超濾結(jié)合電滲析技術(shù)純化鐵皮石斛多糖的研究

千佩玉,李遠(yuǎn)樂(lè)樂(lè),馮思敏,2*,陳碧蓮,邵平,2*

1(浙江工業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 杭州,310000) 2(中國(guó)輕工業(yè)食品大分子資源加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江工業(yè)大學(xué)), 浙江 杭州,310000) 3(浙江省食品藥品檢驗(yàn)研究院,浙江 杭州,310051)

鐵皮石斛富含多糖、氨基酸、生物堿等多種活性成分[1],作為藥食兩用物質(zhì),在中國(guó)已有2 000多年的應(yīng)用歷史。鐵皮石斛多糖是一種中性多糖,主要由β-D-吡喃葡萄糖和β-D-甘露吡喃糖組成,這2種單糖有清除羥基自由基的作用,使得鐵皮石斛多糖具有一定的抗氧化活性[2]。同時(shí),許多研究表明,鐵皮石斛多糖在增強(qiáng)免疫系統(tǒng)、抗癌、抗腫瘤等方面有顯著功效。但是,鐵皮石斛多糖的應(yīng)用卻并不廣泛。一方面,是因?yàn)槎嗵翘崛∫褐泻械臒o(wú)機(jī)鹽類(lèi)、單糖類(lèi)、寡糖類(lèi)、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等多種雜質(zhì)會(huì)影響多糖的應(yīng)用;另一方面,乙醇和氯仿沉淀等傳統(tǒng)的多糖純化方法存在許多缺點(diǎn),例如大量使用化學(xué)試劑、提取時(shí)間長(zhǎng)、以及提取過(guò)程中可能導(dǎo)致多糖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化等。此外,土壤和水源的污染會(huì)使得重金屬在植物中富集,重金屬通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體后很難排出體外[3],而多糖作為重金屬的主要結(jié)合底物,提取得到的鐵皮石斛多糖可能存在重金屬超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。多糖中高重金屬含量不僅會(huì)影響多糖的質(zhì)量,也會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響。如何在綠色環(huán)保的前提下,開(kāi)發(fā)一種提高鐵皮石斛多糖提取回收率及純度的工業(yè)化提取方法,仍是鐵皮石斛多糖提取領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

本研究選擇膜分離技術(shù)對(duì)鐵皮石斛粗多糖進(jìn)行純化,膜分離技術(shù)作為一種高效、低成本物理純化方法,不使用額外的化學(xué)試劑,操作條件溫和,不會(huì)改變多糖的化學(xué)結(jié)構(gòu),而且與離心、過(guò)濾相比,膜分離技術(shù)純化多糖的效率更高。同時(shí),本研究采用電滲析技術(shù)去除多糖中的金屬離子,電滲析作為一種能夠有效去除金屬離子的技術(shù),具有廢棄物排放率低、化學(xué)品消耗低和模塊化程度高的優(yōu)點(diǎn),已有研究將其應(yīng)用于有機(jī)溶液的脫鹽處理[4]。曾有研究證明了應(yīng)用電滲析和色譜技術(shù)去除青貯汁中鹽的可行性[5],并且LUIZ等[6]使用電滲析成功分離了生物精煉廢水中的鹽和有機(jī)物,鹽的去除率達(dá)到96%。

根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)可知,雖然電滲析技術(shù)在海水淡化過(guò)程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[7],但尚未有關(guān)于電滲析應(yīng)用于去除有機(jī)化合物中重金屬離子方面的研究[8]。本研究開(kāi)發(fā)了一種純化鐵皮石斛多糖的新方法,通過(guò)兩步超濾結(jié)合電滲析技術(shù),在能夠獲得較高得率和純度的鐵皮石斛多糖的同時(shí),還能有效去除鐵皮石斛多糖中的金屬離子,尤其是重金屬離子,且提取過(guò)程更加綠色、高效、低能耗。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鐵皮石斛葉,購(gòu)自浙江溫州樂(lè)清;福林酚試劑、考馬斯亮藍(lán)、NaOH、HCl、NaCl,均為試劑純,上海阿拉丁生化科技有限公司;截留分子質(zhì)量(molecular weight cutoff,MWCO)為3、5、8、500 kDa的商用聚醚砜膜(polyether sulfone membrane, PES),北京中科銳揚(yáng)科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

85-2型磁力攪拌器,杭州儀表電機(jī)有限公司;紫外分光光度計(jì),北京高能科迪科技有限公司;Sartorius PB-10型pH計(jì)、DDSJ-308A型電導(dǎo)率測(cè)定儀,雷滋儀電科學(xué)儀器股份有限公司;切向流超濾系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室電滲析測(cè)試儀,浙江賽特膜技術(shù)有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 鐵皮石斛粗多糖提取

參考韓娟娟等[9]的方法提取制備鐵皮石斛多糖。將鐵皮石斛葉清洗后烘干粉碎脫脂,并在70 ℃去離子水中浸提3次,時(shí)間為2 h,料液比(g∶mL)為1∶25,合并水提液后利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行濃縮,將濃縮液用95%(體積分?jǐn)?shù))無(wú)水乙醇沉淀過(guò)夜,最后離心收集下層沉積物,將其凍干后得到鐵皮石斛粗多糖粉末。根據(jù)凍干后的粗多糖質(zhì)量與烘干后的鐵皮石斛葉粉末質(zhì)量之比計(jì)算鐵皮石斛粗多糖的提取率。

1.3.2 第一步超濾過(guò)程

第一步超濾(first ultrafiltration,UF-1st)利用截留分子質(zhì)量為500 kDa的PES去除部分大分子雜質(zhì),如部分木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等。UF-1st通過(guò)食品級(jí)超濾納濾膜片測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行,超濾膜池的有效過(guò)濾面積為67 cm2。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,將實(shí)驗(yàn)所需PES膜在去離子水中浸泡24 h,預(yù)壓處理1 h,以確保膜分離過(guò)程中膜的穩(wěn)定性。稱(chēng)取提取得到的鐵皮石斛粗多糖粉末20 g加入500 mL去離子水中充分?jǐn)嚢枞芙夂?加入HCl或NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值,在室溫[(25±1) ℃]下探究NaCl含量(0、0.5、1、1.5、2 mol/L)以及循環(huán)次數(shù)(1、2、3、4、5、6、7次)對(duì)膜滲透效果的影響,確定最佳通量。并收集透過(guò)液和截留液分別測(cè)量多糖含量,將透過(guò)液濃縮凍干后用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.3.3 電滲析脫鹽過(guò)程

通過(guò)電滲析快速有效地脫除鹽及重金屬離子。電滲析裝置的膜池裝備有6個(gè)陰離子交換膜(AEM-Type Ⅱ)和6個(gè)陽(yáng)離子交換膜(CEM-Type Ⅱ),離子交換膜的有效面積為189 cm2,采用3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的無(wú)水Na2SO4溶液作為極性溶液,通入各級(jí)電滲析的陽(yáng)極室和陰極室。去離子水作為濃縮室溶液,鐵皮石斛多糖溶液作為淡化室溶液。實(shí)驗(yàn)在室溫[(25±1) ℃]下進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中極液室、濃縮室以及淡化室的流量均為300 mL/min。為了探究在5、10、15 V電壓下不同電滲析操作對(duì)于多糖溶液鹽及重金屬離子脫除效果的影響,每5 min取淡化室溶液測(cè)量電導(dǎo)率(X),最終的脫鹽率(DR)根據(jù)淡化液的初始電導(dǎo)率和最終電導(dǎo)率按照公式(1)計(jì)算:

(1)

1.3.4 第二步超濾過(guò)程

在電滲析完成后,通過(guò)第二步超濾工藝(UF-2nd)將脫鹽后的鐵皮石斛多糖溶液進(jìn)行濃縮和純化,并改變溫度(25、30、35、40、45、50 ℃)和pH(4、5、6、7、8、9)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。在這一過(guò)程中,研究使用截流分子質(zhì)量為3、5、8 kDa的商用PES膜去除單糖、寡糖等小分子雜質(zhì),進(jìn)一步純化石斛多糖。收集透過(guò)液和截留液分別測(cè)量多糖含量,收集截流液并濃縮凍干用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.3.5 重金屬含量測(cè)定

重金屬含量測(cè)定參考國(guó)標(biāo)方法GB 5009.12—2017(鉛)、GB 5009.13—2017(銅)、GB 5009.15—2014(鎘),采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)進(jìn)行測(cè)定。取鐵皮石斛多糖粉末于60 ℃下干燥4 h。取樣品粉末各0.2 g分別加入5 mL硝酸、2 mL過(guò)氧化氫,搖勻后放置于微波消解罐中。待消解完成后,將溶液轉(zhuǎn)移至量瓶中,少量水洗滌消解罐3次后合并至量瓶中,得到待測(cè)樣溶液。同時(shí)作試劑空白和標(biāo)準(zhǔn)試劑參考物質(zhì)溶液[10],將空白、標(biāo)準(zhǔn)試劑和待測(cè)樣液與內(nèi)標(biāo)溶液一同按照ICP-MS工作條件進(jìn)行測(cè)定。

1.3.6 總糖含量測(cè)定

總糖含量根據(jù)苯酚-硫酸法測(cè)定,參考譚喜平等[11]的方法并進(jìn)行一些修改。稱(chēng)取10 mg鐵皮石斛葉樣品加入去離子水定容至25 mL。精確吸取2 mL定容后的樣品溶液于試管中,加入1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%苯酚和5 mL 95%(體積分?jǐn)?shù))H2SO4后,振蕩搖勻后沸水浴15 min,在水流下冷卻至室溫。使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量樣品溶液在490 nm處吸光度,以蒸餾水為空白對(duì)照。

1.3.7 鐵皮石斛多糖含量測(cè)定

鐵皮石斛多糖含量由樣品溶液中的總糖含量減去還原糖含量計(jì)算得到。還原糖測(cè)定采用二硝基水楊酸法[12]并稍作修改。取1 mL樣品溶液加入試管中并與3 mL二硝基水楊酸試劑混合,振蕩混勻后沸水浴5 min,在水流下冷卻至室溫。使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量樣品溶液在540 nm的吸光度,以蒸餾水為空白對(duì)照。

1.3.8 鐵皮石斛多糖回收率及純度

根據(jù)鐵皮石斛多糖的回收率(R)和多糖純度(P)衡量多糖品質(zhì)。多糖的純度是經(jīng)過(guò)兩步超濾及電滲析實(shí)驗(yàn)得到的鐵皮石斛多糖的質(zhì)量與實(shí)驗(yàn)得到的產(chǎn)品總糖質(zhì)量的比值。多糖純度計(jì)算如公式(2)所示:

(2)

第一步超濾中的鐵皮石斛多糖回收率(R1)根據(jù)該超濾過(guò)程得到的產(chǎn)品中多糖的質(zhì)量與鐵皮石斛粗多糖粉末質(zhì)量的比值計(jì)算得到,如公式(3)所示:

(3)

第二步超濾中的鐵皮石斛多糖回收率(R2)根據(jù)該超濾過(guò)程得到的產(chǎn)品中多糖的質(zhì)量與超濾前的樣品質(zhì)量的比值計(jì)算得到,如公式(4)所示:

(4)

1.3.9 統(tǒng)計(jì)分析

本文所有數(shù)據(jù)均重復(fù)測(cè)定3次,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差,采用Origin 9.1進(jìn)行作圖,使用單因素方差分析(SPSS)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl對(duì)UF-1st單元中多糖提取效果的影響

本研究通過(guò)在鐵皮石斛多糖提取過(guò)程中加入不同含量的NaCl來(lái)減少鹽溶性多糖的損失,提高了多糖的整體回收率,并探究最適宜的NaCl濃度。如圖1所示,多糖的提取率隨著NaCl濃度的增加而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。植物多糖的粗提取一般采用熱水提取、生物酶提取、超聲波提取等方法,這些方法均采用純水作為溶劑[13]。然而有研究發(fā)現(xiàn)在魚(yú)腥草、中草藥、鐵皮石斛及部分果蔬中含有少量的鹽溶性多糖[14],與水溶性多糖相比,鹽溶性多糖由于含量低而常被傳統(tǒng)的以水為溶劑的多糖提取工藝忽視。加入0.5 mol/L的NaCl時(shí)鐵皮石斛多糖的提取率最高,達(dá)到了15.7%。這可能是由于NaCl的加入增強(qiáng)了鐵皮石斛多糖分子的表面電荷,進(jìn)而使得多糖分子與水分子之間的相互作用增強(qiáng),提高了多糖在水溶液中的溶解度[15]。在NaCl含量高于0.5 mol/L時(shí)鐵皮石斛多糖提取率下降可能是因?yàn)槎嗵鞘怯啥鄠€(gè)單糖分子組成的,含有大量羥基和一些陰離子,當(dāng)加入過(guò)多的游離鈉時(shí)會(huì)產(chǎn)生靜電屏蔽效應(yīng),同時(shí)破壞多糖的雙電層結(jié)構(gòu),造成了多糖的損失[16]。

圖1 NaCl含量對(duì)多糖提取率的影響

2.2 循環(huán)次數(shù)對(duì)UF-1st單元中鐵皮石斛多糖提取的影響

第一步超濾過(guò)程中多糖的損失主要是由于多糖溶液具有一定黏度,在超濾管道和進(jìn)料罐等中會(huì)有殘留,因此在實(shí)驗(yàn)中采用連續(xù)循環(huán)超濾的方式來(lái)提高UF-1st單元整個(gè)過(guò)程中多糖的回收率[17]。首先使用截留分子質(zhì)量為500 kDa的超濾膜將多糖溶液從500 mL濃縮至300 mL,在截留的多糖溶液中加入去離子水至500 mL后繼續(xù)超濾循環(huán),并在每次超濾循環(huán)后測(cè)量截留液中的多糖含量。圖2顯示了超濾提取次數(shù)對(duì)鐵皮石斛多糖含量的影響。循環(huán)次數(shù)僅為1次時(shí),多糖的回收率只有30.8%,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,多糖回收率顯著提高,但多糖的純度持續(xù)下降。多糖純度下降可能是因?yàn)榇蠓肿拥亩嗵侵g存在架橋作用,使得分子團(tuán)聚在一起,但是一些小分子的雜質(zhì)能夠從團(tuán)聚分子的空隙中透過(guò)膜孔,隨著循環(huán)的次數(shù)增加,分子架橋增多,這樣的現(xiàn)象趨于明顯,影響最后的多糖純度。超濾循環(huán)5次后,隨著循環(huán)次數(shù)增加,多糖回收率基本保持不變。同時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明多糖的滲透通量隨著循環(huán)次數(shù)的增加而基本呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),這可能是由于隨著循環(huán)次數(shù)的增加,溶質(zhì)不斷在膜表面積累,同時(shí)水不斷透過(guò)膜使得膜表面的溶質(zhì)濃度增加。在濃度梯度作用下,溶質(zhì)與水向相反方向擴(kuò)散,在膜表面形成溶質(zhì)濃度分布邊界層,阻礙了水的透過(guò)。在第二次循環(huán)中滲透通量略有增加,這可能是因?yàn)樵诙嗵欠肿右辕B加方式聚集并且在膜表面產(chǎn)生濾餅層前,會(huì)吸附在膜孔表面,并在膜孔內(nèi)堵塞,使得原本粗糙的膜孔內(nèi)表面變得光滑,這使得多糖分子與膜的摩擦力減小,從而一定程度上提升了膜的水通量[18]。隨著超濾時(shí)間的延長(zhǎng),膜表面的濃差極化現(xiàn)象趨于明顯,即在分離過(guò)程中,多糖溶液在壓力驅(qū)動(dòng)下透過(guò)膜,部分溶質(zhì)被截留,使得膜與本體溶液界面或臨近膜界面的區(qū)域溶液濃度逐漸升高,在濃度梯度作用下,溶質(zhì)又會(huì)由膜面向本體溶液擴(kuò)散,形成邊界層,使流體阻力與局部滲透壓增加,從而導(dǎo)致溶劑透過(guò)通量下降在更大程度上阻礙了水的透過(guò),使得料液水通量下降并導(dǎo)致滲余物中多糖的滲透減少。另一方面,由于多糖組成復(fù)雜,分子質(zhì)量分布廣,部分分子質(zhì)量高于膜截留分子質(zhì)量的多糖分子無(wú)法通過(guò)超濾膜,也造成了部分多糖損失。

圖2 連續(xù)循環(huán)超濾次數(shù)對(duì)超濾過(guò)程的影響

由于多糖的純度經(jīng)過(guò)電滲析和第二步超濾后會(huì)得到更好的提升,因此主要依據(jù)多糖回收率和膜滲透通量確定第一步超濾的最佳循環(huán)次數(shù)為5次,此時(shí)的多糖回收率能達(dá)到81.44%,膜滲透通量也較高。

2.3 電滲析脫鹽效果評(píng)價(jià)

在第一步超濾過(guò)程中為了提高多糖得率而添加的NaCl可能會(huì)影響多糖的后續(xù)應(yīng)用,因此要通過(guò)對(duì)比是否添加NaCl的多糖電滲析過(guò)程,來(lái)檢驗(yàn)電滲析是否能夠有效去除NaCl。圖3描繪了電滲析過(guò)程中稀釋和濃縮容器中電導(dǎo)率的變化。在最初的15 min內(nèi),淡化室中鐵皮石斛多糖溶液的電導(dǎo)率急劇下降,在電滲析開(kāi)始20 min后電導(dǎo)率下降趨勢(shì)變得非常緩慢。這是因?yàn)槿芤旱碾妼?dǎo)率是由離子遷移率和離子濃度決定的,當(dāng)離子濃度較高時(shí)離子遷移速率更快,導(dǎo)致在電滲析過(guò)程前期溶液電導(dǎo)率下降明顯。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在更高的電壓下電導(dǎo)率的下降趨勢(shì)更加明顯。電滲析利用直流電場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)離子與溶液的分離,在更高的電壓下,鹽離子移動(dòng)速度更快,從一個(gè)隔室移動(dòng)到另一個(gè)隔室所需的時(shí)間更少,在不同隔室的停留時(shí)間變短,因此溶液電導(dǎo)率下降的速度更快。另一方面,在含有0.5 mol/L NaCl的多糖溶液中離子的遷移速率更快,雖然在理論上電流密度和局部電場(chǎng)不隨離子濃度改變,但是離子濃度會(huì)改變膜表面的電荷密度,使得離子靜電排斥作用增強(qiáng),導(dǎo)致電導(dǎo)率的下降速度加快[19]。

a-不含NaCl的料液電導(dǎo)率變化;b-含0.5 mol/L NaCl的料液電導(dǎo)率變化

由圖3可知,含NaCl的鐵皮石斛多糖溶液隨著電滲析時(shí)間延長(zhǎng),在15 min后淡化室中的電導(dǎo)率逐步下降至與不含NaCl的鐵皮石斛多糖溶液接近的水平,說(shuō)明為了提高多糖提取率而添加的NaCl可以通過(guò)電滲析步驟有效地去除。

2.4 重金屬脫除效果評(píng)價(jià)

電滲析法脫除鐵皮石斛多糖溶液中的金屬離子后,采用等離子體質(zhì)譜法測(cè)定鐵皮石斛多糖中殘余的重金屬含量。通過(guò)檢測(cè)鐵皮石斛粗提物中的重金屬離子含量,發(fā)現(xiàn)其主要含有鉛(Pd2+)、鎘(Cd2+)和銅(Cu2+)等重金屬,3種重金屬離子含量分別為2.60、0.71、1.16 mg/kg,其中鉛離子存在安全隱患,Cd2+和Cu2+含量也接近全球食品安全標(biāo)準(zhǔn)的警戒線[20]。由圖4可知,在電滲析前鐵皮石斛多糖中的鉛含量為2.43 mg/kg,低于鐵皮石斛粗提物中的鉛含量(2.60 mg/kg)。這可能是由于一部分鉛離子會(huì)與大分子多糖絡(luò)合,在超濾過(guò)程去除了這部分鉛離子。

a-不含NaCl的料液重金屬含量變化;b-含0.5 mol/L NaCl的料液重金屬含量變化

圖4-a顯示了不含NaCl的多糖提取液的重金屬離子含量隨電滲析時(shí)間的變化趨勢(shì)。Pd2+含量在電滲析開(kāi)始后的10 min內(nèi)迅速下降。15 min后,鐵皮石斛多糖提取液中的Pd2+含量降至0.11 mg/kg,鉛脫除率達(dá)到95.8%。而Cu2+和Cd2+的去除速度較慢,電滲析30 min后,Cu2+和Cd2+含量分別降至0.52、0.31 mg/kg,脫除率分別為26.8%和73.3%,兩者的去除率不如Pd2+顯著,這可能是由于金屬離子通過(guò)靜電力與多糖結(jié)合,而Cu2+和Cd2+與多糖的結(jié)合力相對(duì)Pd2+更強(qiáng)[21]。

圖4-b描繪了含NaCl(0.5 mol/L)的多糖提取液中重金屬離子濃度隨時(shí)間的變化曲線。在電滲析初期,料液中的重金屬含量的下降速度明顯低于不加入NaCl的多糖溶液,這可能是由于料液中的Na+與Cl-多為游離態(tài)且體積較小濃度較大,當(dāng)NaCl與重金屬離子存在競(jìng)爭(zhēng)性透過(guò)時(shí),在相同電驅(qū)動(dòng)力下,在電滲析初期優(yōu)先轉(zhuǎn)移Na+與Cl-[22]。因此溶液中的NaCl含量對(duì)于電滲析過(guò)程具有一定影響,但是隨著電滲析時(shí)間的延長(zhǎng),圖4-b觀察到與圖4-a類(lèi)似的下降趨勢(shì),表明隨著電滲析時(shí)間的延長(zhǎng),NaCl對(duì)去除重金屬離子的影響可以忽略不計(jì)。這些結(jié)果均表明結(jié)合超濾和電滲析的方法可以有效去除鐵皮石斛多糖中的重金屬。

2.5 UF-2nd單元超濾參數(shù)優(yōu)化

在超濾過(guò)程中,溫度、pH主要通過(guò)影響濃差極化,進(jìn)而影響超濾膜的過(guò)濾性能,即這些因素影響多糖在膜表面的積累造成的膜污染程度。通常,這些因素的影響與進(jìn)料溶液中的溶質(zhì)類(lèi)型無(wú)關(guān)。然而,鐵皮石斛多糖溶液是一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合體系,不同分子之間的相互作用可能會(huì)隨著超濾過(guò)程中工藝參數(shù)的變化而變化[23]。在本實(shí)驗(yàn)中,選擇在0.5%的料液濃度下探究溫度和pH對(duì)超濾效果的影響。

2.5.1 溫度對(duì)超濾效果的影響

如圖5-a所示,隨著溫度的升高,3種不同截留分子質(zhì)量的PES超濾膜的通量變化規(guī)律大致相同,均首先增加,在40 ℃時(shí)達(dá)到最大值,其中8 kDa的超濾膜變化尤為明顯。原因可能是由于黏度的降低和布朗運(yùn)動(dòng)的加速。此外,隨著溫度從25 ℃升高到40 ℃,濃差極化層中溶質(zhì)的擴(kuò)散增加,進(jìn)料黏度降低,從而產(chǎn)生更高的滲透通量,但是當(dāng)溫度進(jìn)一步超過(guò)40 ℃時(shí),料液通量減少可能是由于多糖在高溫下變性并相互聚集[24]。

a-溫度對(duì)超濾性能的影響;b-pH值對(duì)超濾性能的影響

2.5.2 pH對(duì)超濾效果的影響

圖5-b總結(jié)了滲透通量和進(jìn)料pH之間的關(guān)系,隨著pH值的增加,3種膜的滲透通量均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。料液的膜水通量的增加可以從膜的親水性增加解釋,當(dāng)溶液的pH值改變,多糖分子帶電性發(fā)生變化,由于官能團(tuán)的作用,溶液在PES膜表面產(chǎn)生選擇性吸附從而改變其親水性,增加了料液的膜通量[25]。

綜上所述,溫度為40 ℃,pH為4時(shí),3種膜孔徑的PES膜滲透通量均最高,超濾效果也最好。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),可根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)要求選擇合適的溫度及pH。

2.6 鐵皮石斛多糖回收率及評(píng)價(jià)

截留分子質(zhì)量不同的超濾膜超濾效果差異明顯,由圖6可知,截留分子質(zhì)量越大,跨膜通量明顯提升。超濾膜的截留分子質(zhì)量表征了在能自由通過(guò)超濾膜的分子中最大分子的分子質(zhì)量。較小的孔徑和較快的流速導(dǎo)致膜污染速度較快,多糖在膜孔內(nèi)發(fā)生堵塞并在超濾后期在超濾膜表面形成結(jié)垢層使得濾液通量下降從而降低了多糖的過(guò)濾效率。由于多糖組成復(fù)雜,分子質(zhì)量分布廣,截留分子質(zhì)量大就意味著可以有更多的多糖分子通過(guò)超濾膜。為了進(jìn)一步比較不同截留分子質(zhì)量下超濾得到的鐵皮石斛多糖的純度并濃縮多糖,采用小分子截留分子質(zhì)量(3、5、8 kDa)的超濾膜對(duì)電滲析得到的溶液進(jìn)行超濾純化。通過(guò)對(duì)多糖回收率及純度的比較,可以發(fā)現(xiàn)不同截留分子質(zhì)量的超濾膜過(guò)濾得到截留液中多糖的回收率與多糖純度均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。相較于3 kDa和8 kDa截留分子質(zhì)量的超濾膜,截留分子質(zhì)量為5 kDa的超濾膜得到的多糖回收率為78.2%,多糖純度為86.4%,較為適中和均衡,經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)較為明顯。

圖6 不同超濾膜對(duì)于多糖回收率及純度的影響

3 結(jié)論

在本研究中,開(kāi)發(fā)了一種超濾結(jié)合電滲析用于純化植物多糖的工藝。結(jié)果顯示通過(guò)添加NaCl能夠提高鐵皮石斛多糖的得率。本研究創(chuàng)新性地采用電滲析去除了多糖中的鹽離子和重金屬離子,并利用兩次超濾去除不同分子質(zhì)量的雜質(zhì)。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了超濾和電滲析的工藝操作參數(shù),當(dāng)進(jìn)料溫度為35 ℃,料液pH值為6時(shí),能夠達(dá)到最佳的多糖回收率和純度,分別為78.2%和86.4%。電滲析過(guò)程可使多糖中的鉛離子脫除率達(dá)到95.8%,銅和汞離子脫除率達(dá)到26.8%和73.3%,重金屬總體脫除率達(dá)到80%。本實(shí)驗(yàn)使用的超濾結(jié)合電滲析技術(shù)是多糖提取的一次新的嘗試,該技術(shù)有望應(yīng)用于不同原料多糖提取物的純化應(yīng)用,值得進(jìn)一步探索研究。