马铃薯淀粉加工汁水蛋白的臭氧鼓泡分离及营养评价

任 燕，秦礼康

（贵州大学生命科学学院，贵州贵阳550025）

马铃薯淀粉加工汁水蛋白的臭氧鼓泡分离及营养评价

任 燕，秦礼康*

（贵州大学生命科学学院，贵州贵阳550025）

采用臭氧鼓泡分离马铃薯淀汁水蛋白质，以蛋白质回收率为指标，在单因素筛选基础上，通过正交实验，进行工艺参数优化。结果表明，臭氧浓度对回收率影响最大，温度对回收率影响最小。臭氧鼓泡分离蛋白质的最佳工艺参数为臭氧浓度为5.00g/h，温度10℃、pH8.0、通气时间90min，此条件下蛋白质回收率为93.21%；加入0.20%羧甲基纤维素钠溶液，干物质回收率从原有的40.65%提高到57.60%；臭氧处理回收的蛋白质，非必需氨基酸含量48.82%，必需氨基酸占41.73%，与全鸡蛋蛋白贴近度为0.867，仍具有较好的营养价值。

马铃薯汁水，蛋白质，臭氧，营养价值

1 材料与方法

表2 臭氧浮选法分离蛋白单因素实验表

1.1 材料与仪器

马铃薯原料 威芋3号品种，贵州省大方县栽种；考马斯亮兰试剂盒 南京建成生物工程研究所；其它试剂 均为国产分析纯。

UV-7502PC紫外可见分光光度计 上海欣茂仪器有限公司；数显恒温水浴锅 上海梅香仪器有限公司；5G臭氧消毒机 广州佳环科技电器有限公司；FA2004分析天平 上海良平仪器仪表有限公司；KDN-04定氮仪 上海沪西仪器有限公司；L-8800 AA全自动分析仪，（日立Hitachi）型氨基酸自动分析仪。

1.2 实验方法

1.2.1 实验室制备废水的成分特征

表1 废水成分特征

1.2.2 臭氧泡沫浮选分离蛋白质的效果评价

1.2.2.1 单因素实验 以蛋白回收率为评价臭氧浮选分离效果的指标，在固定废水体积为200mL条件下，分别考察了臭氧浓度、温度、pH、通气时间对臭氧浮选法分离蛋白效果的影响，按表2处理后，测定蛋白回收率。

1.2.2.2 正交实验 在单因素实验的基础上，以蛋白回收率为指标，运用正交实验对泡沫分离体系的影响因素进行优化，确定出体系的最佳工艺参数。本研究选取了臭氧浓度、温度、pH和通气时间共4个因素，每个因素取三个水平。正交实验的因素和水平取值见表3。

表3 正交实验各因素与水平表

1.2.2.3 蛋白回收率测定

蛋白回收率（%）=回收蛋白质量/原废水中蛋白质量×100%

1.2.3 干物质回收率 在最佳工艺参数基础上，加入不同浓度的羧甲基纤维素钠（CMC-Na）溶液10mL作为乳化剂，测定干物质回收率。

干物质回收率（%）=泡沫干粉质量/原废水总干物质量×100%

1.2.4 模糊识别法 采用兰氏距离法定义评价原汁水蛋白和臭氧回收蛋白与标准蛋白（全鸡蛋蛋白）的贴近度，其计算公式为：

式中：ak（k=1，2，…8）为标准蛋白的8种EAA含量；uik为第i个评价对象的第k种EAA含量。

最后按贴近度值大小顺序排列。贴近度反映评价对象蛋白质质量与标准蛋白质的接近程度。其值越接近于1，其蛋白质营养价值相对较高。

1.2.5 回收马铃薯蛋白氨基酸营养评价 蛋白质测定：采用凯氏定氮法测定马铃薯蛋白质，粗蛋白系数为6.25；氨基酸测定：采用氨基酸自动分析仪测定马铃薯蛋白质氨基酸；化学评分（CS）：采用 FAO（1970）确定的方法，进行化学评分。氨基酸评分（AAS）：分别采用Bano（1982）的方法确定氨基酸评分。

1.2.6 数据分析 本实验数据采用SPSS11.5软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

从图1可以看出，在温度20℃、臭氧浓度5.00g/h、通气60min，蛋白回收率随pH的增高而增大，尤其在碱性条件下，蛋白回收率高达85.48%，其原因可能是臭氧在碱性介质中，自由基具有活性［7］，氧化力增强，它能快速与废水中的有机物进行反应。因此，溶液pH是浮选分离效果重要影响因素之一。

图1 pH对蛋白回收率影响

从图2可以看出，蛋白回收率随着温度的升高而增大，但当温度大于 20℃时，蛋白回收率从91.76%下降至87.37%，这可能是臭氧泡沫的稳定性随着温度的升高而降低，体系只需在常温下就可达到很好的分离效果。

图2 温度对蛋白回收率的影响

从图3可以看出，蛋白回收率也随着臭氧浓度增大而增大，可能是因为水中臭氧浓度的增加，提高蛋白的交联反应速率，较高的臭氧浓度使得整个反应体系在单位时间形成的泡沫数增多，泡沫富集的蛋白量也增加，而较低臭氧浓度由于不能在液面上方形成稳定的泡沫，不能使蛋白得到很好的分离。

表5 正交实验方差分析表

图3 臭氧浓度对蛋白回收率的影响

从图4可以看出，蛋白回收率随着通气时间变化而变化，在通气时间达90min以后，蛋白回收率开始趋于平缓，这可能是随着通气时间的延长，体系中可形成臭氧泡沫的组分逐渐耗尽所致。

图4 通气时间对蛋白回收率的影响

综上所述，pH、温度、臭氧浓度及通气时间对蛋白回收率都有着重要影响。

2.2 正交实验

以蛋白回收率为指标，正交实验极差分析结果（表4）显示，臭氧浓度的极差最大，温度的极差最小，表明臭氧浓度的变化对体系的影响最大，而温度对体系影响最小，因素的影响顺序为A＞C＞D＞B；正交实验方差分析结果（表5）表明，修正模型的P值为0，小于0.05，说明正交实验方差分析模型是适用的，且四个因素的P也小于0.05，即对蛋白回收率影响均达极显著水平。综合分析，臭氧浮选分离马铃薯蛋白的最佳工艺参数为A3B1C2D3，即最佳工艺参数为臭氧浓度为5.00g/h、温度10℃、pH8、通气时间90min，在此条件下蛋白回收率为93.21%。

表4 正交实验表L9（34）

2.3 干物质回收率

预实验研究发现，不同乳化剂对马铃薯淀粉加工废水有辅助起泡作用，其中，羧甲基纤维素钠（CMC-Na）效果显著，可增加泡沫稳定性，提高干物质回收率。优化实验（图5）表明，干物质回收率随CMC-Na浓度的增加而增大，在CMC-Na浓度达0.20%时，干物质回收率为57.60%，较对照增加近20%，可能是随CMC-Na浓度的增加，液体表面粘度增大。表面粘度大使液膜的表面强度增加；同时使液膜中的液体不易排出，延缓液膜破裂时间，从而增加了泡沫的稳定性［8］。但当 CMC-Na浓度超过0.20%后，干物质回收率呈下降趋势，这可能是CMC-Na作为乳化剂在水中会形成胶束，当浓度高于临界胶束浓度时，泡沫稳定性增加，但在浓度增加到一定程度时，形成的泡沫含液量减少，“脆性”增加，泡沫反而会变得不稳定［9］。

图5 不同CMC-Na浓度对干物质回收率的影响

表8 马铃薯蛋白化学评分和氨基酸评分

表6 马铃薯蛋白氨基酸组成

2.4 回收马铃薯蛋白评价

2.4.1 马铃薯蛋白氨基酸组成 臭氧泡沫分离有机质中，蛋白含量为66.21%，是回收物中主要组分。氨基酸的组成及比例影响着蛋白质的营养价值。原汁水蛋白与臭氧回收蛋白的氨基酸组成结果如表6所示，从17种氨基酸组成（色氨酸未测），原汁水蛋白和臭氧回收蛋白的总量分别为975.987mg/g和740.882mg/g，在原汁水蛋白中，非必需氨基酸含量占54.32%，必需氨基酸占45.67%；在臭氧回收蛋白中，非必需氨基酸含量占 48.82%，必需氨基酸占41.73%。对比分析后可知，臭氧处理后马铃薯废水回收的蛋白中，一部分氨基酸被破坏。

2.4.2 贴近度 由表7可以看出，原汁水浓缩蛋白的贴近度高于臭氧处理蛋白，更接近于1，且两者都比文献资料报道的大豆分离蛋白贴近度0.837要高，说明马铃薯蛋白具有较高的营养价值，与原汁水浓缩蛋白相比，臭氧处理回收的马铃薯蛋白贴近度要小，表明臭氧法回收马铃薯蛋白对营养价值有一定的影响，但仍有较好的营养价值。

表7 不同蛋白相对标准蛋白的贴近度

2.4.3 马铃薯蛋白的化学评分和氨基酸评分 马铃薯蛋白的化学评分和氨基酸评分见表8。以大豆分离蛋白为对照，臭氧处理蛋白中苏氨酸、蛋氨酸+胱氨酸、亮氨酸的氨基酸评分要高于大豆分离蛋白，但原汁水浓缩蛋白和臭氧处理蛋白含有一定的赖氨酸，这可与大豆蛋白和各种谷类蛋白互补从而提高食品的营养价值。

3 结论

3.1 影响臭氧泡沫分离效果的主要因素有臭氧浓度、pH、温度及通气时间等。以蛋白回收率为指标，通过正交实验获得最佳工艺参数为：臭氧浓度为5.00g/h、温度为10℃、pH8、通气时间90min，此条件下蛋白回收率为93.21%。

3.2 臭氧泡沫分离蛋白的过程中，糖和脂肪也进入反应体系，并不同程度地改善和提高泡沫稳定性。

3.3 臭氧泡沫分离有机质，加入一定量羧甲基纤维素钠溶液使干物质回收率提高到57.60%。

3.4 臭氧处理回收物中蛋白含量为66.21%，与全鸡蛋蛋白贴近度为0.867，非必需氨基酸含量48.82%，必需氨基酸占41.73%，仍具有较好的营养价值。

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Nutrition value evaluation of potato protein separated from potato juice waste water by ozone bubbling

REN Yan，QIN Li-kang*
（College of Life Science，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

The present study aims at exploring the application of ozone bubbling for the purpose of separating protein from potato juice waste water.On the basis of single-factor test，orthogonal design L9（34）were adopted for optimization of process parameters to retrieve the protein.The results showed that the concentration of ozone was a significant factor and temperature had minimal impact on recovery ratio.The optimal parameters for separating potato protein by ozone bubbling were concentration of ozone 5.00g/h，temperature 10℃，pH 8.0 and ventilation time 90 minutes.Recovery ratio of protein was 93.21%under above condition.After adding 0.20% sodium carboxymethylcellulose，the recovery rate of dry matter increased from 40.65%to 57.60%.The close degree was 0.867 compared to whole egg protein.The nonessential amino acid and essential amino acid in protein is high，making up of 48.82%and 41.73%of the total amino acids，respectively.

potato juice；protein；ozone；nutrition value

TS239

B

1002-0306（2011）02-0223-05

马铃薯淀粉加工废水因富含蛋白、淀粉、糖类、脂肪等有机质，不处理直接排放，给环境带来极大危害［1］。值得注意的是，淀粉加工废水中所含的有机物，大多是可以回收利用的宝贵资源，如马铃薯蛋白质就有很高的营养价值，是均衡的亲水/疏水性氨基酸模型［2］，是一种天然的优质蛋白源，具有较高的附加值，有待开发利用。目前，马铃薯淀粉加工废水的处理方法主要有生物处理［3-4］、膜分离法［5］、絮凝法［6］等，这些方法虽然在一定程度上可减少环境污染，但均存在一些局限，且不能将其中的有益成分回收。因此，寻找一种快速、高效、低耗的马铃薯淀粉加工废水处理方法，在减少环境污染的同时，回收利用废水有机质，不仅经济效益显著，而且社会效益和环境效益也十分巨大。由于马铃薯淀粉加工废水中的蛋白质、多糖、脂肪等大分子物质，在水中易形成分子聚集体，有较好的成膜稳定性。同时，臭氧作为一种强氧化剂，具有很强的杀菌、去色、降解有机物的特性。所以，本文在降污实验基础上应用臭氧泡沫浮选分离法，回收马铃薯淀粉加工废水中的有机质，并以蛋白质回收率为指标，在单因素实验基础上采用正交实验设计，对影响泡沫分离效果的主要工艺参数进行优化，以提高蛋白质回收率，为臭氧浮选分离法在马铃薯淀粉加工废水的工业应用提供科学依据。

2010-03-04 *通讯联系人

任燕（1984-），女，硕士研究生，研究方向：食品营养与安全。

贵州省科技重大专项（黔科合重大专项［2008］6009号）；六盘水市科技局项目（52020-07-008）。