專利名稱：應(yīng)用發(fā)酵法提取紫甘薯花青素色素的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天然色素與酒精領(lǐng)域，具體地說就是利用紫甘薯生產(chǎn)酒精的 發(fā)酵過程，在紫甘薯液化醪中添加黑曲酶、淀粉酶、糖化酶、酵母菌和采 用蒸汽噴射液化器，把淀粉液化、糖化，使醪液中果膠等雜質(zhì)的長鏈結(jié)構(gòu) 大部分水解，從而有效地避免淀粉、果膠、蛋白質(zhì)等不溶膠狀物和微粒對 分離、濃縮膜組件的污染，保證膜組件穩(wěn)定、高質(zhì)量地分離、濃縮紫甘薯 花青素色素。技術(shù)背景隨著人們對食品安全的關(guān)注，國家加大了對食品、化妝品中違規(guī)使用 人工合成色素(如蘇丹紅)的打擊力度，使人們對天然色素?zé)o可替代的優(yōu) 越性有了全新的認(rèn)識。紫甘薯花青素色素是上世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)，并在發(fā)達(dá)國家 廣泛應(yīng)用于食品、化妝品和保健品等領(lǐng)域的重要天然色素。紫甘薯花青素色素是多種花青素的混合色素，其主要成分是氰定?；咸衍?cyanidin acyl glucoside)和甲基花青素?；咸衍?peonidin acyl glucoside) (1)。紫甘薯花青素色素溶液的紫外光譜掃描顯示，該色素在紫外光區(qū) 283-285 和328-330 處分別有較強的吸收峰，為花色苷?；卣鞣?；在可 見光區(qū)的525-53(L處可見1個吸收峰，為典型的花青素光譜特性(2)。紫甘 薯花青素色素除具有較其他天然色素更好的光熱穩(wěn)定性外(3)，還具有較強 的抗脂質(zhì)體過氧化能力和清除人體內(nèi)羥自由基的能力")。相關(guān)信息和提取 技術(shù)傳入國內(nèi)后，不少企業(yè)竟相生產(chǎn)，但常規(guī)的化學(xué)萃取和減壓濃縮工藝 成本高、效率低，有明顯的異味，較大地限制了生產(chǎn)總量和產(chǎn)品品質(zhì)，使 紫甘薯花青素色素市場一直處于價高質(zhì)次的狀態(tài)。盡管如此，其產(chǎn)品還是主要銷往日、美、韓國等。為了提髙提取效率，獲得較高品質(zhì)的紫甘薯花 青素色素， 一些企業(yè)開始采用國際上較先迸的膜分離技術(shù)來提高紫甘薯花 青素色素質(zhì)量和產(chǎn)量。如昆明某天然色素公司在國內(nèi)膜技術(shù)企業(yè)的幫助下，投資150萬元人民幣裝備了一套年產(chǎn)50噸紫甘薯花青素色素的膜分離裝 置。開始的效果令人十分振奮，其純度可達(dá)到360 (Ekm10%)，提取效率幾乎 是其他方法的一倍多。但隨著淀粉、果膠、蛋白質(zhì)等不溶膠狀物對膜組件的污 染，膜分離效率不斷降低，直到整個裝置無法工作。因為果膠的分子質(zhì)量與紫甘薯花青素色素十分接近，用同樣的膜分離方 法不可能把果膠有效清除掉。紫甘薯的果膠含量約占總重的2—3%。果膠是紫 甘薯細(xì)胞壁的重要組分，大多是同聚半乳糖醛酸、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖I和 II。這些甲基戊糖長鏈結(jié)構(gòu)組分在萃取色素時，溶解在色素浸提液里，當(dāng)這些 溶液進(jìn)入膜分離裝置時，果膠、蛋白質(zhì)等雜質(zhì)就以不溶膠狀物的形式附著在分 離膜的表面，造成了難以消除的膜污染。目前，國際上用于食品工業(yè)的UF (超 濾)、NF (納濾)、RO (反滲透)等膜裝置，主要是高分子的聚合物膜。由于高 壓、高溫、強酸和強堿都會使膜結(jié)構(gòu)損壞，所以常規(guī)的清洗方法無法清除膜污 染。本發(fā)明采用發(fā)酵法對紫甘薯過濾液進(jìn)行有效預(yù)處理，清除了紫甘薯醪液中 的不溶顆粒和不溶膠狀物，使紫甘薯過濾液達(dá)到膜分離、濃縮裝置的工作要 求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是應(yīng)用全糖液發(fā)酵法和酶解法在紫甘薯發(fā)酵的過程中，清除紫甘薯 所含的淀粉、果膠、蛋白質(zhì)、鞣酸等能堵塞和污染分離、濃縮膜裝置的微粒 和不溶膠狀物，以保證膜分離、濃縮裝置能夠高效、高品質(zhì)的分離、濃縮紫甘 薯花青素色素；同時，通過綜合利用廢水回用，具有較好的節(jié)能減排效果。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明為了避免紫甘薯花青素色素在常規(guī)液化工序中 的長時間高溫蒸煮而熱分解，特采用蒸氣噴射液化技術(shù)，使紫甘薯液化醪在 可控的溫度下瞬間加熱，利用蒸氣噴射的巨大剪切力使紫甘薯液迅速液化。本發(fā)明所述的酶解法，是利用黑曲酶含有的多種果膠酶對果膠的長鏈 結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割、水解。并在果膠酶的作用下，使一部分未完全水解的帶負(fù)電 荷的果膠質(zhì)與帶正電荷的蛋白質(zhì)、鞣酸等微粒結(jié)合，絮積沉淀。這些絮積物在 臥式沉降離心機(jī)固液分離時，與其它沒有糖化的固體物質(zhì)一起分離出去。經(jīng)干 燥后作為動物飼料。本發(fā)明所述的黑曲酶(Aspergillusniger )，主要含有阿聚糖酶 (Arabanases)、果膠裂解酶(pectin lysase，pl,E.C.4.2.2.10)、果膠甲基脂化 酶(pectin methylesteraes,PMF,E.C.3.1.1.11)等七種內(nèi)切PG、兩種外切PG 和七種PL同功酶，加量為1%。為方便使用，也可以采用已經(jīng)商品化的阿 聚糖酶(Arabanases)、果膠裂解酶(pectin lysase，pl,E.C.4.2.2.10)、果膠甲 基脂化酶(pectin methylesteraes,PMF,E.C.3.1丄11)，加量以購買的酶活性使 用量為準(zhǔn)。使用溫度50 55t!， PH 4.0-5.0，保持時間1 2小時。(單位為 質(zhì)量百分?jǐn)?shù))本發(fā)明所述的發(fā)酵法是全糖液發(fā)酵，是在紫甘薯液化醪中加入糖化酶 (E.C12丄3)使短糊精轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵糖，通過臥式沉降式離心機(jī)對糖化醪進(jìn) 行固液分離，將沒有糖化的固體物質(zhì)和不溶膠狀物全部分離出去，用剰下 的全液體的糖化醪進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵時采用商品化的TH-AADY干酵母，發(fā) 酵結(jié)束時，用孔徑1.2um的不銹鋼或陶瓷MF (微濾)膜分離裝置過濾發(fā) 酵醪，回收酵母菌再利用，并對發(fā)酵醪進(jìn)行UF膜分離前的預(yù)處理，濾過 液進(jìn)入UF (超濾)膜分離裝置，分離紫甘薯花青素色素。酶(E.C.3.2丄3)是商品化的糖化酶，加量30 50U/g， PH4.0 5.0。本發(fā)明所述的紫甘薯為色素含量高和單產(chǎn)高的美國"黑薯"、日本的"紫 薯王"及國內(nèi)有關(guān)農(nóng)科部門引種改良的色素含量高和單產(chǎn)高的紫甘薯品種的鮮薯或熱風(fēng)干燥加工的紫甘薯薯干(鮮薯和薯干的計算比重為3: 1)。本發(fā)明所述的蒸氣噴射液化技術(shù)，為酒精行業(yè)近年推廣使用的一項瞬間加熱高效節(jié)能新技術(shù)。使用時先用蒸汽將噴射系統(tǒng)預(yù)熱至90 95°C，再 用泵將鮮薯粉漿送入噴射器。蒸汽壓力為0.4 0.6Mpa;運行溫度控制在 100 115。C以內(nèi)(以昆明地區(qū)海拔1900m的水沸點為準(zhǔn))。本發(fā)明所述的分離裝置是UF (超濾)陶瓷膜裝置，膜材料為三氧化二鋁， 膜孔徑為0.3um，膜管內(nèi)徑3iM，外徑7咖，膜的水通量120L/ (ltf.h)，操 作壓力0 . 1 M Pa， MWCO (截留分子量)為25 0 0 0 。采用雙通道過濾， 每路通道工作3 Omin后，用NaO H溶液循環(huán)反向沖洗2 0 min，清水沖 洗l Ginin，交換清洗可用自控裝置控制。本發(fā)明所述的濃縮裝置是采用RO (反滲透)膜與NF (納濾)膜連用 的濃縮裝置。RO (反滲透)膜采用聚酰胺巻式膜，常溫操作壓力為0 . 1 5 0. 2 0MPa，膜的水通量l 2 0L/ (itf.h)。 RO膜NMWCO (截留量) M=200 kg/kmol; NF (納濾)膜采用NF40， NMWCO M=150 kg/kmo1。本發(fā)明的優(yōu)點在于1 、采用全糖液發(fā)酵法得到的紫甘薯花青素色素溶液 含淀粉量非常少，其固形物為21.8%，是一種清澄的色素液；而采用常法(酸性萃取)制得的紫甘薯花青素色素溶液其固形物達(dá)52.7%。采用全糖液 發(fā)酵簡化了發(fā)酵醪的輸送系統(tǒng)，減少了雜菌污染發(fā)酵醪的機(jī)會，為分離紫 甘薯花青素色素創(chuàng)造了基本條件，同時也減少了發(fā)酵醪蒸餾酒精時的能源負(fù)擔(dān)。2、本發(fā)明使用黑曲酶后，紫甘薯液化醪所含果膠充分水解液化， 果膠中的甲基化的a-1,4同聚半乳糖醛酸在黑曲酶的作用下，形成C4-C5 不飽和寡糖醛苷，直接參與料液糖化，不僅避免了果膠對分離膜的污染， 而且，也消除了產(chǎn)生甲醇的基本條件，使酒精產(chǎn)量增加了 1—2%。 3、本 發(fā)明使用黑曲酶的重要作用還在于，在多種果膠酶的作用下， 一部分未完 全水解的帶負(fù)電荷的果膠質(zhì)與帶正電荷的蛋白質(zhì)、鞣酸等微粒結(jié)合，絮積 沉淀，在固液分離時與其它沒有糖化的固體物質(zhì)一起分離出去，較徹底地 清除了膜組件的污染源。4、本發(fā)明采用的蒸氣噴射液化技術(shù)，為酒精行業(yè) 近年推廣使用的一項瞬間加熱高效節(jié)能新技術(shù)，不僅保證紫甘薯花青素色素不會被熱分解，還使加熱能耗降低50%以上。5、本發(fā)明通過綜合利用， 將淀粉轉(zhuǎn)化為酒精，發(fā)酵過程中分離的固體物經(jīng)干燥后作動物詞料，蒸餾、 濃縮工序的廢水經(jīng)R0膜處理后回用到液化工序，MF工序回收的酵母菌可 回用到發(fā)酵工序，總之，為按常規(guī)方法生產(chǎn)酒精、色素的行業(yè)摸索一條節(jié) 能減排、綜合利用的新路。


圖l是本發(fā)明的工藝流程圖。圖2是色素濃縮工序的RO (反滲透)膜與NF (納濾)膜連用的濃縮方式示意圖。
具體實施方式
紫甘薯鮮薯前處理在清洗機(jī)中加水清洗，去除泥土和雜質(zhì)。液化工序在紫甘薯鮮薯粉碎時加入黑曲酶0.5%，用50 55。C的溫水 浸泡，加水量為l: 0.25~0.3，氣體攪動30min，靜置1 2小時，再用泵將 鮮薯粉漿送入蒸氣噴射器。使用時先用蒸氣將噴射系統(tǒng)預(yù)熱至90 95°C，蒸氣壓力為0.4 0.6Mpa;運行溫度控制在100 115T:以內(nèi)(以昆明地區(qū)海拔1900m的水沸點為準(zhǔn))經(jīng)過液化噴射器的鮮薯粉漿瞬間被加熱熟化，并在液化噴射器巨大剪切力的作用下粉槳迅速液化。液化后的液化醪進(jìn)入1#調(diào)整罐，pH5.0~7.5，溫度90 95。C，加入耐高溫a-淀粉酶(E.C.3.2丄1)， 加量5 10ug/g，氣體攪動10min，保持時間30min。液化醪經(jīng)過平板換熱 器進(jìn)入2#調(diào)整罐，將溫度降至50 65。C， PH 4.0-5.0，加入黑曲酶0.5%， 空氣攪動20min，保持時間4~6小時。將2#調(diào)整罐的上清液泵入糖化醪罐， 底層的絮積物由排污管排出，視情況可加工成果膠。糖化工序糖化醪罐液位90%，溫度40 55X:， pH4.0 4.5，加糖化酶 (E.C.3.2丄3)，加量30 50U/g，糖化時間1.5小時。泵入臥式沉降式離心 機(jī)進(jìn)行固液分離，分離出來的固體含有較多蛋白質(zhì)和纖維素，經(jīng)沸騰干燥 器干燥粉碎后，作動物飼料。糖化醪進(jìn)入發(fā)酵罐，外觀糖22 25Bx，糖化 率45 55%。發(fā)酵工序經(jīng)平板換熱器將溫度降至30 3rC，調(diào)pH3.5 3.8，發(fā)酵醪 進(jìn)入勢能梯度連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)的1#發(fā)酵罐，液位90%。加入TH-AADY酵母 菌，酵母數(shù)0.8 1.2億/ml，揮發(fā)酸0.1 0.2，酒精含量5~6% (體積分?jǐn)?shù))； 2弁發(fā)酵罐32 33°C， pH3.9~4.2,揮發(fā)酸0.15 0.2; 3~ 4#發(fā)酵罐溫度控制 在37t:以內(nèi)，總酸不超過3.5 4.0。發(fā)酵成熟標(biāo)準(zhǔn)酒精含量11 12.5% ， 外觀糖0.5 1.0Bx以下，殘總糖2.0%以下。發(fā)酵醪液泵入MF (微濾)膜 預(yù)處理工序，糖液與酵母菌母液分離，濾余液(酵母菌母液)全部回用至 l弁發(fā)酵罐。濾過液進(jìn)入勢能剃度連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)，發(fā)酵系統(tǒng)罐間更換發(fā)酵醪 的速度為每小時5 8%。連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)的總發(fā)酵時間比間隙發(fā)酵少10小時， 平均總發(fā)酵時間為55小時。MF (微濾)膜預(yù)處理工序采用單元通道直徑6 mm陶瓷管式復(fù)合單元， 材質(zhì)為高純a-氧化鋁微濾膜，膜孔徑1.2tim ，過濾通量50L (m2.h)，操 作壓力為0.25Mpa，膜表面流速5m/s，選用每4小時清洗一次的程序，清 洗液用0.5mol/LNaOH溶液，反向沖洗30min后，用清水洗至中性?？捎?13(TC蒸氣滅菌。也可以采用德國SEITZ公司的SX-06M錯流膜組件過濾 機(jī)。MF (微濾)膜過濾發(fā)酵醪，滲余液主要是酵母菌。如有可能殘存的不 溶膠狀物。根據(jù)檢測，可加5g/mS的礬作絮凝劑，，使分散的膠體粒子凝結(jié) 成大的團(tuán)塊排污管排除，上清液的酵母菌全部回用到發(fā)酵工序。UF (超濾)膜色素分離工序采用PCI公司的AN620(APN)膜組件， NMWCO (分子截留量)25000的聚丙烯腈管式超濾親水性膜。沒有經(jīng)過 預(yù)處理的發(fā)酵醪可以直接進(jìn)入UF (超濾)管式膜色素分離裝置，操作溫度 60°C， pH4 5，最大壓力1Mpa。系統(tǒng)為實現(xiàn)高傳質(zhì)系數(shù)，過濾需在湍流下操 作，每根膜管的流速達(dá)25 35L/min，能耗1000W/m2，該系統(tǒng)能回收利用 果膠。如認(rèn)為該系統(tǒng)能耗高，也可以采用國產(chǎn)的PAN中空纖維膜，型號 0905， NMWCO 25000，膜面積/m2 3.0，膜直徑/鵬3.0，濾過速率120L/ (nf,h)，使用壓力0.1 0.15 Mpa。只能過濾經(jīng)MF (微濾)膜預(yù)處理工序 處理過的粘稠度較低的沒有不溶膠狀物的發(fā)酵醪，但可比管式超濾膜節(jié)電 90%。經(jīng)UF (超濾)膜色素分離工序后的發(fā)酵醪微粒數(shù)量應(yīng)減到<200微 粒01.5um的)/mL， SDI (淤積指數(shù))<3單位以內(nèi)。色素濃縮工序采用RO (反滲透)膜與NF (納濾)連用的濃縮方 式，這種連用方式的優(yōu)點是可以在不加大工作壓力的情況下，增加色素濃 縮極限。經(jīng)UF (超濾)膜色素分離工序得到的10 11 (ElemlG%)色價的滲余 液，通過RO、 NF濃縮系統(tǒng)后，可以得到80 100 (Elcm10%)色價的紫甘薯花青素色素浸膏。RO (反滲透)膜采用美國Ditto公司的聚酰胺巻式膜，濾過速率120L/ (in2.h)，操作壓力為5 7Mpa 。 NF (納濾)采用NF40，其操作壓力比RO 膜低0.5 Mpa。RO膜NMWCO(分子截留量)M二200 kg/kmol,NF的NMWCO M=150kg/kmol。在RO (反滲透)膜前應(yīng)裝有<10 u m的濾芯式保安過濾 器和ASTN法測定的在線監(jiān)測SDI系統(tǒng)，濃縮系統(tǒng)啟動后，每隔1. 5小時就 需測定一次，以保證RO與NF連用的濃縮系統(tǒng)的安全。單位為分?jǐn)?shù)百分 數(shù)，色價為(Elcm1()%)。蒸餾工序發(fā)酵醪a為分離、濃縮工序提取色素后的RO濾過液(基 本是水與酒精)，酒精含量為10 12%。發(fā)酵醪a經(jīng)與三級精餾塔底產(chǎn)物換 熱后進(jìn)入1#精餾塔。1#精餾塔底用一次蒸汽(140 150°C)作再沸器的熱 源，而塔頂產(chǎn)物則作2#精餾塔的再沸器熱源；而2#精餾塔的塔頂產(chǎn)物再作 3弁精餾塔的再沸器的熱源，3弁精餾塔的塔頂產(chǎn)物就是94 95%的酒精。脫水工序3#精餾塔的94 95%酒精經(jīng)再沸器加熱后，進(jìn)入PV (滲透 蒸發(fā))膜組件(PV膜采用北京藍(lán)景膜技術(shù)公司的MPD系列膜組件)，滲 余液為無水酒精(99.5%)，滲透液是含有極少量酒精的水，仍返回l弁精餾 塔。3#精餾塔的酒精經(jīng)再沸器加熱至60 10(TC后進(jìn)入PV (滲透蒸發(fā))膜 組件，膜后壓力為500~2000pa ，冷凝器溫度為一15 2(TC。各塔底物流經(jīng) 熱回收后進(jìn)入另一組PV膜組件，滲余液經(jīng)熱回收后進(jìn)入1#精餾塔，滲過 液則經(jīng)反滲透RO處理后得到可以循環(huán)使用的工藝水。(酒精單位為體積 百分?jǐn)?shù)，其它單位為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。)
權(quán)利要求
1. 應(yīng)用發(fā)酵法提取紫甘薯花青素色素的方法，其特征是在紫甘薯漿液中加入黑曲酶、液化酶、糖化酶、酵母菌和使用蒸汽噴射液化器，使紫甘薯醪液發(fā)酵，并利用MF(微濾)膜對發(fā)酵醪進(jìn)行分離、濃縮前的預(yù)處理，消除微粒和其他不溶膠狀物在分離色素時對分離、濃縮膜裝置的污染，從而保證膜裝置高效、高品質(zhì)的提取紫甘薯花青素色素。
2、 按權(quán)利要求1所述的方法，其特征是采用在紫甘薯醪液中添加黑曲酶 (Aspergillusniger)(主要含有阿聚糖酶(Arabanases)、果膠裂解酶(pectinlysase，pl,E.C.4.2.2.10 )、 果膠甲基脂化酶 (pectin methylesteraes，PMF,E.C.3.1丄11)等七種內(nèi)切PG、兩種外切PG和七種PL 同功酶或已經(jīng)商品化的阿聚糖酶(Arabanases)、果膠裂解酶(pectin lysase，pl，E.C.4.2.2.10 )、 果膠甲基脂化酶 (pectin methylesteraes,PMF,E.C.3丄l.ll)h使紫甘薯液化醪中的果膠水解，絮積沉 淀。
3、 按權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在紫甘薯醪液中加入淀粉酶、糖化 酶和酵母菌，使紫甘薯醪液液化、糖化、發(fā)酵，并在糖化工序結(jié)束時，用 機(jī)械離心方式，分離出不糖化的固體物和絮積沉淀的不溶膠狀物，以純液 體的全糖液糖化醪進(jìn)入發(fā)酵工序，使發(fā)酵醪成為純液體的發(fā)酵醪。避免紫 甘薯發(fā)酵醪中的微粒和不溶膠狀物對分離、濃縮膜裝置的污染。
4、 按權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在熟化紫甘薯漿液時采用蒸汽噴射 液化技術(shù)，避免紫甘薯花青素色素在常規(guī)液化工序時因高溫蒸煮而熱分解。
5、 按權(quán)利要求l所述的方法，其特征是采用MF (微濾)膜對紫甘薯發(fā)酵 醪進(jìn)行酵母菌回收和分離、濃縮紫甘薯花青素色素前的預(yù)處理。
6、 按權(quán)利要求1所述的方法，其特征是采用UF (超濾)膜裝置分離紫甘 薯花青素色素。
7、 按權(quán)利要求l所述的方法，其特征是采用RO (反滲透)膜裝置對"權(quán) 利要求6"所述的方法分離出來的紫甘薯花青素色素進(jìn)行濃縮。
全文摘要
本發(fā)明的目的是利用紫甘薯發(fā)酵過程中加入黑曲酶分解果膠；加入液化酶、糖化酶、酵母菌，使淀粉轉(zhuǎn)化為酒精。為UF(微濾)膜裝置分離紫甘薯花青素色素進(jìn)行預(yù)處理，以清除對膜裝置污染的微粒和不溶膠狀物。本發(fā)明采用蒸汽噴射液化技術(shù)，避免常規(guī)液化時因高溫蒸煮對紫甘薯花青素色素的熱分解。并通過綜合利用，節(jié)能減排，提高經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號C12R1/85GK101255453SQ20071006639
公開日2008年9月3日 申請日期2007年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月26日
發(fā)明者楊蘊力 申請人:楊蘊力