第7章植物蛋白制取工艺与设备

第二篇植物蛋白工艺学第7章植物蛋白制取第一节制取工艺工艺概述蛋白质的种类很多，性质上的差异也很大，又处于不同的体系中，尤其是分离的目的和用途也不同。因此，不可能有一个固定工艺适用于各类蛋白质的提取和分离。例如大豆、花生、小麦蛋白质的制取工艺就有很大的差异。但是，大多数提取、分离蛋白的主要工序基本上是一样的。为了保持天然蛋白质的固有性质，并防止蛋白质的变性，必须采用稳妥的方法，在蛋白质提取、分离时，应考虑下述主要因素：（1）即在应用于食品工业中不失去所要求的功能特性，如风味、口感。不产生不良影响。（2）不损失营养价值，保证食品的安全性，符合经济效益等。提取、分离植物蛋白的一般工艺可表示如下：制取植物蛋白的主要产品有浓缩蛋白和分离蛋白产品两大类，其工艺可表示为如下几种：一、浓缩蛋白工艺(一)不溶性浓缩蛋白产品浓缩蛋白质的生产，主要是以低温脱溶粕为原料，通过不同的加工方法，除去低温粕中的可溶性糖分、灰分以及其他可溶性的微量成分，从而使蛋白质的含量提高到65-70％。工艺主要有三种:稀酸洗涤法、含水酒精洗涤法、湿热洗涤法。1.稀酸洗涤法本工艺特点是根据蛋白质溶解度曲线，利用蛋白质在等电点时，其溶解度最低,用稀酸溶液调节pH值，将原料中低分子可溶性非蛋白质成分浸洗出来。工艺流程意图如下：原料酸洗固液分离一次水洗固液分离↓↓废水废水中和干燥浓缩蛋白2.酒精洗涤法本工艺特点是用一定浓度的酒精溶液，可使大豆蛋白质变性，失去可溶性。根据这一特性，利用含水酒精对豆粕中的非蛋白质可溶性物质进行浸出、洗涤，剩下的不溶物经脱溶、干燥即可获得浓缩蛋白。乙醇回收乙醇↑↓原料一次醇洗固液分离二次醇洗固液分离↑↓——————————————乙醇溶液干燥浓缩蛋白3.湿热浸提法本工艺特点是利用蛋白质对热敏感的特性，将原料用蒸汽加热或与水一同加热，蛋白质因受热变性而成为不溶性物质，然后用水把低分子物质浸洗出来，分离除去。工艺流程示意如下：水↓原料粉碎热处理水洗固液分离↓废水干燥浓缩蛋白（二）可溶性产品利用淀粉和纤维素不溶于水使其与蛋白质分离，从而得到可溶性浓缩蛋白质产品。工艺流程示意如下：水、碱↓原料碾磨浸取固液分离蛋白液残渣干燥饲料灭菌浓缩干燥产品废水二、分离蛋白工艺主要是传统的碱溶酸沉法，首先将脱脂粕用稀碱液浸提后，用离心分离除去粕中的不溶性物质(主要是多糖)，然后用酸把浸出液的pH值调至蛋白质的等电点，蛋白质由于处于等电点状态而凝集沉淀下来，经分离可得到蛋白沉淀物,再经洗涤、中和、干燥即得分离大豆蛋白。工艺流程示意如下脱脂粕浸取固液分离酸沉分离饲料干燥残渣乳清水洗分离中和灭菌冷却干燥产品废水此外，分离大豆蛋白产品还可以超滤法生产。第二节植物蛋白制取主要工序提取、分离蛋白的原料，不外乎是细胞内含物和外分泌物。如果蛋白质是以可溶性形式存在于液体（血浆、消化液、奶等）中，可以不必经过提取直接进行分离提取。这里要讲的是一般蛋白质和球蛋白的提取分离的主要工序。一、原料的破碎（一）破碎方法大多数的植物蛋白质都存在于细胞内，结合于细胞壁上，所以必须先使细胞破碎，才能提取、分离出蛋白质，不同的原料要采用不同的破碎方法，根据机理不同可以分为三类：1.化学法(1)碱或去垢剂破碎法；（2）酶解法；(3)有机溶剂法；2.物理法：(1)热处理破碎法；(2)冰冻复融法；(3)增压减压法；(4)挤压法；3.机械法：(1)碾磨法；(2)挤压法；(3)与磨料颗粒一起搅动的方法；（二）主要设备1.机械破碎原理物料在破碎过程中受到的作用力，主要有：①挤压力；②剪切力；③撞击力等机械作用力。2.通用设备（1）砂轮磨①砂轮磨工作原理利用固定磨片和转动磨片之间产生的剪切力作用力将物料磨碎。②结构：由电机；机架；主轴；分离网；固定与动磨片；料斗及调节机构组成；③特点：占地面积小；产量大；能耗低；操作和调节方便；适用于湿法碾磨；自动分渣。（2）CW-250超微磨机①原理：与砂轮磨一样；②结构：由特制电机；机架；动、静磨片；料斗；强制喂料机构和微调节机构组成；③特点：A.进料均匀；B.占地小、产量大；C.能耗低；D.微量调节、超细碾磨；E.适用于干法和湿法碾磨。3.三辊碾磨机(1)原理：利用两辊之间挤压将物料破碎。(2)结构：电机；减速器；碾辊；刮刀；(3)特点：占地面积大；能耗高；物料需预粉碎；温升慢；干碾法；4.胶体磨(1)原理：通过不同几何形状的定齿与动齿在高速旋转下的相对运动，使物料在自重、离心力等复合力的作用下，通过可变环状间隙时，受到强大的剪切力、磨擦力和高频振动，而将物料破碎、均质，从而得到理想的精细力加工产品。(2)结构：喂料器；拨料器；凸凹磨齿；机架及电机。(3)特点：①所有材质均为不锈钢材料；②细度2～50um；③操作简单、噪音小；④用途广二、浸取浸出就是从破碎后的细胞组织中溶解蛋白质的过程。1.溶剂选择（1）清蛋白类：一般直接用水就可以抽提出来。（2）球蛋白类：①通常在弱碱性溶液条件下，溶液pH7.5～9.0；②也可以在盐溶液条件下进行；③直接用水抽提。（3）脂蛋白类一般用稀的去垢剂溶液(十二烷基硫酸钠)或有机溶液来抽提。（4）其它蛋白不溶于水的蛋白质通常用稀碱溶液。注意：①pH值的变化：植物胞里的液泡中含有酸性物质(如草酸)。②颜色变化：酚系物质的着色，加入5mMol的杭坏血酸防止变化。2.浸取的基本原则基本原则是“少量多次”，即对于等量的用于浸取的溶剂，分多次浸取比一次浸取效果好得多。其中：k—溶质在固相和液相中的分配系数；W—原料的体积；L—每次浸取溶剂的体积；X0—原先结合在固相中所需浸取的溶质重量；Xn—浸取n次以后仍保留在固相中的溶质重量；显然，浸取次数越多，残留的溶质就越少。例如：10升固体物，用20升缓冲溶液分二次浸取，如果K=0.1则有3.主要设备(1)浸取罐(2)连续浸取槽结构特点：立式搅拌器、减速电机、不锈钢三、分离分离就是将蛋白质浸取液中固体物质分离出去的过程。（一）分离方法在食品工业上主要有如下几种方法。1.沉降法(1)重力沉降法利用固体颗粒的重度大于液体重度。(2)离心沉降法离心沉降就是把悬浮液体置于高速离心机的转鼓中，由于固体颗粒之间的重复不同，固体颗粒在离心的作用下，迅速的沉降出来。2.过滤法①离心过滤法离心过滤法就是把悬浮液置于旋转滤网之中，固体颗粒被截留在沉网上，而液体由于离心力的作用透过滤网，从而实现固-液物体的分离。②振动过滤法将悬浮液置于高频振动的筛面上，由于产生径向或纵向的振动力，从而使液体和固体颗粒在筛面上实现分离。③压力过滤法利用泵体产生的压力把悬浮液送到滤布(滤网)所围成的滤框中，由于压力的作用通过滤布而实现固-液分离。(二)主要设备1.离心分离设备离心分离原理：利用分离机中分离筒的高速旋转，使悬浮混合液中具有不同重度的轻液、重液及固体颗粒，在离心力场中获得不同的离心力，快速分层，从而达到分离的目的。重力沉降与离心沉降示意图如下：F=ma=mRω2=4π2mRn2G=mg由此可见，离心力(F)与分离筒的半径(R)和转速ω2成正比。半径越大，转速越高，则离心力(F)越大。通常离心力可达重力的数千倍。因而能实现快速分离。分离因数：我们把离心力与重力之比的倍数称为分离因数(C)。在数字上等于离心力速度与重力加速度之比。C=F/G=ma/mg=a/g=Rω2/g=4π2Rn2/g(1)碟片式(离心)分离机①工作原理对于碟片式分离机,实际的分离是发生在分离盘间混合液从中心进入分酸孔D，再进到锥形分离盘组件的空间，重级由F排出，轻液G排出(见图)。A.分离因素:在6000～8000不等。B.颗粒运动轨道：表面υ=0,极短时间到到内表面，沿锥面滑到容渣腔。C.碟片数量：80～150片；间距：0.5～1.3mm②结构传动机构；分离筒；进出液装置；配水装置和机架等部分组成。③操作要点A.分别机达到转速后，先注水进行水封。但固液分离时，不需“水封”，而直接进料。B.定期排渣，保证分离效果。C.检查润滑由液位线高度。④分离效果控制A控制进料量；B.选择比重环通过控制进料量和调整比重环，使之达到最佳分离效果。一般将分离线控制在分配孔外缘1/3处最好(油与水)，而单从净化和澄清效果来说处理量越小越好。但实际生产中，在满足效果的前题下，越大越好，充分发挥机器的效能。⑤主要型号DBP-50型、DPM-30型、DBD-400型/26(2)卧式沉降离心机(以LW355系列为例)①工作原理物料从进料管进入螺旋推进器的锥端后，因高速旋转、物料经双S面流向转鼓壁。组成物料的轻、重相，由于受到不同的离心力，重相快速沉积到转鼓壁上，而轻相则较慢地贴附到重相表面，轻相和重相之间形成了一个明显的分界面，随着重相沉积增多，进入到螺旋叶片顶端重相沉积层，这时转鼓与螺旋推进器同向高速旋转，具有一定转速差，这种转速差使重相颗粒向转鼓小端出料口移动，而轻相则经螺旋形通道，流向液相出口。②结构:A.两个电机(主电机带动转鼓和差速器外壳；辅助电机带动螺旋推进器和差速器)；B.弹性基础破带轮；C.差速器；D.转鼓和螺旋推进器。③分离效果控制：A调节差速器(差速比)；B.进料量；C.液体出口位置。④主要型号：LW-355-1460；LW-355-1160；LW-355-860；LW-420-1680；LW-420-1290；D系列离心机①工作原理物料从进料口进到筛面上后，由振动电机产生的纵向和径向跳动(振幅5mm),使物料颗粒在筛面上进行曲线运动而到达出口，液体则穿过筛网进行二次、三次过滤，直到符合要求为止。2.过滤设备(1)振动过滤机②结构A.振动电机；B.机架；C.底筛；D.层筛；E.筛盖；F.弹簧；H.弹跳球。③筛分控制A.进料量；B.物料停留时间(调节偏重块角度)。④特点A.结构紧凑，精巧耐用，筛分效率高；B.换网容易，操作简单，清洗方便；C.网眼永不阻塞，全封闭；D.自动出料，连续化操作；E.出料方面可任意调整，调节方便；F.筛网可达五层。(2)离心过滤机①工作原理物料通过中心进料管进入到旋转的离过滤网上，由于离心力作用，液体穿过滤网，滤渣沿斜面移动到出料口。②结构A.电机；B.皮带减速轮；C.机座；D.进料装置；E.离心转鼓。③特点A.由于转速相对较低，离心半径较大；B.滤渣含水相对较小；C.处理量大，操作简单。①工作原理悬浮液用泵加压并输入到压滤机的每个滤室，在压力下通过渣层(滤饼)及滤布进行各种悬浮液的固-液分离。②结构A.尾板；B.滤板；C.滤框；D.主梁；E.头板；F.压紧装置等。(3)板框压滤机③特点A.滤液：明流和暗流；B.压紧方式：手动、机械和液压；C.面积：2～150m2。D.材质：铸铁和塑料。四、沉淀沉淀就是除去糖类物质的过程(可溶性糖)。（一）沉淀方法1.等电点沉淀法(酸沉)调节蛋白质溶液的pH值，使蛋白质处于等电点状态，蛋白质颗粒由于相互碰撞而聚集为更大颗粒从溶液中沉淀出来。2.加热沉淀法使蛋白质变性而成为不溶于水的蛋白质，使其与水溶性糖类物质分离。3.凝固沉淀法蛋白质在一定温度下变性后，再凝集成为固体颗粒而与可溶性糖类物质分离。4.乙醇沉淀法常用50～70%乙醇溶液来沉淀蛋白质，而后除去糖类物质。作为特例，小麦面筋代表了小麦蛋白质的85～95%，由于不溶水并经过机械搅拌，蛋白质具有粘弹性结块性质，所以通过搅拌水处理，除去糖类。纤维素和木质素等纤维成分很难通过浸出洗除。（二）主要设备（略）五、浓缩浓缩就是除去浸出液或液体中溶剂的过程。（一）浓缩方法1.常压法在一个大气压下（1atm）,高温下(100℃)，长时间蒸发水分达到浓缩的目的。如炼乳。2.真空浓缩法在低压(0.018～0.008MPa)和低温(50～60℃)条件下，较短时间蒸发脱除水分。3.超滤浓缩法利用蛋白质分子不能通过半透膜的性质(分子级过滤)，使蛋白质与其它小分子物质如无机盐、单糖、低聚糖和水分开的方法。超滤膜分子量截留值膜名称XM-300XM-50UM-20PM-10UM-12分子量300，