ABSTRACT

In this paper, the flocculation of kaolin suspension and starch wastewater with modified functional groups of soybean and black kidney bean protein was studied by methylation and deamidation of soybean and black kidney bean protein. The results showed that the light transmittance of kaolin suspension was decreased by 11.99% by methylation of soybean protein, increased by 3.28% by methylation of black kidney bean protein, and increased by 28.74% and 18.53% by deamidation of the two proteins. The light transmittance of starch wastewater increased by 9.35% and 2.18% by methylation modified soybean and black kidney bean protein, and 21.19% and 18.73% by deamidation modified soybean and black kidney bean protein. The flocculation effect of deamidated soybean and black kidney bean protein was better than that of methylated soybean and black kidney bean protein.

Keywords:Soybean Protein, Black Kidney Bean Protein, Methylation, Deamidation, Flocculation

改性豆类蛋白对高岭土和淀粉废水絮凝作用的效果

魏跃威，王振州，陈映全^*，邵慧妹，郑雅丽

兰州城市学院，地理与环境工程学院，甘肃省矿区污染治理与生态修复工程研究中心，甘肃 兰州

收稿日期：2019年6月12日；录用日期：2019年6月27日；发布日期：2019年7月3日

摘 要

本文通过对黄豆和黑芸豆蛋白的甲基化与去酰胺化的改性处理，研究了黄豆和黑芸豆蛋白官能团改性后对高岭土悬浮液和淀粉废水的絮凝作用。研究表明，甲基化改性黄豆蛋白可使高岭土悬浮液透光率下降11.99%，而甲基化改性黑芸豆蛋白则使高岭土悬浮液透光率上升3.28%；去酰胺化改性的这两种蛋白可使高岭土悬浮液透光率上升28.74%和18.53%。甲基化改性黄豆和黑芸豆蛋白可使淀粉废水透光率上升9.35%和2.18%；去酰胺化改性的这两种蛋白可使淀粉废水透光率上升21.19%和18.73%。去酰胺化改性黄豆和黑芸豆蛋白絮凝效果优于甲基化改性黄豆和黑芸豆蛋白絮凝效果。

关键词 :黄豆蛋白，黑芸豆蛋白，甲基化，去酰胺化，絮凝作用

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1. 引言

目前，絮凝剂的品种众多，其发展方向也由低分子到高分子，由单一到复合，但总的发展是趋向于实用廉价以及高效无毒的。各种絮凝剂有各自的特点：其中无机絮凝剂存在用量大、稳定性差、絮体小、浮渣量大、后处理困难以及残留有毒副作用的金属离子等缺点；有机合成高分子絮凝剂存在价格昂贵、难降解或其残留单体有毒副作用等缺点；微生物絮凝剂培养基价格高，絮凝剂提纯费用大、产量低，絮凝能力有限决定了其生产成本过高，经济上缺乏市场竞争力。而天然高分子絮凝剂因具有来源广、价廉、可再生、易生物降解、无毒、使用方便等优势越来越受到重视 [1] [2] [3] 。

由于谷物含蛋白量低并且氨基酸含量不均衡，要满足人体所需的蛋白含量很困难，更影响婴幼儿的成长发育和成人的身体健康。因此，大豆蛋白比其它食物蛋白更有价值，其优势体现在产品上具有乳化性、粘合性和交织纤维性，大豆蛋白正是由于这些结构特性、高营养性和低价格受到越来越多的欢迎 [4] 。我国黄豆和芸豆蛋白资源丰富，如何深度地开发利用黄豆和芸豆蛋白，近年来成为了一个人们研究植物蛋白的重要课题。

蛋白质的生物活性是由其特定的化学结构和空间结构决定的，空间结构的微小变化可能都会引起蛋白质生物活性的改变。改变蛋白质的化学结构可通过化学修饰使其空间结构发生变化从而导致自身生物活性及功能的改变，例如通过引入或除去化学基团，使蛋白质共价结构发生改变 [5] 。通常蛋白的改性部位有酰胺键、氨基、羧基、羟基和巯基等。蛋白质的酰胺化剂一般有酸酐、酰氯、酯转移剂等氨基酰化剂 [6] 。其中豆类蛋白最常见的改性方法是去酰胺化，其机理为蛋白质分子中的羰基上O⁻和H⁺直接发生质子化作用，生成羧酸根离子。由于去酰胺形成羧酸根离子，引起氢键的减少和静电排斥的增加，导致蛋白质的空间构象发生变化，从而增加蛋白质的溶解度，有利于功能特性的提高 [7] 。经化学改性后的蛋白，被广泛应用于实际生活，絮凝即为常见一种。所谓絮凝过程就是向待处理水中加入一定絮凝剂，使水中胶体体系在所加絮凝剂作用下，相互接触、碰撞脱稳而凝聚成一定粒径聚集体，脱稳聚集体又进一步碰撞、化学粘结、网捕卷扫、共同沉淀等作用而聚集成絮体，最终借助重力作用而沉淀以达到固液分离目的 [8] 。

20世纪70年代以后，天然高分子絮凝剂的研究开发备受关注。三十多年来的发展，已经出现了大量性能、用途不同的天然高分子絮凝剂，例如有淀粉类、壳聚糖类、木质素类、植物胶类、蛋白质类、微生物类等，并且部分天然高分子絮凝剂已经被应用到废水处理领域中 [9] 。

我国淀粉生产工艺相对落后，资源的利用率较低，淀粉工业在生产过程中废水排放量大，而且都是含大量淀粉、脂肪等有机物的髙浓度有机废水，进入水体后迅速消耗水中的溶解氧而影响鱼类和其他水生动物的生存，同时废水中悬浮物易在厌氧条件下分解产生臭气，恶化水质。因此改性豆类蛋白对淀粉废水的絮凝作用研究具有一定现实意义，使淀粉废水处理工艺的效率以及成本问题得到进一步解决，并且处理后的淀粉废水也可作为饲料等方式直接回收利用。

本课题拟对黄豆和黑芸豆蛋白官能团经甲基化和去酰胺化修饰改性后，通过分别测定改性蛋白对高岭土悬浮液和淀粉废水的透光率，即透过透明或半透明体的光通量与其入射光通量的百分率，研究其是否具有絮凝效果。

2. 实验部分

2.1. 实验仪器设备与试剂材料

紫外/可见分光光度计(V-1800型)、真空干燥箱(ZK-82A)、离心沉淀器(800型)、恒温加热磁力搅拌器(DF-101S型)、豆浆机、电子天平。

氢氧化钠、浓盐酸、氨水、甲醇、乙醇、黄豆和黑芸豆(原产地甘肃)、高岭土、淀粉废水。

2.2. 黄豆和黑芸豆蛋白的制备

分别称取黄豆和黑芸豆各50.0 g，按豆水1:10的比例加水，室温下浸泡12 h后打碎，用氢氧化钠溶液调溶液pH至8~10，搅拌0.5 h。将黄豆豆浆装入离心机中3000 r/min离心15 min，取其上清液，用0.1 mol/L的盐酸溶液将其pH调至4~6，静置1 h后装入离心机中3000 r/min离心15 min，沉淀即为黄豆蛋白沉淀 [10] 。将黑芸豆豆浆装入离心机中2000 r/min离心20 min，取其上清液，用0.1 mol/L 的盐酸溶液将其pH调至4~6，静置1 h后装入离心机中2000 r/min离心20 min，沉淀即为黑芸豆蛋白沉淀 [10] [11] 。

2.3. 黄豆和黑芸豆蛋白甲基化

将制取的黄豆和黑芸豆蛋白溶液分别溶解在0.001 mol/L的氢氧化钠溶液中，加入少量0.1 mol/L的盐酸溶液进行沉淀，待到pH值接近4.5时停止加入。通过离心与液相分离，分离出来的沉淀用甲醇溶液清洗两次，然后在400 mL含有0.1 mol/L盐酸溶液的甲醇溶液中于室温下搅拌24 h形成悬浮液。将悬浮液与5%的氨溶液中和，甲基化的黄豆蛋白在 3000 r/min的离心作用下离心10 min，甲基化的黑芸豆蛋白在2500 r/min的离心作用下离心15 min [12] 。

2.4. 黄豆和黑芸豆蛋白去酰胺化

各将150 mL黄豆蛋白和黑芸豆蛋白分别分散在300 mL 0.1 mol/L的盐酸溶液中，于室温下搅拌24 h，在2500 r/min的离心作用下离心15 min [7] ，沉淀即为去酰胺化的黄豆蛋白和黑芸豆蛋白。

2.5. 絮凝效果测定

称取0.6 g的高岭土于200 mL的蒸馏水中，制成悬浮液，加入微量的0.1 mol/L的盐酸溶液或氢氧化钠溶液。再加入一定量的絮凝剂，在450 rpm下快速搅拌3 min，继续在150 rmp下缓慢搅拌1 min，搅拌结束后沉降1 min。在液面下5 cm处吸取3 mL悬浮液，于700 nm处测定其透光率 [12] 。

设定几组实验组合，如下：

1) 称取一份高岭土放入烧杯1中，加入200 mL超纯水，设置三组平行样，测定其透光率。

2) 称取四份高岭土分别放入烧杯1、烧杯2、烧杯3、烧杯4中，各加入200 mL超纯水，向烧杯1中加入甲基化黄豆蛋白，向烧杯2中加入甲基化黑芸豆蛋白，向烧杯3中加入去酰胺化黄豆蛋白，再向烧杯4中加入去酰胺化黑芸豆蛋白，各设置三组平行样，分别测定其透光率。

3) 量取一份200 mL淀粉废水于烧杯1中，测定其透光率。

4) 量取四份200 mL淀粉废水于烧杯1、烧杯2、烧杯3和烧杯4中，向烧杯1中加入甲基化黄豆蛋白向烧杯2中加入甲基化黑芸豆蛋白，向烧杯3中加入去酰胺化黄豆蛋白，再向烧杯4中加入去酰胺化黑芸豆蛋白，各设置三组平行样，分别测定其透光率。

3. 结果与分析

3.1. 高岭土悬浮液与加入甲基化黄豆和黑芸豆蛋白后透光率比较

从表1中可以看到加入甲基化黄豆蛋白后高岭土悬浮液的透光率在同一时间段远低于高岭土悬浮液的透光率，而加入甲基化黑芸豆蛋白后高岭土悬浮液的透光率在同一时间段略高于高岭土悬浮液的透光率。从而可以得出结论，在相同条件，在无其他物质加入下，加入甲基化黄豆蛋白的高岭土絮凝效果不好，反而下降，而加入甲基化黑芸豆蛋白也未能使高岭土悬浮液透光率明显增大。

表1. 甲基化蛋白对高岭土悬浮液透光率的比较

3.2. 高岭土悬浮液与加入去酰胺化黄豆和黑芸豆蛋白后透光率比较

从表2中可以看到加入去酰胺化黄豆和黑芸豆蛋白后高岭土悬浮液的透光率增大明显，并且有继续增大的趋势。从而可以得出结论，在相同条件，再无其他物质加入下，引起透光率增大的原因就是加入了去酰胺化黄豆和黑芸豆蛋白。

表2. 去酰胺化蛋白对高岭土悬浮液透光率的比较

3.3. 淀粉废水与加入甲基化黄豆和黑芸豆蛋白透光率比较

从表3中未能明显看到加入甲基化黄豆和黑芸豆蛋白后淀粉废水悬浮液的透光率有明显增长，反而加入甲基化黑芸豆蛋白后淀粉废水悬浮液的透光率还有所降低。

表3. 甲基化蛋白对淀粉废水透光率的比较

注：^*淀粉废水放置两天后透光率达到8.05%。^**将加入甲基化黄豆蛋白的淀粉废水放置两天后透光率最大达到17.40%。^***将加入甲基化黑芸豆蛋白的淀粉废水放置两天后透光率最大达到10.23%。

将两者在阴暗处放置两天后，取其上层溶液进行透光率测量，发现淀粉废水的透光率由最初的1.45%达到了8.05%。加入甲基化黄豆蛋白的淀粉废水透光率从1.77%达到17.40%，而加入甲基化黑芸豆蛋白的淀粉废水透光率从0.59%达到10.23%。从而可以得出结论，在相同条件，再无其他物质加入下，加入甲基化黄豆和黑芸豆蛋白未能使淀粉废水透光率明显增大。

3.4. 淀粉废水与加入去酰胺化黄豆蛋白和黑芸豆蛋白透光率比较

从表4中未能明显看到淀粉废水悬浮液的透光率有明显增长，反而加入去酰胺化黄豆和黑芸豆蛋白后淀粉废水悬浮液的透光率还有所降低，但溶液中有明显的悬浮物质出现，并出现沉降现象。

表4. 去酰胺化蛋白对淀粉废水透光率的比较

注：^*淀粉废水放置两天后透光率达到8.05%。^**将加入去酰胺化黄豆蛋白的淀粉废水放置两天透光率最大达到29.24%。^***将加入去酰胺化黑芸豆蛋白的淀粉废水放置两天透光率最大达到26.78%。

将两者在阴暗处放置两天后，取其上层溶液进行透光率测量，发现淀粉废水的透光率由最初的1.45%达到了8.05%。加入去酰胺化黄豆蛋白的淀粉废水透光率从0.58%达到29.24%，而加入去酰胺化黑芸豆蛋白的淀粉废水透光率从0.49%达到26.78%，有了非常明显的提升。从而可以得出结论，在相同条件，再无其他物质加入下，引起透光率增大的原因就是加入了去酰胺化黄豆和黑芸豆蛋白。

4. 结论

经实验研究表明，在相同条件，无其他物质参与的情况下，向高岭土悬浮液以及实验常用淀粉废水中加入去酰胺化改性的黄豆和黑芸豆蛋白，它们的透光率都有很明显的提升，说明引起透光率明显提升的原因就是加入去酰胺化的黄豆和黑芸豆蛋白。而在相同条件，无其他物质参与的情况下，向高岭土悬浮液以及实验常用淀粉废水中加入甲基化改性的黄豆和黑芸豆蛋白，它们的透光率基本没有提升。综合上述实验结论，可以得出经过去酰胺化改性的黄豆和黑芸豆蛋白具有良好的絮凝作用，而经过甲基化改性的黄豆和黑芸豆蛋白不具有一定的絮凝作用。

基金项目

兰州城市学院第五届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛项目。

文章引用

魏跃威,王振州,陈映全,邵慧妹,郑雅丽. 改性豆类蛋白对高岭土和淀粉废水絮凝作用的效果
Effect of Modified Legume Protein on Flocculation of Kaolin and Starch Wastewater[J]. 水污染及处理, 2019, 07(03): 105-111. https://doi.org/10.12677/WPT.2019.73016

参考文献