利用皮革廢料制備工業蛋白粉的工藝探究

王斌，尹春林，馬順友，袁小超，代廷凡，沈敏

（四川銀河化學股份有限公司，四川綿陽 622650）

工業蛋白粉又稱工業水解蛋白、工業膠原蛋白，或工業水解明膠。產品性狀為白色粉末（微黃），體輕，易溶于水，水溶液清亮。工業蛋白有良好的絮凝性、保濕性、發泡性、粘合性等性質，廣泛應用在皮革鞣制、電解電鍍、消防發泡、發酵、化肥、建筑、膠粘劑、造紙業等行業[1，2]。

近年來皮革行業發展勢頭迅猛，產量不斷增加，含鉻皮革邊角料也成為了皮革行業的熱點[3]。制革過程中不可避免地產生大量的修邊、削勻皮屑和殘次二層皮料[4]。據中國皮革協會相關數據統計，我國每年產生約100 萬噸的含鉻廢棄物[5]。常以三氧化二鉻或者同價態鉻鹽形式存在，大量的重金屬離子鉻排入環境會在人體內富集，超過一定限度會對人內臟，骨骼受損造成影響，危害人們的生產和生活，抑制動植物的新陳代謝[6]；我們必須深刻的意識到，只有在保障環境與生態效益兼顧的前提下,皮革工業才能發展得越來越好[7]。

皮革制廢料處理是國內外行業面臨的一個重大難題，為了保護環境，減少生產成本，人們一直尋求更好的解決方法。

本研究先對皮革廢料進行堿處理，生成工業明膠后。再利用酶水解工業明膠，將過濾后的水解液蒸發濃縮，烘干后制成粉末，根據蛋白粉中水分占比、灰分占比、氮占比以及含鉻數量，探究并優化制備工業蛋白粉的工藝。

1 實驗材料及儀器

1.1 實驗原理

制備水解蛋白的工藝流程：用堿對皮革廢料進行預處理后，進行酶水解，獲得膠原蛋白水解液，然后經過濾、中和調節、蒸發濃縮、干燥、制粉等工序制成工業蛋白粉。其水解的原理為：堿性條件下，OH-與Cr+3配位能力比膠原羧基與Cr+3的配位能力強的原理，生成的沉淀與膠原溶液分離[8]。降溫處理后，利用堿性蛋白酶對膠原溶液水解，使膠原蛋白的肽鍵斷裂，生成分子量更小、溶于水的水解蛋白和部分氨基酸。水解方程式如下：

1.2 主要儀器

DHG-9140 電熱恒溫鼓風干燥箱，DZKW 電子恒溫水浴鍋，DF-101S 集熱式磁力加熱攪拌器，JJ-1/160W 精密增力電動攪拌器。

1.3 實驗試劑

含鉻皮革廢料；自制表面活性劑；氧化鈣（石灰粉）；硫酸(分析純)；堿性蛋白酶。

2 實驗步驟

2.1 工藝處理

從堿法處理皮革廢料制取工業明膠工藝的探究中，得到最佳預處理工藝為：氧化鈣用量為12%、堿性蛋白酶、清洗時間為12 h,在此工藝條件下進行提取蛋白粉工藝的優化探究。降溫處理后，用堿性蛋白酶對膠原溶液進行水解反應。工藝流程如下：

鉻革屑加水制漿→堿水解→酶水解一次過濾→中和調節→二次過濾→蒸發濃縮→三次過濾→干燥制粉→工業蛋白粉

2.2 實驗設計

2.2.1 水解時間

探究最佳水解時間，具體步驟為：設置五組實驗，每組將浸泡預處理好的膠原溶液裝進燒瓶中進行水解。水解時間分別為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，在水解溫度為55 ℃、液固比為6，水解pH 為6 條件下進行，依次對各組制得的工業蛋白粉測定蛋白質占比、灰分占比、水分占比以及含鉻量，從而確定最佳的水解時間[9]。

2.2.2 水解溫度

探究最佳水解溫度，設置五組實驗，水解溫度依次為45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃。水解時間為4 h,其余實驗條件不變，參照上述水解時間。依次對各組制得的工業蛋白粉測定蛋白質占比、灰分占比、水分占比以及含鉻量，從而確定最佳的水解時間。

2.2.3 液固比的單因素實驗

以液固比為變量，在最佳水解時間、水解溫度、水解pH 條件下，調整液固比為4、5、6、7、8，通過工業蛋白粉中的主要成分指標確定最佳的水解液固比。液固比=液體質量/固定質量=（100-濃度）/濃度，質量百分濃度的倒數等于液固比乘以100%。

2.3 行業標準

本文中工業蛋白粉的蛋白質占比、水分占比、灰分占比以GB 31645-2018 《食品安全國家標準 膠原蛋白肽》（GB 31645-2018）為參考，《肥料和土壤調理劑砷、鎘、鉻、鉛、汞含量的測定》（GB/T 39229-2020）中的標準作為含鉻量的參考。具體標準數值見表1[10]。

表1 工業蛋白粉的質量標準Tab.1 Quality standards of Industrial protein powder

2.3.1 氮含量的測定

參照羅艷華等研究[11]進行測定，含氮量的計算公式如下：

式中：

W—含氮量（%）；

c—標準鹽酸的溶液濃度（0.1 mol/L）;

v1—滴定管的最初刻度（mL）；

v2—滴定管的最終刻度（mL）；

m—工藝蛋白粉的質量（g）。

2.3.2 粗蛋白含量的計算

根據氮含量具體的數值，可以由公式（2）計算得出目標產物中的粗蛋白的含量。

式中：P1—氮的含量（%）；

P2—粗蛋白含量（%）。

2.3.3 游離氨基含量的測定

本實驗參照徐英操等[12]的研究,采用OPA 法測定蛋白粉中的游離氨基酸的含量。

2.3.4 水分含量的測定

參照《食品安全國家標準 食品中水分的測定》（GB 5009.3—2016）[13]。樣品中水分含量按公式（3）計算。

2.3.5 灰分含量的測定

取烘干磨細樣品5 g 放入已恒重的瓷坩堝中,均勻鋪層，置于馬弗爐中燒灼，逐漸升溫至560 ℃后,連續炙烤2 h，取出后置于干燥器中冷卻、稱量[14]。蛋白粉灰分占比的計算公式（4）：

式中：

H—灰分的占比（%）；

b1—蛋白粉的質量（g）；

b2—炙烤后灰分與坩堝質量（g）；

b3—坩堝的質量（g）。

2.3.6 含鉻量測定

利用石墨爐原子吸收分光光度計，進行含鉻量的測定[15]。

2.4 實驗結果與探究

2.4.1 水解反應時間

表2 不同水解時間下蛋白粉各項指標的生成量Tab.2 production of various indexes of protein powder under different hydrolysis time

圖1 反映了隨著水解時間的變化，蛋白粉各項指標的變化趨勢，從圖中可以得到：在水解溫度為55 ℃、液固比為6 的條件下，隨著水解時間的不斷增加，蛋白粉產率持續增大。當水解時間為5 h 時，蛋白粉產率達到最大，氮含量達到最大值14.56%。在3 h 時出現了灰分含量的最低值5.15%。綜合考慮，選取5 h 為最優水解時間，此時蛋白粉產率為91.42%、水分含量為5.1%、灰分含量為7.16%、氮含量為14.56%、含鉻量為106 mg/kg。

圖1 水解時間對蛋白粉質量指標的影響Fig.1 Effect of hydrolysis time on quality index of protein powder

2.4.2 水解溫度

通過對水解時間的探究（變化趨勢見圖2，具體數值見表3），確定最佳的水解時間為5 h,因此設定水解溫度分別為：40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃六組實驗進行制取工業蛋白粉溫度的探究，每組實驗時間設定為5 h，其余實驗條件維持不變。通過實驗數據可以得到：隨著水解溫度的不斷提高，當在55 ℃時，水解得到的蛋白粉產率最高，為93%，同時含鉻量驟降。主要是因為堿性蛋白酶最佳適應溫度為55～60 ℃，活性最高。隨著溫度不斷上升，蛋白酶失活，水解能力逐漸減弱。從實驗結果得到，55 ℃為最佳的水解溫度，此刻蛋白粉得率為93 %、水分占比為10.85 %、灰分占比為6.75 %、氮含量為14.2 %、含鉻量為78.81 mg/kg。

表3 不同水解溫度下蛋白粉各項指標的生成量Tab.3 production of various indexes of protein powder at different hydrolysis temperatures

圖2 水解的溫度對蛋白粉質量指標的影響Fig.2 Effect of hydrolysis temperature on the quality of protein powder

2.4.3 液固比

水解時液固比的大小是含鉻革屑水解是否充分的關鍵因素，直接影響了工業蛋白粉的成分含量。通過實驗數據可以得出：在固定水解時間為5 h、水解溫度55 ℃條件下，水解液固比變化對蛋白粉質量相關指標產生的影響。液固比逐漸增大，蛋白粉的得率維持在73.2%以上，氮占比持續增加，在液固比處于4～6之間時含鉻量明顯減少，灰分占比當液固比為6 時降至最小值。主要原因是：當液固比比較小時，皮革廢料和堿液無法進行完全反應，造成部分皮革廢料不能被水解，導致水解反應不徹底，所以在一定范圍內液固比增大，蛋白粉的含鉻量迅速下降；而當液固比過大時，反應過程體系中的水分含量很高，使堿液被稀釋，近而削弱了水解力度。在液固比超過一定范圍時，蛋白粉中灰分占比及含鉻量都有所上升。綜上所述：選擇最佳水解液固比為6，此刻蛋白粉得率為89.8%、水分含量為6.3%、氮含量為13.5%、含鉻量為72.0 mg/kg。

表4 不同水解液固比對蛋白粉各項指標生成量的影響Tab.4 Effect of liquid-solid ratio obtained by hydrolysis on quality indexes of protein powder

圖3 水解的液固比對蛋白粉質量指標影響Fig.3 Effect of hydrolyzed liquid-solid ratio on quality index of protein powder

3 結論

在利用皮革廢料制取工業蛋白的過程中，影響蛋白粉中蛋白質、水分、灰分、含鉻量的重要因素主要包含水解時間、溫度、pH。根據單因素實驗探究，得到了最佳的提取水解蛋白工藝為：水解反應溫度55 ℃，時間5 h,液固比為6。通過以上工藝參數可以制得優質的工業蛋白粉。從皮革廢料中制取工業蛋白粉為皮革廢棄物的資源化利用提供了新的出路，對于國家治理皮革行業提供了有利的技術支撐。