一种对马铃薯渣脱水干燥的方法与流程

本发明涉及一种对马铃薯渣脱水干燥的方法，属于发酵工程
技术领域：
以及生物质资源利用
技术领域：
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背景技术：
：马铃薯(学名：solanumtuberosuml.)，属茄科一年生草本植物，块茎可供食用，是全球第四大重要的粮食作物，仅次于小麦、稻谷和玉米。尤其在中国，马铃薯的种植面积十分广，总产量居世界首位。不过，据统计，在马铃薯加工产业中，每年有近百万吨的马铃薯废渣由于马铃薯淀粉的加工被制造出来，平均每生产1吨马铃薯淀粉会产生约6～7吨的马铃薯渣。这些马铃薯渣由于水分含量高达90％，且其水分是以嵌入的方式存在于残余完整细胞中的，因此，不具备液态流体性质，而表现出典型胶体的性质，难以被直接干燥或加压干燥，且脱水效果不好；并且，由于马铃薯渣自带菌种较多(高达33种，包括28种细菌、4种霉菌和1种酵母菌)，不易储存和运输，易腐败变质，若直接填埋，则会造成环境问题。可见，在众多制约马铃薯加工产业发展的因素中，马铃薯废渣处理始终是瓶颈问题之一。目前，马铃薯渣脱水干燥的方法主要为机械压缩、化学剂脱水或者酶处理脱水。其中，脱水干燥是将马铃薯渣通过机械压缩去除水分，再用烘干设备进行烘干，但是，此方法采用的机械压缩能耗高、脱水效率较低、烘干时间长，并且，高温干燥会使薯渣中残余淀粉糊化，影响产品质量；化学剂脱水是利用脱水剂(如氧化镁、氧化锌或氯化钙等)与薯渣中不同分子链的均一半乳糖醛酸区间形成分子间结合区，进而形成凝胶，从而降低果胶与水分子的氢键结合能力，结合水变成自由水，使水分游离出来，此方法虽然脱水效率较高，但化学试剂会引起安全和环境问题；酶处理是将薯渣中细胞骨架及联结成分如纤维素、果胶等成分降解，这些成分的降解可以显著降低马铃薯渣的持水能力，有研究表明向马铃薯渣中加入果胶酶可显著降低薯渣的持水力，提高马铃薯渣的脱水干燥效率，但是，酶处理的成本相对较高，处理周期较长，并在处理过程中易腐败变质。因此，急需找到一种能耗低、脱水效率高、时间短、环境友好、成本低且不影响马铃薯渣品质的马铃薯渣脱水干燥。技术实现要素：本发明提供了一种对马铃薯渣脱水干燥的方法。此方法利用产果胶酶的微生物直接发酵马铃薯渣，通过微生物自身产果胶酶来降解薯渣中的果胶，降低马铃薯渣的持水力，并且，此方法结合具有抑菌作用的乳酸菌处理，可有效防止腐败变质，从而实现马铃薯渣快速、低成本的脱水与干燥。本发明的技术方案如下：本发明提供了一种对马铃薯渣脱水干燥的方法，所述方法为将芽孢杆菌和乳酸菌分别在有氧条件下进行好氧培养，得到芽孢杆菌菌液和乳酸菌菌液；将芽孢杆菌菌液接种于马铃薯渣中进行厌氧发酵，得到发酵液样品；将乳酸菌菌液接种于发酵样品中进行混菌厌氧发酵，得到经处理的马铃薯渣；将处理后的马铃薯渣经机械脱水、干燥，得到脱水干燥后的马铃薯渣；所述芽孢杆菌为可产果胶酶的芽孢杆菌；所述乳酸菌为具有抑菌能力的乳酸菌。所述马铃薯渣是马铃薯淀粉生产过程中产生的副产物，其主要成分为水、细胞碎片和残余淀粉颗粒。在本发明的一种实施方式中，所述马铃薯渣为新鲜马铃薯渣。所述新鲜马铃薯渣是指马铃薯淀粉生产结束后得到的未经任何处理的马铃薯渣。在本发明的一种实施方式中，所述芽孢杆菌包含枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、蕈状芽孢杆菌或多粘类芽孢杆菌中的一种或多种。在本发明的一种实施方式中，所述乳酸菌包含保加利亚乳杆菌、嗜酸乳杆菌或乳酸链球菌中的一种或多种。在本发明的一种实施方式中，所述好氧培养的时间为12～120h、温度为28～40℃。在本发明的一种实施方式中，所述厌氧发酵的时间为36～120h、温度为28～40℃。在本发明的一种实施方式中，所述混菌厌氧发酵的时间为12～120h、温度为28～40℃。在本发明的一种实施方式中，所述芽孢杆菌菌液中果胶酶的酶活为不低于20u/ml。在本发明的一种实施方式中，所述芽孢杆菌菌液中的芽孢杆菌活菌数为不低于1.0～9.9×109cfu/ml；所述乳酸菌菌液中的乳酸菌活菌数为不低于1.0～9.9×109cfu/ml。在本发明的一种实施方式中，所述芽孢杆菌菌液在马铃薯渣中的接种量与乳酸菌菌液在马铃薯渣中的接种量之间的体积比为(1～5)：(1～3)。在本发明的一种实施方式中，所述芽孢杆菌菌液在马铃薯渣中的接种量2～10ml/100g；所述乳酸菌菌液在马铃薯渣中的接种量2～6ml/100g。在本发明的一种实施方式中，所述机械脱水包含板框压滤脱水、螺旋挤压脱水、离心脱水或带式压滤脱水中的一种或多种。在本发明的一种实施方式中，所述干燥包含鼓风干燥、气流干燥、环流干燥或闪蒸干燥中的一种或多种。利用上述方法制备得到的马铃薯渣。上述方法在制备马铃薯渣以及动物饲料方面的应用。有益效果：(1)未经发酵处理的马铃薯渣脱水后难以分散，水分含量高，成团聚集，无法实现高效干燥，而本发明通过前期在马铃薯渣中接种芽孢杆菌进行厌氧发酵，使其产生的果胶酶可降解马铃薯渣中的果胶，大大降低马铃薯渣的持水力(最低可将持水力降低约59％)，从而实现马铃薯渣的快速脱水与干燥；(2)与直接利用果胶酶对马铃薯渣进行酶解相比，本发明通过芽孢杆菌自身产出的果胶酶对薯渣中果胶进行降解，直接通过发酵的形式降解果胶，后期加入乳酸菌协同发酵，既可实现马铃薯渣高效、低成本的脱水和干燥，又可以防止马铃薯渣发生霉变；(3)利用果胶酶酶解获得的马铃薯渣持水力为7.70g/g，且经离心脱水后，经气流干燥仅3min可使马铃薯渣中的含水量降低至13.76％，薯渣呈分散状态，粉碎后结构相对松散，状态相对较好，但会发生霉变，且成本较高；而利用本发明获得的马铃薯渣持水力为6.57g/g，且经离心脱水后，经气流干燥3min即可使马铃薯渣中的含水量降低至12.69％，薯渣呈分散状态，粉碎后结构松散，状态较好，不发生霉变，且成本较低；(4)本发明后期在马铃薯渣中接种了乳酸菌，一方面，由于乳酸菌代谢产生有机酸，使发酵体系的ph降低，抑制了不耐酸的有害菌的生长，同时枯草芽孢杆菌代谢产生的细菌素也可抑制有害菌生长，达到了协同增效防腐的目的；另一方面，后期加入乳酸菌，可以实现乳酸菌和芽孢杆菌的协同发酵，使淀粉、粗蛋白、粗纤维等大分子物质得到一定程度的降解和转化，丰富营养价值，并可以产生酯类香气，提高马铃薯渣作为动物饲料的应用价值；(5)本发明可采用密封袋、密封发酵桶、地坑堆积密封、密闭发酵罐或连续自动化固态发酵装潢被等装置进行固态厌氧发酵，操作简单易行，并且，固态厌氧发酵新增投入较低，脱水和干燥设备可与马铃薯淀粉加工的设备共用，并达到较好的脱水和干燥效果，具有较好的工业化应用前景。附图说明图1：经实施例1处理的马铃薯渣脱水干燥后的状态；图2：经对比例6处理的马铃薯渣脱水干燥后的状态。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行进一步的阐述。下述实施例中涉及的新鲜马铃薯渣由河北省张家口双益责任有限公司提供；果胶酶购自美国sigma-aldrich公司；芽孢杆菌为购自北京百欧博伟生物技术有限公司的芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌以及地衣芽孢杆菌；乳酸菌为植物乳杆菌cctccm2017138(公开于公开号为cn107446852a的专利申请文本中)以及植物乳杆菌cgmccno：5494(公开于公开号为cn102586148a的专利申请文本中)。下述实施例中涉及的检测方法如下：果胶酶酶活检测方法：(dns显色法)进行半乳糖醛酸标准曲线的绘制(具体方法如表1所示)；取适量马铃薯渣发酵液，4℃，10000r/min离心5min，然后取上清液稀释100倍作为粗酶液，取15ml离心管，分a、b两组，每组试管编号甲、乙，做三个平行实验，每个试管分别加入1.8ml的果胶底物(10g/l)，其中，甲中加入0.2ml稀释酶液，乙中加入0.2ml的失活酶液；将a、b两组试管均放入50℃水浴中准确反应30min后取出，分别在甲、乙管中的加入1.5mldns，混合均匀，沸水浴5min，立刻拿出进行冷水冲洗，加蒸馏水稀释7倍，在540nm处测得紫外吸光光度值。表1半乳糖醛酸标准曲线的绘制序号01234567半乳糖醛酸标准溶液(ml)0.00.20.40.60.81.01.21.4酸性缓冲液(ml)2.01.81.61.41.21.00.80.6dns(ml)1.51.51.51.51.51.51.51.5芽孢杆菌活菌数检测方法：用1ml吸管精确地吸取1ml芽孢杆菌悬液放入试管中1中，其中试管1中的菌体稀释倍数为10-1，并用漩涡振荡器使其混合均匀；换一支吸管吸取1ml放入试管2中，其中试管2中的菌体稀释倍数为10-2，并用漩涡振荡器使其混合均匀；10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8样品操作同上；分别用无菌吸管吸取8个样品0.1ml，用涂布棒涂布于平皿中；将平皿置于37℃培养箱中24h，进行活菌计数；以上操作均在无菌环境；其中，每ml中总活菌数＝一种稀释度的菌落平均数×稀释倍数×10。乳酸菌活菌数检测方法：方法同芽孢杆菌活菌数检测方法。持水力检测方法：称量冻干后的马铃薯渣样品m为1.00g，放置于离心管中，水合24h，在4500r/min下，于离心机中离心20min，去除上清液，其中沉淀为g；其中，持水力＝(g-m)/m。含水量检测方法：样品的水分含量按照gb/t50093直接干燥法测定。实施例1：双菌发酵具体步骤如下：(1)将枯草芽孢杆菌接种到装有100ml营养肉汤培养基的250ml锥形瓶中，在温度为37℃，转速为200rpm下好氧培养36h，得到枯草芽孢杆菌菌液；(2)将植物乳杆菌cctccm2017138接种到装有100mlmrs培养基的250ml锥形瓶中，在温度为37℃，转速为200rpm下好氧培养14h，得到植物乳杆菌菌液；(3)在新鲜马铃薯渣中按照2ml/100g(菌液体积/马铃薯渣质量)接种量接种菌液浓度为1.5×109cfu/ml、果胶酶酶活为23.30u/ml的枯草芽孢杆菌菌液，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于37℃的条件下厌氧发酵96h，得到发酵样品；(4)在发酵样品中按照2ml/100g(菌液体积/马铃薯渣质量)接种量接种菌液浓度为5.6×109cfu/ml的植物乳杆菌菌液，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于37℃的条件下混菌厌氧发酵60h，得到经处理的马铃薯渣。检测经处理的马铃薯渣的持水力及霉变情况，检测结果见表1。实施例2：双菌发酵具体步骤如下：(1)将巨大芽孢杆菌接种到装有100ml营养肉汤培养基的250ml锥形瓶中，在温度为37℃，转速为200rpm下好氧培养12h，得到巨大芽孢杆菌菌液；(2)将植物乳杆菌cctccm2017138接种到装有100mlmrs培养基的250ml锥形瓶中，在温度为37℃，转速为200rpm下好氧培养14h，得到植物乳杆菌菌液；(3)在新鲜马铃薯渣中按照2ml/100g(菌液体积/马铃薯渣质量)接种量接种菌液浓度为2.1×109cfu/ml、果胶酶酶活为21.27u/ml的巨大芽孢杆菌菌液，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于37℃的条件下厌氧发酵36h，得到发酵样品；(4)在发酵样品中按照2ml/100g(菌液体积/马铃薯渣质量)接种量接种菌液浓度为4.4×109cfu/ml、的植物乳杆菌菌液，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于37℃的条件下混菌厌氧发酵12h，得到经处理的马铃薯渣。检测经处理的马铃薯渣的持水力及霉变情况，检测结果见表1。实施例3：双菌发酵具体步骤如下：(1)将地衣芽孢杆菌接种到装有100ml营养肉汤培养基的250ml锥形瓶中，在温度为37℃，转速为200rpm下好氧培养120h，得到地衣芽孢杆菌菌液；(2)将植物乳杆菌cgmccno：5494接种到装有100mlmrs培养基的250ml锥形瓶中，在温度为37℃，转速为200rpm下好氧培养14h，得到植物乳杆菌菌液；(3)在新鲜马铃薯渣中按照10ml/100g(菌液体积/马铃薯渣质量)接种量接种菌液浓度为2.3×109cfu/ml、果胶酶酶活为22.25u/ml的地衣芽孢杆菌菌液，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于37℃的条件下厌氧发酵120h，得到发酵样品；(4)在发酵样品中按照6ml/100g(菌液体积/马铃薯渣质量)接种量接种菌液浓度为7.4×109cfu/ml的植物乳杆菌菌液，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于37℃的条件下混菌厌氧发酵120h，得到经处理的马铃薯渣。检测经处理的马铃薯渣的持水力及霉变情况，检测结果见表1。对比例1：单菌发酵(芽孢杆菌)具体步骤如下：(1)将枯草芽孢杆菌接种到装有100ml营养肉汤培养基的250ml锥形瓶中，在温度为37℃，转速为200rpm下好氧培养12h，得到枯草芽孢杆菌菌液；(2)在新鲜马铃薯渣中按照2ml/100g(菌液体积/马铃薯渣质量)接种量接种菌液浓度为1.5×109cfu/ml、果胶酶酶活为23.30u/ml的枯草芽孢杆菌菌液，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于37℃的条件下厌氧发酵96h，得到发酵样品，得到经处理的马铃薯渣。检测经处理的马铃薯渣的持水力及霉变情况，检测结果见表1。对比例2：单菌发酵(乳酸菌)具体步骤如下：(1)将植物乳杆菌cctccm2017138接种到装有100mlmrs培养基的250ml锥形瓶中，在温度为37℃，转速为200rpm下好氧培养14h，得到植物乳杆菌菌液；(2)在新鲜马铃薯渣中按照2ml/100g(菌液体积/马铃薯渣质量)接种量接种菌液浓度为5.6×109cfu/ml的植物乳杆菌菌液，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于37℃的条件下厌氧发酵60h，得到经处理的马铃薯渣。检测经处理的马铃薯渣的持水力及霉变情况，检测结果见表1。对比例3：双菌发酵具体步骤如下：(1)将枯草芽孢杆菌接种到装有100ml营养肉汤培养基的250ml锥形瓶中，在温度为37℃，转速为200rpm下好氧培养10h，得到枯草芽孢杆菌菌液；(2)将植物乳杆菌cctccm2017138接种到装有100mlmrs培养基的250ml锥形瓶中，在温度为37℃，转速为200rpm下好氧培养10h，得到植物乳杆菌菌液；(3)在新鲜马铃薯渣中按照1ml/100g(菌液体积/马铃薯渣质量)接种量接种菌液浓度为0.5×109cfu/ml、果胶酶酶活为9.70u/ml的枯草芽孢杆菌菌液，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于30℃的条件下下固态的枯草芽孢杆菌，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于28℃的条件下厌氧发酵12h，得到发酵样品；(4)在发酵样品中按照1ml/100g(菌液体积/马铃薯渣质量)接种量接种菌液浓度为0.7×109cfu/ml的植物乳杆菌菌液，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于28℃的条件混菌厌氧发酵10h，得到经处理的马铃薯渣。检测经处理的马铃薯渣的持水力及霉变情况，检测结果见表1。对比例4：双菌发酵具体步骤如下：(1)将枯草芽孢杆菌接种到装有100ml营养肉汤培养基的250ml锥形瓶中，在温度为37℃，转速为200rpm下好氧培养8h，得到枯草芽孢杆菌菌液；(2)将植物乳杆菌cctccm2017138接种到装有100mlmrs培养基的250ml锥形瓶中，在温度为37℃，转速为200rpm下好氧培养132h，得到植物乳杆菌菌液；(3)在新鲜马铃薯渣中按照12ml/100g(菌液体积/马铃薯渣质量)接种量接种菌液浓度为0.5×109cfu/ml、果胶酶酶活为5.40u/ml的枯草芽孢杆菌菌液，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于30℃的条件下厌氧发酵132h，得到发酵样品；(4)在发酵样品中按照8ml/100g(菌液体积/马铃薯渣质量)接种量接种菌液浓度为0.7×109cfu/ml的植物乳杆菌菌液，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于28℃的条件下混菌厌氧发酵144h，得到经处理的马铃薯渣。检测经处理的马铃薯渣的持水力及霉变情况，检测结果见表1。对比例5：果胶酶酶解具体步骤如下：在新鲜马铃薯渣中按照5μl/100g(酶液体积/马铃薯渣质量)加入量加入果胶酶，混合均匀，铺平并采用密封袋或密闭发酵罐封闭，于室温下厌氧发酵60h，得到经处理的马铃薯渣。检测经处理的马铃薯渣的持水力及霉变情况，检测结果见表1。对比例6：不进行任何处理取与实施例相同的新鲜马铃薯渣且不对新鲜马铃薯渣进行任何处理。检测经处理的马铃薯渣的持水力及霉变情况，检测结果见表1。实施例4：脱水与干燥将实施例1-3得到的经处理的马铃薯渣、对比例1-5得到的经处理的马铃薯渣以及对比例6得到的未经任何处理的马铃薯渣经板框压滤脱水后，经气流干燥3min，得到脱水干燥后的马铃薯渣。将得到的脱水干燥后的马铃薯渣进行观察且进行含水量检测，检测结果见表2。利用实施例1和对比例6处理的马铃薯渣，经过脱水干燥后的状态见图1-2。表1不同处理方式得到的马铃薯渣的持水力组别持水力(g/g)霉变情况实施例16.57无霉变实施例27.03无霉变实施例36.87无霉变对比例16.79霉变对比例215.18无霉变对比例315.09无霉变对比例415.71无霉变对比例57.70霉变对比例616.12霉变表2不同处理方式得到的脱水干燥后的马铃薯渣的含水量组别含水量(％)实施例112.69实施例213.05实施例312.80对比例113.12对比例272.17对比例370.08对比例468.33对比例513.76对比例676.79由表1可知，相比于对比例2-4和对比例6，利用实施例1-3、对比例1和对比例5处理得到的薯渣的持水力显著下降，约降低56-59％；但是，经过对比例1和对比例5处理得到的薯渣和对比例6未经任何处理得到的薯渣在发酵过程结束后发生霉变，而其他处理得到的薯渣则没有发生霉变。由表2可知，相比于对比例2-4和对比例6，利用实施例1-3、对比例1和对比例5处理得到的薯渣经板框压滤脱水，再经气流干燥后，含水量显著降低，约降低82-83％。且经观察可知，利用实施例1-3、对比例1和对比例5处理得到的薯渣呈分散状态，粉碎后结构松散，状态较好；而对比例2-4处理得到的薯渣和对比例6未经任何处理得到的薯渣呈成团聚集状，难以分散，体系较黏。虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。当前第1页12