Recovery of Proteins and Structural and Functional Properties of Corn Starch Processing Wastewater by Foam Separation Coupled with Ultrafiltration
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摘要: 为解决玉米淀粉加工废水中蛋白难回收问题，实现废水资源化利用。本研究提出了泡沫分离耦合超滤（Ultrafiltration，UF）的方法对其中的蛋白进行回收，探究了不同参数条件对蛋白截留率的影响。通过单因素实验及响应面试验确定最佳工艺参数，然后采取醇沉（Alcohol Precipitation，AP）、盐析（Ammonium Sulfate Precipitation，ASP）、大孔树脂（Macroporous Resin，MPRS）方法分别提取蛋白。利用扫描电镜、傅里叶红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）、紫外光谱和内源荧光光谱对蛋白结构进行鉴定。通过溶解度、持水力、吸油性、起泡及泡沫稳定性、乳化及乳化稳定性对三种方式提取的蛋白进行性质分析。最终确定了当废水pH为8、流速100 L/h、温度为40 ℃的最佳工艺参数，此时蛋白截留率最高可达到92.93%。AP蛋白呈乳白分散颗粒状；ASP蛋白呈乳白连续蓬松状；而MPRS蛋白呈微黄致密光滑状，且相比于另两种蛋白具有更好的溶解度、泡沫稳定性、乳化性和乳化稳定性。当pH为10时，MPRS蛋白乳化性和乳化稳定性达到最大，分别为5.62 m2/g和12.92 min，表明通过大孔树脂法提取的蛋白在食品工业领域具有更大的应用潜力。Abstract: In order to solve the problem of difficult recovery of protein in corn starch processing wastewater and realize the resource utilization of wastewater. In this study, the foam separation coupled with ultrafiltration (UF) method was proposed to recover the protein therein, and the effect of different parameter conditions on protein retention were investigated. The optimal process parameters were determined by single-factor and response surface design methods, and then alcohol precipitation (AP), ammonium sulfate precipitation (ASP), and microporous resin (MPRS) methods were then adopted to extract the protein, respectively. The protein structures were characterized by scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), ultraviolet spectroscopy, and intrinsic fluorescence spectroscopy. The properties of proteins extracted by three methods were analyzed by solubility, water-holding capacity, oil-absorbent property, foaming and foam stability, emulsifying and lactation stability. The optimal process parameters were determined when the pH of the wastewater was 8, the flow rate was 100 L/h, and the temperature was 40 ℃, at which the protein retention rate could reach up to 92.93%. AP protein was in the form of milky dispersed granules with poor stability. ASP protein was in the form of milky continuous fluffy with good water holding, oil absorption, and foam stability. MPRS protein was slightly yellowish, dense and smooth, and had better solubility, foam stability, emulsification and emulsion stability than the other two proteins. When the pH was 10, the emulsifiability and emulsion stability of MPRS protein reached the maximum of 5.62 m2/g and 12.92 min, respectively, indicating that the protein extracted by the macroporous resin method had a greater potential for application in the food industry.
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玉米是禾本科玉蜀黍一年生草本植物，在中国乃至全世界是一种非常重要的粮食和饲料作物，玉米中含有较多营养成分，在食用、药用方面具有巨大价值且加工性好[1]。玉米加工业的兴起促进了玉米产品附加值和玉米利用率的提高，玉米淀粉生产在食品工业中最为常见，玉米中淀粉含量为60%~72%，在生产加工过程中会产生大量的水，用水量约为5~13 m3/t。最后，大部分的水将作为废物排放，其中含有大量的水溶性物质如蛋白质等[2]，直接排放不仅浪费了蛋白资源，也污染了环境。目前在食品工业中，人们倾向于用植物蛋白代替动物蛋白，而玉米水溶蛋白可以从玉米淀粉加工废水中分离，是一种丰富经济的植物蛋白来源。由于玉米水溶蛋白在水中具有较好的溶解度，这些特性意味着它可以使用溶剂沉淀法创建富含蛋白质的结构（例如纳米颗粒、微米颗粒和纳米纤维），这些结构可用作食品中的功能成分[3]。目前，国内外有关废水中蛋白质回收利用的方法主要有沉淀、过滤、泡沫分离、膜分离等物理方法[4]；絮凝、吸附、催化氧化等化学方法[5]和活性污泥、厌氧法等生物方法[6]。但是，每种方法都有其自身的缺陷，如沉淀和过滤方法只适用于水的预处理或絮凝分离后处理；吸附法需要繁琐的前处理，而催化氧化法对工艺设备的要求较高，一般中小加工企业难以承受昂贵的成本，使用活性炭不仅后续回收麻烦且前期使用量巨大不适合大规模推广[7]；生物法通常需要其他技术相辅助，单独使用难以达到预期效果，但如果辅以其他技术则会使流程更加繁琐。
泡沫分离是利用气泡的吸附性，携带着具有表面活性的蛋白上浮于液体表面，然后通过收集并进行破泡来回收蛋白[8]。通过设计具有增强泡沫分离的正六边形中空柱内部组件，强化泡沫分离回收紫苏籽粕中的蛋白，最终富集度提高到了7.1，蛋白的总回收率为94.5%[9]。通过两级泡沫分馏技术回收乳清废水中的乳清大豆蛋白，富集比可以达到8.5，蛋白总回收率高达80%[10]。超滤则是以压力差为驱动力促进溶液中不同分子量分子的分离，溶液中的胶体颗粒、聚合物和糖类等被膜截留。近年来许多研究人员利用超滤系统从各种废水流中回收蛋白质或其他化合物。例如通过利用超滤和正向渗透工艺从乳品废水中回收了其中65%的碳水化合物和98%的蛋白质[11]。通过采用超滤和真空膜蒸馏的集成膜工艺从家禽加工废水中回收可溶性蛋白质，蛋白总回收率和平均浓缩度分别达到84%和9.3[12]。但泡沫分离的主要缺点是表面活性物质难以回收，泡沫塔内的返混严重影响分离的效率，而超滤对蛋白质的得率较高但具有浓差极化和膜污染的缺点。利用泡沫分离与膜分离进行内耦合可以有效解决上述难题。通过泡沫可以将一些污染物和蛋白从膜的一侧分离从而有效的缓解膜分离表面形成的浓差极化，利于膜分离的继续进行，而膜分离也可以提高泡沫分离的效率，通过将这两种方法相结合互促互进可以极大提高蛋白的回收。有学者对此种方法回收蛋白进行了相关探索，Mu等[13]采用超滤装置对泡沫分离法所得的甘薯蛋白进行浓缩后，采用阴离子交换柱DEAE-52以及凝胶色谱柱SephadexG-75对其进行分离和纯化，并用电泳对纯化的泡沫甘薯蛋白进行鉴定结果表明甘薯蛋白纯度较高。
本研究旨在为回收玉米淀粉加工废水中的蛋白质提供一种新的有效方法。首先，用泡沫分离耦合超滤的方法回收蛋白，重点研究不同参数（pH、温度、流速）对玉米水溶蛋白总回收效率的影响，分别使用醇沉、大孔树脂静态吸附、盐析方法对玉米水溶蛋白进行纯化，对获得的玉米水溶性蛋白的理化性能和结构进行表征分析。综上所述，本研究报道了一种能够回收玉米淀粉废水中蛋白的方法，将为玉米淀粉加工废水的资源化利用和后续的玉米水溶蛋白研究提供理论参考。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
玉米种子 由中国黑龙江省哈尔滨市万硕玉米种植专业合作社提供，型号为天农9号，本研究中使用的玉米经我们研究小组进行调查，其蛋白质含量为8.89%±0.28%；金龙鱼一级大豆油 来自上海嘉里食品工业有限公司；本实验中使用的所有化学品（亚硫酸、乳酸、无水乙醇、硼酸、醋酸、磷酸、氢氧化钠） 均来自天津市科密欧化学试剂有限公司，为国产分析纯。
UV-2600型紫外可见分光光度计、F-6000荧光分光光度计 日本岛津仪器有限公司；MAGNA-IR560傅里叶变换红外光谱仪 美国尼高力仪器股份有限公司；电热恒温鼓风干燥箱 上海新苗医疗器械制造有限公司；S-3400N钨灯丝扫描电子显微镜 日本日立科学仪器有限公司；NANO ZS90粒度和电位分析仪 英国马尔文仪器有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 玉米淀粉加工废水制备
本试验通过模拟工厂湿法制淀粉的工艺在实验室中进行废水制备。取600 g玉米加入1.8 L含有0.2%亚硫酸、0.5%乳酸的蒸馏水中，置于恒温水浴锅52 ℃浸泡48 h后，将玉米与浸泡液分离，玉米加入3 L水进行粉碎过滤去除胚皮，将滤液于离心机中3500 r/min离心10 min，去除沉淀物，取上清液与浸泡液结合，即得玉米淀粉加工废水。
1.2.2 泡沫分离耦合超滤
20 L玉米淀粉加工废水调节pH后倒入泡沫分离装置中进行泡沫分离，设置容器压力为0.4 MPa，回流比为10%，时间为50 min，取泡沫层，当泡沫化水后，收集2 L废水并调节温度，将其置于超滤装置中，设置电压为220 V，频率50 Hz，功率2.0 kW，通过调节流速用5 kDa的膜浓缩为200 mL，即得到玉米水溶蛋白粗提液。
1.2.3 单因素实验
1.2.3.1 pH对截留率的影响
设置废水温度为40 ℃，流速为100 L/h，分别在pH为4、5、6、7、8、9时测定蛋白截留率。
1.2.3.2 温度对截留率的影响
设置pH为8，流速为100 L/h，分别在20、25、30、35、40、45 ℃时测定蛋白截留率。
1.2.3.3 流速对截留率的影响
设置pH为8，废水温度为40 ℃，分别在流速为50、75、100、125 L/h时测定蛋白截留率。
1.2.4 响应面试验
根据Box-Behnken原理设计实验，在单因素实验的基础上采用响应面分析方法（三因素三水平）进行参数优化[14]。选择温度、pH、流速三个因素为自变量，以蛋白截留率为指标通过双缩脲法测定蛋白浓度，评价蛋白回收效果（表1）。
表 1 响应面试验因素水平设计Table 1. Response surface test factor level design因素 编码 水平 −1 0 1 pH A 7 8 9 温度（℃） B 35 40 45 流速（L/h） C 75 100 125 1.2.5 蛋白截留率的计算
根据式（1）计算蛋白截留率。
蛋白截留率(%)=(1−CtC0)×100 (1) 式中：Ct是透过液中蛋白浓度，mg/mL；C0是原料液即泡沫液中蛋白浓度，mg/mL。
1.2.6 蛋白提取
1.2.6.1 盐析法
取烧杯装入40 mL蛋白粗提液，分别加入一定量的固体硫酸铵，使饱和度达到50%，充分溶解后搅拌1 h，常温下静置过夜，9000 r/min离心10 min，收集沉淀，加水复溶，透析48 h，离心取上清液进行冻干获得蛋白粉末。
1.2.6.2 醇沉法
取粗提液和无水乙醇按1:4进行混合，4 ℃冰箱中静置1 h，9000 r/min离心10 min，收集沉淀，加水复溶，离心取上清进行冻干获得蛋白粉末。
1.2.6.3 大孔树脂吸附法
取4 g型号为AB-8树脂加入80 mL无水乙醇浸泡24 h，然后用乙醇冲洗树脂至无浑浊出现，再用蒸馏水将其洗出至无乙醇味道。再用5%的稀盐酸溶液浸泡8~12 h，蒸馏水淋洗至洗出液中性。再用5%的氢氧化钠溶液浸泡8~12 h，蒸馏水淋洗至洗出液中性。取4 g预处理后的树脂加入100 mL锥形瓶中，添加80 mL粗提液，保鲜膜封口，恒温35 ℃摇床避光充分振荡12 h后过滤，将滤出的树脂加入质量分数为70%的乙醇溶液100 mL，放入水浴振荡器中振荡12 h，所得滤液50 ℃烘出乙醇，加适量水冻干，获得蛋白粉末。
1.2.7 玉米水溶蛋白结构表征
1.2.7.1 蛋白形态与结构
通过扫描电子显微镜（SEM）对蛋白的微观形貌进行观察，样品经溅射喷金后，置于工作电压为15 kV的扫描电子显微镜观察、拍照。
1.2.7.2 粒径和Zeta电位的测定
采用粒度及电位分析仪测定蛋白粒径与Zeta电位。
1.2.7.3 傅里叶红外光谱
将回收的蛋白样品进行红外吸收光谱分析，采用溴化钾压片法[15]，扫描范围在4000~400 cm−1，扫描次数为64次，分辨率为4 cm−1。准确称取2 mg干燥的玉米水溶蛋白和200 mg干燥的溴化钾粉末，在研钵中研磨混合均匀压片，将厚度均匀的薄片迅速放入傅里叶变换红外光谱仪中进行扫描，采用Peakfit 4.12软件，利用高斯曲线拟合方法拟合α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲的特征峰，计算其含量。
1.2.7.4 紫外光谱学
紫外光谱用紫外可见分光光度计进行测定。用磷酸缓冲液（0.01 mol/L，pH为7）将蛋白配制为2 mg/mL的溶液，所记录的紫外吸收光谱在波长200~450 nm的范围内，裂缝宽度为5 nm。
1.2.7.5 内源荧光光谱
将蛋白粉溶于0.01 mol/L、pH7.0的PBS磷酸盐缓冲液中，使溶液中蛋白质量浓度达到1 mg/mL。通过荧光分光光度计选择激发波长为290 nm、激发狭缝5 nm，设置发射波长范围为300～510 nm，240 nm/min的扫描速率，测定荧光强度，每组样品进行3次测定，取平均值后得到荧光光谱图。
1.2.8 玉米水溶蛋白性质分析
1.2.8.1 氮溶解指数的测定
Britton-Robinson缓冲液的配制：Britton-Robinson缓冲液（B-R缓冲液）是离子强度为0.5的三酸混合液（0.04 mol/L的磷酸、醋酸和硼酸）[16]，通过加入不同体积的NaOH溶液（0.2 mol/L）调节pH至2~12配制而成的广泛缓冲液。配制100 mL B-R缓冲液所需的0.2 mol/L的NaOH溶液体积与缓冲液pH的对照表如表2。
表 2 每100 mL B-R缓冲液中NaOH溶液体积Table 2. Volume of NaOH solution in 100 mL Britton-Robinson bufferpH 2 4 6 8 10 12 NaOH溶液体积 （mL） 5.0 25.0 42.5 60.0 77.5 97.5 双缩脲法测定蛋白溶解性：取0.2 g玉米水溶蛋白样品于20 mL不同pH的B-R缓冲液中，配制成pH为2、4、6、8、10、12的质量分数为1%蛋白样品悬浮液，室温下磁力搅拌1 h，然后离心，测上清液中蛋白浓度（mg/mL），根据式（2）计算氮溶解指数。
NSI(%)=C×Vm×1000×100 (2) 式中：NSI表示氮溶解指数，%；C表示上清液蛋白浓度，mg/mL；V表示上清液的体积，mL；m表示蛋白质量，g。
1.2.8.2 持水性的测定
将0.2 g蛋白样品加入20 mL不同pH的B-R缓冲液，搅拌均匀后静置30 min，离心去除上清液，用滤纸吸干离心管口和内壁附着的水，分别测量离心管质量、加入干燥样品后的质量、吸水后样品与离心管的总质量，根据式（3）计算持水性。
WHC(g/g)=m3−m2m2−m1 (3) 式中：WHC表示持水性，g/g；m1表示离心管质量，g；m2表示干燥蛋白粉和离心管的总质量，g；m3表示吸水后蛋白和离心管的总质量，g。
1.2.8.3 吸油性的测定
将0.1 g蛋白样品加入2.5 mL精制大豆油，搅拌均匀后静置30 min，离心去除上清液，用滤纸吸干离心管口和内壁附着的油脂，分别测量离心管质量、加入干燥样品后的质量、吸油后样品与离心管的总质量，根据式（4）计算吸油性。
OAC(g/g)=m3−m2m2−m1 (4) 式中：OAC表示吸油性，g/g；m1表示离心管质量，g；m2表示干燥蛋白粉和离心管的总质量，g；m3表示吸油后蛋白和离心管的总质量，g。
1.2.8.4 乳化活性与乳化稳定性
采用浊度法测定[17]：取质量分数为1%的蛋白溶液9 mL（蛋白配制于pH2~12的B-R广泛缓冲液中），加入3 mL大豆油，高速剪切分散机（转速10000~12000 r/min）分散1 min，迅速用移液枪从底部取40 μL乳状液，加到8 mL质量分数为0.1%的SDS缓冲溶液中，振荡摇匀，于500 nm波长处进行测定，记录吸光值A0，10 min后继续测定吸光值A10，根据式（5）和（6）计算乳化活性指数（EAI）和乳化稳定性指数（ESI）。
EAI(m2/g)=2×2.303×A0×NC×φ×10000 (5) ESI(min)=A10A0−A10×10 (6) 式中：EAI表示乳化活性指数，m2/g；ESI表示乳化稳定性指数，min；N表示稀释倍数，200；C表示乳状液形成前蛋白质水溶液中蛋白质质量浓度，g/mL；φ表示乳状液中油相体积分数，25%。
1.2.8.5 起泡性及泡沫稳定性
取蛋白加入到不同pH的B-R缓冲液中配制成20 mL质量分数为1%的溶液，以10000 r/min均质2 min。将均质后的样品迅速转移到量筒中，在均质化0和30 min读取泡沫体积，根据公式计算起泡性FA及泡沫稳定性FS。
FA(%)=V1V0×100 (7) FS(%)=V2V1×100 (8) 式中：FA表示起泡性，%；FS表示泡沫稳定性，%；V0是溶液的初始体积，mL；V1是搅拌后泡沫的体积，mL；V2是静置30 min后泡沫的体积，mL。
1.3 数据处理
至少使用三次数据重复来计算平均值，利用响应面法和期望函数对工艺进行优化。使用SPSS17.0程序对数据进行统计分析，不同表中的值均表示为平均值±标准差，并使用单因素方差分析（ANOVA）进行处理，采用T-student检验（P<0.05）确定拟合模型各系数的显著性，使用Design Expert 13.0通过双缩脲法估计结果，采用决定系数（R2）评价检验的拟合性。
2. 结果与分析
2.1 泡沫分离耦合超滤法回收蛋白质工艺优化
2.1.1 单因素实验
如图1A所示，随着pH的增大，蛋白截留率呈先增大再减小趋势（P<0.05）。当pH为4时，截留率最低，为65.22%，这可能是因为当pH接近等电点时，蛋白溶解度最低，导致水体中蛋白含量低从而影响了蛋白的浓缩。随着pH的增大（5~8），蛋白的溶解性提高，截留率也随之提高，而pH继续增大，则会导致蛋白发生变性[18]，从而截留率降低；如图1B所示，随着废水温度的升高，蛋白截留率先增大再减小（P<0.05），当温度为40 ℃时，截留率最高，为93.87%，可能由于超滤膜本身受温度影响较大，在废水温度变化时，截留率存在极值点；如图1C所示，当流速为100 L/h时蛋白截留率最高，为89.29%，这可能是因为当流速过低时，未能达到超滤膜的最佳使用状态，高渗透通量会导致溶质向膜的高迁移，并在膜表面形成选择性层，从而导致严重的污染。在过滤过程中，玉米蛋白提取物中的颗粒与膜之间能够形成污垢与表面的粘附，这主要归因于范德华引力、氢键和疏水相互作用，这些因素都是由于膜孔堵塞或膜表面有饼层而导致膜阻力增大的原因，当流速过高时，膜表面压力增大易对膜造成损坏，导致蛋白泄露，因此蛋白质回收过程效率低。
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图 1 单因素对蛋白截留率的影响注：A. pH；B. 温度；C. 流速；不同字母表示存在显著差异 （P<0.05）。Figure 1. Effect of single factor on protein retention rate2.1.2 响应面试验设计及结果
基于单因素实验结果，设定响应面考察因素为pH（A）、废水温度（B，℃）、废水流速（C，L/h），自变量的低、中、高水平用−1、0、1代替。以玉米水溶蛋白截留率为响应值，根据Box-Behnken中心设计原理，进行三因素三水平共计17个实验点的响应面设计。按响应面设计表进行实验，进而二次回归拟合所得的数据，
最终得到一个含有交互项平方和的二次方程。在一定因素水平范围内分析各自的主效应和交互效应，最终得到最佳值。使用Design Expert 13.0统计分析软件对实验数据进行多元回归分析，并通过F值、P值和方差分析检验此模型方程中多项式各系数的回归拟合情况，结果见表3。
表 3 响应面试验设计与结果Table 3. Design and results of response surface test试验号 因素 蛋白截留率（%） pH（A） 温度（B） 流速（C） 1 −1 −1 0 87.78 2 1 −1 0 89.32 3 −1 1 0 88.43 4 1 1 0 88.57 5 −1 0 −1 87.57 6 1 0 −1 89.60 7 −1 0 1 89.83 8 1 0 1 90.04 9 0 −1 −1 90.86 10 0 1 −1 87.95 11 0 −1 1 90.34 12 0 1 1 90.84 13 0 0 0 93.18 14 0 0 0 93.22 15 0 0 0 92.87 16 0 0 0 92.74 17 0 0 0 92.69 表中1~12代表析因实验，重复的13~17为中心实验。将17个实验点划分成析因点和零点，将自变量设置为析因点，在由A、B、C所构成的三维顶点上进行取值；以区域中心作为零点进行重复实验估计实验误差。
分析自变量和因变量以获得可以预测给定范围内的响应的回归方程。蛋白质截留率（Y）的回归方程如下：
Y=92.94+0.49A−0.3137B+0.6338C−0.35AB−0.455AC+0.8525BC−2.58A2−1.84B2−1.1C2
由表4可知，整个模型的P<0.01，标志着该模拟二次方程高度显著，说明该方程模型真实的三因素三水平的分析是可行的。pH和废水温度对蛋白截留率有极显著影响，废水流速有显著影响。交互项BC对截留率有极显著影响，二次项A2、B2、C2是极显著的，说明各试验因素对响应面的影响不是简单的线性关系，回归方程相关系数R2=0.9848，说明该方程具有较好的回归效果，方程的自变量与因变量之间具有明显的线性关系，表明98.48%的数据可以用该方程解释，R2adj=0.9652，说明该模型的精密度好，可信度高。模拟失拟项表示模型预测值与实际值不相符的概率大小，表中失拟项为0.7198>0.05，表明不显著，说明此回归方程能较好的拟合真实的响应面，模型选择较为合适，在本实验中对蛋白截留率影响最大的是流速，其次是pH，最后是温度。
表 4 响应面模型方差分析结果Table 4. ANOVA results of response surface model来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 方程 62.26 9 6.92 50.27 <0.0001** A 1.92 1 1.92 13.96 0.0073** B 0.7875 1 0.7875 5.72 0.048* C 3.21 1 3.21 23.35 0.0019** AB 0.49 1 0.49 3.56 0.1011 AC 0.8281 1 0.8281 6.02 0.0439* BC 2.91 1 2.91 21.13 0.0025** A2 27.95 1 27.95 203.09 <0.0001** B2 14.24 1 14.24 103.46 <0.0001** C2 5.13 1 5.13 37.28 0.0005** 残差 0.9632 7 0.1376 失拟项 0.7198 3 0.2399 3.94 0.1091 纯误差 0.2434 4 0.0609 总和 63.22 16 注：“*”表示差异显著（P<0.05），“**”表示差异极显著（P<0.01）。 2.1.3 交互作用分析
pH、流速、温度因素两两交互对蛋白截留率的影响见图2。由图可以看出温度和流速有着极显著的交互作用，pH和流速存在显著的交互作用，pH和温度交互作用不明显。
对响应面结果利用软件进行最优化分析，以蛋白截留率最大为评价指标，确定回收玉米淀粉加工废水的最佳工艺是pH8.075，温度39.84 ℃，流速为106.478 L/h，此时蛋白截留率为93.04%。考虑到生产实际和可操作性，将最优工艺参数定位pH8，温度40 ℃、流速为100 L/h。为了验证预测结果，采用优化工艺结果进行实验，重复3次，平均截留率为92.93%±0.25%，证明了最优回收条件的可靠性。
2.2 蛋白质的结构表征
2.2.1 蛋白的宏观和微观形貌
分别通过AP、MPRS和ASP的方法提取浓缩液中的蛋白，通过冻干最终获得干燥的蛋白粉末，其宏观形貌如图3所示，可以看出AP蛋白呈乳白分散颗粒状，MPRS蛋白呈微黄致密光滑状，而ASP蛋白呈乳白连续蓬松状。蛋白质的微观结构反应了蛋白质分子的聚集状态，对蛋白质的品质特性差异有重要影响[19]。三种提取法所制备的蛋白颗粒大小不一，由图3可以看出不同方法所提取的蛋白表面形状不同，受不同分子间相互作用力的影响，蛋白的聚合程度和分子间连接紧密度也不同，AP蛋白结构疏松、颗粒表面粗糙，MPRS蛋白受破坏程度最小，表面最光滑，ASP蛋白的空间结构较为连续，块状表面有些许蜂窝和孔洞，对其结构影响较小。AP蛋白较分散，且多呈颗粒状，颗粒表面粗，MPRS蛋白颗粒普遍较小，颗粒表面较光滑，说明树脂法对蛋白的破坏较小，而ASP蛋白相对来说比较聚集，但表面些许的孔洞也表明了盐析法对蛋白的微观结构也产生了一定的影响。从三种蛋白质的物理形态来看，蛋白的微观结构都发生了一定变化，其中MPRS的影响最小，AP的影响最大。而蛋白的空间结构，也会影响着蛋白的整体持水能力和结合能力。
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图 3 不同提取方式的蛋白形貌注：A. AP蛋白的宏观形态；B. AP蛋白放大1000倍；C. AP蛋白放大3000倍；D. AP蛋白放大5000倍；E. MPRS蛋白的宏观形态；F. MPRS蛋白放大1000倍；G. MPRS蛋白放大3000倍；H. MPRS蛋白放大5000倍；I. ASP蛋白的宏观形态；J. ASP蛋白放大1000倍；K. ASP蛋白放大3000倍；L. ASP蛋白放大5000倍。Figure 3. Morphological appearance map of protein under different extraction methods2.2.2 粒径和Zeta电位
蛋白聚集体的形成通常用粒径来表示，较为直观[20]。如图4所示，蛋白溶液中蛋白颗粒聚集体的大小可以用平均粒径表示，从图中可见AP蛋白聚集体的平均粒径较小，为331 nm，PDI为0.31，而MPRS蛋白聚集体平均粒径为565.5 nm，ASP蛋白聚集体平均粒径为567.6 nm，PDI分别为0.86和0.32，AP蛋白聚集体粒径较小这可能是因为蛋白经过乙醇作用，蛋白内部结构发生变化，由聚集变为伸展，分子之间的相互作用力减弱，亚基解离导致粒径变小。AP蛋白和ASP蛋白的PDI较小（PDI<0.5）表明蛋白质分散性良好，纳米颗粒的分布较为均匀，而MPRS蛋白聚集体PDI较高为0.86，表明蛋白存在团聚行为。由图4可以看出AP蛋白粒径分布呈现双峰趋势，由58.8~1280 nm的大峰和3580~6440 nm的小峰构成。而MPRS蛋白则是以2.7~6.5 nm和190~712 nm的大峰为主另有1.5~2.7 nm的小峰共三峰构成，ASP蛋白也呈三峰趋势，即255~1720 nm的大峰和106~255 nm、4800~5560 nm的两个小峰，说明AP蛋白与另两种蛋白相比较为聚集而稳定性较差。
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图 4 不同方式提取蛋白粒径大小及分布图注：不同字母表示存在显著差异 （P<0.05），图8同。Figure 4. Size and distribution of protein particles extracted in different methodsZeta电位是描述蛋白颗粒表面电荷特性的物理量。它是指蛋白颗粒与周围溶液界面处的电势差，也就是剪切面的电位。Zeta电位的绝对值大小则可以用来表示溶液的稳定性。三种方法获得的蛋白质的电位分别为AP蛋白−0.22±0.09 mV、MPRS蛋白−0.93±0.05 mV、ASP蛋白−3.83±0.10 mV，所有蛋白样品的Zeta电位值均为负值，说明蛋白质表面存在负电荷，通过不同方式提取蛋白的Zeta电位值存在显著差异（P<0.05）。通常来说，当蛋白溶液的Zeta电位绝对值较大时，说明蛋白表面同种电荷较多，由于同性相斥作用蛋白往往较为分散而不聚集，从而使溶液更为稳定而不易出现沉淀现象，相反当电位绝对值较小时，溶液中蛋白往往趋于聚集而导致溶液稳定性较差。可以看出AP蛋白电位绝对值小于MPRS蛋白和ASP蛋白，说明AP蛋白的稳定性相对于另两种方法较差，这与本研究中粒径的分析结果一致。
2.2.3 傅里叶红外光谱
从氨基酸的组织结构来看，蛋白内部结构可分为一级、二级、三级和四级结构，通常在氨基酸按序列连接（一级结构）之后和蛋白质折叠（三级结构）之前形成的三维局部片段称之为蛋白的二级结构。主要基团为α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲（无序结构）。如图5A所示。三种方法提取的蛋白在400~1700 cm−1处有多个吸收峰，酰胺A带（3200～3400 cm−1）代表N-H和O-H的伸缩振动，AP蛋白在此处的吸收峰强度高于其他两组，说明肽链上的氢原子更容易参与反应，因此AP蛋白的结构更加灵活，C-H伸缩振动由2960 cm−1处的特征峰表示，表明MPRS蛋白存在更强的疏水性作用力[21]。在傅里叶红外光谱中常用酰胺Ⅰ带（1600~1700 cm−1）表示蛋白的二级结构，其中1600~1640 cm−1表示β-折叠，1650~1660 cm−1表示α-螺旋，1660~1700 cm−1表示β-转角，1640~1650 cm−1表示无规则卷曲[22]。将红外光谱数据经过软件拟合计算处理得到的三组蛋白二级结构相对含量如图5B，在二级结构中β-折叠、β-转角和无规则卷曲的含量占大部分，而α-螺旋的含量较少，一般认为α-螺旋相对比例越高，表明蛋白质结构越稳定，MPRS蛋白中α-螺旋含量为10.85%，比AP蛋白和ASP蛋白分别高2.32%、1.91%，而AP蛋白的α-螺旋相对含量最低，说明AP方法会破坏蛋白有序的空间结构，与Zeta电位中AP蛋白电位较大结果相一致，表明此方法得到的蛋白稳定性较差。
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图 5 不同方式提取蛋白结构注：A. 蛋白的傅里叶红外光谱图，a. ASP蛋白；b. MPRS蛋白；c. AP蛋白；B. 蛋白的二级结构含量；C. 蛋白的紫外可见光谱图；D. 蛋白的内源荧光光谱图。Figure 5. Structures of proteins extracted in different methods2.2.4 紫外可见光谱分析结果
蛋白质的紫外吸收强度常与其侧链上的芳香族氨基酸紧密相关，且随着芳香族氨基酸数目的增大而增强，呈正比关系。由图5C可知ASP蛋白和MPRS蛋白的最大紫外吸收波长为340 nm左右，这是由蛋白内部的色氨酸和酪氨酸残基形成的。可以看出不同提取方法下的紫外吸光值的趋势基本一致，而吸光值又各不相同，说明色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的数量在这两种蛋白侧链上的数目不同但又差距不大，而通过AP蛋白质吸光值最低，产生这种结果的原因是乙醇影响蛋白导致蛋白质构象发生改变，进一步证明了不同提取方法对蛋白的三级结构有一定的影响。
2.2.5 内源荧光光谱分析结果
当蛋白中的色氨酸残基所处的环境和蛋白质折叠（三级结构）发生变化且极为细微时，通过内源性荧光也能及时的发现这些变化，因此人们也常用内源荧光光谱来测定蛋白的三级结构[23]。当周围的环境极性较强使色氨酸残基暴露其中时，最大发射波长（λmax）也会发生红移。如图5D所示，不同提取方法下蛋白质的荧光强度具有一定差异，AP蛋白λmax为365 nm，而MPRS蛋白和ASP蛋白λmax分别为495 nm和455 nm且荧光强度低，这也表明色氨酸残基暴露于更亲水的环境。这种现象是由于蛋白质分子的部分解折叠，从而将蛋白质表面上的更多非极性基团暴露于周围的水环境。更高的λmax值也表明蛋白更加亲水。由图可知，AP蛋白荧光强度最高，而ASP蛋白荧光强度最低，荧光强度高说明蛋白的三级结构舒张程度最大，卷曲程度最低。荧光强度低则说明蛋白空间构象较紧密，游离的色氨酸、酪氨酸很少，蛋白构象内不同多肽链间卷曲程度最大，分子间碰撞产生更多交联反应，引起更多的荧光猝灭[24]。
2.3 蛋白的性质
2.3.1 蛋白质溶解度
蛋白质溶解度是指蛋白质分子和水分子之间发生相互作用的综合结果，通常认为溶解度受到许多因素的影响[25]，AP蛋白溶解度较低可能是由于蛋白在乙醇溶液处理下发生了变性，失去了可溶性且结构变得松散，暴露出更多的疏水基团，导致样品溶解度降低[26]。而MPRS蛋白溶解度最高也说明了这种方法处理蛋白效果最为温和。从图6可以看出，当pH在2~4时，溶解度不断减小，因为pH接近等电点时，溶解度最小。当pH大于4时，溶解度不断增加，在pH为10时，蛋白质溶解度达到最大。这是因为在碱性环境中，蛋白氨基的质子被脱去和羧基发生电离，导致溶液中负电荷逐渐增多，进而溶解性增大，但是随着碱性继续增强，导致蛋白质发生变性，溶解度下降。
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2.3.2 蛋白质持水性和吸油性
持水性和吸油性是蛋白质的两个重要指标，它们在很大程度上影响着产品的风味、形态外貌和质构，也与后续产品的保温储藏密切相关[27]。持水性是描述蛋白质抵抗重力吸收和结合水分子的能力。持水性可以很好的表示出作为产品最基础成分的蛋白质对整个产品的粘度、质地的影响。由图7可以看出，蛋白质的吸水性随着pH的增大呈先降低后增加再降低的趋势，在pH为4时蛋白质吸水性最低，这是因为pH接近等电点，蛋白质-水分子间结合的能力最弱，随着pH的升高，偏离等电点，蛋白质的吸水能力随之增强。但是碱性继续增强，蛋白会发生变性，所以吸水性变弱，该现象进一步说明了pH对蛋白的吸水性有较大影响。
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图 7 不同方式提取蛋白持水性Figure 7. Water holding capacity of proteins extracted by different methods蛋白质结合脂质的能力通常用吸油性来表示，常用作蛋白质分离物/浓缩物的乳化和增稠特性的参考[28]。OAC值作为衡量蛋白质吸油能力的重要指标[29]，可以反映蛋白质的疏水能力，蛋白质吸附油的过程可以形成蛋白质-油复合物。如图8所示，ASP蛋白吸油性最高为11.6 g/g，AP蛋白和MPRS蛋白吸油性分别为6.3 g/g和5.1 g/g，这是因为ASP蛋白结构中能含有较多的可与酯类相结合的氨基酸，而脂肪的烃链通过与蛋白质侧链的一些非极性基团相结合，会使得更多的油被吸收而具有较高的吸油性，而MPRS蛋白所含的非极性氨基酸含量较少并且临近的蛋白质分子之间会产生空间阻断，可以阻止蛋白质进一步吸附油，导致OAC降低，所以吸油性最差。
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图 8 不同方式提取蛋白吸油性Figure 8. Oil absorption capacity of proteins extracted by different methods2.3.3 蛋白质乳化性和乳化稳定性
蛋白质乳化性是指蛋白与水油作用形成乳状物的能力，乳化稳定性是指该乳状物维持稳定存在的能力，通常用乳化活性指数EAI和乳化稳定性ESI来评价蛋白质的乳化性能。图9为三种蛋白的乳化性结果对比，图9为乳化稳定性对比，可以看出其中MPRS蛋白乳化性和乳化稳定性较好，蛋白的乳化性和乳化稳定性与蛋白的溶解度呈正相关。从图9中可以看到，在pH4左右，三种蛋白的乳化性最低。结合溶解度结果，当pH为4时玉米水溶蛋白的溶解度最小。在等电点时，蛋白质的静电荷为0，蛋白质之间相互聚集在一起沉入底层，这也导致在上层的油水界面蛋白含量较少，从而导致较差的乳化性。在pH4~10时，乳化性随着pH上升而增高，在pH10时乳化性最大，这可能是由于电荷作用，油水界面上吸附的蛋白质较多，乳化性较高。从图9看出，当pH为4时蛋白的乳化稳定性达到最低。这可能是由于蛋白质的溶解度减小，导致在O/W界面吸附的蛋白质减少，进而稳定界面的薄膜受到破坏，容易发生絮集，从而导致ESI值的减小。随着pH偏离等电点，使得更多的蛋白质吸附到油水界面处，形成的界面膜之间的静电斥力变大，有助于抑制它们的合并作用，提高了乳化稳定性。这表明蛋白质的乳化性能与其氨基酸组成、电荷分布、分子大小和构象有关，因而说明不同提取方法对蛋白质特性产生了一定影响。
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图 9 不同方式提取蛋白乳化性和乳化稳定性Figure 9. Emulsifiability and emulsion stability of proteins extracted in different methods2.3.4 蛋白质起泡性和泡沫稳定性
蛋白质泡沫是蛋白质液体薄膜包裹气泡的两相体系，评价蛋白质发泡特性的主要指标包括起泡性（FA）和泡沫稳定性（FS）[30]。图10和图10分别为蛋白起泡性和蛋白泡沫稳定性结果。由图10可知，三种方法提取的蛋白起泡性在接近等电点时最低，在pH10时达到最高。ASP蛋白起泡性最好，在pH10时达到最大为186.29%，而AP蛋白起泡性较差，在pH4时仅为26.32%。结果表明ASP处理通过改变蛋白质分子周围的环境从而柔化蛋白的分子侧链，使得蛋白在溶液中可以更加效率的运动，从而获得更好的起泡性。由图10可知，MPRS蛋白则具有较好的泡沫稳定性，当pH为10时为53.92%，说明蛋白表面具有较强的粘性，此粘性可以在泡沫的析出时起到很好的阻碍作用。泡沫稳定性也在很大程度上受蛋白溶解度的影响，蛋白的溶解度越大，蛋白就越容易在空气和水相中吸附扩散，越易形成一个三维空间保护网络，从而泡沫的稳定性越强。而从溶解度来看结果也吻合，MPRS蛋白溶解度较高，因此也具有较强的泡沫稳定性。
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图 10 不同方式提取蛋白起泡性和泡沫稳定性Figure 10. Foaminess and foam stability of proteins extracted in different methods3. 结论
本研究探索了一种从玉米淀粉加工废水中回收蛋白的新工艺即泡沫分离耦合超滤法。先调节废水pH通过泡沫分离的方式对废水中的蛋白进行富集，再通过调节温度和流速使用超滤膜对其中的蛋白进行截留，然后采取三种不同方法，包括醇沉、盐析和大孔树脂方法，分别提取蛋白并比较了结构功能上的区别。最终确定了最佳工艺即流速即废水pH为8、流速为100 L/h、温度为40 ℃时，蛋白截留率最高可达到92.93%，通过大孔树脂吸附法提取的蛋白相较于另两种具有更好的溶解度、泡沫稳定性、乳化性和乳化稳定性，在食品工业领域具有更大的应用潜力。通过总结其它农产品加工废水中回收蛋白的经验，开发了一种从玉米淀粉加工废水中回收水溶性蛋白的物理工艺。这一开发不仅丰富了玉米淀粉加工废水高值化利用的理论体系，为实际生产提供了理论支撑，同时也为后续的废水处理于排放工作奠定了良好的基础。但本方法目前仅实践于实验室尚未应用于工业领域，在实际生产中还需根据具体的生产环境和条件，对工艺参数进行进一步的优化和调整。
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图 1 单因素对蛋白截留率的影响
注：A. pH；B. 温度；C. 流速；不同字母表示存在显著差异 （P<0.05）。
Figure 1. Effect of single factor on protein retention rate
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图 3 不同提取方式的蛋白形貌
注：A. AP蛋白的宏观形态；B. AP蛋白放大1000倍；C. AP蛋白放大3000倍；D. AP蛋白放大5000倍；E. MPRS蛋白的宏观形态；F. MPRS蛋白放大1000倍；G. MPRS蛋白放大3000倍；H. MPRS蛋白放大5000倍；I. ASP蛋白的宏观形态；J. ASP蛋白放大1000倍；K. ASP蛋白放大3000倍；L. ASP蛋白放大5000倍。
Figure 3. Morphological appearance map of protein under different extraction methods
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图 4 不同方式提取蛋白粒径大小及分布图
注：不同字母表示存在显著差异 （P<0.05），图8同。
Figure 4. Size and distribution of protein particles extracted in different methods
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图 5 不同方式提取蛋白结构
注：A. 蛋白的傅里叶红外光谱图，a. ASP蛋白；b. MPRS蛋白；c. AP蛋白；B. 蛋白的二级结构含量；C. 蛋白的紫外可见光谱图；D. 蛋白的内源荧光光谱图。
Figure 5. Structures of proteins extracted in different methods
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图 7 不同方式提取蛋白持水性
Figure 7. Water holding capacity of proteins extracted by different methods
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图 8 不同方式提取蛋白吸油性
Figure 8. Oil absorption capacity of proteins extracted by different methods
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图 9 不同方式提取蛋白乳化性和乳化稳定性
Figure 9. Emulsifiability and emulsion stability of proteins extracted in different methods
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图 10 不同方式提取蛋白起泡性和泡沫稳定性
Figure 10. Foaminess and foam stability of proteins extracted in different methods
表 1 响应面试验因素水平设计
Table 1 Response surface test factor level design
因素 编码 水平 −1 0 1 pH A 7 8 9 温度（℃） B 35 40 45 流速（L/h） C 75 100 125 
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表 2 每100 mL B-R缓冲液中NaOH溶液体积
Table 2 Volume of NaOH solution in 100 mL Britton-Robinson buffer
pH 2 4 6 8 10 12 NaOH溶液体积 （mL） 5.0 25.0 42.5 60.0 77.5 97.5
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表 3 响应面试验设计与结果
Table 3 Design and results of response surface test
试验号 因素 蛋白截留率（%） pH（A） 温度（B） 流速（C） 1 −1 −1 0 87.78 2 1 −1 0 89.32 3 −1 1 0 88.43 4 1 1 0 88.57 5 −1 0 −1 87.57 6 1 0 −1 89.60 7 −1 0 1 89.83 8 1 0 1 90.04 9 0 −1 −1 90.86 10 0 1 −1 87.95 11 0 −1 1 90.34 12 0 1 1 90.84 13 0 0 0 93.18 14 0 0 0 93.22 15 0 0 0 92.87 16 0 0 0 92.74 17 0 0 0 92.69
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表 4 响应面模型方差分析结果
Table 4 ANOVA results of response surface model
来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 方程 62.26 9 6.92 50.27 <0.0001** A 1.92 1 1.92 13.96 0.0073** B 0.7875 1 0.7875 5.72 0.048* C 3.21 1 3.21 23.35 0.0019** AB 0.49 1 0.49 3.56 0.1011 AC 0.8281 1 0.8281 6.02 0.0439* BC 2.91 1 2.91 21.13 0.0025** A2 27.95 1 27.95 203.09 <0.0001** B2 14.24 1 14.24 103.46 <0.0001** C2 5.13 1 5.13 37.28 0.0005** 残差 0.9632 7 0.1376 失拟项 0.7198 3 0.2399 3.94 0.1091 纯误差 0.2434 4 0.0609 总和 63.22 16 注：“*”表示差异显著（P<0.05），“**”表示差异极显著（P<0.01）。
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