膜技术在色氨酸脱色和浓缩中的应用

张克贤，孙勇民，邱全国

（1.天津现代职业技术学院，天津300300；2.成都连接流体科技有限公司，四川成都611731）

膜技术在色氨酸脱色和浓缩中的应用

张克贤1，孙勇民1，邱全国2

（1.天津现代职业技术学院，天津300300；2.成都连接流体科技有限公司，四川成都611731）

采用超滤膜脱色和提纯与反渗透膜浓缩的方法，对色氨酸发酵液进行提纯处理。色氨酸发酵液的透光率由小于3%提高至82.58%；通过反渗透膜浓缩，色氨酸浓度达到24.96 g/L；提取收率为93.45%。

超滤膜；反渗透膜；脱色；提纯

色氨酸是人体中必需的一种氨基酸，同时色氨酸也被广泛地应用在饲料、食品和医药等行业。L-色氨酸的生产方法主要是发酵法和酶法，发酵法是以葡萄糖、甘蔗糖蜜等原料，利用谷氨酸棒杆菌、枯草杆菌等L-色氨酸产生菌，经微生物细胞内的复杂代谢而生成L-色氨酸；酶法主要是利用色氨酸酶，经酶促反应将底物L-丝氨酸（L-半胱氨酸或丙酮酸）和吲哚合成L-色氨酸[1-4]。无论是酶法合成途径形成的L-色氨酸转化液，还是发酵法形成的发酵液，都含有菌体、蛋白质和色素等杂质，影响L-色氨酸的提取和纯化，采用有效方法去除这些杂质，是提高L-色氨酸产品质量的关键。

发酵液或转化液中菌体、蛋白质和色素等杂质的去除方法主要有离心、絮凝、活性炭脱色[5]和膜分离等方法[6]，其中膜分离法是将膜技术应用于物料分离、浓缩、提纯的一项新技术，具有节能和环保等特点，对L-色氨酸发酵液或转化液中菌体、蛋白质和色素等杂质的去除以及浓缩效果明显。本文采用膜技术对色氨酸发酵液进行脱色处理，去除料液中色素及蛋白等大分子杂质，然后经过膜浓缩，使色氨酸发酵液透光达到70以上，色氨酸含量达到25 g/L。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 膜元件

超滤膜LG-1200（截留分子量M：1200）；LG-1000（截留分子量M：1000）；LG-800（截留分子量M：800）；LG-600（截留分子量M：600）和反渗透膜LG-100（截留分子量M：100）。以上膜元件由成都连接流体分离科技有限公司制备。

1.1.2 色氨酸发酵液

色氨酸发酵液经阳离子交换树脂预处理后指标如下：外观为棕褐色液体；色氨酸含量为15 g/L～30 g/L；pH为6和透光率＜3%（T430 nm），其中含有部分蛋白质及色素。该色氨酸发酵液由本校采用发酵法实验室制备。

1.2 实验检测指标

1.2.1 原液、浓缩液和透析液中色氨酸的含量

电位滴定法[7]，待测样品加冰醋酸，用高氯酸标定液滴定，并将滴定的结果用空白试验校正，根据滴定液使用量，计算色氨酸的含量。

1.2.2 原液、浓缩液和透析液的透光度

待测样品透光度的测定，取定量样品，加盐酸溶液溶解后，分光光度法在430 nm的波长处测定透光率。

1.2.3 色氨酸转移率

处理一定量色氨酸发酵液的透过液中色氨酸重量占所处理一定量色氨酸发酵液中色氨酸总重量的百分比。

1.2.4 蛋白质的检验

取待检液约25mL，调节温度20℃后，加入无水乙醇3mL，振摇3min，静置10min，观察是否产生白色絮状物。

1.3 膜技术对色氨酸脱色和浓缩的工艺流程和原理

1.3.1 膜技术对色氨酸脱色和浓缩原理

膜是一种具有特殊选择性分离功能的高分子材料，它能把流体分隔成不相通的两个部分，使其中的一种或几种物质能透过，而将其它物质分离出来。

色氨酸分子量为204，色素及蛋白等大分子杂质分子量通常都为几千以上，因此通过膜处理，能很容易将目标物色氨酸与杂质分离。分离出的透过液再经过反渗透浓缩除掉部分水分，使色氨酸含量提高。

1.3.2 膜技术对色氨酸脱色和浓缩的工艺流程

工艺流程图如图1所示。

图1 膜分离工艺流程图Fig.1 Membrane separation process flow diagram

1.4 膜脱色实验

1.4.1 超滤膜的选择

分别取30 L经阳离子交换树脂预处理后的色氨酸发酵液（色氨酸含量为15.23 g/L），加入料液桶内，开机运行，中间加10 L蒸馏水洗滤，进行脱色处理。滤速和膜前压相同。超滤膜采用LG-1200（截留分子量M：1200）；LG-1000（截留分子量M：1000）；LG-800（截留分子量M：800）和LG-600（截留分子量M：600）进行实验，比较透过液的脱色和对色氨酸的转移效果。实验结果如表1。

从表中可以看出透过液的透光效果最好的为LG-1000，转移率最高的同样为LG-1000。因此选择用LG-1000进行脱色。

表1 经不同超滤膜处理后的透过液脱色和对色氨酸的转移效果Table1 After different ultrafiltration membrane after processing through the decoloration and tryptophan transfer effect

1.4.2 LG-1000脱色实验

取经阳离子交换树脂预处理后的色氨酸发酵液，加入料液桶内，开机运行5min后，调节膜前压力，开始脱色。记录时间，滤速（mL/min），膜前压力，洗滤水和温度。整个实验运行150min，取3次透过液进行测定并计算。

1.4.3 反渗透膜LG-100浓缩透过液

将色氨酸发酵液脱色后的透过液，通过反渗透膜LG-100进行浓缩。取定量膜LG-1000色氨酸透过液，加入料液桶内，开机循环后，调节压力，开始进行浓缩实验，测定原液，透过液和浓缩液的透光率，酸含量并记录膜通量等。

2 结果与讨论

2.1 LG-1000对色氨酸含量为29.53 g/L的脱色实验

经过阳离子交换树脂预处理的色氨酸，含量为29.53 g/L，指标为：外观为棕褐色液体；色氨酸含量为29.53 g/L；pH为6和透光率2.43%（T430 nm），其中含有部分蛋白质及色素。取该液100 L离子交换溶液，加入料液桶内，开机运行5min后，调节膜前压力为0.6 MPa，开始脱色，中间加40 L蒸馏水洗滤。实验完毕后，取样透过液进行透过液和浓液的透光率，酸含量和蛋白质检测。

表2 色氨酸含量为29.53 g/L脱色后指标检测结果Table2 Tryptophan content of 29.53 g/L test results after decolorizationindex

2.2 LG-1000对色氨酸含量为16.13 g/L的脱色实验

经过阳离子交换树脂预处理的色氨酸，指标为：外观为棕褐色液体；色氨酸含量为16.13 g/L；pH为6和透光率6.15%（T430 nm），其中含有部分蛋白质及色素。取该液100 L离交液，加入料液桶内，开机运行5min后，调节膜前压力为0.6MPa，开始脱色，中间加40 L蒸馏水洗滤。实验完毕后，取样透过液进行透过液和浓液的透光率，酸含量和蛋白质检测。

表3 LG-1000对色氨酸含量为16.13 g/L脱色后指标检测结果Table3 LG-1000 for tryptophan content of 16.13 g/L test results after decolorization index

对不同浓度的样品脱色发现，LG-1000脱色过程中，如果色氨酸浓度过高，造成脱色液透光度不高，若离交液中含酸为15 g/L～17 g/L时，脱色效果会很好，完全能满足实验需求。同时透过液中蛋白质完全脱除干净。

2.3 脱色过程中通量的变化情况

脱色开机运行5min后，调节膜前压力，开始脱色。记录时间，滤速（mL/min），膜前压力，洗滤水和温度。整个实验运行记录并画出脱色过程中通量的变化图。

表4 LG-1000对色氨酸脱色实验运行记录Table4 LG-1000 for tryptophan decolorization experiments running record

续表4 LG-1000对色氨酸脱色实验运行记录Contiune table4 LG-1000 for tryptophan decolorization experiments running record

图2 脱色过程中通量的变化Fig.2 Changes in the flux of the bleaching process

从表4和图2中可以看出，随着脱色过程的进行，膜通量呈现先升高后降低的变化趋势。原因在于开始运行后，料液温度升高，在51度时，通量达到最大，然后由于随着脱色的进行，桶内物料浓度升高，导致通量下降。这说明膜在运行中如果温度控制在稳定区间内，通量也会稳定。整个实验运行150min，平均通量为870mL/min。

2.4 反渗透膜LG-100浓缩实验

取混合透过液130 L，该透过液外观，淡黄色液体含量为11.30g/L；pH为5和透光率83.82%（T430nm），蛋白质为无沉淀。加入料液桶内，开机循环5min，调节压力至1.3MPa，开始进行浓缩实验。实验完毕，将浓缩液取样进行检测，结果见下表。

表5 含量为11.30 g/L透过液浓缩后指标检测结果Table5 Content of 11.30 g/L through the detection results of fluid concentration index

整个浓缩结果浓缩液色氨酸含量为24.96 g/L；透光率82.58%（T430 nm）。

过程色氨酸损失率计算为混合透过液130 L，色氨酸含量11.3 g/L，总酸1 469.00 g；透过液69 L，含酸0.33 g/L总酸22.77 g；浓液55 L，色氨酸含量24.96 g/L，总酸1 372.80 g和设备内不能排放的6 L残留液，总酸67.80 g。物料损失率为混合透过液总酸减去透过液总酸减去浓液总酸减去设备内不能排放的残留液总酸除以混合透过液总酸乘以百分之百为0.38%，则物料损失率极低。浓缩液中色氨酸回收率为93.45%。

3 结论

通过对超滤膜的选择，采用超滤膜进行色氨酸发酵液（经过阳离子交换树脂预处理）脱色和反渗透膜对脱色后的色氨酸浓缩结果为色氨酸料液的透光率由小于3%提高至80%以上；通过浓缩膜浓缩，色氨酸浓度可达到24.96 g/L；提取收率为90%以上。脱色和浓缩过程中平均通量为870mL/min；pH为5；温度控制55℃以下。

[1]韦平和,吴梧桐．以L-半胱氨酸和吲哚酶法合成L-色氨酸[J]．药物生物技术,2000,7(4)：197-199

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Membrane Technology in the Application of Tryptophan Decoloring and Enrichment

ZHANG Ke-xian1，SUN Yong-min1，QIU Quan-guo2
（1.Tianjin Modern Vocational Technology College，Tianjin 300300，Chian；2.Chengdu Connection Fluid Technology Co.，Ltd.，Chengdu 611731，Sichuan，China）

By using the method of ultrafiltration membrane decolorization and purification and reverse osmosis concentrated.The tryptophan fermentation liquid is purified.Transparent tryptophan fermentation liquid by the rate of less than 3%increased to 82.58%.Through the reverse osmosis membrane concentration，tryptophan concentrations up to 24.96 g/L.The extraction yield of93.45%.

ultrafiltration membrane；reverse osmose membrane；decolorization；purification

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.06.017

2014-12-17

张克贤（1963—），男（汉），高级工程师，本科，主要从事仪器分析和检测，科研开发和化验员培训工作。