絲肽電滲析工藝優(yōu)化

沈娟 江艷 丁志剛 項(xiàng)玉華

中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所（上海 200032）

科研開發(fā)

絲肽電滲析工藝優(yōu)化

沈娟 江艷 丁志剛 項(xiàng)玉華

中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所（上海 200032）

通過改變絲肽料液濃度、pH以及電滲析的輸出電壓等因素進(jìn)行絲肽電滲析脫鹽條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：通過稀釋料液質(zhì)量濃度可提高絲肽回收率，但同時(shí)增加了物料的總體積，降低了生產(chǎn)效率；調(diào)節(jié)絲肽料液pH至等電點(diǎn)，可縮短電滲析脫鹽時(shí)間，適當(dāng)提高樣品回收率；降低電滲析輸出電壓，亦可提高樣品回收率，但是脫鹽速率也會(huì)相應(yīng)降低。絲肽生產(chǎn)中，可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)pH和電滲析電壓的方法來提高脫鹽效率及樣品回收率，且不增加后續(xù)處理量。

絲肽 電滲析 生產(chǎn)工藝

蠶絲中蛋白質(zhì)含量高達(dá)97.6%～98.5%，其主要由絲膠蛋白和絲素蛋白兩部分組成，絲素蛋白結(jié)構(gòu)緊密，結(jié)晶度高，約占全絲蛋白的72%，外層包裹的絲膠蛋白約占26%。我國是世界最大的繭絲及絲織品生產(chǎn)國，在原料繭加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢絲。由于絲素蛋白相對(duì)分子質(zhì)量較大，因此在水中只發(fā)生膨潤(rùn)而并不溶解。研究發(fā)現(xiàn)蠶絲脫膠后，絲素蛋白可通過酸法、堿法或酶法水解得到絲肽[1-7]，其相對(duì)分子質(zhì)量分布范圍較廣，在300～20000之間?？刂频鞍踪|(zhì)的水解程度，可得到相對(duì)分子質(zhì)量不同的絲肽（具有抗氧化、降血糖、降膽固醇、免疫刺激等生物活性），這些產(chǎn)品已開始廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品、食品及紡織加工助劑等行業(yè)[8-11]。由此可見，對(duì)于充分發(fā)揮廢蠶絲的使用價(jià)值來說，絲肽的生產(chǎn)工藝研究意義重大。

絲肽制備過程中，無論是溶解絲素蛋白的濃鹽溶液，還是水解時(shí)引入的酸、堿、緩沖鹽溶液，其中所含的無機(jī)離子直接影響絲肽的生產(chǎn)和品質(zhì)，因此，脫鹽工藝對(duì)絲肽的產(chǎn)量和品質(zhì)具有舉足輕重的影響。在前期實(shí)驗(yàn)研究中，分別用納濾膜、混床樹脂、電滲析三種方式脫除絲肽母液中的氯化鈣和氫氧化鈉，以絲肽的回收率和工藝上的經(jīng)濟(jì)性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)電滲析脫鹽工藝在這三種工藝中效果最佳，其脫鹽效率、絲肽回收率以及工業(yè)放大的可操作性均優(yōu)于其余兩種工藝[12]。電滲析是利用半透膜的選擇透過性來分離不同溶質(zhì)粒子（如離子）的方法，在直流電場(chǎng)作用下進(jìn)行滲析時(shí)，溶液中的帶電陽離子和陰離子分別通過陽離子交換膜與陰離子交換膜而遷移的現(xiàn)象稱為電滲析[13-15]。無機(jī)離子在溶液中可完全電離，在電場(chǎng)作用下遷移速度較快；而絲肽只帶有弱電荷，且相對(duì)分子質(zhì)量大，在電場(chǎng)作用下遷移率低。因此，利用絲肽與無機(jī)離子遷移速率的不同可達(dá)到脫鹽的目的。電滲析工序作為整個(gè)絲肽制備工藝中的重要環(huán)節(jié)，篩選優(yōu)化最佳操作參數(shù)對(duì)于整個(gè)工藝流程具有舉足輕重的作用。

1 材料與方法

1.1 試劑和儀器

試劑：絲素，湖州澳特絲生物科技有限公司；氯化鈣，分析純，上海美興化工股份有限公司；氫氧化鈉，分析純，上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇、鹽酸，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；去離子水，自制。

儀器：Labofuge 400R離心機(jī)，德國Heraeus控股公司；電滲析器，浙江千秋環(huán)保水處理有限公司；Waterbath B-480真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，瑞士Buchi公司；Alpha 2-4 LD plus真空冷凍干燥機(jī)，德國Martin Christ公司；雷磁DDSJ-318電導(dǎo)率儀，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；凱氏定氮儀，濟(jì)南海能儀器股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 絲肽粗品料液制備

采用氯化鈣-水-乙醇體系溶解已脫除絲膠的絲素[12]。將22 g氫氧化鈉溶于60 mL水中，所得溶液備用；稱取222 g氯化鈣于茄形瓶中，加入288 mL去離子水，攪拌冷卻后加入184 g無水乙醇，混合均勻后置于80℃油浴中；加入50 g絲素，攪拌至絲素完全溶解；緩慢滴加氫氧化鈉水溶液至絲素反應(yīng)液中，溶液堿解反應(yīng)2 h，冷卻后離心，去除不溶物；上清液通過減壓蒸餾脫除乙醇，即獲得絲肽粗品料液。

1.2.2 絲肽脫鹽

將絲肽粗品料液加水稀釋后置于電滲析器的料液水箱中，并向電滲析器的極水箱和濃水箱分別注入自來水；料液箱和濃水箱的循環(huán)流速均設(shè)置為60 L/h，電滲析器電壓設(shè)置為40 V，實(shí)驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)料液和濃水的電導(dǎo)率，直至料液電導(dǎo)率降至合格水平；取出料液，會(huì)使其通過300 mL混床樹脂進(jìn)行二次脫鹽，直至電導(dǎo)率降至100 μS/cm以下；收集混床樹脂柱流出液，減壓濃縮后冷凍干燥，以凍干產(chǎn)物計(jì)算絲肽回收率。

2 結(jié)果與分析

2.1 電滲析過程中電導(dǎo)率及物料的遷移情況

電滲析過程中采用電導(dǎo)率儀檢測(cè)料液電導(dǎo)率變化情況，料液定時(shí)取樣，采用凱氏定氮儀測(cè)定其中氮含量并以此折算物料回收率，從而確定整個(gè)電滲析過程中對(duì)于回收率影響最大的階段。圖1為電滲析過程中料液電導(dǎo)率和回收率的變化曲線。

圖1 料液電導(dǎo)率和回收率變化曲線

電滲析過程前半段即物料電導(dǎo)率在10 mS/cm以上時(shí)，絲肽基本不隨電流遷移至濃水箱中，該階段以料液中無機(jī)離子的遷移為主，絲肽回收率基本穩(wěn)定在同一水平。電滲析脫鹽進(jìn)行至物料電導(dǎo)率降至10 mS/cm以下時(shí)，絲肽回收率顯著下降，說明該階段中絲肽亦帶電荷，并在電場(chǎng)作用下發(fā)生遷移，從而產(chǎn)生損失?？梢娫撾A段是提高回收率的關(guān)鍵所在。2.2絲肽粗品料液質(zhì)量濃度對(duì)電滲析脫鹽速率及回收率的影響

分別將50 g絲素堿解離心后的清液稀釋至1，2，3和4L，稀釋后的料液pH相近，然后分別進(jìn)行電滲析脫鹽，直至料液電導(dǎo)率降到1mS/cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表1）表明，在相同的pH及電壓條件下，料液質(zhì)量濃度越低（即實(shí)驗(yàn)料液體積越大），回收率越高。但同時(shí)由于物料體積增加，等同流量條件下物料進(jìn)入膜面循環(huán)的次數(shù)減少，從而導(dǎo)致整個(gè)電滲析脫鹽時(shí)間延長(zhǎng)，生產(chǎn)效率也隨之降低。而且由于料液體積增大，后續(xù)濃縮處理的工作量亦會(huì)增加，如果放大到生產(chǎn)中，其物料的后續(xù)處理量和生產(chǎn)耗時(shí)造成成本巨大。所以綜合考慮絲肽回收率及生產(chǎn)效率，折中選取物料質(zhì)量濃度更適合于放大生產(chǎn)。

表1 不同質(zhì)量濃度料液的脫鹽時(shí)間及絲肽回收率

2.3 pH對(duì)電滲析脫鹽速率及回收率的影響

通過調(diào)節(jié)料液的pH，研究了不同酸堿條件對(duì)樣品脫鹽速率及回收率的影響。將50 g絲素的水解清液稀釋至2 L，在不調(diào)節(jié)pH、用25%鹽酸調(diào)至中性及pH＝3.5（即在堿性、中性和酸性）的條件下，分別進(jìn)行電滲析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。料液pH在中性條件下較堿性條件下的絲肽回收率更高，但對(duì)電滲析時(shí)長(zhǎng)無太大影響；而如果將料液pH調(diào)至酸性，則脫鹽速率顯著提高，絲肽回收率也有所提高，可見絲肽料液在酸性條件下更接近等電點(diǎn)，此時(shí)絲肽不易帶電荷，從而不會(huì)因在電場(chǎng)作用下發(fā)生遷移而產(chǎn)生損耗。

表2 不同pH料液的脫鹽時(shí)間及絲肽回收率

2.4 電滲析輸出電壓對(duì)脫鹽速率及回收率的影響

考察了電滲析輸出電壓與絲肽回收率及脫鹽時(shí)間的相關(guān)性。將50 g絲素堿解離心后的清液稀釋至4 L，實(shí)驗(yàn)中改變輸出電壓，結(jié)果如表3所示。電壓與脫鹽速率呈正相關(guān)關(guān)系，但是隨著電壓增加，絲肽透過電滲析膜的損耗量亦會(huì)提高，從而導(dǎo)致回收率降低。放大生產(chǎn)中，提高電滲析輸出電壓可提高脫鹽效率，但是也會(huì)使膜面電流增大，從而產(chǎn)生大量熱量，如控制不當(dāng)將存在燒膜風(fēng)險(xiǎn)。

表3 輸出電壓對(duì)脫鹽時(shí)間及回收率的影響

2.5 電滲析過程中水分子的遷移

在電滲析過程中，無論物料在酸性還是堿性條件下，料液總體積均呈線形下降趨勢(shì)，如圖2、圖3所示。

圖2 堿性條件下料液體積隨脫鹽時(shí)間的變化

圖3 酸性條件下料液體積隨脫鹽時(shí)間的變化

盡管在理論上電滲析膜不會(huì)透過水分子，但是膜兩側(cè)的料液存在質(zhì)量濃度差，從而使得部分水分子由稀液一側(cè)向濃液一側(cè)滲透；另外在電場(chǎng)作用下，由于離子的水合作用，水分子也會(huì)被夾帶著從料液室向濃縮箱遷移。以上兩種情況可能是導(dǎo)致物料總體積下降的主要原因。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)料液和濃水箱流量，使料液流道的壓力略高于濃水一側(cè)，即通過壓力差平衡水分子的大量遷移現(xiàn)象，可以使物料總體積保持相對(duì)穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到減少料液跑料的效果，同時(shí)也有利于提高絲肽樣品的回收率。

3 結(jié)論

通過改變絲肽粗品母液質(zhì)量濃度、絲肽母液的pH以及電滲析的輸出電壓等三個(gè)變量來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考查了電滲析小試裝置中以上三個(gè)因素對(duì)于絲肽回收率以及分離時(shí)間的影響趨勢(shì)。結(jié)果表明：降低絲肽母液質(zhì)量濃度或降低電滲析輸出電壓均有利于提高絲肽的回收率，但也會(huì)延長(zhǎng)脫鹽時(shí)間，降低脫鹽效率；絲肽母液在酸性條件下最利于電滲析脫鹽；在整個(gè)電滲析脫鹽過程中，接近脫鹽終點(diǎn)的低鹽階段是影響絲肽回收率的關(guān)鍵階段。

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Electrodialysis Process Optimization for Silk Peptide

Shen Juan Jiang Yan Ding Zhigang Xiang Yuhua

The optimum conditions for the electrodialysis desalination of silk peptide were analyzed by changing the hydrolysate concentration,pH and the output voltage of electrodialysis.Results showed that the recovery rate of silk peptide could be improved by diluting the concentration of silk peptide hydrolysate,but the hydrolysate volume was increased and the productivity was reduced.Adjusting the pH of hydrolysate to the isoelectric point could shorten the desalination time and improve the recovery rate of silk peptide.Reducing the output voltage could also improve the recovery rate,but the desalting rate per unit time would be reduced accordingly.In the production of silk peptide,the desalination efficiency and silk peptide recovery can be improved by properly adjusting the pH and electrodialysis voltage, without adding the hydrolysate volume of subsequent processing.

Silk peptide;Electrodialysis;Production process

TQ914.1

2017年3月

上海市科委項(xiàng)目（143919N0600）

沈娟女1982年生碩士研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物