咸鸭蛋腌制废料液的绿色高效联合膜分离循环利用

唐朝庆，蔡朝霞*，程锦文，盛龙，王晨

1. 华中农业大学（武汉 430000）；2. 高邮市秦邮蛋品有限公司（高邮 225600）

咸鸭蛋是中华民族的传统特产之一，至今已有数百年加工历史，因其产品加工成本低、风味独特、食用方便且营养丰富而深受消费者欢迎。咸鸭蛋腌制废盐水特指新鲜鸭蛋在20%左右的食盐水中腌制20～30 d所剩余的盐水混合物。因为工作效益和卫生安全问题，工厂一般经过简单的工业处理后便将废盐水排放。然而废盐水中除含有蛋清蛋黄渗出物、水溶性蛋白、腥味物质、蛋壳溶出物和主要呈芽孢状态的微生物菌体等杂质外，食盐含量也高达17%[1]。从经济损失方面来看，若一个中型规模的企业年加工1亿枚咸鸭蛋，那么腌制咸鸭蛋的废盐水的直接废弃而造成的食盐流失就可达1 500～1 700 t，总价值高达225万～255万[2]。从环境污染方面来看，高盐度和高COD的含菌废水能直接或间接的引起多种环境问题，如土壤盐碱化，植物生长受阻，水体生物死亡，水体富营养化等[3]。由于食品工业废水污染严重，容易对滤膜产生如堵塞，破损，收缩等不可逆损伤[4]，所以一般联合物理化学方法和分级膜处理净化。因此试验旨在设计出在保障咸鸭蛋品质的前提下高效环保的腌制废盐水循环工艺流程，为工业化处理腌制废盐水提供一定的理论依据，并具有较高的经济环境效益。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鸭蛋、食盐为市售。碳酸钙、硫酸镁、硫酸汞、硫酸银、葡萄糖、硝酸银、异丙醇、正己烷、氢氧化钠、铬酸钾、重铬酸钾、双氧水、盐酸均为分析纯，均购自国药集团化学试剂有限公司。氯化钠、苯酚均为分析纯，均购自武汉华美生物工程有限公司。邻菲啰啉为分析纯，牛血清蛋白为生化试剂，均购自上海伯奥生物科技有限公司。七水合硫酸亚铁为分析纯购自美国Sigma-Aldrich公司。考马斯亮蓝99%购自南京先丰纳米科技有限公司。浓硫酸98%购自信阳市化学试剂厂。

SZ-93自动双蒸纯水蒸馏器，上海亚荣生化仪器厂；SPX-250 BSH质构仪，上海新苗器械制造有限公司；Zetasizer Nano ZS原子火焰分光光度仪，英国马尔文仪器有限公司；Nanodrop 2000 C紫外分光光度计，Thermo Fisher Scientific公司；H-7650超滤仪，日本HITACHI公司；XHF-DY高速分散仪，宁波新芝生物科技股份有限公司；SH 220 F石墨消解仪，Hanon。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程

如图1所示，工艺流程分为自然沉降、膜处理、脱糖、脱钙镁离子4个部分。自然沉降目的是去除大部分沉淀及悬浮物；膜处理去除所有悬浮物和水溶性蛋白质；脱糖采用Fenton氧化法去除主要有机物和降低COD；脱钙镁降低腌制液的硬度并去除金属离子；最后补加食盐至原腌制溶液浓度。

1.2.2 自然沉降时间优化

在废弃腌制液液面下20 cm处取适量废盐水，以10 min为间隔时间，分别于可见分光光度计490 nm测吸光度，以透光率为指标，优化沉降时间。

图1 澄清处理的工艺流程

1.2.3 膜处理的优化及表征

采用孔径为0.45和0.22 μm的混合纤维树脂微滤膜和孔径分别为100，50，30和5 kDa的超滤膜对废盐水分别进行膜处理，以水溶性蛋白质脱除率为指标，筛选出用时最短蛋白质脱除效果最好的组合。

1.2.4 Fenton氧化法脱糖的优化

利用单因素试验对Fenton氧化法进行优化，主要考察硫酸亚铁添加量，双氧水添加量，溶液pH对COD的影响。以COD的脱除率为指标，确定最佳处理条件[5-6]。取废盐水15 mL于100 mL的烧杯中，加入4 mL 1 mol/L的硫酸亚铁溶液，分别量取一定量的30%双氧水，调pH至5，置于磁力搅拌器上反应1 h，加氢氧化钠使Fe3+全部沉淀，过滤后调pH至一定值，测定溶液的COD，计算COD脱除率。

1.2.5 脱钙镁的优化

分别将质量分数为0.1%的三种脱钙剂（氢氧化钙、氢氧化钠、碳酸钠）分别加入100 mL废盐水中，置于磁力搅拌器上反应30 min后静置，取上清液用EDTA滴定法测Ca2+，Mg2+含量，比较不同脱钙剂的脱钙率和脱镁率。

1.2.6 脉动压力腌蛋

取处理后的废盐水使其含盐量为18%作为新的腌制液。将配好的腌制液煮沸冷却至室温后，将其倒入脉动力压力快速腌蛋锅，把200枚鸭蛋缓慢放入，旋紧锅盖后设置参数为：高压144 MPa，持续4 min，低压常压，持续16 min，腌制温度为35 ℃，脉动压力循环腌制时间为168 h[7]。

1.2.7 分析方法

水溶性蛋白的测定：考马斯亮蓝G-250染色法。灰分的测定：参照GB/T 5009.4—2016灰化法。沉淀与悬浮物的测定：参照GB/T 11901—1989重量法。钙镁离子的测定：参照GB/T 85380—1995 EDTA滴定法。COD的测定：参照GB/T 11914—1989重铬酸钾法。氯化钠的测定：参照GB 5009.44—2016银量法。

1.2.8 蛋白盐含量取样方法

参照文献[8]，在脉动力腌制锅内的不同地方随机取三个样品蒸熟，去壳后将咸蛋纵横向剖开，分别从蛋清的外层（距蛋壳0～3 mm）、内层（距蛋黄0～3 mm）、蛋黄的外层（距蛋清0～3 mm）、中心（蛋黄的中心3 mm的范围）取样。

1.2.9 蛋黄的质构分析及参数设定

参照文献[9]，取蒸熟的咸鸭蛋蛋黄除去边角成等高立方体。采用轻型刀片P/36R探头对腌鸭蛋的蛋黄进行TPA（模拟咀嚼试验两次）模式的质构测定，设定测前速度为1.00 mm/s，测后速度为1.00 mm/s，测试速度为1.00 mm/s，触发力为5 g，压缩程度为50%，两次压缩停留间隔时间为5 s，数据采集速率为400 p/s，主要测定指标为煮熟咸蛋黄的硬度、黏结性、弹性和咀嚼性。

1.2.10 蛋黄出油率的测定

参照文献[10]，称取3.000 g蛋黄，加入35 mL有机溶剂（V正己烷∶V异丙醇=3∶2），以5 000 r/min均质10 min，滤纸过滤，取滤液于55 ℃下旋蒸后，在105 ℃下烘干至恒重，称得残渣质量即为总脂质质量。取5.000 g同样蛋黄加入25 mL蒸馏水，以5 000 r/min均质30 s后，将匀浆在25 ℃条件下9 500×g离心30 min，取上清液并加入25 mL上述有机溶剂。用分液漏斗分离得到脂质层，将脂质层中的溶剂在沸水浴中蒸发后，在105 ℃烘干至恒质量，残渣质量即为游离脂质的质量。用游离脂质量和总脂质质量的比值表示出油率。计算公式如式（1）。

2 结果与分析

2.1 MF-UF联合膜处理的优化

2.1.1 自然沉降的时间优化

由图2可知，腌制液的沉降时间在0～40 min时，由于重力和阻力相互作用提供加速度，部分不溶性杂质下沉，透光度与沉降时间成正比，40 min后体系趋于稳定，此时透光度为63.81%。因此，选择沉降时间为40 min。

图2 溶液的透光度随沉降时间的变化

2.1.2 MF-UF的联合膜处理的优化

由表1可知，孔径为0.45和0.22 μm时，操作时间分别为50和120 min，相差70 min，蛋白质含量无显著差异，蛋白质脱除率分别为9.96%和11.73%，故选择0.45 μm的微滤膜；在超滤部分，当孔径小于等于30 kDa时蛋白质脱除率达96.68%，由于5 kDa比30 kDa的操作时间长70 min，故选择30 kDa孔径。因此选择0.45 μm微滤膜结合30 kDa超滤膜联合处理废盐水，此时用时最短为100 min。

图3是腌制废盐水在经过MF-UF联合膜处理中微滤和超滤后两个阶段的感官变化，（A）为未经处理的腌制废盐水，水体为半透明棕红色，有大量红褐色悬浮物及沉淀和硬性蛋白质起泡，蛋腥味浓重。（B）为微滤处理后的溶液，此时沉淀悬浮物已经完全去除，蛋腥味明显减少，水体呈半透明胶体状，有丁达尔现象。（C）联合膜处理后的澄清溶液，水体澄清透明无色，无丁达尔现象，蛋腥味彻底消失，细菌总数可以达到100 CFU/mL左右，再经过高温消毒，完全可以满足咸鸭蛋的腌制要求[11]。

表1 MF-UF联合膜处理的优化

图3 不同膜处理后腌制液形态

2.2 Fenton氧化法脱糖的优化

Fenton试剂是由H2O2与Fe2+组成的混合体系，它通过催化分解H2O2产生·OH，并利用·OH氧化分解水中的有机物，从而达到降低溶液COD的效果，Fenton氧化处理具有化学氧化作用和物化絮凝的双重作用[12]。

2.2.1 FeSO4溶液用量对COD脱除率的影响

Fenton氧化法中，Fe2+是重要的催化剂，其添加量对COD的脱除率有很大的影响。由图4可知，废盐水的COD脱除率在Fe2+投加量在27%之前稳定上升，于27%时达到峰值72.25%；然而继续增加Fe2+投加量，废盐水的COD脱除率反而缓慢下降。这是因为过量的Fe2+投加量会使产生的·OH湮灭，同时产生Fe3+，而Fe3+可能进一步消耗H2O2，使水中的·OH含量减少，从而影响处理效果[13]。故确定Fe2+投加量比为27%。

图4 Fe2+的投加量对COD脱除率的影响

2.2.2 H2O2溶液的投加量对COD脱除率的影响

如图5所示，随着H2O2投加量的增加，·OH的量迅速增加，脱除率随之增大，当H2O2投加量增加至40%时，COD脱除率达到峰值73.32%；而H2O2投加量超过40%后，脱除率反而缓慢减少，这是因为过量的H2O2会加快·OH+H2O2→H2O+HO2·反应的进程，使最初生产的·OH发生湮灭，反而会影响脱除效果[13]。故最适H2O2投加量为40%。

图5 H2O2的投加量对COD脱除率的影响

2.2.3 溶液的pH对COD脱除率的影响由图6可知，随着反应时pH升高，废盐水中COD的脱除率先增大后减小，其中pH为3～4时，COD脱除率达到峰值。因为Fe2+在溶液中的存在形式受制于溶液的pH，当pH过高时会抑制羟自由基的产生；另外pH的变化也会直接影响到Fe2+、Fe3+的络合平衡体系，从而影响Fenton试剂的氧化能力[14]。故Fenton试剂在酸性条件下处理效果更好，最佳反应pH为3～4。

2.3 共沉淀法脱钙脱镁的优化

在腌制过程中，鸭蛋壳上的附着物和钙镁离子等会溶于腌制液中，若不进行脱除，则会影响循环腌制时咸鸭蛋的口感风味和品质，产生苦味和涩味物质。如表2所示，脱钙剂C处理后的废盐水钙含量为40 mg/L，而经脱钙剂A、B、C处理后的废盐水钙含量分别为21和20 mg/L，考虑脱钙剂B脱镁率比A高，因此选择脱钙剂B。

图6 溶液pH对COD脱除率的影响

表2 不同脱钙剂脱钙效果的比较

2.4 腌制废盐水处理前后各指标的比较

如表3所示，经过上述工艺联合处理后，腌制废盐水中悬浮物完全除去，蛋白质、总糖、Ca2+、Mg2+和COD含量分别下降了96.68%，91.49%，81.65%，83.77%和85.16%。水体澄清透明，蛋腥味完全去除，无丁达尔现象，咸鸭蛋的腌制要求。

表3 咸鸭蛋腌制废盐水处理前后各指标的比较

2.5 处理后腌制液腌蛋品质的检测

2.5.1 咸鸭蛋的品质

如表4所示，用澄清后的腌制液腌制的咸鸭蛋蛋黄的蛋黄指数高达95.48%，出油率高达85.17%。鸭蛋的新鲜程度，腌影响咸鸭蛋的品质。蛋黄指数越接近1，表明成熟度越高。蛋白含盐量在3.50%～5.00%左右时，口味适宜，超过5.00%时较咸，低于2.50%则较淡，不适合大众口味[15]。如表5所示，由于离腌制液较近，蛋白外圈的含盐量为5.11%，高于内圈，感官偏咸，内圈含盐量为3.93%，咸度适中。蛋黄的含盐量在1.30%以上时，蛋黄油露松沙，色泽诱人[16]。

表4 咸鸭蛋品质指标

2.5.2 咸蛋黄的质构分析

如表5所示，经过澄清化处理后的废盐水脉动压力快速腌制7 d熟咸蛋蛋黄的黏结性为0.356 4 N，弹性为0.208 2 mm，咀嚼性为163.900 8 N/mm，硬度为2 302.092 2 g。在腌制过程中，由于蛋黄颗粒的破碎，脂质渗出的润滑作用，使蛋黄的黏结性，弹性，咀嚼性和硬度先上升后下降，达到一个平衡的状态[17]。

表5 咸鸭蛋黄的质构分析

3 结论

设计了以联合膜处理为基础的，绿色高效的处理咸鸭蛋腌制废盐水的工艺流程。最后以处理后的盐水作为腌制液，用脉动力压力快速腌制罐腌制鸭蛋，并进行品质检测。咸鸭蛋腌制废盐水经过联合膜技术处理，Fenton氧化法脱COD脱糖和脱钙剂脱钙镁后，悬浮物和蛋白质被完全除去，总糖、Ca2+、Mg2+和COD分别下降了91.49%，85.65%，83.77%和85.16%。处理后的腌制液无色澄清透明，蛋腥味消失，无丁达尔现象，达到咸鸭蛋的循环腌制要求。处理后腌制液腌制的咸鸭蛋蛋黄指数和出油率等各项指标符合要求。综上所述，此工艺设计合理高效，具有可行性，经过处理后的腌制液能腌制出高品质咸鸭蛋为工业化处理腌制废盐水提供了理论依据。