紫薯提取液超滤膜分离特性研究：过滤方式的影响

袁芬奇，王屋梁，许争明，关清妍，何静仁，祝振洲

（武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北武汉　430023）



紫薯提取液超滤膜分离特性研究：过滤方式的影响

袁芬奇，王屋梁，许争明，关清妍，何静仁，*祝振洲

（武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北武汉430023）

以截留分子量为100，50，10 kDa的超滤膜为分离介质、紫薯提取液为原料，研究过滤模式（两步法和三步法）对蛋白质和多酚分离性能的影响。结果表明，2种操作模式都可以有效去除蛋白质，但是两步法（50～10 kDa）比三步法（100～50～10 kDa）可得到更低的多酚去除率（更高的多酚得率）。串联阻力模型分析表明，100 kDa和10 kDa膜主要的过滤阻力为膜阻力，而50 kDa膜的全要过滤阻力为浓差极化阻力和滤饼阻力。

超滤；紫薯；过滤阻力；蛋白；多酚

0　引言

紫薯块根呈紫色，俗称“黑红薯”，富含多酚，具有抗氧化、护肝和其他多种营养保健功效［1］。紫薯有效成分的提取方法主要有传统溶剂提取法、酶促提取法、微波辅助提取法、超声波辅助提取法等［2］。紫薯有效成分粗提液含大量淀粉、有机酸、无机盐、果胶及蛋白等杂质，需要进一步分离纯化。目前，对紫薯花色苷纯化，大多使用大孔树脂精制法，通过大比表面积进行物理吸附而达到分离的目的，其工艺简单、经济有效、可再生性强。但是，树脂的再生需要用到大量有机溶剂，再生液的处理对环境造成很大压力。

膜分离技术是一种无化学添加、经济性好的绿色分离技术，利用基于尺寸的物理方法实现待分离体系中目标分子的分离纯化［3-4］。另外，膜分离技术容易与上游提取工艺和下游精制工艺集成耦合，提高生产效率，但是由于膜污染所导致的过滤通量降低是膜分离技术应用中普遍存在的现象，也是限制膜分离技术在食品工业中大规模应用的瓶颈问题［5-6］。为了解决较少过滤过程中的膜污染，提高过滤效率，研究者们主要从膜材料和膜组件2个方面进行改善。其中，采用错流过滤就是一种利用流体在膜表面的剪切力防止膜污染进一步发展、提高过滤通量的方法。

本试验以超声强化提取所得紫薯提取液为原料，采用错流过滤分离纯化紫薯提取液，研究了过滤膜截留分子量（100，50，10 kDa）、过滤操作模式（两步法、三步法）对分离性能和膜污染的影响。

1　材料与方法

1.1材料

1.1.1紫薯提取液

紫薯提取液由实验室采用超声辅助提取所得。提取液的组成如下：多酚质量浓度Cph，0=491.56±26.15 μg/mL，蛋白质浓度Cpr，0=32.56±5.36 μg/mL，

提取液中多酚的纯度为P0=93.39%±0.51%。

1.1.2试剂

福林酚试剂、没食子酸标准品，均为分析纯，购于Sigma中国有限公司；Bradford蛋白浓度测定试剂盒，购于碧云天试剂有限公司。

1.1.3仪器与设备

错流超滤试验，采用上海摩速科学器材有限公司生产的MSM201组件；Evolution 220型紫外可见分光光度计，美国Thermo Fisher公司产品。

1.2紫薯提取液膜过滤

取紫薯提取液4 L，其中500 mL留样，先将其通过1 μm的微滤膜，除去大颗粒杂质。3 500 mL原液经过1 μm的微滤膜处理（压力为0.1 MPa）后得到3 385 mL滤液，其中100 mL留样，测其总酚、总蛋白质含量；剩余3 285 mL的滤液分成2份，一份为1 785 mL，另一份为1 500 mL。

错流超滤流程见图1。

图1　错流超滤流程

1.2.1三步超滤法

将1 785 mL滤液过100 kDa（压力为0.05 MPa）中空纤维超滤膜，将所得滤液再过50 kDa（跨膜压力为0.05 MPa）中空纤维超滤膜，最后将所得滤液过10 kDa（跨膜压力为0.05 MPa）中空纤维超滤膜。每经过一次膜过滤所得滤液均取15 mL留样，测其总酚、总蛋白质含量。试验过程中记录渗透液体积和过滤时间。

1.2.2两步超滤法

将1 500 mL滤液过50 kDa（压力为0.05 MPa）中空纤维超滤膜，将所得滤液再过10 kDa（压力为0.05 MPa）中空纤维超滤膜。每经过一次膜过滤所得滤液均取15 mL留样，测其总酚、总蛋白质含量。试验过程中记录渗透液体积和过滤时间。

1.3串联阻力模型分析

为了量化膜污染，本试验应用了串联阻力模型。其他类似研究中也曾应用过此模型，如过滤发酵肉汤和酶膜反应器［7-8］。根据串联阻力模型的方程式（式1），在过滤过程中，膜通量减小的原因可以被解释为，总过滤阻力Rt包括4个部分，即膜液压阻力Rm，滤饼层阻力Rg，浓差极化阻力Rc和吸附阻力Ra。

式中：J——膜通量，m3/（m2·s）；

ΔP——跨膜压力，Pa；

μ——透过液的动态黏度，Pa·s；

所有阻力（Rm，Rg，Rc，Ra）的单位均为m-1。

为了确定所有的阻力，采用以下步骤。

第一步，通过测定洁净膜的蒸馏水通量J0来计算膜液压阻力。此时，Rg，Rc和Ra均为0，（式1）可写成：

第二步，过滤提取液的过程中，记录膜通量J。根据（式2），可计算出过滤紫薯提取液过程中的总阻力Rt。

第三步，用蒸馏水取代提取液进行过滤，记录此时的蒸馏水通量Jpore。此时，浓差极化阻力Rc假定为0，Rm已经被确定，故可计算出Ra与Rg的和：

第四步，通过用蒸馏水冲洗膜表面除去滤饼层后，再记录此时蒸馏水的通量Jirr，此时滤饼层阻力Rg和浓差极化阻力Rc假定为0，故：

计算出Ra后，Rg可通过（式3） 计算得出。因此，所有膜阻力可通过（式1）～（式4）计算得出。

1.4提取液和滤液的成分分析

1.4.1总酚含量测定

（1）标准曲线的测定。总酚含量测定采用福林酚检测法［9］。精确称取干燥恒质量的没食子酸10.0 mg，溶解后加水定容到100 mL，配成0.1 mg/mL的没食子酸标准溶液。准确吸取没食子酸标准溶液0，0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL，于10 mL刻度试管中，加5.0 mL蒸馏水，再加0.5 mL福林酚试剂，摇匀，1 min后再加入1.5 mL 20%Na2CO3溶液，各管加蒸馏水补足到10 mL，避光于室温反应2 h。以0号管为空白，于波长760 nm处测定对照品溶液的吸光度。以没食子酸的质量（μg） 为横坐标、吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。

（2）样品多酚的测定。精密量取1.0 mL样品于10 mL刻度试管中，按标准曲线制备操作步骤于波长760 nm处进行吸光度的测定（样液如有沉淀，应过滤后测定）。查标准曲线或用线性方程计算，最后算出总酚含量。

1.4.2总蛋白质含量测定

采用Bradford蛋白浓度测定试剂盒测定蛋白质含量［10］。试剂盒中的G250染色液于4℃下保藏，蛋白标准品于-20℃保存，试剂盒自订购之日起9个月内有效。G250染色液使用前需颠倒3～5次，混匀。蛋白标准品需要在全部溶解后先混匀，再稀释成一系列不同质量浓度的蛋白标准品。G250染色液需要恢复到室温再使用，有利于提高检测的灵敏度。

（1）蛋白标准品的准备。完全融化蛋白标准品，取10 μL稀释至100 μL，使终质量浓度为0.5 mg/mL。蛋白样品在什么溶液中，标准品也宜用同样溶液稀释。

（2）蛋白质质量浓度测定。①将标准品按0，1，2，4，8，12，16，20 μL加到96孔板的标准品孔中，加标准品稀释液补足到20 μL，相当于标准品质量浓度分别为0，0.025，0.050，0.100，0.200，0.300，0.400，0.500 mg/mL；②加适当体积样品到96孔板的样品孔中，如果样品不足20 μL，需加标准品稀释液补足到20 μL（请注意记录样品体积）；③各孔加入200 μL G250染色液，室温下放置3～5 min；④用酶标仪测定A595，或560～610 nm的其他波长吸光度；⑤根据标准曲线和使用的样品体积计算出样品中的蛋白质质量浓度。

1.5膜分离效果评价和数据分析

总酚纯度P计算公式如下：

式中：Cph——总酚质量浓度；

Cpr——总蛋白质质量浓度。总蛋白质的纯度P*计算公式如下：P*=1-P.（6）

纯化效果用蛋白质的相对去除值RPr和多酚的相对去除值RPh来表示，计算公式如下：

式中：Cpr，0，Cph，0分别是未经处理提取液中的总蛋白质质量浓度和总酚质量浓度。

2　结果与分析

2.1滤液质量分析

波液质量分析见图2，不同过滤条件下蛋白质（Rpr）和多酚（Rph）的相对去除值见表1。

图2　波液质量分析

表1　不同过滤条件下蛋白质（Rpr）和多酚（Rph）的相对去除值

由图2（a）和图2（b）可知，不同孔径滤膜下2种过滤方式所得滤液中多酚和蛋白质的质量浓度。可以很明显地看出随着膜孔径的减小，多酚和蛋白质的质量浓度均呈现单调性的减小，其原因是由于膜和膜表面沉积层所引起的分子截留。相对于多酚质量浓度的减小，蛋白质质量浓度的减小更为显著。因此，本试验的错流超滤为紫薯多酚提取液中去除蛋白质，得到纯度更高的紫薯多酚提供了一个有效的方法。三步法和两步法的区别在图2中也有明显的体现。为了更好地理解质量浓度变化，表1中计算出多酚和蛋白质的相对去除值。由表1得出，随着滤膜孔径的减小，2种溶质蛋白质和多酚的相对去除值均有所增加；并且在相同的滤膜孔径下，相对于两步法，三步法对多酚的截留更显著。原因是三步法在通过100 kDa滤膜时，对溶质存在部分截留，需要注意的是，通过100，50，10 kDa的滤膜，蛋白质的相对去除值均为100%，证明本试验中的错流膜过滤对紫薯多酚提取液中多酚的纯化具有理想的效果。

为了比较过滤效果在溶质分离方面的差别，可用滤液中溶质的纯度来表示，由图2（c）可知。随着滤膜孔径的减小，滤液中蛋白质的纯度由6.6%减小到0；同时，滤液中多酚的纯度由93.4%增加到100%。基于膜分离机制，可假设，虽然紫薯多酚提取液中溶质分子的分子大小分布度宽，但是蛋白质比多酚具有更大的分子量。因此，图2证实了分离紫薯多酚提取液中蛋白质的可能性。

随着滤膜孔径的减小，蛋白质的相对去除值随之增加。此结论与通过不同滤膜后滤液中蛋白质质量浓度的变化趋势一致，见图2（b）。

综上所述，根据滤液质量分析，两步错流超滤纯化紫薯多酚的效果优于三步错流超滤。

2.2膜污染分析

为了分析在过滤过程中导致通量减小的阻力，本试验应用了串联阻力模型。

不同种类膜的污垢阻力见表2。

表2　不同种类膜的污垢阻力

由表2可知，对于截留分子量为100 kDa和10 kDa的滤膜，膜液压阻力均在总阻力中比例最大；然而对于50 kDa的滤膜，滤饼层阻力在总阻力中比例最大，说明在紫薯多酚提取液过滤过程中50 kDa的膜表面形成了较厚的滤饼层。

3　结论

本试验采用截留分子量为100，50，10 kDa的超滤膜为分离介质，以两步法和三步法2种过滤模式分离纯化紫薯提取液，研究了过滤模式对渗透液中蛋白质和多酚质量浓度的影响，并分析了2种操作模式对蛋白质和多酚去除率的影响。结果表明，2种操作模式都可以完全去除蛋白质，但是两步法（100，50，10 kDa） 具有更低的多酚去除率（更高的多酚得率）。采用串联阻力模型分析了膜过滤过程中的阻力分布，结果表明100 kDa和10 kDa膜主要的过滤阻力为膜阻力，而50 kDa膜的主要过滤阻力为浓差极化阻力和滤饼阻力。

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［4］蒋晖.新型膜分离技术在现代农牧产品加工中的应用 ［J］.农产品加工（学刊），2006（7）：70-73.

［5］J Luo，W Cao，L Ding，et al.Treatment of dairy effluent by shear-enhanced membrane filtration：The role of foulants［J］.Separation and Purification Technology，2012，96：194-203.

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Investigation of Ultrafiltration Performance for Purples Sweet Potato Extract：Effect of Filtration Model

YUAN Fenqi，WANG Wuliang，XU Zhengming，GUAN Qingyan，HE Jingren，*ZHU Zhenzhou
（School of Food Science and Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan，Hubei 430023，China）

Ultrafiltration of purple sweet potato is carried out with membranes with molecular weight cut-off of 100，50，10 kDa. Filtration model with 3 steps and 2 steps are compared.The effect of filtration model on separation of protein and polyphenol was studied.Results showed that both filtration steps are efficient for protein removal，but 2 steps model（50～10 kDa）provided better polyphenol recovery than 3 steps model（100 kDa～50 kDa～10 kDa） .Resistance-in-series analysis showed that membrane resistance is the main resistance for 100 kDa and 10 kDa membrane，meanwhile，cake and concentration polarization resistance are the important for 50 kDa membrane.

ultrafiltraion；purple sweet purple；filtration resistance；protein；polyphenol

TS255.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.07.034

1671-9646（2016）07b-0017-04

2016-05-06

武汉轻工大学大学生科研项目（xsky2015003）；武汉轻工大学大学生创新创业训练计划项目（CXXL20151002）。

袁芬奇（1994— ），女，本科，研究方向为食品科学与工程。

祝振洲（1983— ），男，博士，副教授，研究方向为膜分离。