燕龍龍，葉　茜，嚴(yán)　濱，魏曉楠，杜翠紅，3，*（.集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建廈門360；.廈門理工學(xué)院，廈門市膜技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門360；3.福建省水產(chǎn)品深加工工程研究中心，福建廈門360；.福建省食品微生物與酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門360）

PVDF超濾膜的制備及其分離大豆蛋白的條件優(yōu)化

燕龍龍1，葉茜2，嚴(yán)濱2，魏曉楠4，杜翠紅1，3，*
（1.集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建廈門361021；2.廈門理工學(xué)院，廈門市膜技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361024；3.福建省水產(chǎn)品深加工工程研究中心，福建廈門361021；4.福建省食品微生物與酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361021）

以聚偏氟乙烯（PVDF）為材料，利用浸沒沉淀相轉(zhuǎn)化法制備超濾膜，以水通量、孔隙率、截留率等對膜進(jìn)行表征。結(jié)果表明，所制備的膜孔徑較均一，在0.7MPa操作壓力下，其水通量可達(dá)350L/m2·h以上，其孔隙率維持在80%左右，對牛血清白蛋白（BSA）的截留率在90%以上，而對聚乙二醇20000的截留率僅為5%左右。單因素與正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度為50℃、pH=9、操作壓力為0.5MPa及料液濃度為240μg/mL，膜的通量最大，對大豆蛋白的截留率可達(dá)96.25%。

聚偏氟乙烯超濾膜，浸沒沉淀，大豆蛋白，膜分離

膜分離技術(shù)是一種新興的高效分離、提純、濃縮技術(shù)，隨著膜技術(shù)的發(fā)展，膜的應(yīng)用也越來越普遍，主要應(yīng)用在廢水處理、食品、醫(yī)藥、生化等方面[1-5]。膜分離過程無相變、高效、節(jié)能、無污染的特點(diǎn)，推動(dòng)了食品行業(yè)的發(fā)展[6]。而聚偏氟乙烯（PVDF）具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性[7-8]，是一種優(yōu)異的成膜材料。Zhao等[9]以PVDF為材料并在表面接枝NIPAAm制備了熱響應(yīng)性膜，提高了膜的親水性，表現(xiàn)出良好的熱響應(yīng)性。Wang等[10]以PVDF和石墨氧化物為材料，采用浸沒相轉(zhuǎn)化法制備了有機(jī)-無機(jī)共混超濾膜，在機(jī)械強(qiáng)度、滲透性等方面得到提高。

大豆蛋白是植物蛋白中營養(yǎng)最為全面的蛋白質(zhì)，開發(fā)利用大豆蛋白是十分重要的。目前大多采用傳統(tǒng)的堿提酸沉法提取大豆蛋白[11]，該方法不僅浪費(fèi)大量酸堿、污染環(huán)境，而且獲得的大豆蛋白質(zhì)量較差、提取率較低[12]。利用膜分離法提取分離大豆蛋白，具有得率高、節(jié)約資源及減少污染等優(yōu)點(diǎn)[13]。利用超濾提取大豆蛋白已有報(bào)道[13-15]，但所采用的膜都是已有超濾膜。因此，本研究制備了可用于分離大豆蛋白的PVDF超濾膜，并對其操作條件進(jìn)行了優(yōu)化，可為膜分離法大規(guī)模制備大豆蛋白提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

聚偏氟乙烯（PVDF） 上海3F新材料股份有限公司；N，N-二甲基乙酰胺（DMAC） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；牛血清白蛋白（BSA） 鹽城賽寶生物科技有限公司；聚乙二醇20000、LiCl國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；其他生化試劑廈門鷺隆生物科技發(fā)展有限公司；普通化學(xué)試劑廈門市綠茵試玻儀有限公司，均為分析純。

DK-S22電熱恒溫水浴鍋、DHG-9146A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海精密實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；JJ-1型精密增力電動(dòng)攪拌器常州國華電器有限公司；SF-SB膜性能評價(jià)儀杭州賽菲膜分離技術(shù)有限公司；TDL-40C低速臺(tái)式大容量離心機(jī)上海安亭科學(xué)儀器廠；TOC-VCPH FA.CN200總有機(jī)碳測定儀島津企業(yè)管理有限公司；722型可見分光光度計(jì)上海光譜儀器有限公司；PHSJ-5pH計(jì)上海精密一起實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；S-4800掃描電子顯微鏡中科科儀。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1膜的制備將PVDF與LiCl溶于溶劑DMAC中，配成比為PVDF∶LiCl∶DMAC=15∶2∶83的鑄膜液，80℃下攪拌至溶解，然后放入80℃的烘箱內(nèi)靜置脫泡24h；用0.5mm刮刀將鑄膜液均勻的刮在覆有膜基材的玻璃板上；將玻璃板放入到20℃純水凝膠浴中，使鑄膜液固化成膜，并置于去離子水中24h，完全交換出溶劑，備用[16]。

1.2.2膜性能的表征

1.2.2.1水通量的測定維持水溫為20℃，使膜在0.6MPa下預(yù)壓30min，待通量穩(wěn)定后，分別測量0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1MPa下流過一定體積（v）所需要的時(shí)間（t）。水通量（J）的計(jì)算公式為[17]：

式中：Jv—純水通量（L/m2·h）；v—透過純水的體積（L）；A—膜的有效面積（m2）；t—時(shí)間（h）。

1.2.2.2孔隙率的測定5張膜，每膜取一定面積A（cm2），測定膜厚度D（cm）、質(zhì)量Wm（g），按下式計(jì)算膜孔隙率[16]：

膜孔隙率（%）=[（D×A-Wm/ρp）]/（D×A）

式中：A—膜的面積（cm2）；Wm—膜的質(zhì)量（g）；D—膜的平均厚度（cm）；ρp—PVDF的密度1.77g/cm3。1.2.2.3膜截留分子量測定檢測制備膜對聚乙二醇20000（分子量約為20000u）和牛血清蛋白（分子量約為67000u）的截留率。

配制1.0g/L的被檢測的樣品，使其在0.3MPa下透過膜，測定透過液濃度計(jì)算出截留率[18]：

R（%）=（C原-C透）/C原×100

式中：R—截留率；C原—樣品原始濃度（g/L）；C透—膜透過液中樣品濃度（g/L）。

1.2.2.4膜結(jié)構(gòu)的表征將膜片在50℃下真空烘干、制樣，在5kV下金離子濺射180s，采用掃描電鏡（S-4800）觀察膜表面形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1.2.3膜分離大豆蛋白制備工藝大豆→浸泡、粉碎→調(diào)節(jié)pH至9.0堿提→離心（4000r/min，15min）取上清→超濾膜分離及濃縮→干燥獲得大豆粉。

1.2.3.1單因素實(shí)驗(yàn)以大豆蛋白堿提液為原料，對操作壓力（0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7MPa）、溫度（20、30、40、50、60℃）、pH（5、6、7、8、9、10）及料液濃度（60、120、180、240、360、480μg/mL）4個(gè)因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，確定各因素對蛋白料液通量的影響[19]，固定各因素水平值操作壓力為0.4MPa、溫度為40℃、pH為7.0、料液濃度為120μg/mL。

1.2.3.2正交實(shí)驗(yàn)為確定最佳提取條件，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取操作壓力、溫度、pH、料液濃度四個(gè)因素，建立L（934）正交實(shí)驗(yàn)表（見表1），以大豆蛋白提取液通量為評價(jià)指標(biāo)。

表1　L9（34）正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1　Factors and levels of L9（34）orthogonal experiment

2　結(jié)果與討論

2.1膜性能表征

水通量、孔隙率、截留率以及掃描電鏡（SEM）圖是膜性能的重要參數(shù)，通過測定這幾個(gè)性能，可以評價(jià)膜的基本性能。

2.1.1水通量測定圖1為超濾膜水通量隨操作壓力的變化趨勢，由圖1可以看出，隨著操作壓力的不斷增加，使得相應(yīng)面積上的壓力增加，從而膜的水通量也不斷增大，并且增大趨勢逐漸變緩?？紤]到實(shí)驗(yàn)儀器及膜的承受壓力情況，實(shí)驗(yàn)時(shí)不宜超過0.7MPa。

圖1　操作壓力對水通量的影響Fig.1　Effect of pressure on water flux

2.1.2孔隙率和截留率的測定從表2看出，實(shí)驗(yàn)室制備的膜孔隙率維持在80%左右，誤差在0.0169，說明實(shí)驗(yàn)室制備的膜開孔相對穩(wěn)定。對于分子量為67000u的BSA截留率在90%以上，因此膜的截留分子量絕大多數(shù)都小于67000u，可用于截留大豆蛋白的主要成分；而對于分子量20000u的聚乙二醇截留率卻都在5%左右，說明膜的截留分子量絕大部分都要大于20000u，可以透過大豆蛋白中對人體有害的胰蛋白酶抑制劑（分子量為8000～21500u），生產(chǎn)高質(zhì)量的大豆蛋白。

表2　膜的孔隙率與截留率Table 2　The porosity and retention prepared of membrane

2.1.3膜的結(jié)構(gòu)表征圖2為研究所制備的PVDF膜表面結(jié)構(gòu)在1000、5000、10000、20000倍下的SEM圖，從圖中可以看到，所制備的膜，表面呈現(xiàn)鏈狀相連的孔徑結(jié)構(gòu)，孔徑比較均一。在較低倍數(shù)下可以看到，膜的表面孔分布均勻且密集。

圖2　PVDF膜的表面形態(tài)SEM圖Fig.2　SEM of surface of PVDF membrane

2.2膜法分離大豆蛋白條件優(yōu)化

2.2.1單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1.1操作壓力的影響操作壓力對大豆蛋白透過液通量的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著操作壓力的增加，大豆蛋白透過液通量也不斷增加，且增大趨勢逐漸變緩。壓力越大，平均通量越大[20]。由于膜的耐壓能力以及壓力過高時(shí)儀器的穩(wěn)定性，正交實(shí)驗(yàn)時(shí)所選取的壓力要低于0.7MPa，因此，實(shí)際操作選取的壓力為0.4、0.5、0.6MPa。

圖3　操作壓力對大豆蛋白提取液通量的影響Fig.3　Effect of pressure on soybean protein extraction liquid flux

2.2.1.2溫度的影響圖4為透過液通量與溫度的關(guān)系曲線。由圖4可以看出，從20℃增大到30℃時(shí)，通量有顯著的提高，再升高溫度時(shí)，通量增加的趨勢變緩，溫度升高的50～60℃時(shí)，通量趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著溫度的升高溶液的粘度降低，分子所受到的阻力減小，通量就會(huì)增加[13]。另一方面，溫度過高會(huì)使蛋白變性，導(dǎo)致蛋白空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響產(chǎn)品的品質(zhì)[13]。所以溫度不宜過高，應(yīng)維持在40℃左右。

圖4　溫度對大豆蛋白提取液通量的影響Fig.4　Effect of temperature on soybean protein extraction liquid flux

2.2.1.3pH的影響pH對大豆蛋白提取液通量的影響如圖5所示，隨著pH的增加，通量也逐漸增加，當(dāng)pH=9時(shí)，料液的通量達(dá)到最大。當(dāng)pH又繼續(xù)增加時(shí)，通量又有下降的趨勢。究其原因可能是因?yàn)殡S著pH的增大，蛋白在水中的溶解性會(huì)更好，從而使阻力減小，通量增大。當(dāng)pH增大到9時(shí)，蛋白在水中的溶解狀態(tài)最好[21]。當(dāng)pH繼續(xù)增大時(shí)，蛋白質(zhì)會(huì)變性，導(dǎo)致蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，蛋白分子展開，空間結(jié)構(gòu)更大，更容易在膜表面發(fā)生濃度差極化現(xiàn)象和表面附著，從而使膜更容易污染，通量下降，因此應(yīng)控制pH在7～9之間較為合適[13]。

圖5　pH對大豆蛋白提取液通量的影響Fig.5　Effect of pH on soybean protein extraction liquid flux

2.2.1.4料液濃度的影響改變料液的濃度，得到了通量隨料液的變化曲線（圖6）。從圖6可以看出，濃度越低，通量越大。隨著濃度的升高，通量會(huì)逐漸變小，當(dāng)濃度增大到一定程度時(shí)，通量逐漸穩(wěn)定?？赡茉蚴菨舛仍酱螅鞍追肿舆\(yùn)動(dòng)的阻力也大，更容易在膜表面出現(xiàn)差極化現(xiàn)象[22]，通量就會(huì)降低，當(dāng)濃度增大到一定程度時(shí)，阻力的影響減小，通量逐漸呈現(xiàn)穩(wěn)定。因此，正交實(shí)驗(yàn)時(shí)所選取的濃度在240～480μg/mL。

圖6　料液濃度對大豆蛋白提取液通量的影響Fig.6　Effect of concentration on soybean protein extraction liquid flux

2.2.2正交實(shí)驗(yàn)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，對通量進(jìn)行正交分析，由極差可以看出各因素的影響：A＞D＞C＞B，溫度的影響最大，pH的影響最小。9組實(shí)驗(yàn)直觀分析得出最佳條件為A3B2C1D3；而由k值分得到最佳條件為A3B3C2D3。

三次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，在A3B3C2D3條件下，蛋白料液的通量達(dá)到96.32L/m2·h，大于91.22L/m2·h，即當(dāng)溫度為50℃、pH=9、操作壓力為0.5MPa、料液濃度為240μg/mL時(shí)，通量達(dá)到最大。在此條件下，對大豆蛋白進(jìn)行提取實(shí)驗(yàn)，得到膜對大豆蛋白的提取率達(dá)到96.25%。

表3　L9（34）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Table 3　Results analysis of orthogonal experiment

3　結(jié)論

利用浸沒沉淀法制備的PVDF超濾膜，表面孔分布均勻，孔徑較均一，孔隙率維持在80%左右，在0.7MPa下的水通量可達(dá)350L/m2·h以上，對牛血清白蛋白（BSA）的截留率在90%以上，而對聚乙二醇20000的截流率僅為5%左右，適用于分離大豆蛋白；通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，得到大豆蛋白膜分離的最佳條件為溫度50℃，pH=9，操作壓力0.5MPa，料液濃度為240μg/mL，對大豆蛋白的提取率達(dá)到96.25%。

鑒于PVDF膜分離蛋白時(shí)易被污染，導(dǎo)致通量下降，而α晶型的PVDF膜具有良好的耐污染性，后續(xù)研究將控制成膜條件使成膜時(shí)形成以α晶型為主的PVDF膜，并通過表面改性與共混改性，提高PVDF膜的抗污染性，為食品分離行業(yè)提供一定的參考。

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Preparation of polyvinylidene fluoride ultrafiltration membrane and its application in separation of soybean proteins

YAN Long-long1，YE Qian2，YAN Bin2，WEI Xiao-nan4，DU Cui-hong1，3，*
（1.College of Food and Biological Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，China；2.Xiamen University of Technology，Xiamen Key Laboratory of Membrane Research and Application，Xiamen 361024，China；3.Engineering Research Center for Aquatic Products Processing of Fujian Province，Xiamen 361021，China；4.Fujian Provincial Key Laboratory of Food Microbiology and Enzyme Engineering，Xiamen 361021，China）

The polyvinylidene fluoride ultrafiltration membrane was prepared by the immersion phase inversion process，and its characterization was investigated by measuring the water flux and porosity of the membrane，its retention of different molecular weights.The results showed that the water flux of the membrane was 350L/m2·h，its porosity was around 80%，under 0.7MPa，its retention to bovine serum albumin（BSA）and polyethylene glycol（PGE）20000 were over 90%and only 5%，respectively.By optimizing process conditions such as temperature，pH，operating pressure and material liquid concentration conditions，the retention of the membrane to the soybean proteins reached 96.25%under the temperature was 50℃，pH=9，operating pressure was 0.5MPa and slurry concentration to 240μg/mL.

polyvinylidene fluoride ultrafiltration membrane；immersion phase inversion process；soybean protein；membrane separation

TS201.1

B

1002-0306（2014）12-0236-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.12.043

2013－09－02*通訊聯(lián)系人

燕龍龍（1988-），男，碩士研究生，研究方向：食品生物技術(shù)。

廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目（3502Z20133031）；廈門理工學(xué)院對外合作與交流專項(xiàng)（dw009）。