袁芬奇，王屋梁，許爭明，關(guān)清妍，何靜仁，祝振洲

（武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢　430023）

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紫薯提取液超濾膜分離特性研究：過濾方式的影響

袁芬奇，王屋梁，許爭明，關(guān)清妍，何靜仁，*祝振洲

（武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430023）

以截留分子量為100，50，10 kDa的超濾膜為分離介質(zhì)、紫薯提取液為原料，研究過濾模式（兩步法和三步法）對蛋白質(zhì)和多酚分離性能的影響。結(jié)果表明，2種操作模式都可以有效去除蛋白質(zhì)，但是兩步法（50～10 kDa）比三步法（100～50～10 kDa）可得到更低的多酚去除率（更高的多酚得率）。串聯(lián)阻力模型分析表明，100 kDa和10 kDa膜主要的過濾阻力為膜阻力，而50 kDa膜的全要過濾阻力為濃差極化阻力和濾餅阻力。

超濾；紫薯；過濾阻力；蛋白；多酚

0　引言

紫薯塊根呈紫色，俗稱“黑紅薯”，富含多酚，具有抗氧化、護肝和其他多種營養(yǎng)保健功效［1］。紫薯有效成分的提取方法主要有傳統(tǒng)溶劑提取法、酶促提取法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法等［2］。紫薯有效成分粗提液含大量淀粉、有機酸、無機鹽、果膠及蛋白等雜質(zhì)，需要進一步分離純化。目前，對紫薯花色苷純化，大多使用大孔樹脂精制法，通過大比表面積進行物理吸附而達到分離的目的，其工藝簡單、經(jīng)濟有效、可再生性強。但是，樹脂的再生需要用到大量有機溶劑，再生液的處理對環(huán)境造成很大壓力。

膜分離技術(shù)是一種無化學(xué)添加、經(jīng)濟性好的綠色分離技術(shù)，利用基于尺寸的物理方法實現(xiàn)待分離體系中目標(biāo)分子的分離純化［3-4］。另外，膜分離技術(shù)容易與上游提取工藝和下游精制工藝集成耦合，提高生產(chǎn)效率，但是由于膜污染所導(dǎo)致的過濾通量降低是膜分離技術(shù)應(yīng)用中普遍存在的現(xiàn)象，也是限制膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸問題［5-6］。為了解決較少過濾過程中的膜污染，提高過濾效率，研究者們主要從膜材料和膜組件2個方面進行改善。其中，采用錯流過濾就是一種利用流體在膜表面的剪切力防止膜污染進一步發(fā)展、提高過濾通量的方法。

本試驗以超聲強化提取所得紫薯提取液為原料，采用錯流過濾分離純化紫薯提取液，研究了過濾膜截留分子量（100，50，10 kDa）、過濾操作模式（兩步法、三步法）對分離性能和膜污染的影響。

1　材料與方法

1.1材料

1.1.1紫薯提取液

紫薯提取液由實驗室采用超聲輔助提取所得。提取液的組成如下：多酚質(zhì)量濃度Cph，0=491.56±26.15 μg/mL，蛋白質(zhì)濃度Cpr，0=32.56±5.36 μg/mL，

提取液中多酚的純度為P0=93.39%±0.51%。

1.1.2試劑

福林酚試劑、沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)品，均為分析純，購于Sigma中國有限公司；Bradford蛋白濃度測定試劑盒，購于碧云天試劑有限公司。

1.1.3儀器與設(shè)備

錯流超濾試驗，采用上海摩速科學(xué)器材有限公司生產(chǎn)的MSM201組件；Evolution 220型紫外可見分光光度計，美國Thermo Fisher公司產(chǎn)品。

1.2紫薯提取液膜過濾

取紫薯提取液4 L，其中500 mL留樣，先將其通過1 μm的微濾膜，除去大顆粒雜質(zhì)。3 500 mL原液經(jīng)過1 μm的微濾膜處理（壓力為0.1 MPa）后得到3 385 mL濾液，其中100 mL留樣，測其總酚、總蛋白質(zhì)含量；剩余3 285 mL的濾液分成2份，一份為1 785 mL，另一份為1 500 mL。

錯流超濾流程見圖1。

圖1　錯流超濾流程

1.2.1三步超濾法

將1 785 mL濾液過100 kDa（壓力為0.05 MPa）中空纖維超濾膜，將所得濾液再過50 kDa（跨膜壓力為0.05 MPa）中空纖維超濾膜，最后將所得濾液過10 kDa（跨膜壓力為0.05 MPa）中空纖維超濾膜。每經(jīng)過一次膜過濾所得濾液均取15 mL留樣，測其總酚、總蛋白質(zhì)含量。試驗過程中記錄滲透液體積和過濾時間。

1.2.2兩步超濾法

將1 500 mL濾液過50 kDa（壓力為0.05 MPa）中空纖維超濾膜，將所得濾液再過10 kDa（壓力為0.05 MPa）中空纖維超濾膜。每經(jīng)過一次膜過濾所得濾液均取15 mL留樣，測其總酚、總蛋白質(zhì)含量。試驗過程中記錄滲透液體積和過濾時間。

1.3串聯(lián)阻力模型分析

為了量化膜污染，本試驗應(yīng)用了串聯(lián)阻力模型。其他類似研究中也曾應(yīng)用過此模型，如過濾發(fā)酵肉湯和酶膜反應(yīng)器［7-8］。根據(jù)串聯(lián)阻力模型的方程式（式1），在過濾過程中，膜通量減小的原因可以被解釋為，總過濾阻力Rt包括4個部分，即膜液壓阻力Rm，濾餅層阻力Rg，濃差極化阻力Rc和吸附阻力Ra。

式中：J——膜通量，m3/（m2·s）；

ΔP——跨膜壓力，Pa；

μ——透過液的動態(tài)黏度，Pa·s；

所有阻力（Rm，Rg，Rc，Ra）的單位均為m-1。

為了確定所有的阻力，采用以下步驟。

第一步，通過測定潔凈膜的蒸餾水通量J0來計算膜液壓阻力。此時，Rg，Rc和Ra均為0，（式1）可寫成：

第二步，過濾提取液的過程中，記錄膜通量J。根據(jù)（式2），可計算出過濾紫薯提取液過程中的總阻力Rt。

第三步，用蒸餾水取代提取液進行過濾，記錄此時的蒸餾水通量Jpore。此時，濃差極化阻力Rc假定為0，Rm已經(jīng)被確定，故可計算出Ra與Rg的和：

第四步，通過用蒸餾水沖洗膜表面除去濾餅層后，再記錄此時蒸餾水的通量Jirr，此時濾餅層阻力Rg和濃差極化阻力Rc假定為0，故：

計算出Ra后，Rg可通過（式3） 計算得出。因此，所有膜阻力可通過（式1）～（式4）計算得出。

1.4提取液和濾液的成分分析

1.4.1總酚含量測定

（1）標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定?？偡雍繙y定采用福林酚檢測法［9］。精確稱取干燥恒質(zhì)量的沒食子酸10.0 mg，溶解后加水定容到100 mL，配成0.1 mg/mL的沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液。準(zhǔn)確吸取沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液0，0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL，于10 mL刻度試管中，加5.0 mL蒸餾水，再加0.5 mL福林酚試劑，搖勻，1 min后再加入1.5 mL 20%Na2CO3溶液，各管加蒸餾水補足到10 mL，避光于室溫反應(yīng)2 h。以0號管為空白，于波長760 nm處測定對照品溶液的吸光度。以沒食子酸的質(zhì)量（μg） 為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

（2）樣品多酚的測定。精密量取1.0 mL樣品于10 mL刻度試管中，按標(biāo)準(zhǔn)曲線制備操作步驟于波長760 nm處進行吸光度的測定（樣液如有沉淀，應(yīng)過濾后測定）。查標(biāo)準(zhǔn)曲線或用線性方程計算，最后算出總酚含量。

1.4.2總蛋白質(zhì)含量測定

采用Bradford蛋白濃度測定試劑盒測定蛋白質(zhì)含量［10］。試劑盒中的G250染色液于4℃下保藏，蛋白標(biāo)準(zhǔn)品于-20℃保存，試劑盒自訂購之日起9個月內(nèi)有效。G250染色液使用前需顛倒3～5次，混勻。蛋白標(biāo)準(zhǔn)品需要在全部溶解后先混勻，再稀釋成一系列不同質(zhì)量濃度的蛋白標(biāo)準(zhǔn)品。G250染色液需要恢復(fù)到室溫再使用，有利于提高檢測的靈敏度。

（1）蛋白標(biāo)準(zhǔn)品的準(zhǔn)備。完全融化蛋白標(biāo)準(zhǔn)品，取10 μL稀釋至100 μL，使終質(zhì)量濃度為0.5 mg/mL。蛋白樣品在什么溶液中，標(biāo)準(zhǔn)品也宜用同樣溶液稀釋。

（2）蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度測定。①將標(biāo)準(zhǔn)品按0，1，2，4，8，12，16，20 μL加到96孔板的標(biāo)準(zhǔn)品孔中，加標(biāo)準(zhǔn)品稀釋液補足到20 μL，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)量濃度分別為0，0.025，0.050，0.100，0.200，0.300，0.400，0.500 mg/mL；②加適當(dāng)體積樣品到96孔板的樣品孔中，如果樣品不足20 μL，需加標(biāo)準(zhǔn)品稀釋液補足到20 μL（請注意記錄樣品體積）；③各孔加入200 μL G250染色液，室溫下放置3～5 min；④用酶標(biāo)儀測定A595，或560～610 nm的其他波長吸光度；⑤根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線和使用的樣品體積計算出樣品中的蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度。

1.5膜分離效果評價和數(shù)據(jù)分析

總酚純度P計算公式如下：

式中：Cph——總酚質(zhì)量濃度；

Cpr——總蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度?？偟鞍踪|(zhì)的純度P*計算公式如下：P*=1-P.（6）

純化效果用蛋白質(zhì)的相對去除值RPr和多酚的相對去除值RPh來表示，計算公式如下：

式中：Cpr，0，Cph，0分別是未經(jīng)處理提取液中的總蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和總酚質(zhì)量濃度。

2　結(jié)果與分析

2.1濾液質(zhì)量分析

波液質(zhì)量分析見圖2，不同過濾條件下蛋白質(zhì)（Rpr）和多酚（Rph）的相對去除值見表1。

圖2　波液質(zhì)量分析

表1　不同過濾條件下蛋白質(zhì)（Rpr）和多酚（Rph）的相對去除值

由圖2（a）和圖2（b）可知，不同孔徑濾膜下2種過濾方式所得濾液中多酚和蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度。可以很明顯地看出隨著膜孔徑的減小，多酚和蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)單調(diào)性的減小，其原因是由于膜和膜表面沉積層所引起的分子截留。相對于多酚質(zhì)量濃度的減小，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度的減小更為顯著。因此，本試驗的錯流超濾為紫薯多酚提取液中去除蛋白質(zhì)，得到純度更高的紫薯多酚提供了一個有效的方法。三步法和兩步法的區(qū)別在圖2中也有明顯的體現(xiàn)。為了更好地理解質(zhì)量濃度變化，表1中計算出多酚和蛋白質(zhì)的相對去除值。由表1得出，隨著濾膜孔徑的減小，2種溶質(zhì)蛋白質(zhì)和多酚的相對去除值均有所增加；并且在相同的濾膜孔徑下，相對于兩步法，三步法對多酚的截留更顯著。原因是三步法在通過100 kDa濾膜時，對溶質(zhì)存在部分截留，需要注意的是，通過100，50，10 kDa的濾膜，蛋白質(zhì)的相對去除值均為100%，證明本試驗中的錯流膜過濾對紫薯多酚提取液中多酚的純化具有理想的效果。

為了比較過濾效果在溶質(zhì)分離方面的差別，可用濾液中溶質(zhì)的純度來表示，由圖2（c）可知。隨著濾膜孔徑的減小，濾液中蛋白質(zhì)的純度由6.6%減小到0；同時，濾液中多酚的純度由93.4%增加到100%。基于膜分離機制，可假設(shè)，雖然紫薯多酚提取液中溶質(zhì)分子的分子大小分布度寬，但是蛋白質(zhì)比多酚具有更大的分子量。因此，圖2證實了分離紫薯多酚提取液中蛋白質(zhì)的可能性。

隨著濾膜孔徑的減小，蛋白質(zhì)的相對去除值隨之增加。此結(jié)論與通過不同濾膜后濾液中蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度的變化趨勢一致，見圖2（b）。

綜上所述，根據(jù)濾液質(zhì)量分析，兩步錯流超濾純化紫薯多酚的效果優(yōu)于三步錯流超濾。

2.2膜污染分析

為了分析在過濾過程中導(dǎo)致通量減小的阻力，本試驗應(yīng)用了串聯(lián)阻力模型。

不同種類膜的污垢阻力見表2。

表2　不同種類膜的污垢阻力

由表2可知，對于截留分子量為100 kDa和10 kDa的濾膜，膜液壓阻力均在總阻力中比例最大；然而對于50 kDa的濾膜，濾餅層阻力在總阻力中比例最大，說明在紫薯多酚提取液過濾過程中50 kDa的膜表面形成了較厚的濾餅層。

3　結(jié)論

本試驗采用截留分子量為100，50，10 kDa的超濾膜為分離介質(zhì)，以兩步法和三步法2種過濾模式分離純化紫薯提取液，研究了過濾模式對滲透液中蛋白質(zhì)和多酚質(zhì)量濃度的影響，并分析了2種操作模式對蛋白質(zhì)和多酚去除率的影響。結(jié)果表明，2種操作模式都可以完全去除蛋白質(zhì)，但是兩步法（100，50，10 kDa） 具有更低的多酚去除率（更高的多酚得率）。采用串聯(lián)阻力模型分析了膜過濾過程中的阻力分布，結(jié)果表明100 kDa和10 kDa膜主要的過濾阻力為膜阻力，而50 kDa膜的主要過濾阻力為濃差極化阻力和濾餅阻力。

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Investigation of Ultrafiltration Performance for Purples Sweet Potato Extract：Effect of Filtration Model

YUAN Fenqi，WANG Wuliang，XU Zhengming，GUAN Qingyan，HE Jingren，*ZHU Zhenzhou
（School of Food Science and Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan，Hubei 430023，China）

Ultrafiltration of purple sweet potato is carried out with membranes with molecular weight cut-off of 100，50，10 kDa. Filtration model with 3 steps and 2 steps are compared.The effect of filtration model on separation of protein and polyphenol was studied.Results showed that both filtration steps are efficient for protein removal，but 2 steps model（50～10 kDa）provided better polyphenol recovery than 3 steps model（100 kDa～50 kDa～10 kDa） .Resistance-in-series analysis showed that membrane resistance is the main resistance for 100 kDa and 10 kDa membrane，meanwhile，cake and concentration polarization resistance are the important for 50 kDa membrane.

ultrafiltraion；purple sweet purple；filtration resistance；protein；polyphenol

TS255.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.07.034

1671-9646（2016）07b-0017-04

2016-05-06

武漢輕工大學(xué)大學(xué)生科研項目（xsky2015003）；武漢輕工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（CXXL20151002）。

袁芬奇（1994— ），女，本科，研究方向為食品科學(xué)與工程。

祝振洲（1983— ），男，博士，副教授，研究方向為膜分離。