超濾膜分離牡蠣多糖工藝研究

鄭亞旭，石 璇，李欣遙，佟長青，李 偉

(大連海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116023)

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超濾膜分離牡蠣多糖工藝研究

鄭亞旭，石 璇，李欣遙，佟長青*，李 偉*

(大連海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116023)

[目的]獲得制備牡蠣多糖的最佳分離工藝。[方法]利用超濾膜對牡蠣多糖進(jìn)行分離，采用單因素及正交試驗(yàn)考察牡蠣多糖通過不同截留分子量超濾膜的分子量分布并優(yōu)化超濾膜分離工藝。[結(jié)果] 試驗(yàn)表明，選擇截留分子量10 kD的超濾膜分離牡蠣多糖，膜通量較好，截留液中牡蠣多糖的分子量為1.2×103kD，透過液中的分子量為4.4 kD。正交試驗(yàn)表明，影響膜通量的主要因素是料液溫度，其次是膜分離操作壓力，pH影響較弱。綜合考慮生產(chǎn)成本及膜的使用壽命等多方因素，超濾膜分離最佳工藝為料液溫度30 ℃、壓力0.04 MPa、pH 7.0。[結(jié)論]研究可為工業(yè)化生產(chǎn)牡蠣多糖提供參考依據(jù)。

超濾膜；牡蠣多糖；最佳工藝；分子量分布

牡蠣是我國重要的養(yǎng)殖貝類，我國從南到北的沿海各地皆可產(chǎn)牡蠣。牡蠣具有較高的營養(yǎng)價(jià)值和保健功能。研究表明，牡蠣多糖是牡蠣的重要活性成分之一。牡蠣多糖具有保肝、增強(qiáng)免疫力以及抗流感病毒等生物活性[1-3]。對牡蠣多糖分離純化研究是利用牡蠣多糖的重要步驟。多糖是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物大分子，使用膜分離技術(shù)對其進(jìn)行分離可以達(dá)到高效分離的目的。從牡蠣中獲得的多糖提取液往往還含有多種物質(zhì)，如核酸、蛋白質(zhì)、寡肽、氨基酸以及無機(jī)鹽。因此，要獲得純度較高的牡蠣多糖產(chǎn)品，就需要利用簡單、高效的方法將這些物質(zhì)除去。超濾膜分離技術(shù)廣泛應(yīng)用于多糖的分離制備中，如汪維云等研究了利用超濾膜分離灰樹花多糖的工藝[4]；葉紅等報(bào)道了馬尾藻多糖的膜分離純化[5]；張曜武等研究了紅松松塔多糖的膜分離工藝[6]；楊寧等研究了仙人掌多糖的超濾膜分離提取工藝[7]。但對于牡蠣多糖的超濾膜分離提取工藝的研究還鮮見報(bào)道。

筆者利用超濾膜分離技術(shù)，對牡蠣多糖進(jìn)行提取分離，探索牡蠣多糖膜分離工藝并進(jìn)行優(yōu)化，以期為牡蠣多糖工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料牡蠣，購于大連興工街農(nóng)貿(mào)市場；Dextran T-10、Dextran T-40、Dextran T-70及Dextran T-500，購于美國Sigma公司；TSK-gel G4000PWXL柱，購于日本TOSOH公司。聚砜中空纖維膜(PS-10和PS-50)以及超濾膜裝置，大連先路科技發(fā)展有限公司；UV-754紫外分光光度計(jì)，上海光譜儀器有限公司。

1.2方法

1.2.1牡蠣多糖提取液的制備。牡蠣多糖提取液按照修改的Shi等的方法進(jìn)行制備[1]。將凍干的牡蠣(125 g)進(jìn)行粉碎，按1∶40 g/mL(W/V)加入水，在90～100 ℃進(jìn)行提取，在6 000 r/min離心15 min，所得上清液為牡蠣多糖提取液，將其pH調(diào)為7。

1.2.2多糖含量測定。利用苯酚-硫酸法測定牡蠣多糖提取液中的糖含量[8]。

1.2.3分子量測定。使用雙蒸水配制5 mg/mL的Dextran T-10、Dextran T-40、Dextran T-70及Dextran T-500的標(biāo)準(zhǔn)葡聚糖溶液，以孔徑0.45 μm水膜過濾后，使用TSK-gel G4000 PWXL色譜柱，通過P230型高效液相色譜儀，以雙蒸水為洗脫液，流速0.6 mL/min，進(jìn)行洗脫。以苯酚-硫酸法檢測各個(gè)組份的糖含量，繪制葡聚糖分子量標(biāo)準(zhǔn)曲線。

以雙蒸水配制濃度為30 mg/mL樣品溶液，以孔徑0.45 μm水膜過濾后，使用TSK-gel G4000 PWXL色譜柱，通過P230型高效液相色譜儀，以雙蒸水為洗脫液，流速0.6 mL/min，進(jìn)行洗脫。以苯酚-硫酸法檢測各個(gè)組份的糖含量。

1.2.4膜的選擇。將濃度1 g/L的牡蠣多糖提取液在0.10 MPa壓力下和25 ℃條件下分別用截留分子量50 kD(PS-50)和10 kD(PS-10)進(jìn)行超濾，測定膜通量。

1.2.5超濾膜分離工藝研究。分別在20、25、30、35以及40 ℃時(shí)，在0.10 MPa壓力下進(jìn)行牡蠣多糖提取液膜分離，測定濃縮液和透過液的多糖含量，計(jì)算截留率。

分別在0.01、0.04、0.07、0.10、0.13 MPa壓力條件下，在25 ℃進(jìn)行牡蠣多糖提取液膜分離，測定濃縮液和透過液的多糖含量，計(jì)算截留率。

分別在pH為5.0、5.5、6.0、6.5及7.0時(shí)，在0.10 MPa壓力下和25 ℃條件下進(jìn)行濃度1 g/L的牡蠣多糖提取液的膜分離，測定濃縮液和透過液的多糖含量，計(jì)算截留率。

1.2.6正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。 考察牡蠣多糖提取液溫度、操作壓力、pH 3個(gè)因素對膜通量和截留率的影響，每個(gè)因素取3個(gè)水平，因素水平設(shè)計(jì)見表1。按照3因素3水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，獲得最佳膜通量工藝。

表1牡蠣多糖提取液超濾膜分離正交試驗(yàn)因素水平

Table 1Factors and levels in orthogonal array design for extraction of polysaccharides fromCrassostreagigasby ultrafiltration membrane separation

水平Levels因素Factors溫度(A)Temperature(A)∥℃壓力(B)Pressure(B)∥MPapH(C)1250.0452300.0763400.107

2　結(jié)果與分析

2.1超濾膜分離特性將濃度1 g/L的牡蠣多糖提取液在

0.10 MPa壓力下和25 ℃條件下分別用截留分子量50和10 kD進(jìn)行超濾，其通量變化見圖1，截留情況見表2。不同截留分子量的膜，其超濾通量也不同，采用10 kD的膜可獲得較好的截留效果。

圖1　超濾時(shí)間對膜通量的影響Fig.1　Effect of ultrafiltration time on membrane flux

牡蠣多糖通過截留分子量10 kD的超濾膜，截留液中牡蠣多糖的分子量為1.2×103kD(圖2A)，透過液中的分子量為4.4 kD(圖2B)。牡蠣多糖通過截留分子量50 kD的超濾膜，截留液中牡蠣多糖的分子量為2.1×103kD(圖2C)，透過液中的分子量為3.1 kD(圖2D)。多糖溶液的分子狀態(tài)對外界的影響很敏感[9]。因此，使用截留分子量不同的超濾膜，超濾膜截留的牡蠣多糖分子量不同。

表2　不同超濾膜對牡蠣多糖的截留率

注：A.通過截留分子量10 kD超濾膜時(shí)，截留液中牡蠣多糖的分子量；B.通過截留分子量10 kD超濾膜時(shí)，透過液中牡蠣多糖的分子量；C.通過截留分子量50 kD超濾膜時(shí)，截留液中牡蠣多糖的分子量；D.通過截留分子量50 kD超濾膜時(shí)，透過液中牡蠣多糖的分子量。Notes：A.molecular weight of CGPS in cut-off liquor when passing through ultrafiltration membranes with molecular weight cut off 10 kD；B.molecular weight of CGPS in permeate liquor when passing through ultrafiltration membranes with molecular weight cut off 10 kD；C.molecular weight of CGPS in cut-off liquor when passing through ultrafiltration membranes with molecular weight cut off 50 kD；D.molecular weight of CGPS in permeate liquor when passing through ultrafiltration membranes with molecular weight cut off 10 kD.圖2　通過截留分子量10、50 kD的超濾膜時(shí)截留液與透過液中牡蠣多糖分子量Fig.2　Molecular weight of CGPS in cut-off liquor and permeate liquor using ultrafiltration membranes with molecular weight cut off 10 kD and 50 kD

2.2溫度的影響料液操作壓力0.10 MPa，溫度升高，料液流通量增大，因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，黏度隨著溫度上升而下降，溶解度變大；截留率卻隨著溫度升高而降低，可能是因?yàn)槟そ亓粜阅芎腿芤旱睦砘再|(zhì)隨著溫度的升高而變化，溫度對10 kD膜的超濾通量和截留率的影響見表3。綜合考慮膜性能及截留率等多種因素來選擇溫度，因此，選擇25 ℃作為超濾時(shí)溫度較適宜。

表3溫度對超濾膜截留率的影響

Table 3Effect of temperature on rejection ratio of ultrafiltration membrane

溫度Temperature∥℃膜通量Membraneflux∥mL/(cm2·min)截留率Rejectionratio∥%200.0111±0.001186.1±0.3250.0193±0.002985.4±0.5300.0300±0.001083.2±0.4350.0317±0.001281.2±0.3400.0336±0.000380.3±0.3

2.3壓力的影響料溫25 ℃的料液、濃度為1.0 g/L條件下，不同壓力對超濾的影響如表4所示，隨壓力增大，料液通過量增大，但截留率隨著壓力上升反而下降。

表4壓力對超濾膜截留率的影響

Table 4Effect of pressure on rejection ratio of ultrafiltration membrane

壓力PressureMPa膜通量Membraneflux∥mL/(cm2·min)截留率Rejectionratio∥%0.010.0160±0.000391.3±0.80.040.0177±0.001689.0±0.20.070.0203±0.000887.0±0.80.100.0235±0.000483.6±0.20.130.0241±0.000776.8±1.6

2.4pH的影響1.0 g/L的粗多糖液用冰乙酸調(diào)節(jié)pH。在25 ℃、0.10 MPa壓力下超濾特征見表5。在pH 7.0(料液為中性)條件下膜通量最大，濃縮倍數(shù)高，可能與不同pH時(shí)，多糖的溶解度不同有關(guān)。

表5　pH對超濾過程的影響

2.5正交試驗(yàn)結(jié)果由表6所知，RA>RB>RC，各因素對超濾膜通量的影響順序大小依次為：提取液溫度、操作壓力、pH，最佳組合為A3B1C2，即超濾膜最佳工藝條件為料液溫度為40 ℃，壓力為0.04 MPa，pH 6.0。

表6　牡蠣多糖提取液超濾膜分離正交試驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)論與討論

超濾膜分離方式已被廣泛應(yīng)用于各種物質(zhì)的分離，它具有不損害分離物質(zhì)的活性、分離效率高、能耗低、設(shè)備簡單、可連續(xù)生產(chǎn)、無污染等優(yōu)點(diǎn)。但膜分離技術(shù)也存在一定的問題，如膜的污染與使用壽命。該試驗(yàn)利用膜分離工藝進(jìn)行牡蠣多糖提取液濃縮分離，為下一步牡蠣多糖產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了高效、節(jié)能的工藝條件。

選擇截留分子量10 kD的中空纖維聚砜膜分離牡蠣多糖，膜通量較好。正交試驗(yàn)結(jié)果表明，影響膜通量的主要因素為料液溫度，其次是膜分離操作壓力，pH影響較小，最佳組合為A3B1C2，即超濾膜分離時(shí)采用料液溫度為40 ℃，壓力為0.04 MPa，pH 6.0。綜合考慮生產(chǎn)成本及膜的使用壽命等多方因素，采用超濾膜分離時(shí)料液pH 7.0、料溫30 ℃、壓力為0.04 MPa為膜分離優(yōu)化最佳工藝條件。該研究結(jié)果可以為工業(yè)化生產(chǎn)牡蠣多糖提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

[1] SHI X，MA H，TONG C，et al.Hepatoprotective effect of a polysaccharide fromCrassostreagigason acute and chronic models of liver injury[J].International journal of biological macromolecules，2015，78：142-148.

[2] 王俊，姚瀅，張建鵬，等.牡蠣多糖的制備和生物學(xué)活性研究[J].醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報(bào)，2006，19(3)：217-220.

[3] 李志.牡蠣多糖的分離純化及生物學(xué)活性研究[D].福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2009.

[4] 汪維云，施燕，時(shí)宏斌，等.超濾膜分離灰樹花多糖的工藝條件優(yōu)化[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2010，36(4)：190-193.

[5] 葉紅，周春宏，曾曉雄，等.馬尾藻多糖的膜分離純化[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50(2)：375-377.

[6] 張曜武，馮雪.膜分離制備紅松松塔多糖的研究[J].中國林副特產(chǎn)，2013，10(5)：18-21.

[7] 楊寧，趙謀明，崔春，等.仙人掌多糖的超濾膜分離提取及其影響因素[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，35(4)：42-45.

[8] DUBOIS M，GILLES K A，HAMILTON I K，et al.Colorimetric method for determination of sugars and related substances[J].Analytical chemistry，1956，28(3)：350-356.

[9] 李國有.基于原子力顯微鏡的多糖分子聚集行為、單分子形貌的可視化和多糖/量子點(diǎn)多層膜的制備[D].廣州：暨南大學(xué)，2006.

Optimization Process for Separation of Polysaccharides fromCrassostreagigasUsing Ultrafiltration Membrane

ZHENG Ya-xu, SHI Xuan, LI Xin-yao, TONG Chang-qing*, LI Wei*

(College of Food Science and Engineering, Dalian Ocean University, Dalian, Qingdao 116023)

[Objective] To optimize the methods of separating polysaccharides fromCrassostreagigas(CGPS). [Methods] Ultrafiltration membrane was used, single factor and orthogonal experiment were carried, and the molecular weight distribution and process of CGPS were studied. [Results] Results indicated that the flux of ultrafiltration membrane with molecular weight cut off of 10 kD was was better. The CGPS cut off by the membrane hasmolecular weight with 1.2×103kD, and the permeate liquor has molecular weight of 4.4 kD. The orthogonal tests showed the main influencing factors are temperature of solution and operating pressure, while pH had less influence. In overall consideration of the life of membrane and production costs, the optimum technology of ultrafiltration are temperature 30 ℃, operating pressure 0.04 MPa and pH 7.0. [Conclusion] This study is expected to provide certain reference for extracting

Ultrafiltration membrane;Crassostreagigaspolysaccharides (CGPS); Optimum technology; Molecular weight distribution

海洋局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201405017-03)。

鄭亞旭(1992- )，女，吉林樺甸人，碩士研究生，研究方向：水產(chǎn)品加工與貯藏工程。*共同通訊作者：佟長青，副教授，博士，從事活性物質(zhì)研究；李偉，教授，博士，從事食品科學(xué)研究。

2016-05-25

S 985.3+5

A

0517-6611(2016)19-104-03