馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)回收方法綜述

□ 姚春艷 孫 瑩 畢偉偉 范文廣 哈爾濱商業(yè)大學(xué)

馬鈴薯的營養(yǎng)豐富，具有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、維生素和糖等成分。全世界馬鈴薯的種植面積達(dá)到2 000多萬公頃，我國馬鈴薯的種植面積占世界的25%，總產(chǎn)量占世界的20%，種植面積和總產(chǎn)量均居世界首位[1]。馬鈴薯以鮮食為主、加工為輔，我國以馬鈴薯為原料加工的產(chǎn)品的90%以上是淀粉及其粗加工產(chǎn)品粉條、粉絲等[2]。

目前，只有少數(shù)企業(yè)將廢水中的蛋白質(zhì)進(jìn)行回收然后將其用作動物飼料的生產(chǎn)原料，大多數(shù)企業(yè)都將廢水直接排放。蛋白質(zhì)在生物氧化過程中會大量消耗水中的氧，這將導(dǎo)致環(huán)境水體缺氧，對魚類和其他水生生物的生存以及相關(guān)地區(qū)的河流和農(nóng)田等水體環(huán)境都造成污染[3]。

1 馬鈴薯蛋白的營養(yǎng)及功能性質(zhì)

美國農(nóng)業(yè)部的報告指出，馬鈴薯和全脂奶粉能夠提供人體所需要的一切營養(yǎng)素[4]。Pouvreau等[5]和Barta等[6]將馬鈴薯蛋白按不同分子量分三種：馬鈴薯糖蛋白、蛋白酶抑制劑和其他蛋白質(zhì)。馬鈴薯糖蛋白能夠預(yù)防心血管系統(tǒng)的脂肪沉積，保持動脈血管的彈性，防止動脈粥樣硬化的過早發(fā)生，還能防止肝臟結(jié)締組織萎縮，保持呼吸道和消化道潤滑。

馬鈴薯蛋白是完全蛋白質(zhì)，含有19種氨基酸，必需氨基酸占47.87%，非必需氨基酸占52.13%，并且必需氨基酸中的賴氨酸和色氨酸都高于其他谷類作物，含量和比例符合人體需要[7]。必需氨基酸在大豆分離蛋白中占38.5%，在雞蛋蛋白中占49.7%，可見馬鈴薯蛋白的營養(yǎng)價值與雞蛋蛋白接近，高于大豆分離蛋白，遠(yuǎn)高于FAO/WHO的標(biāo)準(zhǔn)蛋白含量36.0%。

2 馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)的回收方法

2.1 自然沉淀法

使用沉淀池來進(jìn)行自然沉淀，當(dāng)沉淀液的pH值下降時，蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，排放上清液后可以回收沉淀的蛋白質(zhì)。這種方法需要的沉淀時間較長，并且沉淀面積較大，因此在實際操作中應(yīng)用得不是很廣泛。

2.2 泡沫分離法

將氣體通入淀粉廢水，在廢水中形成泡沫層，泡沫層會將廢水中的表面活性物質(zhì)聚集，形成氣浮體后，由于其密度小于廢水，所以通過回收氣浮體懸浮物質(zhì)也可分離蛋白質(zhì)。單獨使用泡沫法回收淀粉廢水中蛋白質(zhì)的研究較少，Weijenberg等[8]用這種分離方法回收了馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白質(zhì)，并研究了廢水溫度、廢水pH值和添加鹽對分離效果的影響，得出pH值中性時具有最好的分離效果。

2.3 超濾法

超濾法是以壓力或濃度作為驅(qū)動力，根據(jù)半透膜的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行固液分離，或?qū)⒋蠓肿优c小分子進(jìn)行溶質(zhì)分級的一種膜分離技術(shù)。目前，常用的超濾膜有醋酸纖維素膜、聚砜膜和聚酰胺膜等，超濾裝置有板框式、管式、卷式和中空纖維式等。

陳鈺等[9]使用聚砜中空纖維內(nèi)壓式超濾膜組件回收蛋白質(zhì)，得出超濾的最佳條件：操作壓力是0.10 MPa，溫度是22 ℃，pH值是5.8，蛋白質(zhì)回收率達(dá)到80.46%，清洗超濾膜的最佳條件是使用0.05%的堿性蛋白酶，其次是0.5%的NaOH水溶液。呂建國等[10]使用平板超濾設(shè)備回收馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白質(zhì)并進(jìn)行了中試研究，他們使用的是相對分子質(zhì)量為20 kDa的聚乙烯膜，壓力是0.2 MPa，溫度是25 ℃，進(jìn)口流量是160 L/min，結(jié)果表明蛋白質(zhì)回收率可以達(dá)到90%以上。顧春雷等[11]使用多種超濾膜處理了廢水，使用的是15 kDa和100 kDa相對分子質(zhì)量的超濾膜，結(jié)果表明蛋白質(zhì)回收率達(dá)到97%，并且還有效回收了大部分的低聚糖。

2.4 等電點沉淀法

等電點時，蛋白質(zhì)分子所帶正負(fù)電荷相等，靜電荷為零，分子之間極易聚集形成沉淀，達(dá)到從溶液中分離的目的。張文會[12]使用堿提酸沉法提取馬鈴薯分離蛋白，優(yōu)化后的提取條件是浸泡溫度35 ℃，浸泡時間1 h，pH值9.8，蛋白質(zhì)得率為0.8 g/100 g，說明溫度、時間和溶液pH對馬鈴薯分離蛋白溶液的流體性能有影響。

因不同蛋白質(zhì)的等電點不同，等電點要分別調(diào)節(jié)、蛋白質(zhì)要多次分離，并且調(diào)節(jié)等電點時要添加酸、堿，這些都將破壞蛋白質(zhì)，此外還容易發(fā)生化學(xué)變化生成新物質(zhì)，因此等電點沉淀法在環(huán)保和安全性方面存在較多弊端。

2.5 絮凝劑法

絮凝劑是能使微粒雜質(zhì)發(fā)生凝集沉淀的物質(zhì)，根據(jù)化學(xué)組成不同，絮凝劑分為有機(jī)絮凝劑和無機(jī)絮凝劑，有機(jī)絮凝劑包括淀粉、纖維素等多糖衍生物等，無機(jī)絮凝劑有鋁鹽明礬、硫酸鋁、鋁酸鈉和鐵鹽硫酸鐵、硫酸亞鐵和氯化鐵，而主要的是高分子無機(jī)絮凝劑，比如聚合硫酸鋁、聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁和聚合氯化鐵等。蛋白質(zhì)分子表面有羧基和氨基，這些基團(tuán)具有親水作用能夠在蛋白質(zhì)分子表面形成水化層，同時羧基和氨基的離子化作用使蛋白質(zhì)分子表面具有電荷，蛋白質(zhì)分子之間因此不會發(fā)生凝聚沉淀。Meister等在2002年使用氯化鐵作為絮凝劑從馬鈴薯淀粉廢水中分離蛋白質(zhì)，結(jié)果表明當(dāng)pH值在9.0～11.5范圍時，蛋白質(zhì)回收率是80%～90%。韓冬等使用該法對馬鈴薯淀粉廢水進(jìn)行了蛋白質(zhì)回收，使用的絮凝劑是聚合氯化鋁，使用量是5 000 mg/L，使用的助凝劑是聚丙烯酰胺，使用量是3.2 mg/L，研究結(jié)果表明，pH值為10，沉降時間為30 min時，蛋白質(zhì)回收率能夠達(dá)到40%。Bartova等使用氯化鐵作為絮凝劑回收淀粉廢水中的蛋白質(zhì)，添加0.02 g/mL的氯化鐵時，蛋白質(zhì)的回收率是82.7%。Barta等使用的絮凝劑是三種無機(jī)鹽硫酸亞鐵、氯化鐵和氯化鋅，蛋白質(zhì)最佳回收率分別為30.7%、86.4%和25.8%。 裴 兆 意使用的絮凝劑是殼聚糖，殼聚糖的用量是0.05 g/L，pH值為4.5，溫度為50 ℃，初始攪拌80 r/min攪拌10 s，再30 r/min攪拌60 min，的蛋白質(zhì)回收率為62.7%。

2.6 綜合處理法

如果將物理方法和化學(xué)方法綜合使用即為綜合處理法。孫紅娟等使用氣浮、絮凝和厭氧好氧組合工藝處理馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水，COD去除率可達(dá)97.67%。任瓊瓊等從馬鈴薯淀粉廢水中分離蛋白質(zhì)時是將酸堿沉淀法和超濾法結(jié)合使用的，處理參數(shù)是堿沉淀pH值為9.35、時間為59 min，酸沉淀pH值為3.41、時間為10 min，在此條件下的蛋白質(zhì)回收率是54.24%，再使用10 ku的超濾膜處理酸沉液后，蛋白質(zhì)回收率可達(dá)93.42%。

此外，使用磁性殼聚糖吸附蛋白質(zhì)是馬鈴薯淀粉廢水綜合處理的新方法。殼聚糖是一種堿性氨基多糖，能夠與絕大多數(shù)帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)快速形成沉淀，殼聚糖無毒，因此是處理食品工業(yè)廢水常用的絮凝劑，但是直接使用殼聚糖后存在回收困難的問題，因此使用磁性殼聚糖微球結(jié)合磁分離技術(shù)可以彌補(bǔ)這點。

3 從馬鈴薯淀粉廢水中回收蛋白質(zhì)存在的問題及對其未來的展望

從馬鈴薯淀粉廢水中回收蛋白質(zhì)的技術(shù)還有待改進(jìn)，比如：使用化學(xué)法時，將蛋白質(zhì)沉淀的同時，雜質(zhì)也會發(fā)生沉淀，蛋白質(zhì)的純度受到影響，而蛋白質(zhì)的功能特性也隨之受到影響，比如溶解性、發(fā)泡性、乳化性等。此外，回收蛋白質(zhì)以后在干燥過程中，蛋白質(zhì)由于酶促褐變和非酶促褐變其顏色容易變深。雖然超濾法可以回收到高純度和高品質(zhì)的蛋白質(zhì)，但超濾設(shè)備價格高，回收成本會因此而提高。