膜分離技術(shù)純化花生衣中的原花色素

劉志強，張初署，孫 杰，于麗娜，張 巖，王世清，楊慶利,*

(1.山東省花生研究所，山東 青島 266100；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109)

膜分離技術(shù)純化花生衣中的原花色素

劉志強1,2，張初署1，孫 杰1，于麗娜1，張 巖2，王世清2，楊慶利1,*

(1.山東省花生研究所，山東 青島 266100；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109)

以花生衣的原花色素提取液為原料，研究不同孔徑的膜組件(NF-500、HPS-1、PS-5、PS-10)純化原花色素提取液的效果。確定最佳純化效果的膜組件，以及其不同操作壓力、操作溫度對純化花生衣中原花色素得率和純度的影響。結(jié)果表明：最佳純化膜組件為HPS-1超濾組件，其操作壓力0.54MPa，操作溫度25℃，在此條件下，原花色素得率13.3%、純度85.8%。

原花色素；花生衣；膜分離

花生衣為豆科植物花生種皮，紅棕色膜質(zhì)，味甘、微苦、性平，有止血散瘀和消腫之功效，在《本草綱目》和《中華藥典》等書中均有記載[1-3]?；ㄉ轮泻胸S富的原花色素，其中50%左右為生物活性較高的低聚物[4]。原花色素作為天然抗氧化劑，以其極強的清除自由基能力和心血管系統(tǒng)活性在藥品、保健品和化妝品中越來越受到人們的歡迎[5-6]。但是花生衣原花色素粗提液中含有蛋白質(zhì)、糖類等雜質(zhì)[7-9]，這些成分的存在不僅影響色素的純度，還影響其儲藏的穩(wěn)定性；同時未經(jīng)純化的花生衣原花色素達(dá)不到食品加工對其純度要求。因此對原花色素提取液進(jìn)行純化才能達(dá)到貯藏和食品加工的要求。

膜分離是一種新興的生化分離技術(shù)，是指借助膜的選擇滲透作用，在外界能量或化學(xué)位差的推動下對混合物中溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、分級、提純和富集，廣泛應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥及廢水處理等領(lǐng)域[10-12]。與傳統(tǒng)分離技術(shù)相比，膜分離法不會發(fā)生相變，耗能少，不消耗化學(xué)試劑和添加劑，不會污染產(chǎn)品，而且膜分離生產(chǎn)過程可在常溫封閉回路中進(jìn)行，適合處理熱敏性物質(zhì)同時避免氧氣氧化有效物質(zhì)。該法在天然色素的提取中得到應(yīng)用[13-15]。本研究以花生衣的原花色素提取液為原料，從膜組件的膜通量、原花色素得率和純度角度出發(fā)，探討膜分離的過程所需最佳膜孔徑及該孔徑下分離的最佳工作條件，為花生衣中原花色素的提取提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

花生衣 青島東生集團(tuán)股份有限公司；原花色素(≥98%) 上海融禾醫(yī)藥科技有限公司；香草醛(分析純)天津博迪化工；鹽酸、甲醇、無水乙醇(均為分析純)。

RO-NF-UF-4050/4100/4010實驗用膜分離裝置/超濾器 上海摩速科學(xué)器材有限公司；膜組件(NF-500芳香聚酰胺膜、HPS-1聚砜膜、PS-5聚砜膜、PS-10聚砜膜、截留分子質(zhì)量分別為500、1000、5000、10000D，膜面積為0.1m2)；冷凍干燥機 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；SHZ-3循環(huán)水多用真空泵 上海滬西分析儀器廠；SHA-B雙功能水浴恒溫振蕩器 金壇市杰瑞爾電器有限公司；VDRTEX-5漩渦混合器 海門市其林貝爾儀器制造有限公司；FZ102型微型植物粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；TU-1800S紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限公司；TE212-L電子天平 德國賽多利斯股份有限公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 原花色素提取液制備

將花生衣在粉碎機中粉碎，按照1:20(g/mL)的比例加入石油醚30℃恒溫水浴脫脂5h，之后進(jìn)行抽濾，將得到的濾渣在通風(fēng)櫥中除去殘留的石油醚，得脫脂花生衣[16]。采用超聲波輔助法提取脫脂花生衣中原花色素，提取條件：超聲波功率120W、提取溫度35℃、提取時間5min、料液比9.24(g/mL)、乙醇體積分?jǐn)?shù)55%。

將得到的原花色素提取液減壓過濾除去殘渣，濾液在30℃下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，待濃縮液的體積為原體積的1/5時，對其進(jìn)行冷凍，之后進(jìn)行真空冷凍干燥得到原花色素粉末。

1.2.2 原花色素測定及標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

采用香草醛-鹽酸法測定提取液中的原花色素。取樣液1.0mL，放入試管中，加入4g/100mL香草醛-甲醇溶液3.0mL混合，再加入1.5mL濃鹽酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%～38%)，立即混勻。室溫下顯色15min左右，在500nm波長處測定吸光度，4g/100mL香草醛-甲醇溶液做空白對照，避光保存。

圖1 原花色素標(biāo)準(zhǔn)曲線圖Fig.1 Standard curve of proanthocyanidins

精確稱取原花色素標(biāo)準(zhǔn)品10.0mg，定容于10mL容量瓶中，再進(jìn)行一定倍數(shù)的稀釋，配制出0.05、0.10、 0.15、0.20、0.25mg/mL質(zhì)量濃度原花色素標(biāo)準(zhǔn)液。采用香草醛-鹽酸法測定吸光度，繪制出原花色素質(zhì)量濃度與吸光度的關(guān)系曲線，見圖1。并計算出回歸方程：A=3.5018C－0.0025(R2=0.9998)，式中：A為吸光度；C為原花色素質(zhì)量濃度(mg/mL)。

1.2.3 膜分離裝置

圖2 RO-NF-UF-4050/4100/4010實驗用膜分離裝置/超濾器Fig.2 RO-NF-UF-4050/4100/4010 laboratory membrane separation device/ultra-filtration instrument

本實驗采用上海摩速科學(xué)器材有限公司生產(chǎn)的RONF-UF-4050/4100/4010實驗用膜分離裝置/超濾器(圖2)。操作方法為樣品液經(jīng)輸液泵輸入膜分離組件，以切向流的方式通過膜組件，分為透過液和截留液，在壓力驅(qū)動下分別從膜分離柱外腔的透過口和循環(huán)口流出。

1.2.4 原花色素得率及純度的計算

原花色素得率計算：W=m1/m2

式中：W為原花色素得率/%；m1為純化后原花色素質(zhì)量/mg；m2為稱量脫脂花生衣的質(zhì)量/mg。

原花色素純度計算：n=CVN/m1

式中：n為原花色素純度/%；C是原花色素質(zhì)量濃度/(mg/mL)；V為溶液體積/mL；N為稀釋倍數(shù)；m1為純化后原花色素質(zhì)量/mg。

1.2.5 膜通量的計算

膜通量的計算式：J=ΔV/(S·Δt)

式中：J為膜通量/(L/(m2·h))；ΔV為取樣時間內(nèi)滲透液體積/L；S為膜面積/m2；Δt為取樣時間/h。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜組件的選擇

采用4種不同規(guī)格的膜組件(NF-500、HPS-1、PS-5、PS-10，截留分子質(zhì)量分別為500、1000、5000、10000D)對相同溫度、相同體積、相同濃度的原花色素提取液進(jìn)行濃縮純化實驗。從表1可以看出，4種不同規(guī)格的膜組件對花生衣原花色素提取液純化效果。原花色素提取液經(jīng)過4種膜組件純化后所得原花色素純度均大于未經(jīng)純化處理的45.6%，因為4種膜組件孔徑不同，對原花色素提取液除雜效果不同，孔徑越小，純化效果越好，但是得率也會隨之變小。PS-10純化原花色素得率最高為19.6%，但是純度最低，為58.6%，得到的原花色素含有較多雜質(zhì)；PS-5和HPS-1純化原花色素的得率相近分別為12.1%和14.2%，而HPS-1所得原花色素純度為84.5%，遠(yuǎn)高于PS-5所得原花色素的純度為68.4%，說明HPS-1將一部分分子質(zhì)量在1000～5000D一些糖類、色素等雜質(zhì)有效地去掉，原花色素得率沒有發(fā)生明顯變化，可以推測花生衣中原花色素分子質(zhì)量小于5000D。NF-500和HPS-1純化原花色素的純度相近為86.7%，說明兩種膜組件都可以除去絕大部分大分子蛋白質(zhì)、多糖等，由于提取液中含有一些小分子糖類等物質(zhì)，所以進(jìn)一步顯著提高原花色素的純度有難度，而HPS-1原花色素得率為12.1%，顯著高于NF-500的8.1%，說明花生衣中原花色素的分子質(zhì)量在1000D左右，膜組件NF-500的原花色素得率明顯較低，是因為其截留分子質(zhì)量過小，將一部分原花色素截留下。從原花色素得率和純度總體角度進(jìn)行選擇，所以HPS-1為純化原花色素最佳膜組件。

表1 不同孔徑膜組件純化原花色素效果Table1 Effect of membrane modules with different pore sizes on purification efficiency of proanthocyanidins

2.2 膜分離工藝參數(shù)的確定

2.2.1 操作壓力的確定

對20℃、800mL、質(zhì)量濃度5.90mg/mL的原花色素提取液在不同壓力下進(jìn)行濃縮、純化，考察不同操作壓力對提取液膜通量、原花色素得率和純度的影響。結(jié)果見圖3。

圖3 操作壓力對膜通量、原花色素得率和純度的影響Fig.3 Effect of trans-membrane pressure on membrane flux, yield and purity of proanthocyanidins

超濾過程是以壓力為驅(qū)動力，其大小會直接影響膜組件的通透性。圖3數(shù)據(jù)表明，操作壓力在0.50～0.54MPa時，膜通量由7.27L/(m2·h)上升至12.1L/(m2·h)，在0.54MPa之后膜通量略有下降。因為在開始階段隨操作壓力增大，膜通量隨之增大；操作壓力繼續(xù)增加，經(jīng)過超濾濃縮使原料溶液的濃度加大，致使?jié)獠顦O化加劇，逐步形成凝膠層，膜通量趨于極限值，所以不再隨壓力的增大而增大，另一方面，隨著凝膠層的積蓄加厚，阻力增大，致使膜通量反而會有下降的趨勢，而且壓力越高，凝膠層形成的速度越快，壓力過大，膜甚至?xí)粩D壓而導(dǎo)致嚴(yán)重堵塞。盡管較低的壓力能減緩堵塞，但是膜通量過小會影響生產(chǎn)效率。綜合考慮各項因素，操作壓力選擇0.54MPa。

從圖3可知，膜組件操作壓力對花生衣中原花色素得率和純化效果。操作壓力在0.50～0.54MPa原花色素的得率隨之壓力的增加有由12.3%上升至13.4%，在0.54MPa之后略有下降，可能因為隨著壓力增加，濃差極化加劇，凝膠層出現(xiàn)及固化，導(dǎo)致原花色素透過率降低。原花色素純度在82.1%～85.3%之間，在0.52MPa處最大為85.3%，當(dāng)操作壓力為0.54MPa時純度為84.6%，呈降低趨勢。原花色素的純度在0.52MPa和0.54MPa處相差很小，同時從提取液膜通量和原花色素得率角度考慮，故操作壓力為0.54MPa最為合適。

2.2.2 操作溫度的確定

對0.52MPa、800mL、質(zhì)量濃度5.90mg/mL的色素提取液在不同溫度下進(jìn)行濃縮，考察不同操作溫度對提取液膜通量、原花色素得率和純度的影響。結(jié)果見圖4。

圖4 操作溫度對膜通量、原花色素得率和純度的影響Fig.4 Effect of operating temperature on membrane flux, yield and purity of proanthocyanidins

從圖4可知，操作溫度在20～40℃，膜通量由11.8 L/(m2·h)上升至13.7L/(m2·h)，呈逐漸增加趨勢，因為溫度升高時，擴算系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)增大，相應(yīng)會減弱膜表面的濃差極化，故膜通量增加；但是原花色素是一類溫度過高易分解的物質(zhì)，高溫可以使膜通量增加，同時也會使原花色素發(fā)生分解，使有效成分減少。綜合考慮膜的性能，料液穩(wěn)定性以及操作方便，采用25℃。

從圖4可知，膜組件操作溫度對花生衣中原花色素得率和純化效果的影響。操作溫度為20～25℃時，原花色素得率12.4%升至為13.3%，上升趨勢明顯，可能因為溫度升高，膜表面的濃差極化減弱，膜材料微觀布朗運動加劇，透過物增加，所以原花色素得率增加；在25℃后，原花色素得率趨于平緩。操作溫度為20～25℃時，原花色素的純度由84.1%升至85.8%，之后呈下降趨勢，可能因為隨著溫度繼續(xù)升高，膜材料布朗運動加劇，使瞬間單位體積的小孔機率增加，造成膜的截留性能下降，一些分子質(zhì)量較大的物質(zhì)沒有被膜組件截留下來，所以原花色素的純度降低。從提取液膜通量、原花色素得率及純度的角度考慮，故采用25℃。

2.2.3 膜分離法與傳統(tǒng)溶劑萃取法純化花生衣中原花色素的比較

膜分離法：超聲波輔助提取法得到花生衣原花色素提取液，采用膜組件為HPS-1超濾組件，在其操作壓力0.54MPa，操作溫度25℃條件下對花生衣中原花色素提取液進(jìn)行純化，得到濾液真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)到其原體積的1/5，再進(jìn)行真空冷凍干燥，原花色素得率為13.3%，純度為85.8%。

傳統(tǒng)溶劑萃取法：超聲波輔助提取法得到花生衣原花色素提取液，對提取液進(jìn)行真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)(經(jīng)蒸發(fā)去掉乙醇)，再用乙酸乙酯在酸性環(huán)境下(pH3.5～4.0)對濃縮液浸提(3次)后進(jìn)行干燥，原花色素得率為3.2%，純度為59.6%。

與傳統(tǒng)溶劑萃取法相比，膜分離法比傳統(tǒng)溶劑萃取法原花色素得率提高了10.1個百分點，純度提高了26.2個百分點。

3 結(jié) 論

采用膜分離技術(shù)對花生衣原花色素提取液進(jìn)行處理，純化花生衣中的生物活性物質(zhì)——原花色素，研究4種不同截留分子質(zhì)量的膜過濾組件對原花色素的純化效果，從原花色素得率和純度角度考慮，HPS-1(截留分子質(zhì)量1000D)純化效果最好。

研究了膜組件HPS-1操作壓力、操作溫度對膜通量及對原花色素得率和純度的影響，結(jié)果表明：膜過濾最佳條件為壓力0.54MPa、溫度25℃，花生衣原花色素得率13.3%，其純度85.8%。與傳統(tǒng)溶劑萃取法相比，原花色素得率提高了10.1個百分點，純度提高了26.2個百分點。膜分離純化原花色素在得率和純度都得到顯著增高，純化效果明顯。

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Membrane Separation Technique for Purifying Proanthocyanidins from Peanut Skin

LIU Zhi-qiang1,2，ZHANG Chu-shu1，SUN Jie1，YU Li-na1，ZHANG Yan2，WANG Shi-qing2，YANG Qing-li1,*
(1. Shandong Peanut Research Institute, Qingdao 266100, China；2. College of Food Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qiangdao 266109, China)

The proanthocyanidin-rich extract from peanut skin was purified and condensed by membrane separation technique. The purification effects of membrane modules with different pore sizes (NF-500, HPS-1, PS-5 and PS-10) on the extract were assessed. Collectively considering product yield and purity, the optimal purification conditions were using HPS-1 module at a trans-membrane pressure of 0.54 MPa and an operating temperature of 25 ℃. Under such purification conditions, the yield and purity of purified proanthocyanidin were up to 13.3% and 85.8%, respectively.

proanthocyanidin；peanut skin；membrane separation

TS202.3

A

1002-6630(2010)20-0183-04

2010-06-21

國家“863”計劃項目(2007AA10Z189；2006AA10A114)；農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(nyhyzx07-0140)；山東省自主創(chuàng)新重大科技專項(2006GG1107009)

劉志強(1984—)，男，碩士研究生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏研究。E-mail：liuzhiqiang_1984@126.com

*通信作者：楊慶利(1979—)，男，副研究員，博士，主要從事功能食品研究。E-mail：rice407@sohu.com