紫甘薯色素生产工艺的评价及新工艺改进建议

紫甘薯色素生产工艺的评价及新工艺改进建议
根据物料平衡图及工艺设计图看，从鲜薯到色素产品的流程，整个工艺包括鲜薯清洗去杂，切丁，提取，超滤膜过滤去杂，纳滤膜浓缩，树脂吸附，解析，纳滤膜浓缩（脱乙醇），低温浓缩，喷干（或冻干）等工序。

整个工艺不是纯粹的膜过滤工艺，其中包括传统的树脂吸附工艺，也就是该工艺包含有先进的膜过滤工艺和传统的树脂吸附纯化工艺，整个工艺流程只是在传统工艺上进行一些修改，把过去老式的板框过滤之类的过滤设备改成膜过滤设备，是一个传统提取分离技术到纯粹的膜过滤技术的过渡工艺，这样的设计工艺流程长，设备的投资自然会比较大，并且从某种程度上没有明显体现先进膜过滤设备的优越性，最终也得不到高品质的产品。

如果全部使用膜过滤组件进行去杂和浓缩，过滤等级可以达到纳米或纳米以下，可以根据分子量大小来进行过滤，整个工艺过程不使用溶剂，这样的工艺投资会比传统工艺大得多，但工艺简单，流程短，不使用溶剂，没有相变，能耗低(传统蒸发浓缩的1/10)，产品质量好；传统工艺采用板框过滤设备进行过滤，只能过滤掉微米级的颗粒，然后采用树脂吸附来进一步纯化，这样投资会比膜过滤设备少很多，但传统工艺复杂，耗时，需要使用溶剂，回收溶剂能耗高，产品有溶剂残留，溶剂损耗也会使生产成本增加，最主要的是大分子物质和小分子物质都分离不彻底，造成最终产品品质较差，当然，老式的传统工艺是我们所不想要的。

现行工艺与传统提取工艺和全膜处理工艺的对比如图1、图2、图3所示。

图1，现行工艺色素提取流程简图：
图2，传统工艺色素提取流程简图：
图3，全膜过滤处理色素提取工艺流程简图（红色为关键工艺）：
解析 树脂吸附 浓缩 板框过滤 提取 分切 清洗去杂 乙醇回收 超滤膜去杂 提取 分切 清洗去杂
解析 树脂吸附 纳滤膜浓缩 干燥 乙醇回收 纳滤膜浓缩 低温浓缩 低温浓缩 干燥 粉末色素 液体色素 粉末色素 液体色素 清洗去杂
分切 提取 微滤过滤 超滤过滤 纳滤膜浓缩 低温浓缩 液体色素
干燥 粉末色素
如果采用真正的全膜过滤处理工艺，也同样采用三套膜过滤设备，两套膜设备（微滤和超滤）拦截大分子量物质，一套膜设备（纳滤）浓缩及过滤小分子物质，然后根据实际情况，增加一个低温浓缩设备或真空刮板薄膜浓缩设备，再次浓缩提高固形物含量，最后用喷雾干燥或冷冻干燥的方法对色素进行干燥，整个工艺过程非常简短和简单，不使用溶剂，既节能环保，又能得到高品质的产品，使用全膜过滤处理工艺也有其不足，首相前端物料的处理要求高，增加一套膜过滤组件，需要增加相当的设备投资，每经过一次膜组件过滤，会拦截部分与大分子物质结合的色素，最终收集到的色素估计只有总含量的70%-­‐75%左右，甚至更低，总色价得率偏低，再用纳滤膜组件进行过滤浓缩，去除小分子物质、氨基酸类物质和其他无机盐类物质，如果将纳滤膜过滤浓缩后的色素用冷冻干燥进行干燥，那就是高品质的紫甘薯色素，所有膜组件拦截下来的25%-­‐30%或更多的色素，添加在紫甘薯全粉里面，可适当增加紫甘薯全粉的色素含量，因为按目前设计的工艺方案，生产出来的紫甘薯全粉色素的含量偏低，可能会影响卖相，这一点在现行工艺上对提高紫甘薯全粉的品质是有利的。

现行工艺为提高最终的总色价的得率，使更多的色素通过膜组件，势必加大膜过滤组件的孔径，让部分被果胶、可溶性淀粉和蛋白质包裹的色素一起通过超滤膜过滤组件，并且只采用一道超滤膜过滤组件，这样与色素结合的大分子物质还是跟传统的提取工艺一样（超滤过滤的精度是比传统的板框过滤精度提高些的），留在色素里面，也就因为这样，最后才要通过树脂吸附再度对色素进行纯化，如果膜过滤组件对大分子物质拦截彻底的话，那么，经过超
滤膜组件过滤的色素，用纳滤膜组件进行浓缩，再用低温浓缩去掉部分水，提高固形物含量后，就是液体色素产品了，通过喷雾干燥或冷冻干燥就是粉末色素产品，后面的树脂吸附工艺完全可以不要。

根据目前的情况来看，推翻合同约定的工艺重新再来已是来不及，合作协议已经签订生效，合作方也可能不愿意更改初衷，加上时间紧迫，建议先按照原定计划，只要工艺提供方能按合同要求的指标，保证生产线安装后，能正常生产，提取工艺优化方面，以后我们根据实际情况，自己进行更新改造；除非有充裕的时间和设施可以进行试验，先行把研发中心、检测中心、中试车间建立起来，自己设计、验证和完成各种工艺流程，然后购买设备投入生产，这是目前国内大规模生产企业的新产品开发模式。

在保障现行工艺正常生产的前提下，我们再对紫甘薯进行全面的综合开发利用，那时我们可以把提取色素后的甘薯渣进行淀粉提取，提取淀粉后的渣，再进行果胶和膳食纤维的提取，据相关报道，甘薯渣果胶含量最高达到25%，甚至更高，目前国内果胶缺口很大，大部分靠进口，当前果胶价格90元/kg-­‐180元/kg；提取果胶后的剩余物大部分是不溶性膳食纤维，目前不溶性膳食纤维的价格在35元/kg以上，高品质的产品达到80元/kg-­‐90元/kg；另外，紫薯渣也可以生产紫薯泥，作为月饼馅料或冷冻食品的馅料，这个在国内市场是非常大的；至于生产膨化食品、薯片之类，那就是普通的休闲食品的生产了，需要建立食品加工厂。

微滤和超滤膜组件拦截下来的物质，大部分是多糖和蛋白，是紫甘薯的功能性物质，我们可以想办法把色素再
度分离，得到部分色素和具有功能活性的紫甘薯多糖蛋白；在经过微滤和超滤后的物料，经过浓缩，可以得到紫甘薯浓缩液，这也是欧美市场非常受欢迎的产品，这些产品的开发和实施，在我们的研发中心建设好以后，包括其他色素的提取工艺，都可以自主试验，然后中试验证，结合中式数据修正工艺后就可进行工业化生产。

从现行工艺上看，可改进的部分：
1．在切丝的时候需要考虑加装保护液喷淋装置，减少紫甘薯切开后色素的氧化降解，这个改造我们可以在正常生产后，自己添加。

2．提取液从工艺文件上看最后的固液分离采用挤出的方法，可能会使提取液的可见固形物过多，造成提取液混浊，这一步处理不好，会影响下一步的膜过滤组件的工作效率，这个问题已经跟工艺设计方提出过，设计方表示没有问题，以后根据实际生产情况，如有必要我们在进行工艺更新，当然希望现行工艺设计能满足生产的需要。

3．膜过滤拦截大分子物质，之前交流时徐教授说拦截分子量50kDa的物质，就算是实际参数，只用一道超滤是不够的，如果要有好品质的产品，必须把相对分子量8kDa-­‐10kDa甚至更小的大分子物质拦截掉，这就必须增加一套错流超滤膜组件，根据物料平衡表看需要12t/h左右的流量，估计需要350m2左右的膜，膜组件加上配套完整按1万元/m2计算，国产膜原件大约需要增加350万左右的投资，采用国外生产的膜原件，投资会更高些，但性能会更好，当然，增加这一套膜过滤组件后，后期的树脂吸附设备110.7万元，纳滤膜浓缩脱乙醇组件108.2万，还有酒
精回收装置就可以不要了，抵消点这两项项的投资218.9万，实际还需要增加131.1万的投资，现行工艺如能按合同要求生产，这部分改造我们可以以后自己更改。

4．喷雾干燥设备建议采用压力式喷雾干燥设备，虽然相同蒸发量的喷雾干燥设备，压力式的造价稍高，但压力式的喷雾干燥设备物料回收率高，包装时不会扬尘，物料损失少，物料颗粒大小可以控制，溶解性好，不会黏附在包装袋上，显得美观。

5．树脂解析的溶剂浓度，现行设计的工艺使用30%的乙醇作为解析液，这个浓度会造成解析速度慢，并且由于含水量大，会把大量树脂吸附的水溶性物质一起洗下来，造成最终产品杂质含量高，单位色价无法提高，从而影响最终产品的质量，这方面，我们可以在投产以后，自己改造和工艺更新，暂时没必要知会现行工艺设计方。

6．现行设计的工艺在最终产品的保存方面，没有对产品的酸碱度进行调整，就进行干燥和保存，如果在不适宜的贮存条件下，会造成色素的降解，造成贮存过程色价丢失，这方面目前也没必要知会设计方，正常生产时我们自己把产品的酸碱度调整到合适的位置，增加合理保色护色工艺，并在合理的环境下贮存，确保色素在使用中更加稳定。

7. 燃气锅炉的用水可以增加太阳能辅助加热装置，利用太阳能热水器先把锅炉用水先加热，最高可以加热到接近100℃，这样的热水再输送到锅炉稍微加热就可形成蒸汽，可大大节约锅炉燃气，同时生产车间需要热水的地方
也可以由太阳能热水器供应，多余的热水还可以作为生活用水，另外，利用太阳能方面的节能工程可以申请政府资助。

以上为根据现有资料和信息，为某大学膜技术研究所提供的紫甘薯色素提取工艺的初步评价，以及对工艺过程需要改进的地方进行了论证，由于还没有亲历该工艺的中试验证，某些判断可能与实际会有偏差，比较具体和更贴切的评价应该是在经过中试总结后才比较客观。

黄再兴
2012年9月28日。