大豆加工废水中乳清蛋白超滤膜分离及资源化

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xufuen2001
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近年来,新兴大豆蛋白食品加工工业在我国发展迅速的同时也产生了大量的废水。大豆加工废水中的有机成分主要为乳清蛋白和低聚糖,COD达20000mg/L左右,属于高浓度有机废水。该废水的处理现状多为采用生物处理工艺降解其中有机污染物,乳清蛋白和低聚糖等生理活性物质作为污染物而直接被去除。这不仅浪费了资源,而且处理费用较高。如果能有效地回收其中的乳清蛋白和低聚糖,不仅回收了有用资源,而且净化了污水,可实现环境和经济效益的统一。而目前国内外研究主要集中在低聚糖的回收,对乳清蛋白的回收研究较少。本文以采用膜分离技术处理大豆加工废水并回收有用资源为出发点,研究超滤膜分离乳清蛋白的效果、考察分离出的乳清蛋白的功能特性,考察产业化条件下大豆加工废水胰蛋白酶改性技术及其在饮料生产中的应用,为实现膜技术对大豆加工废水的资源化奠定基础。  针对大豆加工废水水质特点,提出了超滤膜分离工艺提取大豆加工废水中有用资源乳清蛋白的技术。采用再生纤维膜(RC)和聚醚砜膜(PES)进行试验,每种膜的截留分子量(MWCO)分别选定为5000,10000和30000Da。试验考察了各种膜的渗透通量、膜衰减系数、蛋白截留率、总糖透过率随时间的变化情况,结果表明:截留分子量为10000Da的RC超滤膜,在渗透通量、蛋白截留率、总糖透过率、膜衰减系数等方面皆优于其它超滤膜。超滤的最佳工艺条件为压力30kPa、pH值9、浓缩比3:1、温度20℃,膜渗透通量31.2 L/(m2·h),蛋白截留率78.46%,蛋白含量51.37%。考察了超滤膜通量的衰减情况,确定了最佳的化学清洗周期和频率。超滤膜组件的清洗方法主要采用先以物理清洗措施,而后用次氯酸钠先碱洗后再用乙醇洗的方法对膜进行化学清洗,在不同的操作压力下膜通量的恢复程度不同,在压力为40kPa时的膜通量恢复最大,3次化学清洗恢复程度分别为94.7%、82.7%和70%,膜的清洗周期为90天。在曲线拟合的基础上,建立了不同条件下膜渗透通量随时间变化的数学模型,模型模拟结果与实验结果基本一致,这说明基于曲线拟合建立模型是可行的。  揭示了膜分离大豆加工废水中大豆乳清蛋白的功能特性。考察了大豆乳清蛋白乳化性(EAI)、乳化稳定性(ESI)及其最佳控制条件,同时进行3类免疫功能的试验,即反映细胞免疫功能的迟发型变态反应(足跖增厚法)、反映体液免疫功能的半数溶血值(HC50)的测定、反映单核-巨噬细胞吞噬功能的小鼠碳廓清实验。结果表明:大豆乳清蛋白ESI效果影响因素及最佳条件是:浓度(3.3%)>时间(18.4min)>温度(49.8℃),EAI效果最佳条件是:温度(52.2℃)>时间(20.6min)>浓度(6.9%)。大豆乳清蛋白可明显增强小鼠的迟发型变态反应和半数溶血值,但未见增加小鼠碳廓清功能,说明大豆乳清蛋白具有增强细胞免疫功能和体液免疫功能。考察了大豆乳清蛋白发泡特性及其最佳控制条件,同时进行辅助抑制肿瘤作用试验,考察经口给予小鼠不同剂量的大豆乳清蛋白30天(接种S-180腹水型肿瘤细胞),对小鼠体重、脏器/体重和移植S-180瘤株肿瘤生长的影响。结果表明:pH值、温度、时间、含量均对大豆乳清蛋白起泡性有显著影响。大豆乳清蛋白起泡性效果最佳条件是:pH值5.5>浓度5.6%>温度31.2℃。经口给予小鼠不同剂量的大豆乳清蛋白30天,对小鼠体重增长和脏器体重比值无影响,对小鼠 S180肿瘤的生长有抑制作用,说明大豆乳清蛋白具有辅助抑制肿瘤的作用。显微镜观察结果表明1.6g/L和2.0g/L浓度的大豆乳清蛋白处理人肝癌细胞 HepG248小时后,细胞核或细胞质呈浓染的块状或颗粒状荧光,聚集于核周边或裂解成碎片,表明大豆乳清蛋白能诱发肿瘤细胞发生细胞凋亡。  实现了大豆加工废水中乳清蛋白资源化与产业化。对不同温度下活性炭脱色、脱嗅效果、不同树脂交换流量下脱盐效果(进水中盐浓度为0.268%)以及大豆胰蛋白酶抑制剂活性(TIA,进水中含量为0.086TLU)进行研究,同时以酸度(以柠檬酸和苹果酸1:1的混合酸添加)、糖度、香料为因素进行曲面响应法优化试验,研究以乳清蛋白液为原料调配饮料的最优条件,得出该饮料的最佳配方。废水预处理结果表明:采用10%体积的活性炭在45℃水浴中30min时脱色脱嗅效果最好;采用离子交换脱盐法,流速选择4.28ml/min时效果最佳。试验结果还表明大豆乳清蛋白的胰蛋白酶改性技术可行,改性条件为:底物浓度2%>酶用量4206.7 u/100g.pro>温度52.1℃。TIA试验结果表明黄桃味清型大豆乳清蛋白饮料所用的TIA低于市面上销售可食用商品的TIA。饮料最优配方为酸添加量为2.18g/L,糖添加量为8.29%,香料添加量为0.0192%。  对超滤膜工艺的经济与技术可行性进行分析,发现该超滤系统可以减少投资70%左右,并且可以获得较高的产品收益。
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