超濾在多糖中的應(yīng)用研究

王文正，呂建國(guó)，何葆華

(1.甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省膜分離工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730020)

20世紀(jì)70年代以來(lái)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)多糖及糖復(fù)合物參與了細(xì)胞各種生命現(xiàn)象的調(diào)節(jié)，多糖尤其是中藥多糖因具有增強(qiáng)機(jī)體免疫功能及抗腫瘤等藥理作用，且?guī)缀鯖](méi)有毒性，愈來(lái)愈引起人們的關(guān)注[1]。目前，大部分低聚多糖生產(chǎn)過(guò)程中，初始料液中的低聚多糖含量很低(1.0 g·L-1左右)，且含有大量的無(wú)機(jī)鹽(主要為NaCl)，其分離濃縮比較困難，采用傳統(tǒng)方法如離子交換脫鹽和真空濃縮等處理多糖稀溶液，需耗費(fèi)大量的酸堿再生樹(shù)脂，造成二次污染，而且能耗大、成本高[2]。

膜分離技術(shù)是一項(xiàng)新興的高效分離技術(shù)，被公認(rèn)為是20世紀(jì)末到21世紀(jì)中期最有發(fā)展前途的重大高新生產(chǎn)技術(shù)之一，成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化工、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域[3]。超濾具有無(wú)相變、常溫運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，用于多糖的分離、濃縮及純化過(guò)程具有明顯的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)利用膜技術(shù)進(jìn)行多糖分離與濃縮的研究越來(lái)越多，主要集中在菌類(lèi)多糖的分離濃縮上，也有采用超濾進(jìn)行中藥多糖的分離與濃縮。作者在此介紹了超濾在多糖提取、濃縮中的應(yīng)用，并對(duì)其發(fā)展提出了建議。

1 分離原理

1.1 超濾原理

超濾(UF)是以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程。超濾膜分離主要是依據(jù)篩分原理，根據(jù)膜的截流分子量不同進(jìn)行分離。當(dāng)液體混合物在一定壓力下流經(jīng)膜表面時(shí)，膜表面的微孔結(jié)構(gòu)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行選擇性分離，小分子透過(guò)膜得到超濾液，而大分子物質(zhì)則被截留，使原液中大分子濃度逐漸提高得到濃縮液，從而實(shí)現(xiàn)大、小分子的分離、濃縮、凈化的目的[4]。

1.2 超濾孔徑

超濾膜的孔徑一般在1～100 nm之間，能夠截留分子量300～500 000 Da的物質(zhì)，包括多糖、生物分子、聚合物和膠體物質(zhì)等。大多數(shù)超濾膜以其標(biāo)稱(chēng)分子量(MWCO)來(lái)描述其基本特性，膜標(biāo)稱(chēng)的切割分子量一般定義為膜具有90%以上截留率的最小分子量。

2 超濾在多糖中的應(yīng)用研究

2.1 在多糖提取分離中的應(yīng)用研究

枸杞的主要生物活性物質(zhì)是枸杞多糖。白壽寧等[5]采用干枸杞子以乙醇沉淀法提取枸杞多糖粗品，或?qū)⑿迈r枸杞漿果制成枸杞原汁后用膜脫色素，再用1～100 000分子量超濾膜進(jìn)行分離濃縮后真空冷凍干燥，得到枸杞多糖粗品。

念保義等[6]利用超濾膜裝置對(duì)浸提的香菇多糖進(jìn)行分離。同時(shí)對(duì)超濾過(guò)程的阻力及傳質(zhì)特性進(jìn)行分析，并建立了超濾過(guò)程的修正凝膠極化模型。香菇多糖提取率為5.7%，多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為89.2%，說(shuō)明利用超濾方法分離濃縮香菇多糖是有效的。

謝紅旗等[7]采用中性蛋白酶輔助水提法提取香菇多糖，利用超濾膜分離多糖，研究酶法提取條件和超濾膜及分離參數(shù)的選擇。結(jié)果表明，中性蛋白酶在pH值為4.8、溫度為50℃、處理時(shí)間為60 min的條件下，能有效提高多糖的提取率，降低雜質(zhì)蛋白質(zhì)的含量。采用截留分子量為50 kDa、300 kDa的陶瓷超濾膜，在溫度為35℃、壓力為0.15 MPa的中性環(huán)境下，能有效濃縮香菇多糖提取液，并將多糖分為三部分：不含蛋白質(zhì)的小分子量多糖、含少量蛋白質(zhì)的中等分子量多糖和含大量蛋白質(zhì)的大分子多糖。

滿(mǎn)山香子為五味子科植物滿(mǎn)山香的種子。滿(mǎn)山香廣泛分布于我國(guó)廣西、云南等省區(qū)。滿(mǎn)山香含有大量具備保肝降酶、抗艾滋病毒、抗腫瘤和PAF拮抗功能的活性成分，已有學(xué)者對(duì)其活性成分進(jìn)行研究。鄧勝平等[8]以滿(mǎn)山香子為原料提取多糖，利用超濾膜分離裝置進(jìn)行滿(mǎn)山香子多糖的分離，對(duì)影響超濾的工藝條件如料液比、提取溫度、提取時(shí)間、提取壓力進(jìn)行考察，確定最佳的提取條件為：滿(mǎn)山香子∶水=1∶20，提取溫度80℃，提取時(shí)間2 h，提取壓力0.20～0.30 MPa。提取物的多糖含量為5.65%，超濾后的提取物中多糖含量達(dá)80.29%，提取物得率為1.19%。

李樹(shù)珍等[9]采用截留分子量為6000 Da的中空纖維超濾分離黃芪水提液中的多糖。結(jié)果表明，超濾法的多糖粗提物收率較水提醇沉法低，但多糖含量較水提醇沉法提高了20%，可降低口服給藥劑量。

浮萍為浮萍科植物紫背浮萍或青萍的全草，在我國(guó)各地分布廣泛，資源豐富。浮萍多糖是其重要的生物活性成分。通過(guò)煎煮、超濾、脫蛋白、乙醇沉淀等步驟得到淺褐色浮萍多糖粉末，純度53.5%，蛋白質(zhì)含量1.2%，收率6.43%。該方法可以簡(jiǎn)單、快速、有效地對(duì)浮萍多糖進(jìn)行分離[10]。

2.2 在多糖濃縮中的應(yīng)用研究

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)銀耳的主要成分——銀耳多糖進(jìn)行了較多研究[11]，其平均分子量約為70 kDa[12]。左勇等[13]采用超濾濃縮銀耳多糖，研究了超濾膜的選擇、預(yù)處理方法、料液溫度、壓力和pH值對(duì)超濾的影響。結(jié)果表明，采用70 kDa內(nèi)壓式中空醋酸纖維素超濾膜，在溫度為25℃、壓力為0.12～0.15 MPa的中性水溶液環(huán)境下，產(chǎn)率較通常的濃縮方法提高22.4%。

薏苡仁是禾本科植物薏苡的干燥種仁，是具有很高藥用和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的中藥和保健食品，其活性成分之一薏苡仁多糖具有顯著的降血糖、調(diào)節(jié)代謝紊亂和增強(qiáng)人體免疫力的功效。杜邵龍等[14]研究了薏苡仁多糖的提取液超濾法濃縮和除小分子雜質(zhì)過(guò)程，對(duì)比了4種不同截留分子量陶瓷超濾膜的濃縮效果，結(jié)果表明，截留分子量為150 kDa 的超濾膜對(duì)薏苡仁多糖的截留率達(dá)到98%以上，最適于薏苡仁多糖提取液濃縮；同時(shí)研究了濃縮倍數(shù)對(duì)膜污染的影響，選擇適當(dāng)?shù)臐饪s倍數(shù)對(duì)于膜法濃縮過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性非常重要；采用熱水洗、堿洗和次氯酸鈉清洗后，膜通量能夠恢復(fù)到實(shí)驗(yàn)前的水平。

南瓜是一種糖尿病療效食物。從南瓜中提取的南瓜多糖，對(duì)大鼠、家兔、人等有非常顯著的降血糖作用。但是，南瓜中的南瓜多糖含量通常都在3%以下，要達(dá)到降血糖效果，患者必須長(zhǎng)期食用大量南瓜，讓人難以接受。因此，有必要開(kāi)發(fā)南瓜多糖精制產(chǎn)品。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)南瓜多糖的分離提取主要采用傳統(tǒng)的水提醇沉法，存在能耗高、乙醇等試劑消耗大、色素脫除不徹底、成本高、效率低等問(wèn)題，而利用超濾膜技術(shù)分離純化南瓜多糖能很好地解決這些問(wèn)題。采用截留分子量為10 kDa的超濾膜，在超濾壓力為0.1 MPa、超濾溫度為25℃的條件下，截留率達(dá)94.5%、脫色率達(dá)68.6%、還原糖脫除率達(dá)82.9%。因此，采用超濾工藝可以省略傳統(tǒng)多糖提取工藝中的透析步驟，截留液在進(jìn)一步脫除蛋白質(zhì)后，可以直接通過(guò)干燥獲得粗多糖[15]。

羊肚菌富含蛋白質(zhì)、多糖、核酸以及多種微量元素和維生素。以羊肚菌為原料的保健品已得到美國(guó)FDA的許可?，F(xiàn)代藥理研究表明，羊肚菌多糖是其藥用有效成分之一，有增強(qiáng)機(jī)體免疫力、抗疲勞、抗病毒、抑制腫瘤等[16]諸多功效。已有大量研究分析羊肚菌中的多糖、蛋白質(zhì)、核酸、生物堿、有機(jī)酸、甾醇、萜類(lèi)及無(wú)機(jī)鹽、維生素等活性物質(zhì)，但對(duì)羊肚菌深層發(fā)酵提取胞外多糖的研究尚少。李蔚等[16]確定超濾提取濃縮純化羊肚菌胞外多糖的最佳條件為：超濾膜的截留分子量10 kDa、超濾壓力0.100 MPa、超濾溫度20℃，在此優(yōu)化條件下，胞外多糖截留率達(dá)到95.72%，為進(jìn)一步放大實(shí)驗(yàn)和工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)化和控制提供理論依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

超濾雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是目前工業(yè)推廣應(yīng)用比較慢，其主要原因如下：

(1)在超濾工藝的設(shè)計(jì)中，膜前預(yù)處理必不可少。預(yù)處理過(guò)程選擇得合理，多糖的損失少、分離效果好、純化與濃縮才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但是這種前期預(yù)處理難度很高，限制了超濾在多糖中的應(yīng)用推廣，建議今后要進(jìn)一步加大前期預(yù)處理工藝的研究。

(2)在超濾用于多糖的提取、分離時(shí)，由于工藝線(xiàn)路較長(zhǎng)，在運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備的管道中殘留部分多糖，造成多糖損失，因此設(shè)計(jì)合理的工藝路線(xiàn)也是推廣超濾在多糖生產(chǎn)中應(yīng)用的不可缺少的環(huán)節(jié)，建議深入優(yōu)化超濾膜設(shè)備的設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化工藝路線(xiàn)。

(3)在采用超濾處理料液的工藝研究中，大多數(shù)研究人員注重了膜的清洗研究，在選擇清洗劑、清洗方法上研究成果較多，但是，對(duì)抗污染超濾膜材料的研究報(bào)道不多，膜的清洗過(guò)程往往會(huì)影響生產(chǎn)，因此，盡快研制抗污染的超濾膜材料是解決超濾膜污染問(wèn)題最根本的出路。

在我國(guó)大力提倡清潔工業(yè)、可持續(xù)發(fā)展的方針下，超濾在多糖中的應(yīng)用研究越來(lái)越受到重視。如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)化將是今后研究的主題，隨著研究的不斷深入，逐步克服阻礙超濾在多糖應(yīng)用中的工業(yè)化難點(diǎn)，利用超濾實(shí)現(xiàn)多糖分離、濃縮、純化的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)必將成為現(xiàn)實(shí)。

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