左偉 任增超

（1、山東藥品食品職業(yè)學(xué)院，山東 威海 264210 2、山東寶立食品科技有限公司，山東 聊城 252400）

海洋魚(yú)蛋白肽是從海洋魚(yú)中提取的一類(lèi)活性蛋白多肽物質(zhì)，介于氨基酸與蛋白質(zhì)之間的分子聚合物，主要由2～10個(gè)氨基酸組成，相對(duì)分子質(zhì)量在5000Da 以下，容易吸收，且吸收效率非常高，一方面提供人體生長(zhǎng)發(fā)育所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，另一方面對(duì)人體生命活動(dòng)發(fā)揮著極其重要的作用，如抗腫瘤、抗高血壓、抗氧化、美容護(hù)膚、抗凝血、抗菌和抗病毒活性、抗輻射、增加骨密度、抗骨質(zhì)疏松鈣螯合肽等[1-4]，作為高檔營(yíng)養(yǎng)食品、特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品和保健食品基料，市場(chǎng)前景非常廣闊。

實(shí)際上，全球海洋魚(yú)類(lèi)資源極其豐富，是非常重要的蛋白質(zhì)來(lái)源。但目前，在魚(yú)蛋白深加工產(chǎn)業(yè)中，開(kāi)發(fā)利用的部分是細(xì)胞外蛋白質(zhì)——肌基質(zhì)蛋白中的膠原蛋白，偏重于美容護(hù)膚功能，產(chǎn)品種類(lèi)單一[5-10]；而含有活性成分較高的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)——肌原纖維蛋白和肌漿蛋白并沒(méi)有被開(kāi)發(fā)利用，主要原因在于細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)油脂脫除、腥苦味脫除以及目標(biāo)活性物質(zhì)分離純化等問(wèn)題一直存在著技術(shù)瓶頸[11]，制備的產(chǎn)品品質(zhì)不能達(dá)到現(xiàn)有市場(chǎng)要求，從而導(dǎo)致較難以產(chǎn)業(yè)化。因此開(kāi)發(fā)其他能夠被市場(chǎng)所廣泛接受認(rèn)可的海洋魚(yú)蛋白肽制品對(duì)于促進(jìn)我國(guó)海洋魚(yú)類(lèi)資源深加工產(chǎn)業(yè)和海洋生物制品產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及改善國(guó)民健康具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文重點(diǎn)探討膜分離技術(shù)在海洋魚(yú)蛋白肽產(chǎn)業(yè)化中除雜濃縮的應(yīng)用研究。

表2 膜系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

圓花鰹：購(gòu)于茂名博賀港。

1.2 酶制劑

胰蛋白酶：購(gòu)自諾維信(中國(guó))投資有限公司；枯草芽孢桿菌蛋白酶：購(gòu)自諾維信(中國(guó))投資有限公司。

1.3 方法

1.3.1 魚(yú)蛋白肽的制備

圓花鰹→預(yù)處理（去除魚(yú)頭和內(nèi)臟，清洗、瀝干稱(chēng)重，計(jì)算得率）→將上述魚(yú)漿用堿性鹽水（0.15%碳酸氫鈉:0.1%食鹽水=1:1）按1:3 比例在超聲波清洗槽中進(jìn)行漂洗15min，頻率32K/HZ→用清水按肉水比例按1:5 在超聲波清洗槽中進(jìn)一步漂洗30min，頻率32K/HZ→加水升溫至90℃，加熱25min→經(jīng)板式換熱器，將溫度快速降溫至3℃，靜置沉降15min，將上液及油脂部分去除→加水調(diào)至底物濃度30%（料液比，W/V），然后升溫至50℃，按原料重量添加胰蛋白酶150U/g，水解30min，進(jìn)一步按原料重量添加枯草芽孢桿菌蛋白酶450U/g，水解180min，酶解結(jié)束后，升溫至95℃，滅酶10min，獲得水解產(chǎn)物→將上述水解產(chǎn)物經(jīng)碟片離心機(jī)5000r/min，獲得小分子蛋白肽料液。

1.3.2 除雜濃縮工藝

將上述料液經(jīng)陶瓷膜系統(tǒng)進(jìn)行微濾，除掉懸浮物、菌體、大分子蛋白雜質(zhì)，濾液澄清→將上述澄清濾液通過(guò)有機(jī)超濾膜系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)純化，除掉大分子蛋白、色素等雜質(zhì)，提高產(chǎn)品純度→通過(guò)納濾膜系統(tǒng)進(jìn)行納濾，脫除料液中的一價(jià)鹽，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行濃縮→將上述截留液，經(jīng)噴霧干燥，進(jìn)料溫度200℃，出風(fēng)溫度85℃，控制水分≤6.0%，得到魚(yú)蛋白肽成品，見(jiàn)表1-2，圖1。

表1 進(jìn)料液pH 值、溫度及固形物濃度參數(shù)

圖1 膜分離操作基本工藝流程

考察：（1）膜系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性考察；（2）物料透過(guò)膜系統(tǒng)，膜通量、濃縮倍數(shù)、除雜效果、運(yùn)行溫度、壓力情況考察；（3）膜系統(tǒng)清洗恢復(fù)條件考察。

2 結(jié)果與分析

2.1 陶瓷膜系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性考察

陶瓷膜系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是后續(xù)料液處理的順利保障，所以在實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)陶瓷膜系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性經(jīng)行考察和膜通量變化情況，結(jié)果如表3 和圖2。

表3 陶瓷膜系統(tǒng)穩(wěn)定性經(jīng)行指標(biāo)

圖2 陶瓷膜系統(tǒng)膜通量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

陶瓷膜1 在實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)膜壓力為3.0bar，出膜壓力為2.0bar，平均溫度為45℃處理200L 料液用時(shí)265min，平均膜通量為71.03LMH，進(jìn)料液固形物濃度6%，平均透析液固形物濃度也為6%，說(shuō)明陶瓷膜對(duì)魚(yú)蛋白肽截留較少的同時(shí)能夠有效的去除進(jìn)料液中的懸浮物與大分子物質(zhì)。同時(shí)，陶瓷膜1 的膜通量運(yùn)行曲線(xiàn)表明，隨著除雜過(guò)程的進(jìn)行，整個(gè)膜通量呈顯一個(gè)緩慢的下降過(guò)程，這是由于被截留大分子物質(zhì)在不斷的累加導(dǎo)致泵作用于膜的壓力效果越來(lái)越小，所以膜通量不斷下降；整個(gè)變化過(guò)程是一個(gè)逐漸下降過(guò)程，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)說(shuō)明陶瓷膜對(duì)進(jìn)料液具有很好的抗污染性與穩(wěn)定性。

陶瓷膜2 的實(shí)驗(yàn)操作條件與陶瓷膜1 的實(shí)驗(yàn)操作條件類(lèi)似，前期膜通量下降曲線(xiàn)也與陶瓷膜1 類(lèi)似；但45 分種以后膜通量反而出現(xiàn)了反常的上升，這是因?yàn)榱弦哼\(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)擔(dān)心變質(zhì)而對(duì)剩余料液進(jìn)行了一次滅菌處理，進(jìn)料液的溫度有一定的上升。我們可以看到在料液滅菌后整個(gè)膜通量變化曲線(xiàn)的下降速度都降低了，因此說(shuō)明在保證進(jìn)料液蛋白肽活性的同時(shí)，提高陶瓷膜運(yùn)行溫度減少料液中細(xì)菌的產(chǎn)生能有效的減少膜通量的降低，有利于整個(gè)后續(xù)操作的進(jìn)行，同時(shí)也說(shuō)明陶瓷膜具有很好的抗污染性與穩(wěn)定性適合魚(yú)蛋白肽產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2.2 卷式超濾膜系統(tǒng)除雜及穩(wěn)定性考察

卷式超濾膜系統(tǒng)主要考察濃縮倍數(shù)與整個(gè)除雜過(guò)程中的抗污染性能以及溫度和壓力對(duì)整個(gè)除雜過(guò)程的影響，結(jié)果如表4 和圖3。

表4 卷式超濾膜系統(tǒng)穩(wěn)定性經(jīng)行指標(biāo)

圖3 卷式超濾膜系統(tǒng)膜通量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

對(duì)比超濾1 與超濾2 試驗(yàn)結(jié)果，可以看出在類(lèi)似的操作條件下，兩支膜的膜通量下降曲線(xiàn)相似。因?yàn)槌瑸V1 為10kDa 的膜，超濾2 為20KDa 的膜，所以超濾1 的整個(gè)膜通量下降曲線(xiàn)都要在超濾2 的下方，但兩者的下降曲線(xiàn)相似說(shuō)明兩種膜具有類(lèi)似的抗污染性能，由于超濾1 整個(gè)處理時(shí)間較短，所以整體平均膜通量為72.73LMH，反而要大于超濾2的38.48LMH。

超濾2 在運(yùn)行60min 分鐘后開(kāi)始加入部分染菌的陶瓷膜透析液，可以看出之后膜通量有了較為明顯的下降，在短時(shí)間內(nèi)從250LMH 降到了50LMH，參考陶瓷膜過(guò)濾系統(tǒng)加入重新滅菌的料液通量有所升高，說(shuō)明料液染菌達(dá)到一定程度后能明顯降低膜通量，因此車(chē)間環(huán)境必須能夠有效控制微生物，以避免物料染菌。

2.3 卷式納濾膜系統(tǒng)濃縮及穩(wěn)定性考察

卷式納濾膜系統(tǒng)主要去除小分子氨基酸、鹽離子、水等物質(zhì)，從而達(dá)到除雜濃縮目的。本實(shí)驗(yàn)考察溫度與壓力對(duì)整個(gè)濃縮過(guò)程的影響以及整個(gè)濃縮過(guò)程中膜的抗污染性能，結(jié)果如表5 和圖4。

表5 卷式納濾膜系統(tǒng)穩(wěn)定性經(jīng)行指標(biāo)

圖4 卷式納濾膜系統(tǒng)膜通量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

3B02 膜在處理活性蛋白肽進(jìn)料液時(shí)，進(jìn)料壓力14bar，出料壓力16bar，溫度30℃，處理100L 料液，用時(shí)為65min，平均膜通量為44.15LMH。在去除小于300 分子量的小分子物質(zhì)的同時(shí)能夠有效把料液固形物濃度由5.0%提高到18.0%，且濃縮比為6.52 倍，有效去除了多余的水份，達(dá)到了濃縮的目的。

3B02 膜在整個(gè)除雜濃縮過(guò)程中膜通量緩慢下降，運(yùn)行穩(wěn)定，適合魚(yú)蛋白肽產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2.4 膜系統(tǒng)清洗恢復(fù)

考察膜性能是否下降的重要指標(biāo)之一是膜的水通量，如果膜系統(tǒng)走料后經(jīng)過(guò)清洗，膜的水通量恢復(fù)到走料前的水平，則說(shuō)明膜片沒(méi)有受到不可逆的污染，膜性能穩(wěn)定。清洗方法是否有效直接影響膜系統(tǒng)的運(yùn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 膜系統(tǒng)清洗前后通量變化情況

從圖5 中可以看出實(shí)驗(yàn)前后膜通量相差較大，說(shuō)明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，膜受到了蛋白肽料液污染，膜通量下降；經(jīng)過(guò)pH10.0 堿液清洗后，膜通量能有效恢復(fù)說(shuō)明膜穩(wěn)定性良好。

3 結(jié)論

陶瓷膜處理海洋魚(yú)蛋白肽料液，進(jìn)料壓力3.0bar，出料壓力2.0bar，溫度45℃，濃縮倍數(shù)可達(dá)12.6 倍，平均膜通量71.03LMH；提高運(yùn)行溫度至50℃，減少料液細(xì)菌的產(chǎn)生，濃縮倍數(shù)提高至18 倍，平均膜通量提高至93.20LMH，透析液固形物濃度6.0%沒(méi)有變化。陶瓷膜在料液保持穩(wěn)定的情況下運(yùn)行330min，膜通量保持良好，能有效去除蛋白肽料液中的懸浮雜質(zhì)和部分大分子物質(zhì)。202 卷式超濾膜處理微濾透析液，進(jìn)料壓力4.0bar，出料壓力6.0bar，平均溫度35℃，平均膜通量為72.73LMH，透析液固形物濃度由6.0%降低為5.0%。3B02 納濾膜處理超濾透析液，進(jìn)料壓力14bar，出料壓力為16bar，溫度30℃，平均膜通量為44.15LMH，濃縮倍數(shù)達(dá)到6.52 倍，濃縮液固形物含量可達(dá)到18%。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明料液細(xì)菌滋生對(duì)料液本身以及膜通量都有較大的影響，雖然膜系統(tǒng)具有冷除菌的作用，但控制料液外部環(huán)境染菌的機(jī)會(huì)是必要的。針對(duì)各工序單元特點(diǎn)和膜芯性質(zhì)，采用不同的清洗劑及清洗方式，可以使膜通量基本恢復(fù)。