殼聚糖絮凝分離豆腐廢水蛋白的研究

褚紹霞潘秋月孟祥河孫培龍

(浙江工業(yè)大學生物與環(huán)境工程學院1,杭州 310014)

(浙江經貿職業(yè)技術學院應用工程系2,杭州 310018)

殼聚糖絮凝分離豆腐廢水蛋白的研究

褚紹霞1潘秋月2孟祥河1孫培龍1

(浙江工業(yè)大學生物與環(huán)境工程學院1,杭州 310014)

(浙江經貿職業(yè)技術學院應用工程系2,杭州 310018)

研究了采用生物絮凝法處理豆腐廢水的可行性。探討了絮凝劑的種類、添加量、廢水的前處理、絮凝時間及 pH對絮凝效果的影響,并重點比較了復合絮凝劑對廢水中蛋白質和低聚糖的絮凝作用。單一絮凝劑試驗結果顯示殼聚糖的絮凝效果明顯優(yōu)于聚合硫酸鐵、聚合三氯化鋁、海藻酸鈉、聚丙烯酰胺。較優(yōu)的添加量為 0.6～0.8 mg/mL,添加量過高濁度會不降反升。絮凝前廢水 -18℃冷凍處理有利于蛋白質的分離,絮凝后的沉降是必要的,時間以 12 h為宜。復合絮凝劑中所有組合都表現(xiàn)出明顯的協(xié)同增效作用,尤以 0.5 mg/mL殼聚糖 +0.3mg/mL海藻酸鈉效果最佳,pH 4.5條件下絮凝后濁度降低 97.8%,原液中蛋白脫除率高達 76.842%,而低聚糖(減少 6.56%)幾乎不受影響,是較為理想的豆腐廢水絮凝劑組合。

豆腐廢水 絮凝 蛋白質 低聚糖 濁度

大豆因富含高質量的蛋白及異黃酮、低聚糖等功能因子而日益受到關注,以大豆為原料開發(fā)的食品層出不窮,然而最廣為接受的依然是傳統(tǒng)的豆腐。豆腐生產中會產生大量的廢水,據(jù)估計加工 1噸大豆約產生 8～10噸廢水[1]。以我國傳統(tǒng)大豆制品年消費量接近900萬噸計,豆制品加工企業(yè)每年約有近千萬噸高濃有機廢水需處理、排放。豆腐廢水 COD、BOD分別高達 15 200、7 700 mg/L,給環(huán)境帶來了巨大的壓力,更成為限制豆制品工業(yè)發(fā)展的瓶頸。如何處理巨大的廢水,是亟待解決的難題。豆腐黃漿水中作為 COD、BOD主要來源的蛋白質、碳水化合物質量分數(shù)分別為0.3%～0.5%及0.5%～0.7%。由于含量偏低,使得黃漿水的開發(fā)利用較長時間沒有實現(xiàn)產業(yè)化。

目前脫除廢水蛋白質的方法主要有三類:即以高分子絮凝為主的吸附法[2-3];以厭氧、曝氣及其組合處理為特征的生物降解法[4-5];以膜技術、電滲析技術為手段的分離法[6-8]。生物法是目前采用最廣泛的污水處理方法,可有效降低 COD、BOD,實現(xiàn)達標排放。但污水處理廠占地面積大,在現(xiàn)代寸土寸金的城市,處理廠只能建立在市郊,豆制品企業(yè)規(guī)模小、分布散,無形中增加了廢水集中處理的難度,而以生產企業(yè)為單位的廢水曝氣處理又存在著成本偏高的問題,同時也不利于食品企業(yè)的生產衛(wèi)生。離子交換分離法清潔、高效,但廢水量巨大,而廢水中蛋白含量又偏低,需要大量的離子交換樹脂,不經濟。以超濾為代表的膜分離技術相對成熟,分離速度快、處理量大,也是目前從稀溶液中回收高附加值大分子的有效方法之一,其致命缺陷是膜污染問題,運行費用、單位成本偏高。此外豆腐廢水蛋白質分子質量分布較寬 (10～100 ku),使得在蛋白回收率、膜通量選擇方面難于取舍。絮凝法工藝簡單、經濟、處理量大,具有明顯的優(yōu)勢,但化學大分子聚合物僅能脫除廢水中 50%～60%的蛋白質,得到的蛋白質也只能作飼料用,附加值不高,過高的絮凝劑添加量(0.15%～0.3%)還會造成二次污染。電絮凝法處理費用很高,而且處理廢水還產生大量的熱,導致蛋白質變性喪失了某些商業(yè)利用價值[9]。

通過探討采用天然生物大分子絮凝劑代替人工合成絮凝劑分離回收廢水中蛋白質的可行性。由于殼聚糖作為食品添加劑來源天然、安全,并廣泛應用于食品醫(yī)藥化妝品領域,試驗詳細研究了殼聚糖及殼聚糖與其他生物大分子的復合絮凝效果。

1 材料和方法

1.1 材料

殼聚糖(脫乙酰度 >90%)、聚陰離子海藻酸鈉(CP)、聚合三氯化鋁 ([Al2(OH)nCl6-n]m,Al2O3≥28%)、聚合硫酸鐵 ([Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m):國藥集團化學試劑有限公司;聚丙烯酰胺 (分子質量 600～1×106u):河南溫縣溫縣華清凈水材料廠;豆腐廢水:杭州豆制食品有限公司,3 000×g離心 20 min,上清液 pH 5.8～6.2,加入0.1%苯甲酸作為防腐劑, -18℃保存、待用,使用前 4℃冷藏過夜解凍。

WGZ-800散射式濁度儀:上海珊科儀器廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 絮凝試驗方法

絮凝劑使用前用 1 mol/L乙酸溶液或去離子水配制成濃度為 3%的溶液使用,絮凝劑添加量以干基計。絮凝試驗使用 100 mL pH 6的廢水于 250 mL具塞錐形瓶中進行,添加絮凝劑后快速攪拌 1 min,使絮凝劑分散均勻,絮凝后的懸浮液在 20℃,130 r/min的混合器中混合 5 min,然后 4℃下靜置 12 h, 3 000 r/min離心 5 min,測濁度,絮凝效果以濁度降低百分率 =[(廢水原液濁度 -樣品絮凝后的濁度)/廢水原液濁度 ×100%]表示。

1.2.2 廢水冷凍預處理的影響

廢水預處理影響試驗分別以原液及經 -18、-78℃冷凍處理 4℃解凍的廢水為起始原料,按照1.2.1方法進行絮凝試驗,然后在 4℃分別靜置 1、12、24、36 h,離心測上清液濁度。

1.2.3 復合絮凝劑的研究

分別研究了殼聚糖、海藻酸鈉、聚合鋁離子、聚合鐵離子的復合絮凝效果。清液中蛋白質的測定采用 280 nm處吸光度測定法和福林酚法[10],蒽酮法[11]測定總糖含量,結果以脫除率表示 (相對廢水原液)。

1.2.4 絮凝 pH的影響

pH效應試驗采用 0.5 mg/mL的殼聚糖和0.3 mg/mL的海藻酸鈉添加量,分別預調乳清 pH 3、4、4.5、5、6、8、10,按照前述方法進行絮凝試驗,測濁度、低聚糖、蛋白質濃度。

2 結果和討論

2.1 不同絮凝劑及其濃度對分離豆腐廢水蛋白效果的影響

溶液的濁度是用來表征該溶液中溶解的固體多少,主要歸因于這些粒子的光散射。濁度在很多不同的廢水處理中用來表征絮凝效率。一種有效的絮凝劑會吸附懸浮粒子,因而減少光的散射效應,使光能在廢水中得到更好的傳輸,進而減小廢水的濁度。試驗采用的廢水主要的濁度來源是蛋白質、低聚糖和鹽類,尤其以蛋白質最為重要,因此絮凝試驗效果以濁度降低百分率表示。

圖 1的數(shù)據(jù)顯示,聚合鐵離子、鋁離子在 0.01～5 mg/mL添加量范圍內均有明顯絮凝脫蛋白作用。鐵離子、鋁離子單獨使用時 3 mg/mL為較合適的添加量,此時濁度降低值分別為 92.14%和 87.78%,繼續(xù)增加離子質量濃度,濁度降低不明顯,甚至會引起絮凝效果減弱現(xiàn)象 (鐵離子質量濃度增至 5 mg/mL時,濁度降低值減為 73.8%)。有機大分子表現(xiàn)出的絮凝效果差異性很大,聚丙烯酰胺對豆腐廢水的絮凝效果很弱,最高僅為 30%(添加量為 0.075 g/mL),海藻酸鈉絮凝最佳效果為濁度降低 75%。結果顯示殼聚糖表現(xiàn)出最佳的絮凝效果,0.8 mg/mL的殼聚糖就會減少 95%的廢水濁度。與無機離子不同的是,有機大分子絮凝劑添加量超過最佳絮凝濃度后,會出現(xiàn)濁度不但不降低反而增加的現(xiàn)象,如 0.25 mg/mL聚丙烯酰胺、5mg/mL海藻酸鈉、3mg/mL殼聚糖分別引起豆腐廢水濁度增加 1.5、5.5及 8.3倍。這可能是由于絮凝劑投加過量形成穩(wěn)定的膠狀懸浮體引起,但也可能與處理時間長短有關。與前述絮凝劑相比,殼聚糖高效、天然、安全而且使用量低,因此后續(xù)試驗采用該絮凝劑進一步研究。

圖 1 不同絮凝劑及添加量對豆腐廢水濁度的影響

2.2 廢水冷凍處理及靜置時間對殼聚糖絮凝效果的影響

冷處理從經濟方面考慮,其能耗產出比是不利的,因此工業(yè)上很少采用。但試驗中使用的廢水原料容易腐敗,保藏困難,-18℃冷凍保藏是最簡便易行的方法。冷凍對絮凝的真實作用還不清楚,因此試驗對比了采用殼聚糖絮凝新鮮豆腐廢水及分別經-18℃、-78℃冷凍然后 4℃融化處理的廢水的試驗效果,結果列于表 1中?？梢?超低溫組的結果與原液對照組沒有明顯區(qū)別,說明 -78℃冷凍預處理對絮凝作用影響可忽略。而 -18℃組絮凝效果比對照組和超低溫冷凍組有所提高,這可能源于冷凍濃縮效應[12]。由于該處理冷凍速率較低,當溫度達到冰點而低于蛋白(鹽)溶液共冰點前,部分游離水先形成晶核,并不斷長大,當溶液整體溫度低于共冰點時蛋白溶液才會凍結。此過程中,一方面形成了蛋白濃度梯度,蛋白質受到一定程度的濃縮(微環(huán)境的鹽濃度提高),另一方面結晶速度慢,蛋白溶液結晶不均勻形成了較大的冰晶。兩方面因素都可能引起部分蛋白變性,于是絮凝過程中蛋白膠體溶液容易失穩(wěn)析出,因此絮凝時濁度降低更明顯。

表1 冷凍預處理對絮凝效果的影響

結果表明未經任何絮凝劑處理的新鮮廢水及經-78℃冷凍 4℃融化處理的原液靜置 36 h后濁度的減少量可以忽略不計,這說明在使用不同絮凝劑的廢水處理試驗中,重力沉降并不是濁度減少的原因。未經任何絮凝處理的 -18℃廢水組濁度降低在第 1 h較明顯,這可能是廢水蛋白部分冷凍濃縮變性析出引起的。超過 12 h,濁度變化可忽略。廢水絮凝后的靜置是必要的,以利于絮凝生成的顆粒聚集、長大,最終從溶液中析出,時間以 12 h為宜,超過12 h濁度降低可忽略,時間過長還可能會形成穩(wěn)定的膠狀溶液,增加分離難度。

2.3 復合絮凝劑的絮凝效果

單一的殼聚糖雖然絮凝效果較好,但脫除廢水中的蛋白質的能力是有限的。即使能夠達到要求,其較大的添加量也是不經濟的,因此有必要研究復合絮凝劑以發(fā)揮其協(xié)同增效作用。不同混合比的殼聚糖復合物絮凝劑的試驗結果列于表 2中。

結果表明,試驗中所有絮凝劑組合都表現(xiàn)出明顯的協(xié)同增效作用,而且不同組合及不同劑量的試驗結果間差別明顯。鐵離子與殼聚糖的協(xié)同作用明顯優(yōu)于鋁離子,較佳的殼聚糖無機離子組合為0.5 mg/mL殼聚糖和 0.005 mg/mL的鐵離子,此時的濁度降低 87.2%,明顯高于單獨使用 0.5 mg/mL殼聚糖或 0.005 mg/mL的鐵離子效果。增加復合物中鐵離子的比例,絮凝效果可能更佳,但回收的蛋白質中殘余金屬離子濃度過高會降低蛋白質的價值。使用混合比(MR)1.67的殼聚糖 -海藻酸鹽復合物的濁度減少量 (97.02%)比MR3.0時的濁度減少量(96.64%)要大,這在工業(yè)上應用是有利的。復合物中殼聚糖含量低,產生的絮凝產物多,這使得復合物比純的殼聚糖更具價格優(yōu)勢因為海藻酸鈉的價格要比殼聚糖低。同樣,具體應用的時候,還可以根據(jù)待處理廢水的情況設計適當混合比的復合物。表 2還顯示殼聚糖 /海藻酸鈉混合比 0.5/0.3的復合物對蛋白質的吸附能力高,對大豆低聚糖的吸附能力低,而混合比 0.6/0.2的復合物夾帶了明顯數(shù)量低聚糖 (14.64%),這一點尤其有用,在蛋白質回收體系中值得考慮的一個問題就是脫蛋白質同時應盡可能使大量的低聚糖留在于清液中。如果能夠分別回收低聚糖和乳清蛋白則可以實現(xiàn)相當可觀的商業(yè)利益。

表2 殼聚糖與其他絮凝劑的復合絮凝作用

2.4 pH對殼聚糖海藻酸鈉凝效果的影響

廢水溶液的 pH不僅與蛋白質的穩(wěn)定性有關,還可能影響殼聚糖海藻酸鈉復合物。不同 pH條件下復合絮凝劑絮凝效果列于表 3。

表3 不同pH條件下的復合絮凝劑的絮凝效果

結果表明,酸性條件下絮凝效果明顯優(yōu)于堿性條件下,最佳的絮凝pH 4.5,此時濁度降低約100%。一方面 pH 4.5接近大豆球蛋白的等電點,溶解度降低,而大豆球蛋白在乳清中占有明顯的數(shù)量。另一方面,前人研究發(fā)現(xiàn)酸性條件下 (pH 3～5),殼聚糖的NH3+基團和藻酸鹽的 COO-基團之間發(fā)生靜電相互作用,導致形成復合物[13-15]。因此酸性條件下良好的絮凝效果可能源于殼聚糖和海藻酸復合物的形成,而復合物對乳清蛋白有較高的親合性。

3 結論

采用天然大分子殼聚糖/海藻酸鈉復合物分離豆腐廢水中的蛋白質的方法具有經濟、安全、高效、工藝簡單、無二次污染等諸多優(yōu)點,是切實可行的。添加 0.5 mg/mL殼聚糖 +0.3 mg/mL海藻酸鈉復合絮凝可使豆腐廢水濁度降低97.8%,蛋白脫除76%,而低聚糖只減少 6.56%。得到的絮凝物可用于分離純化高品質的水溶性大豆清蛋白,也可添加到豆腐凝乳工段增加產品出品率和蛋白質含量。產生的清液可進一步分離功能性低聚糖,也可部分脫鹽后作為工藝用水(磨漿)回用。

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Chitosan-Based CoagulatingAgents Effective for Treating TofuWastewater

Chu Shaoxia1Pan Qiuyue2Meng Xianghe1Sun Peilong1

(College ofBiological and Environmental Engineering,ZhejiangUniversity of Technology1,Hanghou 310014)
(Depart ment ofApplication&Engineering,Zhejiang Economic&Trade Polytechnical2,Hangzhou 310018)

Tofu wastewaterwas treated by using the biocoagulation separation method.The turbidity of coagulate supernate was investigated in relation to the kinds of coagulating agent,addition dosage,preservation temperature of wastewater,coagulation time and pH,focusing on the synergistic effect of coagulating agent complexes.Results on ex2 perimentswith single coagulating agent suggest that chitosan at 0.6～0.8 mg/L shows a maximal turbidity reduction than poly ferric sulfate,poly aluminum trichloride,sodium alginate,and polyacrylamide.Freezing treatment of waste water at-18℃before coagulation is fit forprotein separation.Coagulation time plays a significant role in adsorption, and it is necessary for at least 12 h.All complex coagulating agents show noticeable synergistic effect.Especially,chi2 tosan/alginate complex(monomeric mixing ratio of 1.67)at 0.8 mg/mL,under condition of pH 4.5 exhibits opti2 mum coagulation effectswith turbidity reduction of 97.8%,protein removal rate of 76.84%,whereas hardly has any significant effecton soy oligosaccharide(6.56%).Chitosan/alginate complex is an ideal coagulating agent forprotein separation from Tofu wastewater.

Tofu waste water,coagulation,protein,oligosaccharide,turbidity

TS214 文獻標識碼:A 文章編號:1003-0174(2010)03-0102-05

杭州科技攻關項目(20070733B25)

2009-03-30

褚紹霞,女,1980年出生,碩士,食品科學

孫培龍,男,1964年出生,教授,碩士生導師,食品科學