超濾和納濾集成膜技術純化蒸汽爆破秸稈木聚糖酶酶解液

趙黎明

(華東理工大學生物工程學院/發(fā)酵工業(yè)分離提取技術研發(fā)中心，上海 200237)

超濾和納濾集成膜技術純化蒸汽爆破秸稈木聚糖酶酶解液

趙黎明

(華東理工大學生物工程學院/發(fā)酵工業(yè)分離提取技術研發(fā)中心，上海 200237)

為掌握蒸汽爆破秸稈木聚糖酶酶解液的超濾脫色和納濾濃縮的集成膜技術，研究了兩支不同截留相對分子質(zhì)量的超濾膜脫除色素的工藝，測定了膜通量數(shù)據(jù)并取樣檢測色值和還原糖含量，得到脫色率和還原糖回收率，優(yōu)選一支超濾膜用于脫色;采用截留相對分子質(zhì)量為150的納濾膜濃縮超濾工藝的透過液，提高糖液濃度．集成膜工藝的脫色率達到63.6%(對原料液的色值)，總還原糖回收率達到92.1%(對原料液的還原糖)，說明超濾和納濾集成膜技術可以脫除蒸汽爆破秸稈木聚糖酶酶解液內(nèi)的色素，提高糖液的濃度，并且膜通量較高．

納濾;超濾;低聚木糖;集成膜技術;蒸汽爆破

低聚木糖(xylo-oligosaccharides，XOs)，又稱木寡糖，是一種功能性低聚糖，具有增殖雙歧桿菌等生理活性功能［1］．工業(yè)化生產(chǎn)低聚木糖一般以木質(zhì)纖維素類物質(zhì)(lignocellulosic materials，LCM)為原料，例如玉米芯、甘蔗渣、秸稈等農(nóng)副產(chǎn)物［2］．其中的木聚糖是由β-1，4糖苷鍵相連的木糖基構成主鏈的線性大分子，內(nèi)切木聚糖酶以內(nèi)切方式作用于木聚糖主鏈產(chǎn)生不同長度的木寡糖和少量的木糖［3］，秸稈經(jīng)蒸汽爆破后用內(nèi)切木聚糖酶水解，得到富含低聚木糖和殘渣的酶解液，酶解液經(jīng)板框過濾后，仍然含有纖維素、木質(zhì)素、色素、蛋白等雜質(zhì)，需要進一步純化為食品級商業(yè)化產(chǎn)品．

Nabarlatz等［4］采用超濾膜純化由杏仁殼為木聚糖原料提取的低聚木糖，并認為超濾膜過程適用于純化由生物質(zhì)原料獲得的低聚木糖．趙鶴飛等［5］研究了使用相對分子質(zhì)量為250的納濾膜純化低聚木糖，經(jīng)3倍體積滲濾后低聚木糖純度由83.33%上升至92.54%，并且發(fā)現(xiàn)使用該膜濃縮糖漿，濃縮倍數(shù)為2.5時，糖損失率就高達35.73%，應該使用截留相對分子質(zhì)量更低的納濾或反滲透膜進行濃縮．Hua X.和 Zhao H．［6］等建立了基于能斯特－普朗克方程和濃差極化理論的耦合模型描述低聚木糖體系的納濾膜分離特性，并且發(fā)現(xiàn)糖液內(nèi)相對分子質(zhì)量均為150單糖中，阿拉伯糖的截留率高于木糖的截留率．用有機卷式超濾(ultrafiltration，UF)和納濾(nanofiltration，NF)集成膜技術脫色并濃縮低聚木糖，國內(nèi)外文獻未見報道．

膜過程是物理分離過程，在分離脫色過程中避免了消耗酸或者活性炭，在濃縮過程中避免了蒸發(fā)濃縮過程的大量相變能．本文重點研究了兩支不同截留相對分子質(zhì)量的UF膜脫除色素的工藝，優(yōu)選一支UF膜作為脫色用膜．使用截留相對分子質(zhì)量為150的NF膜濃縮超濾透過液，減少濃縮過程中糖的損失．

1 材料與方法

1.1 實驗材料

爆破秸稈木聚糖酶酶解液，由山東豐源中科生態(tài)科技股份有限公司提供，富含低聚木糖．酶解液經(jīng)板框過濾，并經(jīng)5 μm精密過濾器過濾．進料總固形物為1.16%，還原糖質(zhì)量濃度為2.42 mg·mL－1，電導率為4.5 ms·cm－1，pH 值為 5.8．

1.2 設備與儀器

設備編號為L104-3和L104-4的超濾、納濾一體膜分離設備，操作壓力為0～4×103kPa;膜型號為HDU-KS-50-2540，截留相對分子質(zhì)量為3 000和膜型號為 HDU-01-W-2540，截留相對分子質(zhì)量為5 000的有機卷式2540型(直徑2.35 cm，長度101.6 cm)超濾膜，有效膜面積為1.7 m2;膜型號為HDS-11-2540的卷式薄層復合(Thin-Film-Composite，TFC)荷負電2540型納濾膜，截留相對分子質(zhì)量為150，有效膜面積為1.7 m2．設備和膜均由凱能高科技工程(上海)有限公司提供．

WZS-Ⅰ型阿貝折光儀，上海光學儀器廠;Delta320型pH計，Mettler-Toledo集團公司;UNICO2000型分光光度計，尤尼柯(上海)制造有限公司．

1.3 實驗方法

1.3.1 固形物含量、還原糖含量、色值的測定

固形物含量測定采用阿貝折光法，還原糖含量測定采用 DNS 法［7］．

色值的測定［8］:先將待測低聚木糖糖液調(diào)節(jié)至pH值為7.0±0.1，后經(jīng)0.45 μm的微孔濾膜過濾，分別測濾液的固形物含量和在420 nm處的吸光值．

色值計算:

式(3)中，Ts，糖液的透光率;A，糖液的吸光度;b，比色皿的厚度，cm;C，糖液濃度，mg·mL－1．

1.3.2 跨膜壓差、膜通量、濃縮倍數(shù)的測定

跨膜壓差ΔP(kPa)和膜通量Jv的定義為

式(5)中，Pin，膜截留測料液的進膜壓力(表壓強，下同)，kPa;Pout，膜截留測料液的出膜壓力，kPa．

式(6)中，V，使用量筒測定的透過液體積;L;t，測定時間;h，一般測定30 s;Am，有效膜面積，m2．

濃縮倍數(shù)定義為進液總體積(包括料液和滲濾純水)與濃縮終點的濃縮液體積之比，由于設備管路存在約1.5 L的“死體積”，無法將濃縮終點的濃縮液全部排出并準確測定濃縮液體積，因此測定透過液體積進而間接計算濃縮液體積，計算濃縮倍數(shù)．

1.3.3 UF和NF耦合處理酶解液

低聚木糖的提取工藝見圖1．酶解液的板框過濾液，經(jīng)過換熱器降低溫度至30℃后，料液由進料泵經(jīng)過20 μm過濾器預過濾，進入到UF設備的進料罐中進行脫雜、脫色處理，料液中的水、離子、低聚木糖、單糖等可溶性小分子物質(zhì)透過UF膜，進入到UF透過液貯罐(NF設備進料罐)中，而分子量較大的可溶性蛋白、膠體、色素等則被UF膜截留，并回流到脫色膜系統(tǒng)進料罐中．進料泵為料液在膜系統(tǒng)中的分離提供動力．系統(tǒng)運行后期，水和可溶性小分子物質(zhì)大部分透過UF膜，循環(huán)的截留液中蛋白、膠體等物質(zhì)濃度逐漸增加，為提高低聚木糖產(chǎn)品收率，需要向料液中加入滲濾純水．滲濾純水加入系統(tǒng)后，與料液混合;產(chǎn)品溶解到水中并進一步透過UF膜，進入到透過液貯罐中，產(chǎn)品收率得以提高．系統(tǒng)停機后，將膜系統(tǒng)中殘存的透過液排入放空罐中，并進入到NF膜設備的進料罐中進行濃縮，得到低聚木糖產(chǎn)品．該產(chǎn)品可進一步使用活性炭等脫色技術和納濾脫單糖技術進行精制．

圖1 低聚木糖提取工藝流程Fig．1 Process flow of extraction of XOs

2 結果與分析

2.1 UF膜脫色結果分析

時間對兩種UF膜的膜通量的影響見圖2．兩種UF膜的膜通量均隨操作時間增加而衰減，并且衰減速度減慢，有達到擬穩(wěn)態(tài)的趨勢．編號為HDUKS-50-2540的UF膜的膜通量高于編號為HDU-01-W-2540的UF膜的膜通量，這可能是因為，前者膜的截留相對分子質(zhì)量較小，料液中大量存在的對于后者膜的孔內(nèi)污染較嚴重的分子，不能對前者膜造成膜孔內(nèi)污染，而是被截留在料液內(nèi)，使前者膜污染較輕，膜通量較大．

圖2 時間對兩種UF膜通量的影響Fig．2 Effect of time on flux of two kinds of UF

滲濾過程中加入的純水體積見表1．在滲濾純水體積加入量均為4 L，操作時間相同的條件下，由于HDU-KS-50-2540的UF膜的膜通量高，因此處理的料液量大于HDU-01-W-2540，經(jīng)計算，使用前者濃縮倍數(shù)達到18.8，高于后者的13.6．經(jīng)測定脫色率后比較，前者的脫色率63.6%高于后者的51.2%，這與前者膜的截留相對分子質(zhì)量較小，更多的色素被截留有關，還原糖收率的差異也與膜的截留相對分子質(zhì)量的差異一致．確定選擇HDU-KS-50-2540的UF膜作為料液的脫色工藝用膜，并使用該膜超濾足夠的料液用于下一步的納濾濃縮實驗．

表1 超濾膜脫色和納濾膜濃縮結果Tab．1 Result of UF decolorization and NF concentration

2.2 NF膜濃縮結果分析

時間對NF膜通量的影響見圖3．NF膜通量隨操作時間增加而衰減，與UF膜不同的是，在濃縮前期，膜通量衰減較緩慢．約30 min后膜通量出現(xiàn)突然衰減．這可能是由于超濾過程不能去除的部分蛋白、色素等雜質(zhì)經(jīng)納濾濃縮到一定濃度時突然聚集，對膜突然產(chǎn)生污染，因此可以使用活性炭等技術加在超濾和納濾之間，既可以脫出UF膜不能截留的色素，提高脫色率，又可以為納濾濃縮提供更加優(yōu)質(zhì)的料液．

圖3 時間對NF膜通量的影響Fig．3 Effect of time on flux of NF

納濾過程的平均膜通量高達 62.6 L·m－2·h－1，濃縮倍數(shù)高達18.3，還原糖收率為92.1%．說明該NF膜可以高效濃縮低聚木糖糖液，糖損失較?。瑸V和納濾總還原糖收率達到63.8%．

3 結論

1)選擇編號為HDU-KS-50-2540的截留相對分子質(zhì)量為3 000的UF膜作為料液的脫色工藝用膜，可使平均膜通量達到 28.6 L·m－2·h－1，濃縮倍數(shù)達到18.8，脫色率達到63.6%，還原糖收率為69.3%．

2)使用編號為HDS-11-2540 NF膜可以高效濃縮低聚木糖糖液，糖損失較少，平均膜通量達到62.6 L·m－2·h－1、濃縮倍數(shù)達到 18.3，濃縮糖漿的還原糖濃度由2.01 mg·mL－1提高到33.87 mg·mL－1，還原糖損失較小，收率達到92.1%．

3)該研究為進一步理解糖在UF膜和NF膜過程中的傳質(zhì)分離特性提供了數(shù)據(jù)基礎．超濾和納濾集成膜技術可以脫除蒸汽爆破秸稈木聚糖酶酶解液內(nèi)的色素，提高糖液的濃度，膜通量較高，還原糖總收率達到63.8%，具有工業(yè)化應用價值．

［1］Nakakuki T．Oligosaccharides:production，properties ＆applications［M］．Routledge:Gordon and Breach Science Publishers，1993:130-143．

［2］Moure A，Gullon P，Dominguez H，et al．Advances in the manufacture，purification and applications of xylo-oligosaccharidesas food additives and nutraceuticals［J］．Process Biochemistry，2006，41(9):1913-1923．

［3］宋紅霞，李秀婷，孫寶國，等．微生物利用木質(zhì)纖維原料產(chǎn)木聚糖酶研究現(xiàn)狀［J］．北京工商大學學報:自然科學版，2011，29(2):63-69

［4］Nabarlatz D，Torras C，Garcia-Valls R，et al．Purification of xylo-oligosaccharides from almond shells by ultrafiltration［J］．Separation and Purification Technology，2007，53(3):235-243．

［5］趙鶴飛，楊瑞金，趙偉，等．秸稈低聚木糖溶液納濾分離特性和滲濾工藝［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25(4):253-259．

［6］Hua X，Zhao H，Yang R，et al．Coupled model of extended Nernst-Planck equation and film theory in nanofiltration for xylo-oligosaccharide syrup［J］．Journal of Food Engineering，2010，100(2):302-309

［7］大連輕工學院等八大院校．食品分析［M］．北京:中國輕工業(yè)出版社，2005:152-223．

［8］秦志榮，于淑娟，高大維．糖漿脫色陰離子交換樹脂再生新方法的研究［J］．中國甜菜糖業(yè)，1999(8):10-12．

(責任編輯:葉紅波)

Purification of Hydrolysate of Steam-Exploded Wheat Straw by Xylanase Using Integrated Membrane Technology of Ultrafiltration and Nanofiltration

ZHAO Li-ming
(School of Bioengineering/The Research and Development Center of Separation and Extraction Technology in Fermentation Industry，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)

The integrated membrane technology of ultrafiltration(UF)and nanofiltration(NF)were used for purification of the hydrolysate of steam-exploded wheat straw by xylanase with various molecular weight cut-offs(MWCO)．The reducing sugar concentrations and color values were collected，and decolorization rates and reducing sugar recovery were obtained．Then，an optimum UF membrane was selected for decolorization．The permeate of UF was concentrated by NF with MWCO 150 Dalton．Decolorization rate reached 63.6%(on color value in feed)and total reducing sugar recovery(on reducing sugar concentration in feed)was 92.1%by integrated membrane technology，which indicate that integrated membrane technology of UF and NF can decolor and concentrate hydrolysate of steam－exploded wheat straw by xylanase．With high membrane flux，the integrated membrane technology may have industry application prospect．

nanofiltration;ultrafiltration;xylo-oligosaccharides;integrated membrane technology;steam-exploded

TQ028.8;TS201.2

A

1671-1513(2012)03-0039-04

2012-02-13

趙黎明，男，副教授，博士，主要從事功能性糖及功能食品以及工業(yè)分離提取技術及裝備方面的研究．