酸沉淀法回收木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)及其影響因素的研究

鄧國龍，莫?jiǎng)?chuàng)榮，張金蓮，謝 婷，韓宴秀，聶 驥

（廣西大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣西南寧 530004）

廣西壯族自治區(qū)是我國最大的木薯生產(chǎn)產(chǎn)地和木薯淀粉生產(chǎn)基地。木薯種植面積和原淀粉生產(chǎn)占全國65%以上，對拉動(dòng)廣西經(jīng)濟(jì)增長、提高當(dāng)?shù)貏趧?dòng)人民生活水平起著重要作用[1]。木薯淀粉一般使用濕法生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的黃漿廢水，由于廢水中含有大量有機(jī)物質(zhì)，直接處理對后續(xù)處理工藝有很高負(fù)荷作用[2]；另一方面，木薯黃漿廢水主要成分為蛋白質(zhì)、淀粉、多糖、纖維等物質(zhì)，其中蛋白質(zhì)的含量高達(dá)1000mg/L以上。

目前，從木薯黃漿廢水中回收蛋白質(zhì)的技術(shù)有沉淀法、發(fā)酵法和聚凝沉淀法等三類方法[3]。沉淀法是利用木薯黃漿廢水自然沉淀，黃漿廢水中蛋白質(zhì)沉淀時(shí)間長且沉淀效果差，如果天氣溫度高容易使蛋白質(zhì)變質(zhì)[4]；發(fā)酵法利用微生物對黃漿廢水發(fā)酵回收菌體蛋白，實(shí)驗(yàn)室操作效果比較好，但在實(shí)際應(yīng)用過程還需要進(jìn)一步探討[5]；聚凝沉淀法應(yīng)用無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑聯(lián)合使用，對黃漿廢水蛋白質(zhì)等物質(zhì)絮凝沉淀，通過研究聚凝沉淀法的沉淀效果較好，但木薯淀粉生產(chǎn)過程廢水產(chǎn)量大，需要投加大量絮凝劑，木薯黃漿廢水的pH變化大導(dǎo)致在投加絮凝劑過程有較大影響從而使沉淀效果差[6]，無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑的價(jià)格高同時(shí)回收的產(chǎn)品中含有大量絮凝劑影響回收產(chǎn)品的品質(zhì)，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用較少。本文從木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)酸沉淀法及其影響因素研究入手，探索能簡便有效回收木薯淀粉黃漿廢水中有機(jī)成分的方法，以期為木薯淀粉產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)廢物資源化提供新的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉生產(chǎn)廢水 木薯洗滌廢水、木薯淀粉一次黃漿廢水和二次黃漿廢水，本論文主要研究一次黃漿廢水和二次廢水的綜合廢水，木薯淀粉黃漿廢水采自廣西南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)某淀粉廠。

722分光光度計(jì) 上海儀電分析儀器有限公司；雷磁PHS-3c pH計(jì) 上海精科；醫(yī)用離心機(jī) 長沙英泰儀器有限公司；冷凍干燥器 北京亞星儀科科技發(fā)展有限公司；電子天平 梅特勒-托利多儀器；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海都電子科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 木薯淀粉黃漿綜合廢水的組成成分測定 水溶性蛋白質(zhì)測定采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[7]；食品水分測定參考GB/T 5009-2008食品中水分的測定方法；木薯黃漿干燥采用真空冷凍干燥；淀粉含量測定參考GB/T 5009.9-2008食品中淀粉的測定方法；食品蛋白質(zhì)的測定參考GB/T 50095-2010食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品蛋白質(zhì)的測定方法；總糖測定采用硫酸-苯酚法；蛋白質(zhì)氨基酸測定參考GT/B 18246-2000《飼料中氨基酸測定》方法。

1.2.2 沉淀工藝參數(shù)的確定 在單因素實(shí)驗(yàn)時(shí)，用木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)沉淀率作為指標(biāo)，依次改變木薯黃漿廢水中沉淀時(shí)間、溫度、廢液蛋白質(zhì)濃度和pH，以木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)的沉淀率作為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究和分析，考察不同影響因素對酸沉淀法回收木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)的影響。

1.2.2.1 廢水pH對木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)的沉淀率的影響 取7份100mL的木薯黃漿廢水溫度為25℃、蛋白質(zhì)濃度1200mg/L，然后依次調(diào)節(jié)廢水的pH為2.5、3.0、3.5、4.5、5.0、5.5、6，沉淀0.5h后，測定木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)的沉淀率，根據(jù)上蛋白質(zhì)沉淀率判斷蛋白質(zhì)等電點(diǎn)[8]。

1.2.2.2 廢水溫度對木薯黃漿廢水的蛋白質(zhì)沉淀率的影響 取6份100mL木薯黃漿廢水調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)濃度1200mg/L，然后水浴控制廢水在溫度為15、25、35、45、55、65℃，調(diào)節(jié)木薯黃漿廢水pH為4.0，沉淀0.5h后，測定木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)的沉淀率。

1.2.2.3 沉淀時(shí)間對木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)沉淀率影響 取6份100mL的木薯黃漿廢水調(diào)節(jié)廢水溫度為25℃、蛋白質(zhì)濃度1200mg/L、pH為4.0，分別沉淀0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5h，測定木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)的沉淀率。

1.2.2.4 木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)濃度對沉淀率影響分別調(diào)節(jié)6份木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)濃度為500、700、900、1000、1200、1500mg/L各取100mL，調(diào)節(jié)廢水溫度為25℃、pH為4.0，沉淀時(shí)間2.5h后，測定木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)的沉淀率。

1.2.3 正交實(shí)驗(yàn)方案 為了優(yōu)化沉淀木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)的條件，在單因素條件和淀粉廠實(shí)際廢水條件下選擇提取溫度、沉淀時(shí)間、蛋白質(zhì)濃度和pH為考察因素，每一個(gè)因數(shù)設(shè)3個(gè)水平，因素水平表如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Fators and levels of the orthogonal experiment

1.3 蛋白質(zhì)沉淀率的測定

1.3.1 蛋白質(zhì)沉淀率的計(jì)算 公式如下所示：

蛋白質(zhì)沉淀率（%）=（1-沉淀后木薯黃漿廢水的蛋白質(zhì)濃度（mg/L）/原木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)濃度（mg/L））×100。

1.3.2 木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)含量測定 采用考馬斯亮藍(lán)G-250法，木薯黃漿廢水原液取1mL加9mL蒸餾水稀釋至10mL，稀釋后的原液或沉淀后上清液取1mL，加入考馬斯亮藍(lán)G-250染液5mL，混勻，靜止3min，在722紫外分光光度計(jì)波長595nm處吸光度；依蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程y=0.0078x+0.0423（R2=0.9946）計(jì)算可溶性蛋白質(zhì)含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 木薯黃漿廢水主要的特征

由表2可知，木薯黃漿廢水具有有機(jī)污染物、固體懸浮物含量高的特征。對木薯黃漿廢水沉淀物進(jìn)行分析，取1L黃漿廢水靜置24h沉淀，首先將沉淀物脫水，然后放入45℃烘箱烘至恒重，稱量黃漿粉質(zhì)量為8.0g，測定黃漿粉主要組成是蛋白質(zhì)和淀粉，其中蛋白質(zhì)含量為19%，淀粉含量為45%。淀粉乳通過碟片分離黃漿廢水，同時(shí)會排出一定量的輕質(zhì)淀粉同黃漿廢水一起排出，導(dǎo)致排出淀粉量大的原因可能跟工人操作成熟度及淀粉廠對木薯淀粉生產(chǎn)工藝的要求有關(guān)[9]。

2.2 木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)的沉淀單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.2.1 廢液pH對木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)的沉淀率的影響 調(diào)節(jié)木薯黃漿廢水的pH，在溫度、蛋白質(zhì)濃度、沉淀時(shí)間不變的條件下測定木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)的沉淀率。以pH為橫坐標(biāo)，木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)沉淀率為縱坐標(biāo)繪制曲線圖，如圖1所示。

表2 木薯黃漿廢水主要指標(biāo)Table 2 Main indication of cassave wastewater

圖1 pH對木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)沉淀率影響Fig.1 Effect of the pH on the protein precipitation rate in cassava wastewater

蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)分子以兩性離子形式存在，其分子正負(fù)電荷相等，此時(shí)蛋白質(zhì)分子顆粒在溶液中因沒有相同電荷的相互排斥，分子相互之間的作用力減弱，其顆粒極易碰撞、凝聚而產(chǎn)生沉淀，所以蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)時(shí)，其溶解度最小，最易形成沉淀物；等電點(diǎn)時(shí)的蛋白質(zhì)許多物理性質(zhì)如黏度、膨脹性、滲透壓等都變小，從而有利于懸浮液的過濾[10]。由圖1可知，pH為3.5～4.5時(shí)木薯黃漿廢水上清液中蛋白質(zhì)濃度最低，根據(jù)蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)處水溶性最小原理可知，木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)等電點(diǎn)在3.5～4.5之間?？紤]到工程實(shí)際，木薯黃漿廢水是高濃度有機(jī)廢水，特別是在高溫的條件下，木薯黃漿廢水受環(huán)境中腐敗菌的污染導(dǎo)致水體易變質(zhì)和酸化發(fā)臭，如果pH太低廢水沉淀效果和回收蛋白質(zhì)質(zhì)量差，所以對后續(xù)進(jìn)行酸沉淀法回收蛋白質(zhì)的影響因素研究時(shí)，選擇pH的為3.5、4.0、4.5三個(gè)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 廢水溫度對木薯淀粉廢水的蛋白質(zhì)沉淀率的影響 調(diào)節(jié)木薯黃漿廢水在不同的溫度下，在廢水的pH、蛋白質(zhì)濃度、沉淀時(shí)間不變的條件下沉淀后，測定木薯淀粉黃漿廢水蛋白質(zhì)沉淀率，研究廢水溫度對蛋白質(zhì)沉淀的影響如圖2所示。從圖2可知，隨著溫度的升高蛋白質(zhì)沉淀率先升高再降低，在25℃和35℃之間存在最大沉淀率。而隨著溫度再次升高蛋白質(zhì)沉淀率下降，在溫度大于45℃的木薯黃漿廢水中的蛋白質(zhì)析出，懸浮在廢水中難以沉淀。這可能是蛋白質(zhì)析出后與水結(jié)合使得蛋白質(zhì)膨脹，導(dǎo)致沉淀效果差，因而測定蛋白質(zhì)沉淀率下降。綜合考慮木薯淀粉廠生產(chǎn)廢水實(shí)際情況選擇溫度25、30、35℃三水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

圖2 溫度對木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)沉淀率的影響Fig.2 Effect of the temperature on the protein precipition rate in cassava wastewater

2.2.3 沉淀時(shí)間對木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)沉淀率影響調(diào)節(jié)木薯淀粉黃漿廢水在溫度、蛋白質(zhì)濃度、溶液pH在不變的條件下，設(shè)定蛋白質(zhì)不同的沉淀時(shí)間，研究沉淀時(shí)間對木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)沉淀率的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可知，蛋白質(zhì)沉淀率隨時(shí)間增加先增加后降低。整過個(gè)過程先是蛋白質(zhì)凝固析出沉淀，蛋白質(zhì)的沉淀率隨時(shí)間增加取向穩(wěn)定，穩(wěn)定后由于廢水是高濃度有機(jī)廢水易受到微生物污染，微生物的生長代謝使得原液的蛋白質(zhì)濃度增加，導(dǎo)致測定蛋白質(zhì)沉淀率下降。綜合評價(jià)和淀粉廠廢水停留時(shí)間，選擇進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)蛋白質(zhì)的沉淀時(shí)間為2.5、3.0、3.5h三水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖3 時(shí)間對木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)沉淀率的影響Fig.3 Effect of the time on the protein precipitation in cassava wastewater

2.2.4 木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)濃度對蛋白質(zhì)沉淀率影響 調(diào)節(jié)不同蛋白質(zhì)濃度的木薯黃漿廢水，在廢水的溫度、廢水pH、沉淀時(shí)間不變的條件下沉淀后，測定蛋白質(zhì)沉淀率研究溶液蛋白質(zhì)濃度對酸沉淀影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知，木薯黃漿廢水總蛋白質(zhì)沉淀率隨蛋白質(zhì)濃度增加而提高，其中由于木薯黃漿廢水經(jīng)過沉淀后廢液中殘余蛋白質(zhì)濃度相差不大，木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)含量高致使沉淀率高。在木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)濃度為1200mg/L后，蛋白質(zhì)沉淀率最好。綜合評價(jià)木薯淀粉廠黃漿廢水蛋白質(zhì)濃度，選擇木薯黃漿廢水的蛋白質(zhì)濃度1000、1200、1400mg/L三水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

圖4 廢水中蛋白質(zhì)濃度對蛋白質(zhì)沉淀率的影響Fig.4 Effect of the protein concentration on the protein precipitation rate in cassava wastewater

2.3 酸沉淀法回收蛋白質(zhì)的影響因素研究

以沉淀溫度、沉淀時(shí)間、蛋白質(zhì)濃度、廢水pH為考察因素，采用L9（34）四因素三個(gè)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果分析見表3。比較極差R值的大小可知，影響蛋白質(zhì)回收的主次順序?yàn)镈＞B＞C＞A，即廢液的初期pH影響最大，其次提取時(shí)間和體系的廢水蛋白質(zhì)濃度，黃漿廢水中溫度影響最小。鹽酸法回收木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)在最佳工藝條件為：A3B2C3D2，即溫度35℃、沉淀時(shí)間3.0h、濃度1400mg/L、pH為4.0，由于正交實(shí)驗(yàn)中沒有該工藝條件，所以對該工藝進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，平行實(shí)驗(yàn)3次驗(yàn)證結(jié)果蛋白質(zhì)沉淀率最高，為98.3%，高于表3中其他組合的蛋白質(zhì)沉淀率，證明最優(yōu)條件可行。

表3 L9（34）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3Results of the L9（34）orthogonal experiment

2.4 回收蛋白質(zhì)中氨基酸含量測定

表4 木薯黃漿中蛋白質(zhì)氨基酸測定Table 4 The determaintation of the protein amino acid in cassave

沉淀法回收得到的蛋白質(zhì)中氨基酸含量委托廣西壯族自治區(qū)分析測試研究中心測定。由表4可知，蛋白質(zhì)中的氨基酸含量比較豐富，干燥后的蛋白并無其他氣味，可以作為動(dòng)物飼料使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣西每年木薯種植面積多達(dá)300萬畝產(chǎn)量在600萬噸以上，中小型淀粉廠有100多家，木薯淀粉產(chǎn)量達(dá)到58萬噸。如果能回收利用木薯黃漿廢水中的蛋白質(zhì)，就能大大提高資源利用率。

3 結(jié)論

3.1 本研究使用酸對木薯黃漿廢水進(jìn)行pH調(diào)節(jié)，酸在木薯黃漿廢水中可以通過堿中和不會產(chǎn)生二次污染。木薯黃漿廢水中的蛋白質(zhì)等電點(diǎn)在pH為3.5～4.5，當(dāng)調(diào)節(jié)廢水pH為3.5～4.5時(shí)，蛋白質(zhì)沉淀率可達(dá)最高。

3.2 通過三水平四因素對木薯黃漿廢水蛋白質(zhì)沉淀影響因素測定，pH對木薯黃漿廢水中蛋白質(zhì)沉淀影響最大，其次為蛋白質(zhì)濃度、蛋白質(zhì)沉淀時(shí)間和黃漿廢水溫度，在條件為溫度35℃、提取時(shí)間3.0h、濃度1400mg/L、pH為4.0時(shí)蛋白質(zhì)沉淀率達(dá)98.3%。

3.3 木薯淀粉生產(chǎn)過程有大量黃漿廢水排出，黃漿廢水中有機(jī)成分自由沉淀效果不理想，不能有效的把黃漿廢水中的有機(jī)成分回收利用。木薯淀粉廠生產(chǎn)一噸淀粉排放兩類黃漿廢水總體積為8～12m3，通過對木薯黃漿廢水成分分析，每一噸的黃漿廢水含有8.0kg干物，這類物質(zhì)蛋白質(zhì)含量高，可以作為動(dòng)物飼料，市場價(jià)在1000元/噸以上，一個(gè)年產(chǎn)萬噸淀粉廠黃漿廢水排出黃漿粉在800t左右，如果能有效回收這類物質(zhì)，一方面可以使黃漿變廢為寶給企業(yè)帶來一定的利潤，同時(shí)還可以減輕后續(xù)廢水處理壓力。

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