淀粉工艺水中蛋白回收工艺的研究

刘泽龙，潘君慧，张连慧，强婉丽（.中粮营养健康研究院有限公司，北京009；.浙江省亚热带作物研究所，浙江温州35005）

淀粉工艺水中蛋白回收工艺的研究

刘泽龙1，潘君慧2，张连慧1，强婉丽1
（1.中粮营养健康研究院有限公司，北京102209；2.浙江省亚热带作物研究所，浙江温州325005）

摘要：为了探索玉米淀粉生产中的工艺水中的蛋白组分的开发利用，研究一种玉米淀粉工艺水蛋白回收工艺，主要包括处理在湿磨法生产玉米淀粉工艺中的麸质浓缩步骤产生的工艺水，并使用膜技术和热处理技术在回收玉米黄粉的同时获得两种新蛋白产品。研究发现，50 ku和100 ku对丰度较高的30 ku蛋白组分的截留浓缩效果较好，其中，该蛋白富含亮氨酸和缬氨酸等支链氨基酸。分离出的耐热耐酸蛋白组分主要为3 ku～14 ku的部分。所得新蛋白产品可作为食用或饲用蛋白原料使用，并且分别具有增肌和用于酸性食品的潜力。

关键词：玉米淀粉；工艺水；蛋白；回收工艺

玉米淀粉生产中的工艺水一般在主分离后的麸质浓缩段产生，其中往往残留一部分玉米黄粉并含有其他蛋白组分。目前主要处理工艺水的方法，基本是将黄粉从工艺水中回收并获得较为干净的工艺水。如Liaw等使用微滤和超滤分离回收工艺水中的黄粉[1]。佟易等人公开了一种麸质水的处理方法，得到浓缩物和工艺水，并将工艺水与絮凝剂溶液混合，进行气浮分离不溶性蛋白质[2]，也有研究者膜回收其他物质的研究[3-5]。开发玉米加工淀粉副产物综合利用技术，也可减轻了污水处理厂的处理负荷，是玉米深加工行业推行清洁生产、节能减排的技术需要。经过作者前期研究发现，工艺水中还包括一些可溶性蛋白，并且在合适的处理条件下在酸性条件下有很好的溶解性、起泡性等功能特性，可以应用于如酸性饮品等酸性食品体系中。因此，本试验旨在结合膜分离和热处理手段，摸索分离条件，以提供一种玉米淀粉工艺水蛋白回收工艺，为玉米淀粉生产系统资源利用和副产品开发提供借鉴。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

1.1.1试验用原料及药品

玉米工艺水：取自中粮淀粉加工工厂；超纯水：美国Millipore公司；盐酸、氢氧化钠、巯基乙醇、丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、十二烷基硫酸钠、Tris、溴酚蓝、硼酸、混合氨基酸标准液、甲醇、邻苯二甲醛、标准分子量蛋白等试剂（分析纯）：购于国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2试验用仪器及耗材

SMRXM小试超滤膜系统、管式陶瓷膜微滤系统，聚醚砜（PES）或聚砜（PSF）超滤膜及陶瓷微滤膜芯：三达膜环境技术股份有限公司；MS204S分析天平：美国Mettler-Toledo公司；pH计：美国Mettler-Toledo公司；Avanti J-E高速冷冻离心机：美国Beckman公司；Mini-PROTEAN 3 Cell电泳仪：美国Bio-Rad公司；Scanjet 4200C扫描仪：美国Hewlett-Packard公司；8200UV-VIS分光光度计：上海尤尼柯公司；喷射蒸煮系统：美国水热公司；8400全自动凯氏定氮仪：美国FOSS公司。

1.2方法

1.2.1蛋白回收工艺

蛋白回收工艺如图1所示。

图1　玉米淀粉工艺水蛋白回收工艺的流程示意图Fig.1　Schematic diagram of the protein recovering technique from corn starch process water

取麸质浓缩离心机中排出的工艺水，使用微滤膜在1 bar～3 bar（1 bar=0.1 MPa）、40℃～50℃下浓缩过滤，得到第一截留液和第一透过液；将第一截留液脱水、干燥后制得玉米黄粉；使用超滤膜或膜组，在3 bar～4 bar、35℃～45℃下过滤第一透过液，得第二截留液和第二透过液；将第二截留液喷射加热并离心分离得到第一蛋白产品和分离液；再将分离液浓缩、干燥，制得第二蛋白产品。得到的透过液的全部或部分均可以直接排放到工艺水储罐中储存或者直接作为淀粉生产其他工序的工艺水。

1.2.2膜分离指标测定

膜通量J（L/h）：在恒定时间内，接收透过液，并记录准确体积V（mL），以及所用时间t（s），根据膜有效过滤面积S算膜通量。计算方式：J=3 600V/1 000/t/S。截留率计算方式为：R≈1-w2/w0。其中，w2为透过侧溶质（蛋白）质量分数，w0为料液溶质（蛋白）质量分数。非蛋白成分（N）与蛋白（P）的分离因子按下式计算：α= YPXN/YN/XP。

1.2.3SDS-PAGE

将样品稀释或浓缩蛋白含量约为2 mg/mL，与等体积的样品缓冲液混合并根据Laemmli等的方法[6]在还原条件下制样后，使用4%的浓缩胶和15%的分离胶进行电泳。脱色后拍照并使用图像分析软件对蛋白条带进行分析。

1.2.4蛋白氨基酸分析

参考Park等的方法采用酸水解法对样品进行前处理。使用高效液相色谱邻苯二甲酸柱前衍生法测定水解液中的氨基酸组成[7]。

1.2.5酸性蛋白稳定性评价

将耐热酸性蛋白组分在不同酸性pH条件配置成50 mL，蛋白质量浓度1%的溶液，缓慢搅拌15 min使均匀，迅速加热到85℃并维持1 min后再迅速水冷或冰冷却至室温，将样品等分为两份，分别按照下述方法测量个样品透光度以及蛋白溶解度。透光率的测定：直接将样品用分光光度计在600 nm波长下测量透光率。蛋白溶解度：根据Morr等的方法，略作修改[8]。使用凯氏定氮法测定离心前样品溶液及离心后清液中的蛋白含量（蛋白质系数6.25），并分别记为C0和C1。蛋白溶解度使用下式计算：

1.2.6测定产品植酸含量测定

根据HG 2683-1995《食品添加剂植酸（肌醇六磷酸）》测定植酸含量。

2　结果与分析

2.1工艺水膜分离过程的通量变化

在使用微滤膜回收工艺水中的玉米黄粉蛋白的过程中（第一分离阶段），连续3 h的分离浓缩基本不造成通量的衰减（数据未列出）。由于使用微滤回收黄粉蛋白的研究较多，本论文只对超滤膜处理工艺水的第一透过液进行论述。在第二分离阶段，不同膜材质及分子量的超滤膜对第一透过液分离时的渗透通量、蛋白截留率和分离因数的变化见图2和表1。

图2　不同超滤膜渗透通量随时间的变化Fig.2　Changes of membrane permeation flux with time

由图2可知，在试验开始阶段，50 ku聚醚砜膜和100 ku聚砜膜在起始阶段膜通量衰减较快，但50 ku膜通量在30 min后衰减较慢直至100 min下降至起始通量的50%左右，该不同现象可能受膜的极性影响。而150 ku聚醚砜膜的起始通量却和50 ku膜接近，但通量随后呈现出不同的下降趋势，这可能和导致膜污染的颗粒大小有关。此外，图中箭头所示为二次加压阶段，可以看出膜通量又迅速下降。从表1中可以看出，由于该工艺水中存在较多的氨基酸等粗蛋白物质，因此超滤对总蛋白的截留率都在25%以下，但对比截留率和分离因子仍可以看出聚砜材质的膜在本物料体系中可以得到较好的分离效果。而对于聚醚砜膜，可能由于其疏水特性引起的膜污染使得在50 ku 和150 ku对粗（总）蛋白的分离差别并不明显。

表1　不同超滤膜对蛋白截留以及分离因子的影响Table 1　Effect of different membranes on rejection rate of protein

2.2膜过滤及喷射加热对工艺水蛋白组分的影响

膜过滤及喷射加热对工艺水蛋白组分的影响见图3、图4。

由图3可见，第二截留液中的蛋白主要为3 ku～70 ku的组分，其中，主要集中在3 ku～14 ku和30 ku左右两部分。30 ku处的蛋白组分为料液中丰度较高的组分，结合图3和图4判断其在料液中可能以二硫键聚合体的形式存在。由图4可知，50 ku和100 ku对30 ku蛋白组分的截留浓缩效果较好，该蛋白占比上升了约1倍左右。

图3　第二截留液和喷射后的固相蛋白组分的电泳图Fig.3　Electrophoretic profile of protein fraction in 2nd retentate and solid phase after jet cooked

图4　不同超滤膜对截留液中30ku蛋白比例的影响Fig.4　Effect of different membranes on the percentage of 30ku protein fraction in retentates

通过对第二截留液使用115℃温度喷射蒸煮后，分子量约在20 ku～30 ku的蛋白组分析出并可与料液分离（图3）。则保留在料液中的耐热耐酸蛋白组分主要为3 ku～14 ku的部分。此外，该部分析出的蛋白组分中且灰分含量≤2%，植酸含量低≤1%，可作为良好的食用或饲用蛋白原料。当作为饲料蛋白配料时对单胃动物日粮中矿物元素利用的影响很小[9]。

图5　耐酸蛋白组分的氨基酸组成Fig.5　Amino acid composition of the acid stable protein fraction

此外，再由图5可知，该蛋白组分中丰度较高的氨基酸有亮氨酸和缬氨酸等支链氨基酸，该类氨基酸对于增肌或增重有较好的效果[10]。此外该蛋白含有的赖氨酸也相对较高，但丝氨酸和组氨酸性对较少。

2.3酸性蛋白在酸性条件下的溶解度

酸性蛋白在酸性条件下的溶解度见表2。

表2　耐热酸性蛋白样品透光度以及蛋白溶解度Table 2　Transmittance and solubility of thermo/acid stable protein sample

由于蛋白的酸稳定性对于扩展其在酸性食品或饮料体系下的用途有重要作用，继而测定了本试验所得酸性蛋白在不同酸性条件下的透光率和溶解度。较高透光率表示较大的澄清度，蛋白溶解度越高在酸性条件下及经受热处理时蛋白的稳定性越高。由表2可知以上样品在酸性条件下，同样具有很高的耐热性能，并且由其所配置的溶液具有很高的澄清程度。因此该酸性蛋白在酸性条件下有良好的溶解性和稳定性，可用于如澄清水果汁、碳酸饮料、发酵或调制乳品等酸性体系中。

3　结论

本试验所开发的玉米淀粉工艺水蛋白回收工艺，通过两次过滤工艺水并结合喷射蒸煮加热，不但可将黄粉回收，还可以将3 ku～14 ku和20 ku～30 ku的蛋白组分有选择性的分离出来获得两种新蛋白组分。其中，50 ku聚醚砜膜和100 ku的聚砜膜对30 ku蛋白组分的截留浓缩效果较好。所得固相蛋白组分灰分（≤2%）和植酸（≤1%）含量低，氨基酸组成利于生物体肌肉合成。所获得的酸性蛋白在pH 3.0～4.5具有良好的溶解性（>98%），具有用于酸性食品体系的潜力，并可作为蛋白强化的配料。该工艺不会向工艺水中引入其他物质以及不改变原有工艺水的pH等参数，不影响原有工艺水的用途。

参考文献：

[1]Liaw G C,Lutz E H,Cheryan M.Process for recovery of insoluble protein from steep water:US,5773076[P].1998-6-30

[2]佟易,娄新建,孙本军,等.一种麸质水的处理方法:中国, CN102452739[P].2012-5-16

[3]Templin T L,Johnston D B,Singh V,et al.Membrane separation of solids from corn processing streams[J].Bioresource Technology, 2006,97(13):1536-1545

[4]李健秀,王建刚,邱俊,等.超滤-反渗透集成工艺处理玉米酒糟废水[J].化学工程,2007,35(8):42-44,56

[5]刘晓阳.玉米麸质水中蛋白的回收及其功能性质研究[D].郑州:河南工业大学,2013

[6]Laemmli U K.Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4[J].Nature,1970,227:680-685

[7]Park D,Xiong Y L.Oxidative modification of amino acids in porcine myofibrillar protein isolates exposed to three oxidizing systems[J]. Food Chem.,2007,103(2):607-616

[8]Morr C V,German B,Kinsella J E,et al.A Collaborative Study to Develop a Standardized Food Protein Solubility Procedure[J].Journal of Food Science,1985,50(6):1715-1718

[9]傅启高.植酸对单胃动物的抗营养作用[J].动物营养学报,1998 (4):1-10

[10]Kimball S R,Jefferson L S.Regulation of protein synthesis by branched-chain amino acids[J].Current opinion in clinical nutrition and metabolic care,2001,4(1):39-43

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.20.027

收稿日期：2015-08-25

作者简介：刘泽龙（1983—），男（汉），工程师，博士，研究方向：蛋白资源开发利用。

Technical Research of Recovering Protein from Process Water in Starch Wet Milling System

LIU Ze-long1，PAN Jun-hui2，ZHANG Lian-hui1，QIANG Wan-li1
（1.COFCO Nutrition and Health Research Institute Ltd.，Beijing 102209，China；2.Zhejiang Institute of Subtropical Crops，Wenzhou 325005，Zhejiang，China）

Abstract：A study was conducted to develop a technique that can recover protein from the process water in starch wet milling system，which mainly include recollecting corn gluten and obtaining two kinds of novel protein from process water produced during the step of major starch/protein separation by membrane filtration incroporating heat treatment.It was found that ultrafiltration membranes with molecular weight cut-off at 50 ku and 100 ku have better effect on the rejection of 30 ku protein fraction，which is in the enrichment of branched chain amino acids such as Leu and Val.In addition，the obtained protein fractions at molecular weight range of 3 ku to 14 ku were found to resist to heat treatment.The novel protein products can be used as food protein ingredient or protein feed with potential application in muscle building and the acid food or beverage，repectively.

Key words：corn starch；process water；protein；recovering technique