大豆分离蛋白生产过程中的若干影响因素

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[4 ] Hoare , M. , Narendranat han , T. J . , Flint , J . R. Disruption of protein precipitates during shear in Couette flow and in pumps. Ind. Eng. Chem. Fundam. 21 :402 ,1982.
顿流体雾化方程式中雷诺准数 Re 所反映的是表观粘 度 ,而不是动力粘度[8 ] 。因此 ,尽管蛋白在静止时的粘 度很大 (~104cp) ,但由于非牛顿流体在高剪切速率时 表观粘度迅速降低 ,通过增加压力和特殊设计的喷头 , 物料仍可以很好地雾化 。
雾化的微粒如何与空气混合也是喷雾干燥的重要
影响因素之一 。从产品质量的角度看 ,距离雾化器几 厘米范围内物料与空气的混合状态是最关键的[8 ] 。计 算机模拟显示 ,高速冲出喷嘴的物料带动空气迅速流 动 ,在雾化区域造成真空 ,从而导致周围的空气向该区 域流动 。如果干燥塔的热风风量不足 、或者热风分配 不均匀 ,那么塔下部的空气就会返回到上部以填补真 空 。这种空气流动方式对喷雾干燥非常不利 ,首先 ,塔 底部空气的温度较低而湿度较大 ,因此明显降低干燥 速度 ,其次 ,一部分已干燥的粉末粒子被带入雾化区 域 ,产品颗粒的粒径分布更加分散 。
112 蛋白质沉降方式和输送方式 从碱提工段过来的大豆蛋白溶液一般可以采用三
种方式酸沉 :间歇罐组式 、连续罐组式 、和连续流动管
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道反应器 。间歇式反应达到等电点所需时间较长 ,一 般需要数十分钟 ,而连续式反应则几乎可以瞬间达到 等电点 ( < 1 秒) 。研究发现 ,尽管反应器形式不同 ,沉 淀颗粒直径的变化却是遵循相同的规律[2 ] 。首先 ,沉 淀颗粒直径都取决于流体平均速度新梯度 G;其次 ,蛋 白质浓度较低时沉淀颗粒较小 ,增加浓度颗粒直径随 之增大 ;第三 ,蛋白浓度较大时 ,随着平均速度梯度 G 减小 ,颗粒直径迅速增大 ,蛋白浓度较低时 ,平均速度 梯度对粒径的影响很小 。另一方面 , G 越小 ,局部高浓 度酸维持的时间越长 ,因而蛋白质变性越严重 。
产品的堆积密度取决于是否形成空心颗粒 。一般 认为空心颗粒是由于水分蒸发膨胀产生的 ,但实际上 , 空心颗粒内气体成分与干燥塔内空气相同 ,说明空心 颗粒的形成机理并不如此 。真正的原因是 ,较高温度 下空气在液体中的溶解度降低而形成气泡[9 ] 。物料可 能在雾化时夹带空气 、或者是溶解在其中的空气 。即 使喷雾前经过脱气处理 ,由于物料在脱离喷嘴瞬间水 分迅速蒸发 ,温度降低 , 吸收了大量的空气 。由此可 见 ,防止形成空心颗粒的关键是如何抑制雾化时带入 空气 。据报道 ,在喷嘴导入蒸汽以取代空气 ,可以明显 提高产品堆积密度[9 ] 。
[ 5 ]Bell ,D. J . Heywood - Waddington ,D. , Hoare ,M. And Dunnill , P. The density of protein precipitates and its effect on centrifu2 gal separration. Biotechnol. Bioengng. 24 :127 ,1982.
从碱性提取液中回收蛋白质并将处理过的蛋白质
加以干燥是大豆分离蛋白生产中最重要的两个单元过
程 ,而酸沉分离和喷雾干燥是目前被绝大多数厂家采 用的工艺 。等电点沉淀蛋白的离心分离效果取ຫໍສະໝຸດ Baidu于蛋
白质沉淀的因素 ,包括沉降条件 、沉降方式 、输送方式 等 。大豆分离蛋白的堆积密度 、含气量 、分散性 、凝胶
使大豆蛋白在较低温度下保持一定的干燥速率的
办法是减小雾滴粒径 ,可见良好的雾化是关键 。大豆 蛋白一般都采用压力式雾化 ,在雾化的瞬间 ,压力提供 剪切力和空化作用 ,克服表面张力将物料微粒化 。蛋 白在喷雾干燥之前呈凝胶状 ,是一种非牛顿型流体 ,因 此必须考虑物料的流变性质对雾化产生的影响 。非牛
于连续式酸沉蛋白颗粒 ,因此沉淀颗粒的破裂程度小 得多 ,导致前者的临界分离通量比后者大 30 %。
卧螺离心的酸沉大豆蛋白固型物含量也是反映离
心效果的重要指标 。连续法酸沉物料的离心干物质含
量较高 ,而间歇式酸沉的干物质含量较低 。另外 ,螺旋 差速增加固型物含量也随之增大 。由于酸沉大豆蛋白
是触变性流体 ,当剪切速率增大时体系粘度降低 ,从而 有利于脱水 ,这些现象表明卧螺主要通过剪切作用 、而 不是压缩体积来增加固相浓度[2 ] 。
实验表明 :各种常用的输送泵 ,例如 :单螺杆泵 、离 心泵 、齿轮泵 ,在输送蛋白沉淀的过程中 ,有相当数量 的沉淀颗粒将会破裂[4 ] 。破裂程度与粒子形成时所受
到的搅拌强度有关 ,平均速度梯度越大 ,粒子破裂的比 例就越小 。
2 蛋白质沉降分离过程分析 离心机是大豆分离蛋白生产车间最昂贵的设备 ,
沉淀方式虽然不影响沉淀颗粒直径 ,却影响颗粒 的形态 。对蛋白沉淀来说 ,罐式搅拌器提供的动力是 不均匀的 。当沉淀颗粒穿过搅拌浆叶附近时 ,在高剪 切力的作用下 ,构成颗粒的蛋白发生重排 。经过不断 重复 ,形成形状比较规则 、结构较紧密的颗粒 。与此相 反 ,管式反应器的物料停留时间短 ,得到的蛋白沉淀呈 松散的絮凝状 ,容易在剪切力作用下破碎 。对不同反 应器获得的沉淀颗粒进行毛细管剪切试验后发现 : 蛋 白沉淀颗粒的抗剪强度与平均速度梯度 G 与平均停留 时间 t 的乘积 Gt 有关 ,只有当 Gt 超过 105 数量级 ,颗 粒才有足够的强度[3 ] 。物料在管式反应器中的时间很
的影响因素 ; ③喷雾干燥过程中热风温度 、热风分配对蛋白质功能性质 、产品堆积密度的影响 ,高压喷嘴雾化能力的影响因素 。
关键词 :大豆 ;分离蛋白 ;影响因素
中图分类号 : TS 214126 文献标识码 :B 文章编号 :1009 - 2765 (2005) 01 - 0024 - 02
[ 3 ]Bell ,D. J . And Dunnill , P. Shear disruption of soya protein pre2 cipitate particales and t he effect of ageing in a stirred tank. Biotechnol. Bioengng. 24 :1271 ,1982.
d1 、d2 :碰撞粒子的直径 ,
N1 、N2 :粒子浓度 , G = (ε/ v) 1/ 2 :流体平均速度梯度 ,式中ε和 v 分别 表示单位体积耗散的功率和流体的动力粘度 , α:导致聚集的有效碰撞系数 , α′:导致破裂的有效碰撞系数 , d f:颗粒最终的直径 , Φv :蛋白沉淀颗粒浓度 。 由于α和α′的不确定性 ,以上两个方程一般不能 用于定量计算 ,其实际意义在于它们的定性指导作用 。 从方程式可知 ,在蛋白沉淀形成的开始阶段增加蛋白 浓度和流体平均速度梯度将有利于颗粒增大 ; 然而沉 淀颗粒不可能无限增加 ,因为当颗粒直径大到一定程 度后破裂速度增加 ,而且较大的平均速度梯度和蛋白 质浓度同样加速颗粒破裂 。
集 、沉淀 ;与此同时 ,沉淀颗粒破裂为较小的粒子 。蛋 白质沉淀颗粒的大小与形状是上述两个过程共同作用
的结果[1 ] 。蛋白质粒子的聚集和破裂力学方程分别
是:
-
dN dt
=
α 6
( d1
+
d2)
3
GN 1 N 2
d d / dt = k ( d f- d ) ,k = f (α′, G ,Φv)
其中
参考文献
[1 ]Bell ,D. J . , Hoare , M. Dinnill , P. The formation of protein pre2 cipitates and t heir centrifugal recovery. In“Downstream process2 ing , Advances in Biochemical Engineering/ Biotechnology”( A. Fiechter , Ed. ) . Springer , - Verlag ,Berlin. 26 :1 ,1983.
[ 2 ]Bell ,D. J . And Dunnill , P. The influence of precipitation reactor configuration on t he centrifugal recovery of isoelectric soya pro2 tein precipitate. Biotechnol. Bioengng. 24 :2319 ,1982.
固相物料的流变性质 。
据测定 ,酸沉淀大豆蛋白与相应溶液的密度差的 变化范围是 250kg/ m3 (粒径 1μm) 到 100kg/ m3 (粒径 20μm) 以上 。从固液分离的角度来看 ,上述密度差已经 足够大 ,可以使用转速较低的螺旋沉降式离心机[5 ] 。
粒径对分离度 <(d) 有明显的影响[2 ] ,粒径越小 ,分 离度越低 ,且临界粒径 d50 (<( d) = 50 %时的粒径) 随着 物料通量的增加而增大 。由此可见 ,为了获得较大的 生产量和较好的分离效果 ,蛋白沉淀颗粒应在 10μm 以 上 。蛋白粒径除了取决于进料颗粒大小外 ,沉淀颗粒 是否破裂也是重要的影响因素[1 ] 。用卧螺分离时 ,沉 淀颗粒破裂主要发生在进料口附近 ,因为此处的剪切 速率最大 。由于间歇时酸沉蛋白颗粒的抗剪切强度大
加工技术
华欲飞 :大豆分离蛋白生产过程中的若干影响因素
2005 年 大豆通报 第 1 期
大豆分离蛋白生产过程中的若干影响因素
华欲飞
(江南大学食品学院 ,无锡 214036)
摘 要 :本文主要讨论以下几方面问题 : ①酸沉方式和条件对蛋白沉淀颗粒大小和强度的影响 ; ②酸沉大豆蛋白卧螺分离效率
3 大豆蛋白喷雾干燥过程分析 喷物干燥过程中蛋白质在三个不同的层次上发生
变化 。首先是小分子与蛋白质基团的反应 ,如美拉德 反应 ;其次是蛋白质大分子空间结构的变化 ;第三类反 应涉及凝聚态高分子物质的物理状态 。美拉德反应会
产生不愉快的颜色和气味 ,反应活化能与水的蒸发潜 热接近 ,这就是说 ,温度对水分蒸发和美拉德反应的影 响是同步的 。蛋白质分子空间结构的变化无疑将影响
短 (100 - 101 秒) , Gt≈104 ,因而沉淀颗粒不规则 、抗剪 破裂强度低 。酸沉罐的平均速度梯度 G 虽然较小 ,但 停留时间较长 (103 秒) , Gt 可超过 105 数量级 。通过实 验发现 ,在管式反应器后面接一个老化罐 ,可以改善颗 粒的形态 ,沉淀颗粒破碎率明显降低 。除平均速度梯 度之外 ,设计反应器时还需考虑其他一些影响因素 。 例如 ,应尽量避免出现气 - 液界面 ,否则将产生大量泡 沫并导致蛋白质变性 。
性等重要的产品性能都与喷雾干燥的传递过程 (包括
动量 、质量 、和热量传递) 有关 。本文综合了有关研究
论文 ,对大豆分离蛋白沉降分离和喷雾干燥过程进行 了讨论 ,为大豆分离蛋白车间的设计和工艺参数的选 择提供一定的依据 。
1 大豆蛋白酸沉过程的影响因素 111 蛋白质粒子的聚集与破裂动力学
处于等电点的蛋白质溶液因分子间相互碰撞而聚
功能性质 ,反应的特点是活化能一般很大 ,比水的蒸发 潜热大一个数量级 ,较高温度下反应速度的增加将明 显快于水分蒸发速度的增加 ,因此较低的干燥温度有 利于保持蛋白的功能性质[6 ] 。随着大部分水分蒸发 , 部分无定型态蛋白质将转变为结晶态 ,从而影响分散 和水化性能 。结晶时体系温度必须满足 T > Tg (玻璃 化温度) ,因此 ,若能使蛋白干燥的最后阶段保持较低 的温度可以减少结晶程度[7 ] 。
同时 ,沉降分离过程对产品成本的影响最大 。因此 ,酸 沉蛋白的分离应力求达到最大的离心机通量和轻相中
最小的沉淀损失 。影响蛋白质固液分离效率的因素包
括 :沉淀颗粒的大小 、强度 、固液相密度差 、以及分离后
2005 年 大豆通报 第 1 期
华欲飞 :大豆分离蛋白生产过程中的若干影响因素
加工技术
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