王斌，尹春林，馬順友，袁小超，代廷凡，沈敏

（四川銀河化學(xué)股份有限公司，四川綿陽(yáng) 622650）

工業(yè)蛋白粉又稱工業(yè)水解蛋白、工業(yè)膠原蛋白，或工業(yè)水解明膠。產(chǎn)品性狀為白色粉末（微黃），體輕，易溶于水，水溶液清亮。工業(yè)蛋白有良好的絮凝性、保濕性、發(fā)泡性、粘合性等性質(zhì)，廣泛應(yīng)用在皮革鞣制、電解電鍍、消防發(fā)泡、發(fā)酵、化肥、建筑、膠粘劑、造紙業(yè)等行業(yè)[1，2]。

近年來(lái)皮革行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，產(chǎn)量不斷增加，含鉻皮革邊角料也成為了皮革行業(yè)的熱點(diǎn)[3]。制革過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生大量的修邊、削勻皮屑和殘次二層皮料[4]。據(jù)中國(guó)皮革協(xié)會(huì)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生約100 萬(wàn)噸的含鉻廢棄物[5]。常以三氧化二鉻或者同價(jià)態(tài)鉻鹽形式存在，大量的重金屬離子鉻排入環(huán)境會(huì)在人體內(nèi)富集，超過(guò)一定限度會(huì)對(duì)人內(nèi)臟，骨骼受損造成影響，危害人們的生產(chǎn)和生活，抑制動(dòng)植物的新陳代謝[6]；我們必須深刻的意識(shí)到，只有在保障環(huán)境與生態(tài)效益兼顧的前提下,皮革工業(yè)才能發(fā)展得越來(lái)越好[7]。

皮革制廢料處理是國(guó)內(nèi)外行業(yè)面臨的一個(gè)重大難題，為了保護(hù)環(huán)境，減少生產(chǎn)成本，人們一直尋求更好的解決方法。

本研究先對(duì)皮革廢料進(jìn)行堿處理，生成工業(yè)明膠后。再利用酶水解工業(yè)明膠，將過(guò)濾后的水解液蒸發(fā)濃縮，烘干后制成粉末，根據(jù)蛋白粉中水分占比、灰分占比、氮占比以及含鉻數(shù)量，探究并優(yōu)化制備工業(yè)蛋白粉的工藝。

1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

制備水解蛋白的工藝流程：用堿對(duì)皮革廢料進(jìn)行預(yù)處理后，進(jìn)行酶水解，獲得膠原蛋白水解液，然后經(jīng)過(guò)濾、中和調(diào)節(jié)、蒸發(fā)濃縮、干燥、制粉等工序制成工業(yè)蛋白粉。其水解的原理為：堿性條件下，OH-與Cr+3配位能力比膠原羧基與Cr+3的配位能力強(qiáng)的原理，生成的沉淀與膠原溶液分離[8]。降溫處理后，利用堿性蛋白酶對(duì)膠原溶液水解，使膠原蛋白的肽鍵斷裂，生成分子量更小、溶于水的水解蛋白和部分氨基酸。水解方程式如下：

1.2 主要儀器

DHG-9140 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DZKW 電子恒溫水浴鍋，DF-101S 集熱式磁力加熱攪拌器，JJ-1/160W 精密增力電動(dòng)攪拌器。

1.3 實(shí)驗(yàn)試劑

含鉻皮革廢料；自制表面活性劑；氧化鈣（石灰粉）；硫酸(分析純)；堿性蛋白酶。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 工藝處理

從堿法處理皮革廢料制取工業(yè)明膠工藝的探究中，得到最佳預(yù)處理工藝為：氧化鈣用量為12%、堿性蛋白酶、清洗時(shí)間為12 h,在此工藝條件下進(jìn)行提取蛋白粉工藝的優(yōu)化探究。降溫處理后，用堿性蛋白酶對(duì)膠原溶液進(jìn)行水解反應(yīng)。工藝流程如下：

鉻革屑加水制漿→堿水解→酶水解一次過(guò)濾→中和調(diào)節(jié)→二次過(guò)濾→蒸發(fā)濃縮→三次過(guò)濾→干燥制粉→工業(yè)蛋白粉

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 水解時(shí)間

探究最佳水解時(shí)間，具體步驟為：設(shè)置五組實(shí)驗(yàn)，每組將浸泡預(yù)處理好的膠原溶液裝進(jìn)燒瓶中進(jìn)行水解。水解時(shí)間分別為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，在水解溫度為55 ℃、液固比為6，水解pH 為6 條件下進(jìn)行，依次對(duì)各組制得的工業(yè)蛋白粉測(cè)定蛋白質(zhì)占比、灰分占比、水分占比以及含鉻量，從而確定最佳的水解時(shí)間[9]。

2.2.2 水解溫度

探究最佳水解溫度，設(shè)置五組實(shí)驗(yàn)，水解溫度依次為45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃。水解時(shí)間為4 h,其余實(shí)驗(yàn)條件不變，參照上述水解時(shí)間。依次對(duì)各組制得的工業(yè)蛋白粉測(cè)定蛋白質(zhì)占比、灰分占比、水分占比以及含鉻量，從而確定最佳的水解時(shí)間。

2.2.3 液固比的單因素實(shí)驗(yàn)

以液固比為變量，在最佳水解時(shí)間、水解溫度、水解pH 條件下，調(diào)整液固比為4、5、6、7、8，通過(guò)工業(yè)蛋白粉中的主要成分指標(biāo)確定最佳的水解液固比。液固比=液體質(zhì)量/固定質(zhì)量=（100-濃度）/濃度，質(zhì)量百分濃度的倒數(shù)等于液固比乘以100%。

2.3 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

本文中工業(yè)蛋白粉的蛋白質(zhì)占比、水分占比、灰分占比以GB 31645-2018 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 膠原蛋白肽》（GB 31645-2018）為參考，《肥料和土壤調(diào)理劑砷、鎘、鉻、鉛、汞含量的測(cè)定》（GB/T 39229-2020）中的標(biāo)準(zhǔn)作為含鉻量的參考。具體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值見(jiàn)表1[10]。

表1 工業(yè)蛋白粉的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Quality standards of Industrial protein powder

2.3.1 氮含量的測(cè)定

參照羅艷華等研究[11]進(jìn)行測(cè)定，含氮量的計(jì)算公式如下：

式中：

W—含氮量（%）；

c—標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的溶液濃度（0.1 mol/L）;

v1—滴定管的最初刻度（mL）；

v2—滴定管的最終刻度（mL）；

m—工藝蛋白粉的質(zhì)量（g）。

2.3.2 粗蛋白含量的計(jì)算

根據(jù)氮含量具體的數(shù)值，可以由公式（2）計(jì)算得出目標(biāo)產(chǎn)物中的粗蛋白的含量。

式中：P1—氮的含量（%）；

P2—粗蛋白含量（%）。

2.3.3 游離氨基含量的測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)參照徐英操等[12]的研究,采用OPA 法測(cè)定蛋白粉中的游離氨基酸的含量。

2.3.4 水分含量的測(cè)定

參照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》（GB 5009.3—2016）[13]。樣品中水分含量按公式（3）計(jì)算。

2.3.5 灰分含量的測(cè)定

取烘干磨細(xì)樣品5 g 放入已恒重的瓷坩堝中,均勻鋪層，置于馬弗爐中燒灼，逐漸升溫至560 ℃后,連續(xù)炙烤2 h，取出后置于干燥器中冷卻、稱量[14]。蛋白粉灰分占比的計(jì)算公式（4）：

式中：

H—灰分的占比（%）；

b1—蛋白粉的質(zhì)量（g）；

b2—炙烤后灰分與坩堝質(zhì)量（g）；

b3—坩堝的質(zhì)量（g）。

2.3.6 含鉻量測(cè)定

利用石墨爐原子吸收分光光度計(jì)，進(jìn)行含鉻量的測(cè)定[15]。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與探究

2.4.1 水解反應(yīng)時(shí)間

表2 不同水解時(shí)間下蛋白粉各項(xiàng)指標(biāo)的生成量Tab.2 production of various indexes of protein powder under different hydrolysis time

圖1 反映了隨著水解時(shí)間的變化，蛋白粉各項(xiàng)指標(biāo)的變化趨勢(shì)，從圖中可以得到：在水解溫度為55 ℃、液固比為6 的條件下，隨著水解時(shí)間的不斷增加，蛋白粉產(chǎn)率持續(xù)增大。當(dāng)水解時(shí)間為5 h 時(shí)，蛋白粉產(chǎn)率達(dá)到最大，氮含量達(dá)到最大值14.56%。在3 h 時(shí)出現(xiàn)了灰分含量的最低值5.15%。綜合考慮，選取5 h 為最優(yōu)水解時(shí)間，此時(shí)蛋白粉產(chǎn)率為91.42%、水分含量為5.1%、灰分含量為7.16%、氮含量為14.56%、含鉻量為106 mg/kg。

圖1 水解時(shí)間對(duì)蛋白粉質(zhì)量指標(biāo)的影響Fig.1 Effect of hydrolysis time on quality index of protein powder

2.4.2 水解溫度

通過(guò)對(duì)水解時(shí)間的探究（變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2，具體數(shù)值見(jiàn)表3），確定最佳的水解時(shí)間為5 h,因此設(shè)定水解溫度分別為：40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃六組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行制取工業(yè)蛋白粉溫度的探究，每組實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為5 h，其余實(shí)驗(yàn)條件維持不變。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到：隨著水解溫度的不斷提高，當(dāng)在55 ℃時(shí)，水解得到的蛋白粉產(chǎn)率最高，為93%，同時(shí)含鉻量驟降。主要是因?yàn)閴A性蛋白酶最佳適應(yīng)溫度為55～60 ℃，活性最高。隨著溫度不斷上升，蛋白酶失活，水解能力逐漸減弱。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到，55 ℃為最佳的水解溫度，此刻蛋白粉得率為93 %、水分占比為10.85 %、灰分占比為6.75 %、氮含量為14.2 %、含鉻量為78.81 mg/kg。

表3 不同水解溫度下蛋白粉各項(xiàng)指標(biāo)的生成量Tab.3 production of various indexes of protein powder at different hydrolysis temperatures

圖2 水解的溫度對(duì)蛋白粉質(zhì)量指標(biāo)的影響Fig.2 Effect of hydrolysis temperature on the quality of protein powder

2.4.3 液固比

水解時(shí)液固比的大小是含鉻革屑水解是否充分的關(guān)鍵因素，直接影響了工業(yè)蛋白粉的成分含量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：在固定水解時(shí)間為5 h、水解溫度55 ℃條件下，水解液固比變化對(duì)蛋白粉質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)產(chǎn)生的影響。液固比逐漸增大，蛋白粉的得率維持在73.2%以上，氮占比持續(xù)增加，在液固比處于4～6之間時(shí)含鉻量明顯減少，灰分占比當(dāng)液固比為6 時(shí)降至最小值。主要原因是：當(dāng)液固比比較小時(shí)，皮革廢料和堿液無(wú)法進(jìn)行完全反應(yīng)，造成部分皮革廢料不能被水解，導(dǎo)致水解反應(yīng)不徹底，所以在一定范圍內(nèi)液固比增大，蛋白粉的含鉻量迅速下降；而當(dāng)液固比過(guò)大時(shí)，反應(yīng)過(guò)程體系中的水分含量很高，使堿液被稀釋，近而削弱了水解力度。在液固比超過(guò)一定范圍時(shí)，蛋白粉中灰分占比及含鉻量都有所上升。綜上所述：選擇最佳水解液固比為6，此刻蛋白粉得率為89.8%、水分含量為6.3%、氮含量為13.5%、含鉻量為72.0 mg/kg。

表4 不同水解液固比對(duì)蛋白粉各項(xiàng)指標(biāo)生成量的影響Tab.4 Effect of liquid-solid ratio obtained by hydrolysis on quality indexes of protein powder

圖3 水解的液固比對(duì)蛋白粉質(zhì)量指標(biāo)影響Fig.3 Effect of hydrolyzed liquid-solid ratio on quality index of protein powder

3 結(jié)論

在利用皮革廢料制取工業(yè)蛋白的過(guò)程中，影響蛋白粉中蛋白質(zhì)、水分、灰分、含鉻量的重要因素主要包含水解時(shí)間、溫度、pH。根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)探究，得到了最佳的提取水解蛋白工藝為：水解反應(yīng)溫度55 ℃，時(shí)間5 h,液固比為6。通過(guò)以上工藝參數(shù)可以制得優(yōu)質(zhì)的工業(yè)蛋白粉。從皮革廢料中制取工業(yè)蛋白粉為皮革廢棄物的資源化利用提供了新的出路，對(duì)于國(guó)家治理皮革行業(yè)提供了有利的技術(shù)支撐。