CN111705046B - 一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的技术 - Google Patents

一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的技术 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β‑淀粉酶的技术，属于生物环保技术领域。包括如下步骤：在废水中加入酸性硅藻土，使花青素和β‑淀粉酶沉淀，并在过滤得到的滤渣中加溶剂溶解，得花青素和淀粉酶的溶解液；将滤液经超滤浓缩得到高浓度花青素溶液，并与溶解液合并，随后将合并液经大孔吸附树脂吸附，将流出的淀粉酶溶液采用超滤方法浓缩纯化得到β‑淀粉酶，并将大孔树脂用乙醇溶液洗脱得到洗脱液；最终将洗脱液浓缩、干燥得到花青素产品。本发明公开的处理技术满足紫薯加工周期短、日处理量大的需求，为废水中花青素、淀粉酶回收及蛋白和多糖的资源化利用提供一种快速、高效、成本经济的方法，适合产业化应用。

Description

一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的技术
技术领域
本发明属于生物环保技术领域，涉及一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的技术。
背景技术
紫甘薯是我国近年引进的甘薯新品种，不仅含有普通甘薯的营养成分，而且富含花青素，是具食用、药用及保健作用于一身的奇特甘薯。新鲜紫薯不耐储藏，收获后除了少部分直接食用外，绝大部分加工成全粉、淀粉、粉丝等便于保存、流通和应用的产品。由于紫薯加工季节性强、周期短及分散性大等特点，使得紫薯资源难以规模化加工利用；且加工过程中耗水量和排污量大，不仅给治理造成诸多困难，而且限制了薯类产业规模集聚效益的发展。
由于花青素水溶性较好，在紫薯加工生产过程中，大部分花青素被水洗出并与加工废水一起排放，造成严重的优质资源浪费和环境污染。且β-淀粉酶是紫甘薯块根中仅次于甘薯贮藏蛋白的一种蛋白质成分，约占块根可溶蛋白的5％。目前我国对紫薯的利用主要是提取色素和淀粉，大量的β-淀粉酶未得到充分利用；同时排放的废水中含有大量的β-淀粉酶等蛋白质类物质，造成了水质污染。因此，如何简单有效地分离回收紫薯加工废水中具有高附加值的花青素和β-淀粉酶，并且减少工业化生产中的环境污染，是紫薯加工过程中亟待解决的问题。
此外，花青素对光敏感，长时间存放会导致色素分解；较长时间的处理更易使淀粉酶失活，要从淀粉加工废水中高效回收花青素和淀粉酶，应尽量缩短废水处理时间。且废水中存在的大量淀粉，使很多处理方法(如过滤、超滤、萃取、树脂吸附等)难以顺利进行。虽然大孔树脂吸附是近年来最常用的花青素分离提纯方法之一，但是耗时长，不适合紫薯废水中花青素的提取。由于紫薯加工废水中含有大量有机物，直接处理很容易堵塞树脂，因此，亟需研究开发低成本有效的废水前处理技术。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种紫薯淀粉加工废水中快速提取花青素和β-淀粉酶的技术，该处理技术满足紫薯加工周期短、日处理量大的需求，为废水中花青素、淀粉酶回收及蛋白和多糖的资源化利用提供一种快速、高效、成本经济的方法，适合产业化应用。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的技术，所述技术具体包括如下处理步骤：
(1)在紫薯淀粉加工废水中加入沉淀剂，使花青素及淀粉酶快速沉淀，并过滤得到滤渣和滤液；
上述采用添加沉淀剂对废水进行快速、大量、高效的处理，以实现花青素、淀粉酶与废水的快速分离，其可在短时间内处理大量废水；
(2)在所述滤渣中加溶剂溶解，得花青素和淀粉酶的溶解液；
(3)将所述滤液经超滤浓缩得到高浓度花青素溶液，并与所述溶解液合并，得到合并液；
(4)将所述合并液经大孔吸附树脂吸附，其中花青素被树脂吸附，淀粉酶不吸附而流出树脂柱，得到淀粉酶溶液；
(5)将所述淀粉酶溶液经超滤浓缩、纯化得到β-淀粉酶，并将所述大孔吸附树脂用乙醇溶液洗脱得到洗脱液；
(6)将所述洗脱液浓缩、干燥，最终得到花青素产品。
优选的，所述步骤(1)中，沉淀剂的添加量为废水重量的0.02～0.35％；所述沉淀剂为酸性硅藻土，其中所述酸为盐酸、磷酸、柠檬酸或硫酸。
需要说明的是，本发明将酸与硅藻土提前混合后制备酸性硅藻土，使酸附着于硅藻土上，既可有效避免沉淀过程中由于废水pH变化较大而使淀粉酶失活，又使附着于表面的花青素保持活性状态。
本发明经过共沉淀使得废水中80-90％的花青素和淀粉酶转入沉淀物，且过滤后滤液中的固体悬浮物含量为处理前废水的5-10％左右。
进一步优选的，所述步骤(1)采用的过滤方式为板框压滤、真空过滤或离心过滤。
优选的，所述步骤(2)中，溶剂的加入量为所述滤渣体积的5～50倍，且所述溶剂为pH低于4.5的酸溶液。
优选的，所述步骤(3)得到的高浓度花青素溶液体积为所述滤液体积的1/3～1/10，且所述高浓度花青素溶液可直接进行大孔吸附树脂吸附纯化分离花青素和β-淀粉酶。
优选的，所述步骤(4)使用的大孔吸附树脂为AB-8、D101、D3520、X-5、NKA-II、NKA-9、S-8、XDA-1、H-20、H-30、H-40中的一种或多种。
优选的，所述步骤(5)中，乙醇溶液中的乙醇含量为10～95％。
优选的，所述步骤(6)中的干燥方式为喷雾干燥、低温真空干燥或冷冻干燥。
与现有技术相比，本发明公开了一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的技术，优点在于：
1)本发明公开保护的技术工艺简单快捷，条件温和，无需复杂设备，可以获得高纯度与高生物活性的花青素和β-淀粉酶；本发明将对紫薯加工废水进行综合开发利用，提取其中的优质花青素和β-淀粉酶，在进行废水处理的同时，获得高附加值产品，对紫薯产业的进一步发展具有积极的意义。
2)本发明为避免淀粉废水存放过程中发生花青素变性和淀粉酶失活的现象，而采用沉淀分离技术，将废水中花青素、淀粉酶与其他蛋白、淀粉、多糖等发生沉淀析出，以满足紫薯加工周期短、日处理量大的需求，并在短时间内处理大量废水，将花青素、淀粉酶转入沉淀中，避免了淀粉废水酸性环境对两者的负面影响，为废水中花青素、淀粉酶回收及蛋白和多糖的资源化利用提供一种快速、高效、成本经济的方法；另外，共同沉淀析出的多糖、淀粉等对花青素和淀粉酶起到一定的保护作用，使其在后续较长时间保持活性。
3)本发明采用的沉淀剂为酸性硅藻土，一方面使花青素保持活性状态，且在硅藻土的作用下使蛋白质、淀粉、多糖等物质絮凝，产生的沉淀面积大，吸附力强，将花青素吸附在沉淀剂表面，便于后续的溶解操作，并通过过滤处理可快速分离沉淀与滤液；另一方面，蛋白质、淀粉、多糖等物质的存在降低了酸性环境对淀粉酶的损伤，将其复溶后以保持物质的较高活性。
4)本发明公开的沉淀采用弱酸环境，沉淀分离后的滤液中仍有较多花青素，这些未沉淀的花青素能够经过超滤浓缩得到高浓度花青素溶液，可直接进行大孔树脂吸附纯化。且由于废水中存在较多的淀粉、蛋白质等物质，直接超滤极易造成膜堵塞，经过前期共沉淀，废水中影响超滤的物质被沉淀下来，极大提高了超滤效率和处理能力。
5)本发明将沉淀产生的滤渣采用适当溶剂溶解，可得到较高浓度的花青素和淀粉酶溶液，且在溶解过程中尽量减少淀粉、多糖等杂质的溶出，避免了树脂处理过程中树脂柱堵塞，为大孔树脂吸附纯化花青素和淀粉酶创造了条件。
6)本发明采用前期沉淀的方法从紫薯淀粉加工过程废水中快速、高效分离花青素、淀粉酶等成分，为淀粉废水的高值资源化利用奠定基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶技术的流程图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合说明书附图1，本发明还请求保护一种工艺简单快捷，条件温和，无需复杂设备的紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的技术，具体流程如下：
(1)紫薯淀粉加工过程废水中加入废水重量0.02～0.35％的酸性硅藻土，混合均匀，使大部分花青素及淀粉酶沉淀析出，随后过滤得到滤渣和滤液；
(2)在步骤(1)得到的滤渣中加入5-50倍体积的溶剂溶解，得花青素和淀粉酶混合溶液；
(3)将步骤(1)得到的滤液经超滤浓缩至原体积的1/3～1/10，得到高浓度花青素和淀粉酶混合溶液，并与步骤(2)的溶液合并，得到合并液；
(4)将合并液经大孔吸附树脂吸附，其中花青素被树脂吸附，淀粉酶不吸附流出树脂柱，得到淀粉酶溶液；
(5)将流出的淀粉酶溶液经超滤浓缩、纯化得到β-淀粉酶，并将大孔树脂用乙醇溶液洗脱得到洗脱液；
(6)将洗脱液浓缩后干燥得花青素产品。
进一步的，沉淀剂为酸性硅藻土，且酸为盐酸、磷酸、柠檬酸或硫酸。
以及步骤(1)采用的过滤方式为板框压滤、真空过滤或离心过滤。
且采用的溶解溶剂为pH低于4.5的酸溶液；及步骤(4)使用的大孔吸附树脂为AB-8、D101、D3520、X-5、NKA-II、NKA-9、S-8、XDA-1、H-20、H-30、H-40中的一种或多种。
下面将结合具体实施例来描述上述本发明申请公开保护的技术方案，具体如下：
实施例1：
一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的技术，具体包括如下步骤：
(1)紫薯淀粉加工过程废水中加入废水重量0.03％的酸性硅藻土，混合均匀，使大部分花青素及淀粉酶共沉淀析出，随后过滤得到滤渣和滤液；其中，滤液组分含量变化如下所示：
花青素含量由原来废水的120mg/mL降至15mg/mL，淀粉酶含量由原来废水的75mg/mL降至12mg/mL；
(2)在步骤(1)得到的滤渣中加入10倍体积的0.2M盐酸溶剂溶解，得花青素和淀粉酶混合溶液；所述混合溶液中花青素浓度为400mg/mL，淀粉酶含量为145mg/mL；
(3)将步骤(1)得到的滤液经超滤浓缩至原体积的1/5，得到高浓度花青素和淀粉酶混合溶液，并将其与步骤(2)得到的溶液合并，得到合并液；其中浓缩液中花青素含量为72mg/mL，淀粉酶含量为52.3mg/L；
(4)将合并液经AB-8大孔吸附树脂吸附，其中花青素被树脂吸附，淀粉酶不吸附流出树脂柱，得到淀粉酶溶液；且流出液(所述淀粉酶溶液)基本无色；
(5)将流出的淀粉酶溶液采用10微米滤膜超滤浓缩、纯化、喷雾干燥后得到粉末淀粉酶，并将大孔树脂用含有0.3％柠檬酸的65％乙醇溶液洗脱得到洗脱液；其中超滤操作压为5×104Pa，且淀粉酶活力为5200U/mg，及洗脱液中花青素含量为2500mg/L；
(6)将洗脱液真空浓缩后得花青素色素浓缩液，其中固形物含量大于20％，色价达到3.2；待将花青素色素浓缩液干燥，即可得到花青素产品，色价高于5。
实施例2：
一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的技术，具体包括如下步骤：
(1)紫薯淀粉加工过程废水中加入废水重量0.025％的酸性硅藻土沉淀剂(硅藻土中加入重量1％的0.2M盐酸)，混合均匀，使大部分花青素及淀粉酶沉淀析出，随后转筒真空过滤分离得到滤渣和滤液；其中，滤液组分含量变化如下所示：
花青素含量由原来废水的120mg/mL降至14.3mg/mL，淀粉酶含量由原来废水的75mg/mL降至13.2mg/mL；
(2)在步骤(1)得到的滤渣中加入8倍体积的0.1M盐酸溶剂溶解，得花青素和淀粉酶混合溶液；所述混合溶液中花青素浓度为352mg/mL，淀粉酶含量为162mg/mL；
(3)将步骤(1)得到的滤液经超滤浓缩至原体积的1/5，得到高浓度花青素和淀粉酶混合溶液，并将其与步骤(2)得到的溶解液合并，得到合并液；其中浓缩液中花青素含量为68mg/mL，淀粉酶含量为71.5mg/L；
(4)将合并液经D3520大孔吸附树脂吸附，其中花青素被树脂吸附，淀粉酶不吸附流出树脂柱，得到淀粉酶溶液；且流出液(所述淀粉酶溶液)基本无色；
(5)将流出的淀粉酶溶液采用10微米滤膜超滤浓缩、纯化、喷雾干燥后得到粉末淀粉酶，并将大孔树脂用含有0.2％柠檬酸的60％乙醇溶液洗脱得到洗脱液；其中超滤操作压为5×104Pa，且淀粉酶活力为4900U/mg，及洗脱液中花青素含量为2670mg/L；
(6)将洗脱液真空浓缩后得花青素色素浓缩液，其中固形物含量大于20％，色价达到3.5；待将花青素色素浓缩液喷雾干燥后得粉末花青素产品，色价高于7.2。
上述公开的处理技术可进行废水的连续处理，且日处理废水量为800吨。
为了进一步描述本发明申请公开的技术方案及验证技术方案达到的技术效果，发明人进行了下述实验：
1.沉淀剂中酸种类及用量的影响
将硅藻土与酸(盐酸、硫酸、柠檬酸、磷酸)分别混合，得到酸性硅藻土，调节酸的用量，得到不同酸度的酸性硅藻土。
淀粉废水中花青素含量为120mg/mL，淀粉酶含量75mg/mL，固体悬浮物浓度2500mg/L
在淀粉废水中加入0.2％的酸性硅藻土，板框过滤后共沉淀效果如下表1所示：
表1
Figure BDA0002558051060000081
Figure BDA0002558051060000091
从上述实验结果可以看出，酸性硅藻土pH值过低，会导致大部分花青素不能沉淀，随着pH值升高，花青素沉淀量增加，但是较高的pH(5.0和6.0)条件下，花青素的复溶率较低。
虽然pH值对淀粉酶的沉淀影响不大，但是偏酸的环境导致淀粉酶变性，难以复溶，复溶后收率很低。
通过控制pH范围，本发明使用的几种酸均可使花青素和淀粉酶有效沉淀，并保持较高的复溶率，但是不同酸对应的pH有所差异。偏酸性的环境对于废水中固体悬浮物的去除效果稍弱。
2.沉淀剂用量
在淀粉废水中分别加入不同量的pH3.0的酸性(硫酸)硅藻土，板框过滤后共沉淀效果如下表2所示：
表2
Figure BDA0002558051060000092
从上述结果可以看出，在本发明公开的沉淀剂使用范围内，花青素和淀粉酶均有较好的收率，且其可有效去除废水中的悬浮物。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的方法，其特征在于，所述方法包括如下处理步骤：
（1）在紫薯淀粉加工废水中加入沉淀剂，混合均匀后过滤得到滤渣和滤液；
（2）在所述滤渣中加溶剂溶解，得花青素和淀粉酶的溶解液；
（3）将所述滤液经超滤浓缩得到高浓度花青素和淀粉酶混合溶液，并与所述溶解液合并，得到合并液；
（4）将所述合并液经大孔吸附树脂吸附，其中花青素被树脂吸附，淀粉酶不吸附而流出树脂柱，得到淀粉酶溶液；
（5）将所述淀粉酶溶液经超滤浓缩、纯化得到β-淀粉酶，并将所述大孔吸附树脂用乙醇溶液洗脱得到洗脱液；
（6）将所述洗脱液浓缩、干燥，最终得到花青素产品；
其中，所述步骤（1）中，沉淀剂的添加量为废水重量的0.02~0.35%，所述沉淀剂为盐酸、磷酸、柠檬酸或硫酸改性的酸性硅藻土，及所述酸性硅藻土的pH值为3.0~4.0；
所述步骤（2）中，溶剂的加入量为所述滤渣体积的5~50倍，且所述溶剂为pH低于4.5的盐酸溶液。
2.根据权利要求1所述的一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的方法，其特征在于，所述步骤（1）采用的过滤方式为板框压滤、真空过滤或离心过滤。
3.根据权利要求1所述的一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的方法，其特征在于，所述步骤（3）得到的高浓度花青素溶液体积为所述滤液体积的1/3~1/10，且所述高浓度花青素溶液直接进行大孔吸附树脂吸附纯化分离花青素和β-淀粉酶。
4.根据权利要求1所述的一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的方法，其特征在于，所述步骤（4）使用的大孔吸附树脂为AB-8、D101、D3520、X-5、NKA-II、NKA-9、S-8、XDA-1、H-20、H-30、H-40中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的方法，其特征在于，所述步骤（5）中，乙醇溶液中的乙醇含量为10~95%。
6.根据权利要求1所述的一种紫薯淀粉加工废水中提取花青素和β-淀粉酶的方法，其特征在于，所述步骤（6）中的干燥方式为喷雾干燥、低温真空干燥或冷冻干燥。
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