利用超滤-渗滤从酵母抽提物中提取海藻糖的研究

李 博

(鹤壁职业技术学院，河南 鹤壁 458030)

海藻糖是一种稳定的非还原性双糖，由两个吡喃环葡萄糖分子和1,1-糖苷键连结而成。海藻糖广泛存在于各种生物体中，如酵母、真菌、藻类、某些昆虫、无脊椎动物和植物中，尤其在酵母中含量较多，面包和啤酒等发酵食品也含有海藻糖。自被发现开始，海藻糖就因其独特的理化性质和生物学特性而备受关注。因为它对多种生物活性物质具有非特异性保护作用，有“生命之糖”的美誉，在食品、农业、医药、化妆品等领域，应用前景广阔[1]。酵母抽提物主要成分是蛋白质和海藻糖，蛋白质的存在会干扰海藻糖的提取，提取海藻糖首先要去除共存的蛋白质。去除蛋白质有盐酸法、醋酸铅法、三氯乙酸法、Sevag法等，大多是利用有机溶剂或者重金属盐使蛋白质变性沉淀，存在有机溶剂消耗量大，回收困难，成本高且产生大量无机废水，环境污染严重等缺点[2-3]。

超滤是一种以压力为推动力的膜分离技术，可以将溶液中的大分子与小分子分离。与其他去除方法相比，超滤实验条件温和，与蒸发、冷冻、干燥相比没有相变化，而且不引起温度、pH的变化，因而可以防止生物大分子的变性、失活和自溶[4]。超滤后再配合渗滤去除蛋白质，提取海藻糖，具有较高的应用价值[5]。试验研究了超滤的工艺参数，渗滤添加量对海藻糖提取 的影响，旨在为海藻糖的清洁生产提供依据。

1 实 验

1.1 材料及仪器

酵母抽提物(蛋白质含量为20.0%，海藻糖含量为10.2%)，安琪酵母公司；其他试剂均为分析纯。

MSM-1812膜分离装置，上海摩速科学器材有限公司；UV-6100双光束型紫外可见分光光度计，上海美谱达仪器。

1.2 工艺流程

图1 超滤试验流程图[6]

将浓度约10%的溶液酵母料液在离心机中预处理后，在料桶中进行超滤，海藻糖及小分子溶质的透过液进入滤液桶，蛋白质等大分子溶质随回流液进入到料液桶。待浓缩液的浓缩倍数大于8时，加水进行渗滤，将浓缩液中剩余的海藻糖随渗滤液渗出，待渗出液等于加入量时为渗滤结束。每隔一定时间在超滤过程中测量膜的滤速，计算膜通量。每隔30 min收集渗透液和截留液，通过物料衡算来计算渗透通量、蛋白截留率和海藻糖通过率。

1.3 测定方法

1.3.1 膜通量测定[7]

(1)

式中：J为膜通量，L·h-1·m-2；V为透过液体积， L；A为膜的有效面积，m2；t为时间，h。

1.3.2 蛋白截留率的测定[7]

(2)

式中：C0、C1为除蛋白前后的蛋白质质量，g。

1.3.3 蛋白质测定

双缩脲法[8]。

1.3.4 海藻糖测定

蒽酮比色法[8]。

2 结果与讨论

2.1 超滤过程

膜通量和蛋白质截留率是衡量膜分离效率的两个重要指标，操作压力和温度是影响它们的重要参数。试验测定不同压力和温度下，膜通量、蛋白质截留率、海藻糖通过率的变化，以确定最佳参数。

2.1.1 压力的影响

压力对膜通量、蛋白质截留率、海藻糖通过率的影响如图2所示。从图2可以看出，膜通量随着膜前压力的升高而升高，在0.4 MPa达到最大，随后膜通量趋于平缓，略有下降。这可能是膜表面发生浓差极化和膜孔堵塞。超滤以压力为驱动力，理论上来说，压力越高膜通量越大，但当蛋白质在膜表面积累形成一定浓度并达到稳态时，就会产生浓差极化，这时过大的压力反而造成膜孔堵塞，随着溶液粘度增大，流动性变差，膜表面的沉积物增多，形成滤饼层，导致膜通量下降[9]。

图2 压力对超滤性能的影响

蛋白质截留率和海藻糖通过率也随之下降。即使再提高压力也收效甚微，甚至会对设备造成损坏。超滤过程压力选择为0.40 MPa。

2.1.2 温度的影响

温度的变化会直接影响料液的黏度，升温可减小溶液黏度，还 使传质系数提高。温度对超滤过程的影响如图3所示。随温度的升高，膜通量上升，在25～35 ℃ 时，膜通量显著增加，之后膜通量继续增加，但趋势 逐渐减小。在45 ℃时，膜通量最大。蛋白质截留率随温度升高变化不大，基本在92%以上。因此，超滤过程的温度选择为30 ℃。

图3 温度对超滤的影响

2.1.3 超滤结果

在30 ℃、0.40 MPa下，对料液进行超滤的实验结果见表1。由表1可知，经过超滤操作，94%以上的蛋白质、多肽等大分子被有效截留，海藻糖通过率在90%以上。实验结果证明，超滤对截留蛋白质等大分子效果显著。超滤操作后，在浓缩液中还有10%的海藻糖。

表1 超滤实验结果

2.2 渗滤过程

超滤后期，由于料液浓缩比较大，溶液粘度增大，膜通量下降明显，如果继续进行超滤操作，不仅费时，产品收率也难以提高，严重时还可能对设备运行产生不利影响。此时在浓缩液中加入渗滤剂，使剩余10%的海藻糖随渗滤剂渗出以提高收率。海藻糖收率随渗滤剂加量的关系如图4所示。

图4 海藻糖收率与渗滤剂加量的关系

由图4可知，三批料液中海藻糖总收率均随渗滤剂的加入而升高，且随加入量的增加，海藻糖收率增加趋缓，当渗滤剂加量达到150%(按浓缩液体积百分比)，海藻糖总收率均大于94%。从理论上推导，增加渗滤剂的量可使海藻糖收率达到100%，但是渗滤剂的增加会使透过液内海藻糖浓度降低，后续处理体积增大，生产成本相应增大。因此，适宜的渗滤剂加量控制在150%左右。

2.3 超滤渗滤物料衡算

酵母溶液在30 ℃和0.4 MPa下，进行超滤-渗滤实验，然后根据超滤液、渗滤液里蛋白质和海藻糖含量，进行物料衡算。最终蛋白质截留率在98%以上，海藻糖透过率达到95%。

3 结 论

在酵母溶液预处理后，先后经超滤-渗滤操作，最终将溶液中的蛋白质截留98%以上，海藻糖透过率达到95%，实现去除酵母溶液中蛋白质，提取海藻糖的目标。超滤-渗滤组合具有流程简单、切实可行、分离效率高、清除蛋白效果好，少污染的特点，适用于海藻糖中蛋白质的去除，为海藻糖的进一步纯化打下了基础。