洗濾模式在膜分離水溶性黑木耳多糖中的應用

吳志光，張 華，馬鳳鳴，2，王振宇，2，*

(1.哈爾濱工業大學食品科學與工程學院，黑龍江哈爾濱150090;2.東北林業大學林學院，黑龍江哈爾濱150040)

洗濾模式在膜分離水溶性黑木耳多糖中的應用

吳志光1，張 華1，馬鳳鳴1，2，王振宇1，2，*

(1.哈爾濱工業大學食品科學與工程學院，黑龍江哈爾濱150090;2.東北林業大學林學院，黑龍江哈爾濱150040)

利用洗濾模式對黑木耳多糖進行超濾分離，選擇了適宜分離黑木耳多糖的膜參數，即膜孔徑和膜材料，同時還研究了透濾多糖含量同操作溫度、操作壓力以及料液濃度的關系。實驗結果表明:截留分子量為300kDa，膜材質為PVDF的中空纖維膜分離黑木耳多糖可以達到很好的效果。在操作壓力為15kPa、料液溫度40℃、以及料液濃度為3g/L的條件下，可以在單位時間內得到較多透濾多糖，本實驗為工業化分離黑木耳多糖提供理論依據。

洗濾，超濾，黑木耳多糖

黑木耳(Auricularia auricula)隸屬真菌門、擔子菌綱、木耳目、木耳科、木耳屬，著名的藥食兼用真菌。黑木耳當中的主要活性成分－黑木耳多糖是一種由β－(1－3)－糖苷鍵連接而成的葡聚糖。目前，提取多糖類化合物采取的常用方法有有機溶劑沉淀法、季銨鹽沉淀法和層析法等。傳統的有機溶劑沉淀法不僅試劑消耗量大，成本高，無法徹底清除色素，而且會影響多糖的活性，難于應用于工業化生產［2］。而利用膜技術分離多糖具有得率高、能耗低、不易破壞多糖生物活性等特點，使膜技術在工業化應用方面有很好的潛力［3－4］。同時，膜分離的方式對超濾結果的影響也很大。在常規的膜實驗中，超濾過程一般以間歇式濃縮工藝來實現對目標產物進行分離。洗濾模式是在膜分離料液的過程當中不斷加入溶劑，從而使分離料液濃度保持穩定，從而減緩濃差極化，延緩分離過程中膜通量衰減。本實驗考察了洗濾模式對分離黑木耳多糖進行超濾分離，采用中空纖維膜對黑木耳多糖進行洗濾模式分離，通過對膜材料、料液濃度、料液pH、溫度和操作壓力等工藝參數的確定，提供一種簡單易行、分離提純效率高的方法，同時對黑木耳多糖進行分離，為工業化分離黑木耳多糖提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

黑木耳(Auricularia auricula) 產自黑龍江省大興安嶺，由哈爾濱市自來訪調味品有限公司提供。

TP 10－20型膜系統 濃縮模式與洗濾模式裝置圖分別見圖1和圖2;超濾中空纖維膜 截留分子量為300、100、10～20kDa，膜有效面積0.4m2，天津膜天膜工程技術有限公司;FW100型萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;LD5－2A低速離心機 北京醫用離心機廠;722型分光光度計 上海光譜儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 黑木耳多糖的提取 將黑木耳洗凈干燥后粉碎，稱取20g黑木耳粉末，按料液比1∶140，熱水100℃浸提 2h，離心取上清液，測得多糖濃度為0.809g/L。

1.2.2 膜分離工藝流程 見圖1、圖2。

圖1 濃縮模式示意圖

圖2 洗濾模式示意圖

1.3 測定方法

1.3.1 膜通量的測定 參照文獻［5］。

式中:J為膜通量，mL/(cm2·min);V為超濾時間內透過液的體積，mL;S為有效膜面積，cm2;t為超濾時間，min。

1.3.2 截留率的測定 參照文獻［6］。

式中:R為多糖截留率;Cf為原液濃度;Cp為透過膜液濃度。

1.3.3 多糖總量的測定 苯酚硫酸法。

1.3.4 分子量的測定 多糖的分子量采用烏氏粘度計進行測定，參照《中國藥典》2005年版二部附錄［7］，25℃條件下，以去離子水為溶劑，配制濃度為2.5、3.33、5.0、6.67、10.0g/L。根據溶液的粘度 η 隨著濃度的遞升而增高的原理，溶液粘度與溶劑粘度η0之比成為相對粘度ηr，常用溶液和溶劑在粘度計中的流出時間之比T/T0表示。溶液和溶劑之間的粘度差(η－η0)/η0稱為增比粘度 ηsp，單位濃度的增比粘度稱為比濃粘度ηsp/C，C為溶液濃度，檢樣的特性粘度為檢樣溶液在極度稀釋時的比濃粘度ηsp/C，C→0。五點外推法推至零濃度求出特性粘度［η］，根據下列公式測定特性粘度求得多糖粘均分子量。

式中:［η］為特性粘度，Mr為粘均分子量。

2 結果與討論

2.1 膜孔徑對超濾結果的影響

本實驗選用截留分子量分別為10～20、100、300kDa的中空纖維膜，在壓強10kPa、溫度20℃對黑木耳多糖料液進行超濾實驗，考察不同孔徑膜膜通量以及所獲得透濾多糖的粘均分子量。

圖3顯示的是在操作壓力為10kPa，溫度為24℃條件下，不同膜孔徑對分離黑木耳多糖料液的過程中膜通量隨時間變化情況。從圖3可以看出，在超濾的過程中，膜通量與時間的關系基本呈對數趨勢，這是典型的錯流過濾標志。該分離過程可以概括為兩個階段:第一階段，膜通量迅速下降，但隨著分離時間的推移，膜通量下降趨勢減緩;之后進入第二階段，膜通量變化下降幅度減小并最終趨于穩定。從結果中還可以發現，選用的膜孔徑越小，其膜通量的衰減幅度就越緩慢，PVDF－300kDa膜在分離的初始階段，滲透通量很大，然而膜通量隨著時間的延長下降的幅度很大，膜通量急劇衰減，20min后，其膜通量已接近PVDF－100kDa，我們認為出現這種現象的主要原因是PVDF－300kDa的膜孔徑較大，導致部分多糖和蛋白進入膜孔，造成膜孔的阻塞，使膜通量迅速下降，而對于孔徑較小的膜而言，其膜孔被多糖和蛋白阻塞的程度較小，所以衰減幅度相對較緩［8］。以上三個膜的膜通量衰減幅度大小順序為PVDF－300kDa>PVDF－100kDa>PVDF－10kDa。膜通量的衰減幅度越小，越有利于超濾過程的穩定進行。從膜通量衰減方面考慮，截留分子量小的膜優于截留分子量大的膜。除了較好的分離效果外，還要有一定的生產能力，才能滿足工業化生產，從膜通量方面考慮，PVDF－100kDa與PVDF－10kDa的膜通量過小，不能滿足工業化生產，因此，膜孔徑為300kDa膜適宜分離黑木耳多糖。

同時，本實驗通過粘度法測定不同截留分子量膜透濾多糖的粘均分子量，如圖4所示，透濾多糖的分子量隨膜孔徑的減小而降低，依次為262873、25240、212Da。根據資料顯示，具有生物活性較高的黑木耳多糖組分一般在1.5×105～3.0×105Da左右。綜合以上因素，我們認為截留分子量為300000Da的膜適宜用于超濾分離黑木耳多糖。

2.2 膜材料的篩選

本實驗考察了三種不同膜材質(PVDF、PVC和PE)的膜系統對黑木耳多糖的分離效果。不同材質膜的膜通量隨時間變化如圖5所示，PVDF膜的膜通量明顯高于其他兩種材質膜，而PE與PVC膜的分離效果差異不大。主要是兩個原因造成的，一是由于三種膜材料的親水性不同，已知這三種膜的親水性由大到小的順序為PVDF>PVC>PE，PVDF膜的膜阻力最小，因而膜通量較高;對于另外兩種材質的膜而言，由于黑木耳多糖具有親水性，因此親水性較大的PVC膜更易對多糖以及蛋白產生吸附，并形成多糖－蛋白質凝膠層，所以滲透通量較低，而PE膜的親水性最小，所以膜衰減系數也最小。相比較而言，PVDF膜具有良好的分離多糖性能。

圖4 不同孔徑膜透濾多糖的粘均分子量

圖5 不同材質膜的膜通量隨時間變化曲線

2.3 洗濾工藝同濃縮工藝的比較

選用上述工藝獲得的黑木耳多糖料液進行洗濾工藝和濃縮工藝比較，實驗結果(見圖6)顯示，在膜分離的初期，兩種模式的膜通量差異不大，但隨著分離過程的延續，濃縮模式的膜通量逐漸低于洗濾工藝。這可能是因為在分離的過程中，由于濃縮模式會使料液的濃度不斷增高，粘度不斷增加，加劇了膜孔的阻塞，而在洗濾模式中，料液濃度基本保持穩定，減緩了膜通量的減少。雖然在分離過程中洗濾模式的總糖濃度低于濃縮模式，但總糖含量還是高于濃縮模式(圖7)，因此，采用洗濾工藝可以提高膜分離黑木耳多糖的效果。

圖6 兩種超濾模式膜通量隨時間變化

2.4 影響膜通量的操作因素

2.4.1 多糖料液濃度 粗多糖濃度不同，其粘度也不同，不同多糖濃度的膜通量曲線如圖8所示。從這是因為濃度越高，粘度越大，多糖料液的流動阻力越大，越易堵塞超濾膜，低濃度的料液可以減緩濃差極化的發生，但如果濃度過低，透濾多糖的得率也會相應降低，為后續的濃縮工作造成不便，綜合考慮，認為3g/L為適宜的粗多糖濃度。

圖7 兩種超濾模式分離1h透濾多糖含量

圖8 料液濃度對透濾多糖含量的影響

2.4.2 操作溫度 由圖9可知，溫度升高，膜通量也會隨之增大。料液溫度較高時，溶液中布朗運動速度加快，導致物料黏度下降，膜阻力變小，膜通量增加。但溫度過高會降低中空纖維膜的壽命，因此料液溫度應不超過40℃。

圖9 料液溫度對透濾多糖含量的影響

2.4.3 操作壓力 從圖10中可以看出，當操作壓力在5kPa到15kPa范圍內時，滲透通量與壓力基本呈線性關系，透通量隨壓力的增大而提高;但是當壓差超過15kPa后，滲透通量的增長幅度明顯減小，此時的滲透通量可稱為“臨界滲透通量”，與之相對應的壓力為“臨界壓力”。單純地提高操作壓強，對提高膜通量沒有意義。

3 結論

采用連續式洗濾工藝對于膜分離黑木耳多糖提取具有明顯的效果，實驗結果顯示，單位時間內，洗濾模式的膜通量比濃縮模式高53.16%，多糖總量增加40.17%，說明洗濾模式是分離黑木耳多糖更有效的方法。通過對不同孔徑膜比較發現，截留分子量為300kDa的膜通量比截留分子量為 100kDa和10kDa的膜通量分別高35.39%和141.20%，為適宜分離黑木耳多糖的膜孔徑。同時對不同材質的膜進行比較，膜材料為PVDF的超濾膜的膜通量高，可以有效地分離黑木耳多糖，并在此基礎上通過單因素實驗確定了合適的操作條件:操作溫度40℃，操作壓力15kPa，料液濃度3g/L，獲得的透濾多糖粘均分子量約為262873Da。多糖的提取分離是實現其開發利用價值的先決條件，傳統的有機溶劑沉淀等方法能源、試劑消耗大，色素脫除不徹底，且可能影響多糖活性;錯流超濾技術操作簡單、速度快，但常用的濃縮模式濃差極化現象比較明顯，本實驗采用的連續式洗濾分離技術減緩了濃差極化的發生，具有工業化發展的潛力。

圖10 操作壓力對透濾多糖含量的影響

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Application of diafiltration process in membrane separation of water－soluble polysaccharides of Auricularia auricular

WU Zhi－guang1，ZHANG Hua1，MA Feng－ming1，2，WANG Zhen－yu1，2，*
(1.School of Food Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China;2.School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

Diafiltration ultrafiltration process was used to separate Auricularia auricular polysaccharides and the parameters of the ultrafiltration separation were determined，including pore size，membrane material and the relationship between permeability polysaccharide content and operating temperature，operating pressure and feed concentration.The results showed that:the hollow fiber membrane with nominal molecular weight cut－off(NMWCO)30kDa and PVDF material was feasible to separate Auricularia auricular polysaccharides.Ultrafiltration parameters of 40℃，0.15kPa and 3g/L concentration were optimized for obtaining the main fraction.This experiment provided theoretical support for industrial manufacturing of Auricularia auricular in separation.

diafiltration;ultrafiltion;Auricularia auricular polysaccharide

TS255.1

B

1002－0306(2011)04－0299－04

2010－02－22 *通訊聯系人

吳志光(1985－)，男，碩士研究生，研究方向:天然產物化學。

國家863項目(2007Aa100404)。