王雪婷，趙博超，羅岷，苑喜男，朱克松，潘涔軒*，曾凡逵

1.國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所環(huán)境材料與生態(tài)化學(xué)研究發(fā)展中心

甘薯，又叫紅薯、番薯，是世界主要糧食作物之一，也是重要的工業(yè)原料、飼料、新型能源及減災(zāi)作物[1]。聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）2020 年數(shù)據(jù)顯示[2]，我國(guó)甘薯種植面積為224.02 萬(wàn)hm2，年總產(chǎn)量4 894.95 萬(wàn)t，居世界第一。甘薯加工以甘薯淀粉及其制品（粉條、粉絲、粉皮）加工最為普遍，尤其是在安徽、河南、河北等地的農(nóng)村，是農(nóng)民增收致富的重要手段。甘薯淀粉分離汁水是甘薯生產(chǎn)淀粉過(guò)程中產(chǎn)生的廢液，每t 淀粉排放量達(dá)5～10 m3，主要是甘薯細(xì)胞汁液，含有淀粉、蛋白質(zhì)、游離氨基酸、果膠和糖類(lèi)等。對(duì)于淀粉廢水，通常采用絮凝沉淀、厭氧好氧、深度除磷等末端治理技術(shù)[3-5]，但由于甘薯淀粉分離汁水中蛋白質(zhì)含量高，導(dǎo)致末端治理難度大、成本高[6]，另外還會(huì)產(chǎn)生吲哚、硫化氫（H2S）、氨氣（NH3）等臭味氣體[7]。甘薯蛋白質(zhì)含有18 種氨基酸，包括人體必需的8 種氨基酸，生物價(jià)達(dá)到72，高于馬鈴薯蛋白質(zhì)（67）[8-9]，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。從甘薯淀粉分離汁水中提取蛋白質(zhì)，不僅可創(chuàng)造可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益，也能有效減少臭味，降低化學(xué)需氧量、總氮等濃度，有利于廢水的還田利用[10-11]，對(duì)甘薯行業(yè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前，從甘薯淀粉分離汁水中提取蛋白質(zhì)的技術(shù)主要有堿溶酸沉法[12-13]、超濾法[14-15]和泡沫分離法[16]，其中堿溶酸沉法需要加入酸堿試劑，會(huì)增加較多的鹽，不利于后續(xù)廢水還田利用[10-11]；超濾法因膜容易堵塞，投資運(yùn)行成本較高[3]；泡沫分離法對(duì)高濃度溶液分離效率較低，并且影響條件較多，距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有一定距離[3]。在與甘薯淀粉加工行業(yè)相似的馬鈴薯淀粉加工行業(yè)，馬鈴薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用的技術(shù)主要是酸熱絮凝法（加熱加酸沉淀法）[17-22]和擴(kuò)張床吸附法[21-24]，前者在國(guó)內(nèi)外均已廣泛應(yīng)用，并且工藝設(shè)備已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，后者僅在歐美地區(qū)應(yīng)用，工藝設(shè)備尚未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。酸熱絮凝法利用高溫破壞蛋白質(zhì)分子的天然結(jié)構(gòu)，讓疏水性基團(tuán)暴露出來(lái)，使蛋白質(zhì)分子的疏水作用增強(qiáng)，互相聚集成更大的分子聚集體，并利用等電點(diǎn)處蛋白質(zhì)溶解度小的特點(diǎn)，聚集發(fā)生沉淀[17-18,20]。酸熱絮凝法的蛋白質(zhì)提取率高，但因?yàn)樘崛∵^(guò)程中使用了加熱和加酸，回收的蛋白質(zhì)已發(fā)生不可逆變性，只能作為動(dòng)物飼料利用[22,24-25]。擴(kuò)張床吸附法是一種經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的、穩(wěn)定的、返混很少的離子交換層析技術(shù)[26]，回收的蛋白質(zhì)具有天然活性，可以用于制藥和食品加工領(lǐng)域，經(jīng)濟(jì)性更高，但主要提取貯藏蛋白質(zhì)（又名Patatin 蛋白），占馬鈴薯可溶性蛋白的40%左右[11]，蛋白質(zhì)提取率相對(duì)較低。Zeng 等[23]以AmberliteTMXAD7HP 樹(shù)脂作為擴(kuò)張床吸附劑，從馬鈴薯淀粉分離汁水中分離得到天然蛋白質(zhì)，總蛋白的回收率為40%左右，其中約75%是蛋白酶抑制劑。

基于酸熱絮凝法和擴(kuò)張床吸附法在馬鈴薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取上的應(yīng)用情況，筆者認(rèn)為能在甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取上具有較快產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的是酸熱絮凝法，但相關(guān)基礎(chǔ)研究較為薄弱，因此亟待開(kāi)展此方面的研究。當(dāng)前，馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取的典型工藝流程[17]如下：首先對(duì)馬鈴薯淀粉分離汁水進(jìn)行消沫處理，去除空氣；然后分離小顆粒淀粉和細(xì)纖維，以防這些物質(zhì)在加熱過(guò)程中糊化影響蛋白質(zhì)的分離；再調(diào)節(jié)pH 至4.8～5.2，通過(guò)蒸汽直接噴射加熱汁液使蛋白質(zhì)凝聚，凝聚后的蛋白質(zhì)冷卻后通過(guò)離心分離得到濕蛋白質(zhì)和脫蛋白質(zhì)廢水，分離的濕蛋白質(zhì)通過(guò)閃蒸干燥機(jī)烘干獲得蛋白質(zhì)產(chǎn)品。將此工藝應(yīng)用到甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取上，受原料影響，pH、加熱溫度、離心轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間等工藝參數(shù)需要調(diào)整[13,17-18,20]，故本研究通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化甘薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取的工藝條件；同時(shí)基于馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取整裝設(shè)備，集成裝置進(jìn)行工藝模擬試驗(yàn)，檢驗(yàn)技術(shù)裝備的可行性和效果，以期為實(shí)現(xiàn)甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

甘薯淀粉分離汁水，取自河北中薯農(nóng)業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司甘薯淀粉加工全旋流生產(chǎn)線(xiàn)濃縮旋流器，其pH 為5.95～6.05、總氮（TN）濃度為1 920～2 800 mg/L、化學(xué)需氧量（CODCr）為50 800～63 300 mg/L。該公司甘薯淀粉加工所用的甘薯品種有盧選1 號(hào)、濟(jì)薯25 號(hào)、商薯19 號(hào)、秦薯5 號(hào)，其中盧選1 號(hào)用量最多，占鮮薯總加工量的52.63%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 單因素試驗(yàn)

探究pH、溫度、離心轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間對(duì)甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的影響，其中對(duì)于溫度條件的設(shè)置，參考了馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法提取蛋白質(zhì)時(shí)，一般是將汁水加熱到112 ℃，考慮到用電熱恒溫水浴鍋（HHS 型）加熱最高溫度為100 ℃，因此本研究設(shè)置溫度為20～100 ℃。

pH 的影響：分別取100 mL 新鮮甘薯淀粉分離汁水，在20 ℃條件下用濃H2SO4調(diào)節(jié)pH 至3.5、4.0、4.5、5.0、6.0，用1 g/L NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH 至6.5、7.5、8.0、9.0、10.0，于3 000 r/min 離心20 min，取上清液測(cè)TN 濃度和CODCr，并計(jì)算TN 和CODCr去除率。調(diào)節(jié)pH 所用的H2SO4、NaOH 均為分析純。

溫度的影響：分別取100 mL 新鮮甘薯淀粉分離汁水，在pH 為6.0 條件下加熱至70、80、90、100 ℃，于3 000 r/min 離心20 min，取上清液測(cè)TN 濃度和CODCr，并計(jì)算TN 和CODCr去除率。

離心的影響：分別取100 mL 新鮮甘薯淀粉分離汁水，在pH 為4.0、溫度為20 ℃時(shí)，分別設(shè)定離心轉(zhuǎn)速為2 500、3 000、3 500、4 000、5 000 r/min，離心20 min，取上清液測(cè)TN 濃度和CODCr。在同樣pH 和溫度條件下，設(shè)定離心轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，分別設(shè)定離心時(shí)間為5、10、15、20、25 min，取上清液測(cè)TN 濃度和CODCr，并計(jì)算TN 和CODCr去除率。

1.2.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮pH、溫度、離心轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間對(duì)甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取效果的影響及脫蛋白質(zhì)廢水還田利用的影響，設(shè)計(jì)甘薯淀粉分離汁水中蛋白質(zhì)提取的正交試驗(yàn)，其因素和水平見(jiàn)表1。

表1 四因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Factors and levels for the orthogonal experiments

1.2.3 集成裝置的模擬試驗(yàn)

借鑒產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝和裝備，由湖北山洪食品機(jī)械有限公司試制蛋白質(zhì)提取的集成裝置（圖1），主要包括漿料罐、pH 調(diào)節(jié)罐、板式換熱器、保溫絮凝罐、汽液分離罐、平板式離心機(jī)、電鍋爐（蒸汽發(fā)生器）等，處理規(guī)模為50～80 L/h。在設(shè)定工藝參數(shù)條件下，通過(guò)批次試驗(yàn)，檢驗(yàn)酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝在甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取上的可行性及效果。

圖1 蛋白質(zhì)提取集成裝置Fig.1 Integrated device of protein extraction

集成裝置運(yùn)行及樣品采集：集成裝置進(jìn)水即甘薯淀粉分離汁水，現(xiàn)取自企業(yè)淀粉生產(chǎn)線(xiàn)濃縮旋流器。集成裝置穩(wěn)定運(yùn)行后的10 d 內(nèi)（10 月29 日—11 月7 日）進(jìn)行了10 個(gè)批次的試驗(yàn)。采集樣品包括甘薯淀粉分離汁水（進(jìn)水）、脫蛋白質(zhì)廢水（出水）、蛋白質(zhì)濾餅。其中，甘薯淀粉分離汁水取樣點(diǎn)設(shè)置在物料罐和pH 調(diào)解罐，記錄甘薯淀粉分離汁水用量，并檢測(cè)pH、TN 濃度和CODCr；脫蛋白質(zhì)廢水是全部收集后取樣檢測(cè)TN 濃度和CODCr；蛋白質(zhì)濾餅是全部收集后記錄質(zhì)量，并取樣檢測(cè)水分，烘干破碎后檢測(cè)蛋白質(zhì)含量。每個(gè)批次取樣1 次。

1.3 分析方法

甘薯淀粉分離汁水溶液中的TN 濃度采用過(guò)硫酸鉀氧化法測(cè)定，具體做法是按照默克公司提供的預(yù)處理方法準(zhǔn)備消解樣品，然后利用TR 620 加熱消解器（默克公司），在溫度120 ℃下消解1 h，然后按照默克公司提供的快速檢測(cè)方法準(zhǔn)備樣品，利用Prove 100 水質(zhì)分析儀（默克公司）測(cè)定。TN 試劑盒編號(hào)114763，檢出限為10～150 mg/L。甘薯淀粉分離汁水溶液中的CODCr采用重鉻酸鹽法測(cè)定，具體做法是取適量甘薯淀粉分離汁水放入消解管中，利用TR 620 加熱消解器（默克公司），在溫度148 ℃下消解2 h，然后按照默克公司提供的快速檢測(cè)方法準(zhǔn)備樣品，利用Prove 100 水質(zhì)分析儀（默克公司）測(cè)定。CODCr試劑盒編號(hào)114555，檢出限為500～10 000 mg/L。甘薯淀粉分離汁水溶液中的pH 通過(guò)pH 計(jì)（pHS-3C 型，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）測(cè)定，pH 計(jì)精度為0.01。

甘薯蛋白質(zhì)含量的測(cè)定參考GB 5009.5—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》，采用凱氏定氮法。按下式計(jì)算甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的蛋白質(zhì)回收率：

式中：y為甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)回收率，%；m為回收的蛋白質(zhì)濾餅干質(zhì)量，g；w為回收的蛋白質(zhì)濾餅中蛋白質(zhì)含量，%；V為甘薯淀粉分離汁水處理量，L；CTN為甘薯淀粉分離汁水的TN 濃度，mg/L；6.25 為氮折算成蛋白質(zhì)的系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

周添紅[17]利用馬鈴薯淀粉加工廢水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取的工業(yè)化試驗(yàn)裝置，得到總蛋白質(zhì)回收率平均為86.87%，此時(shí)COD 去除率為43.9%。蛋白質(zhì)提取的效果與蛋白質(zhì)的提取量及汁水TN 去除率和CODCr去除率呈正相關(guān)，因此本研究以蛋白質(zhì)的提取量、汁水TN 去除率和CODCr去除率為指標(biāo)，分析評(píng)價(jià)酸熱絮凝法提取甘薯淀粉分離汁水中蛋白質(zhì)的效果。在單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)中，由于蛋白質(zhì)的提取量受實(shí)驗(yàn)室條件所限，數(shù)據(jù)較難獲得，因此主要以甘薯淀粉分離汁水的TN 去除率和CODCr去除率為指標(biāo)。

甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次。集成裝置模擬試驗(yàn)為多批次試驗(yàn)。采用Excel 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并作圖，采用正交設(shè)計(jì)助手Ⅱ v3.1 進(jìn)行直觀(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的單因素試驗(yàn)

2.1.1 pH 對(duì)汁水蛋白質(zhì)提取效果的影響

新鮮甘薯淀粉分離汁水的pH 為6.0 左右。由圖2（a）可知，pH 低于6.0 時(shí)，隨著pH 的降低，甘薯淀粉分離汁水的TN 去除率呈先上升后降低的趨勢(shì)，在pH 為4.0 時(shí)，TN 去除率最大，達(dá)到76.75%；pH 為6.0～6.5 時(shí)，TN 去除率從2.3%升至17.06%，但pH 為 6.5～10.0 時(shí)，TN 去除率變化幅度較小；pH 為9.0 時(shí)，TN 去除率較小，為13.02%。蛋白質(zhì)等電點(diǎn)在pH 為4.0 附近，此時(shí)蛋白質(zhì)分子顆粒不存在同電的相互排斥作用，極易發(fā)生碰撞和聚沉，蛋白質(zhì)溶解度最小，最易形成沉淀物[13,20,27-28]，因此在pH 為4.0 時(shí)，表現(xiàn)為T(mén)N 去除率最高。而在堿性條件下，可能是由于堿性的增強(qiáng)使蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，有些原來(lái)在分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)由于結(jié)構(gòu)松散而暴露出來(lái)，分子的不對(duì)稱(chēng)性增加，因此擴(kuò)散系數(shù)降低，溶解度較高，不易聚沉[13]，表現(xiàn)為T(mén)N 去除率降低。

圖2 pH 和溫度對(duì)甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取效果的影響Fig.2 Effect of pH and temperature on the protein extraction from sweet potato starch processing water

侯利霞等[12-13]的研究表明，甘薯蛋白質(zhì)在pH為4.5 時(shí)沉淀率最大，在pH 為8.0 時(shí)溶解度最大，這與本研究結(jié)果略有差異，可能是甘薯品種不同所致。蛋白質(zhì)由氨基酸組成，本研究使用的是甘薯品種盧選1 號(hào)，其氨基酸組成及含量見(jiàn)表2，其中酸性氨基酸、堿性氨基酸和中性氨基酸分別占氨基酸總量的37.02%、11.94%和51.04%。而侯利霞等[12-13]研究使用的甘薯品種為SL-19，其酸性氨基酸、堿性氨基酸和中性氨基酸分別占氨基酸總量的24.46%、13.83%、61.71%。由于氨基酸的組成及含量不同，導(dǎo)致蛋白質(zhì)在不同pH 條件下的溶解度出現(xiàn)差異。

表2 甘薯（盧選1 號(hào)）中氨基酸構(gòu)成Table 2 Proportion of amino acids in sweet potato

不同pH 下，甘薯淀粉分離汁水CODCr去除率的規(guī)律與TN去除率的規(guī)律基本相似，也是在pH 為4.0 時(shí)達(dá)到最大。但蛋白質(zhì)提取對(duì)TN 去除率和CODCr去除率的貢獻(xiàn)不同，對(duì)TN 去除率的貢獻(xiàn)較大，對(duì)CODCr去除率的貢獻(xiàn)相對(duì)較低，這是因?yàn)樵诟适淼矸鄯蛛x汁水中蛋白質(zhì)是TN 的主要貢獻(xiàn)者，而CODCr的貢獻(xiàn)者除蛋白質(zhì)外，還包括淀粉、果膠、糖類(lèi)等有機(jī)物[3,17]。

綜上，pH 對(duì)甘薯淀粉分離汁水中蛋白質(zhì)提取效果的影響較大，對(duì)TN 去除率和CODCr去除率的影響規(guī)律基本相似，在pH 為4.0 時(shí)，TN 去除率和CODCr去除率均達(dá)到最大。

2.1.2 溫度對(duì)汁水蛋白質(zhì)提取效果的影響

新鮮甘薯淀粉分離汁水的溫度在20 ℃左右。由圖2（b）可知，溫度為70 ℃時(shí)的甘薯淀粉分離汁水的TN 去除率明顯高于20 ℃，這是因?yàn)闇囟仍礁撸肿拥牟祭蔬\(yùn)動(dòng)越激烈，蛋白質(zhì)的撞擊和黏附概率越大[20]，因此易聚沉；溫度升到80 ℃，蛋白質(zhì)大量聚沉，TN 去除率增加趨勢(shì)變緩。甘薯淀粉分離汁水CODCr去除率的規(guī)律與TN 去除率的規(guī)律大不相同：70 ℃時(shí)的CODCr去除率略高于20 ℃；但當(dāng)溫度繼續(xù)上升，CODCr去除率與溫度基本呈線(xiàn)性關(guān)系。如前所述，甘薯淀粉分離汁水中除含有蛋白質(zhì)外，還含有淀粉、纖維等有機(jī)物，這些物質(zhì)高溫時(shí)容易糊化，黏度升高，離心分離時(shí)可能會(huì)黏附著蛋白質(zhì)聚集體一同被分離出來(lái)[17]，因此高溫時(shí)CODCr去除率更高。

綜上，溫度對(duì)甘薯淀粉分離汁水中蛋白質(zhì)提取效果的影響也較大，對(duì) TN 去除率和CODCr去除率的影響大不相同，80 ℃ 是TN 去除率的拐點(diǎn)，而溫度為 70～100 ℃ 時(shí)，CODCr去除率與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系。

2.1.3 離心對(duì)汁水蛋白質(zhì)提取效果的影響

由圖3（a）可知，在pH 為4.0、溫度為20 ℃條件下，新鮮甘薯淀粉分離汁水TN 去除率隨離心轉(zhuǎn)速增大而增大，轉(zhuǎn)速?gòu)? 500 r/min 增大到3 500 r/min 時(shí)，TN 去除率提高了4.1 個(gè)百分點(diǎn)，而從3 500 r/min 增大到5 000 r/min，TN 去除率僅提高了1 個(gè)百分點(diǎn)，變化幅度較小。新鮮甘薯淀粉分離汁水CODCr去除率隨離心轉(zhuǎn)速增大而增大，整體變化幅度較TN 去除率大，在轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000 r/min 后，CODCr去除率基本穩(wěn)定。

圖3 離心對(duì)甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取效果的影響Fig.3 Effect of centrifugation on protein extraction from sweet potato starch processing water

由圖3（b）可知，在pH 為4.0、溫度為20 ℃條件下，新鮮甘薯淀粉分離汁水TN 去除率隨離心時(shí)間增大變化幅度較小，基本穩(wěn)定在60%左右；新鮮甘薯淀粉分離汁水CODCr去除率隨離心轉(zhuǎn)速增大先上升后下降，整體變化幅度較TN 去除率大，在離心時(shí)間15 min 時(shí)，CODCr去除率最高。

離心分離時(shí)，不同轉(zhuǎn)速條件會(huì)促使大小不同的絮凝體沉降，而大小不同的絮凝體沉降的速率也不同。在pH 為4.0 條件下，蛋白質(zhì)溶解度較低，易絮凝形成較大聚集體，容易沉降且沉降速率快，因此在較低轉(zhuǎn)速和較短離心時(shí)間條件下就能離心去除，獲得較好的TN 去除效果。但對(duì)CODCr有貢獻(xiàn)的其他有機(jī)物，如纖維，由于密度較小，在較高轉(zhuǎn)速或較長(zhǎng)離心時(shí)間下才能分離，此時(shí)CODCr的去除效果才相對(duì)較好。綜上，在pH 為4.0、溫度為20 ℃條件下，離心轉(zhuǎn)速、離心時(shí)間對(duì)甘薯淀粉分離汁水中蛋白質(zhì)提取效果的影響均不大。離心轉(zhuǎn)速達(dá)到3 500 r/min后，TN 去除率基本穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000 r/min 后，CODCr去除率基本穩(wěn)定；就離心時(shí)間而言，TN 去除率在10 min 時(shí)最高，CODCr去除率在15 min 時(shí)最高。

2.2 甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的正交試驗(yàn)

根據(jù)表1 開(kāi)展的試驗(yàn)，利用正交設(shè)計(jì)助手Ⅱ v3.1進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 得知，以甘薯淀粉分離汁水TN 去除率為考察目標(biāo)，得到各因素的極差（R）依次為RB>RA>RC>RD。極差大小說(shuō)明因素的影響主次，因此各因素影響的主次順序?yàn)锽>A>C>D，即溫度對(duì)甘薯淀粉分離汁水TN 去除率的影響最大，其次是pH，而離心時(shí)間影響最小。最優(yōu)組合為A3B3C2D1，即溫度為100 ℃，pH 為4.0，離心轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，離心時(shí)間為10 min。以甘薯淀粉分離汁水CODCr去除率為考察目標(biāo)，得到各因素的極差R'的順序?yàn)镽'B>R'A>R'D>R'C，說(shuō)明各因素影響的主次順序?yàn)锽>A>D>C，即溫度對(duì)甘薯淀粉分離汁水CODCr去除率的影響最大，其次是pH，而離心轉(zhuǎn)速影響最小。最優(yōu)組合為A2B3C2D1，即溫度為100℃，pH 為4.5，離心轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，離心時(shí)間為10 min。

表3 正交試驗(yàn)的結(jié)果分析Table 3 Results analysis of orthogonal experiments

上述2 個(gè)最優(yōu)組合僅在pH 上略有差別，在環(huán)境效益相差不大的情況下，從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，一般選擇能夠獲取更多蛋白質(zhì)的條件，因此選擇最優(yōu)組合A3B3C2D1，即溫度為100 ℃，pH 為4.0，離心轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，離心時(shí)間為10 min，在此條件下TN去除率達(dá)到76.79%，CODCr去除率達(dá)到40.66%。

2.3 甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取集成裝置模擬試驗(yàn)

2.3.1 汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝路線(xiàn)

在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)新鮮甘薯淀粉分離汁水的pH 隨放置時(shí)間逐漸降低，放置約22 h，pH 降至4.0 左右（圖4），絮凝非常明顯?？紤]到采用H2SO4等藥劑調(diào)節(jié)甘薯淀粉分離汁水pH 時(shí)會(huì)增加溶液中鹽離子含量，不利于脫蛋白質(zhì)廢水的還田利用[10-11]，因此，甘薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取采用自然發(fā)酵方式代替硫酸調(diào)節(jié)甘薯淀粉分離汁水pH。在此基礎(chǔ)上，借鑒已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的馬鈴薯淀粉廢水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝技術(shù)，建立了甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取工藝路線(xiàn)（圖5）：將新鮮的甘薯淀粉分離汁水從企業(yè)淀粉加工的濃縮旋流器取出后，首先離心分離去除小顆粒淀粉和細(xì)纖維，在pH 調(diào)節(jié)罐中放置24 h 使pH 降至4.0 左右，攪拌均勻泵送至升溫?fù)Q熱器，在此與熱脫蛋白質(zhì)廢水進(jìn)行換熱；然后進(jìn)入降溫?fù)Q熱器，在此與高溫蛋白質(zhì)溶液繼續(xù)換熱；之后進(jìn)入汽液混合器，在此與高溫高壓蒸汽混合急速升溫；再進(jìn)入保溫絮凝罐，使蛋白質(zhì)充分絮凝；然后經(jīng)過(guò)降溫?fù)Q熱器冷卻后通過(guò)離心分離得到蛋白質(zhì)濾餅，離心分離出的熱脫蛋白質(zhì)廢水經(jīng)升溫?fù)Q熱器冷卻后排出。

圖4 甘薯淀粉分離汁水pH 隨放置時(shí)間的變化Fig.4 Changes of pH of sweet potato starch processing water with time

圖5 甘薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝路線(xiàn)Fig.5 Extraction processing of protein from sweet potato starch processing water by acid -heat flocculation

集成裝置的工藝參數(shù)：甘薯淀粉分離汁水放置24 h 后的pH 實(shí)測(cè)值為4.06～4.12；蒸汽發(fā)生器設(shè)定溫度為202 ℃，壓力為0.4 MPa，實(shí)測(cè)蒸汽溫度為164℃，壓力為0.3 MPa；甘薯淀粉分離汁水加熱溫度和保溫絮凝時(shí)間參考馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白提取設(shè)定的112 ℃和8 min，實(shí)測(cè)加熱溫度為103～120 ℃；離心分離機(jī)分離因數(shù)為1 007，濾布孔徑為500 目（30 μm）。

2.3.2 集成裝置蛋白質(zhì)提取效果

集成裝置的進(jìn)水取自企業(yè)淀粉生產(chǎn)線(xiàn)濃縮旋流器的甘薯淀粉分離汁水，TN 濃度為（2 411±503）mg/L，CODCr為（58 506±5 951）mg/L，受淀粉生產(chǎn)影響，進(jìn)水的TN 濃度和CODCr波動(dòng)較大。集成裝置的出水是分離細(xì)纖維及淀粉并提取蛋白質(zhì)之后的脫蛋白質(zhì)廢水（圖5），TN 濃度為（1 027±413）mg/L，CODCr為（33 731±7 215）mg/L，由于集成裝置清洗效果受人工操作影響較大，導(dǎo)致出水的TN 濃度和CODCr波動(dòng)也較大。根據(jù)集成裝置進(jìn)出水的TN 濃度和CODCr，計(jì)算得到TN 和CODCr去除率（圖6），平均分別達(dá)到57.67%和47.23%。

圖6 集成裝置的TN 和CODCr 去除率Fig.6 TN and CODCr removal rates of the integrated device

對(duì)集成裝置提取的蛋白質(zhì)濾餅測(cè)定蛋白質(zhì)含量（表4），參考T/SIACN 03—2019《飼料原料 馬鈴薯蛋白粉》[27]可知，批次2～4 的蛋白質(zhì)含量（以干基計(jì)）大于70%，可以達(dá)到優(yōu)級(jí)（70%）標(biāo)準(zhǔn)；批次9 的蛋白質(zhì)含量（以干基計(jì)）大于65%，可以達(dá)到一級(jí)（65%）標(biāo)準(zhǔn)。受實(shí)驗(yàn)室條件所限，僅烘干了批次2～4、批次9 的蛋白質(zhì)濾餅，按式（1）計(jì)算得到這4 個(gè)批次的蛋白質(zhì)回收率，其平均值為48.86%。

表4 集成裝置的蛋白質(zhì)回收率Table 4 Protein recovery rate of the integrated device

3 甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的可行性

3.1 技術(shù)裝備可行性

集成裝置試驗(yàn)采用酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝路線(xiàn)，成功從甘薯淀粉分離汁水中提取了蛋白質(zhì)，并且甘薯淀粉分離汁水中的TN 濃度和CODCr也明顯下降，說(shuō)明該工藝路線(xiàn)應(yīng)用到甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取上是可行的。

集成裝置的設(shè)備，除離心分離設(shè)備外，其余設(shè)備基本與當(dāng)前馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取應(yīng)用的設(shè)備一致。受小型設(shè)備加工條件所限，集成裝置中的離心分離設(shè)備采用的是板式離心機(jī)，分離因子較低，而在馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取上，淀粉及細(xì)纖維的離心分離設(shè)備一般采用旋流器或臥螺離心機(jī)，蛋白質(zhì)的離心分離設(shè)備采用臥螺離心機(jī)，分離因子更高，對(duì)淀粉及細(xì)纖維、蛋白質(zhì)的分離更為有利。由此可以預(yù)測(cè)，將馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取整套裝備應(yīng)用到甘薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取上也是可行的。

3.2 經(jīng)濟(jì)可行性

以河北中薯企業(yè)（大中型規(guī)模）為例，基于當(dāng)前馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取整套裝備，進(jìn)行成本效益分析（表5）。河北中薯企業(yè)每年生產(chǎn)運(yùn)行60 d，每天生產(chǎn)24 h，每天產(chǎn)生甘薯淀粉加工分離汁水50 m3/h，蛋白質(zhì)回收率以70%計(jì)，可生產(chǎn)粗蛋白質(zhì)粉580 kg/h（水含量11%，蛋白質(zhì)含量75%），可生產(chǎn)粗蛋白質(zhì)粉835.2 t/a。參考馬鈴薯蛋白質(zhì)粉作為飼料原料的銷(xiāo)售價(jià)格6 000 元/t，年銷(xiāo)售收入共計(jì)501.120 萬(wàn)元，扣除總生產(chǎn)成本，毛利潤(rùn)共計(jì)147.644 萬(wàn)元，則1 m3甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取的毛利潤(rùn)為20.51 元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

表5 甘薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取成本構(gòu)成Table 5 Cost structure of protein extraction from sweet potato starch processing water by acid-heat flocculation

4 結(jié)論

（1）甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)含量高且具有回收利用的價(jià)值。采用酸熱絮凝法提取甘薯淀粉分離汁水中的蛋白質(zhì)，在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)得到溫度對(duì)甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)絮凝離心的影響最大，其余依次為pH、離心轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間，在溫度100 ℃、pH 4.0、離心轉(zhuǎn)速3 500 r/min、離心時(shí)間10 min 時(shí)，甘薯淀粉分離汁水的TN 和CODCr去除率分別達(dá)到76.79%和40.66%。

（2）借鑒馬鈴薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取工藝路線(xiàn)，制備的集成裝置應(yīng)用到甘薯淀粉分離汁水蛋白質(zhì)提取上是可行的，其對(duì)甘薯淀粉分離汁水TN 和CODCr的去除率分別可以達(dá)到57.67%、47.23%，蛋白質(zhì)回收率為48.86%，獲得的粗蛋白質(zhì)粉的蛋白質(zhì)含量（以干基計(jì)）為73.22%，滿(mǎn)足作為飼料原料利用的要求。

（3）對(duì)于每小時(shí)產(chǎn)生50 m3甘薯淀粉分離汁水的企業(yè)，通過(guò)酸熱絮凝法每年可回收835.2 t 甘薯粗蛋白質(zhì)粉，毛利潤(rùn)為20.51 元/m3。甘薯淀粉分離汁水酸熱絮凝法蛋白質(zhì)提取技術(shù)的應(yīng)用不僅可以有效解決甘薯淀粉行業(yè)的廢水污染問(wèn)題，還可以增加企業(yè)收益，具有良好推廣和發(fā)展前景。