低溫氣浮分離蔗汁中蛋白質(zhì)的影響因素研究初探

謝顯華，莫柳珍，唐林波，張平軍*

(1 中國輕工業(yè)廣州工程有限公司，廣東廣州 510640；2 廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所，廣東廣州 510316；3 廣東省綠色制糖工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510316；4 桂林三金藥業(yè)股份有限公司，廣西桂林 541199)

0 引言

蛋白質(zhì)(Protein)作為一種有機(jī)大分子，是構(gòu)成細(xì)胞的基本有機(jī)物，是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。植物蛋白是蛋白質(zhì)的一種，主要從植物里提取，營養(yǎng)與動(dòng)物蛋白相仿，且更易于消化。甘蔗中的蛋白是植物蛋白質(zhì)非常好的來源[1,2]，屬于完全蛋白質(zhì)，富含全部人體的必須氨基酸，且組分齊全，是品質(zhì)極佳的優(yōu)質(zhì)蛋白，是一種綠色安全的保健食品。

甘蔗中含有相當(dāng)多的蛋白質(zhì)[3-5]，在多數(shù)新鮮甘蔗壓榨汁中，蛋白質(zhì)含量約為干固物總量的1%～1.5%。一個(gè)年榨100 萬t 甘蔗的糖廠，混合汁中的蛋白質(zhì)超過1000 t，可以為社會(huì)提供大量營養(yǎng)物，亦可以配制大量飼料[6-7]。

甘蔗是溫帶和熱帶農(nóng)作物，是生產(chǎn)蔗糖的主要原料。目前的制糖工藝中，除蔗糖分外的物質(zhì)作為非糖雜質(zhì)被一系列高溫、化學(xué)試劑破壞等工序澄清去除，以滿足下游食品及化工等行業(yè)對(duì)高品質(zhì)白砂糖的需要。近幾年，食糖價(jià)格波動(dòng)較大，大多數(shù)制糖企業(yè)處于盈利與虧損徘徊的狀態(tài)，制糖產(chǎn)業(yè)急需引入或改革加工生產(chǎn)技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)利潤，以實(shí)現(xiàn)自身的可持續(xù)發(fā)展。提取甘蔗中蛋白質(zhì)等營養(yǎng)健康成分，對(duì)于延伸傳統(tǒng)制糖產(chǎn)業(yè)鏈，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)增效益和農(nóng)民增收的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，也是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢。

國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)制糖工藝產(chǎn)生的濾泥中蛋白質(zhì)等物質(zhì)提取開展了多方面深入的研究[4]，但濾泥中雜質(zhì)很多，難以提取這些有效成分，相關(guān)技術(shù)仍不成熟，目前，提取技術(shù)的主要缺點(diǎn)是不能與連續(xù)的制糖生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)際相結(jié)合。

氣浮作為一種成熟工藝技術(shù)，正越來越受到重視，應(yīng)用的制糖企業(yè)越來越多[8-10]。其中低溫氣浮技術(shù)，因在較低溫度(45～70℃)下處理蔗汁，可避免高溫的不良影響，同時(shí)可對(duì)蔗汁中的蛋白質(zhì)加以保護(hù)和富集，并且可將蔗汁蛋白質(zhì)提取與制糖清凈工藝有機(jī)結(jié)合，在提取蛋白質(zhì)的同時(shí)解決工藝連續(xù)性的問題。另外，應(yīng)用低溫氣浮技術(shù)，濾泥的數(shù)量較少，為提取和充分利用甘蔗中的資源提供有利的條件。目前，關(guān)于利用氣浮法分離蔗汁中蛋白質(zhì)過程中影響因素的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

本研究將以甘蔗汁為對(duì)象，研究空氣流量、甘蔗汁pH、絮凝劑量、磷酸量、溫度等參數(shù)對(duì)甘蔗汁中蛋白質(zhì)的去除率的影響，同時(shí)，通過不同溫度下甘蔗汁中蛋白質(zhì)氣浮的去除速率，掌握溫度對(duì)氣浮分離過程的影響規(guī)律[11-12]。研究成果可為提高低溫氣浮技術(shù)去除富集甘蔗汁中蛋白質(zhì)的效率提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

氣浮實(shí)驗(yàn)是在自制的配有恒溫夾套的玻璃氣浮柱中開展[13]，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。高壓氣瓶中的干空氣經(jīng)過減壓閥后從布?xì)獍暹M(jìn)入氣浮柱中，氣體流量計(jì)指示和控制氣體流量。布?xì)獍迤骄睆綖? μm，裝實(shí)驗(yàn)物料樣品的玻璃柱為φ2.6 cm×70 cm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

Seven Easy 型pH 計(jì)，中國上海梅特勒-托利多儀器有限公司；WYA-ZT 型自動(dòng)阿貝折射儀，中國上海精密科學(xué)儀器有限公司；WZZ-T2 型自動(dòng)旋光儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司；501 型超級(jí)恒溫水浴鍋，上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司；甘蔗汁為購置新鮮甘蔗壓榨獲得；干空氣，廣州卓亞正氣有限公司；氧化鈣、硫酸、硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、磷酸、鹽酸、氫氧化鈉、PAM 絮凝劑，分析純。

2 蛋白質(zhì)的測定方法

稱取1.00～2.00 g 試樣，置于凱氏定氮瓶中，加入0.20 g 硫酸銅，6.00 g 硫酸鉀及20 mL 硫酸，搖勻，在電爐上加熱消化至溶液呈藍(lán)綠澄清透明后，再加熱0.5～1.0 h，冷卻后定容至100 mL。安裝定氮裝置，于水蒸氣發(fā)生瓶內(nèi)裝水至三分之二處，加入數(shù)粒玻璃珠，加甲基紅指示液數(shù)滴及數(shù)毫升硫酸，以保持水呈酸性，用調(diào)壓器控制，加熱煮沸水。向接受瓶加入10 mL 硼酸溶液(20 g/L)及1～2 滴混合指示劑，并使冷凝管的下端插入液面下，準(zhǔn)確吸取10 mL 試樣處理液由漏斗流入反應(yīng)室，并以10 mL水洗滌燒杯使流入反應(yīng)室內(nèi)。將10 mL 氫氧化鈉溶液(400 g/L)倒入玻璃杯由小漏斗流入反應(yīng)室。蒸餾5 min。移動(dòng)接受瓶，液面離開冷凝管下端，再蒸餾1 min。用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液(0.05 mol/L)滴定至灰色或藍(lán)綠色為終點(diǎn)[5]。

蛋白質(zhì)含量計(jì)算如式(1)所示：

式(1)中：P為蛋白質(zhì)含量；V1為試樣消耗硫酸或鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定液的體積，mL；V2為試劑空白消耗硫酸或鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定液的體積，mL；c為硫酸或鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度，mol/L；0.0140 為標(biāo)準(zhǔn)滴定液相當(dāng)?shù)牡馁|(zhì)量，g；m為試樣的質(zhì)量，g；F 一為氮換算為蛋白質(zhì)的系數(shù)，一般為6.25。

3 實(shí)驗(yàn)方法

在蔗汁中蛋白質(zhì)氣浮分離實(shí)驗(yàn)過程，先調(diào)節(jié)干空氣流量至所需值，使氣流量保持穩(wěn)定。然后將一定劑量的石灰乳和磷酸加入到盛有新鮮甘蔗壓榨汁的容器，通過0.1 mol/L 的NaOH 或0.1 mol/L 的HCl來微調(diào)節(jié)pH，置于恒溫槽中一定時(shí)間，加入PAM絮凝劑，攪拌均勻后，倒入夾套控溫的玻璃氣浮柱中，開始記時(shí)，按一定時(shí)間間隔取蔗汁樣測定蛋白質(zhì)量，計(jì)算蛋白質(zhì)去除率。

4 結(jié)果與討論

4.1 氣流量對(duì)甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率的影響

在甘蔗汁的錘度為16.5°Bx、每千克蔗汁總磷酸量為450 mg、絮凝劑量為1 mg、pH 值8.0、溫度60℃的條件下，考察了空氣流量分別在30(a)、60(b)、90(c) mL/min 時(shí)，對(duì)蔗汁中蛋白質(zhì)氣浮去除的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 氣流量對(duì)甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率的影響

由圖2 可知，空氣流量分別在30、60、90 mL/min時(shí)，氣浮時(shí)間0～2 min 時(shí)間段，甘蔗汁中蛋白質(zhì)的去除率較快；氣浮時(shí)間約6 min 后，甘蔗汁中蛋白質(zhì)的去除率基本趨于穩(wěn)定，分別約為90.1%、92.9%和80.2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較低流量下，即流量為30～60 mL/min 時(shí)，去除效率隨空氣流量的增加而增大。原因在于，空氣流量小，氣泡的直徑小，單位體積氣體的表面積大，通過表面吸附促進(jìn)了浮選。此外緩慢上升的氣泡與被浮物有較長的接觸時(shí)間，可以促進(jìn)氣泡邊界層的傳質(zhì)。若繼續(xù)增大流量，達(dá)到60～90 mL/min 時(shí)，去除效率顯著下降，這是因?yàn)榱髁刻髸?huì)引起溶液劇烈擾動(dòng)，使浮升物易從氣泡表面脫落，同時(shí)，氣泡在柱內(nèi)的停留時(shí)間隨流量增大而降低，不利于穩(wěn)定氣-液平衡，導(dǎo)致甘蔗汁中的蛋白質(zhì)氣浮去除率降低。

4.2 pH 對(duì)甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率的影響

在甘蔗汁的錘度為16.5°Bx、每千克蔗汁總磷酸量為450 mg、絮凝劑用量為1 mg、空氣流量60 mL/min、溫度60℃的條件下，氣浮時(shí)間6 min，考察了pH 值分別為7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5 時(shí)，對(duì)蔗汁中蛋白質(zhì)氣浮去除的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 pH 對(duì)甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率的影響

由圖3 可知，pH 值7.0～9.5 時(shí)，甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率從96.3%降低到88.2%，表明甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除，隨著甘蔗汁pH 值的增加而緩慢降低。原因在于，甘蔗汁中主要蛋白汁是酸中性蛋白質(zhì)，隨著甘蔗汁pH 值得增加，偏離多數(shù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)，減弱了氣浮過程通過絮凝網(wǎng)絡(luò)去除蛋白質(zhì)的能力。根據(jù)甘蔗制糖過程需減輕蔗糖被分解破壞的原則，選擇甘蔗汁pH 為7.5 的條件進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

4.3 絮凝劑量對(duì)甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率的影響

在甘蔗汁的錘度為16.5°Bx、每千克蔗汁總磷酸量為450 mg、pH 值7.5、空氣流量60 mL/min、溫度60℃的條件下，氣浮時(shí)間6min，考察每千克蔗汁絮凝劑量為0.5(a)、1(b)、1.5(c)和2(d) mg 時(shí)，對(duì)蔗汁中蛋白質(zhì)氣浮去除的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 絮凝劑量對(duì)甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率的影響

由圖4 可知，每千克蔗汁絮凝劑添加量0.5～1 mg，在氣浮時(shí)間為6 min 左右時(shí)，甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率從91.7%增加到95.8%，表明蛋白質(zhì)的去除隨著甘蔗汁中絮凝劑的量的增加而提高；絮凝劑添加量1～2 mg/kg 蔗汁，甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率數(shù)值沒有明顯變化。推斷的原因?yàn)椋盒跄齽┑牧刻贂r(shí)，糖汁中存在的大分子物質(zhì)間沒有充分起到架橋作用，氣浮過程氣泡表面的物質(zhì)易分散破裂，因而去除率降低；當(dāng)絮凝劑的量太高時(shí)，改變氣泡的性質(zhì)和表面張力的潛力有限，不能顯著增加吸附去除甘蔗汁中的蛋白質(zhì)。

4.4 磷酸量對(duì)甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率的影響

在甘蔗汁的錘度為16.5°Bx、每千克蔗汁絮凝劑量為1 mg、pH 值為7.5、空氣流量60 mL/min、溫度60℃的條件下，氣浮時(shí)間6 min，考察了每千克蔗汁磷酸量為300(a)、450(b)、600(c)和750(d) mg/kg時(shí)，對(duì)蔗汁中蛋白質(zhì)氣浮去除的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 磷酸量對(duì)甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率的影響

由圖5 可知，蔗汁總磷酸量分別為300、450和600 mg/kg，在氣浮時(shí)間為6 min 左右時(shí)，甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率分別為92.7%、95.9%和96.3%，表明蛋白質(zhì)的去除隨著甘蔗汁中磷酸量的增加而略有提高；磷酸添加量600～750 mg/kg 蔗汁，甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率數(shù)值沒有明顯變化。出現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因?yàn)椋焊收嶂械牡鞍踪|(zhì)具有種類多、分子量分散及物化性質(zhì)各異等特點(diǎn)，氣浮只能對(duì)甘蔗汁中的這些蛋白質(zhì)有選擇性的吸附，其去除的效率有局限性。根據(jù)提取的經(jīng)濟(jì)性等綜合考慮，選擇每千克蔗汁總磷酸量為450 mg 的條件進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

4.5 溫度對(duì)甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率的影響

在甘蔗汁的錘度為16.5°Bx、每千克蔗汁添加絮凝劑量為1 mg、總磷酸量為450 mg、pH 值為7.5、空氣流量為60 mL/min 的條件下，氣浮時(shí)間6 min，考察溫度為55℃(a)、60℃(b)、65℃(c)和70℃(d)時(shí)，對(duì)蔗汁中蛋白質(zhì)氣浮去除的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫度對(duì)甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率的影響

由圖6 可知，溫度為55℃(a)、60℃(b)、65℃(c)和70℃(d)時(shí)，在氣浮時(shí)間為2 min 左右時(shí)，甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率分別為 83.3%、87.7%、89.9%和92.4.6%，表明蛋白質(zhì)的去除率，隨著甘蔗汁溫度的增加而顯著提高。出現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因?yàn)椋焊收嶂械牡鞍踪|(zhì)隨著溫度的提高易發(fā)生凝聚，易被氣泡及生成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)富集去除。另外，根據(jù)圖6可知，溫度為65℃(c)和70℃(d)，在氣浮時(shí)間約為4 min 后，甘蔗汁中蛋白質(zhì)去除率無顯著性提高，因此選擇為65℃的條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在甘蔗汁錘度為16.5°Bx 條件下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇的參數(shù)實(shí)驗(yàn)，即空氣流量60 mL/min、pH 值7.5、每千克蔗汁絮凝劑量1 mg、總磷酸量450 mg及溫度65℃，氣浮時(shí)間6 min，蔗汁中蛋白質(zhì)氣浮去除率為96.9%。

5 小結(jié)

甘蔗中含有豐富的蛋白質(zhì)，可為社會(huì)提供大量營養(yǎng)物質(zhì)。論文通過對(duì)蔗汁中蛋白質(zhì)氣浮分離過程中的空氣流量、甘蔗汁pH、絮凝劑量、磷酸量、溫度等因素影響展開初步研究，為提高低溫氣浮技術(shù)去除富集甘蔗汁中蛋白質(zhì)的效率奠定一定的理論基礎(chǔ)，結(jié)論如下：

(1)通過氣浮技術(shù)對(duì)甘蔗汁中蛋白質(zhì)富集去除的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果為：在甘蔗汁錘度為16.5°Bx、空氣流量60 mL/min、每千克蔗汁絮凝劑量1 mg、磷酸量450 mg、pH 值7.5 及氣浮時(shí)間6 min 條件下，蔗汁中蛋白質(zhì)氣浮去除率可達(dá)到96.9%。

(2)氣浮去除甘蔗汁中蛋白質(zhì)過程的溫度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：隨著甘蔗汁溫度的增加而顯著提高；在較高溫度條件的氣浮，利于富集去除甘蔗汁的蛋白質(zhì)。