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        響應(yīng)面法優(yōu)化三氯化鐵回收河鲀魚(yú)糜漂洗液中蛋白質(zhì)的研究

        2021-06-29 05:57:38劉淑集黃珊紅陳曉婷蘇永昌劉智禹
        漁業(yè)研究 2021年3期
        關(guān)鍵詞:因素優(yōu)化影響

        劉淑集,黃珊紅,陳曉婷,陳 貝,許 旻,蘇永昌,劉智禹*

        [1.福建省水產(chǎn)研究所,國(guó)家海水魚(yú)類(lèi)加工技術(shù)研發(fā)分中心(廈門(mén)),福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建省海洋生物資源開(kāi)發(fā)利用協(xié)同創(chuàng)新中心,福建 廈門(mén) 361013;2.廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 廈門(mén) 361100]

        將魚(yú)經(jīng)過(guò)采肉、漂洗、精濾、脫水?dāng)嚢杓皟鼋Y(jié)加工得到魚(yú)糜[1],再將魚(yú)糜經(jīng)過(guò)擂潰(斬拌)、成型、加熱和冷卻工序制成魚(yú)糜制品[2]。漂洗是魚(yú)糜加工過(guò)程中的關(guān)鍵工藝[3],但魚(yú)糜在經(jīng)過(guò)漂洗的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生廢液,漂洗廢液直接排放會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)受到嚴(yán)重污染。而且魚(yú)肉中30%~40%蛋白質(zhì)以不溶性的魚(yú)糜微粒和水溶性的形式存在于魚(yú)糜漂洗液中,隨著漂洗液的丟棄而流失,造成了蛋白質(zhì)的浪費(fèi)。經(jīng)研究表明,魚(yú)糜漂洗液回收蛋白質(zhì)中氨基酸種類(lèi)齊全,并且比例均衡,符合FAO/WHO推薦的理想蛋白質(zhì)模式,是理想的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)[4]?;厥者@部分的魚(yú)糜漂洗液不僅能減少環(huán)境污染,降低廢水處理費(fèi)用,還能在很大程度上增加企業(yè)潛在的利潤(rùn)。因此,如何回收魚(yú)糜漂洗液中的水溶性蛋白質(zhì)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)?;厥蒸~(yú)糜漂洗液的方法主要有絮凝法[5]、超濾法、等電點(diǎn)沉淀法[6]和離子交換法[7]等。但這些方法各有利弊,無(wú)法同時(shí)滿足回收率、操作簡(jiǎn)便、成本低廉等要求。

        三氯化鐵(FeCl3)是一種蛋白質(zhì)絮凝劑,可使蛋白質(zhì)聚沉而進(jìn)行回收。它易溶于水,具有絮凝速度快、安全無(wú)毒、成本低等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于食品、造紙、化工、煤礦、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域中的廢水處理[8]。孫紅杰等[9]采用8 mg/mL的FeCl3絮凝地下水,發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH>6時(shí),主要絮凝機(jī)理是以氫氧化鐵[Fe(OH)3]的網(wǎng)捕卷掃為主;當(dāng)pH<4時(shí),主要絮凝機(jī)理是Fe3+以壓縮雙電層為主。因此,本研究擬開(kāi)展FeCl3法回收魚(yú)糜漂洗液中蛋白質(zhì)工藝的研究與優(yōu)化,以期應(yīng)用于魚(yú)糜加工過(guò)程中漂洗液廢水的處理,回收蛋白質(zhì),變廢為寶,提高魚(yú)糜加工的附加值。

        1 材料與方法

        1.1 材料、試劑及設(shè)備

        試驗(yàn)材料:河鲀,購(gòu)自福建省鲀之鮮水產(chǎn)有限公司。魚(yú)糜漂洗液:將河鲀魚(yú)肉進(jìn)行斬拌2 min;水的溫度保持在10℃,水和魚(yú)糜的比例為7∶1,配好水和魚(yú)糜的比例后開(kāi)始進(jìn)行漂洗,分3次漂洗,一次3 min;漂洗后靜置3 min以上,倒出漂洗液,儲(chǔ)存。

        試驗(yàn)試劑:三氯化鐵(FeCl3),購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;Pierce BCA Protein Assay Kit BCA蛋白質(zhì)含量檢測(cè)試劑盒,購(gòu)自美國(guó)Thermofisher公司。

        試驗(yàn)儀器:pH計(jì)、斬拌機(jī)、恒溫水浴鍋、臺(tái)式離心機(jī)、恒溫振蕩器、M200PRO酶標(biāo)儀。

        1.2 試驗(yàn)方法

        工藝流程:在10 mL魚(yú)糜漂洗液中加入一定量的FeCl3溶液,調(diào)節(jié)一定的pH,放置在一定溫度的水浴鍋保溫一定時(shí)間,4 000 r/min離心10 min。取上清液25 μL和BCA試劑200 μL混合于酶標(biāo)板上,放置在37℃恒溫振蕩器震蕩30 min。通過(guò)酶標(biāo)儀測(cè)定562 nm的OD值,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算蛋白質(zhì)含量。

        1.2.1 單因素試驗(yàn)法

        以蛋白質(zhì)回收率(Rate of protein recovery,RPR)為指標(biāo),在固定其他影響因素保持不變的狀態(tài)下,分別考察1% FeCl3溶液添加量(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mL)、pH(3、5、7、9、11)、回收溫度(25、45、55、65、75℃)、回收時(shí)間(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 h)對(duì)蛋白質(zhì)回收效果的影響,每個(gè)水平試驗(yàn)重復(fù)3次。

        1.2.2 蛋白質(zhì)回收率的測(cè)定

        蛋白質(zhì)回收率=[1-(絮凝后上清液中蛋白質(zhì)含量/魚(yú)糜漂洗液原液中蛋白質(zhì)含量)]×100%

        1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化FeCl3法回收蛋白質(zhì)的工藝條件

        在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,根據(jù)Box-Benhnken中心組合設(shè)計(jì)原理[10],選取pH(X1)、回收溫度(Temperature,T)(X2)與1% FeCl3溶液添加量(Addition of 1% FeCl3solution,AFS)(X3)3個(gè)因素作為自變量,以蛋白質(zhì)回收率(Y)作為響應(yīng)值,在pH(3、5、7)、回收溫度時(shí)間(60、65、70℃)和1% FeCl3溶液用量(1.0、1.5、2.0 mL)3因素3水平上對(duì)FeCl3法回收蛋白質(zhì)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化,并進(jìn)行驗(yàn)證。

        1.3 數(shù)據(jù)分析處理

        2 結(jié)果與分析

        2.1 各單因素對(duì)FeCl3法回收蛋白質(zhì)的影響

        2.1.1 FeCl3溶液添加量對(duì)蛋白質(zhì)回收率的影響

        FeCl3溶液添加量對(duì)回收魚(yú)糜漂洗液中的蛋白質(zhì)有明顯的影響,結(jié)果見(jiàn)圖1。在pH 7、回收溫度55℃和回收時(shí)間3 h的條件下,隨著FeCl3溶液添加量的增加,蛋白質(zhì)回收率隨之快速增加,這是由于Fe(OH)3的吸附作用引起的。所以,當(dāng)漂洗液中蛋白質(zhì)濃度較高時(shí),需要的FeCl3濃度相對(duì)較高,說(shuō)明FeCl3的用量和漂洗液蛋白質(zhì)的濃度存在一定的正相關(guān)關(guān)系[11]。當(dāng)1% FeCl3溶液添加量超過(guò)1.5 mL時(shí),蛋白質(zhì)回收率增加的趨勢(shì)變慢,因此,選擇FeCl3溶液的添加量為1.5 mL,此時(shí)蛋白質(zhì)回收率為75.33%。

        2.1.2 pH對(duì)蛋白質(zhì)回收率的影響

        pH對(duì)魚(yú)糜漂洗液中蛋白質(zhì)回收效果的影響如圖2所示。在回收溫度55℃、回收時(shí)間3 h和1% FeCl3溶液添加量為1.5 mL的條件下,隨著pH的增加,漂洗液中蛋白質(zhì)的回收率越來(lái)越高,當(dāng)pH為5時(shí),回收率最高,為58.29%。之后隨著pH的升高,蛋白質(zhì)的回收率逐漸下降。在弱酸性范圍內(nèi),隨著pH的升高,水解作用增強(qiáng)。當(dāng)pH達(dá)到5~6時(shí),F(xiàn)e3+轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3膠體,該膠體具有較強(qiáng)的吸附架橋和吸附電中和功能,使蛋白質(zhì)能夠得到最大程度的凝聚。但繼續(xù)增大pH,絮凝作用減弱,導(dǎo)致蛋白質(zhì)回收率下降[12]。因此,選擇pH 5作為后續(xù)優(yōu)化的條件。

        2.1.3 回收溫度對(duì)蛋白質(zhì)回收率的影響

        回收溫度對(duì)FeCl3法回收魚(yú)糜漂洗液中的蛋白質(zhì)有明顯的影響,結(jié)果如圖3所示,在pH 7、回收時(shí)間3 h和1% FeCl3溶液添加量為1.5%的條件下,隨著回收溫度的升高,蛋白質(zhì)回收率逐漸增高。當(dāng)溫度達(dá)65℃時(shí),蛋白質(zhì)的回收率最高,為88.39%。當(dāng)繼續(xù)提高溫度,蛋白質(zhì)回收率反而下降,這可能是因?yàn)楦邷厥沟鞍踪|(zhì)失去活性,造成蛋白質(zhì)脫附,導(dǎo)致回收率下降[13-14]。因此,回收溫度選擇65℃為宜。

        2.1.4 回收時(shí)間對(duì)蛋白質(zhì)回收率的影響

        在pH 7、回收溫度55℃和1% FeCl3溶液添加量為1.5 mL的條件下,回收時(shí)間對(duì)FeCl3回收魚(yú)糜漂洗液中的蛋白質(zhì)的影響較小,結(jié)果如圖4所示。Fe3+在很短的時(shí)間內(nèi)能夠轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3膠體?;厥? h時(shí)蛋白質(zhì)的回收率達(dá)60.22%,4 h 時(shí)回收率增加到61.99%,增加緩慢,此后繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間,蛋白質(zhì)回收率幾乎呈穩(wěn)定狀態(tài)。所以選取的回收時(shí)間為4 h。

        2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

        對(duì)各單因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行組間的顯著性分析[15]發(fā)現(xiàn),pH、回收溫度、1%FeCl3溶液添加量和回收時(shí)間4個(gè)因素在設(shè)定的水平之間的限制差異P值分別0、0、0、0.452,其中回收時(shí)間對(duì)蛋白質(zhì)回收率沒(méi)有顯著影響,所以選擇pH(pH/X1)、回收溫度(T/X2)和1%FeCl3溶液添加量(AFS/X3)為自變量,以蛋白質(zhì)回收率(RPR/Y)為因變量,應(yīng)用Design-Expert 8.0軟件,進(jìn)行3因素3水平的魚(yú)糜漂洗液回收工藝優(yōu)化,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

        表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

        從表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù),可以看出在不同pH、回收溫度和1%FeCl3溶液添加量的影響下,蛋白質(zhì)回收率各不相同。1%FeCl3溶液添加量在1.5~2.0 mL、回收溫度在60~65℃、pH在5~7時(shí),蛋白質(zhì)回收率達(dá)到最高值。

        根據(jù)Box Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了17組試驗(yàn),得到二次多項(xiàng)式擬合方程為:

        Y=93.21+9.40X1+1.37X2-3.39X3+1.62X1X2+5.51X1X3-0.33X2X3-8.71X12-12.39X22-10.64X32。

        根據(jù)二次模型的方差分析結(jié)果(表2),Y方程回歸模型的P值為0.035 2(<0.05),說(shuō)明模型達(dá)到顯著水平,失擬項(xiàng)P值為0.055 4,失擬不顯著,說(shuō)明方程擬合良好,回歸方程式具有可靠性。

        表2 蛋白質(zhì)回收率二次回歸方程方差分析結(jié)果

        續(xù)表2

        由表1和表2可以看出,各響應(yīng)因素影響程度:X1>X3>X2,即回收時(shí)pH對(duì)蛋白質(zhì)的回收率影響最大。

        3個(gè)因素對(duì)蛋白質(zhì)回收率影響交互作用的響應(yīng)面結(jié)果如圖5所示。隨著pH、溫度和1%FeCl3溶液添加量的增加,蛋白質(zhì)的回收率先升高后下降,3個(gè)因素的兩兩交互曲面整體呈現(xiàn)凸起,為倒“U”形,等高線呈橢圓形,說(shuō)明3個(gè)因素兩兩間存在一定的交互作用。

        利用Design-Expert 8.0軟件對(duì)響應(yīng)面結(jié)果進(jìn)行最優(yōu)化分析,以蛋白回收率為評(píng)價(jià)指標(biāo),確定回收魚(yú)糜漂洗液的最優(yōu)工藝為溫度65.44℃、pH 5.94、1% FeCl3溶液添加量1.37 mL,此時(shí)蛋白回收率達(dá)到最大值,為(96.47±0.953)%。為操作便利,將此條件調(diào)整為溫度65℃、pH 6、1% FeCl3添加量1.4 mL,并進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),計(jì)算蛋白質(zhì)的回收率為95.14%,與模型預(yù)測(cè)值沒(méi)有顯著性差異,說(shuō)明響應(yīng)面法得到的回歸模型具有一定的可靠性。

        3 結(jié)論

        在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,得出的試驗(yàn)結(jié)果是在pH為5~6、溫度為55~65℃、1%FeCl3溶液添加量為1.5~2.0 mL時(shí),蛋白質(zhì)回收率較高,達(dá)88.49%。通過(guò)響應(yīng)面法進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化,得到試驗(yàn)結(jié)果為10 mL魚(yú)糜漂洗液在溫度65℃、pH 6、1% FeCl3溶液添加量為1.4 mL時(shí),蛋白回收率達(dá)到95.14%。獲得的FeCl3法回收魚(yú)糜漂洗液中的蛋白質(zhì)優(yōu)化工藝,可進(jìn)行放大并被應(yīng)用于魚(yú)糜生產(chǎn)企業(yè);回收的蛋白質(zhì)可作為蛋白質(zhì)補(bǔ)充劑添加在魚(yú)粉、飼料中,有助于企業(yè)充分利用魚(yú)糜漂洗液的蛋白質(zhì),提高魚(yú)糜加工的附加值,減少排放漂洗液帶來(lái)的環(huán)境污染,降低污水處理成本,具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

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