CN101473885B - 一种利用絮凝剂从豆腐黄浆水中分离蛋白质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用絮凝剂从豆腐黄浆水中分离蛋白质的方法，所述方法包括：往豆腐黄浆水中加入壳聚糖与下列之一或其中两种以上组合的混合物作为复合絮凝剂：聚合三氯化铝，聚合硫酸铁、海藻酸钠，絮凝剂总用量为0.1～3mg/mL，搅拌使絮凝剂分散，20℃机械搅拌混合5～10min，0～4℃静置12～24h，离心，于沉淀中得到蛋白质。本发明选择壳聚糖与其他絮凝剂的组合作为复合絮凝剂，尤其是选用天然大分子两性絮凝剂——壳聚糖复合物，相对于传统的化学合成的高分子絮凝剂更环保，蛋白回收率高，还可以形成更大的分子共聚物，絮凝效果好，用量少，经济，所回收的蛋白产品质量好，可用于酸性蛋白饮料，或作为蛋白补充剂应用于焙烤、肉制品等行业中。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种利用絮凝剂从豆腐黄浆水中分离蛋白质的方法。
(二)背景技术
我国传统的大豆制品年消费量接近900万吨，以加工每吨大豆产生8-10吨废水计，豆制品加工企业每年约有近千万吨高浓有机废水需处理、排放，其COD、BOD分别高达15200mg/L、7700mg/L给环境带来了巨大的压力，更成为限制豆制品工业发展的瓶颈。如何处理巨大的污染，是亟带解决的重要难题。
豆腐废水即豆腐黄浆水，是豆制品点脑凝固后，压榨成型时流出的废水，色黄、微绿，pH为6左右。豆腐黄浆水中作为COD、BOD的主要来源的蛋白质、碳水化合物含量分别为0.5％、0.7％。由于含量偏低，使得黄浆水的开发利用较长时间没有实现产业化。生物法是目前使用最广泛的污水处理方法。生物降解法以厌氧、曝气及其组合处理为特征的，可有效降低废水的COD、BOD实现达标排放。但污水处理厂占地面积大，在现代寸土寸金的城市处理厂只能建立在市郊，而豆制品企业规模小、分布散，无形中增加了废水集中处理的难度，而以生产企业为单位的废水曝气处理又存在着成本偏高的问题，同时也不利于食品企业的生产卫生。此外，生物处理法使得大豆乳清中蛋白质、低聚糖等宝贵资源白白浪费。鉴于黄浆水中含有丰富的营养物质和功能性成分，当前研究的热点是在治理废水的同时如何根据废水成分的各自特性，选择合理的分离技术实现经济、高效地回收大豆黄浆水中蛋白质、低聚糖，变废为宝，为生产企业增加新的经济增长点。超滤和微滤等膜技术较成熟，分离速度快，处理量大，但其致命缺陷是膜污染问题(膜表面出现的沉积作用及亚微型颗粒堆积产生，或者由在膜表面和膜孔内出现的结晶化及溶质沉降产生)，要经常更换膜组件，运行费用、单位成本偏高，典型的食品加工超滤设备的平均能量有效利用率只有45％。絮凝法经济高效，处理量大，操作简单，具有明显的优势。传统的化学大分子聚合物(聚合氧化铁、聚合氯化铝)可脱除废水中50～70％的蛋白质，但得到的蛋白质只能作饲料用，附加值不高。过高的絮凝剂添加量(0.15～0.3％)还会造成二次污染。因此，天然、安全、经济高效的生物大分子聚合物替代化学大分子聚合物作为絮凝剂是期望的。
(三)发明内容
本发明目的是提供一种采用天然大分子作为絮凝剂，环保、高效的从豆腐黄浆水中分离蛋白质的方法。
本发明采用的技术方案是：
一种利用絮凝剂从豆腐黄浆水中分离蛋白质的方法，所述方法包括：往豆腐黄浆水中加入壳聚糖与下列之一或其中两种以上组合的混合物作为复合絮凝剂：聚丙烯酰胺，聚合三氯化铝，聚合硫酸铁、海藻酸钠，絮凝剂总用量为0.1～3mg/mL，搅拌使絮凝剂分散，20℃机械搅拌混合5～10min，0～4℃静置12～24h，离心，于沉淀中得到蛋白质。本发明关键是将蛋白质从豆腐黄浆水中分离出来，于沉淀中获得蛋白质的过程可按照本领域常规方法进行。本发明人经实验发现，将壳聚糖与聚合氯化铝、聚合硫酸铁、海藻酸钠等复合使用用于蛋白质絮凝，具有明显的增效作用，不仅蛋白回收效率高，同时也减少了壳聚糖用量，降低了成本(壳聚糖较为昂贵)。
蛋白回收可按如下方法进行：
将絮凝后离心所得的沉淀溶于蒸馏水中至质量浓度为8～10(w/v)％，搅拌溶解，1500r/m离心5min，取上清液添加清液质量1％的活性碳，50℃搅拌脱色20min，过滤除杂质，滤液进行喷雾干燥得到大豆乳清蛋白浓缩物。
甲壳素(β(1-4)-N-乙酰基-D-氨基葡萄糖)是除纤维素外最丰富的天然生物高聚物。壳聚糖(2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖)是阳离子型脱乙酰基的甲壳素派生物的阳离子，是广泛应用于食品加工废物处理、食品加工废物的原料回收、水净化处理、果汁澄清和单一细胞蛋白质回收的理想絮凝剂。本发明针对单一壳聚糖使用性价比不高、絮凝回收的对象范围窄、使用量不能过高等问题，采用壳聚糖与其絮凝剂复合形成两性壳聚糖絮凝剂复合物，实现协同功效，减少壳聚糖使用量，增加经济性，提高回收蛋白质的品质。
优选的，所述絮凝剂总用量为0.3～0.8mg/mL。
优选的，所述复合絮凝剂为壳聚糖和海藻酸钠的混合物，海藻酸钠单独回收豆腐废水蛋白效果虽然不佳，但与壳聚糖复合使用效果非常明显，所述壳聚糖和海藻酸钠添加量之和为0.8mg/mL时，蛋白回收率均高于85％。
更为优选的，所述壳聚糖添加量为0.5mg/mL，所述海藻酸钠添加量为0.3mg/mL时，蛋白回收率高达95.45％。
具体的，所述方法如下：往豆腐黄浆水中加入0.5mg/mL的壳聚糖和0.3mg/mL的海藻酸钠作为复合絮凝剂，搅拌使絮凝剂分散，20℃、100r/min机械搅拌混合5min，4℃静置12h，3000r/min离心5min，于沉淀中得到蛋白质。
本发明的有益效果主要体现在：选择壳聚糖与其他絮凝剂的组合作为复合絮凝剂，尤其是选用天然大分子两性絮凝剂——壳聚糖复合物(带有来自未反应的壳聚糖氨基基团的正电荷和未反应的藻酸盐和胶质或角叉胶的硫酸基团的羟基基团赋予的负电荷)，相对于传统的化学合成的高分子絮凝剂(阳离子的聚合氧化铁、聚合氯化铝)更环保，蛋白回收率高(两性絮凝剂拓宽了目标絮凝物的分子类型，能够回收更宽范围的分子类型)，还可以形成更大的分子共聚物，絮凝效果好，用量少，经济，所回收的蛋白产品质量好(不含有毒有害的金属离子及化学试剂，所用的壳聚糖、海藻多糖为常用食品添加剂，天然安全)，可用于酸性蛋白饮料，或作为蛋白补充剂应用于焙烤、肉制品等行业中。
(四)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实验所用豆腐废水基础数据如下：pH 5.8，总固形物23.1mg/mL，浊度23.6，蛋白质含量3.87mg/mL，总糖含量10.90mg/mL，其中95％为低聚糖，COD19622mg/mL，TOC 8790mg/mL。试验所用所有大分子絮凝剂均配配成10％(w/v，即100mL溶液中含有溶质10g)稀溶液。
实施例1：
取前述大豆废水1L，分别添加0.05mL、0.15mL、0.3mL、0.4mL、0.5mL、0.75mL、1.0mL和2.5mL的10％聚丙烯酰胺溶液，絮凝反应在2L烧杯中进行，先快速搅拌1min将絮凝剂分散开，絮凝后的悬浮液在20℃，100r/min机械搅拌混合5min，然后4℃下静置12h，3000r/min离心5分钟，测上清液浊度，由于废水中浊度值与其蛋白含量密切相关，因此可以浊度降低百分比作为评价蛋白回收率的指标。浊度由型号为DRT100B HF的浊度计测定，蒸馏水作空白，实验结果以浊度降低百分比表示。(原液浊度-絮凝后的浊度)/原液的浊度×100％，详见表1。
表1：不同浓度聚丙烯酰胺絮凝蛋白质的效果比较
数据表明，阴离子聚丙烯酰胺对大豆废水中蛋白质的效果不佳，回收率不足30％，添加量增至0.25mg/mL时，浊度反而增加。
实施例2：
取前述大豆废水1L，分别添加1.0、3.0、5.0、8.0、10、20、30、40、50mL的10％聚三氯化铝溶液，絮凝反应在2L烧杯中进行，先快速搅拌1min将絮凝剂分散开，絮凝后的悬浮液在20℃，100r/min机械搅拌混合5min，然后4℃下静置12h，3000r/min离心5分钟，测上清液浊度。详细数据见表2。
表2：不同浓度聚合三氯化铝絮凝蛋白质的效果比较
实验范围内，聚合三氯化铝的絮凝效果随其浓度增加而增加，添加量增至5mg/mL时，蛋白的回收率接近90％，但添加量过高可能会引起二次污染。
实施例3：
取前述大豆废水1L，分别添加1.0、3.0、5.0、10、20、30、40、50mL的10％聚硫酸铁溶液，絮凝反应在2L烧杯中进行，先快速搅拌1min将絮凝剂分散开，絮凝后的悬浮液在20℃，100r/min机械搅拌混合5min，然后4℃下静置12h，3000r/min离心5分钟，测上清液浊度。详细数据见表3。
表3：不同浓度聚合硫酸铁絮凝蛋白质的效果比较
聚合硫酸铁的最佳絮凝浓度为4mg/mL，浓度过高过低蛋白回收率均有所降低。
实施例4：
取前述大豆废水1L，分别添加0.4、1.0、3.0、5.0、8.0、10、30和50mL的10％海藻酸钠溶液，絮凝反应在2L烧杯中进行，先快速搅拌1min将絮凝剂分散开，絮凝后的悬浮液在20℃，100r/min机械搅拌混合5min，然后4℃下静置12h，3000r/min离心5分钟，测上清液浊度。详细数据见表4。
表4：不同浓度海藻酸钠絮凝蛋白质的效果比较
海藻酸钠是带负电荷的多糖类大分子，其对豆腐废水的絮凝效果并不十分理想，其添加量0.3mg/mL时蛋白回收率最高，约为75％，添加量继续增加，浊度急剧下降，说明高浓度的海藻酸钠对废水中的蛋白起到稳定作用。
实施例5：
取前述大豆废水1L，分别添加1.0、3.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10、20和30mL的10％壳聚糖溶液，絮凝反应在2L烧杯中进行，先快速搅拌1min将絮凝剂分散开，絮凝后的悬浮液在20℃、100r/min机械搅拌混合5min，然后4℃下静置12h，3000r/min离心5分钟，测浊度。详细数据见表5。
表5：不同浓度壳聚糖絮凝蛋白质的效果比较
实施例6：
取前述大豆废水1L分两组分别添加3.0mL、5.0mL 10％的壳聚糖溶液，两组溶液中分别添加0.03mL、0.05mL聚合三氯化铝或聚合硫酸铁，先快速搅拌1min将絮凝剂分散开，絮凝后的悬浮液在20℃、100r/min机械搅拌混合5min，然后4℃下静置12h，3000r/min离心5分钟，测上清液浊度。详细数据见表6。
表6.：壳聚糖与高分子絮凝剂复合使用的絮凝效果比较
数据表明，壳聚糖与聚合氯化铝、聚合硫酸铁具有协同作用，0.50mg/mL壳聚糖结合0.003、0.005mg/mL的铁离子、或铝离子，蛋白脱除率接近90％。
实施例7：
取前述大豆废水1L，分别添加0、3.0、4.0、5.0、6.0、8.0mL的10％壳聚糖溶液，再依次添加8、5、4、3、2、0mL的10％海藻酸钠溶液，先快速搅拌1min将絮凝剂分散开，絮凝后的悬浮液在20℃、100r/min机械搅拌混合5min，然后4℃下静置12h，3000r/min离心5分钟，测上清液浊度。详细数据见表7：
表7：壳聚糖、海藻酸钠复合物的絮凝效果
海藻酸钠单独回收豆腐废水蛋白效果虽然不佳，但与壳聚糖复合使用效果非常明显，二者总量保持0.8mg/mL时，蛋白回收率均高于85％，尤其壳聚糖浓度0.5mg/mL，海藻酸钠浓度0.3mg/mL时蛋白回收率高达95.45％。
蛋白回收方法：
将絮凝后离心所得的沉淀溶于蒸馏水中至质量浓度为8～10(w/v)％，搅拌溶解，1500r/m离心5min，取上清液添加清液质量1％的活性碳，50℃搅拌脱色20min，过滤除杂质，滤液进行喷雾干燥得到大豆乳清蛋白浓缩物。
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1.一种利用絮凝剂从豆腐黄浆水中分离蛋白质的方法，所述方法包括：往豆腐黄浆水中加入壳聚糖与海藻酸钠的混合物作为复合絮凝剂，所述壳聚糖与海藻酸钠添加量总和为0.8mg/mL豆腐黄浆水，所述壳聚糖添加为0.3、0.4、0.5或0.6mg/mL豆腐黄浆水，先快速搅拌1min使絮凝剂分散，然后20℃、100r/min机械搅拌混合5min，4℃静置12h，3000r/min离心5分钟，于沉淀中得到蛋白质。
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