采用膜分離法從玉米皮中制備阿魏酸的研究

趙升強(qiáng)，姚勝文，歐仕益，鄒悅瑜，林 菁，彭喜春，吳 宵

（1.暨南大學(xué)食品與科學(xué)工程系，廣東廣州510632；2.廣東省匯香源生物科技股份有限公司，廣東廣州511400）

采用膜分離法從玉米皮中制備阿魏酸的研究

趙升強(qiáng)1，姚勝文1，歐仕益1，鄒悅瑜1，林 菁1，彭喜春1，吳 宵2

（1.暨南大學(xué)食品與科學(xué)工程系，廣東廣州510632；2.廣東省匯香源生物科技股份有限公司，廣東廣州511400）

采用乙醇/水/NaOH溶液從玉米麩皮中提取阿魏酸，解決了提取液粘度高而難于實現(xiàn)膜分離的問題。最優(yōu)提取工藝為：NaOH 0.25mol/L，醇水比1∶1（v/v），料液比1∶10（w/v），提取時間2.0h，提取溫度75℃，攪拌速度120r/min。膜分離工藝為：利用截留分子量為5000u的超濾膜，在室溫、0.10MPa下超濾，阿魏酸透過率達(dá)86.4%；透過液用截留分子量150u的納濾膜在0.45MPa、30℃下濃縮120min，此時料液濃縮4.3倍，阿魏酸截留率為94.3%。將納濾濃縮液經(jīng)酸化、結(jié)晶，低溫干燥后獲得阿魏酸含量為55.8%粗制品；粗制品得率為16.5g/kg玉米皮。

玉米皮，阿魏酸，堿醇，超濾，納濾

阿魏酸是當(dāng)歸、川穹等中藥中的有效成分之一，因其具有抗衰老、抗氧化、抗菌消炎、降壓防癌等功效而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品和化妝品等行業(yè)[1-3]。阿魏酸在植物細(xì)胞壁中通過酯鍵與多糖或木質(zhì)素交聯(lián)，或自身形成二阿魏酸[4-5]。目前工業(yè)上普遍采用堿法皂化米糠油中谷維素制備阿魏酸，但該法成本高[5]。一些糧油糖加工副產(chǎn)物如玉米皮、麥麩、甜菜渣等阿魏酸含量較高，其中玉米皮含量超過其干重的3%[6-7]，因此玉米皮是提取天然阿魏酸的理想原料。麩皮中的結(jié)合態(tài)阿魏酸可采用阿魏酸酯酶和堿處理游離[8-10]，但因阿魏酸酯酶目前沒有商品酶制劑且酶解效率低而不能應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，而堿法的效率顯著高于酶法。但堿法也有其明顯的不足，如溶解出的雜質(zhì)多，堿解液粘度高而給阿魏酸的分離純化帶來困難，過去主要采用萃取、離子交換、大孔樹脂和活性炭吸附[6]等方法分離純化阿魏酸。但這些方法存在有機(jī)溶劑消耗多、分離效率低和成本高等缺點。膜分離法作為一種新型的分離技術(shù)，在酶與多糖等活性物質(zhì)分離純化領(lǐng)域已有應(yīng)用[11-12]，但直接采用膜分離技術(shù)從堿解麩皮液中純化小分子生物活性物質(zhì)阿魏酸還未見報道。

本研究采用醇堿溶液從玉米皮中提取阿魏酸，解決固液分離和多糖對膜的堵塞問題，而后采用超濾和納濾聯(lián)用濃縮阿魏酸，通過結(jié)晶獲得阿魏酸，從而為玉米皮深加工和阿魏酸工業(yè)化生產(chǎn)提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米皮 由保齡寶生物股份有限公司贈送；阿魏酸標(biāo)準(zhǔn)品（色譜純） 阿拉丁試劑（中國）有限公司；NaOH、無水乙醇 均為分析純。

DF-Ⅱ型集熱式磁力加熱攪拌器 金壇市醫(yī)療儀器廠；F20H2型恒溫反應(yīng)器 上海申生科技有限公司；三足離心機(jī) 張家港市遠(yuǎn)華機(jī)械制造廠；中空纖維超濾組件 切割分子量5ku，有效膜面積0.6m2，無錫超濾設(shè)備廠；聚砜納濾膜 切割分子量150u，有效膜面積0.25m2，無錫超濾設(shè)備廠；KDC-12型低速離心機(jī) 科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司；SHIMADZM LC-20AT高效液相色譜分析系統(tǒng)。

1.2 實驗方法

1.2.1 堿醇溶液提取玉米皮中阿魏酸的工藝 為獲得最適工藝，在單因素實驗基礎(chǔ)上，采用正交表L16（45）考察不同NaOH濃度、醇水比、料液比、提取時間和溫度組合對玉米皮中阿魏酸釋放量和料液粘度的影響（表1）。

取5.0g的干燥玉米皮置于250mL的平底燒瓶中，加入不同配比的醇/堿水溶液，放入磁轉(zhuǎn)子，在磁力攪拌水浴中進(jìn)行回流提?。?20r/min），提取后冷卻至室溫，抽濾，采用毛細(xì)管法[13]測定濾液粘度；濾渣用1倍體積50%乙醇洗滌兩次，合并濾液，蒸掉乙醇后定容；用移液管移取1mL料液置于離心管中，加9mL無水乙醇，振搖混合后于4000r/min下離心25min，用HPLC法[6]測定上清液中阿魏酸含量，并結(jié)合TOPSIS[14]多指標(biāo)綜合評價法篩選最適工藝。評分時以阿魏酸釋放量為高優(yōu)指標(biāo)，以粘度為低優(yōu)指標(biāo)對原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行歸一化，確定正理想解和負(fù)理想解，計算每個方案到正理想解（A）和負(fù)理想解的距離（B）：TOPSIS評分Y（%）=B/（A+B）×100，評分越高愈好。

1.2.2 超濾

1.2.2.1 阿魏酸提取液制備 取3.0kg玉米麩皮采用1.2.1中獲得的最佳工藝，用20L的恒溫反應(yīng)器提取阿魏酸，冷卻，用三足離心機(jī)離心，濾渣用50%乙醇洗兩次，合并濾液，旋蒸（50℃）除去乙醇，料液冷卻后超濾。

1.2.2.2 超濾 將料液過截留分子量為5000u的超濾膜，研究了在室溫下不同壓力（0.05、0.10、0.15MPa）對膜通量和阿魏酸透過率的影響。膜通量和阿魏酸透過率計算如下：

式中，Vt為t時刻透過液體積（L），Ap為膜面積（m2）。

式中，Cp和Cf為透過液和原料液中阿魏酸濃度（mol/L），Vp和Vf為透過液和原料液體積（L）。

1.2.3 納濾 研究了30℃下、1h時不同壓力（0.05、0.15、0.30、0.45、0.55、0.65MPa）對膜通量變化的影響，30℃下不同壓力（0.30、0.45、0.55MPa）下膜通量隨時間的變化趨勢，0.15MPa下、1h時不同溫度（15、 20、30、40、45、50℃）對膜通量變化的影響，0.45MPa、30℃下濃縮時間（30、50、70、100、120、140min）對阿魏酸截留率和濃縮系數(shù)的影響，確定納濾的最佳工藝。膜通量按1.2.2所述計算，阿魏酸截留率和濃縮系數(shù)計算如下：

式中，Cr和Cf為截留液和原料液中阿魏酸濃度（mol/L），Vr和Vx為截留液和原料液體積（L）。

式中，Vo為原料液體積（L），Vp（t）為t時刻透過液體積（L）。

1.2.4 阿魏酸的結(jié)晶 將納濾濃縮液用鹽酸將pH調(diào)至2后室溫沉降24h，過濾，析出物于40℃干燥，獲得阿魏酸制品。

1.2.5 HPLC法測定阿魏酸含量[6]色譜條件：色譜柱Eclipse XDB-C18（4.6mm×250mm，5μm），流動相為

1%冰醋酸（甲相）-甲醇（乙相），洗脫條件：0～28min 28%甲醇，28～40min 95%甲醇，40～45min 28%甲醇，檢測波長320nm，流速0.8mL/min，柱溫40℃，進(jìn)樣量10μL。以保留時間定性，以外標(biāo)法定量。除標(biāo)注外，所有實驗重復(fù)2次。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同提取條件對阿魏酸提取率和提取液粘度的影響

不同條件下阿魏酸釋放量和料液粘度以及綜合評分見表1。由表1可以看出實驗7號（NaOH摩爾濃度0.5mol/L，醇水比7∶3，料液比1∶20，提取時間1.5h，提取溫度75℃）綜合評分最高，其次為3號（NaOH摩爾濃度0.25mol/L，醇水比7∶3，料液比1∶15，提取時間2.5h，提取溫度85℃）和2號（NaOH摩爾濃度0.25mol/L，醇水比1∶1，料液比1∶10，提取時間2.0h，提取溫度75℃）；從阿魏酸釋放量來看，2、3號產(chǎn)生的阿魏酸顯著高于7號，但2、3號之間無顯著差異。

對影響綜合評分的各因素進(jìn)行極差分析，R值越大說明該因素的影響越大。表1結(jié)果表明各因素對提取效果的影響程度依次為：C（料液比）＞B（醇水比）＞E（提取溫度）＞D（提取時間）＞A（NaOH濃度）。因素水平最佳組合為A2B3C3D3E2，即NaOH摩爾濃度0.5mol/L，醇水比7∶3，料液比1∶15，提取時間2.5h，提取溫度75℃。此組合下進(jìn)行三次實驗，結(jié)果表明阿魏酸釋放量為（14.0±0.1）mg/g，粘度為（3.4±0.1×10-3）Pa·s，綜合評分為67.9%，高于表1中其他實驗組合最高得分66.4%。但其阿魏酸釋放量與2、3號實驗相比差異不顯著，所用堿量較2、3號實驗加倍。

2號條件溫和，堿醇用量低，反應(yīng)時間適中，粘度小，抽濾容易。因此，綜合考慮生產(chǎn)成本，選擇實驗2號作為提取阿魏酸的最適工藝。

2.2 超濾工藝的選擇

圖1是不同壓力下超濾平均膜通量隨時間的變化關(guān)系。從圖1中可以看出，0.05MPa時平均通量隨時間增加變化較為平緩但膜通量較低；在0.10、0.15MPa時，20min前通量隨時間變化均有較大變化但0.15MPa時膜污染更為嚴(yán)重，其后通量變化趨于平穩(wěn)且相差不大。結(jié)果表明，壓力越高，膜通量衰減越大，壓力越低膜通量衰減越小，但過低壓力會導(dǎo)致超濾時間過長難以滿足生產(chǎn)需要；20min后膜通量已趨于平穩(wěn)。因此，超濾壓力選擇為0.10MPa，時間選為20min。此時阿魏酸透過率為73.9%。

表1 NaOH濃度、醇水比、料液比、提取時間和溫度對玉米皮中阿魏酸釋放量和料液粘度的影響Table.1 Effect of the concentration of NaOH，ethanol/water ratio，soild/liquid ratio，hydrolysis time and temperature on the release of ferulic acid and viscosity of alkaline hydrolysate

圖1 不同壓力下平均膜通量隨時間的變化Fig.1 Change in flux during ultrafiltration at different pressures

為充分回收阿魏酸，濃縮20min后（濃縮系數(shù)為3.9），向截留液中加兩倍水后再超濾，濃縮兩倍后阿魏酸透過率達(dá)86.4%。

2.3 納濾工藝的選擇

2.3.1 納濾壓力的選擇 圖2是不同壓力對膜通量的影響。從圖2中可以看出，膜通量隨壓力增加而增大，在壓力0.05～0.45MPa內(nèi)，通量隨壓力增加基本上呈線性變化，0.45MPa后，通量隨壓力升高而趨于平穩(wěn)。

圖2 壓力對平均膜通量的影響Fig.2 Effect of pressure on the average flux of nanofiltration

圖3是不同壓力下膜通量隨時間的變化關(guān)系。從圖3中可以看出，不同壓力下初始通量相差較大，膜通量隨時間增加而降低，30min后膜通量變化已趨于平緩，隨時間延長變化不大；30min時，在0.55MPa時膜通量下降較為突出表明膜污染較快，0.30MPa時膜通量變化較小，但其膜通量較小，0.45MPa時膜通量下降約為37%，30min時0.45、0.55MPa下的膜通量分別為26.2、28.4L/m2·h，通量相比差別不大。因此綜合考慮生產(chǎn)效率和能耗選擇0.45MPa為納濾壓力。

圖3 不同壓力下平均膜通量隨時間的變化Fig.3 Change in flux during nanofiltration at different pressures

2.3.2 納濾溫度的選擇 圖4為溫度對膜通量的影響。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)溫度對膜通量有顯著影響，膜通量隨溫度升高而極大提高。但過高的溫度會降低膜使用壽命，一般納濾膜的最高使用溫度不超過50℃，因此納濾溫度選擇20～40℃為宜，綜合考慮能耗和生產(chǎn)效率，選擇30℃為納濾工藝溫度。

圖4 溫度對平均膜通量的影響Fig.4 Effect of temperature on the average flux of nanofiltration

2.3.3 納濾時間的選擇 表2為濃縮時間對阿魏酸截留率和濃縮系數(shù)的影響。從表2中可以看出，隨濃縮時間增加，阿魏酸截留率降低，但總體差異不大，阿魏酸截留率在92%以上，表明所選納濾膜對阿魏酸截留效果很好。同時，隨著濃縮時間的增加，濃縮系數(shù)升高，但能耗會增加，綜合考慮阿魏酸回收率，濃縮系數(shù)和降低能耗，選擇濃縮時間120min，此時濃縮系數(shù)為4.3倍，阿魏酸截留率為94.3%。

表2 濃縮時間對納濾時阿魏酸截留率和濃縮系數(shù)的影響Table.2 Effect of time on the concentration factor and therecovery of ferulic acid by nanolfiltration

2.4 阿魏酸純化制備

將納濾截留液調(diào)pH2.0后，發(fā)現(xiàn)阿魏酸可直接結(jié)晶析出。抽濾、經(jīng)低溫干燥后獲得阿魏酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55.8%粗制品，粗制品得率為16.5g/kg玉米皮。與其他的文獻(xiàn)的得率進(jìn)行對比，較羅艷玲等[5]用乙酸乙酯萃取法制備玉米皮中阿魏酸的得率（純度82.69%，收率148.92mg/10g玉米皮）略低，但高于張國升[15]采用結(jié)晶方法從米糠中提取阿魏酸的得率0.16%（以原料計）。

3 結(jié)論

采用堿醇水溶液可釋放出玉米皮中大部分阿魏酸，料液粘度較低，可順利實現(xiàn)離心和超濾，解決了固液分離和后續(xù)膜堵塞問題。采用超濾和納濾結(jié)合可使玉米皮提取液中阿魏酸的純化和濃縮，酸化后可直接結(jié)晶析出阿魏酸，阿魏酸收率仍有待提高。本研究開發(fā)的膜分離技術(shù)工藝簡單，在制備阿魏酸的同時實現(xiàn)了大部分堿液回收（納濾透過液可繼續(xù)用于提取阿魏酸）。

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Study on preparation of ferulic acid from corn bran by ultra-and nano-filtration

ZHAO Sheng-qiang1，YAO Sheng-wen1，OU Shi-yi1，ZOU Yue-yu1，LIN Jing1，PENG Xi-chun1，WU Xiao2
（1.Department of Food Science and Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China；2.Huixiangyuan Biological Technology Company，Guangzhou 511400，China）

Ferulic acid was released from corn bran by alkaline-ethanol aqueous solution，thus significantly decreased the viscosity of extracts and mad it easy for further purification by membrane separation.The optimal extraction technology was：one weight of corn bran was suspended in 10 volume of extraction solution（0.25mol/L NaOH dissolved in 50%ethanol solution）and extracted at 75℃ for 2h under constant stirring at 120r/min.Ferulic acid in the extract was concentrated and purified using ultrafiltration and nanofiltration successively.86.4%of ferulic acid was recovered in the permeats when extracts were ultrafiltrated using the membrane with 5000u molecular cutoff.These permeats after ultrafiltration was then nanofiltrated using a membrane with 150u molecular cutoff，when the concentration factor reached 4.3，94.3%of ferulic acid was maintained in the retentate，in which，the pH value was adjusted to 2.0 and the crystal of ferulic acid was obtained.After the extraction and separation processes，it was yielded 16.5g/kg of ferulic acid powder with the purity of 55.8%.

corn bran；ferulic acid；alkaline-ethanol；ultrafiltration；nanofiltration

TS210.9

B

1002-0306（2014）04-0204-05

2013－07－02

趙升強(qiáng)（1987-），男，碩士研究生，研究方向：糧食、油脂與植物蛋白工程。

暨南大學(xué)科研培育與創(chuàng)新基金（21613419）；國家自然科學(xué)基金項目（31071596）。