咸鴨蛋腌制廢料液的綠色高效聯(lián)合膜分離循環(huán)利用

唐朝慶，蔡朝霞*，程錦文，盛龍，王晨

1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)（武漢 430000）；2. 高郵市秦郵蛋品有限公司（高郵 225600）

咸鴨蛋是中華民族的傳統(tǒng)特產(chǎn)之一，至今已有數(shù)百年加工歷史，因其產(chǎn)品加工成本低、風(fēng)味獨特、食用方便且營養(yǎng)豐富而深受消費者歡迎。咸鴨蛋腌制廢鹽水特指新鮮鴨蛋在20%左右的食鹽水中腌制20～30 d所剩余的鹽水混合物。因為工作效益和衛(wèi)生安全問題，工廠一般經(jīng)過簡單的工業(yè)處理后便將廢鹽水排放。然而廢鹽水中除含有蛋清蛋黃滲出物、水溶性蛋白、腥味物質(zhì)、蛋殼溶出物和主要呈芽孢狀態(tài)的微生物菌體等雜質(zhì)外，食鹽含量也高達(dá)17%[1]。從經(jīng)濟(jì)損失方面來看，若一個中型規(guī)模的企業(yè)年加工1億枚咸鴨蛋，那么腌制咸鴨蛋的廢鹽水的直接廢棄而造成的食鹽流失就可達(dá)1 500～1 700 t，總價值高達(dá)225萬～255萬[2]。從環(huán)境污染方面來看，高鹽度和高COD的含菌廢水能直接或間接的引起多種環(huán)境問題，如土壤鹽堿化，植物生長受阻，水體生物死亡，水體富營養(yǎng)化等[3]。由于食品工業(yè)廢水污染嚴(yán)重，容易對濾膜產(chǎn)生如堵塞，破損，收縮等不可逆損傷[4]，所以一般聯(lián)合物理化學(xué)方法和分級膜處理凈化。因此試驗旨在設(shè)計出在保障咸鴨蛋品質(zhì)的前提下高效環(huán)保的腌制廢鹽水循環(huán)工藝流程，為工業(yè)化處理腌制廢鹽水提供一定的理論依據(jù)，并具有較高的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鴨蛋、食鹽為市售。碳酸鈣、硫酸鎂、硫酸汞、硫酸銀、葡萄糖、硝酸銀、異丙醇、正己烷、氫氧化鈉、鉻酸鉀、重鉻酸鉀、雙氧水、鹽酸均為分析純，均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。氯化鈉、苯酚均為分析純，均購自武漢華美生物工程有限公司。鄰菲啰啉為分析純，牛血清蛋白為生化試劑，均購自上海伯奧生物科技有限公司。七水合硫酸亞鐵為分析純購自美國Sigma-Aldrich公司。考馬斯亮藍(lán)99%購自南京先豐納米科技有限公司。濃硫酸98%購自信陽市化學(xué)試劑廠。

SZ-93自動雙蒸純水蒸餾器，上海亞榮生化儀器廠；SPX-250 BSH質(zhì)構(gòu)儀，上海新苗器械制造有限公司；Zetasizer Nano ZS原子火焰分光光度儀，英國馬爾文儀器有限公司；Nanodrop 2000 C紫外分光光度計，Thermo Fisher Scientific公司；H-7650超濾儀，日本HITACHI公司；XHF-DY高速分散儀，寧波新芝生物科技股份有限公司；SH 220 F石墨消解儀，Hanon。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

如圖1所示，工藝流程分為自然沉降、膜處理、脫糖、脫鈣鎂離子4個部分。自然沉降目的是去除大部分沉淀及懸浮物；膜處理去除所有懸浮物和水溶性蛋白質(zhì)；脫糖采用Fenton氧化法去除主要有機(jī)物和降低COD；脫鈣鎂降低腌制液的硬度并去除金屬離子；最后補加食鹽至原腌制溶液濃度。

1.2.2 自然沉降時間優(yōu)化

在廢棄腌制液液面下20 cm處取適量廢鹽水，以10 min為間隔時間，分別于可見分光光度計490 nm測吸光度，以透光率為指標(biāo)，優(yōu)化沉降時間。

圖1 澄清處理的工藝流程

1.2.3 膜處理的優(yōu)化及表征

采用孔徑為0.45和0.22 μm的混合纖維樹脂微濾膜和孔徑分別為100，50，30和5 kDa的超濾膜對廢鹽水分別進(jìn)行膜處理，以水溶性蛋白質(zhì)脫除率為指標(biāo)，篩選出用時最短蛋白質(zhì)脫除效果最好的組合。

1.2.4 Fenton氧化法脫糖的優(yōu)化

利用單因素試驗對Fenton氧化法進(jìn)行優(yōu)化，主要考察硫酸亞鐵添加量，雙氧水添加量，溶液pH對COD的影響。以COD的脫除率為指標(biāo)，確定最佳處理條件[5-6]。取廢鹽水15 mL于100 mL的燒杯中，加入4 mL 1 mol/L的硫酸亞鐵溶液，分別量取一定量的30%雙氧水，調(diào)pH至5，置于磁力攪拌器上反應(yīng)1 h，加氫氧化鈉使Fe3+全部沉淀，過濾后調(diào)pH至一定值，測定溶液的COD，計算COD脫除率。

1.2.5 脫鈣鎂的優(yōu)化

分別將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的三種脫鈣劑（氫氧化鈣、氫氧化鈉、碳酸鈉）分別加入100 mL廢鹽水中，置于磁力攪拌器上反應(yīng)30 min后靜置，取上清液用EDTA滴定法測Ca2+，Mg2+含量，比較不同脫鈣劑的脫鈣率和脫鎂率。

1.2.6 脈動壓力腌蛋

取處理后的廢鹽水使其含鹽量為18%作為新的腌制液。將配好的腌制液煮沸冷卻至室溫后，將其倒入脈動力壓力快速腌蛋鍋，把200枚鴨蛋緩慢放入，旋緊鍋蓋后設(shè)置參數(shù)為：高壓144 MPa，持續(xù)4 min，低壓常壓，持續(xù)16 min，腌制溫度為35 ℃，脈動壓力循環(huán)腌制時間為168 h[7]。

1.2.7 分析方法

水溶性蛋白的測定：考馬斯亮藍(lán)G-250染色法。灰分的測定：參照GB/T 5009.4—2016灰化法。沉淀與懸浮物的測定：參照GB/T 11901—1989重量法。鈣鎂離子的測定：參照GB/T 85380—1995 EDTA滴定法。COD的測定：參照GB/T 11914—1989重鉻酸鉀法。氯化鈉的測定：參照GB 5009.44—2016銀量法。

1.2.8 蛋白鹽含量取樣方法

參照文獻(xiàn)[8]，在脈動力腌制鍋內(nèi)的不同地方隨機(jī)取三個樣品蒸熟，去殼后將咸蛋縱橫向剖開，分別從蛋清的外層（距蛋殼0～3 mm）、內(nèi)層（距蛋黃0～3 mm）、蛋黃的外層（距蛋清0～3 mm）、中心（蛋黃的中心3 mm的范圍）取樣。

1.2.9 蛋黃的質(zhì)構(gòu)分析及參數(shù)設(shè)定

參照文獻(xiàn)[9]，取蒸熟的咸鴨蛋蛋黃除去邊角成等高立方體。采用輕型刀片P/36R探頭對腌鴨蛋的蛋黃進(jìn)行TPA（模擬咀嚼試驗兩次）模式的質(zhì)構(gòu)測定，設(shè)定測前速度為1.00 mm/s，測后速度為1.00 mm/s，測試速度為1.00 mm/s，觸發(fā)力為5 g，壓縮程度為50%，兩次壓縮停留間隔時間為5 s，數(shù)據(jù)采集速率為400 p/s，主要測定指標(biāo)為煮熟咸蛋黃的硬度、黏結(jié)性、彈性和咀嚼性。

1.2.10 蛋黃出油率的測定

參照文獻(xiàn)[10]，稱取3.000 g蛋黃，加入35 mL有機(jī)溶劑（V正己烷∶V異丙醇=3∶2），以5 000 r/min均質(zhì)10 min，濾紙過濾，取濾液于55 ℃下旋蒸后，在105 ℃下烘干至恒重，稱得殘渣質(zhì)量即為總脂質(zhì)質(zhì)量。取5.000 g同樣蛋黃加入25 mL蒸餾水，以5 000 r/min均質(zhì)30 s后，將勻漿在25 ℃條件下9 500×g離心30 min，取上清液并加入25 mL上述有機(jī)溶劑。用分液漏斗分離得到脂質(zhì)層，將脂質(zhì)層中的溶劑在沸水浴中蒸發(fā)后，在105 ℃烘干至恒質(zhì)量，殘渣質(zhì)量即為游離脂質(zhì)的質(zhì)量。用游離脂質(zhì)量和總脂質(zhì)質(zhì)量的比值表示出油率。計算公式如式（1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 MF-UF聯(lián)合膜處理的優(yōu)化

2.1.1 自然沉降的時間優(yōu)化

由圖2可知，腌制液的沉降時間在0～40 min時，由于重力和阻力相互作用提供加速度，部分不溶性雜質(zhì)下沉，透光度與沉降時間成正比，40 min后體系趨于穩(wěn)定，此時透光度為63.81%。因此，選擇沉降時間為40 min。

圖2 溶液的透光度隨沉降時間的變化

2.1.2 MF-UF的聯(lián)合膜處理的優(yōu)化

由表1可知，孔徑為0.45和0.22 μm時，操作時間分別為50和120 min，相差70 min，蛋白質(zhì)含量無顯著差異，蛋白質(zhì)脫除率分別為9.96%和11.73%，故選擇0.45 μm的微濾膜；在超濾部分，當(dāng)孔徑小于等于30 kDa時蛋白質(zhì)脫除率達(dá)96.68%，由于5 kDa比30 kDa的操作時間長70 min，故選擇30 kDa孔徑。因此選擇0.45 μm微濾膜結(jié)合30 kDa超濾膜聯(lián)合處理廢鹽水，此時用時最短為100 min。

圖3是腌制廢鹽水在經(jīng)過MF-UF聯(lián)合膜處理中微濾和超濾后兩個階段的感官變化，（A）為未經(jīng)處理的腌制廢鹽水，水體為半透明棕紅色，有大量紅褐色懸浮物及沉淀和硬性蛋白質(zhì)起泡，蛋腥味濃重。（B）為微濾處理后的溶液，此時沉淀懸浮物已經(jīng)完全去除，蛋腥味明顯減少，水體呈半透明膠體狀，有丁達(dá)爾現(xiàn)象。（C）聯(lián)合膜處理后的澄清溶液，水體澄清透明無色，無丁達(dá)爾現(xiàn)象，蛋腥味徹底消失，細(xì)菌總數(shù)可以達(dá)到100 CFU/mL左右，再經(jīng)過高溫消毒，完全可以滿足咸鴨蛋的腌制要求[11]。

表1 MF-UF聯(lián)合膜處理的優(yōu)化

圖3 不同膜處理后腌制液形態(tài)

2.2 Fenton氧化法脫糖的優(yōu)化

Fenton試劑是由H2O2與Fe2+組成的混合體系，它通過催化分解H2O2產(chǎn)生·OH，并利用·OH氧化分解水中的有機(jī)物，從而達(dá)到降低溶液COD的效果，F(xiàn)enton氧化處理具有化學(xué)氧化作用和物化絮凝的雙重作用[12]。

2.2.1 FeSO4溶液用量對COD脫除率的影響

Fenton氧化法中，F(xiàn)e2+是重要的催化劑，其添加量對COD的脫除率有很大的影響。由圖4可知，廢鹽水的COD脫除率在Fe2+投加量在27%之前穩(wěn)定上升，于27%時達(dá)到峰值72.25%；然而繼續(xù)增加Fe2+投加量，廢鹽水的COD脫除率反而緩慢下降。這是因為過量的Fe2+投加量會使產(chǎn)生的·OH湮滅，同時產(chǎn)生Fe3+，而Fe3+可能進(jìn)一步消耗H2O2，使水中的·OH含量減少，從而影響處理效果[13]。故確定Fe2+投加量比為27%。

圖4 Fe2+的投加量對COD脫除率的影響

2.2.2 H2O2溶液的投加量對COD脫除率的影響

如圖5所示，隨著H2O2投加量的增加，·OH的量迅速增加，脫除率隨之增大，當(dāng)H2O2投加量增加至40%時，COD脫除率達(dá)到峰值73.32%；而H2O2投加量超過40%后，脫除率反而緩慢減少，這是因為過量的H2O2會加快·OH+H2O2→H2O+HO2·反應(yīng)的進(jìn)程，使最初生產(chǎn)的·OH發(fā)生湮滅，反而會影響脫除效果[13]。故最適H2O2投加量為40%。

圖5 H2O2的投加量對COD脫除率的影響

2.2.3 溶液的pH對COD脫除率的影響由圖6可知，隨著反應(yīng)時pH升高，廢鹽水中COD的脫除率先增大后減小，其中pH為3～4時，COD脫除率達(dá)到峰值。因為Fe2+在溶液中的存在形式受制于溶液的pH，當(dāng)pH過高時會抑制羥自由基的產(chǎn)生；另外pH的變化也會直接影響到Fe2+、Fe3+的絡(luò)合平衡體系，從而影響Fenton試劑的氧化能力[14]。故Fenton試劑在酸性條件下處理效果更好，最佳反應(yīng)pH為3～4。

2.3 共沉淀法脫鈣脫鎂的優(yōu)化

在腌制過程中，鴨蛋殼上的附著物和鈣鎂離子等會溶于腌制液中，若不進(jìn)行脫除，則會影響循環(huán)腌制時咸鴨蛋的口感風(fēng)味和品質(zhì)，產(chǎn)生苦味和澀味物質(zhì)。如表2所示，脫鈣劑C處理后的廢鹽水鈣含量為40 mg/L，而經(jīng)脫鈣劑A、B、C處理后的廢鹽水鈣含量分別為21和20 mg/L，考慮脫鈣劑B脫鎂率比A高，因此選擇脫鈣劑B。

圖6 溶液pH對COD脫除率的影響

表2 不同脫鈣劑脫鈣效果的比較

2.4 腌制廢鹽水處理前后各指標(biāo)的比較

如表3所示，經(jīng)過上述工藝聯(lián)合處理后，腌制廢鹽水中懸浮物完全除去，蛋白質(zhì)、總糖、Ca2+、Mg2+和COD含量分別下降了96.68%，91.49%，81.65%，83.77%和85.16%。水體澄清透明，蛋腥味完全去除，無丁達(dá)爾現(xiàn)象，咸鴨蛋的腌制要求。

表3 咸鴨蛋腌制廢鹽水處理前后各指標(biāo)的比較

2.5 處理后腌制液腌蛋品質(zhì)的檢測

2.5.1 咸鴨蛋的品質(zhì)

如表4所示，用澄清后的腌制液腌制的咸鴨蛋蛋黃的蛋黃指數(shù)高達(dá)95.48%，出油率高達(dá)85.17%。鴨蛋的新鮮程度，腌影響咸鴨蛋的品質(zhì)。蛋黃指數(shù)越接近1，表明成熟度越高。蛋白含鹽量在3.50%～5.00%左右時，口味適宜，超過5.00%時較咸，低于2.50%則較淡，不適合大眾口味[15]。如表5所示，由于離腌制液較近，蛋白外圈的含鹽量為5.11%，高于內(nèi)圈，感官偏咸，內(nèi)圈含鹽量為3.93%，咸度適中。蛋黃的含鹽量在1.30%以上時，蛋黃油露松沙，色澤誘人[16]。

表4 咸鴨蛋品質(zhì)指標(biāo)

2.5.2 咸蛋黃的質(zhì)構(gòu)分析

如表5所示，經(jīng)過澄清化處理后的廢鹽水脈動壓力快速腌制7 d熟咸蛋蛋黃的黏結(jié)性為0.356 4 N，彈性為0.208 2 mm，咀嚼性為163.900 8 N/mm，硬度為2 302.092 2 g。在腌制過程中，由于蛋黃顆粒的破碎，脂質(zhì)滲出的潤滑作用，使蛋黃的黏結(jié)性，彈性，咀嚼性和硬度先上升后下降，達(dá)到一個平衡的狀態(tài)[17]。

表5 咸鴨蛋黃的質(zhì)構(gòu)分析

3 結(jié)論

設(shè)計了以聯(lián)合膜處理為基礎(chǔ)的，綠色高效的處理咸鴨蛋腌制廢鹽水的工藝流程。最后以處理后的鹽水作為腌制液，用脈動力壓力快速腌制罐腌制鴨蛋，并進(jìn)行品質(zhì)檢測。咸鴨蛋腌制廢鹽水經(jīng)過聯(lián)合膜技術(shù)處理，F(xiàn)enton氧化法脫COD脫糖和脫鈣劑脫鈣鎂后，懸浮物和蛋白質(zhì)被完全除去，總糖、Ca2+、Mg2+和COD分別下降了91.49%，85.65%，83.77%和85.16%。處理后的腌制液無色澄清透明，蛋腥味消失，無丁達(dá)爾現(xiàn)象，達(dá)到咸鴨蛋的循環(huán)腌制要求。處理后腌制液腌制的咸鴨蛋蛋黃指數(shù)和出油率等各項指標(biāo)符合要求。綜上所述，此工藝設(shè)計合理高效，具有可行性，經(jīng)過處理后的腌制液能腌制出高品質(zhì)咸鴨蛋為工業(yè)化處理腌制廢鹽水提供了理論依據(jù)。