低温气浮分离蔗汁中蛋白质的影响因素研究初探

2024-01-04谢显华莫柳珍唐林波张平军

甘蔗糖业 2023年5期

谢显华，莫柳珍，唐林波，张平军*

(1 中国轻工业广州工程有限公司，广东广州 510640；2 广东省科学院生物与医学工程研究所，广东广州 510316；3 广东省绿色制糖工程技术研究中心，广东广州 510316；4 桂林三金药业股份有限公司，广西桂林 541199)

0 引言

蛋白质(Protein)作为一种有机大分子，是构成细胞的基本有机物，是生命的物质基础，是生命活动的主要承担者。植物蛋白是蛋白质的一种，主要从植物里提取，营养与动物蛋白相仿，且更易于消化。甘蔗中的蛋白是植物蛋白质非常好的来源[1,2]，属于完全蛋白质，富含全部人体的必须氨基酸，且组分齐全，是品质极佳的优质蛋白，是一种绿色安全的保健食品。

甘蔗中含有相当多的蛋白质[3-5]，在多数新鲜甘蔗压榨汁中，蛋白质含量约为干固物总量的1%～1.5%。一个年榨100 万t 甘蔗的糖厂，混合汁中的蛋白质超过1000 t，可以为社会提供大量营养物，亦可以配制大量饲料[6-7]。

甘蔗是温带和热带农作物，是生产蔗糖的主要原料。目前的制糖工艺中，除蔗糖分外的物质作为非糖杂质被一系列高温、化学试剂破坏等工序澄清去除，以满足下游食品及化工等行业对高品质白砂糖的需要。近几年，食糖价格波动较大，大多数制糖企业处于盈利与亏损徘徊的状态，制糖产业急需引入或改革加工生产技术，降低生产成本，提高企业利润，以实现自身的可持续发展。提取甘蔗中蛋白质等营养健康成分，对于延伸传统制糖产业链，以实现企业增效益和农民增收的可持续发展具有重要意义，也是社会发展的必然趋势。

国内外学者已对制糖工艺产生的滤泥中蛋白质等物质提取开展了多方面深入的研究[4]，但滤泥中杂质很多，难以提取这些有效成分，相关技术仍不成熟，目前，提取技术的主要缺点是不能与连续的制糖生产系统实际相结合。

气浮作为一种成熟工艺技术，正越来越受到重视，应用的制糖企业越来越多[8-10]。其中低温气浮技术，因在较低温度(45～70℃)下处理蔗汁，可避免高温的不良影响，同时可对蔗汁中的蛋白质加以保护和富集，并且可将蔗汁蛋白质提取与制糖清净工艺有机结合，在提取蛋白质的同时解决工艺连续性的问题。另外，应用低温气浮技术，滤泥的数量较少，为提取和充分利用甘蔗中的资源提供有利的条件。目前，关于利用气浮法分离蔗汁中蛋白质过程中影响因素的相关研究鲜有报道。

本研究将以甘蔗汁为对象，研究空气流量、甘蔗汁pH、絮凝剂量、磷酸量、温度等参数对甘蔗汁中蛋白质的去除率的影响，同时，通过不同温度下甘蔗汁中蛋白质气浮的去除速率，掌握温度对气浮分离过程的影响规律[11-12]。研究成果可为提高低温气浮技术去除富集甘蔗汁中蛋白质的效率提供相应的理论基础。

1 实验设备与材料

1.1 实验装置

气浮实验是在自制的配有恒温夹套的玻璃气浮柱中开展[13]，实验装置如图1 所示。高压气瓶中的干空气经过减压阀后从布气板进入气浮柱中，气体流量计指示和控制气体流量。布气板平均直径为2 μm，装实验物料样品的玻璃柱为φ2.6 cm×70 cm。

图1 实验装置示意图

1.2 实验材料与仪器

Seven Easy 型pH 计，中国上海梅特勒-托利多仪器有限公司；WYA-ZT 型自动阿贝折射仪，中国上海精密科学仪器有限公司；WZZ-T2 型自动旋光仪，上海精密科学仪器有限公司；501 型超级恒温水浴锅，上海浦东荣丰科学仪器有限公司；甘蔗汁为购置新鲜甘蔗压榨获得；干空气，广州卓亚正气有限公司；氧化钙、硫酸、硫酸铜、硫酸钾、硼酸、磷酸、盐酸、氢氧化钠、PAM 絮凝剂，分析纯。

2 蛋白质的测定方法

称取1.00～2.00 g 试样，置于凯氏定氮瓶中，加入0.20 g 硫酸铜，6.00 g 硫酸钾及20 mL 硫酸，摇匀，在电炉上加热消化至溶液呈蓝绿澄清透明后，再加热0.5～1.0 h，冷却后定容至100 mL。安装定氮装置，于水蒸气发生瓶内装水至三分之二处，加入数粒玻璃珠，加甲基红指示液数滴及数毫升硫酸，以保持水呈酸性，用调压器控制，加热煮沸水。向接受瓶加入10 mL 硼酸溶液(20 g/L)及1～2 滴混合指示剂，并使冷凝管的下端插入液面下，准确吸取10 mL 试样处理液由漏斗流入反应室，并以10 mL水洗涤烧杯使流入反应室内。将10 mL 氢氧化钠溶液(400 g/L)倒入玻璃杯由小漏斗流入反应室。蒸馏5 min。移动接受瓶，液面离开冷凝管下端，再蒸馏1 min。用盐酸标准滴定溶液(0.05 mol/L)滴定至灰色或蓝绿色为终点[5]。

蛋白质含量计算如式(1)所示：

式(1)中：P为蛋白质含量；V1为试样消耗硫酸或盐酸标准滴定液的体积，mL；V2为试剂空白消耗硫酸或盐酸标准滴定液的体积，mL；c为硫酸或盐酸标准滴定溶液浓度，mol/L；0.0140 为标准滴定液相当的氮的质量，g；m为试样的质量，g；F 一为氮换算为蛋白质的系数，一般为6.25。

3 实验方法

在蔗汁中蛋白质气浮分离实验过程，先调节干空气流量至所需值，使气流量保持稳定。然后将一定剂量的石灰乳和磷酸加入到盛有新鲜甘蔗压榨汁的容器，通过0.1 mol/L 的NaOH 或0.1 mol/L 的HCl来微调节pH，置于恒温槽中一定时间，加入PAM絮凝剂，搅拌均匀后，倒入夹套控温的玻璃气浮柱中，开始记时，按一定时间间隔取蔗汁样测定蛋白质量，计算蛋白质去除率。

4 结果与讨论

4.1 气流量对甘蔗汁中蛋白质去除率的影响

在甘蔗汁的锤度为16.5°Bx、每千克蔗汁总磷酸量为450 mg、絮凝剂量为1 mg、pH 值8.0、温度60℃的条件下，考察了空气流量分别在30(a)、60(b)、90(c) mL/min 时，对蔗汁中蛋白质气浮去除的影响，实验结果如图2 所示。

图2 气流量对甘蔗汁中蛋白质去除率的影响

由图2 可知，空气流量分别在30、60、90 mL/min时，气浮时间0～2 min 时间段，甘蔗汁中蛋白质的去除率较快；气浮时间约6 min 后，甘蔗汁中蛋白质的去除率基本趋于稳定，分别约为90.1%、92.9%和80.2%。实验结果表明，在较低流量下，即流量为30～60 mL/min 时，去除效率随空气流量的增加而增大。原因在于，空气流量小，气泡的直径小，单位体积气体的表面积大，通过表面吸附促进了浮选。此外缓慢上升的气泡与被浮物有较长的接触时间，可以促进气泡边界层的传质。若继续增大流量，达到60～90 mL/min 时，去除效率显著下降，这是因为流量太大会引起溶液剧烈扰动，使浮升物易从气泡表面脱落，同时，气泡在柱内的停留时间随流量增大而降低，不利于稳定气-液平衡，导致甘蔗汁中的蛋白质气浮去除率降低。

4.2 pH 对甘蔗汁中蛋白质去除率的影响

在甘蔗汁的锤度为16.5°Bx、每千克蔗汁总磷酸量为450 mg、絮凝剂用量为1 mg、空气流量60 mL/min、温度60℃的条件下，气浮时间6 min，考察了pH 值分别为7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5 时，对蔗汁中蛋白质气浮去除的影响，实验结果如图3所示。

图3 pH 对甘蔗汁中蛋白质去除率的影响

由图3 可知，pH 值7.0～9.5 时，甘蔗汁中蛋白质去除率从96.3%降低到88.2%，表明甘蔗汁中蛋白质去除，随着甘蔗汁pH 值的增加而缓慢降低。原因在于，甘蔗汁中主要蛋白汁是酸中性蛋白质，随着甘蔗汁pH 值得增加，偏离多数蛋白质的等电点，减弱了气浮过程通过絮凝网络去除蛋白质的能力。根据甘蔗制糖过程需减轻蔗糖被分解破坏的原则，选择甘蔗汁pH 为7.5 的条件进行后续优化实验。

4.3 絮凝剂量对甘蔗汁中蛋白质去除率的影响

在甘蔗汁的锤度为16.5°Bx、每千克蔗汁总磷酸量为450 mg、pH 值7.5、空气流量60 mL/min、温度60℃的条件下，气浮时间6min，考察每千克蔗汁絮凝剂量为0.5(a)、1(b)、1.5(c)和2(d) mg 时，对蔗汁中蛋白质气浮去除的影响，实验结果如图4 所示。

图4 絮凝剂量对甘蔗汁中蛋白质去除率的影响

由图4 可知，每千克蔗汁絮凝剂添加量0.5～1 mg，在气浮时间为6 min 左右时，甘蔗汁中蛋白质去除率从91.7%增加到95.8%，表明蛋白质的去除随着甘蔗汁中絮凝剂的量的增加而提高；絮凝剂添加量1～2 mg/kg 蔗汁，甘蔗汁中蛋白质去除率数值没有明显变化。推断的原因为：絮凝剂的量太少时，糖汁中存在的大分子物质间没有充分起到架桥作用，气浮过程气泡表面的物质易分散破裂，因而去除率降低；当絮凝剂的量太高时，改变气泡的性质和表面张力的潜力有限，不能显著增加吸附去除甘蔗汁中的蛋白质。

4.4 磷酸量对甘蔗汁中蛋白质去除率的影响

在甘蔗汁的锤度为16.5°Bx、每千克蔗汁絮凝剂量为1 mg、pH 值为7.5、空气流量60 mL/min、温度60℃的条件下，气浮时间6 min，考察了每千克蔗汁磷酸量为300(a)、450(b)、600(c)和750(d) mg/kg时，对蔗汁中蛋白质气浮去除的影响，实验结果如图5 所示。

图5 磷酸量对甘蔗汁中蛋白质去除率的影响

由图5 可知，蔗汁总磷酸量分别为300、450和600 mg/kg，在气浮时间为6 min 左右时，甘蔗汁中蛋白质去除率分别为92.7%、95.9%和96.3%，表明蛋白质的去除随着甘蔗汁中磷酸量的增加而略有提高；磷酸添加量600～750 mg/kg 蔗汁，甘蔗汁中蛋白质去除率数值没有明显变化。出现上述实验结果的原因为：甘蔗汁中的蛋白质具有种类多、分子量分散及物化性质各异等特点，气浮只能对甘蔗汁中的这些蛋白质有选择性的吸附，其去除的效率有局限性。根据提取的经济性等综合考虑，选择每千克蔗汁总磷酸量为450 mg 的条件进行后续实验。

4.5 温度对甘蔗汁中蛋白质去除率的影响

在甘蔗汁的锤度为16.5°Bx、每千克蔗汁添加絮凝剂量为1 mg、总磷酸量为450 mg、pH 值为7.5、空气流量为60 mL/min 的条件下，气浮时间6 min，考察温度为55℃(a)、60℃(b)、65℃(c)和70℃(d)时，对蔗汁中蛋白质气浮去除的影响。实验结果如图6所示。

图6 温度对甘蔗汁中蛋白质去除率的影响

由图6 可知，温度为55℃(a)、60℃(b)、65℃(c)和70℃(d)时，在气浮时间为2 min 左右时，甘蔗汁中蛋白质去除率分别为 83.3%、87.7%、89.9%和92.4.6%，表明蛋白质的去除率，随着甘蔗汁温度的增加而显著提高。出现上述实验结果的原因为：甘蔗汁中的蛋白质随着温度的提高易发生凝聚，易被气泡及生成的网络结构富集去除。另外，根据图6可知，温度为65℃(c)和70℃(d)，在气浮时间约为4 min 后，甘蔗汁中蛋白质去除率无显著性提高，因此选择为65℃的条件进行实验。

在甘蔗汁锤度为16.5°Bx 条件下，根据实验结果选择的参数实验，即空气流量60 mL/min、pH 值7.5、每千克蔗汁絮凝剂量1 mg、总磷酸量450 mg及温度65℃，气浮时间6 min，蔗汁中蛋白质气浮去除率为96.9%。