毕业设计精品年产50吨紫甘薯色素工厂工艺设计Word格式.docx
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紫甘薯花色苷具有明显的抗氧化抗突变减轻肝功能障碍等生理功能，其花色苷的主要类型为芳香酸酰化的矢车菊素和芍药素[2]。
紫甘薯所含的花青素为类黄酮系化合物，以C6-C3-C6为基本骨架，具有类黄酮的典型结构，即2-苯基苯并吡喃阳离子[R=H,R’=OH或OCH3]。
紫甘薯色素的主要成分为矢车菊素和芍药素[3]，其中芍药素是矢车菊素的甲基化衍生物。
色素在紫甘薯细胞中以与糖缩合成糖苷的形式存在于液泡中，主要呈色成分为花青素类的氰锭酰基葡糖苷及甲基花青素酰基葡糖苷[4]。
紫甘薯色素是一种水溶性色素，也易溶于稀酸稀碱；
pH值对其光谱特性影响很大，在不同的介质中呈现不同的光谱特性；
pH值对其稳定性影响不大，它通过影响花色苷的存在形式改变着花色苷的热稳定性；
温度对其影响可能与pH有关当为3时该色素对热表现出相对稳定性，因此为减少对色素的破坏，使用时应尽量避免高温和长时间受热。
紫甘薯有许多其他色素所不具备的特殊功能。
首先它具有抗氧化活性，及自由基清除功能。
研究发现大多数酰化的花色苷都具有α-生育酚一样的抗氧化活性，特别是从紫甘薯中分离出的芍药素显示出与丁基羟基茴香醚（HBA）相当的抗氧化活性[5]。
花色苷抗氧化作用的主要活性基团是分子中的酚羟基[6]。
紫甘薯色素中有多个酚羟基，是羟基供体，同时也是一种自由基清除剂。
它不仅能和蛋白质结合防止过氧化[7]，而且还能提供质子，有效清除脂类自由基，切断脂类氧化的链式反应，起到防止脂质过氧化的作用[8]。
Furuta考察了21种甘薯的乙醇提取物对叔丁基过氧自由基的清除活性，发现其中含有花色苷的紫甘薯清除该自由基的活性最强。
此外还进一步证实，对由亚麻酸自氧化而引起的脂过氧化，紫甘薯具有最强的抗氧化作用。
其次它具有抗突变活性，研究发现特别是紫甘薯“Ayamurasaki”中的花色苷可有效地抑制杂环胺、3-氨基-1，4二甲基-5氢-吡哆-（4，3-b）吲哚、等引起的突变作用[5]。
再次紫甘薯花青素具有减轻肝功能障碍的作用，紫甘薯饮料能明显抑制病鼠血清中GOT和GPT的上升，并对血清中的乳酸脱氢酶、硫化巴比土酸反应物，肝脏中的TBA-Rs几氧化脂蛋白的增加都有一定的抑制功能，从而减轻由CCl4引起的肝损伤。
同时，将该饮料作用于肝损伤患者也有相似的功效[5]。
经济一体化是当今世界经济发展的大趋势。
随着我国加入WTO后，农场品市场的开放，农业生产将面临国内外市场竞争的双重压力。
针对我国特用甘薯开发的起步晚，设备和工艺较落后的特点，招商引资，与外资联合，通过引进国外先进的加工机械，开发新产品，提高产品档次，生产无污染营养食品，占领国内外市场。
我国是甘薯种植大国，种植面积占全世界甘薯总种植面积的70，加之甘薯具有其他作物无可比拟的高产、稳定、适应能力强等特点，因此，我国开发甘薯花青素有很强的原料优势。
从山东东部沿海地区种植日本甘薯品种获得成功的实践来看，甘薯花青素产品在我国的确有得天独厚的原料优势。
目前分布在威海和青岛的几家企业已开始进入规模化、专业化生产甘薯色素阶段。
发展方向是扩大紫甘薯红色素的应用范围，获得更广泛的应用领域。
由于紫甘薯红色素有较好的耐热性和耐光性，以及薯类的芳香，在饮料和果酒上的应用将会比其他茶青素类色素更有前途。
加强与其他色素的复配着色研究。
通过与葡萄皮色素、萝卜红色素、紫甘蓝色素、黑豆红色素和紫玉米色素的对比实验，我们认为，在这几种色调比较相似的色素中，紫甘薯红色素虽然气味怡人，但在色调上并无突出之处，反而有紫色过重之嫌，应用在多数食品中不易被消费者接受。
如果能与其他色素复配，则可能会有更好的效果。
比如紫甘薯红与栀子蓝复配，会得到近似长城干红的色调。
立足国内市场的开发，避免被国外采购商联合打压。
随着国人生活水平的日益提高，在食品中添加天然色素已是大势所趋。
越来越多的食品饮料厂家也乐于向他们的产品中添加天然色素以提高产品档次。
在天然色素中，红色素也主要集中在花青素的几个品种上，紫甘薯红色素在气味和稳定性上有更强的优势，势必会在天然色素的领域里占有一席之地。
通过对紫甘薯红色素进行几年的调查研究，我们认为，紫甘薯红色素作为新的天色色素品种，有它的独特性和优异性，值得推广应用。
但由于在天然红色素中，它并没有惟一性，所以对它的发展要建立在客观的市场评估和科学的应用研究基础上。
1.3我国天然色素生产状况分析
1.3.1企业分布情况
我国天然色素的制备及使用具有悠久的历史，经过十几年的努力，有了长足发展。
天然色素新品种不断增加，天然色素产品应用开发拓展了行业发展空间，在与国际接轨、思维创新、管理创新、技术创新等方面取得了可喜的成就。
我国天然色素的生产厂主要分布在河北、湖北、天津、浙江、江苏、江西、深圳、北京、河南、山东等20多个省市，其中大部分处于适宜四季生长蔬菜的东南沿海地区。
从品种上看，主要生产辣椒红色素、姜黄色素、甜菜红、甘薯红、红品红等［9］。
主要厂家有湖北省潜江市绿海宝生物技术有限公司、河北省曲周县晨光色素厂、丹麦食品配料生产商科汉森公司设于天津的食用色素生产厂、杭州临安色素厂、浙江省永康市阳光天然色素厂、平阳县天然食用色素厂、南通海天然色素厂、江西省鹰潭市华康天然色素厂、浙江省温州市平阳县利微天然植物色素厂、河北正昌天然色素有限公司、深圳粤兴天然食用色素厂、江苏省句容市天然食品色素厂、北京市金晔天然色素厂、河南广晔天然色素有限公司、青岛红星化工集团天然色素有限公司（青岛天然色素厂）。
1.3.2主要色素品种
我国天然色素品种有30余种天然植物色素分类：
按植物色素化学结构归类，可分为花色苷（花青素）类、类胡萝卜素（多烯色素）类、黄酮类、四吡咯类、醌类、焦糖类及其他类。
按类别区分，植物色素主要品种如表1
表1植物色素类别及主要品种
类别
色素名称
主要化学成分
植物来源
类胡萝卜素
花青素类
葡萄皮色素
花葵素
葡萄皮
红莓色素
花青素
红莓
玫瑰茄色素
飞燕草素-3-接骨木二糖苷
玫瑰茄
矢车菊素-3-接骨木二糖苷
红球甘兰色素
红球甘兰
接骨木色素
甲基花青素
接骨木
紫玉米色素
锦葵素
紫玉米
萝卜红色素
天然葵苷
红心萝卜
越橘红色素
红豆越橘、笃斯越橘
紫苏红色素
紫苏苷
紫苏
番茄红素
番茄
胭脂树红
红木素
胭脂树
胭脂树橙
降红木素
α-胡萝卜素
胡萝卜等
β-胡萝卜素
胡萝卜素
辣椒红
辣椒红素
辣椒
番红花红
藏红花酶
西红花
栀子黄
α-藏花素、栀子苷
大花栀子
黄酮类
高粱色素
3，3′，4-三羟基黄酮
红高梁种皮
可可色素
黄酮-3，4-二醇，儿茶酸
可可豆
菊黄素
查耳酮苷
菊花
红花黄
红花苷
红花
姜黄色素
姜黄素、去甲氧基姜黄素及去二甲氧基姜黄素
姜黄
吡咯类
叶绿素铜钠
叶绿素铜钠盐
蚕沙、雏菊、菠菜
醌类
紫草红色素
乙酰紫草素
紫草根
檀香木色素
檀香木A和B
檀香木
焦糖类
焦糖色素
糖类焙烤
其它
甜菜红
甜菜碱
甜菜
红曲色素
红斑红曲素、红曲素、红曲玉红胺等
发酵法制备
栀子兰色素
栀子提取物酶处理
列入中华人民共和国国家标准食品添加剂卫生标准GB2760-1996中允许使用的食用色素有48个品种，它们是：
苋菜红、胭脂红、叶绿素铜钠盐、β-胡萝卜素、甜菜红、姜黄、红花黄、紫胶红、越橘红、辣椒红、辣椒橙、红米红、栀子黄、菊花黄浸膏、黑豆红、高梁红、玉米黄、萝卜红、可可壳色、红曲米、红曲红、落葵红、黑加仑红、栀子蓝、沙棘黄、玫瑰茄红、橡子壳棕、多穗柯棕、桑椹红、金樱子棕、姜黄素、酸枣色、花生衣红、葡萄皮红、蓝锭果红、藻蓝、植物炭黑、紫草红、茶黄色素、茶绿色素、柑橘黄、胭脂树橙、胭脂虫红、焦糖色（不加氨生产）、焦糖色（亚硫酸铵法）、焦糖色（加氨生产）、β-胡萝卜素（发酵法）、密蒙黄等。
已经制定中华人民共和国国家标准或行业标准的食用天然色素共有19个品种。
由于我国植物品种资源丰富，一大批植物色素新的品种正在积极研发中，植物色素作为新兴产业，处于蓄势待发中。
美国允许生产使用的植物色素主要种类有：
胭脂树橙、脱水甜菜粉、β-胡萝卜素、葡萄皮色素、红花色素、海藻粉色素、果蔬汁色素、辣椒色素、菊科植物粉末及提取物、玉米胚乳油、核黄素等。
日本允许生产和使用的植物色素主要种类有：
胭脂树橙、紫苏色素、红花黄素、可可色素、甘草色素、罗望子色素、浆果类色素、茜草色素、紫根色素、橘子黄素等。
1.3.3设备情况
色素主要生产设备有进料输送机、检验带、萃取设备（可用CO2超临界萃取）、过滤设备、干燥设备等、浓缩设备、包装设备等。
过滤设备作为色素加工的关键设备，一般采用离心过滤、板框过滤、陶瓷膜过滤、大孔树脂吸附过滤等方式。
浓缩设备一般采用升膜或降膜蒸发器。
2设计总论
2．1设计依据
本设计根据河北科技大学生物科学与工程学院食品科学与工程系下达的《设计任务书》而进行设计的，综合运用所学的基础知识和专业知识，进行了年产50吨紫甘薯色素的工厂工艺设计。
2．2设计题目
年产50吨紫甘薯色素工厂工艺设计
2．3设计要求
本设计应体现一定的进取性、合理性、并结合我国生产实际，尽量采用工业生产中的先进经验和技术。
创造性的适用所学理论知识，在达到投资少，见效快的情况下，使产品应符合国家标准，在整个设计中既能体现生产并减轻劳动强度，又能节约能源，降低成本。
同时，在“三废”治理和环境保护方面，都必须符合国家有关规范。
还要符合国民经济的发展。
2．4设计原则
（1）统一布局、尽量不占或少占良田，做到节约用地；
（2）尽可能采用新设备、新工艺，以利于投产后达到预期经济效果，减少不成熟设备和工艺带来的损失；
（3）在条件允许的情况下，尽可能用通用设备或标准设备，简化设计工作量，缩短工作时间；
（4）在保证产品质量的前提下，尽量减少原辅料的消耗，节约设备费用，缩短施工周期，以便减少基建投资；
（5）要充分考虑工人工作时的心情和劳动环境，必须美化环境，使之符合国家环境标准，“三废”处理必须符合国家有关部门的规定，防火设施要符合建筑设计防火规范；
（6）工艺设计、地域土建、动力水暖、卫生必须和其它辅助部门互相配合，使整个设计成为一个统一的整体，避免各个环节的相互脱节，造成产品缺陷而影响到产品质量[7]。
2．5设计范围
（1）原辅材料、成品规格等标准的确定；
（2）工艺流程的确定及工艺要点说明；
（3）进行物料衡算、设备计算、劳动力平衡、水电汽平衡计算；
（4）公用设施的设计；
（5）全厂平面布置、车间平面布置、立剖图、工艺流程图；
（6）工厂“三废”的综合处理；
（7）进行经济技术分析。
3厂址选择
3．1选择依据
在进行厂址选择时，应按国家方针政策，生产条件和经济效果等方面考虑，厂址选择是否合理将直接影响到工农关系、城乡关系，有时甚至还影响到基建进度，投资费用及建成投产后的生产条件和经济效益，同时，对产品质量和卫生条件，对职工的劳动环境等都有密切的关系，具体事项的决定应依据以下原则：
3．1．1周围环境
厂区附近应有良好的卫生环境，没有污水、废渣、有害气体、放射性源、粉尘和其他扩散性的污染源（比如：
传染病医院），特别是在上风向地区的工矿企业，更要注意它们对食品厂有无危害。
厂址不应该选在受污染河流的下游。
还应该尽量避免在古坟、文物、风景区和机场附近建厂，并避免高压线、国防专用线穿越厂区。
3．1．2地质条件
要有可靠的地质条件，应避免将工厂设在流沙、淤泥、土崩断裂层上。
对特殊地质如溶洞、湿陷性黄土、大孔性土等应尽量避免。
在山坡上建厂要避免滑坡。
在矿藏地表处不应建厂。
厂址应有一定的地耐力，并有相应的抗震措施。
3．1．3水源与排水
厂址附近不仅要有充足的水源，且水质也应较好，厂址地形地势应使排水通畅，确保卫生条件。
3．1．4动力系统
供电线路，燃料运输均应方便。
3．1．5交通运输
良好的交通条件，以减少投资。
3．1．6占地与面积
服从当地工业布局，少占或不占良田，做到节约用地、满足生产要求，并留有发展余地。
3.2厂区规划
拟选厂址在河北省邯郸市曲周县技术开发区，邯郸市曲周县地处河北与河南交界，曲周县经济发展环境良好，九八年被命名为省级文明卫生县城、林业达标县，地理位置优越，北临京津、东近渤海，地处晋、冀、鲁、豫交界，交通极具便利，西邻京广铁路和京深高速公路，境内公路纵横交错，省道邯临公路横贯东西，宁魏公路纵穿南北。
电力供应充足，有220千伏、110千伏和35千伏变电站六座。
科技、文化、教育、卫生、金融、服务事业功能齐全，有完善的服务网络。
周围各地可为企业提供稳固的货源基地，有利于降低企业生产成本。
有高速公路相连，交通运输十分便利。
附近没有易燃、易爆和排放有害气体、有害粉尘的工厂，地形平坦、地质较结实，又不易受洪水淹没。
综合来看，在邯郸技术开发区建设紫甘薯色素加工厂，无论是从地理位置、交通运输、天气气候，还是从当地资源状况和政策环境来看，都是十分理想的。
公司总体布局分区合理、明确，结合一次规划、分散建造实施原则，划分生产区、生活区、办公区。
绿化带将厂区与生活区、办公区有序的分离。
公司厂区的道路全部都是水泥硬质路面，道路平坦，不积水，厂区内在道路以外空地进行绿化，环境优美，交通便利。
厂区内设有足够的垃圾存放桶，并于当日将垃圾清除，厂区内的卫生间有相应的防蝇、防虫设施，并定期消毒。
4加工方案的确定
4．1产品方案的要求
产品方案即生产纲领，就是工厂准备全年生产哪些品种和各种产品的数量、产期、生产班次等的计划安排，又因市场的需求变化而引起工厂生产产品品种的变化，这样就需要一个产品方案，所以必须综合考虑，在编排产品方案时，全年的实际生产日数不宜少于300天。
应尽量做到“四个满足”“五个平衡”[8]。
“四个满足”：
（1）满足主产品产量的要求。
（2）满足原料综合利用的要求
（3）满足淡、旺季平衡的要求。
（4）满足经济效益的要求。
“五个平衡”：
（1）产品产量与原料供应量平衡。
（2）生产季节性与劳动力平衡。
（3）生产班次平衡。
（4）设备生产能力平衡
（5）水、电、汽负荷平衡。
4．2产品方案的确定
本设计为日处理紫甘薯粉10吨的色素加工厂，产品为水溶性紫色素。
鉴于实际情况，拟采用两班工作制，工作时间11小时，清洗管路2小时。
年处理量3000吨紫甘薯全粉（产色素量约为1.7%），全年生产不少于300天，分两班，每班11小时。
经计算，实际日需要紫甘薯粉10吨（考虑过程损耗）。
安排一条生产线，包装形式是袋装，内包装为聚乙烯膜真空包装袋外包装采用铝箔包装袋，每袋500g色素粉，每20袋一箱。
5生产工艺及工艺论证
5．1产品工艺流程
紫甘薯色素加工工艺流程一般为：
紫甘薯全粉→10%柠檬酸浸提→粗提液→沉淀罐→离心机粗滤→板框过滤→陶瓷膜过滤→大孔树脂吸附→反渗透水洗脱→薄膜蒸发器浓缩→喷雾干燥器→包装→成品
5．2工艺论证与说明
（1）原料验收：
采购的紫甘薯全粉必须满足适宜色素提取、品质优良、无病虫害、无农药和微生物污染。
可以通过引导农民选择、培育适应色素提取加工的紫甘薯品种即烟紫薯337，确保紫甘薯全粉质量。
（2）萃取浸提：
将紫甘薯全粉经过螺旋提升机进入萃取罐，在萃取罐中用5%柠檬酸溶液浸提。
提取温度为60℃，每次提取时间1h共经过两次循环浸提,两次共能提取其中色素88%。
（3）沉淀：
萃取之后的粗提液通过管道进入沉淀罐，在沉淀罐中自然沉淀8小时，使大的颗粒与悬液分离。
沉淀固体为滤液总体积的1.4%色素回收率约99.5%。
（4）离心过滤：
沉淀罐中的液体经过离心机进行粗过滤；
采用三足式离心机进行离心沉淀，要求离心因数800以上，离心分离出的固体约占液体总体积的0.5%，色素回收率约99.6%。
（5）板框过滤：
板框过滤分两步，滤液先经过10微米滤布，滤饼约占滤液体积总量的0.2%；
再经过1微米滤布，滤饼约占滤液总体积的0.2%；
每次每次过滤后用滤液总体积的1/10倍水洗涤以减少色素损失，两次板框过滤后色素回收率约为99.4%。
（6）陶瓷膜过滤：
采用0.2微米陶瓷膜过滤，滤饼约占滤液总体积的0.1%，此过程色素回收率约99.7%。
（7）大孔树脂吸附纯化：
选用AB-8大孔树脂吸附纯化由于打孔树脂吸附色素时是放热的过程，而解析时是吸热的过程而低温则会导致反应速率的下降[9]，因此我们吸附时采用20℃下吸附2h,解吸时采用60℃下反渗透水洗脱4h。
吸附后正向淋洗4h，反向淋洗2h；
解吸用70%乙醇水溶液，回收率约98.0%。
此过程经过多次循环。
（10）浓缩：
采用双效降膜蒸发器对纯化后的液体进行多次循环浓缩。
（11）喷雾干燥：
色素浓缩液经过喷雾干燥器干燥为色素粉，色素损失约为1.4%。
（12）小包装
包装车间必须保持0℃～10℃环境，包装工人、用具、制服等要保持清洁卫生，定期消毒，非工作人员不得随意进入包装车间，谨防传带污染物。
内包装材料必须是无毒性、耐低温、透气性低、无异味的，一般选用0.06mm～0.08mm聚乙烯薄膜袋，无菌袋真空包装，外包装为铝箔包装。
（13）检测
将金属检测器安装在运送装袋之后的色素的传送带上，传送带采用可以用于食品加工的塑料材料。
在运行中适时检测，如报警，再次通过检测，再报警的产品就全部打开，找出金属异物，查找混入原因，清除隐患。
使用之前必须用Fe直径1.5mm、SuS直径2.0mm的标样测试敏感度，确认是否正常运转，是否有异常并记录存档。
（14）装箱、封口
外包装用纸箱，表面涂防潮油层，保持防潮性能良好。
每箱净重10kg（20袋，每袋500g），上下两层排列整齐。
箱外用胶纸带封口，刷明标记，包括成品名称、生产厂家名称、厂址、生产日期、保质期、使用方法、成品标准编号等，如果出口商有特殊要求，按要求实施。
5.3产品质量标准
5.3.1原料感官指标
（1）均匀紫色粉末。
（2）色泽新鲜，无异味。
（3）烟紫薯337符合天然色素出口加工标准要求，经农业部蔬菜品质检测中心测定：
烟紫薯337的花青素含量为每100克61.6毫克，烟紫薯337粉含花青素等色素成分约每100克1.5克。
5.3.2成品质量指标[10]
（1）外观为深紫色粉末，达到规定的色价。
易溶于水、乙醇。
（2）项目指标：
表2原材料成本估算
项目
指标
E1%1cm535nm＞
3.0
pH
4.0-6.0
干燥失重%，≤
10.0
灼烧残渣%，≤
14.0
砷（As）%，≤
0.0002
铅（Pb）%,≤
0.0005
6物料衡算
6．1物料衡算
根据工厂设计规模、产品方案，通过物料平衡计算，可确定单位时间生产过程中主要原辅料的需求量以及水、蒸汽、能源等流量与耗量，据此就可以计算出全年主要物料、包装材料的采购运输和仓储容量。
同时通过物料衡算，还可以根据计算数值经济合理地选择生产设备，并进行车间的工艺布置和各工序劳动力的安排，也是进行经济分析不可缺少的根据。
6.2产品生产成本
原料选用烟紫薯337甘薯全粉，产品生产周期为24小时，原料3000吨，年生产300天，每天投入原料10吨。
根据生产中采用的原料知色素含量1.5%但是实际色素含其他成分，所以色素得率取2.0%。
由生产工艺知过程损耗1―88%×
99.5%×
99.6%×
99.4%×
99.7%×
98.0%×
98.6%=16.4878%，产率2.0%则：
每天产量：
10×
2.0%×
（1-16.4878%）＝0.1670t＝167.0kg＝167000g
年产量为：
0.1670×
300=50.1t
需塑料袋（个）：
167000÷
500＝334，334×
300＝100200
需铝箔袋（个）：
100200
需纸箱（个
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