淀粉工藝水中蛋白回收工藝的研究

劉澤龍，潘君慧，張連慧，強(qiáng)婉麗（.中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院有限公司，北京009；.浙江省亞熱帶作物研究所，浙江溫州35005）

淀粉工藝水中蛋白回收工藝的研究

劉澤龍1，潘君慧2，張連慧1，強(qiáng)婉麗1
（1.中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院有限公司，北京102209；2.浙江省亞熱帶作物研究所，浙江溫州325005）

摘要：為了探索玉米淀粉生產(chǎn)中的工藝水中的蛋白組分的開(kāi)發(fā)利用，研究一種玉米淀粉工藝水蛋白回收工藝，主要包括處理在濕磨法生產(chǎn)玉米淀粉工藝中的麩質(zhì)濃縮步驟產(chǎn)生的工藝水，并使用膜技術(shù)和熱處理技術(shù)在回收玉米黃粉的同時(shí)獲得兩種新蛋白產(chǎn)品。研究發(fā)現(xiàn)，50 ku和100 ku對(duì)豐度較高的30 ku蛋白組分的截留濃縮效果較好，其中，該蛋白富含亮氨酸和纈氨酸等支鏈氨基酸。分離出的耐熱耐酸蛋白組分主要為3 ku～14 ku的部分。所得新蛋白產(chǎn)品可作為食用或飼用蛋白原料使用，并且分別具有增肌和用于酸性食品的潛力。

關(guān)鍵詞：玉米淀粉；工藝水；蛋白；回收工藝

玉米淀粉生產(chǎn)中的工藝水一般在主分離后的麩質(zhì)濃縮段產(chǎn)生，其中往往殘留一部分玉米黃粉并含有其他蛋白組分。目前主要處理工藝水的方法，基本是將黃粉從工藝水中回收并獲得較為干凈的工藝水。如Liaw等使用微濾和超濾分離回收工藝水中的黃粉[1]。佟易等人公開(kāi)了一種麩質(zhì)水的處理方法，得到濃縮物和工藝水，并將工藝水與絮凝劑溶液混合，進(jìn)行氣浮分離不溶性蛋白質(zhì)[2]，也有研究者膜回收其他物質(zhì)的研究[3-5]。開(kāi)發(fā)玉米加工淀粉副產(chǎn)物綜合利用技術(shù)，也可減輕了污水處理廠的處理負(fù)荷，是玉米深加工行業(yè)推行清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排的技術(shù)需要。經(jīng)過(guò)作者前期研究發(fā)現(xiàn)，工藝水中還包括一些可溶性蛋白，并且在合適的處理?xiàng)l件下在酸性條件下有很好的溶解性、起泡性等功能特性，可以應(yīng)用于如酸性飲品等酸性食品體系中。因此，本試驗(yàn)旨在結(jié)合膜分離和熱處理手段，摸索分離條件，以提供一種玉米淀粉工藝水蛋白回收工藝，為玉米淀粉生產(chǎn)系統(tǒng)資源利用和副產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

1.1.1試驗(yàn)用原料及藥品

玉米工藝水：取自中糧淀粉加工工廠；超純水：美國(guó)Millipore公司；鹽酸、氫氧化鈉、巰基乙醇、丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、十二烷基硫酸鈉、Tris、溴酚藍(lán)、硼酸、混合氨基酸標(biāo)準(zhǔn)液、甲醇、鄰苯二甲醛、標(biāo)準(zhǔn)分子量蛋白等試劑（分析純）：購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2試驗(yàn)用儀器及耗材

SMRXM小試超濾膜系統(tǒng)、管式陶瓷膜微濾系統(tǒng)，聚醚砜（PES）或聚砜（PSF）超濾膜及陶瓷微濾膜芯：三達(dá)膜環(huán)境技術(shù)股份有限公司；MS204S分析天平：美國(guó)Mettler-Toledo公司；pH計(jì)：美國(guó)Mettler-Toledo公司；Avanti J-E高速冷凍離心機(jī)：美國(guó)Beckman公司；Mini-PROTEAN 3 Cell電泳儀：美國(guó)Bio-Rad公司；Scanjet 4200C掃描儀：美國(guó)Hewlett-Packard公司；8200UV-VIS分光光度計(jì)：上海尤尼柯公司；噴射蒸煮系統(tǒng)：美國(guó)水熱公司；8400全自動(dòng)凱氏定氮儀：美國(guó)FOSS公司。

1.2方法

1.2.1蛋白回收工藝

蛋白回收工藝如圖1所示。

圖1　玉米淀粉工藝水蛋白回收工藝的流程示意圖Fig.1　Schematic diagram of the protein recovering technique from corn starch process water

取麩質(zhì)濃縮離心機(jī)中排出的工藝水，使用微濾膜在1 bar～3 bar（1 bar=0.1 MPa）、40℃～50℃下濃縮過(guò)濾，得到第一截留液和第一透過(guò)液；將第一截留液脫水、干燥后制得玉米黃粉；使用超濾膜或膜組，在3 bar～4 bar、35℃～45℃下過(guò)濾第一透過(guò)液，得第二截留液和第二透過(guò)液；將第二截留液噴射加熱并離心分離得到第一蛋白產(chǎn)品和分離液；再將分離液濃縮、干燥，制得第二蛋白產(chǎn)品。得到的透過(guò)液的全部或部分均可以直接排放到工藝水儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存或者直接作為淀粉生產(chǎn)其他工序的工藝水。

1.2.2膜分離指標(biāo)測(cè)定

膜通量J（L/h）：在恒定時(shí)間內(nèi)，接收透過(guò)液，并記錄準(zhǔn)確體積V（mL），以及所用時(shí)間t（s），根據(jù)膜有效過(guò)濾面積S算膜通量。計(jì)算方式：J=3 600V/1 000/t/S。截留率計(jì)算方式為：R≈1-w2/w0。其中，w2為透過(guò)側(cè)溶質(zhì)（蛋白）質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w0為料液溶質(zhì)（蛋白）質(zhì)量分?jǐn)?shù)。非蛋白成分（N）與蛋白（P）的分離因子按下式計(jì)算：α= YPXN/YN/XP。

1.2.3SDS-PAGE

將樣品稀釋或濃縮蛋白含量約為2 mg/mL，與等體積的樣品緩沖液混合并根據(jù)Laemmli等的方法[6]在還原條件下制樣后，使用4%的濃縮膠和15%的分離膠進(jìn)行電泳。脫色后拍照并使用圖像分析軟件對(duì)蛋白條帶進(jìn)行分析。

1.2.4蛋白氨基酸分析

參考Park等的方法采用酸水解法對(duì)樣品進(jìn)行前處理。使用高效液相色譜鄰苯二甲酸柱前衍生法測(cè)定水解液中的氨基酸組成[7]。

1.2.5酸性蛋白穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

將耐熱酸性蛋白組分在不同酸性pH條件配置成50 mL，蛋白質(zhì)量濃度1%的溶液，緩慢攪拌15 min使均勻，迅速加熱到85℃并維持1 min后再迅速水冷或冰冷卻至室溫，將樣品等分為兩份，分別按照下述方法測(cè)量個(gè)樣品透光度以及蛋白溶解度。透光率的測(cè)定：直接將樣品用分光光度計(jì)在600 nm波長(zhǎng)下測(cè)量透光率。蛋白溶解度：根據(jù)Morr等的方法，略作修改[8]。使用凱氏定氮法測(cè)定離心前樣品溶液及離心后清液中的蛋白含量（蛋白質(zhì)系數(shù)6.25），并分別記為C0和C1。蛋白溶解度使用下式計(jì)算：

1.2.6測(cè)定產(chǎn)品植酸含量測(cè)定

根據(jù)HG 2683-1995《食品添加劑植酸（肌醇六磷酸）》測(cè)定植酸含量。

2　結(jié)果與分析

2.1工藝水膜分離過(guò)程的通量變化

在使用微濾膜回收工藝水中的玉米黃粉蛋白的過(guò)程中（第一分離階段），連續(xù)3 h的分離濃縮基本不造成通量的衰減（數(shù)據(jù)未列出）。由于使用微濾回收黃粉蛋白的研究較多，本論文只對(duì)超濾膜處理工藝水的第一透過(guò)液進(jìn)行論述。在第二分離階段，不同膜材質(zhì)及分子量的超濾膜對(duì)第一透過(guò)液分離時(shí)的滲透通量、蛋白截留率和分離因數(shù)的變化見(jiàn)圖2和表1。

圖2　不同超濾膜滲透通量隨時(shí)間的變化Fig.2　Changes of membrane permeation flux with time

由圖2可知，在試驗(yàn)開(kāi)始階段，50 ku聚醚砜膜和100 ku聚砜膜在起始階段膜通量衰減較快，但50 ku膜通量在30 min后衰減較慢直至100 min下降至起始通量的50%左右，該不同現(xiàn)象可能受膜的極性影響。而150 ku聚醚砜膜的起始通量卻和50 ku膜接近，但通量隨后呈現(xiàn)出不同的下降趨勢(shì)，這可能和導(dǎo)致膜污染的顆粒大小有關(guān)。此外，圖中箭頭所示為二次加壓階段，可以看出膜通量又迅速下降。從表1中可以看出，由于該工藝水中存在較多的氨基酸等粗蛋白物質(zhì)，因此超濾對(duì)總蛋白的截留率都在25%以下，但對(duì)比截留率和分離因子仍可以看出聚砜材質(zhì)的膜在本物料體系中可以得到較好的分離效果。而對(duì)于聚醚砜膜，可能由于其疏水特性引起的膜污染使得在50 ku 和150 ku對(duì)粗（總）蛋白的分離差別并不明顯。

表1　不同超濾膜對(duì)蛋白截留以及分離因子的影響Table 1　Effect of different membranes on rejection rate of protein

2.2膜過(guò)濾及噴射加熱對(duì)工藝水蛋白組分的影響

膜過(guò)濾及噴射加熱對(duì)工藝水蛋白組分的影響見(jiàn)圖3、圖4。

由圖3可見(jiàn)，第二截留液中的蛋白主要為3 ku～70 ku的組分，其中，主要集中在3 ku～14 ku和30 ku左右兩部分。30 ku處的蛋白組分為料液中豐度較高的組分，結(jié)合圖3和圖4判斷其在料液中可能以二硫鍵聚合體的形式存在。由圖4可知，50 ku和100 ku對(duì)30 ku蛋白組分的截留濃縮效果較好，該蛋白占比上升了約1倍左右。

圖3　第二截留液和噴射后的固相蛋白組分的電泳圖Fig.3　Electrophoretic profile of protein fraction in 2nd retentate and solid phase after jet cooked

圖4　不同超濾膜對(duì)截留液中30ku蛋白比例的影響Fig.4　Effect of different membranes on the percentage of 30ku protein fraction in retentates

通過(guò)對(duì)第二截留液使用115℃溫度噴射蒸煮后，分子量約在20 ku～30 ku的蛋白組分析出并可與料液分離（圖3）。則保留在料液中的耐熱耐酸蛋白組分主要為3 ku～14 ku的部分。此外，該部分析出的蛋白組分中且灰分含量≤2%，植酸含量低≤1%，可作為良好的食用或飼用蛋白原料。當(dāng)作為飼料蛋白配料時(shí)對(duì)單胃動(dòng)物日糧中礦物元素利用的影響很小[9]。

圖5　耐酸蛋白組分的氨基酸組成Fig.5　Amino acid composition of the acid stable protein fraction

此外，再由圖5可知，該蛋白組分中豐度較高的氨基酸有亮氨酸和纈氨酸等支鏈氨基酸，該類氨基酸對(duì)于增肌或增重有較好的效果[10]。此外該蛋白含有的賴氨酸也相對(duì)較高，但絲氨酸和組氨酸性對(duì)較少。

2.3酸性蛋白在酸性條件下的溶解度

酸性蛋白在酸性條件下的溶解度見(jiàn)表2。

表2　耐熱酸性蛋白樣品透光度以及蛋白溶解度Table 2　Transmittance and solubility of thermo/acid stable protein sample

由于蛋白的酸穩(wěn)定性對(duì)于擴(kuò)展其在酸性食品或飲料體系下的用途有重要作用，繼而測(cè)定了本試驗(yàn)所得酸性蛋白在不同酸性條件下的透光率和溶解度。較高透光率表示較大的澄清度，蛋白溶解度越高在酸性條件下及經(jīng)受熱處理時(shí)蛋白的穩(wěn)定性越高。由表2可知以上樣品在酸性條件下，同樣具有很高的耐熱性能，并且由其所配置的溶液具有很高的澄清程度。因此該酸性蛋白在酸性條件下有良好的溶解性和穩(wěn)定性，可用于如澄清水果汁、碳酸飲料、發(fā)酵或調(diào)制乳品等酸性體系中。

3　結(jié)論

本試驗(yàn)所開(kāi)發(fā)的玉米淀粉工藝水蛋白回收工藝，通過(guò)兩次過(guò)濾工藝水并結(jié)合噴射蒸煮加熱，不但可將黃粉回收，還可以將3 ku～14 ku和20 ku～30 ku的蛋白組分有選擇性的分離出來(lái)獲得兩種新蛋白組分。其中，50 ku聚醚砜膜和100 ku的聚砜膜對(duì)30 ku蛋白組分的截留濃縮效果較好。所得固相蛋白組分灰分（≤2%）和植酸（≤1%）含量低，氨基酸組成利于生物體肌肉合成。所獲得的酸性蛋白在pH 3.0～4.5具有良好的溶解性（>98%），具有用于酸性食品體系的潛力，并可作為蛋白強(qiáng)化的配料。該工藝不會(huì)向工藝水中引入其他物質(zhì)以及不改變?cè)泄に囁膒H等參數(shù)，不影響原有工藝水的用途。

參考文獻(xiàn)：

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[9]傅啟高.植酸對(duì)單胃動(dòng)物的抗?fàn)I養(yǎng)作用[J].動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào),1998 (4):1-10

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.20.027

收稿日期：2015-08-25

作者簡(jiǎn)介：劉澤龍（1983—），男（漢），工程師，博士，研究方向：蛋白資源開(kāi)發(fā)利用。

Technical Research of Recovering Protein from Process Water in Starch Wet Milling System

LIU Ze-long1，PAN Jun-hui2，ZHANG Lian-hui1，QIANG Wan-li1
（1.COFCO Nutrition and Health Research Institute Ltd.，Beijing 102209，China；2.Zhejiang Institute of Subtropical Crops，Wenzhou 325005，Zhejiang，China）

Abstract：A study was conducted to develop a technique that can recover protein from the process water in starch wet milling system，which mainly include recollecting corn gluten and obtaining two kinds of novel protein from process water produced during the step of major starch/protein separation by membrane filtration incroporating heat treatment.It was found that ultrafiltration membranes with molecular weight cut-off at 50 ku and 100 ku have better effect on the rejection of 30 ku protein fraction，which is in the enrichment of branched chain amino acids such as Leu and Val.In addition，the obtained protein fractions at molecular weight range of 3 ku to 14 ku were found to resist to heat treatment.The novel protein products can be used as food protein ingredient or protein feed with potential application in muscle building and the acid food or beverage，repectively.

Key words：corn starch；process water；protein；recovering technique