超滤法回收大豆乳清蛋白前预处理的研究.pdf

食品与发酵工业 FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES 104 2010 Vo l 1 36 No14 ( T o ta l268) 超滤法回收大豆乳清蛋白前预处理的研究 吴海波, 江连洲, 陈爱梅 (东北农业大学食品学院, 黑龙江 哈尔滨, 150030) 摘 要 为提取大豆乳清蛋白, 文中分别用絮凝离心法和微滤法对乳清进行了预处理。并对利用 CaCl2絮凝沉 淀大豆乳清进行了探讨, 确定了最佳的絮凝工艺条件为: pH 810, 1 mol/LCaCl2的加入量为 18mL/L时, 50- 60 e 低速搅拌絮凝 15m in 。然后研究了微滤压力及温度对微滤效果的影响, 最后确定微滤压力为 011MPa 、 微滤温 度为 40 e 。在絮凝及微滤最佳条件下进行了小试, 结果发现, 经过预处理后的大豆乳清蛋白损失率只有 1012%, 总糖几乎没有损失, 脂肪去除率达到 100%, 透光率也有明显提高。 关键词 大豆乳清蛋白, 絮凝, 微滤, 超滤 第一作者: 博士, 助理研究员 (教授为通讯作者 )。 收稿日期: 2009- 11- 24, 改回日期: 2009- 12- 18 大豆乳清是以低温脱脂豆片为原料, 生产大豆分 离蛋白过程中碱提酸沉离心分离后产生的物质。利 用传统方法制取大豆分离蛋白的乳清废液中, 含蛋白 011 % - 015 %, 大豆低聚糖 015 % - 1 % 以及异黄酮 等多种生理活性物质, 但国内乳清一般多以废水形式 排放, 造成极大的资源浪费。且乳清中生化需氧量 (BOD), 化学需氧量 (COD)值很高, 超过了国家要求 排放标准的 100多倍, 严重污染环境。因此, 要高度 重视大豆分离蛋白的综合效益, 必须对乳清废水进行 综合加工利用, 对其营养物质进行回收。 超滤 ( ultrafiltration , UF)是一种利用膜的 /筛分 0 作用进行分离的膜过程, 即在一定的压力 (一般为 011- 015MPa)作用下, 当含有大、 小分子物质两类 溶质的溶液流过被支撑的膜表面时, 溶剂和小分子溶 质将透过膜, 作为透过物被收集起来; 大分子溶质则 被膜截留而作为浓缩液被回收 1- 2。 早在 20世纪 70年代, 国外就开始了膜技术对大 豆乳清中有用成分的回收 3。日本学者曾用多种滤 膜对豆制品厂所产乳清的分离性能做了评价性试 验 4。 酸沉、 离心后的大豆乳清呈乳黄色、 不透明, 其中 尚含有未沉淀完全的大豆球蛋白、 少量脂肪以及磷 酸、 植酸等杂质, 将其直接进行超滤将造成膜孔的严 重堵塞, 因此超滤前需对大豆乳清进行预处理将杂质 去除。 为防止大豆乳清蛋白变性, 本实验选择絮凝离心 法和微滤法处理大豆乳清。通过选择合适的絮凝剂, 使水体中的胶体体系在所加絮凝剂的作用下, 相互接 触、 碰撞脱稳凝集成一定粒径的聚集体, 脱稳的聚集 体由于进一步碰撞、 化学黏结、 网捕卷扫、 共同沉淀等 作用而聚集成絮状体 (矾花 ), 最终借助重力作用而 沉淀以达到固液分离的目的 5。 1 实验仪器与材料 111 实验仪器 数显恒温水浴锅 (HH - 4), 国华电器有限公司; JJ- 1精密增力电动搅拌器, 常州国华电器有限公司; 722光栅分光光度计, 上海精密科学仪器有限公司; 80- 2离心机, 上海浦东物理光学仪器厂; 杯式超滤 器, 上海瑞丽分离仪器厂; DF - 102型磁力搅拌加热 器, 北京医用离心厂; p HB- 4型便携式酸度计, 上 海伟业仪器厂; WGT- S WGT- S透光率测定仪, 昆山 鼎品电子科技有限公司。 112 实验材料 大豆乳清, 黑龙江省哈高科大豆食品有限责任 公司提供, 尼龙微滤膜, 购自上海亚东核级树脂有限 公司, 膜孔径 0122 Lm; 考马斯亮蓝蛋白测定试剂盒, 购自南京建成生物工程研究所; 其他所用试剂均为分 析纯。 2 实验方法与步骤 211 大豆乳清理化指标的测定 21111 蛋白质含量的测定 考马斯亮蓝比色法 6。 21112 脂肪含量的测定 酸水解法 参照 GB500916- 2003 7。 生产与科研经验 2010年第 36卷第 4期 (总第 268期 ) 105 21113 总糖的测定 直接滴定法 参照 GB500917- 2003 8。 21114 透光率的测定 WGT- S WGT- S透光率测定仪测试。 212 絮凝离心法预处理大豆乳清 前人的研究表明 9, 调节 pH 和加入 CaCl 2对絮 凝过程有显著影响。因此文中探讨了 p H、 CaCl2加入 量以及搅拌温度对絮凝效果的影响。 21211 p H 值对絮凝效果的影响 取大豆乳清, 用 HCL和 NaOH 分别调 pH 值于 5 、 615 、 7 、 715 、 8 、 9 , 添加 1 mol/L CaCl215 mL/L, 40 e 低速搅拌 15min , 然后 4 000 r/m in离心 5m in 。取 上清液, 测定其蛋白质含量、 透光率及脂肪含量。 21212 CaCl2加入量对絮凝效果的影响 取大豆乳清, 调 p H 于 715 , 分别添加 1 mol/L CaCl20 、 10 、12 、 15 、18 、 20 mL/L、 40 e 低速搅拌 15 min , 然后 4 000 r/min离心 5 min 。取上清液, 测定其 蛋白质含量、 透光率及脂肪含量。 21213 温度对絮凝效果的影响 取大豆乳清, 调 p H 于 715, 添加 1 mol/L CaCl2 15 mL/L, 分别于 20 、30 、40 、50 、60 e 低速搅拌 15 min , 然后 4 000 r/min离心 5 min 。取上清液, 测定其 蛋白质含量、 透光率及脂肪含量。 21214 絮凝最佳工艺条件的确定 为了获得絮凝的最佳工艺条件, 在单因素实验的 基础上, 设计了一个含有交互作用的三因素三水平的 正交实验。其因素水平表如表 1所示。因为是含有 交互作用的实验, 所以正交表选择 L27( 3 13 )进行实 验。 213 微滤法预处理大豆乳清 将上步所得上清液用 0122 Lm的尼龙微滤膜进 表 1 絮凝因素水平表 水平 因素 A pH B 1mol/LCaCl2的加入量 /(mL# L- 1) C 温度 /e 171240 27151550 381860 行微滤, 对此操作过程中的压力及温度工艺参数进行 优化。 21311 操作压力对微滤结果的影响 在温度 20 e 条件下, 分别测定压力为 0105 、 011 、 0115 、 012MPa下乳清液的渗透通量。 21312 操作温度对微滤结果的影响 在压力 011MPa下, 分别测定温度为 20 、 30 、 40 、 50 e 下乳清液的渗透通量。 214 大豆乳清废液前预处理效果小试 在上述实验选定的最佳实验条件下, 进行预处理 效果小试, 测定预处理前后蛋白质的损失情况、 脂肪 的去除情况和总糖的变化情况。 3 实验结果与分析 311 大豆乳清理化指标的测定 在预处理前, 首先对大豆乳清各主要成分进行测 定, 其结果见表 2 。 表 2 大豆乳清的理化指标 1) % 指标透光率 (T)蛋白质脂肪总糖 65- 700110- 01600111- 01610160- 0187 注: 1)由于各原料乳清的来源、 批次不同, 故含量会有所不同; 表 1中的百分浓度为质量浓度。 312 絮凝离心法预处理大豆乳清 31211 p H 值对絮凝效果的影响 表 3 pH值对絮凝效果的影响 p H值5615771589 透光率 (T) /%691072107913751772134017 蛋白质含量 /%014701430135013801410150 脂肪含量 /%012101140106011001170122 注: 表 2中的百分浓度为质量浓度。 由表 3 、 图 1和图 2可以看出, p H 7- 8的弱碱性 条件更有利于絮凝。在酸性 pH 值 ( p H 5- 615)时, 大豆乳清基本保持原有状态, 透光率偏低, 蛋白质和 脂肪含量变化不明显, 这是因为在酸性条件下脂肪、 磷酸、 植酸等杂质不能被絮凝沉淀下去, 从而使得胶 体蛋白不能被吸附在网络结构中, 因而基本上不出现 絮凝现象。在碱性 pH 值 ( p H 8以上 )时, 絮凝效果 变差, 料液颜色较深, 透光率明显降低, 脂肪含量偏 高。这是因为在较高 pH值下, 本已经发生絮凝的絮 体中蛋白质溶解度增加, 从而使得絮体逐渐变的细小 而遭到破坏。 食品与发酵工业 FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES 106 2010 Vo l 1 36 No14 ( T o ta l268) 图 1 pH对絮凝后透光率的影响图 2 pH对絮凝后蛋白质和脂肪含量的影响 31212 CaCl2加入量对絮凝效果的影响 表 4 CaCl2加入量对絮凝效果的影响 CaCl2加入量 /(mL# L- 1)01012151820 透光率 (T) /%761576187717811280137811 蛋白质含量 /%013301230120011901170103 脂肪含量 /%013501340124011701220118 图 3 CaCl2加入量对絮凝后透光率的影响 图 4 CaCl2加入量对絮凝后蛋白质和 脂肪含量的影响 CaCl2是电解质, 加入大豆乳清中会增加蛋白质 的变性, 它是通过静电作用破坏蛋白质胶粒表面的双 电层, 使蛋白质胶粒聚集, 同时还可以使蛋白质分子 之间通过 Ca 2+ 桥相互连接起来, 形成立体网状结 构 10; 而且 CaCl 2的加入可以促进乳清中的磷酸和 磷酸形成絮体或者沉淀 10; 同时, 大豆乳清的预处理 可以从 /磷脂热钙法 0原理 11中得到借鉴, 即通过加 入适量 CaCl2增加脂肪的去除。从表 4 、 图 3和图 4 可以看出, 当 CaCl2的加入量达到 12mL /L时, 蛋白 含量下降很快, 从加入前的 0133 % 降到 0120 % ; CaCl2的加入量达到 15mL /L时, 脂肪去除的效果非 常明显, 降低 了 0118 %,透光 率达 到 了最 高值 8112 %; 但当 CaCl2的加入量在 15- 18 mL/L时, 乳 清中脂肪含量呈上升趋势, 因此透光率有所下降; 当 CaCl2的浓度在 12- 18mL /L时, 随着 Ca 2+ 浓度的 增加, 蛋白质的去除率变化不明显, 而 Ca 2+ 浓度达到 18 mL/L以上时, 蛋白质含量却明显下降 (从 0117 % 降到 0103 % ), 这是由于 CaCl2浓度在 18 mL/L以下 时, 所去除的蛋白主要是未沉淀完全的分离蛋白, 而 对于可溶性的大豆乳清蛋白, 由于离子浓度较低, 蛋 白质变性并不明显; 当超过 18 mL/L时, 大豆乳清蛋 白也发生了变性。 CaCl2加入过多, 不但浪费 CaCl2, 而且会使乳清 中剩余大量 Ca 2+ 、 Cl - 等离子, 加重后续超滤过程浓 差极化现象带来的膜污染。所以, CaCl2的加入量应 保持在 12- 18 mL/L较为适宜。 31213 温度对絮凝效果的影响 表 5 温度对絮凝效果的影响 温度 /e2030405060 透光率 (T ) /%771277 17751676197816 蛋白质含量 /%01350 128014001370144 脂肪含量 /%01130 104010201020105 表 5中的百分浓度为质量分数。 生产与科研经验 2010年第 36卷第 4期 (总第 268期 ) 107 图 5 温度对絮凝后透光率的影响 图 6 温度对絮凝后蛋白质和脂肪含量的影响 温度升高乳清液的黏度减小, 使絮凝团易沉淀; 另外温度升高还使分子运动加快, 加速絮凝团的形 成。从表 5 、 图 5和图 6可以看出, 除了在 40 e 时透 光率下降外, 基本上随着温度的升高透光率也升高。 40 e 时透光率下降可能与微生物的滋生有关系。温 度对蛋白质含量的影响并不明显, 在 20- 60 e 时, 蛋 白含量基本在 0128 % - 0144%。而温度的升高对于 脂肪的去除有促进作用。考虑到大豆蛋白质加热变 性的问题, 所以选择 40- 60 e 进行絮凝沉淀。 31214 絮凝最佳工艺条件的确定 絮凝最佳工艺条件的正交表如表 6所示。 综合考查 3个指标, 透光率要求越高越好, 蛋白 质含量要求越高越好, 脂肪含量要求越低越好。由表 6- 表 9可以看出: (1)以透光率为考察指标, A和 C对它的影响十 分显著, 最优水平是 A2B3C3; ( 2)以蛋白质含量为考 察指标, A和 B对它的影响十分显著, A与 B之间的 交互作用和 C的影响显著, 最优水平是 A3B3C2; ( 3) 表 6 絮凝最佳工艺条件正交实验结果分析 实 验 号 因 素 ABABB ACA CC AB CC B p H CaCl2加量 / (mL# L- 1) 温度 / e 透光率 (T) /% 蛋白质 含量 / % 脂肪 102/% 11(710)1(12)111(40)1111721001269 51916 211112(50)2222721701305 42116 311113(60)3333741501287 4911 412(15)2211123761601299 4216 5122222231731001323 4410 6122233312741901317 4514 713(18)3311132761201305 4814 8133322213741401329 3618 9133333321751901423 4611 102(715)12312311741001329 31216 11212323122731601413 2419 12212331233771801383 2511 13223112323721801359 31212 14223123131711301395 2413 15223131212781901407 2319 16231212332731001407 22417 17231223113731401431 1711 18231231221761201425 1517 193(810)13213211691301431 1117 20313221322691201431 1511 21313232133741901437 1815 22321313223721501449 1311 23321321331681801449 1611 24321332112731801431 11117 25332113232721901526 91014 食品与发酵工业 FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES 108 2010 Vo l 1 36 No14 ( T o ta l268) 续表 6 实 验 号 因 素 ABABB ACA CC AB CC B p H CaCl2加量 / (mL# L- 1) 温度 / e 透光率 (T) /% 蛋白质 含量 / % 脂肪 10- 2/% 26332121313721001497 0617 27332132121741301538 9910 k1 741467731111721989731489731256741189741011731633731267 k2 741556731622741344731389721044731656741189731756741233 k3 711967741256731656741111751689731144721789731600731489 RT 215891114511355017223 164511045114000115601966 优水平 A2B3C3(以透光率为考察指标 ) k1 01306 701365 301383 901398 501375 201385 201391 201382 501391 2 k2 01394 501381 201403 201389 201397 201384 501397 901393 901389 9 k3 01465 701420 501379 901379 201394 501397 201377 901390 501385 8 RP r 01159 001055 201023 301019 301022 001012 001020 001011 401005 4 优水平 A3B3C2(以蛋白含量为考察指标 ) k1 912991801210810176101597102814681399123 k2819451926 1747120714012134619271818177 k3619291436 133712071175179917881967116 Rfat213731885 175315631426155218611152107 优水平A3B2C3(以脂肪含量为考察指标 ) 表 7 透光率的方差分析表 差异来源方差自由度均方差F值临界 F值显著性 A381881219144181508 B51916221958 C6210102311005131569 AB111026421757 AC151366431842 B C11734411184 e161229821029 e 5012712221285 T151116326 F0105( 2 , 22)= 3144 F0101( 2 , 22)= 5172 F0105( 4 , 22)= 2182 F0101( 4 , 22)= 4131 * * * * 表 8 蛋白质含量的方差分析表 差异来源方差自由度均方差F值临界 F值显著性 A01114 2201057 11 903133 B01014 5201007 2548133 C01002 6201001 34133 AB01004 5401001 133177 AC01002 8401000 7 B C01000 7401000 175 e01001 6801000 2 e 01005 11601000 3 T01140 826 F0105( 2 , 16)= 2167 F0101( 2 , 16)= 6123 F0105( 4 , 16)= 2133 F0101( 4 , 16)= 4177 * * * * * * 以脂肪含量为考察指标, A与 B的交互作用、 A与 C 的交互作用对其影响显著, 最优水平是 A3B2C3。 综合考虑, 蛋白质及脂肪含量这两个指标相对重 要, 因此 pH 值选择 A3即 pH 为 810 ; 由于 B对蛋白 质含量的影响十分显著, 所以选择 B3, 即 1 mol/L CaCl2的加入量为 18 mL/L , 而且这个加入量对透光 率也十分有利; 在温度选择上, 为了尽量避免蛋白变 性, 因此取 50- 60e 进行絮凝沉淀。 313 微滤法预处理大豆乳清 经过絮凝离心的大豆乳清中仍含有少量的脂肪 生产与科研经验 2010年第 36卷第 4期 (总第 268期 ) 109 及杂质, 应该通过微滤进一步去除。由资料可知 12, 0122 Lm的微滤膜可以将细菌及脂肪等颗粒物质去 除, 因此将上步所得上清液通过 0122 Lm的尼龙微 滤膜进行微滤。絮凝离心后的大豆乳清 p H 值约为 715 , 此时乳清中的蛋白质带负电, 而同时所选定的尼 龙膜也是带负电荷的膜, 因此可以减轻蛋白质在膜面 的极化沉积, 所以无需另行调节 pH。因此, 只对微滤 过程中操作压力和温度的影响进行探讨。 表 9 脂肪含量的方差分析 差异来源方差自由度均方差F值临界 F值显著性 A29142214171 B821492411245 C6518023219 A * B2601684651173118 A * C25512246318053111 B* C2712846182 e1231328151415 e 3281311620152 T84412726 F0105( 2 , 16)= 2167 F0101( 2 , 16)= 6123 F0105( 4 , 16)= 2133 F0101( 4 , 16)= 4177 * * 31311 操作压力对微滤结果的影响 图 7 微滤操作压力对乳清渗透通量的影响 从图 7可以看出, 在 011MPa下, 大豆乳清的渗 透通量和操作稳定性都较好; 在 0115MPa和 0120 MPa下, 虽然初始通量较大, 但随着时间的延长其通 量下降很快, 25 min时就降到了 011MPa时的通量。 31312 操作温度对微滤结果的影响 图 7 微滤操作温度对乳清渗透通量的影响 从图 8可以看出, 微滤温度对大豆乳清的渗透通 量的影响并不十分明显, 但总体上是随着温度的升高 渗透通量也增加。由于在 20- 40 e 范围内细菌繁殖 较快, 并且考虑到蛋白的热变性问题, 所以选择 40- 50 e 的微滤温度较为适宜。 314 预处理效果小试 根据上述所得实验最佳条件进行实验小试, 即在 pH 810 , CaCl2( 1mol/L)的加入量为 18 mL/L时, 50 - 60 e 低速搅拌絮凝 15m in , 然后 4 000 r/min离心 5 min , 将上清液通过 0122 Lm的微滤膜, 温度 40 e , 压力 011MPa , 取透过液。比较预处理前后蛋白质、 脂肪、 总糖及透光率的变化情况。 表 10 预处理前后各指标的变化情况 % 样 品蛋白质脂肪总糖透光率 絮凝前0149016101876510 絮凝后0148010501877612 微滤后0144未检出01868118 根据测定结果, 预处理后蛋白质的损失率只有 1012 %, 总糖几乎没有损失, 脂肪的去除率达到了 100 % , 透光率也较预处理前有显著提高。 4 结论 (1)分别采用絮凝离心法和微滤法对大豆乳清 蛋白进行了预处理。 (2)利用正交设计对 CaCl2絮凝沉淀大豆乳清进 行了探讨, 确定了最佳的絮凝工艺条件为: p H 810 , 1 mol/L CaCl2的加入量为 18 mL/L时, 50- 60e 低速 搅拌絮凝 15min 。 (3)研究了微滤压力及温度对微滤效果的影响, 最后确定最佳微滤条件为: 压力 011 MPa 、 微滤温度 为 40 e 。 (4)在絮凝及微滤最佳条件下进行了实验小试, 结果经过预处理后的大豆乳清蛋白损失率只有 食品与发酵工业 FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES 110 2010 Vo l 1 36 No14 ( T o ta l268) 1012 %, 总糖几乎没有损失, 脂肪去除率达到 100 % , 透光率也有明显提高。 参考文献 1 Kamata Y, OtsukaS , SatoM, ShibasakiK1 Li m itedproteolys2 isofsoybeanbeta-conglycinin agric J. 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Recovery of Soybean W hey Protein by U ltrafiltration Pretreatm ent W uH aibo 1, Jiang Lianzhou 1, Chen A i mei ( College ofFood Science , NortheastAgriculturalUniversity , Harbin 150030 , China) ABSTRACT The soybean wheywas pretreated in flocculation and microfiltration for recovering the whey protein. Through studying on condition ofsoybean whey. s flocculation and sedi mentation byCaCl2,the opti mal processingpa2 rameter was : p H 81