蛋白制取及設備

1、 第二部分 植物蛋白工藝學 第一章 植物蛋白制取 第一節(jié) 制取工藝工藝概述 蛋白質的種類很多，性質上的差異也很大，又處于不 同的體系中，尤其是分離的目的和用途也不同。因此，不 可能有一個固定工藝適用于各類蛋白質的提取和分離。 例如大豆、花生、小麥蛋白質的制取工藝就有很大的 差異。但是，大多數(shù)提取、分離蛋白的主要工序基本上是 一樣的。 為了保持天然蛋白質的固有性質，并防止蛋白質 的變性，必須采用穩(wěn)妥的方法，在蛋白質提取、分離時， 應考慮下述主要因素： v （1）即在應用于食品工業(yè)中不失去所要求的功能 特性，如風味、口感。不產生不良影響。 v （2）不損失營養(yǎng)價值，保證食品的安全性，符合 經濟效益

2、等。 v 提取、分離植物蛋白的一般工藝可表示如下： v制取植物蛋白的主要產品有濃縮蛋白和分離蛋白產品 兩大類，其工藝可表示為如下幾種： v一、濃縮蛋白工藝 v(一)不溶性濃縮蛋白產品 v濃縮蛋白質的生產，主要是以低溫脫溶粕為原料，通 過不同的加工方法，除去低溫粕中的可溶性糖分、灰 分以及其他可溶性的微量成分，從而使蛋白質的含量 提高到65-70。 v工藝主要有三種:稀酸洗滌法、含水酒精洗滌法、濕熱洗滌法。 v1.稀酸洗滌法 v 本工藝特點是根據(jù)蛋白質溶解度曲線，利用蛋白質在等電 點時，其溶解度最低,用稀酸溶液調節(jié)pH值，將原料中低分 子可溶性非蛋白質成分浸洗出來。 v 工藝流程意圖如下： v

3、v 原料酸洗固液分離一次水洗固液分離中 和干燥濃縮蛋白 v v 廢水 廢水 v2.酒精洗滌法 v 本工藝特點是用一定濃度的酒精溶液，可使大豆蛋白質變 性，失去可溶性。根據(jù)這一特性，利用含水酒精對豆粕中的 非蛋白質可溶性物質進行浸出、洗滌，剩下的不溶物經脫溶、 干燥即可獲得濃縮蛋白。 v 工藝流程示意如下： v 乙醇回收 乙醇 v v原料一次醇洗固液分離二次醇洗固液分離干燥 濃縮蛋白 v v 乙醇溶液 v3.濕熱浸提法 v本工藝特點是利用蛋白質對熱敏感的特性，將原料用蒸汽加 熱或與水一同加熱，蛋白質因受熱變性而成為不溶性物質， 然后用水把低分子物質浸洗出來，分離除去。 v 工藝流程示意如下： v

4、 水 v v 原料 粉碎 熱處理 水洗 固液分離干燥濃縮 蛋白 v v 廢水 v（二）可溶性產品 v 利用淀粉和纖維素不溶于水使其與蛋白質分離，從而得到 可溶性濃縮蛋白質產品。 v 工藝流程示意如下： v水，堿 v v 原料碾磨浸取固液分離蛋白液滅菌 濃縮 干燥 產品 v v 殘渣干燥飼料 廢水 v二、分離蛋白工藝 v 主要是傳統(tǒng)的堿溶酸沉法，首先將脫脂粕用稀堿 液浸提后，用離心分離除去粕中的不溶性物質(主要 是多糖)，然后用酸把浸出液的pH值調至蛋白質的 等電點，蛋白質由于處于等電點狀態(tài)而凝集沉淀下 來，經分離可得到蛋白沉淀物,再經洗滌、中和、干 燥即得分離大豆蛋白。 v工藝流程示意如下 v

5、脫脂粕浸取固液分離酸沉分離水洗分離中和 滅菌 v v 飼料干燥 殘渣 乳清 廢水 冷 卻 v v 產品干燥 v v 此外，分離大豆蛋白產品還可以超濾法生產。 v關于各種蛋白質產品生產的具體工藝與參數(shù)，我們將在有關 章節(jié)介紹。 v 第二節(jié) 植物蛋白制取主要工序 v v 提取、分離蛋白的原料，不外乎是細胞內含物和 外分泌物。如果蛋白質是以可溶性形式存在于液體 （血漿、消化液、奶等）中，可以不必經過提取直接 進行分離提取。這里要講的是一般蛋白質和球蛋白的 提取分離的主要工序。 v一、原料的破碎 v（一）破碎方法 v 大多數(shù)的植物蛋白質都存在于細胞內，結合于細 胞壁上，所以必須先使細胞破碎，才能提取、

6、分離出 蛋白質，不同的原料要采用不同的破碎方法，根據(jù)機 理不同可以分為三類： v 1.化學法 v (1)堿或去垢劑破碎法；（2）酶解法； v (3)有機溶劑法； v 2.物理法： v (1)熱處理破碎法；(2)冰凍復融法； v (3)增壓減壓法；(4)擠壓法； v 3.機械法： v (1)碾磨法；(2)擠壓法； v (3)與磨料顆粒一起攪動的方法； v（二）主要設備 v 1.機械破碎原理 v 物料在破碎過程中受到的作用力，主要有：擠壓力；剪 切力；撞擊力等機械作用力。在多數(shù)情況下，幾種力往往同時 作用于物料上。有時以擠壓力為主，其它力為輔，有以摩擦力為 主，其它力為輔。 v 2.通用設備 v

7、（1） 砂輪磨 v 砂輪磨工作原理：利用固定磨片和轉動磨片之 間產生的剪切力作用力將物料磨碎。 v 結構：由電機；機架；主軸；分離網；固定與 動磨片；料斗及調節(jié)機構組成； v 特點：占地面積??；產量大；能耗低；操作和 調節(jié)方便；適用于濕法碾磨；自動分渣。 v （2） CW-250超微磨機 v 原理：與砂輪磨一樣； v 結構：由特制電機；機架；動、靜磨片；料斗； 強制喂料機構和微調節(jié)機構組成； v 特點：A.進料均勻；B.占地小、產量大；C.能 耗低；D.微量調節(jié)、超細碾磨；E.適用于干法和濕法 碾磨。 v 3.三輥碾磨機 v (1)原理：利用兩輥之間擠壓將物料破碎。 v (2)結構：電機；減速

8、器；碾輥；刮刀； v (3)特點：占地面積大；能耗高；物料需預粉碎； 溫升慢；干碾法； v 4.膠體磨 v (1)原理：通過不同幾何形狀的定齒與動齒在高速 旋轉下的相對運動，使物料在自重、離心力等復合力 的作用下，通過可變環(huán)狀間隙時，受到強大的剪切力、 磨擦力和高頻振動，而將物料破碎、均質，從而得到 理想的精細力加工產品。 (2)結構：喂料器；撥料 器；凸凹磨齒；機架及電機。 (3)特點： 所有材質均為不銹鋼 材料；細度250um； 操作簡單、噪音??； 用途廣（均質、乳 化）； 冷卻水夾套。 v 二、浸取 v 浸出就是從破碎后的細胞組織中溶解蛋白質的過程。 v 1.溶劑選擇 v （1）清蛋白類

9、：一般直接用水就可以抽提出來。 v （2）球蛋白類： v 通常在弱堿性溶液條件下，溶液pH7.59.0； v 也可以在鹽溶液條件下進行；直接用水抽提。 v （3）脂蛋白類：一般用稀的去垢劑溶液(十二烷基 硫酸鈉)或有機溶液來抽提。 v （4）其它蛋白：不溶于水的蛋白質通常用稀堿溶液。 v 注意： v pH值的變化：植物胞里的液泡中含有酸性物質 (如草酸)。 v 顏色變化：酚系物質的著色，加入5mMol的杭 壞血酸防止變化。 v 2.浸取的基本原則 v 基本原則是“少量多次”，即對于等量的用于浸 取的溶劑，分多次浸取比一次浸取效果好得多。 X = X k W k W L n 0 n X X =

10、0.1 10 0.1 10+10 0 2 2 = 0.0084 0 X X = 1 0.0476 其中：k溶質在固相和液相中的分配系數(shù)； W原料的體積； L每次浸取溶劑的體積； X0原先結合在固相中所需浸取的溶質重量； Xn浸取n次以后仍保留在固相中的溶質重量； 顯然，浸取次數(shù)越多，殘留的溶質就越少。 例如：10升固體物，用20升緩沖溶液分二次浸取，如果K=1則有 v 3.主要設備 v (1)浸取罐 (2)連續(xù)浸取槽 結構特點：立式攪拌器、減速電機、不銹鋼 v三、分離 v 分離就是將蛋白質浸取液中固體物質分離出去的 過程。 v（一）分離方法 v 在食品工業(yè)上主要有如下幾種方法。 v 1.沉降法

11、 v (1)重力沉降法：利用固體顆粒的重度大于液體重度。 v (2)離心沉降法：離心沉降就是把懸浮液體置于高速 離心機的轉鼓中，由于固體顆粒之間的重復不同，固 體顆粒在離心的作用下，迅速的沉降出來。 v 2.過濾法 v 離心過濾法：離心過濾法就是把懸浮液置于旋轉 濾網之中，固體顆粒被截留在沉網上，而液體由于離 心力的作用透過濾網，從而實現(xiàn)固-液物體的分離。 v 振動過濾法：將懸浮液置于高頻振動的篩面 上，由于產生徑向或縱向的振動力，從而使液體和 固體顆粒在篩面上實現(xiàn)分離。 v 壓力過濾法：利用泵體產生的壓力把懸浮液 送到濾布(濾網)所圍成的濾框中，由于壓力的作用 通過濾布而實現(xiàn)固-液分離。 v

12、 (二)主要設備 v 1.離心分離設備 v 離心分離原理：利用分離機中分離筒的高速旋 轉，使懸浮混合液中具有不同重度的輕液、重液及 固體顆粒，在離心力場中獲得不同的離心力，快速 分層，從而達到分離的目的。重力沉降與離心沉降 示意圖如下： v G = mg F = ma = mR2 = 42mRn2 v 由此可見，離心力(F)與分離筒的半徑(R)和轉速 2成正比。半徑越大，轉速越高，則 v離心力(F)越大。通常離心力可達重力的數(shù)千倍。因而 能實現(xiàn)快速分離。 v 分離因素：我們把離心力與重力之比的倍數(shù)稱為 分離因素(C)。在數(shù)字上等于離心力速度與重力加速度 之比。 v C= F/G = ma/mg

13、 = a/g = R2/g = 42mRn2/g (1)碟片式(離心)分離機 工作原理： 對于碟片式分離機,實際的 分離是發(fā)生在分離盤間混合液 從中心進入分酸孔D，再進到錐 形分離盤組件的空間，重級由F 排出，輕液G排出(見圖)。 v A.分離因素: 在60008000不等。 v B.顆粒運動軌道：表面=0,極短時間到到內表面， 沿錐面滑到容渣腔。 v C.碟片數(shù)量：80150片 ； 間距：0.51.3mm v 結構：傳動機構；分離筒；進出液裝置；配水裝 置和機架等部分組成。 v 操作要點：A.分別機達到轉速后，先注水進行水 封。但固液分離時，不需“水封”，而直接進料。 v B.定期排渣，保證

14、分離效果。 v C.檢查潤滑由液位線高度。 v 分離效果控制：A控制進料量；B.選擇比重環(huán) v 通過控制進料量和調整比重環(huán)，使之達到最佳 分離效果。一般將分離線控制在分配孔外緣1/3處最 好(油與水)，而單從凈化和澄清效果來說處理量越小 越好。但實際生產中，在滿足效果的前題下，越大越 好，充分發(fā)揮機器的效能。 v 主要型號：DBP-50型、DPM-30型、DZD-20、 v DBD-400型/26 v (2)臥式沉降離心機(以LW355系列為例) v 工作原理：物料從進料管進入螺旋推進器的錐 端后，因高速旋轉、物料經雙S面流向轉鼓壁。組成物 料的輕、重相，由于受到不同的離心力，重相快速沉 積到

15、轉鼓壁上，而輕相則較慢地貼附到重相表面，輕 相和重相之間形成了一個明顯的分界面，隨著重相沉 積增多，進入到螺旋葉片頂端重相沉積層，這時轉鼓 與螺旋推進器同向高速旋轉，具有一定轉速差，這種 轉速差使重相顆粒向轉鼓小端出料口移動，而輕相則 經螺旋形通道，流向液相出口。 0 v 2.過濾設備 v (1)振動過濾機 v 工作原理： v 物 料 從 進 料 口進到篩面上后， 由振動電機產生的 縱向和徑向跳動 (振幅5mm),使物 料顆粒在篩面上進 行曲線運動而到達 出口，液體則穿過 篩網進行 二次、 三次過濾，直到符 合要求為止。 v 結構：A.振動電機；B.機架；C.底篩；D.層篩； E.篩蓋；F.彈

16、簧；H.彈跳球。 v 篩分控制：A.進料量；B.物料停留時間(調節(jié)偏 重塊角度)。 v 特點：A.結構緊湊，精巧耐用，篩分效率高； v B.換網容易，操作簡單，清洗方便； v C.網眼永不阻塞，全封閉； v D.自動出料，連續(xù)化操作； v E.出料方面可任意調整，調節(jié)方便； v F.篩網可達五層。 v 工作原理：物料通過中心進料管進入到旋轉的離 過濾網上，由于離心力作用，液體穿過濾網，濾渣沿 斜面移動到出料口。 v 結構：A.電機；B.皮帶減速輪；C.機座；D.進料 裝置；E.離心轉鼓。 v 特點：A.由于轉速相對較低，離心半徑較大； v B.濾渣含水相對較??； v C.處理量大，操作簡單。

17、(2)離心過濾機 v 工作原理：懸浮液用泵加壓并輸入到壓濾機的 每個濾室，在壓力下通過渣層(濾餅)及濾布進行各種懸 浮液的固-液分離。 v 結構：A.尾板；B.濾板；C.濾框；D.主梁；E. 頭板；F.壓緊裝置等。 (3)板框壓濾機 v 特點：A.濾液： 明流和暗流；B.壓緊方式： 手 動、機械和液壓；C. 面積：2150m2。 D.材質：鑄 鐵和塑料。 v 四、沉淀 v 沉淀就是除去糖類物質的過程(可溶性糖)。 v （一）沉淀方法 v 1.等電點沉淀法(酸沉) v 調節(jié)蛋白質溶液的pH值，使蛋白質處于等電點狀態(tài)， 蛋白質顆粒由于相互碰撞而聚集為更大顆粒從溶液中 沉淀出來。 v 2.加熱沉淀法

18、 v 使蛋白質變性而成為不溶于水的蛋白質，使其與水 溶性糖類物質分離。 v 3.凝固沉淀法 v 蛋白質在一定溫度下變性后，再凝集成為固體顆粒 而與可溶性糖類物質分離。 v 4.乙醇沉淀法 v 常用5070%乙醇溶液來沉淀蛋白質，而后除去糖 類物質。 v作為特例，小麥面筋代表了小麥蛋白質的8595%， 由于不溶水并經過機械攪拌，蛋白質具有粘彈性結塊 性質，所以通過攪拌水處理，除去糖類。纖維素和木 質素等纖維成分很難通過浸出洗除。 v（二）主要設備（略） 五、濃縮 濃縮就是除去浸出液或液體中溶劑的過程。 （一）濃縮方法 1.常壓法：在一個大氣壓下（1atm）,高溫下 (100)，長時間蒸發(fā)水分達到

19、濃縮的目的。如煉乳。 2.真空濃縮法：在低壓(0.0180.008MPa)和低 溫(5060)條件下，較短時間蒸發(fā)脫 除水分。 v 3.超濾濃縮法：利用蛋白質分子不能通過半透膜 的性質(分子級過濾)，使蛋白質與其它小分子物質如無 機鹽、單糖、低聚糖和水分開的方法。 v 超濾膜分子量截留值 v 膜名稱 XM-300 XM-50 UM-20 PM-10 UM-12 v分子量截留值 300，000 50，000 20，000 10，000 1， 000 v 孔直徑(A) 140 30 18 15 12 v 超濾法不僅有濃縮作用，而且還有除鹽、分級純 化作用。超濾壓力通常是35kg/cm2 (0.30

20、.5MPa)。 v （二）主要設備 v 1. 真空濃縮裝置 2. 超濾裝置 v六、均質 v 均質就是用高壓、離心、氣流等機械作用，使液 一液混合液達到超細乳化效果(油-水 v型)；或者使固一液懸浮物達到超細分散，最終形成穩(wěn) 定液， v （一）均質方法 v 1.高壓均質法；2.離心均質法；3.超聲波均質法； 4.碾磨均質法 （二）主要設備 v 1.高壓均質機 （1）工作原理： v （1）工作原理： v 物料在高壓下進入調節(jié)間隙的閥件時，物料獲得 極高的流速(200300m/s)，從而形成一個巨大的壓力 下跌，在空穴效應（湍流和剪切）等多種作用力下把 原先比較粗糙的乳濁液或懸浮液加工成極細的分散、

21、 均勻、穩(wěn)定的乳化液或極細的液一固分散物。 v （2）結構：均質頭(均質閥)；三缸柱塞泵； 傳動裝置；電機；壓力表。 v （3）特點： v 占地面積小、效力高、能量大、運轉費用低； 零部件材料都具有極高耐磨性和良好的耐腐 蝕性； v 乳化液粒度平均在1um以下；固體分散粒度平 均在2um以下。 v 結構：A.兩個電機(主電機帶動轉鼓和差速器外殼；輔助 電機帶動螺旋推進器和差速器)；B.彈性基礎破帶輪；C.差速 器；D. 轉鼓和螺旋推進器。 v 分離效果控制：A調節(jié)差速器(差速比)；B.進料量；C. 液體出口位置。 v 主要型號：LW-355-1460；LW-355-1160； LW-355-

22、860； LW-420-1680； LW-420-1290 LW-420-900。 v七、滅菌 v 滅菌就是殺死產品中的微生物使其滿足(達到)商品 長久保存的目的，又稱商業(yè)滅菌。 v （一）滅菌方法 v 1.低溫滅菌法：溫度8085，時間510分鐘 （列管）或15秒（板式）。 v 2.高溫短時滅菌法：溫度120125，時間510 秒。 v 3.超高溫瞬時滅菌法：溫度135140，時間24 秒。 v 選擇殺菌條件和設備與干燥方法有關。 v （二）主要設備 v 1.列管式殺菌器 v 2.板式殺菌器 3.超高溫瞬時殺菌設備 v 八、干燥 v 干燥是為了減少最終產品中的水分，便于產品的 貯存和長途遠輸

23、，同時可防止微生物的繁殖。 v 在干燥過程中，有兩點值得注意：必須盡量保 持蛋白質的天然性質；盡量降低成本。 v 因此依據(jù)產品最終用途，選用不同方法。 v （一）干燥方法 v 1.噴霧干燥法 v 此技術是近代干燥技術之一。 v 它過機械的作用，將需要干燥的物料分散成很細的像霧一樣的 微滴(以增加水分蒸發(fā)面 v積，加速干燥過程)，與熱空氣接觸，瞬間將大部分水分除去，而 使物料干燥成粉末狀。 v （1）壓力噴霧干燥法 v 采用高壓泵，以720MPa的壓力，將濃縮后的蛋白質液，通 過霧化器(噴槍)使之克服液體的表面張力，而霧化成直徑為10 200um的微粒，與熱空氣直接接觸，水分迅速蒸發(fā)，在極短時間

24、 內被干燥成球狀顆粒，沉降于塔底。 v （2）離心噴霧干燥法 v 利用在水平方向高速旋轉的圓盤給予溶液以離心力， 使物料高速甩出，形成薄膜，進而 v形成細滴或微滴，在干燥室迅速干燥后沉降于室底。 v （3）汽流噴霧干燥法 v 利用高速流動的壓縮空氣或過熱蒸汽(0.20.5MPa) 將料液從噴嘴中噴出，由于高速氣 v流對液膜產生的摩擦，振動和撕裂作用而將料液霧化。 v 2.真空干燥法(減壓干燥法，低壓干燥法) v 所謂真空干燥是將被干燥物料處于真空(低壓 0.00780.0026 MPa )條件下，降低水的沸點溫度， 在較低溫度（5060）狀態(tài)下，快速干燥物料。它 是利用真空泵進行抽氣濕，使工作室內形成真空狀態(tài)。 v 3.冷凍干燥法(升華干燥法) v 此法是將物料快速凍結到-30-45溫度下(1.5 2.0h),在真空條件下(壓力1Pa下)，緩慢升華干燥，除 去大部分水分然后升溫至零度以上，再進行低溫真空 干燥。 v 4.沸騰干燥法氣流(流化干燥法) v 此法是將顆粒狀物料(或濃縮液；液體必須加入晶核 方可進行流化干燥)，由流化床一側 v(如頂部)加料器加入，熱空氣通過多孔分布板與物料層 接觸，只要氣流速度保持在顆粒的臨 v界流化速度與帶出速度之間，顆粒即能在床內流化， 顆粒在熱氣流中上下翻騰，互相混合與碰撞，與熱氣 流進行傳質和傳熱而達到干燥目的。