魚糜加工廢水中蛋白質回收工藝的優化

李流川， 婁永江， 楊文鴿

（寧波大學 海洋學院/應用海洋生物技術教育部重點實驗室，浙江 寧波 315211）

魚糜是一種新型的水產調理食品原料。它調理簡便，細嫩味美，又耐儲藏，頗適合大眾消費。魚糜漂洗加工過程中流失的蛋白質約占全部魚肉蛋白質的30%～40%[1-3]。將漂洗水中流失的蛋白質進行回收和重新利用，不僅能增加企業的效益，而且可以顯著降低廢水中化學耗氧量（COD），大大減少廢水處理的成本[3-6]。

目前國內外回收蛋白質的方法有pH調節法、加熱法、膜分離法、離子交換法和凝聚法等[7]。但普遍存在回收停留在實驗室理論階段，未實現工廠化投產；蛋白回收率不高，最高為80%；操作復雜，工序較多；前期資金投入大，成本較高等問題[8-10]。作者旨在找出一種經濟實惠，安全可靠，回收率高，原料來源廣泛，價格便宜的絮凝劑。如果絮凝劑的種類和投加量選擇合適，回收的蛋白質可用作動物飼料優質蛋白直接利用，同時降低廢水的COD，降低廢水處理成本，實現經濟、環保、社會三贏。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

魚糜加工廢水:寧波象山某魚糜加工企業提供；硫酸鐵銨、硫酸鋁、硫酸鐵、氯化鋁、氯化鐵、明礬、陽離子聚丙烯酰胺、聚合硫酸鐵、聚合硅酸鐵:均為分析純試劑；考馬斯亮藍G-250、牛血清標準蛋白、殼聚糖、海藻酸鈉:均為生化試劑。

HH-6數顯恒溫水浴鍋:常州中捷實驗儀器制造有限公司產品；RO DI digital plus實驗室超純水機:上海和泰儀器有限公司產品；SH220石墨消解儀:濟南海能儀器有限公司產品；UV2102-C紫外可見分光光度計:尤尼柯（上海）儀器有限公司產品；HSF-3F pH計:上海精密科學儀器有限公司產品。

1.2 方法

蛋白質測定:考馬斯亮藍法[11-12]，牛血清蛋白標準曲線法[13]。

回收率:通過牛血清蛋白標準曲線法測出廢水蛋白質質量濃度，然后按下式計算。

式中:W為蛋白回收率，%；M為魚糜廢水原液蛋白質質量濃度，g/L；M1為絮凝后上清液蛋白質質量濃度，g/L；M2為絮凝后蛋白質質量濃度，g/L。

1.2.1 單因素絮凝法 等電點沉淀法[14]:用HCL、NaOH溶液調節魚糜廢水的pH值，使pH控制在（3、3.5、4～7、7.5、8）。

絮凝劑及其質量濃度對回收效果影響:將殼聚糖、海藻酸鈉、陽離子聚丙烯酰胺、聚合硫酸鐵、微生物絮凝劑、硫酸鐵銨、硫酸鋁、硫酸鐵、氯化鋁、氯化鐵、明礬，分別按質量濃度（0、0.05、0.1～0.3、0.35、0.4 g/L）加入到魚糜廢水中。

絮凝時間、溫度回收效果影響:在上述實驗的基礎上，對選定的絮凝劑控制作用溫度（5、10、15、20、25、30 ℃），沉降時間（0、1、～7，8 h）進行單因素試驗。

1.2.2 響應面優化實驗 在單因素實驗的基礎上，采用Design-expert軟件的Box-Behnken中心組合設計[15-16]，以回收率作為實驗指標，進行絮凝劑添加量、絮凝時間、絮凝溫度、絮凝pH的四因素三水平響應面實驗。

2 結果與分析

2.1 等電點絮凝法

在等電點時，蛋白質分子以兩性離子形式存在，其分子凈電荷為零（即正負電荷相等），此時蛋白質分子顆粒在溶液中因沒有相同電荷的相互排斥，分子相互之間的作用力減弱，其顆粒極易碰撞、凝聚而產生沉淀，所以蛋白質在等電點時，其溶解度最小，最易形成沉淀物[10]。用HCl、NaOH溶液調節魚糜廢水溶液pH分別為:3、3.5～7.5、8，通過牛血清標準蛋白曲線法，測得蛋白質回收率，結果見圖1。

圖1 pH對魚糜廢水中蛋白質回收率的影響Fig.1 Effects on surimi wastewater protein recycling of pH

從圖1可見，魚糜廢水中蛋白質的回收率隨pH的增加先增大，后減小最后趨于平緩。當pH=5.5時陡然達到最大，此時回收率為65.8%。據此，確定魚糜廢水中蛋白質的等電點為5.5。

2.2 絮凝劑的選擇

以陽離子聚丙烯酰胺、聚合硫酸鐵、聚合硅酸鐵、海藻酸鈉、殼聚糖、硫酸鐵銨、硫酸鋁、硫酸鐵、氯化鋁、氯化鐵、明礬共11種絮凝劑，對魚糜廢水蛋白進行回收實驗，結果見圖2。

圖2 絮凝劑種類對魚糜廢水蛋白回收的效果圖影響Fig.2 Effect on surimi wastewater protein recycling of flocculant species

從圖2可見，上述絮凝劑都具有隨添加量的逐漸增大，蛋白回收率先急速增大最后逐漸趨于平緩的特點。當氯化鐵添加量為0.15 g/L時，魚糜廢水蛋白回收率最大為72.25%。鑒于三氯化鐵價格較為便宜，來源方便，安全可靠，綜合分析，確定選用三氯化鐵作為魚糜廢水蛋白回收的絮凝劑。

2.3 絮凝時間、溫度對實驗的影響

2.3.1 作用時間對絮凝效果的影響 以三氯化鐵作為絮凝劑，選用上圖3中回收率最大添加量即為:0.15 g/L，室溫（20 ℃）。 控制絮凝時間為（0、1～7、8 h）進行實驗，結果見圖3。

圖3 絮凝時間對魚糜廢水中蛋白質回收率影響Fig.3 Effect on surimi wastewater protein recycling of flocculant time

從圖3可見，隨絮凝時間的延長，回收率先快速增大后趨于平緩。當絮凝4 h時，回收率最大達到73.74%。則:絮凝時間為4 h。

2.3.2 絮凝溫度對絮凝效果的影響 控制三氯化鐵的濃度為 0.15 g/L，絮凝時間為 4 h，以 5、10、15、20、25、30℃的溫度條件下進行蛋白質回收實驗，結果見圖4。

從圖4可見，隨絮凝溫度的增大，回收率先緩慢增大再平穩下降。當絮凝溫度為15℃時，回收率達最大為74.13%。

圖4 絮凝溫度對魚糜廢水回收的影響Fig.4 Effect on surimi wastewater protein recycling of flocculant temperature

2.4 響應面實驗結果

2.4.1 響應面實驗設計與結果分析 在以上絮凝劑添加量、絮凝時間、絮凝溫度、絮凝pH單因素實驗的基礎上，選擇合理的因素水平見表1，采用Design-expert軟件的Box-Behnken中心組設計，設計四因素三水平實驗，以回收率作為實驗指標，Box-Behnken試驗設計及結果見表2。

表1 響應面實驗因素水平表Table 1 Factors and Levels of response surface experimental

表2 Box-Behnken實驗設計及結果Table 2 Box-Behnken design and results

續表2

利用Design-Expert軟件對表2試驗數據進行回歸，得到魚糜加工廢水蛋白回收率對以上4因素的二次多項回歸模型為:蛋白質回收率=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

對模型進行回歸方差分析，結果見表3；對回歸模型系數顯著性檢驗，結果見表4[16]。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

由表3可知，此模型的F值29.77，P＜0.000 1，回歸模型高度顯著。表4結果表明:模型的一次項A、D 極顯著，B、C 不顯著；二次項 A2、B2、D2極顯著，C2不顯著；交互項 AC、BC、BD 顯著。

失擬項P=0.000 3，顯著，相關系數R2=0.967 5，說明模型擬合程度良好，該模型可以較好的分析和預測絮凝劑對魚糜廢水蛋白質回收效果。

表4 回歸模型系數顯著性檢驗Table4 Significancetestoftheregressionmodelcoefficients

2.4.2 因素間交互作用 為了進一步研究相關變量之間的交互作用，通過Design-expert繪制響應曲面圖和等高線圖來進行直觀分析，結果見圖5和圖6。等高線圖可以直觀的反映兩變量交互作用的顯著程度，圓形表示兩因素交互作用不顯著，而橢圓形與之相反。

圖5 絮凝劑質量濃度和溫度對回收率的影響Fig.5 Effects on recoverying of Flocculant concentration and temperature

圖6 絮凝溫度和pH值對回收率的影響Fig.6 Effects of the the flocculation temperature and pH on recovery

從圖5和圖6可以明顯看出絮凝劑添加量和絮凝溫度，絮凝溫度和絮凝pH值之間存在明顯的交互作用，表現為等高線呈橢圓形。緣于其他各因素的交互作用不明顯，這里不再討論。

由該軟件分析得出最優配方及評定結果為:三氯化鐵添加量為0.13 g/L、絮凝溫度為18.44℃、時間5 h、pH為5.44，此時回收率最大為87.04%。

按照響應面最佳條件，對魚糜廢水蛋白質進行3次平行回收驗證實驗。結果表明驗證實驗的平均值為86.94%，而預測最大值為87.04%，兩者吻合得較好。

3 結語

1）最優實驗條件絮凝法，較之單一的等電點回收和自然條件絮凝劑沉降回收，魚糜廢水蛋白回收率具有很大的提高。

2）通過響應面實驗得出:采用三氯化鐵添加量0.13 g/L、絮凝溫度 18.44℃、時間 5 h、pH 5.44對魚糜廢水中蛋白質進行回收，回收率可達86.94%，較之目前最大的回收率80%有了很大的提高。三氯化鐵來源廣泛，價格便宜，回收操作簡單，是一種高效實用的蛋白質回收方法。

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