鱼糜加工废水中蛋白质回收工艺的优化

李流川， 娄永江， 杨文鸽

（宁波大学 海洋学院/应用海洋生物技术教育部重点实验室，浙江 宁波 315211）

鱼糜是一种新型的水产调理食品原料。它调理简便，细嫩味美，又耐储藏，颇适合大众消费。鱼糜漂洗加工过程中流失的蛋白质约占全部鱼肉蛋白质的30%～40%[1-3]。将漂洗水中流失的蛋白质进行回收和重新利用，不仅能增加企业的效益，而且可以显著降低废水中化学耗氧量（COD），大大减少废水处理的成本[3-6]。

目前国内外回收蛋白质的方法有pH调节法、加热法、膜分离法、离子交换法和凝聚法等[7]。但普遍存在回收停留在实验室理论阶段，未实现工厂化投产；蛋白回收率不高，最高为80%；操作复杂，工序较多；前期资金投入大，成本较高等问题[8-10]。作者旨在找出一种经济实惠，安全可靠，回收率高，原料来源广泛，价格便宜的絮凝剂。如果絮凝剂的种类和投加量选择合适，回收的蛋白质可用作动物饲料优质蛋白直接利用，同时降低废水的COD，降低废水处理成本，实现经济、环保、社会三赢。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

鱼糜加工废水:宁波象山某鱼糜加工企业提供；硫酸铁铵、硫酸铝、硫酸铁、氯化铝、氯化铁、明矾、阳离子聚丙烯酰胺、聚合硫酸铁、聚合硅酸铁:均为分析纯试剂；考马斯亮蓝G-250、牛血清标准蛋白、壳聚糖、海藻酸钠:均为生化试剂。

HH-6数显恒温水浴锅:常州中捷实验仪器制造有限公司产品；RO DI digital plus实验室超纯水机:上海和泰仪器有限公司产品；SH220石墨消解仪:济南海能仪器有限公司产品；UV2102-C紫外可见分光光度计:尤尼柯（上海）仪器有限公司产品；HSF-3F pH计:上海精密科学仪器有限公司产品。

1.2 方法

蛋白质测定:考马斯亮蓝法[11-12]，牛血清蛋白标准曲线法[13]。

回收率:通过牛血清蛋白标准曲线法测出废水蛋白质质量浓度，然后按下式计算。

式中:W为蛋白回收率，%；M为鱼糜废水原液蛋白质质量浓度，g/L；M1为絮凝后上清液蛋白质质量浓度，g/L；M2为絮凝后蛋白质质量浓度，g/L。

1.2.1 单因素絮凝法 等电点沉淀法[14]:用HCL、NaOH溶液调节鱼糜废水的pH值，使pH控制在（3、3.5、4～7、7.5、8）。

絮凝剂及其质量浓度对回收效果影响:将壳聚糖、海藻酸钠、阳离子聚丙烯酰胺、聚合硫酸铁、微生物絮凝剂、硫酸铁铵、硫酸铝、硫酸铁、氯化铝、氯化铁、明矾，分别按质量浓度（0、0.05、0.1～0.3、0.35、0.4 g/L）加入到鱼糜废水中。

絮凝时间、温度回收效果影响:在上述实验的基础上，对选定的絮凝剂控制作用温度（5、10、15、20、25、30 ℃），沉降时间（0、1、～7，8 h）进行单因素试验。

1.2.2 响应面优化实验 在单因素实验的基础上，采用Design-expert软件的Box-Behnken中心组合设计[15-16]，以回收率作为实验指标，进行絮凝剂添加量、絮凝时间、絮凝温度、絮凝pH的四因素三水平响应面实验。

2 结果与分析

2.1 等电点絮凝法

在等电点时，蛋白质分子以两性离子形式存在，其分子净电荷为零（即正负电荷相等），此时蛋白质分子颗粒在溶液中因没有相同电荷的相互排斥，分子相互之间的作用力减弱，其颗粒极易碰撞、凝聚而产生沉淀，所以蛋白质在等电点时，其溶解度最小，最易形成沉淀物[10]。用HCl、NaOH溶液调节鱼糜废水溶液pH分别为:3、3.5～7.5、8，通过牛血清标准蛋白曲线法，测得蛋白质回收率，结果见图1。

图1 pH对鱼糜废水中蛋白质回收率的影响Fig.1 Effects on surimi wastewater protein recycling of pH

从图1可见，鱼糜废水中蛋白质的回收率随pH的增加先增大，后减小最后趋于平缓。当pH=5.5时陡然达到最大，此时回收率为65.8%。据此，确定鱼糜废水中蛋白质的等电点为5.5。

2.2 絮凝剂的选择

以阳离子聚丙烯酰胺、聚合硫酸铁、聚合硅酸铁、海藻酸钠、壳聚糖、硫酸铁铵、硫酸铝、硫酸铁、氯化铝、氯化铁、明矾共11种絮凝剂，对鱼糜废水蛋白进行回收实验，结果见图2。

图2 絮凝剂种类对鱼糜废水蛋白回收的效果图影响Fig.2 Effect on surimi wastewater protein recycling of flocculant species

从图2可见，上述絮凝剂都具有随添加量的逐渐增大，蛋白回收率先急速增大最后逐渐趋于平缓的特点。当氯化铁添加量为0.15 g/L时，鱼糜废水蛋白回收率最大为72.25%。鉴于三氯化铁价格较为便宜，来源方便，安全可靠，综合分析，确定选用三氯化铁作为鱼糜废水蛋白回收的絮凝剂。

2.3 絮凝时间、温度对实验的影响

2.3.1 作用时间对絮凝效果的影响 以三氯化铁作为絮凝剂，选用上图3中回收率最大添加量即为:0.15 g/L，室温（20 ℃）。 控制絮凝时间为（0、1～7、8 h）进行实验，结果见图3。

图3 絮凝时间对鱼糜废水中蛋白质回收率影响Fig.3 Effect on surimi wastewater protein recycling of flocculant time

从图3可见，随絮凝时间的延长，回收率先快速增大后趋于平缓。当絮凝4 h时，回收率最大达到73.74%。则:絮凝时间为4 h。

2.3.2 絮凝温度对絮凝效果的影响 控制三氯化铁的浓度为 0.15 g/L，絮凝时间为 4 h，以 5、10、15、20、25、30℃的温度条件下进行蛋白质回收实验，结果见图4。

从图4可见，随絮凝温度的增大，回收率先缓慢增大再平稳下降。当絮凝温度为15℃时，回收率达最大为74.13%。

图4 絮凝温度对鱼糜废水回收的影响Fig.4 Effect on surimi wastewater protein recycling of flocculant temperature

2.4 响应面实验结果

2.4.1 响应面实验设计与结果分析 在以上絮凝剂添加量、絮凝时间、絮凝温度、絮凝pH单因素实验的基础上，选择合理的因素水平见表1，采用Design-expert软件的Box-Behnken中心组设计，设计四因素三水平实验，以回收率作为实验指标，Box-Behnken试验设计及结果见表2。

表1 响应面实验因素水平表Table 1 Factors and Levels of response surface experimental

表2 Box-Behnken实验设计及结果Table 2 Box-Behnken design and results

续表2

利用Design-Expert软件对表2试验数据进行回归，得到鱼糜加工废水蛋白回收率对以上4因素的二次多项回归模型为:蛋白质回收率=522.65A+6.377B+4.829 17C+91.71D-2.4AB-23.1AC+5.5AD-0.265BC-0.384BD+0.895CD-1 570.5A2-0.064 9B2-0.056 25C2-8.34D2-274.335 83

对模型进行回归方差分析，结果见表3；对回归模型系数显著性检验，结果见表4[16]。

表3 回归模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

由表3可知，此模型的F值29.77，P＜0.000 1，回归模型高度显著。表4结果表明:模型的一次项A、D 极显著，B、C 不显著；二次项 A2、B2、D2极显著，C2不显著；交互项 AC、BC、BD 显著。

失拟项P=0.000 3，显著，相关系数R2=0.967 5，说明模型拟合程度良好，该模型可以较好的分析和预测絮凝剂对鱼糜废水蛋白质回收效果。

表4 回归模型系数显著性检验Table4 Significancetestoftheregressionmodelcoefficients

2.4.2 因素间交互作用 为了进一步研究相关变量之间的交互作用，通过Design-expert绘制响应曲面图和等高线图来进行直观分析，结果见图5和图6。等高线图可以直观的反映两变量交互作用的显著程度，圆形表示两因素交互作用不显著，而椭圆形与之相反。

图5 絮凝剂质量浓度和温度对回收率的影响Fig.5 Effects on recoverying of Flocculant concentration and temperature

图6 絮凝温度和pH值对回收率的影响Fig.6 Effects of the the flocculation temperature and pH on recovery

从图5和图6可以明显看出絮凝剂添加量和絮凝温度，絮凝温度和絮凝pH值之间存在明显的交互作用，表现为等高线呈椭圆形。缘于其他各因素的交互作用不明显，这里不再讨论。

由该软件分析得出最优配方及评定结果为:三氯化铁添加量为0.13 g/L、絮凝温度为18.44℃、时间5 h、pH为5.44，此时回收率最大为87.04%。

按照响应面最佳条件，对鱼糜废水蛋白质进行3次平行回收验证实验。结果表明验证实验的平均值为86.94%，而预测最大值为87.04%，两者吻合得较好。

3 结语

1）最优实验条件絮凝法，较之单一的等电点回收和自然条件絮凝剂沉降回收，鱼糜废水蛋白回收率具有很大的提高。

2）通过响应面实验得出:采用三氯化铁添加量0.13 g/L、絮凝温度 18.44℃、时间 5 h、pH 5.44对鱼糜废水中蛋白质进行回收，回收率可达86.94%，较之目前最大的回收率80%有了很大的提高。三氯化铁来源广泛，价格便宜，回收操作简单，是一种高效实用的蛋白质回收方法。

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