利用超濾-滲濾從酵母抽提物中提取海藻糖的研究

李 博

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

海藻糖是一種穩(wěn)定的非還原性雙糖，由兩個(gè)吡喃環(huán)葡萄糖分子和1,1-糖苷鍵連結(jié)而成。海藻糖廣泛存在于各種生物體中，如酵母、真菌、藻類、某些昆蟲(chóng)、無(wú)脊椎動(dòng)物和植物中，尤其在酵母中含量較多，面包和啤酒等發(fā)酵食品也含有海藻糖。自被發(fā)現(xiàn)開(kāi)始，海藻糖就因其獨(dú)特的理化性質(zhì)和生物學(xué)特性而備受關(guān)注。因?yàn)樗鼘?duì)多種生物活性物質(zhì)具有非特異性保護(hù)作用，有“生命之糖”的美譽(yù)，在食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊[1]。酵母抽提物主要成分是蛋白質(zhì)和海藻糖，蛋白質(zhì)的存在會(huì)干擾海藻糖的提取，提取海藻糖首先要去除共存的蛋白質(zhì)。去除蛋白質(zhì)有鹽酸法、醋酸鉛法、三氯乙酸法、Sevag法等，大多是利用有機(jī)溶劑或者重金屬鹽使蛋白質(zhì)變性沉淀，存在有機(jī)溶劑消耗量大，回收困難，成本高且產(chǎn)生大量無(wú)機(jī)廢水，環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)[2-3]。

超濾是一種以壓力為推動(dòng)力的膜分離技術(shù)，可以將溶液中的大分子與小分子分離。與其他去除方法相比，超濾實(shí)驗(yàn)條件溫和，與蒸發(fā)、冷凍、干燥相比沒(méi)有相變化，而且不引起溫度、pH的變化，因而可以防止生物大分子的變性、失活和自溶[4]。超濾后再配合滲濾去除蛋白質(zhì)，提取海藻糖，具有較高的應(yīng)用價(jià)值[5]。試驗(yàn)研究了超濾的工藝參數(shù)，滲濾添加量對(duì)海藻糖提取 的影響，旨在為海藻糖的清潔生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

酵母抽提物(蛋白質(zhì)含量為20.0%，海藻糖含量為10.2%)，安琪酵母公司；其他試劑均為分析純。

MSM-1812膜分離裝置，上海摩速科學(xué)器材有限公司；UV-6100雙光束型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海美譜達(dá)儀器。

1.2 工藝流程

圖1 超濾試驗(yàn)流程圖[6]

將濃度約10%的溶液酵母料液在離心機(jī)中預(yù)處理后，在料桶中進(jìn)行超濾，海藻糖及小分子溶質(zhì)的透過(guò)液進(jìn)入濾液桶，蛋白質(zhì)等大分子溶質(zhì)隨回流液進(jìn)入到料液桶。待濃縮液的濃縮倍數(shù)大于8時(shí)，加水進(jìn)行滲濾，將濃縮液中剩余的海藻糖隨滲濾液滲出，待滲出液等于加入量時(shí)為滲濾結(jié)束。每隔一定時(shí)間在超濾過(guò)程中測(cè)量膜的濾速，計(jì)算膜通量。每隔30 min收集滲透液和截留液，通過(guò)物料衡算來(lái)計(jì)算滲透通量、蛋白截留率和海藻糖通過(guò)率。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 膜通量測(cè)定[7]

(1)

式中：J為膜通量，L·h-1·m-2；V為透過(guò)液體積， L；A為膜的有效面積，m2；t為時(shí)間，h。

1.3.2 蛋白截留率的測(cè)定[7]

(2)

式中：C0、C1為除蛋白前后的蛋白質(zhì)質(zhì)量，g。

1.3.3 蛋白質(zhì)測(cè)定

雙縮脲法[8]。

1.3.4 海藻糖測(cè)定

蒽酮比色法[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 超濾過(guò)程

膜通量和蛋白質(zhì)截留率是衡量膜分離效率的兩個(gè)重要指標(biāo)，操作壓力和溫度是影響它們的重要參數(shù)。試驗(yàn)測(cè)定不同壓力和溫度下，膜通量、蛋白質(zhì)截留率、海藻糖通過(guò)率的變化，以確定最佳參數(shù)。

2.1.1 壓力的影響

壓力對(duì)膜通量、蛋白質(zhì)截留率、海藻糖通過(guò)率的影響如圖2所示。從圖2可以看出，膜通量隨著膜前壓力的升高而升高，在0.4 MPa達(dá)到最大，隨后膜通量趨于平緩，略有下降。這可能是膜表面發(fā)生濃差極化和膜孔堵塞。超濾以壓力為驅(qū)動(dòng)力，理論上來(lái)說(shuō)，壓力越高膜通量越大，但當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)在膜表面積累形成一定濃度并達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生濃差極化，這時(shí)過(guò)大的壓力反而造成膜孔堵塞，隨著溶液粘度增大，流動(dòng)性變差，膜表面的沉積物增多，形成濾餅層，導(dǎo)致膜通量下降[9]。

圖2 壓力對(duì)超濾性能的影響

蛋白質(zhì)截留率和海藻糖通過(guò)率也隨之下降。即使再提高壓力也收效甚微，甚至?xí)?duì)設(shè)備造成損壞。超濾過(guò)程壓力選擇為0.40 MPa。

2.1.2 溫度的影響

溫度的變化會(huì)直接影響料液的黏度，升溫可減小溶液黏度，還 使傳質(zhì)系數(shù)提高。溫度對(duì)超濾過(guò)程的影響如圖3所示。隨溫度的升高，膜通量上升，在25～35 ℃ 時(shí)，膜通量顯著增加，之后膜通量繼續(xù)增加，但趨勢(shì) 逐漸減小。在45 ℃時(shí)，膜通量最大。蛋白質(zhì)截留率隨溫度升高變化不大，基本在92%以上。因此，超濾過(guò)程的溫度選擇為30 ℃。

圖3 溫度對(duì)超濾的影響

2.1.3 超濾結(jié)果

在30 ℃、0.40 MPa下，對(duì)料液進(jìn)行超濾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，經(jīng)過(guò)超濾操作，94%以上的蛋白質(zhì)、多肽等大分子被有效截留，海藻糖通過(guò)率在90%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，超濾對(duì)截留蛋白質(zhì)等大分子效果顯著。超濾操作后，在濃縮液中還有10%的海藻糖。

表1 超濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 滲濾過(guò)程

超濾后期，由于料液濃縮比較大，溶液粘度增大，膜通量下降明顯，如果繼續(xù)進(jìn)行超濾操作，不僅費(fèi)時(shí)，產(chǎn)品收率也難以提高，嚴(yán)重時(shí)還可能對(duì)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。此時(shí)在濃縮液中加入滲濾劑，使剩余10%的海藻糖隨滲濾劑滲出以提高收率。海藻糖收率隨滲濾劑加量的關(guān)系如圖4所示。

圖4 海藻糖收率與滲濾劑加量的關(guān)系

由圖4可知，三批料液中海藻糖總收率均隨滲濾劑的加入而升高，且隨加入量的增加，海藻糖收率增加趨緩，當(dāng)滲濾劑加量達(dá)到150%(按濃縮液體積百分比)，海藻糖總收率均大于94%。從理論上推導(dǎo)，增加滲濾劑的量可使海藻糖收率達(dá)到100%，但是滲濾劑的增加會(huì)使透過(guò)液內(nèi)海藻糖濃度降低，后續(xù)處理體積增大，生產(chǎn)成本相應(yīng)增大。因此，適宜的滲濾劑加量控制在150%左右。

2.3 超濾滲濾物料衡算

酵母溶液在30 ℃和0.4 MPa下，進(jìn)行超濾-滲濾實(shí)驗(yàn)，然后根據(jù)超濾液、滲濾液里蛋白質(zhì)和海藻糖含量，進(jìn)行物料衡算。最終蛋白質(zhì)截留率在98%以上，海藻糖透過(guò)率達(dá)到95%。

3 結(jié) 論

在酵母溶液預(yù)處理后，先后經(jīng)超濾-滲濾操作，最終將溶液中的蛋白質(zhì)截留98%以上，海藻糖透過(guò)率達(dá)到95%，實(shí)現(xiàn)去除酵母溶液中蛋白質(zhì)，提取海藻糖的目標(biāo)。超濾-滲濾組合具有流程簡(jiǎn)單、切實(shí)可行、分離效率高、清除蛋白效果好，少污染的特點(diǎn)，適用于海藻糖中蛋白質(zhì)的去除，為海藻糖的進(jìn)一步純化打下了基礎(chǔ)。