馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質回收方法綜述

□ 姚春艷 孫 瑩 畢偉偉 范文廣 哈爾濱商業大學

馬鈴薯的營養豐富，具有豐富的淀粉、蛋白質、維生素和糖等成分。全世界馬鈴薯的種植面積達到2 000多萬公頃，我國馬鈴薯的種植面積占世界的25%，總產量占世界的20%，種植面積和總產量均居世界首位[1]。馬鈴薯以鮮食為主、加工為輔，我國以馬鈴薯為原料加工的產品的90%以上是淀粉及其粗加工產品粉條、粉絲等[2]。

目前，只有少數企業將廢水中的蛋白質進行回收然后將其用作動物飼料的生產原料，大多數企業都將廢水直接排放。蛋白質在生物氧化過程中會大量消耗水中的氧，這將導致環境水體缺氧，對魚類和其他水生生物的生存以及相關地區的河流和農田等水體環境都造成污染[3]。

1 馬鈴薯蛋白的營養及功能性質

美國農業部的報告指出，馬鈴薯和全脂奶粉能夠提供人體所需要的一切營養素[4]。Pouvreau等[5]和Barta等[6]將馬鈴薯蛋白按不同分子量分三種：馬鈴薯糖蛋白、蛋白酶抑制劑和其他蛋白質。馬鈴薯糖蛋白能夠預防心血管系統的脂肪沉積，保持動脈血管的彈性，防止動脈粥樣硬化的過早發生，還能防止肝臟結締組織萎縮，保持呼吸道和消化道潤滑。

馬鈴薯蛋白是完全蛋白質，含有19種氨基酸，必需氨基酸占47.87%，非必需氨基酸占52.13%，并且必需氨基酸中的賴氨酸和色氨酸都高于其他谷類作物，含量和比例符合人體需要[7]。必需氨基酸在大豆分離蛋白中占38.5%，在雞蛋蛋白中占49.7%，可見馬鈴薯蛋白的營養價值與雞蛋蛋白接近，高于大豆分離蛋白，遠高于FAO/WHO的標準蛋白含量36.0%。

2 馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質的回收方法

2.1 自然沉淀法

使用沉淀池來進行自然沉淀，當沉淀液的pH值下降時，蛋白質發生沉淀，排放上清液后可以回收沉淀的蛋白質。這種方法需要的沉淀時間較長，并且沉淀面積較大，因此在實際操作中應用得不是很廣泛。

2.2 泡沫分離法

將氣體通入淀粉廢水，在廢水中形成泡沫層，泡沫層會將廢水中的表面活性物質聚集，形成氣浮體后，由于其密度小于廢水，所以通過回收氣浮體懸浮物質也可分離蛋白質。單獨使用泡沫法回收淀粉廢水中蛋白質的研究較少，Weijenberg等[8]用這種分離方法回收了馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白質，并研究了廢水溫度、廢水pH值和添加鹽對分離效果的影響，得出pH值中性時具有最好的分離效果。

2.3 超濾法

超濾法是以壓力或濃度作為驅動力，根據半透膜的物理化學性質進行固液分離，或將大分子與小分子進行溶質分級的一種膜分離技術。目前，常用的超濾膜有醋酸纖維素膜、聚砜膜和聚酰胺膜等，超濾裝置有板框式、管式、卷式和中空纖維式等。

陳鈺等[9]使用聚砜中空纖維內壓式超濾膜組件回收蛋白質，得出超濾的最佳條件：操作壓力是0.10 MPa，溫度是22 ℃，pH值是5.8，蛋白質回收率達到80.46%，清洗超濾膜的最佳條件是使用0.05%的堿性蛋白酶，其次是0.5%的NaOH水溶液。呂建國等[10]使用平板超濾設備回收馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白質并進行了中試研究，他們使用的是相對分子質量為20 kDa的聚乙烯膜，壓力是0.2 MPa，溫度是25 ℃，進口流量是160 L/min，結果表明蛋白質回收率可以達到90%以上。顧春雷等[11]使用多種超濾膜處理了廢水，使用的是15 kDa和100 kDa相對分子質量的超濾膜，結果表明蛋白質回收率達到97%，并且還有效回收了大部分的低聚糖。

2.4 等電點沉淀法

等電點時，蛋白質分子所帶正負電荷相等，靜電荷為零，分子之間極易聚集形成沉淀，達到從溶液中分離的目的。張文會[12]使用堿提酸沉法提取馬鈴薯分離蛋白，優化后的提取條件是浸泡溫度35 ℃，浸泡時間1 h，pH值9.8，蛋白質得率為0.8 g/100 g，說明溫度、時間和溶液pH對馬鈴薯分離蛋白溶液的流體性能有影響。

因不同蛋白質的等電點不同，等電點要分別調節、蛋白質要多次分離，并且調節等電點時要添加酸、堿，這些都將破壞蛋白質，此外還容易發生化學變化生成新物質，因此等電點沉淀法在環保和安全性方面存在較多弊端。

2.5 絮凝劑法

絮凝劑是能使微粒雜質發生凝集沉淀的物質，根據化學組成不同，絮凝劑分為有機絮凝劑和無機絮凝劑，有機絮凝劑包括淀粉、纖維素等多糖衍生物等，無機絮凝劑有鋁鹽明礬、硫酸鋁、鋁酸鈉和鐵鹽硫酸鐵、硫酸亞鐵和氯化鐵，而主要的是高分子無機絮凝劑，比如聚合硫酸鋁、聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁和聚合氯化鐵等。蛋白質分子表面有羧基和氨基，這些基團具有親水作用能夠在蛋白質分子表面形成水化層，同時羧基和氨基的離子化作用使蛋白質分子表面具有電荷，蛋白質分子之間因此不會發生凝聚沉淀。Meister等在2002年使用氯化鐵作為絮凝劑從馬鈴薯淀粉廢水中分離蛋白質，結果表明當pH值在9.0～11.5范圍時，蛋白質回收率是80%～90%。韓冬等使用該法對馬鈴薯淀粉廢水進行了蛋白質回收，使用的絮凝劑是聚合氯化鋁，使用量是5 000 mg/L，使用的助凝劑是聚丙烯酰胺，使用量是3.2 mg/L，研究結果表明，pH值為10，沉降時間為30 min時，蛋白質回收率能夠達到40%。Bartova等使用氯化鐵作為絮凝劑回收淀粉廢水中的蛋白質，添加0.02 g/mL的氯化鐵時，蛋白質的回收率是82.7%。Barta等使用的絮凝劑是三種無機鹽硫酸亞鐵、氯化鐵和氯化鋅，蛋白質最佳回收率分別為30.7%、86.4%和25.8%。 裴 兆 意使用的絮凝劑是殼聚糖，殼聚糖的用量是0.05 g/L，pH值為4.5，溫度為50 ℃，初始攪拌80 r/min攪拌10 s，再30 r/min攪拌60 min，的蛋白質回收率為62.7%。

2.6 綜合處理法

如果將物理方法和化學方法綜合使用即為綜合處理法。孫紅娟等使用氣浮、絮凝和厭氧好氧組合工藝處理馬鈴薯淀粉生產廢水，COD去除率可達97.67%。任瓊瓊等從馬鈴薯淀粉廢水中分離蛋白質時是將酸堿沉淀法和超濾法結合使用的，處理參數是堿沉淀pH值為9.35、時間為59 min，酸沉淀pH值為3.41、時間為10 min，在此條件下的蛋白質回收率是54.24%，再使用10 ku的超濾膜處理酸沉液后，蛋白質回收率可達93.42%。

此外，使用磁性殼聚糖吸附蛋白質是馬鈴薯淀粉廢水綜合處理的新方法。殼聚糖是一種堿性氨基多糖，能夠與絕大多數帶負電荷的蛋白質快速形成沉淀，殼聚糖無毒，因此是處理食品工業廢水常用的絮凝劑，但是直接使用殼聚糖后存在回收困難的問題，因此使用磁性殼聚糖微球結合磁分離技術可以彌補這點。

3 從馬鈴薯淀粉廢水中回收蛋白質存在的問題及對其未來的展望

從馬鈴薯淀粉廢水中回收蛋白質的技術還有待改進，比如：使用化學法時，將蛋白質沉淀的同時，雜質也會發生沉淀，蛋白質的純度受到影響，而蛋白質的功能特性也隨之受到影響，比如溶解性、發泡性、乳化性等。此外，回收蛋白質以后在干燥過程中，蛋白質由于酶促褐變和非酶促褐變其顏色容易變深。雖然超濾法可以回收到高純度和高品質的蛋白質，但超濾設備價格高，回收成本會因此而提高。