馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)的分離方法研究

李 芳 火昭翠 孫晴陽 李生彬

（蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院 甘肅蘭州 730070）

引言

由于馬鈴薯生產(chǎn)淀粉過程中會產(chǎn)生大量含有可溶性蛋白的廢水[1]，且20 年前建設的水處理設施，全面提升改造成本較大，因此大多水處理設施難以實現(xiàn)對高蛋白廢水的處理。目前，亟需在不改變原有廢水處理設施的前提下，降低廢水中蛋白質(zhì)含量，使馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水達標排放。分析現(xiàn)有的對馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中蛋白質(zhì)處理的物理[2][3]、化學[4][5]、生物[6][7]等方法,發(fā)現(xiàn)物理法不引入新的化學試劑，對環(huán)境比較友好，因此本文選取物理吸附法對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中的蛋白質(zhì)進行分離研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯、亞硫酸鈉、活性炭、氯化鐵、標準牛血清蛋白、無水硫酸銅、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、鹽酸、乙醇。

1.2 主要儀器與設備

紫外可見分光光度計、傅里葉紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、恒溫水浴鍋、干燥箱、震蕩器、pH 計、抽濾機、電子天平。

1.3 實驗方法

1.3.1 活性炭負載氯化鐵的制備

首先，對活性炭預處理，過200 目篩的活性炭，加入5%的HCl 溶液，浸泡24 h，再用蒸餾水清洗至中性，然后置于恒溫干燥箱干燥24h，待用。其次，稱取100g 氯化鐵溶于少量乙醇溶液，加入20g 預處理的活性炭將溶液充分吸收，加熱溶液回流24h。最后，冷卻后抽濾，分離得到的固體于90℃環(huán)境中干燥24h，即得到活性炭負載氯化鐵材料。

1.3.2 模擬配制馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水

馬鈴薯洗凈去除表面污垢，按照不同料液比稱取一定質(zhì)量馬鈴薯，制備馬鈴薯淀粉廢水。為防止氧化，按照1kg 馬鈴薯加1g 亞硫酸鈉的比例加入亞硫酸鈉，用100 目的尼龍網(wǎng)過濾，靜置12h 后分離淀粉，上清液即為馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水，備用。

1.3.3 功能材料分離馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中的蛋白質(zhì)在不同條件下，取不同料液比的馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水25mL 于錐形瓶中，用0.1 mol/L 的HCl及0.1mol/L 的NaOH 調(diào)節(jié)溶液pH，加入一定量的活性炭負載氯化鐵功能材料，恒溫、120 r/min 條件下振蕩一定時間，靜置片刻后過濾，取上清液測定溶液中蛋白質(zhì)含量。去除率計算見式（1）。

式中 η—去除率，%；C0—吸附前廢水中蛋白質(zhì)初始質(zhì)量濃度，mg/L；C—吸附分離蛋白質(zhì)后馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L。

1.3.4 單因素實驗

探究不同料液比、活性炭負載氯化鐵添加量、反應pH、吸附時間、反應溫度對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白分離效果的影響。

1.3.5 分析方法

根據(jù)《食品安全國家標準 食品中蛋白質(zhì)的測定》（GB 5009.5-2016），馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)用雙縮脲法測定，pH 采用PHS-3C 酸度計測定。

1.4 測試表征

通過掃描電子顯微鏡和傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR-650，賽默飛有限公司）對活性炭負載氯化鐵進行表征，并對吸附機理進行分析。

2.1 蛋白質(zhì)標準曲線

2 結果與分析

由圖1 可得，蛋白質(zhì)濃度與吸光度的線性相關系數(shù)為0.9997，說明用繪制的標準曲線擬合程度非常好。

圖1 蛋白質(zhì)標準曲線

2.2 料液比對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)含量的影響

由圖2 可知，隨著液料比的減小，蛋白質(zhì)吸附分離率呈先增加后減少的趨勢。當料液比為1:1.5 時，活性炭負載氯化鐵功能材料對于馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)分離率最高，為63.93%；當料液比小于1:1.5 時，馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)分離率隨之呈現(xiàn)下降趨勢。表明，料液比越小，馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)含量越變少，活性炭負載氯化鐵對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中的蛋白質(zhì)分離效果不佳。

圖2 料液比對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)分離率的影響

2.3 活性炭負載氯化鐵添加量對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)含量的影響

由圖3 可知，當投加量為0.2g 時，蛋白質(zhì)的分離率為55.2 %，隨著投加量的增加，蛋白質(zhì)的分離率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，出現(xiàn)這一趨勢可能是由于投加量增加吸附劑可以供應的吸附點位也增加，更有利于蛋白質(zhì)的吸附，吸附率提升且不降低吸附容量。這是由于溶液中大部分蛋白質(zhì)被去除后，吸附劑表面的吸附點位數(shù)不斷下降，相關吸附點也不斷被堵塞[8]，此時再添加吸附劑，平均吸附蛋白質(zhì)量降低，因此為了減少吸附材料的使用，后面單因素均使用0.2g 投加量。

2.4 pH對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)含量的影響

取料液比為1:1.5的馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水25mL，添加吸附材料0.2 g，正常室溫下反應1h，結果如圖4 所示。當pH 為3 時，馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)分離率最高為78.11%，當pH 大于3以后，隨著pH 的增大，馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)分離率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，這與蛋白質(zhì)在過酸性條件下會變性沉淀有關。

圖4 pH 對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)分離率的影響

2.5 反應時間對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)含量的影響

取料液比為1:1.5 的馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水，在吸附劑添加量為0.2g，正常室溫下反應時間設置為15min、30min、45min、60min、75min、9min，結果如圖5 所示。隨著反應時間的延長，馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)的分離率先增大后減小再增大；當反應時間是45 min 時，馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)的分離效果達到最好，分離率為69.53 %。

圖5 反應時間對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)分離率的影響

2.6 反應溫度對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)含量的影響

取一系列1:1.5 的馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水，在吸附劑添加量為0.2g、pH 為3.5 的條件下，設置溫度為20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃，反應1 h，結果如圖6 所示。在40℃以下，溫度對蛋白質(zhì)的分離率影響不大，隨著溫度的增大，蛋白質(zhì)的分離率逐漸增大，主要是隨著溫度的升高，部分蛋白質(zhì)發(fā)生變性沉淀所致。

圖6 反應溫度對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)分離率的影響

2.7 材料的表征結果

2.7.1 掃描電鏡圖

活性炭、氯化鐵負載活性炭的SEM 圖如圖7所示，活性炭負載氯化鐵后呈現(xiàn)均勻分布，高分散無明顯的團聚現(xiàn)象，氯化鐵負載于活性炭的碳骨架表面。

圖7 原活性炭（a）、氯化鐵負載活性炭（b）的掃描電鏡圖

2.7.2 傅里葉紅外光譜圖

根據(jù)上述實驗結果，馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)分離機理主要為疏水作用、氫鍵和范德華力等。為了進一步驗證推測，考察功能材料紅外光譜圖，研究活性炭負載氯化鐵表面官能團變化，可更好地解釋吸附分離蛋白質(zhì)的機理[9]。根據(jù)圖8 所示的功能材料紅外光譜圖，發(fā)現(xiàn)在3437cm-1的波峰處時，負載功能材料的波峰面積明顯要比原活性炭的大，可能是負載功能材料中-OH 發(fā)生伸縮振動引起[10]；1655cm-1處可能為C=C 鍵的伸縮振動引起，可能是羧基[11]、醚基、酯基的含氧基團[12]；1071cm-1處為C=O 的彎曲振動引起[13]，在小于1000cm-1處，為單鍵以及含氧基團的彎曲振動引起[14]。

圖8 活性炭、氯化鐵負載活性炭紅外光譜圖

結論

根據(jù)活性炭負載氯化鐵分離馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)的單因素影響實驗，結果表明在料液比為1:1.5，投加量為0.2g，反應時間為45min，分離效率最高；反應溫度在20～40℃之間，對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)的分離效果影響不大；當溫度大于40℃時，蛋白質(zhì)的分離率小幅度提高。

根據(jù)對功能材料進行表征發(fā)現(xiàn)，活性炭負載氯化鐵材料的吸附點位增多、孔徑增大，在3437cm-1的波峰處時，負載功能材料的波峰面積明顯要比原活性炭的大，可能是負載功能材料中-OH 發(fā)生伸縮振動引起；1655cm-1處為C=C鍵的伸縮振動引起，可能是羧基、醚基、酯基的含氧基團；1071cm-1處為C=O 的彎曲振動引起，是羧基、羥基等含氧官能團對馬鈴薯生產(chǎn)淀粉廢水中蛋白質(zhì)通過疏水作用進行分離，在一定pH 條件下靜電斥力也會有影響活性炭與蛋白質(zhì)的結合能力。