高分子膜在大豆蛋白制備中的應(yīng)用

李 泓，張玉忠，梁晴晴

(天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

大豆是重要的油料、蛋白資源。我國(guó)大豆資源豐富，其中用于制油的大豆占總量的40%以上，而油脂加工副產(chǎn)品大豆粕是最大的可開(kāi)發(fā)的植物蛋白資源。以低變性脫脂大豆粕為原料生產(chǎn)的大豆分離蛋白(SPI)，由于其具有良好的功能特性，主要作為食品添加劑用于肉制品、面制品及奶制品等食品中，既可顯著改善食品品質(zhì)和功能性，又可提高出品率和降低生產(chǎn)成本。

大豆乳清中含有多種生物有效活性成分，有益于人體健康，所以近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)，其主要有：含于乳清水中的乳清蛋白,包括低分子量的短鏈肽、高分子量的短肽鏈結(jié)合成的氨基酸等,這些成分具有很多優(yōu)點(diǎn)：具有良好的發(fā)泡性、溶解性；易于被人體消化吸收；在酸性條件下不沉淀，因此較適于用在食品飲料中。在乳清廢水中，主要成分為水蘇糖、棉子糖和蔗糖的低聚糖,由于具有較好的熱穩(wěn)定性，常用作低熱量天然甜味劑。除此之外，這種低聚糖還可提高人體的免疫力,且效果還比其他低聚糖更為顯著,主要是由于該低聚糖可以被人體腸道內(nèi)的有益細(xì)菌(雙歧桿菌)所利用進(jìn)行優(yōu)勢(shì)增殖,因此可作為食品新配料廣泛應(yīng)用于罐頭食品、糖果、冷飲等其他食品中。最初，日本首先開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)和加工大豆低聚糖產(chǎn)品,后來(lái)進(jìn)過(guò)不斷的應(yīng)用與發(fā)展，慢慢地將大豆低聚糖被批準(zhǔn)納入健康食品的行列。

50年代，美國(guó)首先開(kāi)始研究大豆蛋白分離技術(shù)，也已成為大豆分離蛋白的主要生產(chǎn)國(guó)。而我國(guó)是從80年代開(kāi)始研究大豆分離蛋白，最初都采用傳統(tǒng)的醇法和堿提酸沉法，其存在產(chǎn)率低、產(chǎn)品質(zhì)量不高、廢水污染等問(wèn)題。近年來(lái)的不斷發(fā)展大豆蛋白的膜分離技術(shù)，一方面解決了廢水污染問(wèn)題，另一方面能夠?qū)⒋蠖咕C合利用和資源化。因此，大豆蛋白的膜分離技術(shù)應(yīng)用研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。為了能夠大力發(fā)展大豆產(chǎn)業(yè),提高質(zhì)量，滿足市場(chǎng)需要，需要生產(chǎn)不同功能性大豆分離蛋白。膜分離技術(shù)其過(guò)程設(shè)計(jì)采用閉路循環(huán),廢水循環(huán)使用,原料資源充分利用,即節(jié)約環(huán)保又能資源化利用，因而引起相關(guān)行業(yè)的廣泛關(guān)注。

在膜分離技術(shù)制備大豆分離蛋白中，更值得一提的是提取過(guò)程產(chǎn)生的大豆乳清廢水，經(jīng)膜法處理，排出的水固形物含量幾乎為零，所以該乳清廢水既可循環(huán)利用，節(jié)約水資源，也可直接排放，不污染環(huán)境。而且大豆乳清中的低聚糖等有效活性成分，經(jīng)膜分離凈化處理、濃縮、干燥回收，使大豆中各組成分都得到充分利用。因此膜分離技術(shù)制備大豆分離蛋白具有較好的應(yīng)用前景，如能推廣、應(yīng)用本技術(shù)，將會(huì)給企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 高分子膜制備大豆蛋白的原理與方法

豆粕原料經(jīng)前處理得到大豆蛋白提取液，按照?qǐng)D1所示膜技術(shù)工藝流程：首先是微濾(MF) 作為前處理，目的是先去除蛋白提取液中的微小懸浮物，避免超濾過(guò)程膜孔堵塞與污染；其次，超濾(UF)用于分離、純化、濃縮大豆蛋白提取液；然后，利用納濾(NF)過(guò)程用于大豆乳清廢水處理，以達(dá)到回收大豆低聚糖、大豆乳清蛋白和大豆異黃酮等有效物質(zhì)的目的，這些成分再經(jīng)樹(shù)脂吸附分離、濃縮、干燥處理后可以得到純品；最后一步是利用反滲透(RO)，其目的是除去廢水中的鹽類，得到凈化水，繼續(xù)循環(huán)使用，節(jié)能環(huán)保。

圖1 膜技術(shù)提取大豆分離蛋白工藝流程

2 大豆分離蛋白膜法制備

多年來(lái)，科技工作者在把超濾膜應(yīng)用到制備大豆分離蛋白工藝方面進(jìn)行了大量的研究。高安全[1]等研究了切割分子量為13000道爾頓的超濾膜制備濃縮大豆蛋白的方。郭宏[2]等探討利用平板超濾工業(yè)化制備大豆分離蛋白。崔岸[3]等研究指出切割分子量為20000～30000道爾頓的聚砜酰胺膜制備大豆分離蛋白的蛋白截留率為95%，蛋白質(zhì)回收率為93.9%。周伯川等[4]用中空纖維聚砜膜制得的大豆分離蛋白質(zhì)量比堿溶酸沉好，蛋白質(zhì)含量高、灰分少。習(xí)文社[5]等研究了大豆蛋白分子量分布，當(dāng)選擇大于10000道爾頓的高分子膜制取的大豆分離蛋白具有高溶解性。劉大川[6]等研究了中空纖維膜超濾技術(shù)在分離提純大豆蛋白的工藝參數(shù)，并采用聚丙烯腈中空纖維膜進(jìn)行大豆蛋白的超濾分離，制得粗大豆分離蛋白含量達(dá)91%(干基)，氮溶解指數(shù)(NSI)高達(dá)96%。崔岸[3]等對(duì)超濾法生產(chǎn)大豆分離蛋白進(jìn)行研究，探討物料濃度、溫度、PH值、操作壓力、循環(huán)速度對(duì)超濾過(guò)程的影響。結(jié)果表明適宜大豆分離蛋白生產(chǎn)超濾膜為MWCO為20000的PSA膜，其蛋白質(zhì)的截留率高于95%，蛋白質(zhì)的回收率達(dá)93.9%，超濾膜生產(chǎn)大豆分離蛋白相較于傳統(tǒng)技術(shù)，NSI值明顯提高。

張玉忠[7]等采用工業(yè)規(guī)模的改性聚醚砜耐溫超濾膜及其組件用于大豆分離蛋白提取液濃縮，研究了改性聚醚砜的超濾性和膜清洗后的可恢復(fù)使用性。結(jié)果表明，由于改性聚醚砜中空纖維超濾膜及其組件具有較好的耐溫性能，可長(zhǎng)期在較高溫度下使用。在用于大豆蛋白提取液的濃縮時(shí)，其通量大、抗污染性能較好、膜的清洗恢復(fù)性能好。經(jīng)超濾濃縮后可直接用于噴粉，提取液的固形物濃度達(dá)到15.2%。

燕龍龍[8]對(duì)不同凝膠浴條件下的聚偏氟乙烯膜及和共混改性膜對(duì)于大豆蛋白的分離性能的研究，結(jié)果表明甲酸作為凝膠浴，膜性能最佳，當(dāng)甲酸濃度為50%時(shí)分離性能較好，其蛋白截留率維持85.42%的較高水平。當(dāng)利用殼聚糖對(duì)PVDF共混膜進(jìn)行表面涂覆改性，改性后的PVDF膜的雖然親水性增加，但隨著殼聚糖濃度的增加，由于發(fā)生膜孔堵塞，膜表面孔數(shù)變少，孔徑減小，進(jìn)而導(dǎo)致水通量下降、孔隙率也發(fā)生下降。在選擇最佳條件下，使用自制的PVDF膜和共混膜進(jìn)行大豆蛋白的提取分離時(shí),共混膜的大豆蛋白提取液通量較高，可達(dá)450.32 L/m2·h，但自制的PVDF膜大豆蛋白提取率較共混膜高，能夠達(dá)到96.25%。

3 乳清液中活性物質(zhì)提取

大豆乳清蛋白具有生物活性,其中胰蛋白酶抑制劑是抗癌因子,同時(shí)大豆異黃酮中的木黃銅也能夠抑制和治療多種癌癥，因此大豆中多種有效物質(zhì)都能夠抑制癌細(xì)胞，預(yù)防癌癥。乳液中的乳清蛋白是具有較好的溶解性的功能性食品，在飲料、糕點(diǎn)及乳制品行業(yè)中具有較好的應(yīng)用前景。

乳清中含有各種低分子蛋白、大豆低聚糖類、多糖類等物質(zhì),碳水化合物60%左右,其中水蘇糖和棉子糖是碳水化合物中含量較高的糖類。大豆低聚糖可促使腸道中的雙歧桿菌充分增長(zhǎng),而抑制夾膜桿菌和其它核狀桿菌等有害細(xì)胞的增長(zhǎng),進(jìn)而促進(jìn)腸道蠕動(dòng),分解致癌物質(zhì)，提高人體免疫力[9]。納濾膜不僅起到濃縮功能和去除鹽類外，還需除去蔗糖、葡萄糖等其他非功能性成分。

史宣明[10]等采用“大豆乳清液→預(yù)處理脫色→過(guò)濾→超濾→納濾→真空濃縮→噴霧干燥→成品”流程回收提純大豆低聚糖。采用膜法回收提純的大豆低聚糖產(chǎn)品中低聚糖的含量超過(guò)30%(只含有棉子糖和水蘇糖)，經(jīng)真空進(jìn)一步濃縮，噴霧干燥即得產(chǎn)品。

大豆異黃酮是一種具有特殊生理活性的物質(zhì),它對(duì)多種癌癥具有抑制和治療作用,被認(rèn)為是目前植物界抗癌成分的首選物質(zhì)。大豆中的異黃酮主要為染料木黃酮和黃豆甙原。幾乎100%的癌細(xì)胞如HELA和MCE-7在加入100 μmol/L的染料木黃酮后都死掉了,染料木黃酮能夠抑制癌細(xì)胞的生長(zhǎng)和促使癌細(xì)胞的分化,也就是從癌細(xì)胞變成正常細(xì)胞。利用膜技術(shù)工藝生產(chǎn)的成品中異黃酮含量高于20%。

4 大豆乳清廢水處理與資源化

大豆乳清是以低溫脫脂豆片為原料,在生產(chǎn)大豆分離蛋白過(guò)程中,豆片經(jīng)堿提酸沉離心分離后產(chǎn)生的廢水。乳清廢水顏色為淡黃色,BOD高達(dá)5000～8000 mg/L ,COD高達(dá)18000～20000 mg/L,直接排放會(huì)造成極大的環(huán)境污染。常規(guī)采用厭氧法和耗氧法處理乳清廢水,其效果差、耗資大,而且其中的有效成分沒(méi)有得到利用[11]。利用膜分離技術(shù)對(duì)乳清廢水進(jìn)行清理,可以回收其中的有用組分，達(dá)到清潔生產(chǎn)目的。

祁佩時(shí)[12]等采用高溫滅菌、凈值沉淀以及MWCO為10000道爾頓的聚砜中空纖維膜進(jìn)行精濾，可保證高于90%的蛋白去除率，高于27%的COD去除率，低于10%的低聚糖損失率，因此通過(guò)回收蛋白與低聚糖實(shí)現(xiàn)資源化的回收。污染后的超濾膜可采用NaOH和EDTA的混合液進(jìn)行清洗，其通量恢復(fù)率約為90%。

儲(chǔ)力前[13]等采用MWCO為2000道爾頓聚醚砜卷式膜與反滲透膜集成工藝相結(jié)合的方式處理大豆蛋白廢水，不僅將蛋白和低聚糖從廢水中提取出來(lái)，并且處理后水可返回蛋白生產(chǎn)工藝進(jìn)行循環(huán)使用。

孫寓姣[14]等采用聚四氟乙烯膜一體式浸沒(méi)生物反應(yīng)器處理大豆蛋白廢水，當(dāng)原水COD值在1300～2450 mg/L范圍時(shí)，反應(yīng)器的出水COD值為28～129 mg/L，COD去除率在93%～99% 之間。當(dāng)進(jìn)水BOD在800～1400 mg/L時(shí)，反應(yīng)器出水BOD值在12～20 mg/L之間。對(duì)NH4+-N具有較好的去除作用，當(dāng)原水NH4+-N值在108～136 mg/L之間，反應(yīng)器出水NH4+-N值在24～32 mg/L之間。出水澄清度好，濁度低于5 NTU，表明該工藝具有出水水質(zhì)好、耐沖擊負(fù)荷的特點(diǎn)。

劉宇[15]采用絮凝-超濾相結(jié)合的技術(shù)初步分離大豆黃漿水中的蛋白質(zhì)、異黃酮和低聚糖處理廢水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：首先用0.3 mg/mL殼聚糖對(duì)大豆黃漿水進(jìn)行絮凝處理，再采用聚醚砜膜進(jìn)行超濾處理,最終蛋白質(zhì)回收率達(dá)到76.1%,異黃酮夠過(guò)率達(dá)到77.2%，總糖透過(guò)率達(dá)到76.0%，平均膜通量18.9～20 L/m2·h。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用高分子膜可以使大豆蛋白在較低而適宜的溫度下提取、分離、凈化、去除有害成分,并濃縮、噴霧、干燥得到合格的粉狀分離大豆蛋白產(chǎn)品,由于所確定的工藝技術(shù)完整、先進(jìn)，高分子膜操作方便以及分離效果好,制備的大豆分離蛋白其功能性(如溶解性、乳化性、發(fā)泡性、純度、吸油性等)明顯較傳統(tǒng)工藝提高。

采用高分子膜對(duì)乳清液的處理,一方面可以解決環(huán)保問(wèn)題,另一方面可以生產(chǎn)具有高附加值的產(chǎn)品。乳清液中有益于人類身體健康的乳清蛋白、低聚糖與異黃酮等有用物質(zhì)提取及綜合利用乳清廢水所帶來(lái)的生態(tài)效益，說(shuō)明高分子膜技術(shù)有廣闊的市場(chǎng)前景和潛力。