高分子膜在大豆蛋白制備中的應用

李 泓，張玉忠，梁晴晴

(天津工業(yè)大學 材料科學與工程學院，天津 300387)

大豆是重要的油料、蛋白資源。我國大豆資源豐富，其中用于制油的大豆占總量的40%以上，而油脂加工副產品大豆粕是最大的可開發(fā)的植物蛋白資源。以低變性脫脂大豆粕為原料生產的大豆分離蛋白(SPI)，由于其具有良好的功能特性，主要作為食品添加劑用于肉制品、面制品及奶制品等食品中，既可顯著改善食品品質和功能性，又可提高出品率和降低生產成本。

大豆乳清中含有多種生物有效活性成分，有益于人體健康，所以近年來成為研究熱點，其主要有：含于乳清水中的乳清蛋白,包括低分子量的短鏈肽、高分子量的短肽鏈結合成的氨基酸等,這些成分具有很多優(yōu)點：具有良好的發(fā)泡性、溶解性；易于被人體消化吸收；在酸性條件下不沉淀，因此較適于用在食品飲料中。在乳清廢水中，主要成分為水蘇糖、棉子糖和蔗糖的低聚糖,由于具有較好的熱穩(wěn)定性，常用作低熱量天然甜味劑。除此之外，這種低聚糖還可提高人體的免疫力,且效果還比其他低聚糖更為顯著,主要是由于該低聚糖可以被人體腸道內的有益細菌(雙歧桿菌)所利用進行優(yōu)勢增殖,因此可作為食品新配料廣泛應用于罐頭食品、糖果、冷飲等其他食品中。最初，日本首先開始工業(yè)化生產和加工大豆低聚糖產品,后來進過不斷的應用與發(fā)展，慢慢地將大豆低聚糖被批準納入健康食品的行列。

50年代，美國首先開始研究大豆蛋白分離技術，也已成為大豆分離蛋白的主要生產國。而我國是從80年代開始研究大豆分離蛋白，最初都采用傳統(tǒng)的醇法和堿提酸沉法，其存在產率低、產品質量不高、廢水污染等問題。近年來的不斷發(fā)展大豆蛋白的膜分離技術，一方面解決了廢水污染問題，另一方面能夠將大豆綜合利用和資源化。因此，大豆蛋白的膜分離技術應用研究引起了國內外學者的關注。為了能夠大力發(fā)展大豆產業(yè),提高質量，滿足市場需要，需要生產不同功能性大豆分離蛋白。膜分離技術其過程設計采用閉路循環(huán),廢水循環(huán)使用,原料資源充分利用,即節(jié)約環(huán)保又能資源化利用，因而引起相關行業(yè)的廣泛關注。

在膜分離技術制備大豆分離蛋白中，更值得一提的是提取過程產生的大豆乳清廢水，經膜法處理，排出的水固形物含量幾乎為零，所以該乳清廢水既可循環(huán)利用，節(jié)約水資源，也可直接排放，不污染環(huán)境。而且大豆乳清中的低聚糖等有效活性成分，經膜分離凈化處理、濃縮、干燥回收，使大豆中各組成分都得到充分利用。因此膜分離技術制備大豆分離蛋白具有較好的應用前景，如能推廣、應用本技術，將會給企業(yè)帶來顯著的經濟效益和社會效益。

1 高分子膜制備大豆蛋白的原理與方法

豆粕原料經前處理得到大豆蛋白提取液，按照圖1所示膜技術工藝流程：首先是微濾(MF) 作為前處理，目的是先去除蛋白提取液中的微小懸浮物，避免超濾過程膜孔堵塞與污染；其次，超濾(UF)用于分離、純化、濃縮大豆蛋白提取液；然后，利用納濾(NF)過程用于大豆乳清廢水處理，以達到回收大豆低聚糖、大豆乳清蛋白和大豆異黃酮等有效物質的目的，這些成分再經樹脂吸附分離、濃縮、干燥處理后可以得到純品；最后一步是利用反滲透(RO)，其目的是除去廢水中的鹽類，得到凈化水，繼續(xù)循環(huán)使用，節(jié)能環(huán)保。

圖1 膜技術提取大豆分離蛋白工藝流程

2 大豆分離蛋白膜法制備

多年來，科技工作者在把超濾膜應用到制備大豆分離蛋白工藝方面進行了大量的研究。高安全[1]等研究了切割分子量為13000道爾頓的超濾膜制備濃縮大豆蛋白的方。郭宏[2]等探討利用平板超濾工業(yè)化制備大豆分離蛋白。崔岸[3]等研究指出切割分子量為20000～30000道爾頓的聚砜酰胺膜制備大豆分離蛋白的蛋白截留率為95%，蛋白質回收率為93.9%。周伯川等[4]用中空纖維聚砜膜制得的大豆分離蛋白質量比堿溶酸沉好，蛋白質含量高、灰分少。習文社[5]等研究了大豆蛋白分子量分布，當選擇大于10000道爾頓的高分子膜制取的大豆分離蛋白具有高溶解性。劉大川[6]等研究了中空纖維膜超濾技術在分離提純大豆蛋白的工藝參數(shù)，并采用聚丙烯腈中空纖維膜進行大豆蛋白的超濾分離，制得粗大豆分離蛋白含量達91%(干基)，氮溶解指數(shù)(NSI)高達96%。崔岸[3]等對超濾法生產大豆分離蛋白進行研究，探討物料濃度、溫度、PH值、操作壓力、循環(huán)速度對超濾過程的影響。結果表明適宜大豆分離蛋白生產超濾膜為MWCO為20000的PSA膜，其蛋白質的截留率高于95%，蛋白質的回收率達93.9%，超濾膜生產大豆分離蛋白相較于傳統(tǒng)技術，NSI值明顯提高。

張玉忠[7]等采用工業(yè)規(guī)模的改性聚醚砜耐溫超濾膜及其組件用于大豆分離蛋白提取液濃縮，研究了改性聚醚砜的超濾性和膜清洗后的可恢復使用性。結果表明，由于改性聚醚砜中空纖維超濾膜及其組件具有較好的耐溫性能，可長期在較高溫度下使用。在用于大豆蛋白提取液的濃縮時，其通量大、抗污染性能較好、膜的清洗恢復性能好。經超濾濃縮后可直接用于噴粉，提取液的固形物濃度達到15.2%。

燕龍龍[8]對不同凝膠浴條件下的聚偏氟乙烯膜及和共混改性膜對于大豆蛋白的分離性能的研究，結果表明甲酸作為凝膠浴，膜性能最佳，當甲酸濃度為50%時分離性能較好，其蛋白截留率維持85.42%的較高水平。當利用殼聚糖對PVDF共混膜進行表面涂覆改性，改性后的PVDF膜的雖然親水性增加，但隨著殼聚糖濃度的增加，由于發(fā)生膜孔堵塞，膜表面孔數(shù)變少，孔徑減小，進而導致水通量下降、孔隙率也發(fā)生下降。在選擇最佳條件下，使用自制的PVDF膜和共混膜進行大豆蛋白的提取分離時,共混膜的大豆蛋白提取液通量較高，可達450.32 L/m2·h，但自制的PVDF膜大豆蛋白提取率較共混膜高，能夠達到96.25%。

3 乳清液中活性物質提取

大豆乳清蛋白具有生物活性,其中胰蛋白酶抑制劑是抗癌因子,同時大豆異黃酮中的木黃銅也能夠抑制和治療多種癌癥，因此大豆中多種有效物質都能夠抑制癌細胞，預防癌癥。乳液中的乳清蛋白是具有較好的溶解性的功能性食品，在飲料、糕點及乳制品行業(yè)中具有較好的應用前景。

乳清中含有各種低分子蛋白、大豆低聚糖類、多糖類等物質,碳水化合物60%左右,其中水蘇糖和棉子糖是碳水化合物中含量較高的糖類。大豆低聚糖可促使腸道中的雙歧桿菌充分增長,而抑制夾膜桿菌和其它核狀桿菌等有害細胞的增長,進而促進腸道蠕動,分解致癌物質，提高人體免疫力[9]。納濾膜不僅起到濃縮功能和去除鹽類外，還需除去蔗糖、葡萄糖等其他非功能性成分。

史宣明[10]等采用“大豆乳清液→預處理脫色→過濾→超濾→納濾→真空濃縮→噴霧干燥→成品”流程回收提純大豆低聚糖。采用膜法回收提純的大豆低聚糖產品中低聚糖的含量超過30%(只含有棉子糖和水蘇糖)，經真空進一步濃縮，噴霧干燥即得產品。

大豆異黃酮是一種具有特殊生理活性的物質,它對多種癌癥具有抑制和治療作用,被認為是目前植物界抗癌成分的首選物質。大豆中的異黃酮主要為染料木黃酮和黃豆甙原。幾乎100%的癌細胞如HELA和MCE-7在加入100 μmol/L的染料木黃酮后都死掉了,染料木黃酮能夠抑制癌細胞的生長和促使癌細胞的分化,也就是從癌細胞變成正常細胞。利用膜技術工藝生產的成品中異黃酮含量高于20%。

4 大豆乳清廢水處理與資源化

大豆乳清是以低溫脫脂豆片為原料,在生產大豆分離蛋白過程中,豆片經堿提酸沉離心分離后產生的廢水。乳清廢水顏色為淡黃色,BOD高達5000～8000 mg/L ,COD高達18000～20000 mg/L,直接排放會造成極大的環(huán)境污染。常規(guī)采用厭氧法和耗氧法處理乳清廢水,其效果差、耗資大,而且其中的有效成分沒有得到利用[11]。利用膜分離技術對乳清廢水進行清理,可以回收其中的有用組分，達到清潔生產目的。

祁佩時[12]等采用高溫滅菌、凈值沉淀以及MWCO為10000道爾頓的聚砜中空纖維膜進行精濾，可保證高于90%的蛋白去除率，高于27%的COD去除率，低于10%的低聚糖損失率，因此通過回收蛋白與低聚糖實現(xiàn)資源化的回收。污染后的超濾膜可采用NaOH和EDTA的混合液進行清洗，其通量恢復率約為90%。

儲力前[13]等采用MWCO為2000道爾頓聚醚砜卷式膜與反滲透膜集成工藝相結合的方式處理大豆蛋白廢水，不僅將蛋白和低聚糖從廢水中提取出來，并且處理后水可返回蛋白生產工藝進行循環(huán)使用。

孫寓姣[14]等采用聚四氟乙烯膜一體式浸沒生物反應器處理大豆蛋白廢水，當原水COD值在1300～2450 mg/L范圍時，反應器的出水COD值為28～129 mg/L，COD去除率在93%～99% 之間。當進水BOD在800～1400 mg/L時，反應器出水BOD值在12～20 mg/L之間。對NH4+-N具有較好的去除作用，當原水NH4+-N值在108～136 mg/L之間，反應器出水NH4+-N值在24～32 mg/L之間。出水澄清度好，濁度低于5 NTU，表明該工藝具有出水水質好、耐沖擊負荷的特點。

劉宇[15]采用絮凝-超濾相結合的技術初步分離大豆黃漿水中的蛋白質、異黃酮和低聚糖處理廢水。實驗結果表明：首先用0.3 mg/mL殼聚糖對大豆黃漿水進行絮凝處理，再采用聚醚砜膜進行超濾處理,最終蛋白質回收率達到76.1%,異黃酮夠過率達到77.2%，總糖透過率達到76.0%，平均膜通量18.9～20 L/m2·h。

5 結束語

采用高分子膜可以使大豆蛋白在較低而適宜的溫度下提取、分離、凈化、去除有害成分,并濃縮、噴霧、干燥得到合格的粉狀分離大豆蛋白產品,由于所確定的工藝技術完整、先進，高分子膜操作方便以及分離效果好,制備的大豆分離蛋白其功能性(如溶解性、乳化性、發(fā)泡性、純度、吸油性等)明顯較傳統(tǒng)工藝提高。

采用高分子膜對乳清液的處理,一方面可以解決環(huán)保問題,另一方面可以生產具有高附加值的產品。乳清液中有益于人類身體健康的乳清蛋白、低聚糖與異黃酮等有用物質提取及綜合利用乳清廢水所帶來的生態(tài)效益，說明高分子膜技術有廣闊的市場前景和潛力。