馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質的分離方法研究

李 芳 火昭翠 孫晴陽 李生彬

（蘭州交通大學環境與市政工程學院 甘肅蘭州 730070）

引言

由于馬鈴薯生產淀粉過程中會產生大量含有可溶性蛋白的廢水[1]，且20 年前建設的水處理設施，全面提升改造成本較大，因此大多水處理設施難以實現對高蛋白廢水的處理。目前，亟需在不改變原有廢水處理設施的前提下，降低廢水中蛋白質含量，使馬鈴薯生產淀粉廢水達標排放。分析現有的對馬鈴薯淀粉生產廢水中蛋白質處理的物理[2][3]、化學[4][5]、生物[6][7]等方法,發現物理法不引入新的化學試劑，對環境比較友好，因此本文選取物理吸附法對馬鈴薯生產淀粉廢水中的蛋白質進行分離研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯、亞硫酸鈉、活性炭、氯化鐵、標準牛血清蛋白、無水硫酸銅、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、鹽酸、乙醇。

1.2 主要儀器與設備

紫外可見分光光度計、傅里葉紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、恒溫水浴鍋、干燥箱、震蕩器、pH 計、抽濾機、電子天平。

1.3 實驗方法

1.3.1 活性炭負載氯化鐵的制備

首先，對活性炭預處理，過200 目篩的活性炭，加入5%的HCl 溶液，浸泡24 h，再用蒸餾水清洗至中性，然后置于恒溫干燥箱干燥24h，待用。其次，稱取100g 氯化鐵溶于少量乙醇溶液，加入20g 預處理的活性炭將溶液充分吸收，加熱溶液回流24h。最后，冷卻后抽濾，分離得到的固體于90℃環境中干燥24h，即得到活性炭負載氯化鐵材料。

1.3.2 模擬配制馬鈴薯生產淀粉廢水

馬鈴薯洗凈去除表面污垢，按照不同料液比稱取一定質量馬鈴薯，制備馬鈴薯淀粉廢水。為防止氧化，按照1kg 馬鈴薯加1g 亞硫酸鈉的比例加入亞硫酸鈉，用100 目的尼龍網過濾，靜置12h 后分離淀粉，上清液即為馬鈴薯生產淀粉廢水，備用。

1.3.3 功能材料分離馬鈴薯淀粉生產廢水中的蛋白質在不同條件下，取不同料液比的馬鈴薯生產淀粉廢水25mL 于錐形瓶中，用0.1 mol/L 的HCl及0.1mol/L 的NaOH 調節溶液pH，加入一定量的活性炭負載氯化鐵功能材料，恒溫、120 r/min 條件下振蕩一定時間，靜置片刻后過濾，取上清液測定溶液中蛋白質含量。去除率計算見式（1）。

式中 η—去除率，%；C0—吸附前廢水中蛋白質初始質量濃度，mg/L；C—吸附分離蛋白質后馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質質量濃度，mg/L。

1.3.4 單因素實驗

探究不同料液比、活性炭負載氯化鐵添加量、反應pH、吸附時間、反應溫度對馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白分離效果的影響。

1.3.5 分析方法

根據《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》（GB 5009.5-2016），馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質用雙縮脲法測定，pH 采用PHS-3C 酸度計測定。

1.4 測試表征

通過掃描電子顯微鏡和傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR-650，賽默飛有限公司）對活性炭負載氯化鐵進行表征，并對吸附機理進行分析。

2.1 蛋白質標準曲線

2 結果與分析

由圖1 可得，蛋白質濃度與吸光度的線性相關系數為0.9997，說明用繪制的標準曲線擬合程度非常好。

圖1 蛋白質標準曲線

2.2 料液比對馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質含量的影響

由圖2 可知，隨著液料比的減小，蛋白質吸附分離率呈先增加后減少的趨勢。當料液比為1:1.5 時，活性炭負載氯化鐵功能材料對于馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質分離率最高，為63.93%；當料液比小于1:1.5 時，馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質分離率隨之呈現下降趨勢。表明，料液比越小，馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質含量越變少，活性炭負載氯化鐵對馬鈴薯生產淀粉廢水中的蛋白質分離效果不佳。

圖2 料液比對馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質分離率的影響

2.3 活性炭負載氯化鐵添加量對馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質含量的影響

由圖3 可知，當投加量為0.2g 時，蛋白質的分離率為55.2 %，隨著投加量的增加，蛋白質的分離率呈現逐漸降低的趨勢，出現這一趨勢可能是由于投加量增加吸附劑可以供應的吸附點位也增加，更有利于蛋白質的吸附，吸附率提升且不降低吸附容量。這是由于溶液中大部分蛋白質被去除后，吸附劑表面的吸附點位數不斷下降，相關吸附點也不斷被堵塞[8]，此時再添加吸附劑，平均吸附蛋白質量降低，因此為了減少吸附材料的使用，后面單因素均使用0.2g 投加量。

2.4 pH對馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質含量的影響

取料液比為1:1.5的馬鈴薯生產淀粉廢水25mL，添加吸附材料0.2 g，正常室溫下反應1h，結果如圖4 所示。當pH 為3 時，馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質分離率最高為78.11%，當pH 大于3以后，隨著pH 的增大，馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質分離率呈現先減小后增大的趨勢，這與蛋白質在過酸性條件下會變性沉淀有關。

圖4 pH 對馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質分離率的影響

2.5 反應時間對馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質含量的影響

取料液比為1:1.5 的馬鈴薯生產淀粉廢水，在吸附劑添加量為0.2g，正常室溫下反應時間設置為15min、30min、45min、60min、75min、9min，結果如圖5 所示。隨著反應時間的延長，馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質的分離率先增大后減小再增大；當反應時間是45 min 時，馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質的分離效果達到最好，分離率為69.53 %。

圖5 反應時間對馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質分離率的影響

2.6 反應溫度對馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質含量的影響

取一系列1:1.5 的馬鈴薯生產淀粉廢水，在吸附劑添加量為0.2g、pH 為3.5 的條件下，設置溫度為20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃，反應1 h，結果如圖6 所示。在40℃以下，溫度對蛋白質的分離率影響不大，隨著溫度的增大，蛋白質的分離率逐漸增大，主要是隨著溫度的升高，部分蛋白質發生變性沉淀所致。

圖6 反應溫度對馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質分離率的影響

2.7 材料的表征結果

2.7.1 掃描電鏡圖

活性炭、氯化鐵負載活性炭的SEM 圖如圖7所示，活性炭負載氯化鐵后呈現均勻分布，高分散無明顯的團聚現象，氯化鐵負載于活性炭的碳骨架表面。

圖7 原活性炭（a）、氯化鐵負載活性炭（b）的掃描電鏡圖

2.7.2 傅里葉紅外光譜圖

根據上述實驗結果，馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質分離機理主要為疏水作用、氫鍵和范德華力等。為了進一步驗證推測，考察功能材料紅外光譜圖，研究活性炭負載氯化鐵表面官能團變化，可更好地解釋吸附分離蛋白質的機理[9]。根據圖8 所示的功能材料紅外光譜圖，發現在3437cm-1的波峰處時，負載功能材料的波峰面積明顯要比原活性炭的大，可能是負載功能材料中-OH 發生伸縮振動引起[10]；1655cm-1處可能為C=C 鍵的伸縮振動引起，可能是羧基[11]、醚基、酯基的含氧基團[12]；1071cm-1處為C=O 的彎曲振動引起[13]，在小于1000cm-1處，為單鍵以及含氧基團的彎曲振動引起[14]。

圖8 活性炭、氯化鐵負載活性炭紅外光譜圖

結論

根據活性炭負載氯化鐵分離馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質的單因素影響實驗，結果表明在料液比為1:1.5，投加量為0.2g，反應時間為45min，分離效率最高；反應溫度在20～40℃之間，對馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質的分離效果影響不大；當溫度大于40℃時，蛋白質的分離率小幅度提高。

根據對功能材料進行表征發現，活性炭負載氯化鐵材料的吸附點位增多、孔徑增大，在3437cm-1的波峰處時，負載功能材料的波峰面積明顯要比原活性炭的大，可能是負載功能材料中-OH 發生伸縮振動引起；1655cm-1處為C=C鍵的伸縮振動引起，可能是羧基、醚基、酯基的含氧基團；1071cm-1處為C=O 的彎曲振動引起，是羧基、羥基等含氧官能團對馬鈴薯生產淀粉廢水中蛋白質通過疏水作用進行分離，在一定pH 條件下靜電斥力也會有影響活性炭與蛋白質的結合能力。