總體情況
馬鈴薯生長在北緯40度至55度之間適宜的土壤和氣候條件下。主要的馬鈴薯生產(chǎn)國家為：荷蘭、德國、法國、波蘭、波羅的海諸國、俄羅斯、中國和美國。馬鈴薯淀粉的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)始于19世紀(jì)初期。在時代變遷的過程中，馬鈴薯淀粉不得不與來自其他原料的淀粉競爭：諸如玉米和小麥。例如，在美國，l 860年共有大約220家馬鈴薯淀粉廠。l 900年以后，當(dāng)玉米的生產(chǎn)顯示出更強的經(jīng)濟性時，這個數(shù)字顯著減少。l 998年歐共體國家的淀粉總產(chǎn)量為780萬噸，其中48％為玉米淀粉，27％為小麥淀粉，24％為馬鈴薯淀粉，而1％為大麥和大米。目前在全世界，歐共體是最重要的馬鈴薯生產(chǎn)者。在各個歐共體國家，馬鈴薯的生產(chǎn)量受到配額限制。
玉米、小麥和馬鈴薯淀粉生產(chǎn)工藝的比較
比較種植玉米、小麥和馬鈴薯三者之間每公頃總干物產(chǎn)量和每公頃淀粉干物產(chǎn)量，結(jié)果顯示種植馬鈴薯獲得的產(chǎn)量最高。然而，種植馬鈴薯時收率的優(yōu)勢完全被種子的成本抵消，因為馬鈴薯薯種的成本大約是小麥種子的2倍，是玉米種子的1．7倍。
|
|
總干物產(chǎn)量 |
淀粉干物產(chǎn)量 |
相對種子成本 |
|
馬鈴薯 |
7．8噸／公頃 |
5．1噸／公頃 |
1．7 |
|
玉米 |
5．8噸／公頃 |
4．3噸／公頃 |
1 |
|
小麥 |
4．2噸／公頃 |
2．8噸／公頃(優(yōu)質(zhì)淀粉) |
0．85 |
加工玉米、小麥或馬鈴薯另一個重要的不同之處，在于加工時所獲副產(chǎn)品的范圍和對該加工裝置創(chuàng)造利潤所起的作用。
淀粉的收率和各個副產(chǎn)品的收率如下表：
|
玉米 |
小麥 |
馬鈴薯 |
|
淀粉 67％ 干基
|
A—淀粉 55％ 干基 |
淀粉 65.6％ 干基
|
注：如果括號內(nèi)的副產(chǎn)品僅回收一部分或未回收，則剩余的部分最終進入廢水。
在加工玉米時，所獲得的副產(chǎn)品麩質(zhì)、纖維飼料和胚芽都是市場所需的商品，它們對該工廠的創(chuàng)利起著顯著的作用．小麥的加工及副產(chǎn)品小麥面筋的計算也是相同的．
在加工馬鈴薯時，最有價值的產(chǎn)品是淀粉。副產(chǎn)品為薯渣、 以及取決于工藝的：或是稀釋的或濃縮的細胞液，或是(絮凝的)馬鈴薯蛋白粉(PPP)，或是(絮凝的)蛋白粉和(濃縮的)馬鈴薯液體蛋白(PPL)，它們都是價值較低的副產(chǎn)品，很難對加工工廠的創(chuàng)利起作用。
其它的主要不同之處為：
每年的生產(chǎn)期
馬鈴薯淀粉工廠每年的加工期只有100—110天，而玉米和小麥淀粉廠的加工期為340—350天。
對環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)
馬鈴薯淀粉工廠排放的廢水量要比玉米或小麥淀粉廠大的多，尤其是在不回收蛋白(PPP和／或PPL)的情況下。
投資
馬鈴薯淀粉廠的投資要比玉米或小麥淀粉廠低。上述的比較似乎是，從經(jīng)濟的觀點來看，為了生產(chǎn)淀粉，加工馬鈴薯與加工玉米和小麥相比，處于更不利的地位。因此可以預(yù)料到，馬鈴薯在淀粉產(chǎn)量中的份額將不會增加，甚至可能變得受到擠壓。然而在一些地區(qū)，因種種原因必須種植和加工馬鈴薯，而且馬鈴薯淀粉的生產(chǎn)受到農(nóng)業(yè)政策的支持，馬鈴薯淀粉工業(yè)就能夠蓬勃發(fā)展。
工藝技術(shù)的發(fā)展
馬鈴薯淀粉生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝已經(jīng)應(yīng)用了超過百年，而且事實上沒有什么改變。其發(fā)展主要在于設(shè)備效率的改進提高，以及為了減少水耗和廢水排放，從細胞液中回收蛋白的技術(shù)得到了應(yīng)用。
原料接收
通常馬鈴薯用卡車運到生產(chǎn)現(xiàn)場�？ㄜ嚱�(jīng)過過磅并取樣若干測定卡車所載的平均淀粉含量。過磅和取樣的結(jié)果決定農(nóng)場主所獲的價格�？ㄜ嚱又傁蛞环N朝著卡車側(cè)面的橋架，使馬鈴薯能夠從卡車上下落到儲斗中。輸送機將馬鈴薯從儲斗輸送到干法凈化轉(zhuǎn)籠，在這里，附著的泥土和粗雜質(zhì)被清除。干法凈化后，馬鈴薯用輸送機輸送到馬鈴薯儲庫。
馬鈴薯儲存
儲存設(shè)施的設(shè)計，不同的淀粉生產(chǎn)者，能夠相差非常懸殊。儲存設(shè)施的能力根據(jù)馬鈴薯入庫的規(guī)律為1—3天。一種實際的做法是將馬鈴薯儲存在v形的(水泥)儲槽中，底部帶有水力輸送溝槽。儲槽可以布置成平行兩排，之間有一個主溝槽。這些在儲槽底部的溝槽用開／關(guān)滑閥與主溝槽相連。馬鈴薯通過溝槽水力輸送到馬鈴薯清洗工序。馬鈴薯通過一個可(部分)移動的帶式輸送機進入儲槽。
馬鈴薯清洗
馬鈴薯清洗工序通常包括：
除石器，在這里，石頭、泥沙和其它重的雜質(zhì)靠重力與馬鈴薯和其它漂浮物分離。
馬鈴薯清洗機，在此，馬鈴薯被攪拌，泥土和其它附著物靠剪切力從馬鈴薯表皮上分離。
分葉器，在這里，漂浮物如葉子、雜草等被分離。
新鮮水從工序的最后一級加入，與馬鈴薯的流向相反，逆流而行。工序排放的水含有泥沙，用泵輸送到除砂站將這些雜質(zhì)分離。除砂后，輸送到洗水循環(huán)罐。一部分洗水排放到廢水中．排放的量通過加入來自淀粉濃縮的溢流和／或新鮮水補償。洗凈的馬鈴薯用帶式輸送機和提升機輸送到銼磨工序的進料儲斗。
破碎和淀粉提取
破碎最初是用各種各樣的磨來進行的，例如錘磨。在此特殊應(yīng)用中，該設(shè)備有限的效率，使得只有大約80—85％的淀粉能被提取。在五十年代(低速)銼磨機應(yīng)用于馬鈴薯破碎的操作，特別是在七十年代高速挫磨機的應(yīng)用，顯著地改善了提取率�，F(xiàn)代化的銼磨設(shè)備，正如今天由各個歐洲公司(豪威、拉爾森、尼沃巴)提供的，達到了95—98％的提取率。這些類型的銼磨機轉(zhuǎn)子的操作轉(zhuǎn)速在20 00轉(zhuǎn)／分以上。安裝著一種鋸刀(銼磨刀片)的轉(zhuǎn)子對著銼磨區(qū)轉(zhuǎn)動，破碎馬鈴薯并碎裂細胞壁，然后釋放出淀粉顆粒。銼磨刀片易受到嚴(yán)重磨損，需要每2—4天更換一次。現(xiàn)有的靈巧設(shè)計和工具可以快速翻轉(zhuǎn)或更換銼磨刀片。
為了避免淀粉變色，在銼磨時以及銼磨后即刻將夾帶空氣現(xiàn)象減少到最低程度，并且加入一些含亞硫酸的稀釋水，這是很重要的。在不回收細胞液的工藝中，馬鈴薯漿被泵從挫磨機輸送到淀粉提取工序。在淀粉提取工序中，薯渣從淀粉懸浮液中分離出來，為了將淀粉損失降到最低程度，薯渣在若干級中洗滌。原來提取是由慢速旋轉(zhuǎn)(圓柱形)篩來完成的，接著是平面篩，有時帶振動。并帶噴水用于薯渣的洗滌。纖維和后來的尼龍曾用作篩網(wǎng)的材料。 在該系統(tǒng)，洗滌的薯渣含有l(wèi) 2—15％的游離淀粉。在本世紀(jì)六十年代，靜止篩網(wǎng)—不銹鋼制造的曲篩，被介紹到馬鈴薯工業(yè)界用于淀粉提取和薯渣洗滌．該篩網(wǎng)系統(tǒng)在很多歐洲馬鈴薯淀粉工廠投入使用并成功地運行．與以前的系統(tǒng)相比，甚至在減少洗水流量的情況下，薯渣中的游離淀粉還能減少到3％以下．
帶有薯渣洗滌和內(nèi)部衛(wèi)生清洗(CIP)可能性的快速旋轉(zhuǎn)離心篩在六十年代初被(阿法拉伐公司)推廣并成為此工序的現(xiàn)代化的設(shè)備。此系統(tǒng)今天是由四臺離心篩組成(四級)。像曲篩系統(tǒng)一樣，薯渣用洗水以逆流洗滌方式洗滌。游離淀粉的損失降到2％以下。除了減少淀粉損失，該系統(tǒng)還具有減少空氣混入(形成泡沫)并且不需要任何平衡罐。此系統(tǒng)可由幾個歐洲供貨商提供，例如阿法拉法、豪威、拉爾森、尼沃巴、斯達科薩等等。薯渣進一步在相同的離心篩中脫水并排放。如果薯渣需要干燥，則在干燥前薯渣進一步在擠壓機和／或臥螺離心機中脫水。
淀粉濃縮
在淀粉的洗滌前，淀粉濃縮是必要的。起初淀粉濃縮是在濃縮槽中間歇地進行的。在濃縮槽中淀粉通過沉降作用得到濃縮。當(dāng)?shù)竭_充分的濃縮效果時，淀粉上面的細胞液泡沫被排出。在本世紀(jì)二十年代，真空轉(zhuǎn)鼓過濾機被推廣用于淀粉的濃縮。在四十年代和五十年代，該過濾機被早期的臥螺離心機和碟片噴嘴離心機(阿法拉伐)取代。
在五十年代期間，在道爾奧立弗公司(現(xiàn)阿法拉伐公司)成功地開發(fā)了用于玉米淀粉工業(yè)的多管旋流器之后，后者在六十年代備道爾奧立弗公司推廣到馬鈴薯淀粉工業(yè)界。今天，用于淀粉濃縮的現(xiàn)代化的技術(shù)是：小型淀粉廠使用多管旋流器或碟片噴嘴離心機，而大型淀粉廠則專門使用碟片噴嘴離心機。淀粉濃縮的溢流是廢水，濃縮物被泵輸送到細篩分和淀粉洗滌工序。
細纖維篩分和淀粉洗滌
濃縮的淀粉漿料仍然含有細纖維，通常是在淀粉洗滌前去除。起初，纖維篩被用于此操作。在六十年代與曲篩被推廣的同時，道爾奧立弗公司(現(xiàn)阿法拉伐公司)開發(fā)了用于細纖維篩分的靜止篩。這些篩具有300度的篩面，用不銹鋼制造。這種類型的篩網(wǎng)現(xiàn)在仍然用于細纖維篩分。但是現(xiàn)代的篩網(wǎng)帶有自動衛(wèi)生清洗裝置。除了300度篩網(wǎng)以外，與淀粉提取系統(tǒng)相同的離心篩現(xiàn)在也用于細篩分。在用多管旋流器洗滌淀粉時，細纖維篩分不是在洗滌之前，而是在洗滌之后。
淀粉的洗滌起初是在若干級洗滌槽或沉降流槽中進行。在兩種方法中淀粉靠重力沉降下來，雜質(zhì)隨著溢流排出。通過用新鮮水使淀粉成為懸浮液然后再沉降的方法，淀粉逐漸提純到要求的質(zhì)量。非常清楚， 以上的方法對操作人員非常敏感，它要求操作者非常留心，而且由于在各種操作中長時間停留，能夠發(fā)生細菌活動，這對淀粉的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。本世紀(jì)五十年代，(阿法拉伐)噴嘴離心機應(yīng)用于淀粉洗滌，極大地改善了洗滌操作。
另一項重要的創(chuàng)新是，在六十年代由道爾奧立弗公司(現(xiàn)阿法拉伐公司)推廣多管旋流器用于此項操作。多管旋流器的引入，允許進行A淀粉(粗顆粒)和B淀粉(細顆粒)的分級操作以及對這些淀粉分別洗滌。 (在l 5mm旋流管中)分級具有以下優(yōu)點：細纖維和B淀粉能夠從(粗顆粒)的A淀粉中分離出來并使用非常細的篩網(wǎng)分離細纖維，使淀粉損失最小。使用非常細的篩網(wǎng)以及分別洗滌A淀粉(在15mm旋流管中)和B淀粉(在10mm旋流管中)，極大地改善了淀粉洗滌。在六十年代，由于改進了的多管旋流器系統(tǒng)的洗滌以及曲篩的應(yīng)用，洗水的消耗能夠從5—10立方米／噸馬鈴薯減少到3立方米／噸馬鈴薯以下。
上述淀粉洗滌的多管旋流器系統(tǒng)的優(yōu)點已為碟片噴嘴離心機的供應(yīng)商所理解，他們推廣了具有相同優(yōu)點的三相離心機。今天碟片噴嘴離心機(兩相和三相)和多管旋流器系統(tǒng)以廣泛應(yīng)用于淀粉洗滌，并且被公認(rèn)為是現(xiàn)代化的。
上述系統(tǒng)與前面所述的高效銼磨機和提取系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用，使得新鮮洗水的循環(huán)量能夠降低到O．5—1立方米／噸馬鈴薯，淀粉收率能夠增加到92％以上。
淀粉脫水和干燥
淀粉洗滌之后在真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(殘留濾餅型過濾機)上脫水，并在氣流干燥機中干燥。干燥的淀粉在一個振動篩網(wǎng)上過篩。顆粒過大的淀粉返回帶濕磨工序。過篩的淀粉用風(fēng)力冷卻并輸送到淀粉儲倉，或者包裝起來。在大型馬鈴薯淀粉廠，淀粉儲倉能夠具有2萬或3萬噸的儲存能力。此儲倉帶有先進的進料和出料輸送機系統(tǒng)，保障無故障操作。淀粉可以作為商品淀粉出售或在下游工藝中進一步加工成各種衍生物。
細胞液分離和蛋白回收
由于嚴(yán)格的環(huán)保要求，目前歐洲的馬鈴薯淀粉工廠裝備有細胞液分離和蛋白回收裝置。根據(jù)分離和回收的程度的不同，該系統(tǒng)能夠從相當(dāng)簡單延展到非常復(fù)雜。在大多數(shù)簡單的系統(tǒng)中，細胞液由一個安裝在(在基本工藝中)銼磨機和提取系統(tǒng)之間的臥螺離心機從馬鈴薯漿中分離出來。用這種方法大約有60％的細胞液能夠分離濃縮出來，使得蛋白回收有一個合理的能耗。在整個系統(tǒng)中，細胞液在一個消沫罐中收集。有效的消沫對于確保蛋白可靠的絮凝是必要的。細胞液在蒸汽噴射器中實際發(fā)生絮凝之前，先在一個快速加熱器中用蒸汽直接加熱的方法預(yù)熱。絮凝現(xiàn)象的發(fā)生分為兩步，用加酸的方法調(diào)節(jié)PH值，接著在蒸汽噴射器中用蒸汽直接快速加熱到100—l 05。C。在快速加熱時，一部分蛋白發(fā)生絮凝。絮凝工藝是在一個延時保溫系統(tǒng)中完成的，之后在一個閃蒸蒸發(fā)器中冷卻。絮凝的蛋白在一個中間儲罐中收集并保持懸浮狀態(tài)。絮凝的蛋白進一步在一個特殊的臥螺離心機中濃縮到干物質(zhì)45—50％并在一個環(huán)式干燥器中干燥。干燥的產(chǎn)品是馬鈴薯蛋白粉(PPP)。
臥螺離心機的溢流仍然含有一些沒有絮凝的(可溶)蛋白成分。可以用蒸發(fā)器濃縮和回收。產(chǎn)品是馬鈴薯蛋白液(LPP)。馬鈴薯淀粉生產(chǎn)工藝的其余部分，淀粉提取、淀粉濃縮等等保持不變。余下的細胞液將被工藝水稀釋并作為廢水從淀粉濃縮器的溢流中離開工藝。通過蛋白回收系統(tǒng)的處理，此廢水的數(shù)量和BOD值顯著地減少。通過使用兩級臥螺離心機系統(tǒng)分離細胞液， 可以使廢水的量和BOD值進一步減少。在該系統(tǒng)中，第一個臥螺的濃縮底流被淀粉濃縮器的溢流稀釋，再進入第二個臥螺。第二個臥螺的溢流用作銼磨馬鈴薯漿的稀釋液。由此可見，工藝的運轉(zhuǎn)是一個完整的逆流系統(tǒng)，在這里，多余的水與第一個臥螺的溢流一起離開工藝。蛋白的回收在上述系統(tǒng)中完成。產(chǎn)品是馬鈴薯蛋白粉(PPP)和馬鈴薯蛋白液(LPP)。
馬鈴薯工藝的其余部分，淀粉提取、淀粉濃縮等等維持不變。在余下的工藝中，由于細胞液數(shù)量有限，新鮮洗水的消耗量可以進一步地降低至0．3—0．5立方米／噸馬鈴薯。這一系統(tǒng)的投資和運行費用是相當(dāng)大的，能超過馬鈴薯淀粉工廠的費用。
馬鈴薯淀粉及其衍生物
馬鈴薯淀粉的特性與玉米淀粉和小麥淀粉的特性有顯著地不同，這就是為何眾多的食品加工工業(yè)和非食品工業(yè)樂于使用的原因。
|
馬鈴薯淀粉廠
|
玉米淀粉
|
小麥淀粉
|
|
|
水分
|
19％
|
l 3％
|
l 3％
|
|
蛋白含量
|
0．05％
|
0．35％
|
0．45％
|
|
味道／氣味
|
淡
|
濃
|
濃
|
|
糊化溫度
|
60—65。C
|
75—80。C
|
80一85。C
|
|
黏度
|
非常高
|
中等
|
中等／低
|
歐洲的淀粉公司將他們的商品淀粉中相當(dāng)大的一部分加工成為變性淀粉和淀粉糖，產(chǎn)生出用于眾多工業(yè)的范圍廣泛的產(chǎn)品。
生產(chǎn)這些產(chǎn)品的下游工藝可分為5個主要大類：
預(yù)糊化
在此工藝中，淀粉乳在一個蒸汽加熱的轉(zhuǎn)鼓上蒸煮并干燥。通過這一方法形成一個預(yù)期化淀粉的薄層，產(chǎn)品可以在冷水中溶解，可用于如嬰兒食品。
水解
在工藝中，為了將淀粉中的直接淀粉鏈和支鏈淀粉鏈分解變成葡萄糖單元，淀粉乳被蒸煮(液化)并用酶處理。這是制作淀粉糖的基本工藝。
降解
在此工藝中，直鏈淀粉鏈和支鏈淀粉鏈通過用化學(xué)試劑的處理的方法(產(chǎn)品如氧化淀粉、低粘度淀粉)或熱處理的方法(產(chǎn)品如糊精)被降解。
衍生作用
在此工藝中，淀粉鏈被用化學(xué)試劑處理的方法降解并加入分子。此法可生產(chǎn)的產(chǎn)品如：淀粉酯、淀粉醚以及交聯(lián)淀粉。
物理方法處理，例如擠壓。用這種方法可以生產(chǎn)生物降解塑料。
歐洲的馬鈴薯淀粉生產(chǎn)者為了廣泛積累下游工藝的專業(yè)技術(shù)和經(jīng)驗，以及持續(xù)地開發(fā)分銷于全世界各地的產(chǎn)品，付出了巨大的努力。這個行業(yè)每年的營業(yè)額大約為l 5億美元，從業(yè)人員5000人。
