现代医学研究发现，甘薯中还含有多种功能因子，具有预防心血管疾病、防治便秘和肠道疾病、消除氧自由基、增强人体免疫力等功能，具有较高的保健价值。甘薯还是独特的碱性食物，具有促进和保持人体血液酸碱平衡的功能。甘薯中所含热量、蛋白质、脂肪、磷、铁与大米和面粉相比类似，但甘薯粗纤维、钙、及维生素A的含量则远远高于大米和面粉。甘薯是世界卫生组织(WHO)评选出来的“十大最佳蔬菜”的冠军，被营养学家称为“营养最均衡的保健食品之一”。
甘薯中蛋白质的含量约占干物的1.2-5%。甘薯蛋白含18种氨基酸，其中人体的8种必需氨基酸的含量均高于许多其它植物蛋白，氨基酸组成模式符合WHO/FAO的推荐标准，具有较高的营养价值。甘薯蛋白的生物价(Biological value，BV)为72，显著高于马铃薯(67)、大豆(64)和花生(59)(木泰华等，甘薯可溶性蛋白的分离提取及特性研究，食品研究与开发，26(5)：16-20，2005)，营养价值可与牛奶、肉类相媲美。因此，将甘薯蛋白作为一种新资源食品进行开发和利用具有十分重要的意义。
我国甘薯年产量在1亿吨以上，产量仅次于水稻、小麦和玉米。随着人们生活水平提高，在我国甘薯作为主食已退出历史舞台，利用生鲜甘薯生产甘薯淀粉及其衍生产品是甘薯最主要的深加工方式之一。在甘薯淀粉加工过程中，生鲜甘薯经粉碎、筛分分离薯渣，剩余浆液经离心提取淀粉，同时产生大量的甘薯汁清液。甘薯渣干燥后作为饲料出售，而分离淀粉产生的甘薯汁清液只能作为废水排放。生鲜甘薯含水大约65-70%，甘薯粉碎阶段再要加入2-3倍的清水，加工1吨生鲜甘薯，大约产生3-4吨的甘薯汁清液，经初步分析这部分甘薯汁清液中干物含量约为2%，甘薯中的蛋白、维生素、微量元素矿物质等可溶性营养物基本都集中于其中，作为废水排放，是资源的极大浪费。同时，因为甘薯淀粉生产采用生鲜甘薯生产，加工周期短(2-3月)，所以每天产生的废水数量巨大，且有机物含量高，污水处理量大，负荷重，给生产企业造成极大的环境压力。
生鲜甘薯中蛋白含量较低，甘薯淀粉加工过程中，甘薯蛋白主要存在于淀粉分离工序产生的分离废水中。现有技术也公开了一些利用甘薯或甘薯废液提取甘薯蛋白的方法。如专利CN1720814A公开了一种利用生鲜甘薯提取甘薯蛋白的方法：首先将甘薯切块、护色、打浆、分离得清液，清液调节pH3.5-6.0获得沉淀，分离沉淀用氯化钠溶液稀释10倍，氢氧化钠溶液调节pH至中性，然后经膜透析、浓缩、干燥获得甘薯蛋白产品。CN104814244A公开一种高纯度甘薯蛋白的提取方法：将甘薯粉碎，加水浸泡，清液脱色后加入乙醇沉淀获得高纯度甘薯蛋白。CN102558327A将分离甘薯淀粉的废水通过加热的方法使蛋白变性沉淀，从甘薯淀粉加工废水中分离蛋白。CN102863509A公开了一种从甘薯淀粉加工废水中采用加热的沉淀分离蛋白的方法。
虽然甘薯蛋白的营养价值比较高，但因为甘薯中蛋白含量偏低，直接利用甘薯提取甘薯蛋白成本高，不适合推广应用。现有采用醇沉或加热的方法从甘薯淀粉加工废水中提取蛋白的工艺(如CN102558327A，CN102863509A)，虽然也可以回收甘薯淀粉加工废水中的蛋白，但分离甘薯蛋白后仍会有大量废水，缺乏有效处理和利用。此外，现有技术甘薯淀粉加工废水中，不仅含有甘薯蛋白，还含有其他甘薯成分，直接加热沉淀或醇沉提取的蛋白纯度往往不高，其对于食品工业和医疗保健行业的高纯度甘薯蛋白需求存在限制作用。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明结合甘薯淀粉生产实际提供一种利用生鲜甘薯生产淀粉同时利用过程废水生产甘薯蛋白和甘薯饮料的加工工艺。
本发明的目的之一是提供一种甘薯淀粉加工废水全资源化利用方法。本发明以甘薯淀粉加工废水为原料，将提取淀粉后的分离清液采用分段加热沉淀的方式分离获得低纯度甘薯蛋白和高纯度甘薯蛋白，并充分利用甘薯蛋白提取后的清液，来制备甘薯饮料。
本发明的目的之二是提供一种甘薯全资源化利用方法。以生鲜甘薯为原料，首先制备淀粉，然后将分离的薯渣制备糖液和膳食纤维、或直接干燥出售，将淀粉分离工序分离的甘薯汁清液(通常作为废水排放)提取低纯度甘薯蛋白和高纯度甘薯蛋白，并充分利用提取甘薯蛋白后的清液制备甘薯饮料。
为实现上述发明目的，具体的，本发明提出如下技术方案：
一种甘薯淀粉加工废水全资源化利用方法,包括如下步骤：
(1)甘薯蛋白提取
将甘薯淀粉加工分离得到的新鲜甘薯汁清液调整pH至甘薯蛋白等电点附近，然后加热至35-45℃，保温沉淀5-10分钟，进行第一次固液分离，第一次固液分离得到的沉淀，经洗涤干燥获得低纯度甘薯蛋白;
第一次固液分离的分离清液继续加热至95-105℃，保温1-15分钟，进行第二次固液分离，第二次固液分离得到的沉淀，经洗涤干燥获得高纯度甘薯蛋白;
(2)甘薯饮料制备
将提取高纯度甘薯蛋白后的分离清液，经调配、杀菌、灌装制成甘薯饮料;或将高纯度甘薯蛋白提取后的分离清液进一步浓缩制成甘薯浓缩汁。
本发明利用甘薯淀粉加工废水(淀粉分离工序产生的甘薯汁清液)通过分段加热的方式提取甘薯蛋白，首先通过pH调节和低温加热分离部分甘薯蛋白，此过程中部分甘薯蛋白絮凝沉淀，控制加热温度和保温时间使得甘薯蛋白有效沉降的同时也去除了甘薯淀粉加工废水中的其他大部分杂质，获得的蛋白含量大约50-60%的低纯度甘薯蛋白，该部分蛋白可以作为饲料蛋白产品;剩余清液继续加热至100℃左右，又有甘薯蛋白成分析出，此时析出纯度含量达85%以上高纯度甘薯蛋白，品相好，可作为优质甘薯蛋白用于食品加工;通过该方式有效地实现了甘薯蛋白的分级利用。
此外，发明人发现，提取高纯度甘薯蛋白后的分离清液，仅通过固液分离和加热方式处理，操作过程未引入化学污染，而且，分离清液中含有的其他营养成分(氨基酸、维生素及矿物质等营养元素)得以保留，通过简单复配、杀菌，可制成甘薯饮料，充分利用了甘薯淀粉加工废水资源，实现了甘薯淀粉加工废水全资源化利用。
本领域技术人员应当明了，甘薯淀粉加工废水，通常是指利用利用生鲜甘薯生产淀粉过程中，甘薯经粉碎、分离薯渣和淀粉后产生的甘薯汁清液。本发明所述甘薯淀粉加工废水可选用现有甘薯淀粉加工企业离心分离淀粉工序所产生的清液。
本发明优选的技术方案中，本发明所述甘薯淀粉加工废水由以下步骤制备获得：
1)新鲜甘薯经初步清洗、然后进行人工挑选和除杂，然后进一步清洗至符合食品加工需求，去皮或不去皮均可;
2)洗净的甘薯加水经机械破碎;
3)对步骤2)机械破碎后的甘薯浆液进行筛分，得到甘薯淀粉浆液和甘薯渣。将甘薯淀粉浆液通过离心或过滤的方式进行固液分离，分离得到的沉淀进一步加工制备甘薯淀粉，分离得到的甘薯汁清液即为甘薯淀粉加工废水。
优选的实施方案中，甘薯淀粉加工废水制备步骤2)中的机械破碎方式采用甘薯淀粉加工常用的粉碎方式，包括但不限于锤式粉碎、磋磨粉碎、刨丝式粉碎等方式或者几种粉碎方式结合的方式。
优选的实施方案中，甘薯淀粉加工废水制备步骤2)中，为相应减少废水量及后续甘薯蛋白提取时的处理量，机械破碎过程加水比例可以比单纯甘薯淀粉加工时的加水量适当减少。更优选的技术方案中，甘薯淀粉加工废水制备步骤2)中粉碎过程的加水比例为新鲜甘薯重量的1.0-3.0倍，更优选的，加水比例为新鲜甘薯重量的1.5-2.5倍。
优选的实施方案中，甘薯淀粉加工废水制备步骤3)中的筛分，其筛分方式包括但不限于滤布过滤、离心筛、振动筛等。
优选的实施方案中，甘薯淀粉加工废水制备步骤3)中的固液分离方式包括但不限于离心、真空转鼓过滤等方式。
本发明优选的技术方案中，甘薯淀粉加工废水全资源化利用方法步骤(1)中调整pH方式为加酸调节，调整pH所使用的酸可以是柠檬酸、乳酸、醋酸、苹果酸及其它食品级有机或无机酸的一种或几种配合使用;优选的，调整pH至4.5±0.2。
甘薯淀粉加工废水全资源化利用方法步骤(1)中的加热方式包括但不限于直接加热、喷射加热、板式换热等;固液分离方式包括但不限于离心分离、板框过滤、真空抽滤等。
本发明优选的技术方案中，甘薯淀粉加工废水全资源化利用方法步骤(2)中，甘薯饮料的制备中的饮料调配辅料的添加为按需添加，可以按照本领域内甘薯饮料的常规已知方式调配，如调配辅料包括甜味剂、酸味剂、稳定剂、香精、维生素或矿物质中的一种或两种或多种。所述甜味剂可以选择蔗糖、乳糖、果糖、甜蜜素等，优选的，甜味剂可采用由甘薯淀粉制备过程中的甘薯渣制备的糖浆。酸味剂可以选择柠檬酸、果酸、果醋等。稳定剂可以选择羧甲基纤维素钠、黄原胶或海藻酸钠等。所述香精可以选择薄荷、香兰素、咖啡或乙基麦芽酚等。所述维生素可以选择维生素A、维生素C或叶酸，维生素B12、维生素E、牛磺酸等。所述矿物质可以选择可溶性钙、铁、锌等。所述甜味剂、酸味剂、稳定剂、香精、维生素或矿物质的添加均满足食品添加要求。
甘薯淀粉加工废水全资源化利用方法步骤(2)中，甘薯饮料的制备中杀菌、灌装可采用饮料加工常规工艺。
上述优选的实施方案是发明人针对甘薯淀粉加工过程生成的加工废液，通工艺优化和模拟放大实验提出的全资源化利用方案。根据食品安全要求，整个工艺过程包括原料清洗、筛选、加工用水、加工设备及整个加工过程均需符合相应的食品安全标准。
本发明还公开了一种甘薯全资源化利用方法，包括如下步骤：
1)挑拣、清洗
新鲜甘薯经初步清洗、然后进行人工挑选和除杂，然后进一步清洗至符合食品加工需求，去皮不去皮均可;
2)破碎
洗净的甘薯经机械破碎，加水比例比单纯甘薯淀粉加工适当减少，优选的，加水比例为新鲜甘薯重量的1.0-3.0倍，更优选的为1.5-2.5倍;
3)筛分
对步骤2)破碎后的甘薯浆液进行筛分，得到甘薯淀粉浆液和甘薯渣，分离得到的薯渣制备糖液、膳食纤维或直接干燥出售;
4)固液分离
将步骤3)得到的甘薯淀粉浆液进行固液分离，分离得到的淀粉经进一步洗涤、干燥制备商品甘薯淀粉;
5)甘薯蛋白提取
将步骤4)得到分离清液加酸调整pH至4.5±0.2，然后加热至40±2℃，保温沉淀5-10分钟，固液分离，分离得到的沉淀，经洗涤干燥得低纯度甘薯蛋白;分离清液继续加热至95-105℃，保温1-15分钟，固液分离，分离得到的沉淀经洗涤干燥得高纯度甘薯蛋白;
6)甘薯饮料制备
将步骤5)得到的分离清液经调配、杀菌、灌装制成甘薯饮料;或将步骤5)得到的分离清液进一步浓缩制成甘薯浓缩汁。
优选的实施方案中，步骤2)中的破碎方式采用甘薯淀粉加工常用的粉碎方式，包括但不限于锤式粉碎、磋磨粉碎、刨丝式粉碎等方式或者几种粉碎方式结合的方式。
优选的实施方案中，步骤3)中的筛分方式包括但不限于滤布过滤、离心筛、振动筛等。
优选的实施方案中，步骤4)中的固液分离方式包括但不限于离心、真空转鼓过滤等方式。
优选的实施方案中，步骤5)中pH调节方式为加酸调节。调整pH所使用的酸可以是柠檬酸、乳酸、醋酸、苹果酸及其它食品级有机或无机酸的一种或几种配合使用。
步骤5)中的加热方式包括但不限于直接加热、喷射加热、板式换热等。
步骤5)中的固液分离方式包括但不限于离心分离、板框过滤、真空抽滤等。
优选的实施方案中，步骤6)甘薯饮料的制备方法中的饮料调配辅料的添加为按需添加，调配辅料包括甜味剂、酸味剂、稳定剂、香精、维生素或矿物质中的一种或两种或多种，甜味剂可采用由甘薯渣酶解制备的糖浆。
步骤6)甘薯饮料的制备方法中杀菌、灌装可采用饮料加工常规工艺。
本发明取得了以下有益效果：
(1)甘薯淀粉加工废液是新鲜甘薯加水后粉碎、分离薯渣和淀粉后产生的甘薯汁，新鲜甘薯中所含蛋白、维生素、微量元素、矿物质等可溶性营养物基本都集中于其中，营养丰富，目前甘薯淀粉加工企业将这部分水主要是作为污水排放，也有部分企业通过沉淀池自然发酵沉淀，回收部分固形物，既浪费了宝贵资源，又增加了污水处理负荷。本发明有效的利用了甘薯废水制备甘薯蛋白和甘薯饮料，减少环保负荷。
(2)本发明所述的甘薯淀粉加工分离清液提取甘薯蛋白，首先通过pH调节和低温加热分离部分蛋白含量大约50-60%的甘薯蛋白，可以作为饲料蛋白产品，剩余清液继续加热至95-105℃，又有蛋白成分析出，这部分蛋白含量高(85%以上)、品相好，可作为优质甘薯蛋白用于食品加工;通过蛋白的分级提取利用，有效的提高了甘薯蛋白的利用价值。
(3)本发明利用分离蛋白后的清液用于制备甘薯饮料，清液中含有的其他营养成分得以保留，最大限度的利用了甘薯淀粉高浓废水资源;如果仅从甘薯淀粉加工废液中提取蛋白，因为废水中蛋白含量低，无论采用加热沉淀或膜过滤分离，分离成本都有可能超出分离蛋白的经济价值，从而失去了工艺实际应用价值。本发明不仅通过分段加热工艺制取了高质量优质甘薯蛋白，同时将除蛋白后的料液继续加工成甘薯饮料，进一步提高了经济效益，整体工艺经济可行，具有实际应用价值。
(4)本发明可以根据甘薯淀粉加工的特点，对现有加工工艺进行部分调整：强化原料的洗涤和挑选，提高浆液的质量;适当降低粉碎阶段的加水量，提高淀粉浆分离清液的固含量，有利于后续蛋白的提取和饮料加工;淀粉分离采用离心或过滤，保证分离清液新鲜不变质。采用本发明工艺，将甘薯淀粉加工废水变废为宝，大幅消减了甘薯淀粉加工过程中高浓有机废水的排放量，同时，生产的甘薯蛋白和甘薯饮料又给企业带来可观的经济收益，在甘薯淀粉加工企业具有非常好的推广应用价值。
(5)本发明还充分考虑了甘薯淀粉加工企业的整体产业链利用情况，提供了甘薯的全资源化利用方式，可以制备获得甘薯淀粉、甘薯膳食纤维、糖浆、低纯度甘薯蛋白、高纯度甘薯蛋白、甘薯饮料。