低溫氣浮分離蔗汁中蛋白質的影響因素研究初探

謝顯華，莫柳珍，唐林波，張平軍*

(1 中國輕工業廣州工程有限公司，廣東廣州 510640；2 廣東省科學院生物與醫學工程研究所，廣東廣州 510316；3 廣東省綠色制糖工程技術研究中心，廣東廣州 510316；4 桂林三金藥業股份有限公司，廣西桂林 541199)

0 引言

蛋白質(Protein)作為一種有機大分子，是構成細胞的基本有機物，是生命的物質基礎，是生命活動的主要承擔者。植物蛋白是蛋白質的一種，主要從植物里提取，營養與動物蛋白相仿，且更易于消化。甘蔗中的蛋白是植物蛋白質非常好的來源[1,2]，屬于完全蛋白質，富含全部人體的必須氨基酸，且組分齊全，是品質極佳的優質蛋白，是一種綠色安全的保健食品。

甘蔗中含有相當多的蛋白質[3-5]，在多數新鮮甘蔗壓榨汁中，蛋白質含量約為干固物總量的1%～1.5%。一個年榨100 萬t 甘蔗的糖廠，混合汁中的蛋白質超過1000 t，可以為社會提供大量營養物，亦可以配制大量飼料[6-7]。

甘蔗是溫帶和熱帶農作物，是生產蔗糖的主要原料。目前的制糖工藝中，除蔗糖分外的物質作為非糖雜質被一系列高溫、化學試劑破壞等工序澄清去除，以滿足下游食品及化工等行業對高品質白砂糖的需要。近幾年，食糖價格波動較大，大多數制糖企業處于盈利與虧損徘徊的狀態，制糖產業急需引入或改革加工生產技術，降低生產成本，提高企業利潤，以實現自身的可持續發展。提取甘蔗中蛋白質等營養健康成分，對于延伸傳統制糖產業鏈，以實現企業增效益和農民增收的可持續發展具有重要意義，也是社會發展的必然趨勢。

國內外學者已對制糖工藝產生的濾泥中蛋白質等物質提取開展了多方面深入的研究[4]，但濾泥中雜質很多，難以提取這些有效成分，相關技術仍不成熟，目前，提取技術的主要缺點是不能與連續的制糖生產系統實際相結合。

氣浮作為一種成熟工藝技術，正越來越受到重視，應用的制糖企業越來越多[8-10]。其中低溫氣浮技術，因在較低溫度(45～70℃)下處理蔗汁，可避免高溫的不良影響，同時可對蔗汁中的蛋白質加以保護和富集，并且可將蔗汁蛋白質提取與制糖清凈工藝有機結合，在提取蛋白質的同時解決工藝連續性的問題。另外，應用低溫氣浮技術，濾泥的數量較少，為提取和充分利用甘蔗中的資源提供有利的條件。目前，關于利用氣浮法分離蔗汁中蛋白質過程中影響因素的相關研究鮮有報道。

本研究將以甘蔗汁為對象，研究空氣流量、甘蔗汁pH、絮凝劑量、磷酸量、溫度等參數對甘蔗汁中蛋白質的去除率的影響，同時，通過不同溫度下甘蔗汁中蛋白質氣浮的去除速率，掌握溫度對氣浮分離過程的影響規律[11-12]。研究成果可為提高低溫氣浮技術去除富集甘蔗汁中蛋白質的效率提供相應的理論基礎。

1 實驗設備與材料

1.1 實驗裝置

氣浮實驗是在自制的配有恒溫夾套的玻璃氣浮柱中開展[13]，實驗裝置如圖1 所示。高壓氣瓶中的干空氣經過減壓閥后從布氣板進入氣浮柱中，氣體流量計指示和控制氣體流量。布氣板平均直徑為2 μm，裝實驗物料樣品的玻璃柱為φ2.6 cm×70 cm。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 實驗材料與儀器

Seven Easy 型pH 計，中國上海梅特勒-托利多儀器有限公司；WYA-ZT 型自動阿貝折射儀，中國上海精密科學儀器有限公司；WZZ-T2 型自動旋光儀，上海精密科學儀器有限公司；501 型超級恒溫水浴鍋，上海浦東榮豐科學儀器有限公司；甘蔗汁為購置新鮮甘蔗壓榨獲得；干空氣，廣州卓亞正氣有限公司；氧化鈣、硫酸、硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、磷酸、鹽酸、氫氧化鈉、PAM 絮凝劑，分析純。

2 蛋白質的測定方法

稱取1.00～2.00 g 試樣，置于凱氏定氮瓶中，加入0.20 g 硫酸銅，6.00 g 硫酸鉀及20 mL 硫酸，搖勻，在電爐上加熱消化至溶液呈藍綠澄清透明后，再加熱0.5～1.0 h，冷卻后定容至100 mL。安裝定氮裝置，于水蒸氣發生瓶內裝水至三分之二處，加入數粒玻璃珠，加甲基紅指示液數滴及數毫升硫酸，以保持水呈酸性，用調壓器控制，加熱煮沸水。向接受瓶加入10 mL 硼酸溶液(20 g/L)及1～2 滴混合指示劑，并使冷凝管的下端插入液面下，準確吸取10 mL 試樣處理液由漏斗流入反應室，并以10 mL水洗滌燒杯使流入反應室內。將10 mL 氫氧化鈉溶液(400 g/L)倒入玻璃杯由小漏斗流入反應室。蒸餾5 min。移動接受瓶，液面離開冷凝管下端，再蒸餾1 min。用鹽酸標準滴定溶液(0.05 mol/L)滴定至灰色或藍綠色為終點[5]。

蛋白質含量計算如式(1)所示：

式(1)中：P為蛋白質含量；V1為試樣消耗硫酸或鹽酸標準滴定液的體積，mL；V2為試劑空白消耗硫酸或鹽酸標準滴定液的體積，mL；c為硫酸或鹽酸標準滴定溶液濃度，mol/L；0.0140 為標準滴定液相當的氮的質量，g；m為試樣的質量，g；F 一為氮換算為蛋白質的系數，一般為6.25。

3 實驗方法

在蔗汁中蛋白質氣浮分離實驗過程，先調節干空氣流量至所需值，使氣流量保持穩定。然后將一定劑量的石灰乳和磷酸加入到盛有新鮮甘蔗壓榨汁的容器，通過0.1 mol/L 的NaOH 或0.1 mol/L 的HCl來微調節pH，置于恒溫槽中一定時間，加入PAM絮凝劑，攪拌均勻后，倒入夾套控溫的玻璃氣浮柱中，開始記時，按一定時間間隔取蔗汁樣測定蛋白質量，計算蛋白質去除率。

4 結果與討論

4.1 氣流量對甘蔗汁中蛋白質去除率的影響

在甘蔗汁的錘度為16.5°Bx、每千克蔗汁總磷酸量為450 mg、絮凝劑量為1 mg、pH 值8.0、溫度60℃的條件下，考察了空氣流量分別在30(a)、60(b)、90(c) mL/min 時，對蔗汁中蛋白質氣浮去除的影響，實驗結果如圖2 所示。

圖2 氣流量對甘蔗汁中蛋白質去除率的影響

由圖2 可知，空氣流量分別在30、60、90 mL/min時，氣浮時間0～2 min 時間段，甘蔗汁中蛋白質的去除率較快；氣浮時間約6 min 后，甘蔗汁中蛋白質的去除率基本趨于穩定，分別約為90.1%、92.9%和80.2%。實驗結果表明，在較低流量下，即流量為30～60 mL/min 時，去除效率隨空氣流量的增加而增大。原因在于，空氣流量小，氣泡的直徑小，單位體積氣體的表面積大，通過表面吸附促進了浮選。此外緩慢上升的氣泡與被浮物有較長的接觸時間，可以促進氣泡邊界層的傳質。若繼續增大流量，達到60～90 mL/min 時，去除效率顯著下降，這是因為流量太大會引起溶液劇烈擾動，使浮升物易從氣泡表面脫落，同時，氣泡在柱內的停留時間隨流量增大而降低，不利于穩定氣-液平衡，導致甘蔗汁中的蛋白質氣浮去除率降低。

4.2 pH 對甘蔗汁中蛋白質去除率的影響

在甘蔗汁的錘度為16.5°Bx、每千克蔗汁總磷酸量為450 mg、絮凝劑用量為1 mg、空氣流量60 mL/min、溫度60℃的條件下，氣浮時間6 min，考察了pH 值分別為7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5 時，對蔗汁中蛋白質氣浮去除的影響，實驗結果如圖3所示。

圖3 pH 對甘蔗汁中蛋白質去除率的影響

由圖3 可知，pH 值7.0～9.5 時，甘蔗汁中蛋白質去除率從96.3%降低到88.2%，表明甘蔗汁中蛋白質去除，隨著甘蔗汁pH 值的增加而緩慢降低。原因在于，甘蔗汁中主要蛋白汁是酸中性蛋白質，隨著甘蔗汁pH 值得增加，偏離多數蛋白質的等電點，減弱了氣浮過程通過絮凝網絡去除蛋白質的能力。根據甘蔗制糖過程需減輕蔗糖被分解破壞的原則，選擇甘蔗汁pH 為7.5 的條件進行后續優化實驗。

4.3 絮凝劑量對甘蔗汁中蛋白質去除率的影響

在甘蔗汁的錘度為16.5°Bx、每千克蔗汁總磷酸量為450 mg、pH 值7.5、空氣流量60 mL/min、溫度60℃的條件下，氣浮時間6min，考察每千克蔗汁絮凝劑量為0.5(a)、1(b)、1.5(c)和2(d) mg 時，對蔗汁中蛋白質氣浮去除的影響，實驗結果如圖4 所示。

圖4 絮凝劑量對甘蔗汁中蛋白質去除率的影響

由圖4 可知，每千克蔗汁絮凝劑添加量0.5～1 mg，在氣浮時間為6 min 左右時，甘蔗汁中蛋白質去除率從91.7%增加到95.8%，表明蛋白質的去除隨著甘蔗汁中絮凝劑的量的增加而提高；絮凝劑添加量1～2 mg/kg 蔗汁，甘蔗汁中蛋白質去除率數值沒有明顯變化。推斷的原因為：絮凝劑的量太少時，糖汁中存在的大分子物質間沒有充分起到架橋作用，氣浮過程氣泡表面的物質易分散破裂，因而去除率降低；當絮凝劑的量太高時，改變氣泡的性質和表面張力的潛力有限，不能顯著增加吸附去除甘蔗汁中的蛋白質。

4.4 磷酸量對甘蔗汁中蛋白質去除率的影響

在甘蔗汁的錘度為16.5°Bx、每千克蔗汁絮凝劑量為1 mg、pH 值為7.5、空氣流量60 mL/min、溫度60℃的條件下，氣浮時間6 min，考察了每千克蔗汁磷酸量為300(a)、450(b)、600(c)和750(d) mg/kg時，對蔗汁中蛋白質氣浮去除的影響，實驗結果如圖5 所示。

圖5 磷酸量對甘蔗汁中蛋白質去除率的影響

由圖5 可知，蔗汁總磷酸量分別為300、450和600 mg/kg，在氣浮時間為6 min 左右時，甘蔗汁中蛋白質去除率分別為92.7%、95.9%和96.3%，表明蛋白質的去除隨著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，甘蔗汁中蛋白質去除率數值沒有明顯變化。出現上述實驗結果的原因為：甘蔗汁中的蛋白質具有種類多、分子量分散及物化性質各異等特點，氣浮只能對甘蔗汁中的這些蛋白質有選擇性的吸附，其去除的效率有局限性。根據提取的經濟性等綜合考慮，選擇每千克蔗汁總磷酸量為450 mg 的條件進行后續實驗。

4.5 溫度對甘蔗汁中蛋白質去除率的影響

在甘蔗汁的錘度為16.5°Bx、每千克蔗汁添加絮凝劑量為1 mg、總磷酸量為450 mg、pH 值為7.5、空氣流量為60 mL/min 的條件下，氣浮時間6 min，考察溫度為55℃(a)、60℃(b)、65℃(c)和70℃(d)時，對蔗汁中蛋白質氣浮去除的影響。實驗結果如圖6所示。

圖6 溫度對甘蔗汁中蛋白質去除率的影響

由圖6 可知，溫度為55℃(a)、60℃(b)、65℃(c)和70℃(d)時，在氣浮時間為2 min 左右時，甘蔗汁中蛋白質去除率分別為 83.3%、87.7%、89.9%和92.4.6%，表明蛋白質的去除率，隨著甘蔗汁溫度的增加而顯著提高。出現上述實驗結果的原因為：甘蔗汁中的蛋白質隨著溫度的提高易發生凝聚，易被氣泡及生成的網絡結構富集去除。另外，根據圖6可知，溫度為65℃(c)和70℃(d)，在氣浮時間約為4 min 后，甘蔗汁中蛋白質去除率無顯著性提高，因此選擇為65℃的條件進行實驗。

在甘蔗汁錘度為16.5°Bx 條件下，根據實驗結果選擇的參數實驗，即空氣流量60 mL/min、pH 值7.5、每千克蔗汁絮凝劑量1 mg、總磷酸量450 mg及溫度65℃，氣浮時間6 min，蔗汁中蛋白質氣浮去除率為96.9%。

5 小結

甘蔗中含有豐富的蛋白質，可為社會提供大量營養物質。論文通過對蔗汁中蛋白質氣浮分離過程中的空氣流量、甘蔗汁pH、絮凝劑量、磷酸量、溫度等因素影響展開初步研究，為提高低溫氣浮技術去除富集甘蔗汁中蛋白質的效率奠定一定的理論基礎，結論如下：

(1)通過氣浮技術對甘蔗汁中蛋白質富集去除的優化實驗，結果為：在甘蔗汁錘度為16.5°Bx、空氣流量60 mL/min、每千克蔗汁絮凝劑量1 mg、磷酸量450 mg、pH 值7.5 及氣浮時間6 min 條件下，蔗汁中蛋白質氣浮去除率可達到96.9%。

(2)氣浮去除甘蔗汁中蛋白質過程的溫度影響的實驗結果為：隨著甘蔗汁溫度的增加而顯著提高；在較高溫度條件的氣浮，利于富集去除甘蔗汁的蛋白質。