馬鈴薯淀粉加工汁水蛋白的臭氧鼓泡分離及營養評價

任 燕，秦禮康

（貴州大學生命科學學院，貴州貴陽550025）

馬鈴薯淀粉加工汁水蛋白的臭氧鼓泡分離及營養評價

任 燕，秦禮康*

（貴州大學生命科學學院，貴州貴陽550025）

采用臭氧鼓泡分離馬鈴薯淀汁水蛋白質，以蛋白質回收率為指標，在單因素篩選基礎上，通過正交實驗，進行工藝參數優化。結果表明，臭氧濃度對回收率影響最大，溫度對回收率影響最小。臭氧鼓泡分離蛋白質的最佳工藝參數為臭氧濃度為5.00g/h，溫度10℃、pH8.0、通氣時間90min，此條件下蛋白質回收率為93.21%；加入0.20%羧甲基纖維素鈉溶液，干物質回收率從原有的40.65%提高到57.60%；臭氧處理回收的蛋白質，非必需氨基酸含量48.82%，必需氨基酸占41.73%，與全雞蛋蛋白貼近度為0.867，仍具有較好的營養價值。

馬鈴薯汁水，蛋白質，臭氧，營養價值

1 材料與方法

表2 臭氧浮選法分離蛋白單因素實驗表

1.1 材料與儀器

馬鈴薯原料 威芋3號品種，貴州省大方縣栽種；考馬斯亮蘭試劑盒 南京建成生物工程研究所；其它試劑 均為國產分析純。

UV-7502PC紫外可見分光光度計 上海欣茂儀器有限公司；數顯恒溫水浴鍋 上海梅香儀器有限公司；5G臭氧消毒機 廣州佳環科技電器有限公司；FA2004分析天平 上海良平儀器儀表有限公司；KDN-04定氮儀 上海滬西儀器有限公司；L-8800 AA全自動分析儀，（日立Hitachi）型氨基酸自動分析儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗室制備廢水的成分特征

表1 廢水成分特征

1.2.2 臭氧泡沫浮選分離蛋白質的效果評價

1.2.2.1 單因素實驗 以蛋白回收率為評價臭氧浮選分離效果的指標，在固定廢水體積為200mL條件下，分別考察了臭氧濃度、溫度、pH、通氣時間對臭氧浮選法分離蛋白效果的影響，按表2處理后，測定蛋白回收率。

1.2.2.2 正交實驗 在單因素實驗的基礎上，以蛋白回收率為指標，運用正交實驗對泡沫分離體系的影響因素進行優化，確定出體系的最佳工藝參數。本研究選取了臭氧濃度、溫度、pH和通氣時間共4個因素，每個因素取三個水平。正交實驗的因素和水平取值見表3。

表3 正交實驗各因素與水平表

1.2.2.3 蛋白回收率測定

蛋白回收率（%）=回收蛋白質量/原廢水中蛋白質量×100%

1.2.3 干物質回收率 在最佳工藝參數基礎上，加入不同濃度的羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）溶液10mL作為乳化劑，測定干物質回收率。

干物質回收率（%）=泡沫干粉質量/原廢水總干物質量×100%

1.2.4 模糊識別法 采用蘭氏距離法定義評價原汁水蛋白和臭氧回收蛋白與標準蛋白（全雞蛋蛋白）的貼近度，其計算公式為：

式中：ak（k=1，2，…8）為標準蛋白的8種EAA含量；uik為第i個評價對象的第k種EAA含量。

最后按貼近度值大小順序排列。貼近度反映評價對象蛋白質質量與標準蛋白質的接近程度。其值越接近于1，其蛋白質營養價值相對較高。

1.2.5 回收馬鈴薯蛋白氨基酸營養評價 蛋白質測定：采用凱氏定氮法測定馬鈴薯蛋白質，粗蛋白系數為6.25；氨基酸測定：采用氨基酸自動分析儀測定馬鈴薯蛋白質氨基酸；化學評分（CS）：采用 FAO（1970）確定的方法，進行化學評分。氨基酸評分（AAS）：分別采用Bano（1982）的方法確定氨基酸評分。

1.2.6 數據分析 本實驗數據采用SPSS11.5軟件進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

從圖1可以看出，在溫度20℃、臭氧濃度5.00g/h、通氣60min，蛋白回收率隨pH的增高而增大，尤其在堿性條件下，蛋白回收率高達85.48%，其原因可能是臭氧在堿性介質中，自由基具有活性［7］，氧化力增強，它能快速與廢水中的有機物進行反應。因此，溶液pH是浮選分離效果重要影響因素之一。

圖1 pH對蛋白回收率影響

從圖2可以看出，蛋白回收率隨著溫度的升高而增大，但當溫度大于 20℃時，蛋白回收率從91.76%下降至87.37%，這可能是臭氧泡沫的穩定性隨著溫度的升高而降低，體系只需在常溫下就可達到很好的分離效果。

圖2 溫度對蛋白回收率的影響

從圖3可以看出，蛋白回收率也隨著臭氧濃度增大而增大，可能是因為水中臭氧濃度的增加，提高蛋白的交聯反應速率，較高的臭氧濃度使得整個反應體系在單位時間形成的泡沫數增多，泡沫富集的蛋白量也增加，而較低臭氧濃度由于不能在液面上方形成穩定的泡沫，不能使蛋白得到很好的分離。

表5 正交實驗方差分析表

圖3 臭氧濃度對蛋白回收率的影響

從圖4可以看出，蛋白回收率隨著通氣時間變化而變化，在通氣時間達90min以后，蛋白回收率開始趨于平緩，這可能是隨著通氣時間的延長，體系中可形成臭氧泡沫的組分逐漸耗盡所致。

圖4 通氣時間對蛋白回收率的影響

綜上所述，pH、溫度、臭氧濃度及通氣時間對蛋白回收率都有著重要影響。

2.2 正交實驗

以蛋白回收率為指標，正交實驗極差分析結果（表4）顯示，臭氧濃度的極差最大，溫度的極差最小，表明臭氧濃度的變化對體系的影響最大，而溫度對體系影響最小，因素的影響順序為A＞C＞D＞B；正交實驗方差分析結果（表5）表明，修正模型的P值為0，小于0.05，說明正交實驗方差分析模型是適用的，且四個因素的P也小于0.05，即對蛋白回收率影響均達極顯著水平。綜合分析，臭氧浮選分離馬鈴薯蛋白的最佳工藝參數為A3B1C2D3，即最佳工藝參數為臭氧濃度為5.00g/h、溫度10℃、pH8、通氣時間90min，在此條件下蛋白回收率為93.21%。

表4 正交實驗表L9（34）

2.3 干物質回收率

預實驗研究發現，不同乳化劑對馬鈴薯淀粉加工廢水有輔助起泡作用，其中，羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）效果顯著，可增加泡沫穩定性，提高干物質回收率。優化實驗（圖5）表明，干物質回收率隨CMC-Na濃度的增加而增大，在CMC-Na濃度達0.20%時，干物質回收率為57.60%，較對照增加近20%，可能是隨CMC-Na濃度的增加，液體表面粘度增大。表面粘度大使液膜的表面強度增加；同時使液膜中的液體不易排出，延緩液膜破裂時間，從而增加了泡沫的穩定性［8］。但當 CMC-Na濃度超過0.20%后，干物質回收率呈下降趨勢，這可能是CMC-Na作為乳化劑在水中會形成膠束，當濃度高于臨界膠束濃度時，泡沫穩定性增加，但在濃度增加到一定程度時，形成的泡沫含液量減少，“脆性”增加，泡沫反而會變得不穩定［9］。

圖5 不同CMC-Na濃度對干物質回收率的影響

表8 馬鈴薯蛋白化學評分和氨基酸評分

表6 馬鈴薯蛋白氨基酸組成

2.4 回收馬鈴薯蛋白評價

2.4.1 馬鈴薯蛋白氨基酸組成 臭氧泡沫分離有機質中，蛋白含量為66.21%，是回收物中主要組分。氨基酸的組成及比例影響著蛋白質的營養價值。原汁水蛋白與臭氧回收蛋白的氨基酸組成結果如表6所示，從17種氨基酸組成（色氨酸未測），原汁水蛋白和臭氧回收蛋白的總量分別為975.987mg/g和740.882mg/g，在原汁水蛋白中，非必需氨基酸含量占54.32%，必需氨基酸占45.67%；在臭氧回收蛋白中，非必需氨基酸含量占 48.82%，必需氨基酸占41.73%。對比分析后可知，臭氧處理后馬鈴薯廢水回收的蛋白中，一部分氨基酸被破壞。

2.4.2 貼近度 由表7可以看出，原汁水濃縮蛋白的貼近度高于臭氧處理蛋白，更接近于1，且兩者都比文獻資料報道的大豆分離蛋白貼近度0.837要高，說明馬鈴薯蛋白具有較高的營養價值，與原汁水濃縮蛋白相比，臭氧處理回收的馬鈴薯蛋白貼近度要小，表明臭氧法回收馬鈴薯蛋白對營養價值有一定的影響，但仍有較好的營養價值。

表7 不同蛋白相對標準蛋白的貼近度

2.4.3 馬鈴薯蛋白的化學評分和氨基酸評分 馬鈴薯蛋白的化學評分和氨基酸評分見表8。以大豆分離蛋白為對照，臭氧處理蛋白中蘇氨酸、蛋氨酸+胱氨酸、亮氨酸的氨基酸評分要高于大豆分離蛋白，但原汁水濃縮蛋白和臭氧處理蛋白含有一定的賴氨酸，這可與大豆蛋白和各種谷類蛋白互補從而提高食品的營養價值。

3 結論

3.1 影響臭氧泡沫分離效果的主要因素有臭氧濃度、pH、溫度及通氣時間等。以蛋白回收率為指標，通過正交實驗獲得最佳工藝參數為：臭氧濃度為5.00g/h、溫度為10℃、pH8、通氣時間90min，此條件下蛋白回收率為93.21%。

3.2 臭氧泡沫分離蛋白的過程中，糖和脂肪也進入反應體系，并不同程度地改善和提高泡沫穩定性。

3.3 臭氧泡沫分離有機質，加入一定量羧甲基纖維素鈉溶液使干物質回收率提高到57.60%。

3.4 臭氧處理回收物中蛋白含量為66.21%，與全雞蛋蛋白貼近度為0.867，非必需氨基酸含量48.82%，必需氨基酸占41.73%，仍具有較好的營養價值。

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Nutrition value evaluation of potato protein separated from potato juice waste water by ozone bubbling

REN Yan，QIN Li-kang*
（College of Life Science，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

The present study aims at exploring the application of ozone bubbling for the purpose of separating protein from potato juice waste water.On the basis of single-factor test，orthogonal design L9（34）were adopted for optimization of process parameters to retrieve the protein.The results showed that the concentration of ozone was a significant factor and temperature had minimal impact on recovery ratio.The optimal parameters for separating potato protein by ozone bubbling were concentration of ozone 5.00g/h，temperature 10℃，pH 8.0 and ventilation time 90 minutes.Recovery ratio of protein was 93.21%under above condition.After adding 0.20% sodium carboxymethylcellulose，the recovery rate of dry matter increased from 40.65%to 57.60%.The close degree was 0.867 compared to whole egg protein.The nonessential amino acid and essential amino acid in protein is high，making up of 48.82%and 41.73%of the total amino acids，respectively.

potato juice；protein；ozone；nutrition value

TS239

B

1002-0306（2011）02-0223-05

馬鈴薯淀粉加工廢水因富含蛋白、淀粉、糖類、脂肪等有機質，不處理直接排放，給環境帶來極大危害［1］。值得注意的是，淀粉加工廢水中所含的有機物，大多是可以回收利用的寶貴資源，如馬鈴薯蛋白質就有很高的營養價值，是均衡的親水/疏水性氨基酸模型［2］，是一種天然的優質蛋白源，具有較高的附加值，有待開發利用。目前，馬鈴薯淀粉加工廢水的處理方法主要有生物處理［3-4］、膜分離法［5］、絮凝法［6］等，這些方法雖然在一定程度上可減少環境污染，但均存在一些局限，且不能將其中的有益成分回收。因此，尋找一種快速、高效、低耗的馬鈴薯淀粉加工廢水處理方法，在減少環境污染的同時，回收利用廢水有機質，不僅經濟效益顯著，而且社會效益和環境效益也十分巨大。由于馬鈴薯淀粉加工廢水中的蛋白質、多糖、脂肪等大分子物質，在水中易形成分子聚集體，有較好的成膜穩定性。同時，臭氧作為一種強氧化劑，具有很強的殺菌、去色、降解有機物的特性。所以，本文在降污實驗基礎上應用臭氧泡沫浮選分離法，回收馬鈴薯淀粉加工廢水中的有機質，并以蛋白質回收率為指標，在單因素實驗基礎上采用正交實驗設計，對影響泡沫分離效果的主要工藝參數進行優化，以提高蛋白質回收率，為臭氧浮選分離法在馬鈴薯淀粉加工廢水的工業應用提供科學依據。

2010-03-04 *通訊聯系人

任燕（1984-），女，碩士研究生，研究方向：食品營養與安全。

貴州省科技重大專項（黔科合重大專項［2008］6009號）；六盤水市科技局項目（52020-07-008）。