设计法优化马铃薯薯渣固态发酵工艺_图文

1、2o o6年8月农业机械学报第37卷第8期中心组合设计法优化马铃薯薯渣固态发酵工艺赵凤敏李树君方宪法杨延辰杨炳南刘期成*【摘要】为优化马铃薯薯渣固态发酵工艺,选择发酵温度、湿度和发酵时间为自变量,产品粗蛋白含量为因变量,采用中心组合设计的方法,研究各自变量及其交互作用对产品粗蛋白含量的影响。利用SAS6.o和响应面分析相结合的方法,模拟得到二次多项式回归方程的预测模型,并确定最佳发酵条件为:温度29.63,湿度73.86%,发酵时间54h。关键词:马铃薯薯渣固态发酵工艺优化中图分类号:TQ920.6文献标识码:Aoptimization of Potato Residues Solid Sub

2、strate FermentationTechnology Using Central Composite Design Zhao Fengminl Li Shujunl Fang Xianfal Yang Yanchenl Yang Bingnanl Liu Qichen92(1.C冼i咒PsP AcadP,拶。厂Agric“Zf“,口ZL知c口咒i2乜fiD咒SciP孢cPs2.B“,口“o厂TPc矗咒ic口Z S。垆已,秽isio竹。厂Q“口Zi缈。厂P已,29Z口fAbstractThe fermentation temperature,humidity and time were v

3、aried according to the central composite design with the aim of assessing the effects of these Variables and their interactions on the crude protein content of product.The predictive p01ynomial quadratic equations model was developed by SAS6.O software.The optimal fermentation condition was fermente

4、d for54h at the temperature of29.63,humidity of73.86%,according to the results of regress equations calculation and response analysis.Key words Potatoes,Residues,Solid substrate fermentation,Technology optimization引言马铃薯薯渣是生产马铃薯淀粉过程中产生的废渣,含有大量的水、纤维素、糖、淀粉等成分,若不进行有效处理,易滋生微生物,造成严重的环境污染。固态发酵技术相对于液态发酵具有高产

5、、简易、低投资、低能耗等优点1,特别是应用于废渣废料的处理,易干燥、高回收,可把发酵物(包括发酵底物、菌体及其代谢产物全部利用,既保留了活性成分又不会产生废液污染。本文选择发酵温度、湿度和发酵时间为自变量,以发酵产品的粗蛋白含量为响应值,采用中心组合设计的方法,借助SAS软件并采用多元二次回归和响应面分析等手段,对马铃薯薯渣的固态发酵工艺条件进行优化。1试验材料与仪器1.1试验材料马铃薯薯渣(山西省嘉利淀粉厂提供、试验菌种(利用筛选出的两菌种:菌种T一1、菌种D一1、收稿日期:20051l一25*“十五”国家科技攻关计划资助项目(项目编号:2001BA501A06B赵凤敏中国农业机械化科学研究

6、院高级工程师,100083北京市李树君中国农业机械化科学研究院研究员博士生导师方宪法中国农业机械化科学研究院研究员杨延辰中国农业机械化科学研究院高级工程师杨炳南中国农业机械化科学研究院研究员刘期成山东蓬莱市质量技术监督局工程师,265600蓬莱市 48农业机械学报图3发酵温度、时间与产品粗蛋白含量关系的响应面分析图Fig.3Response analysis of the relations between fermented temperature,time and crudeprotein content of the product分析稳定值的性质,确定该稳定点为极大值点,从而确定最佳工

7、艺参数为:发酵温度29.63、发酵湿度73.86%、发酵时间54h。3.4试验验证为验证上述优选结果,在确定的最优条件下(发酵温度29、发酵湿度74%、发酵时间54h,重复试验5次,产品粗蛋白含量的实测平均值为16.67%,与模型的预测值16.45%较为接近,进一步说明此回归模型的拟合程度较好。4结论利用中心组合设计方法,通过回归方程的方差分析检验,确定各因素对产品粗蛋白含量影响的显著性程度,从而确定出优化的回归方程。(2根据回归方程的计算,借助sAS6.o软件分析,求得稳定点为:(o.326,一o.114,o。通过响应面分析和等高线图分析,确定该稳定点为极大值点,从而确定马铃薯渣固态发酵的最

8、优条件为:发酵温度29.63,湿度73.86%,发酵时间54h。(3利用最优条件进行试验验证,结果显示回归模型的预测值与试验的实测值较为接近,进一步证明回归模型具有很好的拟合度。(1选取发酵温度、湿度和发酵时间为自变量,参考文献1陈洪章,徐建.现代固态发酵原理及应用M.北京:化学工业出版社,2004.2任露泉.试验优化设计与分析M.北京:高等教育出版社,2003.3张建华,李里特,丁长河.中心组合设计法优化曲霉豆豉纯种发酵制曲工艺(上J.中国调味品,2004(6:710. 4张建华,李里特,丁长河.中心组合设计法优化曲霉豆豉纯种发酵制曲工艺(下刀.中国调味品,2004(7:2628. 5洪楠,

9、侯军.sAs for windows统计分析系统教程M.北京:电子工业出版社,2001.6邓祖新.SAS系统和数据分析M.北京:电子工业出版社,2001. 7王万中,茆诗松,曾林蕊.试验的设计与分析M.北京:高等教育出版社,2004. 中心组合设计法优化马铃薯薯渣固态发酵工艺作者:赵凤敏, 李树君, 方宪法, 杨延辰, 杨炳南, 刘期成, Zhao Fengmin, Li Shujun , Fang Xianfa, Yang Yanchen, Yang Bingnan, Liu Qicheng作者单位:赵凤敏,李树君,方宪法,杨延辰,杨炳南,Zhao Fengmin,Li Shujun,Fan

10、g Xianfa,YangYanchen,Yang Bingnan(中国农业机械化科学研究院,100083 北京市, 刘期成,LiuQicheng(山东蓬莱市质量技术监督局,265600 蓬莱市刊名: 农业机械学报英文刊名:TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY FOR AGRICULTURAL MACHINERY年,卷(期:2006,37(8被引用次数:3次参考文献(7条1.陈洪章.徐建现代固态发酵原理及应用 20042.任露泉试验优化设计与分析 20033.张建华.李里特.丁长河中心组合设计法优化曲霉豆豉纯种发酵制曲工艺(上期刊论文-中国调味品 2004(0

11、64.张建华.李里特.丁长河中心组合设计法优化曲霉豆豉纯种发酵制曲工艺(下期刊论文-中国调味品 2004(075.洪楠.候军SAS for windows统计分析系统教程 20016.邓祖新SAS系统和数据分析 20017.王万中.茆诗松.曾林蕊试验的设计与分析 2004相似文献(10条1.期刊论文赵凤敏.李树君.方宪法.杨延辰.徐考群.宫恩名.Zhao Fengmin.Li Shujun.Fang Xianfa.Yang Yanchen.Xu Kaoqun.Gong Enming马铃薯薯渣固态发酵制作蛋白饲料的工艺研究-农业机械学报2006,37(8以马铃薯淀粉生产中产生的废渣为主要原料,利

12、用筛选出的糖化菌种和高蛋白菌种组成的双菌发酵体系,对马铃薯薯渣固态发酵生产蛋白饲料的发酵工艺进行研究,确定了发酵培养基的最佳组成与配比为硫酸铵添加量1.5%、尿素添加量1.5%、菌种T-1接种量5%、菌种D-1接种量20%.测定结果表明,发酵产品氨基酸种类齐全,营养价值提高,安全性得到保证.2.会议论文赵凤敏.李树君.方宪法.杨延辰.徐考群.宫恩名马铃薯薯渣固态发酵制作蛋白饲料的工艺研究2006本文以马铃薯淀粉生产中产生的废渣为主要原料,利用筛选出的糖化菌种和高蛋白菌种组成的双菌发酵体系,对马铃薯薯渣固态发酵生产蛋白饲料的发酵工艺进行研究,确定了发酵培养基的最佳组成与配比为硫酸铵添加量1.5%

13、、尿素添加量1.5%、菌种T-1接种量5%、菌种D-1接种量20%.测定结果表明,发酵产品氨基酸种类齐全,营养价值提高,安全性得到保证.3.学位论文陈菊红湿法超微粉碎对马铃薯渣的改性及其功能特性和应用研究2008马铃薯渣是马铃薯淀粉生产过程中的副产物。湿渣呈浆状,持水量高,生产季节集中且易发酵,大量的薯渣堆积会造成环境污染。若烘干则成本过高,通常作为饲料或当成废渣作掩埋处理,但会导致土壤和地下水的污染,同时利用程度较低,且运输成本较高。本文对马铃薯渣进行湿法超微粉碎,改善了马铃薯渣的粗糙口感,提高了薯渣的功能性质,并获得便于干燥的均一稠状物料,有利于马铃薯渣的保存,使马铃薯渣成为一种富含膳食纤

14、维的功能性食品配料应用于食品工业中,提高了马铃薯渣的利用价值。本文主要研究结果如下:首先,将胶体磨作为超微粉碎设备,对薯渣进行处理。对处理后的马铃薯渣进行形态结构观察、红外光谱分析、X-射线衍射扫描。结果发现:随着胶体磨磨齿间隙的减小,马铃薯渣细胞壁结构得到了降解,薯渣纤维亲水性增强,相对结晶度略有下降;在磨齿间隙为12m时即可得到平均粒径小于100m的超微粉体。此时,薯渣颗粒比表面积较大,密度为0.22g/ml,纤维之间的空间网络结构最为松散。同时,随着胶体磨磨齿间隙的减小,马铃薯渣中PSDF的含量逐渐提高。在胶体磨间隙为5m时,其PSDF干基含量达17.84g/100g,比处理前提高了35

15、.36%。综上所述,胶体磨可以达到对马铃薯渣改性的目的。其次,研究了在不同胶体磨磨齿间隙下马铃薯渣及从中提取的成分可溶性膳食纤维(PSDF和不溶性膳食纤维(PIDF的水溶性、膨胀力、持水力和粘度的变化。结果表明:超微粉碎可以使薯渣中不溶性纤维成分转化成可溶性成分。随着胶体磨磨齿间隙的减小,马铃薯渣的水溶性由14.12%上升到21.52%,提高了52.4%。在胶体磨磨齿间隙为12m时,改性薯渣的膨胀力、持水力达到最高,分别为9.42ml/g和7.21g/g,较处理前分别提高了33.8%和42.5%。同时,胶体磨的处理还提高了马铃薯渣中PSDF和PIDF的粘度,经剪切乳化后的PIDF显示出较PSD

16、F好的粘度性质。随着胶体磨磨齿间隙的减小,马铃薯渣获得了处理前几乎没有的粘度特性,由11mPa.s上升到108mPa.s,提高了881.8%。再次,研究了在不同胶体磨磨齿间隙下马铃薯渣、PIDF和PSDF与降血脂、降血糖功能相关的性质,包括胆酸钠吸附能力、持油力、阳离子交换能力、胰脂酶活力抑制力、葡萄糖的束缚力和淀粉酶活力的抑制力。结果表明:PIDF和PSDF均具有一定的功能特性,两者混合后发生了协同作用从而提高了改性薯渣的功能性质。在降血脂性质方面,改性薯渣的最大胆酸钠吸附能力为13.44mg/g、持油力为7.26g/g、阳离子交换能力为512mmol/kg、胰脂酶活力抑制力为67.2%,分

17、别比处理前提高了41.03%、45.8%、23.7%和39.7%;在降血糖性质方面,改性薯渣对葡萄糖束缚能力和对淀粉酶活力的抑制力较处理前均有所提高,在葡萄糖浓度为100mmol/L时葡萄糖束缚力最大提高了68.4%,而对淀粉酶抑制力最大提高了81.0%,其束缚量和抑制力分别为0.682mmol/g和28.6%。在这些功能特性中,改性马铃薯渣空间网络结构的包囊能力及其比表面积的增大起了重要的作用。综合而言,在胶体磨磨齿间隙为12m时所获得的改性薯渣物化性质及功能特性较佳。最后,将上述综合功能性质较佳的改性薯渣添加到面团中,通过快速粘度糊化仪、面粉粉质仪和拉伸仪来测定改性马铃薯渣的添加对面团流变

18、学性质的影响。结果表明:对马铃薯渣的改性处理可以有效地提高添加马铃薯渣后面粉的加工特性,使其耐热稳定性和耐剪切性增强,而对其回生程度影响不大。同时,改性薯渣的添加提高了面团的吸水率、弱化了面团,因此添加薯渣后的面团应用在以低筋面粉为原料的蛋糕、曲奇等面制品中较佳。研究改性马铃薯渣的添加对曲奇品质的影响,为企业生产含改性马铃薯渣的健康型曲奇提供指导意义。结果显示改性薯渣的添加可抑制曲奇风味的散失、延缓曲奇硬度的上升和抑制曲奇中油脂的酸败作用从而延长曲奇的贮存期。在改性薯渣添加量为10%时饼干的品质与空白相差较小。随着贮存时间的延长,添加改性薯渣的曲奇总体呈现出较空白好的感官品质。4.会议论文 赵

19、凤敏.李树君.方宪法.杨延辰.杨炳南.刘期成 中心组合设计法优化马铃薯薯渣固态发酵工艺 2006 本文为优化马铃薯薯渣固态发酵工艺,选择发酵温度、湿度和发酵时间为自变量,产品粗蛋白含量为因变量,采用中心组合设计的方法,研究各自变量 及其交互作用对产品粗蛋白含量的影响.利用SAS6.0和响应面分析相结合的方法,模拟得到二次多项式回归方程的预测模型,并确定最佳发酵条件为:温度 29.63,湿度73.86,发酵时间54 h. 5.期刊论文 王志民.蔡光泽.陈开陆.徐大勇.李静.黄郑.沈飞.WANG Zhi-min.CAI Guang-ze.CHEN Kai-lu.XU Dayong.LI Jing.

20、HUANG Zheng.SHEN Fei 不同尿素添加量对马铃薯薯渣厌氧发酵产物品质的影响研究 -西昌学院学报 （自然科学版）2009,23(4 以马铃薯淀粉生产过程中产生的废渣为原料,加入米糠降低含水量至72%,再添加普钙、乳酸菌等制成发酵基料,以尿素添加量为试验因素设置不同N素 水平5个处理进行厌氧发酵,发酵产物测定粗蛋白、真蛋白质、尿素残余量、酸度、乳酸含量等指标,确定了添加尿素对薯渣发酵产物品质有显著影响,以 2.0%2.5%的尿素添加量品质最佳. 6.期刊论文 杨希娟.孙小凤.肖明.刘雪莲.Yang xijuan.Sun Xiaofeng.Xiao Ming.Liu Xueling

21、马铃薯渣发酵生产 菌体蛋白饲料的工艺条件优化 -农产品加工创新版2009,""(6 以马铃薯淀粉生产中产生的废渣为主要原料,以黑曲霉、白地霉和热带假丝酵母为发酵菌种,优化马铃薯薯渣固态发酵生产菌体蛋白饲料的工艺.初步 确定了薯渣固态发酵的适宜条件,即采用自然pH值,物料质最比(薯渣:麸皮为90:10,发酵温度为32,发酵时间为66 h.经试验验证,此发酵条件下发酵饲 料中粗蛋白含量较高,可达到蛋白饲料对蛋白质含量的要求. 7.期刊论文 刘雪莲.杨希娟.孙小凤.郝学宁.蔡晓剑.LIU Xuelian.YANG xijuan.SUN Xiaofeng.HAO Xuening.C

22、AI Xiaojian 固态发酵马铃薯渣生产菌体蛋白饲料的研究 -中国酿造2009,""(2 以马铃薯淀粉生产中产生的废渣为主要原料,以黑曲霉、白地霉和热带假丝酵母为发酵菌种,优化了马铃薯薯渣固态发酵生产菌体蛋白饲料的发酵工 艺,初步确定了薯渣固态发酵的适宜条件,即采用自然pH值,物料质量比(薯渣:麸皮为90:10(w/w,发酵温度32,发酵时间66h,在此条件下发酵饲料中粗 蛋白含量较高. 8.学位论文 杨玲 紫罗兰马铃薯成分测定、花青素提取以及薯渣综合利用研究 2009 紫罗兰马铃薯属旋花科一年生草本植物，富含抗氧化、抗衰老的天然保健型花色苷和其它营 养成分，近年来引起

23、国内外的广泛关注。本文主要内容包括以下六个部分： 1、以紫罗兰马铃薯为原料，以酸化乙醇为提取剂，采用超声法进行提取，通过正交实验和 单因素实验，确定最佳提取工艺：温度50，时间30min，料液比130，提取3次；同时测定了 不同品种中花青素的含量，得出70号中花青素含量最高为180.56mg/100g。以紫甘蓝为原料，采 用相同的实验方法，得到最佳提取条件：温度50，料液比19，时间40min，提取5次，最大 提取含量为：210.25mg/100g，为人们获得不同类型的花青素提供依据。 2、采用不同类型大孔树脂纯化色素粗提液，通过静态吸附和解吸实验比较，结果表明：以 AB-8树脂为吸附剂，温度

24、30，提取液pH=1时，吸附效果最好；以60乙醇进行洗脱，解吸 效果最好；该树脂重复使用20次后，其吸附率在90以上。 3、采用超滤膜来纯化色素粗提液，研究了不同因素下膜通量的变化，确定了最佳纯化工艺： 压力0.8MPa，温度2530，时间10min超滤前后，花青素含量由150.19mg/100g提高到 192.65mg/100g，截留率达97.34，色价由0.62提高到5.29，提高了产品的纯度，取得了良好的 效果。 4、研究了不同因素对花青素稳定性的影响，结果表明：花青素在酸性条件下比较稳定，在 低温避光条件下可长期存放；金属离子对该色素影响较小，Fe2+能够使色素稳定性下降，Al3+对 其具有较强的增色作用；该色素对氧化还原剂敏感。 5、鉴于紫罗兰马铃薯营养丰富，本实验对其中的微量元素、Vc和淀粉的含量进行了测定， 结果表明：微量元素中K含量远远高于Na、Ca、Mg和Cu，As和Hg含量符合食品标准；Vc 和淀粉的含量范围分别为1.35-1.78mg/100g和13.13-13.62。 6、本章将马铃薯渣进行固体发酵，当加水比为11，马铃薯渣麸皮=64，硫酸铵添加量为 2.0，接种量为5，发酵时间为3d时，纤维素酶活力和木聚糖酶活力分别达到2520.48U/g和 17472U/g