蛋白制取及设备

1、 第二部分 植物蛋白工艺学 第一章 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

2、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中和干燥浓缩蛋白 废水 废水 2

3、.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。 工艺流程示意如下： 乙醇回收 乙醇 原料一次醇洗固液分离二次醇洗固液分离干燥浓缩蛋白 乙醇溶液 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 固液分离干燥浓缩蛋白 废水 （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

4、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灭菌 浓缩干燥 产品 残渣干燥饲料 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水洗分离中和灭菌 饲料干燥 残渣 乳清 废水 冷却 产品干燥 此外，分离大豆蛋白产品还可以超滤法生产。 关于各种蛋白质产品生产的具体工艺与参数，我们将在有关章节介绍。 第二节

5、 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；

6、(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：挤压力；剪切力；撞击力等机械作用力。在多数情况下，几种力往往同时作用于物料上。有时以挤压力为主，其它力为辅，有以摩擦力为主，其它力为辅。 2.通用设备 （1） 砂轮磨 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。 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； 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 原理：与砂轮磨一样； 结构：由特制电机；机架；动、静磨片；

7、料斗；强制喂料机构和微调节机构组成； 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： 所有材质

8、均为不锈钢材料；细度250um； 操作简单、噪音小； 用途广（均质、乳化）； 冷却水夹套。 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： 通常在弱碱性溶液条件下，溶液pH7.59.0； 也可以在盐溶液条件下进行；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： pH值的变化：植物胞里的液泡中含有酸性物质(如草酸)。 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“

9、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。X = X k Wk W Ln0nXX=0.1 100.1 10+10022= 0.0084 0XX=10.0476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=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

10、。 （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 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。 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。 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

11、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： G = mg F = ma = mR2 = 42mRn2 由此可见，离心力(F)与分离筒的半径(R)和转速2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。 分离因素：我们把离心力与重力之比的倍数称为分离因素(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 = R2

12、/g = 42mRn2/g (1)碟片式(离心)分离机工作原理： 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60008000不等。 B.颗粒运动轨道：表面=0,极短时间到到内表面，沿锥面滑到容渣腔。 C . 碟 片 数 量 ： 8 0 1 5 0 片 ； 间 距 ： 0 . 5 1.3mm 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。 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

13、液位线高度。 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。 主要型号：DBP-50型、DPM-30型、DZD-20、 DBD-400型/26 (2)卧式沉降离心机(以LW355系列为例) 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

14、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。0 2.过滤设备 (1)振动过滤机 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。 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。 筛分控制：A.进料量；B.物

15、料停留时间(调节偏重块角度)。 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。 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。 结构：A.电机；B.皮带减速轮；C.机座；D.进料装置；E.离心转鼓。 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。(2)离心过滤机 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

16、种悬浮液的固-液分离。 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 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：2150m2。 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

17、.乙醇沉淀法 常用5070%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8595%，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 . 0 1 8 0.008MPa)和低温(5060)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

18、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-300 XM-50 UM-20 PM-10 UM-12 分子量截留值 300，000 50，000 20，000 10，000 1，000 孔直径(A) 140 30 18 15 12 超滤法不仅有浓缩作用，而且还有除盐、分级纯化作用。超滤压力通常是35kg/cm2 (0.30.5MPa)。 （二）主要设备 1. 真空浓缩装置 2. 超滤装置 六、均质 均质就是用高压、离心、气流等机械作用，使液一液混合液达到超细乳化效果(油-水 型)；或者使固一液悬浮物达到超细分

19、散，最终形成稳定液， （一）均质方法 1.高压均质法；2.离心均质法；3.超声波均质法；4.碾磨均质法 （二）主要设备 1.高压均质机 （1）工作原理： （1）工作原理： 物料在高压下进入调节间隙的阀件时，物料获得极高的流速(200300m/s)，从而形成一个巨大的压力下跌，在空穴效应（湍流和剪切）等多种作用力下把原先比较粗糙的乳浊液或悬浮液加工成极细的分散、均匀、稳定的乳化液或极细的液一固分散物。 （2）结构：均质头(均质阀)；三缸柱塞泵；传动装置；电机；压力表。 （3）特点： 占地面积小、效力高、能量大、运转费用低； 零部件材料都具有极高耐磨性和良好的耐腐蚀性； 乳化液粒度平均在1um以下

20、；固体分散粒度平均在2um以下。 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。 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。 主要型号：LW-355-1460；LW-355-1160； LW-355-860； LW-420-1680； LW-420-1290 LW-420-900。 七、灭菌 灭菌就是杀死产品中的微生物使其满足(达到)商品长久保存的目的，又称商业灭菌。 （一）灭菌方法 1.低温灭菌法：温度8085，时间510分钟（列管）或15秒（板式）。 2.高温短时灭菌法：温

21、度120125，时间510秒。 3.超高温瞬时灭菌法：温度135140，时间24秒。 选择杀菌条件和设备与干燥方法有关。 （二）主要设备 1.列管式杀菌器 2.板式杀菌器 3.超高温瞬时杀菌设备 八、干燥 干燥是为了减少最终产品中的水分，便于产品的贮存和长途远输，同时可防止微生物的繁殖。 在干燥过程中，有两点值得注意：必须尽量保持蛋白质的天然性质；尽量降低成本。 因此依据产品最终用途，选用不同方法。 （一）干燥方法 1.喷雾干燥法 此技术是近代干燥技术之一。 它过机械的作用，将需要干燥的物料分散成很细的像雾一样的微滴(以增加水分蒸发面 积，加速干燥过程)，与热空气接触，瞬间将大部分水分除去，而

22、使物料干燥成粉末状。 （1）压力喷雾干燥法 采用高压泵，以720MPa的压力，将浓缩后的蛋白质液，通过雾化器(喷枪)使之克服液体的表面张力，而雾化成直径为10200um的微粒，与热空气直接接触，水分迅速蒸发，在极短时间内被干燥成球状颗粒，沉降于塔底。 （2）离心喷雾干燥法 利用在水平方向高速旋转的圆盘给予溶液以离心力，使物料高速甩出，形成薄膜，进而 形成细滴或微滴，在干燥室迅速干燥后沉降于室底。 （3）汽流喷雾干燥法 利用高速流动的压缩空气或过热蒸汽(0.20.5MPa)将料液从喷嘴中喷出，由于高速气 流对液膜产生的摩擦，振动和撕裂作用而将料液雾化。 2.真空干燥法(减压干燥法，低压干燥法)

23、所谓真空干燥是将被干燥物料处于真空(低压0.00780.0026 MPa )条件下，降低水的沸点温度，在较低温度（5060）状态下，快速干燥物料。它是利用真空泵进行抽气湿，使工作室内形成真空状态。 3.冷冻干燥法(升华干燥法) 此法是将物料快速冻结到-30-45温度下(1.52.0h),在真空条件下(压力1Pa下)，缓慢升华干燥，除去大部分水分然后升温至零度以上，再进行低温真空干燥。 4.沸腾干燥法气流(流化干燥法) 此法是将颗粒状物料(或浓缩液；液体必须加入晶核方可进行流化干燥)，由流化床一侧 (如顶部)加料器加入，热空气通过多孔分布板与物料层接触，只要气流速度保持在颗粒的临 界流化速度与带

24、出速度之间，颗粒即能在床内流化，颗粒在热气流中上下翻腾，互相混合与碰撞，与热气流进行传质和传热而达到干燥目的。 5.振动流化干燥法 在振动力作用下，物料自进料口进入沿水平流化床抛掷向前连续运动，热风穿过流化床向上同物料进传热和传质，干燥物料由排料口排出。 （二）主要设备 1.喷雾干燥机组 （1）工作原理：将含湿量40%90%的溶液、乳浊液、悬浮液或膏状物，送到干燥室顶部的雾化器(离心、压力式)雾 化 成 直 径 为 1 0 200um的微滴；空气通过空气过滤器，加热器转 化 为 热 空 气 ( 1 2 0 180)进入干燥室顶部的热风分配器均匀地并呈螺旋式运动进入干燥室，与液滴接触(并流)进行

25、传热和传质，从而使物料在极短时间内得到干燥。 （2）主要组件：空气过滤器；加热器；干燥塔体；雾化器；粉末收集器；风机；贮罐、泵(高压泵、普通泵)电塔装置。 （3）特点： 物料干燥比表面积大(增加五、六千倍)，干燥速度快(十几秒数十分钟) 所得产品为球状颗粒、粒度均匀、流动性好，溶解性好 操作简单，调节控制方便，容易实现自动化作业。 使用范围广，特别适用于热敏性物料的干燥。 2.真空干燥装置 （1）工作原理：利用泵体对干燥箱实施真空操作(减压)，物料置于干燥箱内的烘盘上，在5060温度，0.00780.0026MPa压力下，静态干燥24hr后得到干燥物料。 （2）主要组件：冷凝器干燥箱机械真空泵

26、(或水喷射泵)泵和水池。 （3）特点：真空下物料沸点降低，传热推动力增加，耗量降低，热损失小； 热源可以采用低压蒸汽或废热蒸汽； 适用于在高温下易分解，聚合和变质的热敏性物料的干燥； 属于静态式真空干燥，故干燥物料的形体不会损坏。 3.冷冻干燥机组 （1）工作原理：物料置于干燥机箱内先快速冷结至-4530，然后在高真空下(1Pa)进行升华干燥。待大部分水分蒸发后，再在低温下进行真空干燥。使产品水分达到要求为上。 水的三相图 干燥曲线图 干燥流程图 （2）主要组件： 干燥箱体制冷机冷凝器真空系统热源(电、导热油、蒸汽)。 （3）特点： 物料在极低温度下干燥，能完整保存原有的生物活性物质(酶、激素

27、等；。 产品呈多孔状物质，速溶性好，甚至能恢复原来的物性； 干燥时间长，能耗较大，产品出价格高。 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中和干燥浓缩蛋白 废水 废水 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： 所有材质均为不锈钢材料；细度250um； 操作简单、噪音小； 用途广（均质、乳化）；