馬鈴薯淀粉加工廢水中超濾回收馬鈴薯蛋白質

陳鈺，潘曉琴，鐘振聲，王劍

（華南理工大學化學與化工學院,廣東廣州510640）

馬鈴薯淀粉加工廢水中超濾回收馬鈴薯蛋白質

陳鈺，潘曉琴，鐘振聲*，王劍

（華南理工大學化學與化工學院,廣東廣州510640）

研究超濾法回收馬鈴薯淀粉加工廢水中的蛋白質的可行性。以蛋白質截留率和滲透通量為指標進行綜合考慮，得出超濾的最佳條件為：操作壓力為0.10 MPa，室溫22℃，pH 5.8。在此條件下超濾回收蛋白質的截留率高達80.46%，處理后的廢水的CODCr值由原來的9280.04 mg/L降為3898.41 mg/L。對超濾膜清洗效果最佳的清洗劑是0.05%的堿性蛋白酶，其次是0.5%的NaOH水溶液，恢復系數高達99.55%和89.12%。

超濾；滲透通量；截留率；清洗；蛋白質

Abstract:The feasibility of recovery of potato protein from starch producing waste water by ultrafiltration was studied.Based on permeation flux and rejection coefficient of potato protein,the optimum conditions as follows：operated pressure 0.10 MPa,temperature 22℃,pH 5.8.Under such conditions,the rejection coefficient of potato protein reached 80.46%.After ultrafiltration,the CODCrof waster water was reduced to 3898.41 mg/L from 9280.04 mg/L.The best cleaning agents was 0.05%Alcalase and 0.5%sodium hydroxide solution,coefficient of restitution reached 99.55%and 89.12%,respectively.

Key words：ultrafiltration;permeation flux;rejection coefficient;cleaning;protein

聯合國教科文組將2008年定為“馬鈴薯年”，2008年4月6日的第十屆中國馬鈴薯大會上，農業部副部長危朝安指出，發展馬鈴薯產業對保障我國糧食安全、促進農民增收意義重大。我國馬鈴薯產業近年來發展迅速，在許多地區馬鈴薯加工產業鏈帶動了當地的經濟發展。目前全國生產淀粉的企業大小數千家，年產馬鈴薯淀粉總量達40多萬t，年加工馬鈴薯近300萬t，年排放馬鈴薯淀粉廢水800多萬t（化學需氧量COD含量高達10000 mg/L以上）[1]，由于冰凍的天氣無法滿足生化處理的要求，加上馬鈴薯淀粉加工企業布局分散以及高昂的投資成本，加大了廢水治理的難度，這些含有蛋白質及低聚糖等生理活性物質的工藝廢水大部分被直接排放，不僅極大浪費了資源，而且造成了生態環境的惡化。

但是廢水中這些生理活性物質含量較低，傳統的方法如蒸汽熱凝濃縮、生物處理、化學絮凝等，存在能耗大、產品附加值低等問題。近年來，隨著膜分離技術研究和膜組件開發的不斷發展，為低濃度溶液的濃縮和分離提供了有效的手段[2]，使高效處理馬鈴薯淀粉廢水成為可能。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮馬鈴薯、堿性蛋白酶及中性蛋白酶：廣州裕立寶生物技術有限公司，酶活20×104U/g；焦亞硫酸鈉（AR）：廣東光華化學廠有限公司；硫酸銅（AR）：天津市耀華化學試劑有限責任公司；硫酸鉀（AR）：天津市福晨化學試劑廠；濃硫酸（AR）：衡陽市凱信化工試劑有限公司；濃鹽酸（AR）：廣東光華化學廠有限公司；氫氧化鈉（AR）：廣東光華化學廠有限公司；次氯酸鈉（AR）：廣州化學試劑廠；三聚磷酸鈉（AR）：天津市化學試劑一廠；乙二胺四乙酸二鈉（AR）：天津市福晨化學試劑廠；吐溫-20（AR）：天津市科密歐化學試劑有限公司；十二烷基硫酸鈉（AR）：上海潤捷化學試劑有限公司；硼酸（AR）：上海凌峰化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

皇冠牌JC-028榨汁攪拌機：皇冠電器有限公司；HITACHI（日立）：himac CR22GⅡ高速冷凍離心機；試驗用膜分離裝置：上海亞東核級樹脂有限公司、PS-10（截留分子量為10000 u）；聚砜中空纖維內壓式超濾膜組件：上海亞東核級樹脂有限公司；珠江牌XJ-1型COD消解裝置：廣東省環境保護儀器設備廠；PHB-3便攜式pH計：上海三信儀表廠；B-220恒溫水浴鍋：上海亞榮生化儀器廠；秒表：深圳追日電子科技；85-2磁力攪拌器：上海閔行虹浦儀器廠；KDN-103F自動定氮儀：上海纖檢儀器有限公司。

1.3 測定方法

1.3.1 蛋白質含量的測定

采用國標GB/T5009.5-2003微量凱式定氮法來測定蛋白質的含量[3]。

1.3.2 蛋白質截留率的測定[2]

1.3.3 滲透通量的測定[4]

滲透通量R是指一定操作下，每單位時間內水或溶液通過單位膜面積S的透過量[L/（m2·h）]：R=Q/ST，

式中：本試驗所采用的膜面積S為0.2 m2，Q表示透過液的體積，L；T表示透過所需的時間，h。

1.3.4 清洗效果的測定[5]

清洗效果通常用去離子水滲透通量恢復率K來表示：

式中：R1為污染膜的去離子水滲透通量[L/（m2·h)]；R為清洗后膜的去離子水滲透通量，[L/（m2·h)]；R0為新膜的去離子水滲透通量，[L/（m2·h)]。

1.3.5 COD的測定

采用GB11914-89重鉻酸鉀法來測定水樣的COD值[6]。

1.4 方法

1.4.1 模擬加工廠制備馬鈴薯淀粉廢水

稱取一定量的馬鈴薯，加水200 mL/kg（以鮮重計），焦亞硫酸鈉1 g/kg鮮重，在榨汁機中攪碎成泥漿狀，5500 r/min高速離心20 min，取上清液用G3沙芯漏斗抽濾，對濾液中的蛋白質進行測定，并稀釋到蛋白質濃度為10 g/L左右[7]。

1.4.2 超濾試驗操作步驟

超濾試驗操作步驟見圖1。

圖1 試驗型膜分離裝置示意圖Fig.1 Experimental UF device flow chart

1.4.3 廢水超濾最適條件的確定

分別在不同的廢水溫度、操作壓強、pH值的條件下，每隔10 min記錄一次滲透通量值，得到不同影響因素下的滲透通量隨時間的關系變化圖。待超濾進行60 min時，膜面滲透通量趨于穩定，取一定體積的透過液，采用凱式定氮法測得透過液與原料液的蛋白質含量，計算求得蛋白質的截留率，確定不同影響因素對蛋白質截留率的變化關系。

1.4.4 膜的清洗

由于濃差極化、凝膠層的出現及其固化及膜孔堵塞的影響，超濾膜在使用一段時間后，滲透通量將降低，必須對污染后的膜進行清洗以恢復膜的通量，保證其使用壽命。本試驗在室溫22℃，壓強0.1 MPa下，先用清水清洗膜的表面正反洗各20 min，再在40℃下，用不同的化學試劑反洗40 min，最后在室溫下用清水沖洗至穩定。分別測定新膜的、污染后膜的以及清洗后膜的去離子水滲透通量，計算得到不同清洗劑的清洗效果。

2 結果與分析

2.1 操作壓強對滲透通量和蛋白質截留率的影響

在pH 5.8，室溫22℃的條件下，對模擬馬鈴薯廢水進行超濾濃縮，由于本試驗中的超濾裝置膜能承受的最大壓強為0.15 MPa，為了保護超濾膜，僅考察壓強范圍為0.03 MPa~0.14 MPa間的不同操作壓強對滲透通量隨時間的變化以及蛋白質截留率的影響。結果見圖2和圖3。

從圖2可以看出，濃差極化不明顯之前，隨著操作壓強的增加，滲透通量也隨之增大。隨著超濾時間延長，壓力升高(0.10 MPa≤P＜0.14 MPa)導致濃差極化惡化，滲透通量階梯性降低。當壓力到一定數值后(P≥0.14 MPa)，膜面溶質濃度達到凝膠濃度時，將導致凝膠層形成。此時，通量通量由凝膠層阻力決定，幾乎不依賴于壓力[8]。

由圖3可以看出，隨著操作壓強的增加，蛋白質截留率降低，但降低幅度減小。這可能是因為，在壓力較小的時候，凝膠層尚未形成時，壓力越大促使溶質透過超濾膜的推動力越大，使更多的分子變形擠過膜孔，對于需要截留的大分子物質來說，表觀截留率將隨之降低。由于0.10 MPa下滲透通量隨時間較為穩定，而且0.10 MPa也是超濾裝置的正常工作壓力，本試驗綜合考慮，選擇0.10 MPa為最佳操作壓強。

圖2 操作壓強對滲透通量的影響Fig.2 Influence of operated pressure on permeation flux

圖3 操作壓強對蛋白質截留率的影響Fig.3 Influence of operated pressure on rejection coefficient of potato protein

圖4 溫度T對滲透通量的影響Fig.4 Influence of temperature on permeation flux

圖5 溫度T對蛋白質截留率影響Fig.5 Influence of temperature on rejection coefficient of potato protein

2.2 溫度對滲透通量和蛋白質截留率的影響

在pH5.8，壓強0.10 MPa的條件下，對模擬馬鈴薯廢水進行超濾濃縮，由于本試驗中的膜組件的正常工作溫度為5℃～45℃，故僅選擇此間的3個溫度值，考察溫度對滲透通量隨時間的變化及蛋白質截留率的影響。結果如圖4和圖5。

由圖4可以看出，隨著溫度的升高，滲透通量增加。這可能是因為隨著溫度升高，料液的黏度降低，擴散系數增加，減緩了濃差極化的影響。此外，溫度升高還有利于蛋白質溶解度增大，降低了膜表面對蛋白質的吸附，因此滲透通量隨溫度的升高而增大，但通量的衰減也隨溫度的升高而增大。若溫度持續上升（T＞60℃），則可能使蛋白質因變性而溶解度降低或無機鹽的溶解度也降低，從而加重膜的污染[8]。

由圖5可以看出，隨著溫度的增加，蛋白質截留率降低。這可能是因為隨著溫度升高，分子動能增加，料液黏度降低，濃差極化減小，而且凝膠層的厚度也減小了，導致蛋白質的截留率降低。本試驗綜合考慮，選擇室溫22℃為最佳工作溫度。

2.3 pH值對滲透通量和蛋白質截留率的影響

在pH5.8，室溫22℃的條件下，對模擬馬鈴薯廢水進行超濾濃縮，考察pH對滲透通量隨時間的變化及蛋白質截留率的影響。結果如圖6和圖7。

馬鈴薯蛋白質是混合蛋白，在一定pH值條件下，各自帶不同的電荷，膜面也呈現一種特定電荷，只有與膜的電性相反的蛋白質才能被吸附下來，而帶其他電荷的蛋白質不能被吸附，只能在表面形成極化層或凝膠層。從圖6可知，由于pH 3.8~4.8小于或等于蛋白質組分的等電點，大部分蛋白質帶正電荷，與表層荷負電的聚砜膜電荷異性，膜表面對蛋白質的吸附最大，因此滲透通量最低。

膜和蛋白質相互作用主要依賴于范德華力及雙電層作用[9]。從圖7可以得出這樣的結論，當pH值接近蛋白質等電點pI時，蛋白質溶解度低，膜面吸附增加，使得蛋白質截留率增大。隨著溶液的值偏離等電點，當pH值大于pI時，蛋白質與膜電荷同性，因此不易形成蛋白質吸附層，蛋白質的截留率有所下降；而當溶液的pH值小于pI時，蛋白質與膜電荷異性，但由于蛋白質分子所帶電荷相同，不易發生聚集，所形成的蛋白質吸附層較疏松，使蛋白質的截留率也會稍微下降一些[5]。由于工業中通常是長時間連續工作，pH3.8或4.8雖然有利于蛋白質的回收，但其通透衰減太大而不能達到工業要求，故選擇廢水的原pH值5.8為最佳工作pH。

圖6 pH值對滲透通量的影響Fig.6 Influence of pH on permeation flux

圖7 pH值對蛋白質截留率的影響Fig.7 Influence of temperature on rejection coefficient of potato protein

圖8 清洗劑對膜的清洗效果Fig.8 The cleaning effect of cleaning agent

2.4 膜的最佳清洗條件的確定

在40℃，壓強0.1 MPa下對膜進行化學試劑反洗，這是因為正反洗交替有利于強化清洗效果，而升高溫度也有利于吸附蛋白質的溶解和分子的擴散。對污染膜分別采用酸、堿、表面活性劑、氧化劑及酶的清洗，考察化學清洗劑對膜的清洗效果。結果見圖8。

從圖8可以得知，用不同質量分數的NaOH清洗時，膜通量的恢復隨著NaOH質量分數的增加而遞增，這是因為膜面蛋白質的溶解度增大，降低了靜電污染層與表面層的內部作用力，使之可以從膜表面脫落；但如果NaOH濃度過高時，污染層中的蛋白質易發生變性，使其結合更緊密，清洗效率也隨之下降[10]，所以采用NaOH溶液清洗時，質量分數不宜超過0.5%。表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）可以降低分子表面張力，還能提高聚砜膜的親水性，采用0.5%的SDS可以使蛋白質的肽連伸展，并與蛋白質結合使其帶負電荷，從而阻止了蛋白質在膜表面和孔道內的吸附，恢復膜的通量[10]，但是該清洗液粘度大，難以清洗干凈，一般不宜采用此清洗劑。利用NaClO的氧化性可以攻擊靜電吸附層，使其吸附鍵斷裂，從而使污染物離開膜表面，還能增加膜的親水性[10-11]及起到殺菌的作用，但是有機膜材料長期大量接觸強氧化劑會加速有機材料腐蝕老化降解，造成膜穿孔等，一般不采用此清洗劑。清洗效果最顯著的當屬蛋白酶清洗劑，尤其是堿性蛋白酶，即使酶濃度低至0.05%，清洗后膜的恢復系數仍高達99.55%。堿性蛋白酶是目前市場上流行的洗滌添加劑，能大幅度提高洗滌去污（尤其是蛋白類污垢）能力，而且作用溫和，不會破壞膜孔結構。但是酶添加量應小心控制，以免對膜造成新的污染。EDTA，三聚磷酸鈉均可以減少無機鹽在膜面上的沉積，阻止無機鹽在膜與蛋白質之間形成“鹽橋”，緩解蛋白質在膜面上的污染[10]。另外不同化學清洗劑協同作用，也可以提高膜的清洗效果。

3 結論

1）采用超濾法回收馬鈴薯淀粉加工廢水中的蛋白質技術上是可行的，蛋白質截留率高，濃縮效果明顯。

2）以蛋白質截留率和滲透通量為指標進行綜合考慮，得出超濾的最佳條件為：操作壓力為0.10 MPa，室溫22℃，pH 5.8。在此條件下超濾回收蛋白質的截留率高達80.46%。

3）對超濾膜清洗效果最佳的清洗劑是0.05%的堿性蛋白酶，其次是0.5%的NaOH水溶液，恢復系數高達99.55%和89.12%。

4）超濾法還對廢水的治理有較好的效果，經過超濾法處理后的廢水，CODCr值由原來的9280.04 mg/L降為3898.41 mg/L。

根據試驗研究可以認為采用超濾法回收馬鈴薯淀粉加工廢水中的蛋白質是一種穩定、濃縮效率高、安全、自動化程度高的蛋白質回收的好方法。

[1]張澤俊，蘇春元，劉期成.馬鈴薯淀粉廠工藝廢水的綜合處理及利用研究[J].食品科學，2004，25（增刊）：134-137

[2]任俊艷.超濾濃縮小麥淀粉谷阮粉生產廢水研究[D].鄭州：鄭州大學化工學院，2006：10-15

[3]GB/T 5009.5-2003食品中蛋白質的測定[S].北京：中華人民共和國衛生部，2003

[4]葉瓊興，鄭必勝.超濾法澄清西番蓮果汁的研究[J].食品研究與開發，2007，28(7)：96-99

[5]任俊艷.超濾濃縮小麥淀粉谷阮粉生產廢水研究[D].鄭州：鄭州大學化工學院，2006：40-46

[6]GB11914-89水質—化學需氧量的測定—重鉻酸鉀法[S].北京：國家環境保護局標準處，2003

[7]Marie-Christine Ralet,Jacques GueH guen.Fractionation of Potato Proteins：Solubility,Thermal Coagulation and Emulsifying Properties[J].Lebensm.-Wiss.u.-Technol.,2000,33(5)：380-387

[8]王湛，周翀.膜分離技術基礎[M].2版.北京：化學工業出版社，2006：227-231

[9]Munir Cheryan.Ultrafiltration Handbook[M].Lancaster：Technomic,1986：175

[10]王曉麗，傅學起，陳長龍，等.大豆分離蛋白污染的聚砜膜清洗實驗研究[J].安全與環境學報，2004，4(4)：25-27

[11]Sayed Razavi S K,Harris J L,Sherkat F.Fouling and cleaning of membranes in the ultra filtration of the aqueous extract of soy flour[J].J Membr Sci,1996,114(1/2)：93-104

Study on Recovery of Potato Protein from Starch Producing Waste Water by Ultrafitration

CHEN Yu,PAN Xiao-qin,ZHONG Zhen-sheng*,WANG Jian
（School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong,China）

2009-10-10

陳鈺（1984—），女（漢），碩士研究生，應用化學專業。