专利名称：处理马铃薯汁液水的方法
技术领域：
本发明是一种处理马铃薯汁液水(potato fruit water)(马铃薯废水)的方法。马铃薯汁液水是在马铃薯淀粉生产过程中必然出现的一部分。把切碎了的、干净的马铃薯片先引入一滗析器，由此得到的上层清液即为马铃薯汁液水;剩下的物料引入离心筛，在此得到两种分离物，即马铃薯淀粉和马铃薯浆渣。全球范围马铃薯淀粉的年产量至少约为106吨，相应体积的马铃薯汁液水至少约有4x106吨，其中干物质含量至少有105吨。
在现今所实行的严格的环境保护条例通过之前，马铃薯汁液水只是排入下水系统或喷洒在田地中。现有技术也试图解决这个问题，包括用环境可接受、经济上可行的方法来利用马铃薯汁液水，方法是用热凝剂使蛋白质沉淀，接着离心分离回收蛋白质成分的不溶部分，得到一种浓缩的蛋白质沉淀物。在一些马铃薯加工厂也尝试过用超滤法处理马铃薯汁液水。但由于占总量约50%的马铃薯蛋白是低分子量和不可凝结的，上述方法就使得不可沉淀蛋白和低分子蛋白成分留在了溶液中。这样，这些不期望的物料存于废水当中，该废水必须到废水处理站或通过其他方法来利用。环境保护条例在许多国家颁布之后，就必须在马铃薯汁液水排入下水系统之前尽可能有效地将其纯化。这是一个耗资很大的工程，除非可以生产出有价值的产品，否则马铃薯淀粉生产者从这一支出中得不到什么好处。曾经有人建议将马铃薯汁液水浓缩，用它做动物的饲料，但是，由于未经分离蛋白质的马铃薯汁液水因粘度猛增而不可能浓缩至相当于含有约25%干物质以上的浓度，又由于在以浓缩马铃薯汁液水作动物饲料的实际应用中，这一百分值被认为太低，所以，这一建议绝不会成为利用马铃薯汁液水的工业可行的办法。
所以，本发明的目的在于提供一种处理马铃薯汁液水的方法，使得可以工业化地利用马铃薯汁液水。
依照本发明处理马铃薯汁液水的方法，特征在于，对马铃薯汁液水进行热处理，条件是至少125℃至少3分钟，之后，将热处理过的马铃薯汁液水冷却至某一温度，酶可在该温度下相对稳定，然后用蛋白酶进行酶处理，最后，浓缩达到微生物稳定性。浓缩的最终产品可以是含有等于或大于70%W/W干物质的浓缩液，也可以是粒状产品，如粉末或颗粒。
本发明未给出热处理时间的上限;但是，众所周知的是，加热时间超过加热体系的某一临界值，该临界值与pH值有关，超过约10分钟时，就会使蛋白质和糖之间发生不期望的反应(美拉德反应)，从而降低被浓缩至微生物稳定性的最终产品的营养价值。
令人惊异地发现，依本发明处理的马铃薯汁液水可以在浓缩物的粘度尚未高到结块、固体化之前浓缩至干物质含量至少为50%的程度，这样处理的马铃薯汁液水就可以以工业可行的方式用作微生物稳定的饲料。而且，还意外地发现，热处理和酶处理两种方法必须都用，才能得到理想的结果。
用本发明方法比用公知的现有技术的方法处理马铃薯汁液水更能合理地工业化地利用所说的马铃薯汁液水。有关材料将在本说明书后文中叙述。
在本发明方法的优选实施方案中，马铃薯汁液水要经过预浓缩，直接上游段加热处理，或者直接下游段加热处理。直接上游段加热处理是指加热处理和滗析之间的加热，直接下游段加热处理是指加热处理和酶反应之间的加热。预浓缩可用蒸发或渗析的方法进行。在此方法中，酶水解的过程可得到较小的液体体积，从投资的观点看，这是有利的。此外，用此方法酶的使用量小，可以得到一种更加经济的方法。
在本发明方法的优选实施方案中，用喷射式蒸煮器进行加热，这是一种方便有效的加热方法。喷射蒸煮法是一种专门的加热方式。在此方式中，液流持续通过汇合管，蒸气直接对其有效地剪切和加热。可用于本发明方法的一种商业可获的典型的喷射蒸煮器是Hydroheater
。
在本发明方法优选的实施方案中，马铃薯汁液水被加热到至少130℃至少3分钟，优选至少5分钟。此方案以非常有效的方式减少了粘度问题。
在本发明方法优选的实施方案中，热处理后的马铃薯汁液水被冷却至60℃和45℃之间的一个温度。此方案保证了酶处理可以令人满意地进行。
在本发明方法优选的实施方案中，马铃薯汁液水的酶处理还包括用淀粉降解酶处理。由此，酶反应之后粘度甚至可以更低。
在本发明方法优选的实施方案中，马铃薯汁液水的酶处理还包括用细胞壁分解酶处理。由此，酶反应之后粘度甚至可以更低。
在本发明方法优选的实施方案中，使用的蛋白酶为中性或碱性蛋白酶，酶处理在等于或接近酶具有最佳活性时的恒定pH值下进行。中性或碱性酶的例子有Neutrase
、Alcalase
、Savinase
和Esperase
。由此，可有效地降解马铃薯蛋白质。
在本发明方法优选的实施方案中，使用的细胞壁分解酶是SPSase制品，蛋白酶是Alcalase
蛋白酶。现已发现，如上选择的细胞壁分解酶和蛋白酶对于酶的分解作用来说是有效的。
在本发明方法优选的实施方案中，酶处理连续地进行，并要不断调整pH值以使酶具有最佳的活性。此方案最好地利用了酶的活性。
在本发明方法优选的实施方案中，酶反应时间在1至6小时之间，优选2至3小时。如果反应时间超过6小时，腐败的危险就会加大，如果反应时间不到1小时，那么花费在必须量的酶上的资金就高得不合理了。
在本发明方法优选的实施方案中，在酶处理结束时不是将所有的酶都失活。此方案可使处理后的马铃薯汁液水在浓缩过程中继续进行酶分解，又由于浓缩过程中干物质的浓度增高，酶的稳定性和所期的分解反应也会增加。
在本发明方法优选的实施方案中，将浓缩后的物料喷雾干燥。这样制出的产品用作饲料，使用和运输都最为方便。
实施例1的一部分，叙述了不添加酶或不用喷射式蒸煮器的方法，这些方法不属于本发明的范围，仅用来作为对比。
实施例1和2仅仅说明不把酶最终浓缩到微生物稳定的效果;实施例3和4方法进行了最终浓缩使微生物稳定。实施例4仅是在中试厂进行的。实施例5方法用以详细说明各种碱性蛋白酶的效果。
实施例1将5000升马铃薯汁液水(1.30%干物质，0.76%Nx6.25)用一台Westfalia SC 35型固形物喷射式离心机离心分离除去残留的淀粉。用降膜蒸发器(Niro Atomizer type FF200)将离心液蒸发至将近400升(10%干物质)。
这样得到的浓缩物用Hydroheater
喷射蒸煮，温度为130℃，并有一定的贮留时间，可以调节处理时间为1分钟，2分钟和5分钟。蒸煮过的物料不断地通过一板式热交换器冷却到50℃。这种经过预蒸发和喷射蒸煮的马铃薯汁液水浓缩液(PJPFWC)的试样和未经喷射蒸煮的马铃薯汁液水浓缩液的试样留待以后在实验室用蛋白酶Alcalase
或细胞壁分解酶SP-311+Alcalase
做试验。参考H.Sejr Olsen“水法提取种子油脂”(Aqueous extraction of oil from seeds)，EUR 11583 EN报告，农业。“农业精炼厂-农场通向工业的桥梁”，L.Munch和F.Rexen编辑，欧洲共同体委员会发行(1990)(SP-311)，产品说明来自Novo酶加工分厂B3186-GB(Alcalase
)。SP-311是一种液体制品，其中SPS-ase的活性为50.00 SPSU/g。
实验室试验将800g PJPFWC移入1升搅拌式反应器，恒温至50℃，用6N HCl调节pH＝4.50使SP-311作用，用4N NaOH调节pH＝8.0使Alcalase
作用。在Alcalase
作用期间用pH缓冲剂保持pH值稳定于8.0。记录4N NaOH的用量。SP-311的处理进行24小时，Alcalse
的处理最多进行150分钟。根据用于蛋白质水解的4N NaOH用量的记录，可画出DH%(DH＝水解的程度)对时间的曲线即水解曲线。DH值用下式计算
DH= 1/(axhtot) × (BXNB)/(MP) ×100%其中B＝碱耗量(以毫升计)NB＝碱的当量浓度MP＝蛋白质量(Nx6.25)(以克计)α＝离解度htot＝每单位重量的蛋白质的肽键总数(此处每Kg蛋白质8g当量)只用Alcalase
处理(不用SP-311)下述材料反映出喷射蒸煮时间对马铃薯蛋白质水解的影响。
喷射蒸煮和蛋白酶处理马铃薯汁液水的效果酶Alcalase
2.4L，用量，%E/P＝2.00(E是酶制品的重量，P为底物的重量，在此以蛋白质(Nx6.25)计)pH缓冲剂，pH＝8.00，4N NaOH。温度T＝50℃喷射蒸煮温度130℃
喷射蒸煮时间(分钟) 0 1 2 5%Nx6.25 6.35 4.32 4.31 4.24反应时间(分钟) mlNaOH mlNaOH mlNaOH mlNaOH0 0.00 0.00 0.00 0.0015 0.30 0.30 0.40 0.6030 0.40 0.60 0.70 1.2045 0.45 0.70 0.85 1.7560 0.50 0.80 1.05 2.2075 0.53 0.80 1.10 2.60
喷射蒸煮时间(分钟) 0 1 2 5%Nx6.25 6.35 4.32 4.31 4.24反应时间(分钟) DH% DH% DH% DH%0 0.00 0.00 0.00 0.0015 0.26 0.38 0.51 0.7830 0.35 0.77 0.90 1.5745 0.39 0.90 1.09 2.2860 0.44 1.02 1.35 2.8775 0.46 1.02 1.41 3.39
图1曲线进一步说明这些数据，可以看出，处理5分钟呈现出对马铃薯汁液水中蛋白质部分的最大水解效力。
用Alcalase 和SP-311处理对中试厂蒸发过的马铃薯汁液水喷射蒸煮的效果。
酶1SP-311，用量，%E/D1.60(D为干物质重量)酶2Alcalase
2.4L，用量，%E/P2.00反应参数酶1pH＝4.5，T＝50℃，反应时间24小时酶2pH缓冲剂，pH＝8.00，4N NaOH，T＝50℃喷射蒸煮温度为130℃，持续5分钟。
酶 无 酶1+2 酶2Nx6.25 6.35 4.23 4.23反应时间(分钟) mlNaOH mlNaOH mlNaOH0 0.00 0.00 0.0015 0.30 0.70 0.4530 0.38 1.25 0.7045 0.45 1.65 0.9560 0.50 2.00 1.1575 0.53 2.28 1.3590 2.50 1.55105 2.70 1.80120 2.90 2.00135 3.00 2.15150 3.10
酶 无 酶1+2 酶2Nx6.25 6.35 4.23 4.23反应时间(分钟) DH% DH% DH%0 0.00 0.00 0.0015 0.26 0.92 0.5930 0.33 1.63 0.9245 0.39 2.16 1.2460 0.44 2.62 1.5075 0.46 2.98 1.7790 3.27 2.03105 3.53 2.35120 3.79 2.62135 3.92 2.81150 4.05图2曲线进一步说明了这些数据，从中看出喷射蒸煮和用SP-311、Alcalase
处理可使马铃薯汁液水中蛋白质部分的水解呈现出最大的效力。
实施例2将5000升马铃薯汁液水(1.30%干物质，0.76% Nx6.25)用Westfalia SC 35型固形物喷射式离心机离心分离除去残留的淀粉。用降膜蒸发器(Niro Atomizer type FF 150)将离心液蒸发至将近400升(达到10%干物质)。
用Hydroheater ，在一定的贮留时间将浓缩液喷射蒸煮，T＝130℃，时间为5分钟，而后料液通过一板式热交换器不断冷却至50℃。这一经过预蒸发和喷射蒸煮的马铃薯汁液水浓缩液(PJPEWC)的试样留待用于以后的实验室试验，从而选择有效的酶体系。
实验室试验将800g PJPFWC移入一个1升的搅拌式反应器，恒温至50℃，用6N HCl调节pH＝4.50以使SP-311或SP-348(一种Humicola insolens纤维素酶的试验室制品，参见Bio-Feed Plus B 402c-GB)作用，用4N NaOH调节pH＝8.0使Alcalase 作用。在用Alcalase 处理的过程中，用pH缓冲剂使pH值保持稳定于8.0。SP-311或SP-348处理时间为24小时，Alcalase 处理进行2小时。酶处理过后，反应混合物的一部分在3000G(G＝重力加速度)下离心分离30分钟。称量离心液的量。分析离心分离前的反应混合物和离心液，从而分析总的干物质(DM)含量和含氮(克氏-N)量。蛋白质按Nx6.25计算。
酶处理效果在下表中展示
由反应混合物得到的数据酶SP-311 Alcalase
2.4L 反应混合物DM% 蛋白质% 质量(g) 干物质% 蛋白质%0 0 110.4 10.02 4.511.6 0 111.6 9.48 4.351.6 0 109.2 9.35 4.220 2 111.0 10.02 4.511.6 2 117.2 9.35 4.22P/DM av. 0.45SP-348 Alcalase
2.4LDM% 蛋白质%1.6 0 143.5 9.76 4.421.6 2 144.1 9.76 4.42
有关上清液的数据酶 上清液 系数SP-311 Alcalase
2.4L 质量(g)干物质% 蛋白质% 渣% cih% cip%DM% 蛋白质%0 0 91.88 8.11 2.99 16.8 80.9 66.31.6 0 92.8 7.94 3.10 16.8 83.8 71.31.6 0 86.3 7.95 3.10 21.0 85.0 73.50 2 95.7 8.75 3.45 13.8 87.3 76.61.6 2 104.1 9.23 3.78 11.2 98.7 89.6SP-348 Alcalase
2.4LDM% 蛋白质%1.6 0 114.4 6.37 3.00 20.3 65.3 68.01.6 2 123.0 7.33 3.38 14.6 75.1 76.4系数下面提到的渣含量是从反应混合物测得的沉渣实际含量。
计算的系数为离心分离算出的系数，算法如下对于干物质cih＝ (HC)/(H) ×100%
第二天上午，中试厂水解产物在Niro FF-200降膜蒸发器中蒸发，浓缩过程中取样测定粘度。测定用的是Hake MV DIN测量系统。
中试厂数据酶1无，用量，E/D%0.00酶2Alcalase
2.4L，用量，E/D%0.50剂量，E/P%1.05喷射蒸煮温度130℃，贮留时间5分钟酶反应表1DH测量值
蒸发过程中粘度测定值表2 蒸发过程干物质和粘度数据浓缩液 粘度 粘度测量值升 °Brix °Brix(计算值) mPa*S 1档速度 4档速度1250 3.8 3.8 1.25 1.50 0.00780 6.1 1.25 1.50 0.00550 8.6 1.25 1.50 0.00360 13.2 1.67 2.00 0.00250 30.1 19.0 4.18 3.00 0.50200 32.6 23.8 5.85 4.00 0.75150 33.7 31.7 7.52 5.00 1.00100 45.1 47.5 27.56 17.00 4.0050 55.6 95.0 303.11 155.00 52.00试验室数据喷射蒸煮130℃，贮留5分钟试验Ⅰ酶1无，用量，E/D%0.00酶2Alcalase 2.4L，用量，E/D%0.50剂量，E/P%1.05酶1不反应酶2pH缓冲剂，pH＝8.50，4.0N NaOH，T＝50℃
酶反应数据表3DH测定值
试验Ⅱ酶1Viscozyme
120L(产品说明B 456a-GB自Novo Nordisk AlS)，用量，E/D%0.50酶2Alcalase
2.4L，用量，E/D%0.50剂量，E/P%1.05酶1pH＝4.81，T＝50℃，反应时间1小时酶2pH缓冲剂，pH＝8.50，4.0N NaOH，T＝50℃表4 DH测定值
对比表3和表4的数据看出，结合使用蛋白酶和细胞壁分解酶比<p>由反应混合物得到的数据酶SP-311 Alcalase
2.4L 反应混合物DM% 蛋白质% 质量(g) 干物质% 蛋白质%0 0 110.4 10.02 4.511.6 0 111.6 9.48 4.351.6 0 109.2 9.35 4.220 2 111.0 10.02 4.511.6 2 117.2 9.35 4.22P/DM av. 0.45SP-348 Alcalase
2.4LDM% 蛋白质%1.6 0 143.5 9.76 4.421.6 2 144.1 9.76 4.42
表5DH测定值
蒸发过程粘度测定值表6 蒸发过程干物质和粘度数据浓缩液 粘度 粘度测量值升 °Brix °Brix(计算值) mPa*S 1档速度 4档速度1200 8.0 8.0 9 11 01000 9.5 9.6 6 7 0950 10.0 10.1 8 10 0800 12.1 12.0 9 11 0600 16.5 16.0 8 10 0500 19.2 19.2 10 12 0400 20.8 24.0 10 12 0300 30.8 32.0 16 15 1
200 41.0 48.0 16 15 1150 64.0 23 20 2100 54.1 96.0 33 28 380 62.1 120.0 144 65 2760 61.1 160.0 144 64 27由于用Viscozyme
120L处理，发现浓缩的水解产物的粘度较低。由此就有可能在蒸发管道中出现结垢之前把水解产物浓缩至更高的干物质含量。
实施例5本实施例是在中试厂进行的，为的是说明几种碱性蛋白酶的效果。
下面叙述工艺设计及流程
操作过程向785升6.0°Brix的马铃薯汁液水中加入350ml消泡剂PP-2000。上述混合物在降膜蒸发器(Niro Atomizer type FF 200)中真空浓缩。物料进入加热盘管之前的温度为35-40℃，离开加热盘管时的温度为60-65℃。190分钟之后，收集到427升冷凝液和358升11.6°Brix的浓缩液。
用Hydroheater 喷射蒸煮浓缩液，温度T＝135℃，贮留5分钟。贮留阶段之后，物料通过板式热交换器冷却至50℃。这样，就得到324kg经过预浓缩和喷射蒸煮的料液。测定浓缩液的干物质含量(9.7%干物质)。把热处理后的浓缩液分成每份重108Kg的三份，用5N NaOH调节pH＝8.5。而后分别对这三份经过了热处理并调整了pH值的浓缩液进行酶处理，使用0.5%的碱性蛋白酶Esperase 8.0LA型，Savinase 8.0L或Alcalase 2.4L。定时从每一反应液中取样，用实验室离心机以4200rpm速度离心分离10ml反应混合物。测定上层清液的pH值、渗透压、°Brix和沉渣%。
反应240分钟之后，每种水解混合物在LUWA蒸发器中蒸发，物料温度为45-60℃，直到浓缩液的粘度上升到一定数值，即LUWA蒸发器转子的功率消耗3-4倍于蒸发开始时的功率消耗的数值。
下面的表格列出了三个试验的数据酶Esperase 8.0L A型
浓缩液21kg，53.2°Brix酶Savinase
8.0L
浓缩液13kg,56.9°Brix.
酶Alcalase
2.4L<
>浓缩液14kg.65.0°Brix.
尽管考虑到对用Alcalase
2.4L所作试验的渗透压测定不十分可靠，仍可以得到，这一试验显示出Alcalase
比另外两种碱性蛋白酶更能有效地分解马铃薯汁液水中的成分。
经济效益的材料下文叙述依照本发明方法的一典型实施方案，重点放在它的经济收益上。同时，作为对比，还将叙述现有技术中相应的典型例子，重点也放在其经济收益上。
下文流程图展示了依本发明方法进行的实施方案
依然本发明方法的这一实施方案在下文中将更加详细地说明。
1、马铃薯汁液水在蒸发温度45-60℃下蒸发浓缩至约10°Brix。蒸发是以间歇的方法循环通过蒸发器而进行的。蒸发过程中按时记录蒸发能力(冷凝液量/分钟)，保留液的温度和用°Brix表示的浓度。
2、将浓缩液喷射蒸煮，135℃，5分钟。取样测定喷射蒸煮前后的渗透压，°Brix，pH和沉渣量。用快速干燥箱测总干物质量。
3、反应混合物恒温于50℃。pH值调节到4.5-5.0。如果大于5.0，则用磷酸调整。
4、以用量0.50% Viscozyme
加入Viscozyme
，用量以干物质重为基础。而后离心分离样品从而测定°Brix，渗透压和沉渣体积。当参数值稳定时(约2小时之后)，用NaOH将pH调于8.0停止反应。
5、现在，不加pH缓冲剂，加入0.5%的Alcalase
2.4L进行水解，用量以干物质重为基础。这一反应后也对样品进行离心分离，测定°Brix，渗透压和沉渣体积。当参数值稳定时不需将酶失活，按下文叙述的继续操作。
6、物料被蒸发至将近50°Brix。蒸发过程中按时从浓缩罐中取样，测定渗透压，°Brix，pH和沉渣体积。
如果依本发明方法的上述实施方案，以处理马铃薯量为50吨马铃薯/小时计，相当于105000吨马铃薯/年，则可处理将近56m3/小时或者说117，000m3/年的含有3.5%干物质的马铃薯汁液水。
如果上述量的马铃薯汁液水排放于下水道(现有技术)，生物净化厂对其处理将耗资近16-18丹麦克朗/m3或者近2，106，000丹麦克朗/年。
关于上述依照本发明方法的实施方案经济方面的说明由下列项目的一览表展示。
项目 丹麦克朗化学试剂 消泡剂,25吨 75,000NaOH粉,170吨 850,000酶 Viscozyme
,12.5吨 1,500,000Alcalase
,12.5吨 1,250,000蒸发耗能 1,100,000工资 750,000一项6mio.丹麦克朗投资项目折旧的利息和补给 1,200,000全部资金 6,725,000销售蒸发浓缩液所预期的收入(价格为1.5丹麦克朗/kg,销售量8200吨) 12,300,000收益,对比现有方法计算 7,681,000可以看出，本发明方法与现有技术相比提高了经济效益。
权利要求
1.处理马铃薯汁液水的方法，其特征在于将马铃薯汁液水加热到至少125℃至少3分钟，然后，把热处理后的马铃薯汁液水冷却至酶相对稳定的温度，然后，用蛋白酶进行酶处理，最后浓缩至微生物稳定。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于马铃薯汁液水经预浓缩，直接上游段加热处理或直接下游段加热处理。
3.按照权利1-2所述的方法，其特征在于热处理是在喷射蒸煮器中进行的。
4.按照权利要求1-3所述的方法，其特征在于马铃薯汁液水被加热到至少130℃处理至少3分钟，优选至少5分钟。
5.按照权利要求1-4所述的方法，其特征在于将热处理后的马铃薯汁液水冷却至介于60℃和45℃之间的一个温度。
6.按照权利要求1-5所述的方法，其特征在于马铃薯汁液水的酶处理还包括用淀粉分解酶处理。
7.按照权利要求1-6所述的方法，其特征在于马铃薯汁液水的酶处理还包括用细胞壁分解酶处理。
8.按照权利要求1-7所述的方法，其特征在于所用的蛋白酶为一种中性或碱性蛋白酶，其中酶处理是在酶具有最佳活性的恒定的pH值或接近该值下进行的。
9.按照权利要求7-8所述的方法，其特征在于所用细胞壁分解酶是SPS-ase制品，所用蛋白酶为Alcalase
蛋白酶。
10.按照权利要求6-9所述的方法，其特征在于酶反应按续进行并要调节pH使得酶具有最佳的活性。
11.按照权利要求1-10所述的方法，其特征在于酶反应时间为1至6小时，优选2至3小时。
12.按照权利要求1-11所述的方法，其特征在于酶处理结束时不将酶全部失活。
13.按照权利要求1-12所述的方法，其特征在于将浓缩物料喷雾干燥。
全文摘要
在处理马铃薯汁液水的方法中，马铃薯汁液水被加热到至少125℃、至少3分钟，而后，热处理后的马铃薯汁液水被冷却至某一温度，该温度下酶相对稳定，然后，用蛋白酶进行酶处理。最后浓缩至微生物稳定的产品。由此，提供了一种处理马铃薯汁液水的方法，从而能够工业化地利用马铃薯汁液水。
文档编号A23K1/165GK1079111SQ9310269
公开日1993年12月8日 申请日期1993年2月6日 优先权日1992年2月6日
发明者H·S·奥尔森 申请人:诺沃挪第克公司