利用皮革废料制备工业蛋白粉的工艺探究

王斌，尹春林，马顺友，袁小超，代廷凡，沈敏

（四川银河化学股份有限公司，四川绵阳 622650）

工业蛋白粉又称工业水解蛋白、工业胶原蛋白，或工业水解明胶。产品性状为白色粉末（微黄），体轻，易溶于水，水溶液清亮。工业蛋白有良好的絮凝性、保湿性、发泡性、粘合性等性质，广泛应用在皮革鞣制、电解电镀、消防发泡、发酵、化肥、建筑、胶粘剂、造纸业等行业[1，2]。

近年来皮革行业发展势头迅猛，产量不断增加，含铬皮革边角料也成为了皮革行业的热点[3]。制革过程中不可避免地产生大量的修边、削匀皮屑和残次二层皮料[4]。据中国皮革协会相关数据统计，我国每年产生约100 万吨的含铬废弃物[5]。常以三氧化二铬或者同价态铬盐形式存在，大量的重金属离子铬排入环境会在人体内富集，超过一定限度会对人内脏，骨骼受损造成影响，危害人们的生产和生活，抑制动植物的新陈代谢[6]；我们必须深刻的意识到，只有在保障环境与生态效益兼顾的前提下,皮革工业才能发展得越来越好[7]。

皮革制废料处理是国内外行业面临的一个重大难题，为了保护环境，减少生产成本，人们一直寻求更好的解决方法。

本研究先对皮革废料进行碱处理，生成工业明胶后。再利用酶水解工业明胶，将过滤后的水解液蒸发浓缩，烘干后制成粉末，根据蛋白粉中水分占比、灰分占比、氮占比以及含铬数量，探究并优化制备工业蛋白粉的工艺。

1 实验材料及仪器

1.1 实验原理

制备水解蛋白的工艺流程：用碱对皮革废料进行预处理后，进行酶水解，获得胶原蛋白水解液，然后经过滤、中和调节、蒸发浓缩、干燥、制粉等工序制成工业蛋白粉。其水解的原理为：碱性条件下，OH-与Cr+3配位能力比胶原羧基与Cr+3的配位能力强的原理，生成的沉淀与胶原溶液分离[8]。降温处理后，利用碱性蛋白酶对胶原溶液水解，使胶原蛋白的肽键断裂，生成分子量更小、溶于水的水解蛋白和部分氨基酸。水解方程式如下：

1.2 主要仪器

DHG-9140 电热恒温鼓风干燥箱，DZKW 电子恒温水浴锅，DF-101S 集热式磁力加热搅拌器，JJ-1/160W 精密增力电动搅拌器。

1.3 实验试剂

含铬皮革废料；自制表面活性剂；氧化钙（石灰粉）；硫酸(分析纯)；碱性蛋白酶。

2 实验步骤

2.1 工艺处理

从碱法处理皮革废料制取工业明胶工艺的探究中，得到最佳预处理工艺为：氧化钙用量为12%、碱性蛋白酶、清洗时间为12 h,在此工艺条件下进行提取蛋白粉工艺的优化探究。降温处理后，用碱性蛋白酶对胶原溶液进行水解反应。工艺流程如下：

铬革屑加水制浆→碱水解→酶水解一次过滤→中和调节→二次过滤→蒸发浓缩→三次过滤→干燥制粉→工业蛋白粉

2.2 实验设计

2.2.1 水解时间

探究最佳水解时间，具体步骤为：设置五组实验，每组将浸泡预处理好的胶原溶液装进烧瓶中进行水解。水解时间分别为1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，在水解温度为55 ℃、液固比为6，水解pH 为6 条件下进行，依次对各组制得的工业蛋白粉测定蛋白质占比、灰分占比、水分占比以及含铬量，从而确定最佳的水解时间[9]。

2.2.2 水解温度

探究最佳水解温度，设置五组实验，水解温度依次为45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃。水解时间为4 h,其余实验条件不变，参照上述水解时间。依次对各组制得的工业蛋白粉测定蛋白质占比、灰分占比、水分占比以及含铬量，从而确定最佳的水解时间。

2.2.3 液固比的单因素实验

以液固比为变量，在最佳水解时间、水解温度、水解pH 条件下，调整液固比为4、5、6、7、8，通过工业蛋白粉中的主要成分指标确定最佳的水解液固比。液固比=液体质量/固定质量=（100-浓度）/浓度，质量百分浓度的倒数等于液固比乘以100%。

2.3 行业标准

本文中工业蛋白粉的蛋白质占比、水分占比、灰分占比以GB 31645-2018 《食品安全国家标准 胶原蛋白肽》（GB 31645-2018）为参考，《肥料和土壤调理剂砷、镉、铬、铅、汞含量的测定》（GB/T 39229-2020）中的标准作为含铬量的参考。具体标准数值见表1[10]。

表1 工业蛋白粉的质量标准Tab.1 Quality standards of Industrial protein powder

2.3.1 氮含量的测定

参照罗艳华等研究[11]进行测定，含氮量的计算公式如下：

式中：

W—含氮量（%）；

c—标准盐酸的溶液浓度（0.1 mol/L）;

v1—滴定管的最初刻度（mL）；

v2—滴定管的最终刻度（mL）；

m—工艺蛋白粉的质量（g）。

2.3.2 粗蛋白含量的计算

根据氮含量具体的数值，可以由公式（2）计算得出目标产物中的粗蛋白的含量。

式中：P1—氮的含量（%）；

P2—粗蛋白含量（%）。

2.3.3 游离氨基含量的测定

本实验参照徐英操等[12]的研究,采用OPA 法测定蛋白粉中的游离氨基酸的含量。

2.3.4 水分含量的测定

参照《食品安全国家标准 食品中水分的测定》（GB 5009.3—2016）[13]。样品中水分含量按公式（3）计算。

2.3.5 灰分含量的测定

取烘干磨细样品5 g 放入已恒重的瓷坩埚中,均匀铺层，置于马弗炉中烧灼，逐渐升温至560 ℃后,连续炙烤2 h，取出后置于干燥器中冷却、称量[14]。蛋白粉灰分占比的计算公式（4）：

式中：

H—灰分的占比（%）；

b1—蛋白粉的质量（g）；

b2—炙烤后灰分与坩埚质量（g）；

b3—坩埚的质量（g）。

2.3.6 含铬量测定

利用石墨炉原子吸收分光光度计，进行含铬量的测定[15]。

2.4 实验结果与探究

2.4.1 水解反应时间

表2 不同水解时间下蛋白粉各项指标的生成量Tab.2 production of various indexes of protein powder under different hydrolysis time

图1 反映了随着水解时间的变化，蛋白粉各项指标的变化趋势，从图中可以得到：在水解温度为55 ℃、液固比为6 的条件下，随着水解时间的不断增加，蛋白粉产率持续增大。当水解时间为5 h 时，蛋白粉产率达到最大，氮含量达到最大值14.56%。在3 h 时出现了灰分含量的最低值5.15%。综合考虑，选取5 h 为最优水解时间，此时蛋白粉产率为91.42%、水分含量为5.1%、灰分含量为7.16%、氮含量为14.56%、含铬量为106 mg/kg。

图1 水解时间对蛋白粉质量指标的影响Fig.1 Effect of hydrolysis time on quality index of protein powder

2.4.2 水解温度

通过对水解时间的探究（变化趋势见图2，具体数值见表3），确定最佳的水解时间为5 h,因此设定水解温度分别为：40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃六组实验进行制取工业蛋白粉温度的探究，每组实验时间设定为5 h，其余实验条件维持不变。通过实验数据可以得到：随着水解温度的不断提高，当在55 ℃时，水解得到的蛋白粉产率最高，为93%，同时含铬量骤降。主要是因为碱性蛋白酶最佳适应温度为55～60 ℃，活性最高。随着温度不断上升，蛋白酶失活，水解能力逐渐减弱。从实验结果得到，55 ℃为最佳的水解温度，此刻蛋白粉得率为93 %、水分占比为10.85 %、灰分占比为6.75 %、氮含量为14.2 %、含铬量为78.81 mg/kg。

表3 不同水解温度下蛋白粉各项指标的生成量Tab.3 production of various indexes of protein powder at different hydrolysis temperatures

图2 水解的温度对蛋白粉质量指标的影响Fig.2 Effect of hydrolysis temperature on the quality of protein powder

2.4.3 液固比

水解时液固比的大小是含铬革屑水解是否充分的关键因素，直接影响了工业蛋白粉的成分含量。通过实验数据可以得出：在固定水解时间为5 h、水解温度55 ℃条件下，水解液固比变化对蛋白粉质量相关指标产生的影响。液固比逐渐增大，蛋白粉的得率维持在73.2%以上，氮占比持续增加，在液固比处于4～6之间时含铬量明显减少，灰分占比当液固比为6 时降至最小值。主要原因是：当液固比比较小时，皮革废料和碱液无法进行完全反应，造成部分皮革废料不能被水解，导致水解反应不彻底，所以在一定范围内液固比增大，蛋白粉的含铬量迅速下降；而当液固比过大时，反应过程体系中的水分含量很高，使碱液被稀释，近而削弱了水解力度。在液固比超过一定范围时，蛋白粉中灰分占比及含铬量都有所上升。综上所述：选择最佳水解液固比为6，此刻蛋白粉得率为89.8%、水分含量为6.3%、氮含量为13.5%、含铬量为72.0 mg/kg。

表4 不同水解液固比对蛋白粉各项指标生成量的影响Tab.4 Effect of liquid-solid ratio obtained by hydrolysis on quality indexes of protein powder

图3 水解的液固比对蛋白粉质量指标影响Fig.3 Effect of hydrolyzed liquid-solid ratio on quality index of protein powder

3 结论

在利用皮革废料制取工业蛋白的过程中，影响蛋白粉中蛋白质、水分、灰分、含铬量的重要因素主要包含水解时间、温度、pH。根据单因素实验探究，得到了最佳的提取水解蛋白工艺为：水解反应温度55 ℃，时间5 h,液固比为6。通过以上工艺参数可以制得优质的工业蛋白粉。从皮革废料中制取工业蛋白粉为皮革废弃物的资源化利用提供了新的出路，对于国家治理皮革行业提供了有利的技术支撑。