酸熱絮凝法提取甘薯淀粉分離汁水中的蛋白質(zhì)

王雪婷，趙博超，羅岷，苑喜男，朱克松，潘涔軒*，曾凡逵

1.國家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院

2.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所環(huán)境材料與生態(tài)化學(xué)研究發(fā)展中心

甘薯，又叫紅薯、番薯，是世界主要糧食作物之一，也是重要的工業(yè)原料、飼料、新型能源及減災(zāi)作物[1]。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）2020 年數(shù)據(jù)顯示[2]，我國甘薯種植面積為224.02 萬hm2，年總產(chǎn)量4 894.95 萬t，居世界第一。甘薯加工以甘薯淀粉及其制品（粉條、粉絲、粉皮）加工最為普遍，尤其是在安徽、河南、河北等地的農(nóng)村，是農(nóng)民增收致富的重要手段。甘薯淀粉分離汁水是甘薯生產(chǎn)淀粉過程中產(chǎn)生的廢液，每t 淀粉排放量達(dá)5～10 m3，主要是甘薯細(xì)胞汁液，含有淀粉、蛋白質(zhì)、游離氨基酸、果膠和糖類等。對于淀粉廢水，通常采用絮凝沉淀、厭氧好氧、深度除磷等末端治理技術(shù)[3-5]，但由于甘薯淀粉分離汁水中蛋白質(zhì)含量高，導(dǎo)致末端治理難度大、成本高[6]，另外還會產(chǎn)生吲哚、硫化氫（H2S）、氨氣（NH3）等臭味氣體[7]。甘薯蛋白質(zhì)含有18 種氨基酸，包括人體必需的8 種氨基酸，生物價達(dá)到72，高于馬鈴薯蛋白質(zhì)（67）[8-9]，具有很高的營養(yǎng)價值。從甘薯淀粉分離汁水中提取蛋白質(zhì)，不僅可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也能有效減少臭味，降低化學(xué)需氧量、總氮等濃度，有利于廢水的還田利用[10-11]，對甘薯行業(yè)具有現(xiàn)實意義。

目前，從甘薯淀粉分離汁水中提取蛋白質(zhì)的技術(shù)主要有堿溶酸沉法[12-13]、超濾法[14-15]和泡沫分離法[16]，其中堿溶酸沉法需要加入酸堿試劑，會增加較多的鹽，不利于后續(xù)廢水還田利用[10-11]；超濾法因膜容易堵塞，投資運行成本較高[3]；泡沫分離法對高濃度溶液分離效率較低，并且影響條件較多，距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有一定距離[3]。在與甘薯淀粉加工行業(yè)相似的馬鈴薯淀粉加工行業(yè)，馬鈴薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用的技術(shù)主要是酸熱絮凝法（加熱加酸沉淀法）[17-22]和擴(kuò)張床吸附法[21-24]，前者在國內(nèi)外均已廣泛應(yīng)用，并且工藝設(shè)備已實現(xiàn)國產(chǎn)化，后者僅在歐美地區(qū)應(yīng)用，工藝設(shè)備尚未實現(xiàn)國產(chǎn)化。酸熱絮凝法利用高溫破壞蛋白質(zhì)分子的天然結(jié)構(gòu)，讓疏水性基團(tuán)暴露出來，使蛋白質(zhì)分子的疏水作用增強(qiáng)，互相聚集成更大的分子聚集體，并利用等電點處蛋白質(zhì)溶解度小的特點，聚集發(fā)生沉淀[17-18,20]。酸熱絮凝法的蛋白質(zhì)提取率高，但因為提取過程中使用了加熱和加酸，回收的蛋白質(zhì)已發(fā)生不可逆變性，只能作為動物飼料利用[22,24-25]。擴(kuò)張床吸附法是一種經(jīng)過精心設(shè)計的、穩(wěn)定的、返混很少的離子交換層析技術(shù)[26]，回收的蛋白質(zhì)具有天然活性，可以用于制藥和食品加工領(lǐng)域，經(jīng)濟(jì)性更高，但主要提取貯藏蛋白質(zhì)（又名Patatin 蛋白），占馬鈴薯可溶性蛋白的40%左右[11]，蛋白質(zhì)提取率相對較低。Zeng 等[23]以AmberliteTMXAD7HP 樹脂作為擴(kuò)張床吸附劑，從馬鈴薯淀粉分離汁水中分離得到天然蛋白質(zhì)，總蛋白的回收率為40%左右，其中約75%是蛋白酶抑制劑。

基于酸熱絮凝法和擴(kuò)張床吸附法在馬鈴薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取上的應(yīng)用情況，筆者認(rèn)為能在甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取上具有較快產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用優(yōu)勢的是酸熱絮凝法，但相關(guān)基礎(chǔ)研究較為薄弱，因此亟待開展此方面的研究。當(dāng)前，馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取的典型工藝流程[17]如下：首先對馬鈴薯淀粉分離汁水進(jìn)行消沫處理，去除空氣；然后分離小顆粒淀粉和細(xì)纖維，以防這些物質(zhì)在加熱過程中糊化影響蛋白質(zhì)的分離；再調(diào)節(jié)pH 至4.8～5.2，通過蒸汽直接噴射加熱汁液使蛋白質(zhì)凝聚，凝聚后的蛋白質(zhì)冷卻后通過離心分離得到濕蛋白質(zhì)和脫蛋白質(zhì)廢水，分離的濕蛋白質(zhì)通過閃蒸干燥機(jī)烘干獲得蛋白質(zhì)產(chǎn)品。將此工藝應(yīng)用到甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取上，受原料影響，pH、加熱溫度、離心轉(zhuǎn)速和離心時間等工藝參數(shù)需要調(diào)整[13,17-18,20]，故本研究通過單因素試驗和正交試驗優(yōu)化甘薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取的工藝條件；同時基于馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取整裝設(shè)備，集成裝置進(jìn)行工藝模擬試驗，檢驗技術(shù)裝備的可行性和效果，以期為實現(xiàn)甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

甘薯淀粉分離汁水，取自河北中薯農(nóng)業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司甘薯淀粉加工全旋流生產(chǎn)線濃縮旋流器，其pH 為5.95～6.05、總氮（TN）濃度為1 920～2 800 mg/L、化學(xué)需氧量（CODCr）為50 800～63 300 mg/L。該公司甘薯淀粉加工所用的甘薯品種有盧選1 號、濟(jì)薯25 號、商薯19 號、秦薯5 號，其中盧選1 號用量最多，占鮮薯總加工量的52.63%。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 單因素試驗

探究pH、溫度、離心轉(zhuǎn)速和離心時間對甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的影響，其中對于溫度條件的設(shè)置，參考了馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法提取蛋白質(zhì)時，一般是將汁水加熱到112 ℃，考慮到用電熱恒溫水浴鍋（HHS 型）加熱最高溫度為100 ℃，因此本研究設(shè)置溫度為20～100 ℃。

pH 的影響：分別取100 mL 新鮮甘薯淀粉分離汁水，在20 ℃條件下用濃H2SO4調(diào)節(jié)pH 至3.5、4.0、4.5、5.0、6.0，用1 g/L NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH 至6.5、7.5、8.0、9.0、10.0，于3 000 r/min 離心20 min，取上清液測TN 濃度和CODCr，并計算TN 和CODCr去除率。調(diào)節(jié)pH 所用的H2SO4、NaOH 均為分析純。

溫度的影響：分別取100 mL 新鮮甘薯淀粉分離汁水，在pH 為6.0 條件下加熱至70、80、90、100 ℃，于3 000 r/min 離心20 min，取上清液測TN 濃度和CODCr，并計算TN 和CODCr去除率。

離心的影響：分別取100 mL 新鮮甘薯淀粉分離汁水，在pH 為4.0、溫度為20 ℃時，分別設(shè)定離心轉(zhuǎn)速為2 500、3 000、3 500、4 000、5 000 r/min，離心20 min，取上清液測TN 濃度和CODCr。在同樣pH 和溫度條件下，設(shè)定離心轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，分別設(shè)定離心時間為5、10、15、20、25 min，取上清液測TN 濃度和CODCr，并計算TN 和CODCr去除率。

1.2.2 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，綜合考慮pH、溫度、離心轉(zhuǎn)速和離心時間對甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取效果的影響及脫蛋白質(zhì)廢水還田利用的影響，設(shè)計甘薯淀粉分離汁水中蛋白質(zhì)提取的正交試驗，其因素和水平見表1。

表1 四因素三水平試驗設(shè)計Table 1 Factors and levels for the orthogonal experiments

1.2.3 集成裝置的模擬試驗

借鑒產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝和裝備，由湖北山洪食品機(jī)械有限公司試制蛋白質(zhì)提取的集成裝置（圖1），主要包括漿料罐、pH 調(diào)節(jié)罐、板式換熱器、保溫絮凝罐、汽液分離罐、平板式離心機(jī)、電鍋爐（蒸汽發(fā)生器）等，處理規(guī)模為50～80 L/h。在設(shè)定工藝參數(shù)條件下，通過批次試驗，檢驗酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝在甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取上的可行性及效果。

圖1 蛋白質(zhì)提取集成裝置Fig.1 Integrated device of protein extraction

集成裝置運行及樣品采集：集成裝置進(jìn)水即甘薯淀粉分離汁水，現(xiàn)取自企業(yè)淀粉生產(chǎn)線濃縮旋流器。集成裝置穩(wěn)定運行后的10 d 內(nèi)（10 月29 日—11 月7 日）進(jìn)行了10 個批次的試驗。采集樣品包括甘薯淀粉分離汁水（進(jìn)水）、脫蛋白質(zhì)廢水（出水）、蛋白質(zhì)濾餅。其中，甘薯淀粉分離汁水取樣點設(shè)置在物料罐和pH 調(diào)解罐，記錄甘薯淀粉分離汁水用量，并檢測pH、TN 濃度和CODCr；脫蛋白質(zhì)廢水是全部收集后取樣檢測TN 濃度和CODCr；蛋白質(zhì)濾餅是全部收集后記錄質(zhì)量，并取樣檢測水分，烘干破碎后檢測蛋白質(zhì)含量。每個批次取樣1 次。

1.3 分析方法

甘薯淀粉分離汁水溶液中的TN 濃度采用過硫酸鉀氧化法測定，具體做法是按照默克公司提供的預(yù)處理方法準(zhǔn)備消解樣品，然后利用TR 620 加熱消解器（默克公司），在溫度120 ℃下消解1 h，然后按照默克公司提供的快速檢測方法準(zhǔn)備樣品，利用Prove 100 水質(zhì)分析儀（默克公司）測定。TN 試劑盒編號114763，檢出限為10～150 mg/L。甘薯淀粉分離汁水溶液中的CODCr采用重鉻酸鹽法測定，具體做法是取適量甘薯淀粉分離汁水放入消解管中，利用TR 620 加熱消解器（默克公司），在溫度148 ℃下消解2 h，然后按照默克公司提供的快速檢測方法準(zhǔn)備樣品，利用Prove 100 水質(zhì)分析儀（默克公司）測定。CODCr試劑盒編號114555，檢出限為500～10 000 mg/L。甘薯淀粉分離汁水溶液中的pH 通過pH 計（pHS-3C 型，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）測定，pH 計精度為0.01。

甘薯蛋白質(zhì)含量的測定參考GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》，采用凱氏定氮法。按下式計算甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的蛋白質(zhì)回收率：

式中：y為甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)回收率，%；m為回收的蛋白質(zhì)濾餅干質(zhì)量，g；w為回收的蛋白質(zhì)濾餅中蛋白質(zhì)含量，%；V為甘薯淀粉分離汁水處理量，L；CTN為甘薯淀粉分離汁水的TN 濃度，mg/L；6.25 為氮折算成蛋白質(zhì)的系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

周添紅[17]利用馬鈴薯淀粉加工廢水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取的工業(yè)化試驗裝置，得到總蛋白質(zhì)回收率平均為86.87%，此時COD 去除率為43.9%。蛋白質(zhì)提取的效果與蛋白質(zhì)的提取量及汁水TN 去除率和CODCr去除率呈正相關(guān)，因此本研究以蛋白質(zhì)的提取量、汁水TN 去除率和CODCr去除率為指標(biāo)，分析評價酸熱絮凝法提取甘薯淀粉分離汁水中蛋白質(zhì)的效果。在單因素試驗和正交試驗中，由于蛋白質(zhì)的提取量受實驗室條件所限，數(shù)據(jù)較難獲得，因此主要以甘薯淀粉分離汁水的TN 去除率和CODCr去除率為指標(biāo)。

甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的單因素試驗和正交試驗，每組試驗重復(fù)3 次。集成裝置模擬試驗為多批次試驗。采用Excel 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并作圖，采用正交設(shè)計助手Ⅱ v3.1 進(jìn)行直觀分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的單因素試驗

2.1.1 pH 對汁水蛋白質(zhì)提取效果的影響

新鮮甘薯淀粉分離汁水的pH 為6.0 左右。由圖2（a）可知，pH 低于6.0 時，隨著pH 的降低，甘薯淀粉分離汁水的TN 去除率呈先上升后降低的趨勢，在pH 為4.0 時，TN 去除率最大，達(dá)到76.75%；pH 為6.0～6.5 時，TN 去除率從2.3%升至17.06%，但pH 為 6.5～10.0 時，TN 去除率變化幅度較??；pH 為9.0 時，TN 去除率較小，為13.02%。蛋白質(zhì)等電點在pH 為4.0 附近，此時蛋白質(zhì)分子顆粒不存在同電的相互排斥作用，極易發(fā)生碰撞和聚沉，蛋白質(zhì)溶解度最小，最易形成沉淀物[13,20,27-28]，因此在pH 為4.0 時，表現(xiàn)為TN 去除率最高。而在堿性條件下，可能是由于堿性的增強(qiáng)使蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，有些原來在分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)由于結(jié)構(gòu)松散而暴露出來，分子的不對稱性增加，因此擴(kuò)散系數(shù)降低，溶解度較高，不易聚沉[13]，表現(xiàn)為TN 去除率降低。

圖2 pH 和溫度對甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取效果的影響Fig.2 Effect of pH and temperature on the protein extraction from sweet potato starch processing water

侯利霞等[12-13]的研究表明，甘薯蛋白質(zhì)在pH為4.5 時沉淀率最大，在pH 為8.0 時溶解度最大，這與本研究結(jié)果略有差異，可能是甘薯品種不同所致。蛋白質(zhì)由氨基酸組成，本研究使用的是甘薯品種盧選1 號，其氨基酸組成及含量見表2，其中酸性氨基酸、堿性氨基酸和中性氨基酸分別占氨基酸總量的37.02%、11.94%和51.04%。而侯利霞等[12-13]研究使用的甘薯品種為SL-19，其酸性氨基酸、堿性氨基酸和中性氨基酸分別占氨基酸總量的24.46%、13.83%、61.71%。由于氨基酸的組成及含量不同，導(dǎo)致蛋白質(zhì)在不同pH 條件下的溶解度出現(xiàn)差異。

表2 甘薯（盧選1 號）中氨基酸構(gòu)成Table 2 Proportion of amino acids in sweet potato

不同pH 下，甘薯淀粉分離汁水CODCr去除率的規(guī)律與TN去除率的規(guī)律基本相似，也是在pH 為4.0 時達(dá)到最大。但蛋白質(zhì)提取對TN 去除率和CODCr去除率的貢獻(xiàn)不同，對TN 去除率的貢獻(xiàn)較大，對CODCr去除率的貢獻(xiàn)相對較低，這是因為在甘薯淀粉分離汁水中蛋白質(zhì)是TN 的主要貢獻(xiàn)者，而CODCr的貢獻(xiàn)者除蛋白質(zhì)外，還包括淀粉、果膠、糖類等有機(jī)物[3,17]。

綜上，pH 對甘薯淀粉分離汁水中蛋白質(zhì)提取效果的影響較大，對TN 去除率和CODCr去除率的影響規(guī)律基本相似，在pH 為4.0 時，TN 去除率和CODCr去除率均達(dá)到最大。

2.1.2 溫度對汁水蛋白質(zhì)提取效果的影響

新鮮甘薯淀粉分離汁水的溫度在20 ℃左右。由圖2（b）可知，溫度為70 ℃時的甘薯淀粉分離汁水的TN 去除率明顯高于20 ℃，這是因為溫度越高，分子的布朗運動越激烈，蛋白質(zhì)的撞擊和黏附概率越大[20]，因此易聚沉；溫度升到80 ℃，蛋白質(zhì)大量聚沉，TN 去除率增加趨勢變緩。甘薯淀粉分離汁水CODCr去除率的規(guī)律與TN 去除率的規(guī)律大不相同：70 ℃時的CODCr去除率略高于20 ℃；但當(dāng)溫度繼續(xù)上升，CODCr去除率與溫度基本呈線性關(guān)系。如前所述，甘薯淀粉分離汁水中除含有蛋白質(zhì)外，還含有淀粉、纖維等有機(jī)物，這些物質(zhì)高溫時容易糊化，黏度升高，離心分離時可能會黏附著蛋白質(zhì)聚集體一同被分離出來[17]，因此高溫時CODCr去除率更高。

綜上，溫度對甘薯淀粉分離汁水中蛋白質(zhì)提取效果的影響也較大，對 TN 去除率和CODCr去除率的影響大不相同，80 ℃ 是TN 去除率的拐點，而溫度為 70～100 ℃ 時，CODCr去除率與溫度呈線性關(guān)系。

2.1.3 離心對汁水蛋白質(zhì)提取效果的影響

由圖3（a）可知，在pH 為4.0、溫度為20 ℃條件下，新鮮甘薯淀粉分離汁水TN 去除率隨離心轉(zhuǎn)速增大而增大，轉(zhuǎn)速從2 500 r/min 增大到3 500 r/min 時，TN 去除率提高了4.1 個百分點，而從3 500 r/min 增大到5 000 r/min，TN 去除率僅提高了1 個百分點，變化幅度較小。新鮮甘薯淀粉分離汁水CODCr去除率隨離心轉(zhuǎn)速增大而增大，整體變化幅度較TN 去除率大，在轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000 r/min 后，CODCr去除率基本穩(wěn)定。

圖3 離心對甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取效果的影響Fig.3 Effect of centrifugation on protein extraction from sweet potato starch processing water

由圖3（b）可知，在pH 為4.0、溫度為20 ℃條件下，新鮮甘薯淀粉分離汁水TN 去除率隨離心時間增大變化幅度較小，基本穩(wěn)定在60%左右；新鮮甘薯淀粉分離汁水CODCr去除率隨離心轉(zhuǎn)速增大先上升后下降，整體變化幅度較TN 去除率大，在離心時間15 min 時，CODCr去除率最高。

離心分離時，不同轉(zhuǎn)速條件會促使大小不同的絮凝體沉降，而大小不同的絮凝體沉降的速率也不同。在pH 為4.0 條件下，蛋白質(zhì)溶解度較低，易絮凝形成較大聚集體，容易沉降且沉降速率快，因此在較低轉(zhuǎn)速和較短離心時間條件下就能離心去除，獲得較好的TN 去除效果。但對CODCr有貢獻(xiàn)的其他有機(jī)物，如纖維，由于密度較小，在較高轉(zhuǎn)速或較長離心時間下才能分離，此時CODCr的去除效果才相對較好。綜上，在pH 為4.0、溫度為20 ℃條件下，離心轉(zhuǎn)速、離心時間對甘薯淀粉分離汁水中蛋白質(zhì)提取效果的影響均不大。離心轉(zhuǎn)速達(dá)到3 500 r/min后，TN 去除率基本穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000 r/min 后，CODCr去除率基本穩(wěn)定；就離心時間而言，TN 去除率在10 min 時最高，CODCr去除率在15 min 時最高。

2.2 甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的正交試驗

根據(jù)表1 開展的試驗，利用正交設(shè)計助手Ⅱ v3.1進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。由表3 得知，以甘薯淀粉分離汁水TN 去除率為考察目標(biāo)，得到各因素的極差（R）依次為RB>RA>RC>RD。極差大小說明因素的影響主次，因此各因素影響的主次順序為B>A>C>D，即溫度對甘薯淀粉分離汁水TN 去除率的影響最大，其次是pH，而離心時間影響最小。最優(yōu)組合為A3B3C2D1，即溫度為100 ℃，pH 為4.0，離心轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，離心時間為10 min。以甘薯淀粉分離汁水CODCr去除率為考察目標(biāo)，得到各因素的極差R'的順序為R'B>R'A>R'D>R'C，說明各因素影響的主次順序為B>A>D>C，即溫度對甘薯淀粉分離汁水CODCr去除率的影響最大，其次是pH，而離心轉(zhuǎn)速影響最小。最優(yōu)組合為A2B3C2D1，即溫度為100℃，pH 為4.5，離心轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，離心時間為10 min。

表3 正交試驗的結(jié)果分析Table 3 Results analysis of orthogonal experiments

上述2 個最優(yōu)組合僅在pH 上略有差別，在環(huán)境效益相差不大的情況下，從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，一般選擇能夠獲取更多蛋白質(zhì)的條件，因此選擇最優(yōu)組合A3B3C2D1，即溫度為100 ℃，pH 為4.0，離心轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，離心時間為10 min，在此條件下TN去除率達(dá)到76.79%，CODCr去除率達(dá)到40.66%。

2.3 甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取集成裝置模擬試驗

2.3.1 汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝路線

在研究過程中發(fā)現(xiàn)新鮮甘薯淀粉分離汁水的pH 隨放置時間逐漸降低，放置約22 h，pH 降至4.0 左右（圖4），絮凝非常明顯?？紤]到采用H2SO4等藥劑調(diào)節(jié)甘薯淀粉分離汁水pH 時會增加溶液中鹽離子含量，不利于脫蛋白質(zhì)廢水的還田利用[10-11]，因此，甘薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取采用自然發(fā)酵方式代替硫酸調(diào)節(jié)甘薯淀粉分離汁水pH。在此基礎(chǔ)上，借鑒已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的馬鈴薯淀粉廢水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝技術(shù)，建立了甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取工藝路線（圖5）：將新鮮的甘薯淀粉分離汁水從企業(yè)淀粉加工的濃縮旋流器取出后，首先離心分離去除小顆粒淀粉和細(xì)纖維，在pH 調(diào)節(jié)罐中放置24 h 使pH 降至4.0 左右，攪拌均勻泵送至升溫?fù)Q熱器，在此與熱脫蛋白質(zhì)廢水進(jìn)行換熱；然后進(jìn)入降溫?fù)Q熱器，在此與高溫蛋白質(zhì)溶液繼續(xù)換熱；之后進(jìn)入汽液混合器，在此與高溫高壓蒸汽混合急速升溫；再進(jìn)入保溫絮凝罐，使蛋白質(zhì)充分絮凝；然后經(jīng)過降溫?fù)Q熱器冷卻后通過離心分離得到蛋白質(zhì)濾餅，離心分離出的熱脫蛋白質(zhì)廢水經(jīng)升溫?fù)Q熱器冷卻后排出。

圖4 甘薯淀粉分離汁水pH 隨放置時間的變化Fig.4 Changes of pH of sweet potato starch processing water with time

圖5 甘薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝路線Fig.5 Extraction processing of protein from sweet potato starch processing water by acid -heat flocculation

集成裝置的工藝參數(shù)：甘薯淀粉分離汁水放置24 h 后的pH 實測值為4.06～4.12；蒸汽發(fā)生器設(shè)定溫度為202 ℃，壓力為0.4 MPa，實測蒸汽溫度為164℃，壓力為0.3 MPa；甘薯淀粉分離汁水加熱溫度和保溫絮凝時間參考馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白提取設(shè)定的112 ℃和8 min，實測加熱溫度為103～120 ℃；離心分離機(jī)分離因數(shù)為1 007，濾布孔徑為500 目（30 μm）。

2.3.2 集成裝置蛋白質(zhì)提取效果

集成裝置的進(jìn)水取自企業(yè)淀粉生產(chǎn)線濃縮旋流器的甘薯淀粉分離汁水，TN 濃度為（2 411±503）mg/L，CODCr為（58 506±5 951）mg/L，受淀粉生產(chǎn)影響，進(jìn)水的TN 濃度和CODCr波動較大。集成裝置的出水是分離細(xì)纖維及淀粉并提取蛋白質(zhì)之后的脫蛋白質(zhì)廢水（圖5），TN 濃度為（1 027±413）mg/L，CODCr為（33 731±7 215）mg/L，由于集成裝置清洗效果受人工操作影響較大，導(dǎo)致出水的TN 濃度和CODCr波動也較大。根據(jù)集成裝置進(jìn)出水的TN 濃度和CODCr，計算得到TN 和CODCr去除率（圖6），平均分別達(dá)到57.67%和47.23%。

圖6 集成裝置的TN 和CODCr 去除率Fig.6 TN and CODCr removal rates of the integrated device

對集成裝置提取的蛋白質(zhì)濾餅測定蛋白質(zhì)含量（表4），參考T/SIACN 03—2019《飼料原料 馬鈴薯蛋白粉》[27]可知，批次2～4 的蛋白質(zhì)含量（以干基計）大于70%，可以達(dá)到優(yōu)級（70%）標(biāo)準(zhǔn)；批次9 的蛋白質(zhì)含量（以干基計）大于65%，可以達(dá)到一級（65%）標(biāo)準(zhǔn)。受實驗室條件所限，僅烘干了批次2～4、批次9 的蛋白質(zhì)濾餅，按式（1）計算得到這4 個批次的蛋白質(zhì)回收率，其平均值為48.86%。

表4 集成裝置的蛋白質(zhì)回收率Table 4 Protein recovery rate of the integrated device

3 甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的可行性

3.1 技術(shù)裝備可行性

集成裝置試驗采用酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝路線，成功從甘薯淀粉分離汁水中提取了蛋白質(zhì)，并且甘薯淀粉分離汁水中的TN 濃度和CODCr也明顯下降，說明該工藝路線應(yīng)用到甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取上是可行的。

集成裝置的設(shè)備，除離心分離設(shè)備外，其余設(shè)備基本與當(dāng)前馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取應(yīng)用的設(shè)備一致。受小型設(shè)備加工條件所限，集成裝置中的離心分離設(shè)備采用的是板式離心機(jī)，分離因子較低，而在馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取上，淀粉及細(xì)纖維的離心分離設(shè)備一般采用旋流器或臥螺離心機(jī)，蛋白質(zhì)的離心分離設(shè)備采用臥螺離心機(jī)，分離因子更高，對淀粉及細(xì)纖維、蛋白質(zhì)的分離更為有利。由此可以預(yù)測，將馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取整套裝備應(yīng)用到甘薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取上也是可行的。

3.2 經(jīng)濟(jì)可行性

以河北中薯企業(yè)（大中型規(guī)模）為例，基于當(dāng)前馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取整套裝備，進(jìn)行成本效益分析（表5）。河北中薯企業(yè)每年生產(chǎn)運行60 d，每天生產(chǎn)24 h，每天產(chǎn)生甘薯淀粉加工分離汁水50 m3/h，蛋白質(zhì)回收率以70%計，可生產(chǎn)粗蛋白質(zhì)粉580 kg/h（水含量11%，蛋白質(zhì)含量75%），可生產(chǎn)粗蛋白質(zhì)粉835.2 t/a。參考馬鈴薯蛋白質(zhì)粉作為飼料原料的銷售價格6 000 元/t，年銷售收入共計501.120 萬元，扣除總生產(chǎn)成本，毛利潤共計147.644 萬元，則1 m3甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的毛利潤為20.51 元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

表5 甘薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取成本構(gòu)成Table 5 Cost structure of protein extraction from sweet potato starch processing water by acid-heat flocculation

4 結(jié)論

（1）甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)含量高且具有回收利用的價值。采用酸熱絮凝法提取甘薯淀粉分離汁水中的蛋白質(zhì)，在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過正交試驗得到溫度對甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)絮凝離心的影響最大，其余依次為pH、離心轉(zhuǎn)速和離心時間，在溫度100 ℃、pH 4.0、離心轉(zhuǎn)速3 500 r/min、離心時間10 min 時，甘薯淀粉分離汁水的TN 和CODCr去除率分別達(dá)到76.79%和40.66%。

（2）借鑒馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝路線，制備的集成裝置應(yīng)用到甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取上是可行的，其對甘薯淀粉分離汁水TN 和CODCr的去除率分別可以達(dá)到57.67%、47.23%，蛋白質(zhì)回收率為48.86%，獲得的粗蛋白質(zhì)粉的蛋白質(zhì)含量（以干基計）為73.22%，滿足作為飼料原料利用的要求。

（3）對于每小時產(chǎn)生50 m3甘薯淀粉分離汁水的企業(yè)，通過酸熱絮凝法每年可回收835.2 t 甘薯粗蛋白質(zhì)粉，毛利潤為20.51 元/m3。甘薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取技術(shù)的應(yīng)用不僅可以有效解決甘薯淀粉行業(yè)的廢水污染問題，還可以增加企業(yè)收益，具有良好推廣和發(fā)展前景。