基于膜技术的籽瓜中L -瓜氨酸分离工艺研究

孙俪娜，祁岩龙，闫圣坤，楚治飞

（1.新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院综合试验场，新疆乌鲁木齐 830000；3.新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐 830091）

0 引言

打瓜又称籽瓜，是一种籽用西瓜。研究表明，籽瓜中含有多种生理活性物质，如氨基酸、多糖、蛋白质、果胶、维生素、微量元素[1]等，其中瓜氨酸含量为0.656～2.536 mg/g[2]。瓜氨酸是一种非蛋白质α 氨基酸，名字是由首次抽取出瓜氨酸的西瓜而来。由于与大多数氨基酸构型一样为L 型，所以又称为L -瓜氨酸[3]。研究表明，瓜氨酸能广泛用于医药、食品、保健[4]等各领域，具有良好的药理作用。可以防治前列腺疾病、提高男性性功能、治疗L -精氨酸缺乏引起的相关疾病、抗衰老和增强免疫力、提高运动员肌肉力量与耐力、提高脑力清晰度[5]等功效。目前，我国籽瓜的利用主要以收取瓜籽为目的，打瓜籽仅占鲜瓜质量的3%～5%[6]，大量籽瓜的汁、瓤、皮都被丢弃，造成很大浪费。如何提高籽瓜的利用率、变废为宝将是籽瓜研究的重点。L -瓜氨酸可以通过酶法合成[7]、发酵法、化学合成[8]和天然产物分离提取[9]等方法获取。

膜分离技术，是指在分子水平上不同粒径分子的混合物通过半透膜实现选择性分离的技术。膜分离技术的根本原理在于膜具有选择透过性，以选择性透过膜为分离介质，以外界能量或化学位差为推动力，对混合物中特定组分实现分离、提纯和浓缩。常用的膜分离方法有微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF） 和反渗透（RO） 等。膜分离技术具有节能高效、绿色环保、操作简单、可在常温下连续进行、不发生相变等特点。因此，已广泛应用于食品[10-11]、医 药[12]、生物、环保、水处理[13]等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。试验从打瓜中榨取打瓜汁，然后分别使用超滤、纳滤和反渗透3 种膜分离技术对打瓜汁进行分离浓缩，将透过液和截留液进行高效液相色谱分析，通过目标物L -瓜氨酸含量计算，试图寻找出一种有效的L -瓜氨酸分离浓缩方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

籽瓜，阿勒泰阿苇滩乡分区农场提供；乙腈（色谱纯），霍尼韦尔贸易有限公司提供；L-瓜氨酸标准品（纯度≥98%），中国食品药品检定研究院提供。

1.2 仪器与设备

水囊压榨分离机，北京蓝伯斯科技有限公司产品；中空纤维膜小型试验机、卷式膜小型试验机、超滤膜MWCO 6000、纳滤膜MWCO 200、反渗透膜MWCO 30-50，大连屹东膜工程设备有限公司产品；e2695HPLC 型仪、XAmide 色谱柱（5 m，4.6 mm×250 mm，美国Waters 公司产品；SL502N 型分析天平，上海民桥精密科学仪器有限公司产品；VP50 型真空抽滤泵，北京莱伯泰科仪器有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 打瓜汁浓缩液L -瓜氨酸含量测定

（1） 标准液的制备。称取L - 瓜氨酸标准品10.3 mg，加水溶解，转移至10 mL 容量瓶中定容至刻度线。

（2） 样品液的制备。用移液管取1 mL 打瓜汁浓缩液转移至10 mL 容量瓶中，加水溶解至刻度线。

（3） 高效液相色谱检测条件。色谱柱：XAmide（5 m，4.6 mm×250 mm）；流动相：乙腈（A） -水（B），梯度洗脱0～30 min（90%A～50%A，10%B～50%B），流速1 mL/min，柱温30 ℃，进样体积10 L，检测波长200 nm。

1.3.2 超滤试验

（1） 超滤压力的确定。取一定量的打瓜汁浓缩液稀释50 倍，将超滤压力分别调至0.03，0.04，0.05，0.06，0.07 MPa，在各压力项下分别对5 L 稀释后的浓缩液进行过滤，观察膜通量随时间的变化。

（2） 超滤操作。取100 mL 打瓜汁浓缩液，加入5 L 纯水稀释50 倍，抽滤待用。将抽滤液进行超滤，超滤压力为0.05 MPa。将超滤后的透过液和截留液在上述色谱条件下分别进行高效液相色谱分析。

1.3.3 纳滤试验

（1） 纳滤压力的确定。取一定量的打瓜汁浓缩液稀释50 倍，将超滤压力分别调至0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 MPa，在各压力项下分别对5 L 稀释后的浓缩液进行过滤，观察膜通量随时间的变化。

（2） 纳滤操作。取100 mL 打瓜汁浓缩液，加入5 L 纯水稀释，抽滤待用。将抽滤液进行纳滤，纳滤压力调至0.2 MPa，收集过滤后的透过液和截留液。将透过液和截留液在上述色谱条件下分别进行高效液相色谱分析。

1.3.4 反渗透试验

（1） 反渗透压力的确定。取一定量的打瓜汁浓缩液稀释50 倍，将超滤压力分别调至0.05，0.10，0.15，0.20，0.25 MPa，在各压力项下分别对5 L 稀释后的浓缩液进行过滤，观察膜通量随时间的变化。

（2） 反渗透操作。取100 mL 打瓜汁浓缩液，加入5 L 纯水稀释，抽滤待用。将滤液进行反渗透处理，压力调至0.15 MPa，收集透过液和截留液。将透过液和截留液在上述色谱条件下分别进行高效液相色谱分析。

2 结果与分析

2.1 浓缩液中L -瓜氨酸含量

L -瓜氨酸标准品色谱图见图2，样品液色谱图见图2。

图1 L -瓜氨酸标准品色谱图

图2 样品液色谱图

在上述色谱条件下，L-瓜氨酸标准品在17.500 min时出峰，样品液中L -瓜氨酸在17.537 min 时出峰，出峰时间基本相同。用外标定量法算得样品液中目标物L -瓜氨酸质量浓度为0.594 mg/mL。因为样品液是由打瓜汁浓缩液稀释10 倍所得，所以打瓜汁浓缩液中L -瓜氨酸质量浓度为5.94 mg/mL。

浓缩液中L -瓜氨酸质量浓度见表1。

表1 浓缩液中L -瓜氨酸质量浓度

2.2 超滤试验结果

2.2.1 超滤压力的确定

操作压力与超滤膜通量的关系曲线见图3。

图3 操作压力与超滤膜通量的关系曲线

通常情况下，在膜可承受的压力范围内，膜通量随着操作压力的提高而增加。如图3 所示，操作压力越高，膜通量也就越大。在一个始终不变的压力下，一定时间内膜通量趋于平稳，但随着时间的延长，通量开始逐渐下降。由图3 可知，压力在0.05 MPa 以下时，膜通量随着压力的提高而显著增加；但是，当压力高于0.05 MPa 时，膜通量的增加幅度出现明显下降。当压力为0.06 MPa 时，30 min之后，膜通量小于0.05 MPa 压力下同一时间点的膜通量。分析其原因，可能是因为在高压力条件下，膜的堵塞速度加快，从而导致膜通量出现大幅下降。综合能耗与过滤效率等原因，最终选择超滤压力为0.05 MPa。

2.2.2 超滤数据分析

超滤试验数据统计见表2。

由表2 可知，在3 次超滤试验中，超滤后的透过液和截留液中均含有L -瓜氨酸，其中透过液中目标物回收率分别为89.8%，88.2%和91.1%。截留液中目标物回收率分别为5.0%，3.6%和4.2%。由此可知，超滤膜对L -瓜氨酸并没有出现有效的截留，超滤膜基本没有分离浓缩L -瓜氨酸的作用。超滤过程中L -瓜氨酸有5%～8%的损失，可能是被吸附在超滤膜上或者残留在超滤仪器中。

表2 超滤试验数据统计

2.3 纳滤试验结果

2.3.1 纳滤压力的确定

操作压力与纳滤膜通量的关系曲线见图4。

由图4 可知，膜通量随着操作压力的增加而增加。当压力在0.2 MPa 以下时，膜通量随着压力的增加出现大幅增加。但是，当压力高于0.2 MPa 时，膜通量的增加幅度明显降低。在同一压力条件下，膜通量往往会逐渐下降，可能是由于随着过滤的持续进行，膜逐渐被堵塞。综合能耗与过滤效率，最终选择0.2 MPa 作为纳滤压力。

图4 操作压力与纳滤膜通量的关系曲线

2.3.2 纳滤数据分析

纳滤试验数据统计见表3。

表3 纳滤试验数据统计

由表3 可知，在3 次纳滤试验中，透过液和截留液中均含有L -瓜氨酸，其中透过液中目标物回收率分别为66.5%，69.3%和67.9%，截留液中目标物回收率分别为23.0%，21.4%和24.3%。纳滤试验结果表明，纳滤膜对L -瓜氨酸分离浓缩效果不理想。试验过程中有8%～10%的L - 瓜氨酸被膜吸附或残留在仪器中而损失。

2.4 反渗透试验结果

2.4.1 反渗透压力的确定

操作压力与反渗透膜通量的关系曲线见图5。

由图5 可知，反渗透试验中膜通量随着操作压力的增加而增加，当压力在0.15 MPa 以下时，膜通量随着压力的提高而大幅增加。但是，当压力高于0.15 MPa 时，膜通量的增加幅度明显下降。在任一压力下，膜通量始终会逐渐降低。分析其原因，可能是过高的操作压力导致膜的堵塞速度加快。综合能耗和过滤效率，最终选择0.15 MPa 作为反渗透压力。

图5 操作压力与反渗透膜通量的关系曲线

2.4.2 反渗透数据分析

反渗透试验数据统计见表4。

表4 反渗透试验数据统计

根据表4 可知，在3 次反渗透试验中，只有截留液中含有L -瓜氨酸，透过液中检测不到L -瓜氨酸。3 次试验中，截留液中目标物回收率分别为91.2%，90.3%和90.5%。反渗透试验表明，反渗透膜对L -瓜氨酸有很好的分离浓缩效果。试验中有约9%的L -瓜氨酸被膜吸附在膜上或残留在仪器中而损失。

3 结论

试验采用超滤、纳滤和反渗透3 种膜技术对打瓜汁中L -瓜氨酸的分离浓缩效果进行探讨，每种膜技术分别重复进行3 次。结果显示，超滤膜对L -瓜氨酸基本没有分离浓缩效果，截留液中目标物回收率分别为5.0%，3.6%和4.2%；纳滤膜对L -瓜氨酸分离浓缩效果不理想，截留液中目标物回收率分别为23.0%，21.4%和24.3%；反渗透膜对L -瓜氨酸起到了有效的分离浓缩效果，截留液中目标物回收率分别为91.2%，90.3%和90.5%，透过液中没有检测到L -瓜氨酸。