壳聚糖絮凝分离豆腐废水蛋白的研究

褚绍霞潘秋月孟祥河孙培龙

(浙江工业大学生物与环境工程学院1,杭州 310014)

(浙江经贸职业技术学院应用工程系2,杭州 310018)

壳聚糖絮凝分离豆腐废水蛋白的研究

褚绍霞1潘秋月2孟祥河1孙培龙1

(浙江工业大学生物与环境工程学院1,杭州 310014)

(浙江经贸职业技术学院应用工程系2,杭州 310018)

研究了采用生物絮凝法处理豆腐废水的可行性。探讨了絮凝剂的种类、添加量、废水的前处理、絮凝时间及 pH对絮凝效果的影响,并重点比较了复合絮凝剂对废水中蛋白质和低聚糖的絮凝作用。单一絮凝剂试验结果显示壳聚糖的絮凝效果明显优于聚合硫酸铁、聚合三氯化铝、海藻酸钠、聚丙烯酰胺。较优的添加量为 0.6～0.8 mg/mL,添加量过高浊度会不降反升。絮凝前废水 -18℃冷冻处理有利于蛋白质的分离,絮凝后的沉降是必要的,时间以 12 h为宜。复合絮凝剂中所有组合都表现出明显的协同增效作用,尤以 0.5 mg/mL壳聚糖 +0.3mg/mL海藻酸钠效果最佳,pH 4.5条件下絮凝后浊度降低 97.8%,原液中蛋白脱除率高达 76.842%,而低聚糖(减少 6.56%)几乎不受影响,是较为理想的豆腐废水絮凝剂组合。

豆腐废水 絮凝 蛋白质 低聚糖 浊度

大豆因富含高质量的蛋白及异黄酮、低聚糖等功能因子而日益受到关注,以大豆为原料开发的食品层出不穷,然而最广为接受的依然是传统的豆腐。豆腐生产中会产生大量的废水,据估计加工 1吨大豆约产生 8～10吨废水[1]。以我国传统大豆制品年消费量接近900万吨计,豆制品加工企业每年约有近千万吨高浓有机废水需处理、排放。豆腐废水 COD、BOD分别高达 15 200、7 700 mg/L,给环境带来了巨大的压力,更成为限制豆制品工业发展的瓶颈。如何处理巨大的废水,是亟待解决的难题。豆腐黄浆水中作为 COD、BOD主要来源的蛋白质、碳水化合物质量分数分别为0.3%～0.5%及0.5%～0.7%。由于含量偏低,使得黄浆水的开发利用较长时间没有实现产业化。

目前脱除废水蛋白质的方法主要有三类:即以高分子絮凝为主的吸附法[2-3];以厌氧、曝气及其组合处理为特征的生物降解法[4-5];以膜技术、电渗析技术为手段的分离法[6-8]。生物法是目前采用最广泛的污水处理方法,可有效降低 COD、BOD,实现达标排放。但污水处理厂占地面积大,在现代寸土寸金的城市,处理厂只能建立在市郊,豆制品企业规模小、分布散,无形中增加了废水集中处理的难度,而以生产企业为单位的废水曝气处理又存在着成本偏高的问题,同时也不利于食品企业的生产卫生。离子交换分离法清洁、高效,但废水量巨大,而废水中蛋白含量又偏低,需要大量的离子交换树脂,不经济。以超滤为代表的膜分离技术相对成熟,分离速度快、处理量大,也是目前从稀溶液中回收高附加值大分子的有效方法之一,其致命缺陷是膜污染问题,运行费用、单位成本偏高。此外豆腐废水蛋白质分子质量分布较宽 (10～100 ku),使得在蛋白回收率、膜通量选择方面难于取舍。絮凝法工艺简单、经济、处理量大,具有明显的优势,但化学大分子聚合物仅能脱除废水中 50%～60%的蛋白质,得到的蛋白质也只能作饲料用,附加值不高,过高的絮凝剂添加量(0.15%～0.3%)还会造成二次污染。电絮凝法处理费用很高,而且处理废水还产生大量的热,导致蛋白质变性丧失了某些商业利用价值[9]。

通过探讨采用天然生物大分子絮凝剂代替人工合成絮凝剂分离回收废水中蛋白质的可行性。由于壳聚糖作为食品添加剂来源天然、安全,并广泛应用于食品医药化妆品领域,试验详细研究了壳聚糖及壳聚糖与其他生物大分子的复合絮凝效果。

1 材料和方法

1.1 材料

壳聚糖(脱乙酰度 >90%)、聚阴离子海藻酸钠(CP)、聚合三氯化铝 ([Al2(OH)nCl6-n]m,Al2O3≥28%)、聚合硫酸铁 ([Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m):国药集团化学试剂有限公司;聚丙烯酰胺 (分子质量 600～1×106u):河南温县温县华清净水材料厂;豆腐废水:杭州豆制食品有限公司,3 000×g离心 20 min,上清液 pH 5.8～6.2,加入0.1%苯甲酸作为防腐剂, -18℃保存、待用,使用前 4℃冷藏过夜解冻。

WGZ-800散射式浊度仪:上海珊科仪器厂。

1.2 试验方法

1.2.1 絮凝试验方法

絮凝剂使用前用 1 mol/L乙酸溶液或去离子水配制成浓度为 3%的溶液使用,絮凝剂添加量以干基计。絮凝试验使用 100 mL pH 6的废水于 250 mL具塞锥形瓶中进行,添加絮凝剂后快速搅拌 1 min,使絮凝剂分散均匀,絮凝后的悬浮液在 20℃,130 r/min的混合器中混合 5 min,然后 4℃下静置 12 h, 3 000 r/min离心 5 min,测浊度,絮凝效果以浊度降低百分率 =[(废水原液浊度 -样品絮凝后的浊度)/废水原液浊度 ×100%]表示。

1.2.2 废水冷冻预处理的影响

废水预处理影响试验分别以原液及经 -18、-78℃冷冻处理 4℃解冻的废水为起始原料,按照1.2.1方法进行絮凝试验,然后在 4℃分别静置 1、12、24、36 h,离心测上清液浊度。

1.2.3 复合絮凝剂的研究

分别研究了壳聚糖、海藻酸钠、聚合铝离子、聚合铁离子的复合絮凝效果。清液中蛋白质的测定采用 280 nm处吸光度测定法和福林酚法[10],蒽酮法[11]测定总糖含量,结果以脱除率表示 (相对废水原液)。

1.2.4 絮凝 pH的影响

pH效应试验采用 0.5 mg/mL的壳聚糖和0.3 mg/mL的海藻酸钠添加量,分别预调乳清 pH 3、4、4.5、5、6、8、10,按照前述方法进行絮凝试验,测浊度、低聚糖、蛋白质浓度。

2 结果和讨论

2.1 不同絮凝剂及其浓度对分离豆腐废水蛋白效果的影响

溶液的浊度是用来表征该溶液中溶解的固体多少,主要归因于这些粒子的光散射。浊度在很多不同的废水处理中用来表征絮凝效率。一种有效的絮凝剂会吸附悬浮粒子,因而减少光的散射效应,使光能在废水中得到更好的传输,进而减小废水的浊度。试验采用的废水主要的浊度来源是蛋白质、低聚糖和盐类,尤其以蛋白质最为重要,因此絮凝试验效果以浊度降低百分率表示。

图 1的数据显示,聚合铁离子、铝离子在 0.01～5 mg/mL添加量范围内均有明显絮凝脱蛋白作用。铁离子、铝离子单独使用时 3 mg/mL为较合适的添加量,此时浊度降低值分别为 92.14%和 87.78%,继续增加离子质量浓度,浊度降低不明显,甚至会引起絮凝效果减弱现象 (铁离子质量浓度增至 5 mg/mL时,浊度降低值减为 73.8%)。有机大分子表现出的絮凝效果差异性很大,聚丙烯酰胺对豆腐废水的絮凝效果很弱,最高仅为 30%(添加量为 0.075 g/mL),海藻酸钠絮凝最佳效果为浊度降低 75%。结果显示壳聚糖表现出最佳的絮凝效果,0.8 mg/mL的壳聚糖就会减少 95%的废水浊度。与无机离子不同的是,有机大分子絮凝剂添加量超过最佳絮凝浓度后,会出现浊度不但不降低反而增加的现象,如 0.25 mg/mL聚丙烯酰胺、5mg/mL海藻酸钠、3mg/mL壳聚糖分别引起豆腐废水浊度增加 1.5、5.5及 8.3倍。这可能是由于絮凝剂投加过量形成稳定的胶状悬浮体引起,但也可能与处理时间长短有关。与前述絮凝剂相比,壳聚糖高效、天然、安全而且使用量低,因此后续试验采用该絮凝剂进一步研究。

图 1 不同絮凝剂及添加量对豆腐废水浊度的影响

2.2 废水冷冻处理及静置时间对壳聚糖絮凝效果的影响

冷处理从经济方面考虑,其能耗产出比是不利的,因此工业上很少采用。但试验中使用的废水原料容易腐败,保藏困难,-18℃冷冻保藏是最简便易行的方法。冷冻对絮凝的真实作用还不清楚,因此试验对比了采用壳聚糖絮凝新鲜豆腐废水及分别经-18℃、-78℃冷冻然后 4℃融化处理的废水的试验效果,结果列于表 1中。可见,超低温组的结果与原液对照组没有明显区别,说明 -78℃冷冻预处理对絮凝作用影响可忽略。而 -18℃组絮凝效果比对照组和超低温冷冻组有所提高,这可能源于冷冻浓缩效应[12]。由于该处理冷冻速率较低,当温度达到冰点而低于蛋白(盐)溶液共冰点前,部分游离水先形成晶核,并不断长大,当溶液整体温度低于共冰点时蛋白溶液才会冻结。此过程中,一方面形成了蛋白浓度梯度,蛋白质受到一定程度的浓缩(微环境的盐浓度提高),另一方面结晶速度慢,蛋白溶液结晶不均匀形成了较大的冰晶。两方面因素都可能引起部分蛋白变性,于是絮凝过程中蛋白胶体溶液容易失稳析出,因此絮凝时浊度降低更明显。

表1 冷冻预处理对絮凝效果的影响

结果表明未经任何絮凝剂处理的新鲜废水及经-78℃冷冻 4℃融化处理的原液静置 36 h后浊度的减少量可以忽略不计,这说明在使用不同絮凝剂的废水处理试验中,重力沉降并不是浊度减少的原因。未经任何絮凝处理的 -18℃废水组浊度降低在第 1 h较明显,这可能是废水蛋白部分冷冻浓缩变性析出引起的。超过 12 h,浊度变化可忽略。废水絮凝后的静置是必要的,以利于絮凝生成的颗粒聚集、长大,最终从溶液中析出,时间以 12 h为宜,超过12 h浊度降低可忽略,时间过长还可能会形成稳定的胶状溶液,增加分离难度。

2.3 复合絮凝剂的絮凝效果

单一的壳聚糖虽然絮凝效果较好,但脱除废水中的蛋白质的能力是有限的。即使能够达到要求,其较大的添加量也是不经济的,因此有必要研究复合絮凝剂以发挥其协同增效作用。不同混合比的壳聚糖复合物絮凝剂的试验结果列于表 2中。

结果表明,试验中所有絮凝剂组合都表现出明显的协同增效作用,而且不同组合及不同剂量的试验结果间差别明显。铁离子与壳聚糖的协同作用明显优于铝离子,较佳的壳聚糖无机离子组合为0.5 mg/mL壳聚糖和 0.005 mg/mL的铁离子,此时的浊度降低 87.2%,明显高于单独使用 0.5 mg/mL壳聚糖或 0.005 mg/mL的铁离子效果。增加复合物中铁离子的比例,絮凝效果可能更佳,但回收的蛋白质中残余金属离子浓度过高会降低蛋白质的价值。使用混合比(MR)1.67的壳聚糖 -海藻酸盐复合物的浊度减少量 (97.02%)比MR3.0时的浊度减少量(96.64%)要大,这在工业上应用是有利的。复合物中壳聚糖含量低,产生的絮凝产物多,这使得复合物比纯的壳聚糖更具价格优势因为海藻酸钠的价格要比壳聚糖低。同样,具体应用的时候,还可以根据待处理废水的情况设计适当混合比的复合物。表 2还显示壳聚糖 /海藻酸钠混合比 0.5/0.3的复合物对蛋白质的吸附能力高,对大豆低聚糖的吸附能力低,而混合比 0.6/0.2的复合物夹带了明显数量低聚糖 (14.64%),这一点尤其有用,在蛋白质回收体系中值得考虑的一个问题就是脱蛋白质同时应尽可能使大量的低聚糖留在于清液中。如果能够分别回收低聚糖和乳清蛋白则可以实现相当可观的商业利益。

表2 壳聚糖与其他絮凝剂的复合絮凝作用

2.4 pH对壳聚糖海藻酸钠凝效果的影响

废水溶液的 pH不仅与蛋白质的稳定性有关,还可能影响壳聚糖海藻酸钠复合物。不同 pH条件下复合絮凝剂絮凝效果列于表 3。

表3 不同pH条件下的复合絮凝剂的絮凝效果

结果表明,酸性条件下絮凝效果明显优于碱性条件下,最佳的絮凝pH 4.5,此时浊度降低约100%。一方面 pH 4.5接近大豆球蛋白的等电点,溶解度降低,而大豆球蛋白在乳清中占有明显的数量。另一方面,前人研究发现酸性条件下 (pH 3～5),壳聚糖的NH3+基团和藻酸盐的 COO-基团之间发生静电相互作用,导致形成复合物[13-15]。因此酸性条件下良好的絮凝效果可能源于壳聚糖和海藻酸复合物的形成,而复合物对乳清蛋白有较高的亲合性。

3 结论

采用天然大分子壳聚糖/海藻酸钠复合物分离豆腐废水中的蛋白质的方法具有经济、安全、高效、工艺简单、无二次污染等诸多优点,是切实可行的。添加 0.5 mg/mL壳聚糖 +0.3 mg/mL海藻酸钠复合絮凝可使豆腐废水浊度降低97.8%,蛋白脱除76%,而低聚糖只减少 6.56%。得到的絮凝物可用于分离纯化高品质的水溶性大豆清蛋白,也可添加到豆腐凝乳工段增加产品出品率和蛋白质含量。产生的清液可进一步分离功能性低聚糖,也可部分脱盐后作为工艺用水(磨浆)回用。

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Chitosan-Based CoagulatingAgents Effective for Treating TofuWastewater

Chu Shaoxia1Pan Qiuyue2Meng Xianghe1Sun Peilong1

(College ofBiological and Environmental Engineering,ZhejiangUniversity of Technology1,Hanghou 310014)
(Depart ment ofApplication&Engineering,Zhejiang Economic&Trade Polytechnical2,Hangzhou 310018)

Tofu wastewaterwas treated by using the biocoagulation separation method.The turbidity of coagulate supernate was investigated in relation to the kinds of coagulating agent,addition dosage,preservation temperature of wastewater,coagulation time and pH,focusing on the synergistic effect of coagulating agent complexes.Results on ex2 perimentswith single coagulating agent suggest that chitosan at 0.6～0.8 mg/L shows a maximal turbidity reduction than poly ferric sulfate,poly aluminum trichloride,sodium alginate,and polyacrylamide.Freezing treatment of waste water at-18℃before coagulation is fit forprotein separation.Coagulation time plays a significant role in adsorption, and it is necessary for at least 12 h.All complex coagulating agents show noticeable synergistic effect.Especially,chi2 tosan/alginate complex(monomeric mixing ratio of 1.67)at 0.8 mg/mL,under condition of pH 4.5 exhibits opti2 mum coagulation effectswith turbidity reduction of 97.8%,protein removal rate of 76.84%,whereas hardly has any significant effecton soy oligosaccharide(6.56%).Chitosan/alginate complex is an ideal coagulating agent forprotein separation from Tofu wastewater.

Tofu waste water,coagulation,protein,oligosaccharide,turbidity

TS214 文献标识码:A 文章编号:1003-0174(2010)03-0102-05

杭州科技攻关项目(20070733B25)

2009-03-30

褚绍霞,女,1980年出生,硕士,食品科学

孙培龙,男,1964年出生,教授,硕士生导师,食品科学