徐艷艷，舒婷，胡楠，李娜，吳兆亮*，劉偉

河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院（天津 300130）

分離純化蛋白質(zhì)是研究和應(yīng)用蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)，由于蛋白質(zhì)在溶液中黏性大，易變性，易起泡等特性，分離過(guò)程技術(shù)難度大，成本高[1-3]。但是，泡沫分離作為一種以氣泡為分離介質(zhì)的技術(shù)，已成功實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的分離和回收[4-6]。在泡沫分離中，富集比和回收率是評(píng)價(jià)其分離效果指標(biāo)，為了減少后續(xù)分離難度以及獲得高濃度產(chǎn)品，提高富集比是泡沫分離的關(guān)鍵所在[7]。目前，提高富集比的方法有添加構(gòu)件、升溫和改變塔型[8-10]。不過(guò)添加構(gòu)件會(huì)導(dǎo)致大量的蛋白質(zhì)黏附于構(gòu)件上，高溫會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)的變性，因此前兩種方法不適用于提高泡沫分離蛋白質(zhì)的富集比。殷昊等[11]改變常規(guī)直塔塔型，利用斜臂塔回收蛋白質(zhì)，減小了泡沫排液的阻力，富集比是直塔的1.93倍。但是斜臂塔內(nèi)下壁上積累的液體不易回流至液相，并且蛋白質(zhì)依然附著在塔壁表面導(dǎo)致回收率大幅下降。

疏水材質(zhì)表面具有減阻和抗黏附能力[12]，可以有效解決上述問(wèn)題，Hu等[9]將超疏水涂層噴涂于塔壁用于泡沫分離蛋白質(zhì)，結(jié)果表明富集比提高了144%。但噴涂的涂層有脫落現(xiàn)象。所以，試驗(yàn)創(chuàng)新性的直接選用疏水材質(zhì)聚四氟乙烯作為斜臂塔的原材料，克服涂層脫落的問(wèn)題，延長(zhǎng)使用壽命，從而有利于工業(yè)化應(yīng)用。

紅薯是世界上第七大糧食作物，大量的紅薯被用來(lái)生產(chǎn)淀粉[13]。而紅薯淀粉的生產(chǎn)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，廢水中的紅薯蛋白能降血脂、增強(qiáng)免疫力、延緩衰老和抗癌等功效，是一類高價(jià)值資源，若該廢水直接排放，不僅造成水體富營(yíng)養(yǎng)化還會(huì)造成資源浪費(fèi)。

以紅薯淀粉工業(yè)廢水中的紅薯蛋白為物系，首先研究了塔壁材質(zhì)和塔型對(duì)泡沫分離紅薯蛋白富集比的影響，然而，富集比的升高必然會(huì)導(dǎo)致回收率的降低，在新型分離塔的基礎(chǔ)上再研究操作參數(shù)泡沫分離紅薯蛋白分離效果的影響，最后旨在開(kāi)發(fā)一種工藝高效地富集和回收紅薯淀粉廢水中的紅薯蛋白。

1 材料與方法

1.1 試劑與藥品

紅薯，市售；鹽酸，氫氧化鈉，亞硫酸鈉購(gòu)于天津市風(fēng)船化學(xué)試劑有限公司，考馬斯亮藍(lán)購(gòu)于北京定國(guó)生物技術(shù)有限公司，牛血清白蛋白購(gòu)于天津藍(lán)星生物技術(shù)有限公司。所有試劑均為分析純級(jí)別。

1.2 儀器與設(shè)備

PHS-3 C型pH計(jì)，杭州奧利龍儀器有限公司；FA 1204 B型電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；VS-1500 YJ高速組織搗碎機(jī)，無(wú)錫沃信儀器制造有限公司；TDZ 5-WS型離心機(jī)，長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)技術(shù)有限公司；725 N紫外可見(jiàn)分光光度，上海精密科學(xué)儀器有限公司；DFA 100型泡沫分析儀，德國(guó)克呂士公司。

1.3 紅薯淀粉生產(chǎn)廢水的制備

紅薯經(jīng)清洗、去皮、切塊后按料液比1︰6（g/mL）加入破碎液（Na2SO3，0.01 mol/L），利用高速組織搗碎機(jī)充分破碎，三層紗布過(guò)濾去除大部分濾渣，靜置1 h，以4 000 r×min-1離心20 min，上清液即紅薯淀粉生產(chǎn)廢水，紅薯淀粉生產(chǎn)廢水的水質(zhì)情況如表1所示。

表1 紅薯淀粉生產(chǎn)廢水的水質(zhì)情況

1.4 試驗(yàn)裝置及工藝

圖1為試驗(yàn)裝置圖，選用內(nèi)徑40 mm，豎直部分高度為500 mm的玻璃管，傾斜部分長(zhǎng)為300 mm的聚四氟乙烯管為試驗(yàn)塔，而傾斜部分長(zhǎng)為300 mm的玻璃管為對(duì)照塔。圖中α為傾斜泡沫相的傾角，即傾斜泡沫相偏離豎直方向的角度?？諝庥煽諝鈮嚎s機(jī)泵入，由轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)，通過(guò)塔底安置的一個(gè)孔徑為0.125 mm玻璃氣體分布器鼓入泡沫分離塔內(nèi)。泡沫由泡沫分離塔頂部流入到泡沫收集器中消泡得消泡液。

泡沫分離用富集比（E）和回收率（R）來(lái)評(píng)價(jià)，富集比和回收率的計(jì)算如式（1）和（2）。

式中：C0和Cr分別為初始原料液和殘留液中紅薯蛋白的質(zhì)量濃度，g·L-1；V0、Vf和Vr分別為初始原料液，消泡液和殘留液體積，L。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.5 紅薯淀粉生產(chǎn)廢水中蛋白含量的測(cè)定

以牛血清白蛋白（BSA）為標(biāo)準(zhǔn)蛋白，用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定紅薯淀粉生產(chǎn)廢水中蛋白的濃度[8]。測(cè)得BSA的標(biāo)準(zhǔn)曲線為A=0.009 95C+0.036 45，R2=0.999 5，其中A為吸光度；C為蛋白質(zhì)量濃度，g·L-1；R2為線性相關(guān)系數(shù)。

1.6 上升泡沫的塔頂出口持液率測(cè)定

泡沫從塔頂溢出時(shí)記為起始時(shí)刻，每1 min收集一次消泡液，直到消泡液體積至恒定。對(duì)消泡液進(jìn)行稱重以及消泡后測(cè)其體積，計(jì)算1 min內(nèi)的出口泡沫的持液率，計(jì)算如式（3）。

式中：ε為泡沫的持液量；Vl為1 min所接到的消泡液體積；Vg為相應(yīng)時(shí)間內(nèi)通入塔內(nèi)氣體的體積，Vg=gt，g為氣體體積流量，t=1 min。

1.7 氣泡直徑的測(cè)量

氣泡直徑采用照相進(jìn)行測(cè)定。用數(shù)碼相機(jī)（Nikon CooLPLX P600）抓拍透明塔壁上的氣泡，然后通過(guò)Scion Image軟件測(cè)量氣泡直徑。氣泡直徑按公式（4）計(jì)算。

式中：n為氣泡個(gè)數(shù)，其中n3200，di為第i個(gè)氣泡的直徑。

1.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均重復(fù)至少3次試驗(yàn)，最終的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是多次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的算數(shù)平均值，并且試驗(yàn)誤差由誤差棒表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 塔壁材料和塔型對(duì)分離效果的影響

在本節(jié)中，為了確定塔壁材料和塔型，研究了有機(jī)玻璃直塔、有機(jī)玻璃斜臂塔（傾斜角為30°）、聚四氟乙烯直塔、聚四氟乙烯斜臂塔（傾斜角為30°）對(duì)泡沫分離紅薯蛋白富集比和回收率的影響。在溫度25 ℃、氣體體積流量200 mL·min-1、氣體分布器孔徑0.125 mm、裝液量400 mL的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，對(duì)于同種塔型不同塔壁材料的泡沫分離塔，疏水材質(zhì)的泡沫分離塔紅薯蛋白富集比更高，回收率變化不大；對(duì)于同種塔壁材料不同塔型的泡沫分離塔，斜臂塔的紅薯蛋白的富集比更高，回收率有所下降，更重要的是，兩者都采用時(shí)，即用聚四氟乙烯斜臂塔，泡沫分離紅薯蛋白所得的富集比最高。富集比升高是疏水材質(zhì)和塔型都強(qiáng)化了排液過(guò)程，泡沫相持液量降低，使得消泡液中紅薯蛋白濃度增加，因此紅薯蛋白的富集比提高。同時(shí)，在排液過(guò)程中，更多紅薯蛋白會(huì)隨部分間隙液一同回流到主體液中，從而從殘液排出，造成消泡液中紅薯蛋白總量降低，所以紅薯蛋白回收率下降?？紤]到紅薯蛋白的高富集比，以下試驗(yàn)選用有機(jī)玻璃斜臂塔為對(duì)照塔，聚四氟乙烯斜臂塔為試驗(yàn)塔。下文對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行研究，為了得到高富集比和回收率的泡沫分離工藝。

表2 塔壁材料及塔型對(duì)分離效果的影響

2.2 pH對(duì)泡沫分離效果的影響

pH是影響泡沫分離效果的重要因素之一，因?yàn)閜H能影響蛋白質(zhì)的—COOH、—NH2基團(tuán)的去質(zhì)子化和質(zhì)子化從而影響蛋白質(zhì)分子表面的靜電荷，而影響蛋白質(zhì)分子的表面活性[14]。因此，試驗(yàn)先研究pH 3～8的范圍內(nèi)紅薯淀粉生產(chǎn)廢水的起泡性（泡沫高度）和泡沫穩(wěn)定性（泡沫半衰期t1/2），結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，pH在3～8這范圍內(nèi)，紅薯淀粉生產(chǎn)廢水的起泡性和泡沫穩(wěn)定性都是先增強(qiáng)后變?nèi)?，pH 4時(shí)達(dá)到最大值，泡沫高度為74.7±3.7 mm，半衰期為970.6±48.5 s。文獻(xiàn)報(bào)道紅薯蛋白的等電點(diǎn)大約在4，在等電點(diǎn)時(shí)蛋白質(zhì)表面靜電荷為零[13]，蛋白質(zhì)分子之間因?yàn)槿鄙凫o電排斥作用，會(huì)使蛋白質(zhì)在氣-液界面形成高黏性的蛋白膜[14]，阻止氣泡之間發(fā)生聚并，所以在pH為4時(shí)，泡沫穩(wěn)定性最好。

圖2 pH對(duì)紅薯淀粉生產(chǎn)廢水的起泡性和泡沫穩(wěn)定性的影響

較差的泡沫穩(wěn)定性難以保證在泡沫分離過(guò)程中維持穩(wěn)定的泡沫相，因此選擇3～5作為合適的pH范圍進(jìn)行對(duì)泡沫分離紅薯蛋白富集比和回收率的影響研究。在傾斜角α為30°、溫度25 ℃、氣體體積流量200 mL·min-1、裝液量400 mL的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3表明，隨著pH得升高，泡沫分離紅薯蛋白的富集比先下降再升高，而回收率先升高后下降。在等電點(diǎn)附近時(shí)，紅薯蛋白形成的氣泡具有較高的穩(wěn)定性以及較低的表面張力，氣泡穩(wěn)定且不易聚并，消泡液體積較大，因此獲得的富集比低。隨著pH遠(yuǎn)離等電點(diǎn)，氣泡的穩(wěn)定性下降，進(jìn)而提高富集比，然而回收率隨之降低。更重要的是，試驗(yàn)塔的富集比明顯高于對(duì)照塔的，回收率相差不大。因?yàn)樵囼?yàn)塔斜臂聚四氟乙烯能加速氣泡聚并強(qiáng)化內(nèi)回流，所以富集比明顯升高，并且聚四氟乙烯能有效減少蛋白質(zhì)黏附于塔壁上，所以回收率下降不多，綜合考慮富集比和回收率，選擇pH 4為最適pH。

圖3 pH對(duì)紅薯淀粉生產(chǎn)廢水的回收率和富集比的影響

2.3 傾斜角度（α）對(duì)持液率和氣泡直徑以及泡沫分離紅薯分離效果的影響

斜塔中運(yùn)動(dòng)的泡沫所受的力可分解為豎直和水平兩個(gè)分量，水平方向的分量用來(lái)推動(dòng)泡沫的水平移動(dòng)，豎直方向的力阻礙泡沫排液，在相同的操作條件下，傾斜角不同，水平方向和豎直方向的分力必然不同，泡沫相的排液效果就不同[11]。因此首先研究不同傾斜角度下泡沫持液率和氣泡直徑，結(jié)果如圖4所示；接著研究?jī)A斜角度對(duì)泡沫分離效果的影響，在傾斜角（α）為15°～75°、pH 4、溫度25 ℃、氣體體積流量200 mL·min-1、裝液量400 mL的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同傾斜角度下泡沫持液率（A）和氣泡直徑（B）

圖5 傾斜角對(duì)泡沫分離紅薯蛋白分離效果的影響

由圖4可知，無(wú)論是試驗(yàn)塔還是對(duì)照塔，隨著傾斜角α在15°～75°范圍內(nèi)增加時(shí)，e先減少后增大，當(dāng)α為45°時(shí)，持液率e到達(dá)最小，最小值分別為2.4×10-3±1.2×10-4和7.4×10-5±3.7×10-4，對(duì)照塔的e是試驗(yàn)塔的3.0倍。這是因?yàn)樵谂菽嘀?，兩個(gè)流動(dòng)速率影響著排液速率，而排液速率影響著泡沫持液率。一個(gè)是泡沫相中間隙液流動(dòng)到斜臂塔下表面的速率，另一個(gè)是斜臂塔下表面所形成的液體薄膜返回到液相主體的速率。傾斜角α從15°增大到45°，由于Plateau邊界通道的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度減弱使得前者的速率加快，所以持液率不斷減小。當(dāng)傾斜角α大于45°時(shí)，由于重力作用在平行于斜臂的方向上的作用力逐漸減少，而泡沫間隙液流動(dòng)到斜臂塔下表面的速率仍在增大，使得斜臂塔下表面的液體不能及時(shí)流回液相開(kāi)始大量積累，從而大大減弱排液速率，持液率升高。此外，氣泡直徑d32先增大后減少，所以隨著α增大，在當(dāng)α為45°時(shí)，d32到達(dá)最大，最大值分別為1.9±0.1 mm和1.4±0.1 mm。因?yàn)樵趶?qiáng)化泡沫排液時(shí)，氣泡之間的液膜厚度不斷減小，加速氣泡之間的聚并[15]，另外在每一個(gè)傾斜角度下，試驗(yàn)塔的持液率都比對(duì)照塔的低，氣泡直徑都比對(duì)照塔的大。由于試驗(yàn)塔的聚四氟乙烯管壁具有疏水作用，使得夾帶液與疏水管壁表面間的接觸角大于90°（如圖1所示），極易使得液體薄層在壁面邊界出現(xiàn)滑移現(xiàn)象[12]。液體的重力作用和材料表面的疏水性能具有協(xié)同效應(yīng)，有利于降低流體層黏附于壁面的剪切力，進(jìn)而使得斜臂塔下表面所形成的液體薄膜能快速地回流至液相中，加快泡沫排液，加快氣泡的聚并。所以試驗(yàn)塔的持液率比對(duì)照塔低，氣泡直徑比對(duì)照塔的大。

由圖5可知，隨著α的增大，無(wú)論是試驗(yàn)塔還是對(duì)照塔，紅薯蛋白富集比先升高后降低，而回收率則是先降低后升高。在α為45°時(shí)，富集比達(dá)到最大值，回收率達(dá)到最小值。這與上文討論的隨著α的變化，其泡沫持液率以及氣泡直徑的變化規(guī)律相符。當(dāng)α為45°時(shí)，在對(duì)照塔中，其富集比為3.0，回收率為75.7%±3.8%；在試驗(yàn)塔中，其富集比為4.6±0.2，回收率為71.4%±3.6%，在當(dāng)α為45°時(shí)試驗(yàn)塔的富集比是對(duì)照塔的1.5±0.1倍，回收率是對(duì)照塔的94.5%±4.7%。這說(shuō)明聚四氟乙烯斜臂塔能強(qiáng)化排液，提高了富集比，回收率下降不明顯。所以最適傾斜角為45°。

2.4 氣體體積流量對(duì)泡沫分離紅薯蛋白分離效果的影響

氣體體積流量不僅決定了氣泡在液相和泡沫相的停留時(shí)間，而且能影響泡沫相排液[16]，因此研究氣體體積流量很有必要。在pH 4、溫度25 ℃、裝液量400 mL、傾斜角45°的條件下，研究氣體體積流量200～400 mL·min-1對(duì)泡沫分離紅薯蛋白分離效率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，隨著氣體體積流量的增加，分離紅薯蛋白的回收率呈持續(xù)上升趨勢(shì)，而富集比隨之下降。當(dāng)氣體體積流量小時(shí)，氣泡在塔內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，排液時(shí)間充足，消泡液體積較低，回收率低富集比高。當(dāng)氣體體積流量增大，氣泡停留時(shí)間變短，排液不充分，消泡液體積增加，回收率升高而富集比降低[7]。試驗(yàn)塔與對(duì)照塔相比，試驗(yàn)塔的聚四氟乙烯管壁具有疏水作用，所以泡沫中的夾帶液大量減少，導(dǎo)致消泡液的體積減少。另外，蛋白質(zhì)會(huì)附著在對(duì)照塔塔壁表面影響分離的效果。所以試驗(yàn)塔相比于對(duì)照塔，回收率減少不多，而富集比明顯升高。但是隨著氣體體積流量增加，塔壁的疏水效應(yīng)對(duì)泡沫排液的影響減少，所以試驗(yàn)塔和對(duì)照塔兩者之間的富集比以及回收率之間的差距越來(lái)越小了。綜合考慮，氣體體積流量選擇300 mL·min-1較合適。當(dāng)氣速為300 mL·min-1時(shí)，紅薯蛋白的回收率為80.2%±4.0%，富集比為4.1±0.2，消泡液中紅薯蛋白的質(zhì)量濃度為9.1±0.5 g·L-1。

圖6 氣體體積流量對(duì)泡沫分離紅薯蛋白分離效果的影響

3 結(jié)論

1) 聚四氟乙烯斜臂塔與傳統(tǒng)的斜臂塔相比，由于聚四氟乙烯材質(zhì)的疏水作用，使得斜臂塔下表面所形成的液體在壁面邊界出現(xiàn)滑移，可以加快液體回流液相的速度，從而加快泡沫排液。所以聚四氟乙烯斜臂塔的持液率比對(duì)照塔的持液率下降了200.0%，并且氣泡直徑比對(duì)照塔的更大。

2) 在pH為4，傾斜角45°，氣速300 mL·min-1時(shí)，試驗(yàn)塔紅薯蛋白的富集比和回收率分別為4.1±0.2和80.2%±4.0%，富集比是對(duì)照塔的2.5±0.1倍，最終試驗(yàn)塔的消泡液中紅薯蛋白的質(zhì)量濃度為9.1±0.5 g·L-1。

3) 確定一條最佳的工藝路線，從而實(shí)現(xiàn)紅薯蛋白富集和回收，對(duì)工業(yè)化處理紅薯淀粉廢水做出指導(dǎo)意義。