膜分離技術(shù)在海洋魚蛋白肽除雜濃縮工藝中的應(yīng)用研究

左偉 任增超

（1、山東藥品食品職業(yè)學(xué)院，山東 威海 264210 2、山東寶立食品科技有限公司，山東 聊城 252400）

海洋魚蛋白肽是從海洋魚中提取的一類活性蛋白多肽物質(zhì)，介于氨基酸與蛋白質(zhì)之間的分子聚合物，主要由2～10個氨基酸組成，相對分子質(zhì)量在5000Da 以下，容易吸收，且吸收效率非常高，一方面提供人體生長發(fā)育所需的營養(yǎng)物質(zhì)，另一方面對人體生命活動發(fā)揮著極其重要的作用，如抗腫瘤、抗高血壓、抗氧化、美容護膚、抗凝血、抗菌和抗病毒活性、抗輻射、增加骨密度、抗骨質(zhì)疏松鈣螯合肽等[1-4]，作為高檔營養(yǎng)食品、特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品和保健食品基料，市場前景非常廣闊。

實際上，全球海洋魚類資源極其豐富，是非常重要的蛋白質(zhì)來源。但目前，在魚蛋白深加工產(chǎn)業(yè)中，開發(fā)利用的部分是細胞外蛋白質(zhì)——肌基質(zhì)蛋白中的膠原蛋白，偏重于美容護膚功能，產(chǎn)品種類單一[5-10]；而含有活性成分較高的細胞內(nèi)蛋白質(zhì)——肌原纖維蛋白和肌漿蛋白并沒有被開發(fā)利用，主要原因在于細胞內(nèi)蛋白質(zhì)油脂脫除、腥苦味脫除以及目標活性物質(zhì)分離純化等問題一直存在著技術(shù)瓶頸[11]，制備的產(chǎn)品品質(zhì)不能達到現(xiàn)有市場要求，從而導(dǎo)致較難以產(chǎn)業(yè)化。因此開發(fā)其他能夠被市場所廣泛接受認可的海洋魚蛋白肽制品對于促進我國海洋魚類資源深加工產(chǎn)業(yè)和海洋生物制品產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及改善國民健康具有重要的現(xiàn)實意義。本文重點探討膜分離技術(shù)在海洋魚蛋白肽產(chǎn)業(yè)化中除雜濃縮的應(yīng)用研究。

表2 膜系統(tǒng)各項參數(shù)指標

1 材料與方法

1.1 實驗材料

圓花鰹：購于茂名博賀港。

1.2 酶制劑

胰蛋白酶：購自諾維信(中國)投資有限公司；枯草芽孢桿菌蛋白酶：購自諾維信(中國)投資有限公司。

1.3 方法

1.3.1 魚蛋白肽的制備

圓花鰹→預(yù)處理（去除魚頭和內(nèi)臟，清洗、瀝干稱重，計算得率）→將上述魚漿用堿性鹽水（0.15%碳酸氫鈉:0.1%食鹽水=1:1）按1:3 比例在超聲波清洗槽中進行漂洗15min，頻率32K/HZ→用清水按肉水比例按1:5 在超聲波清洗槽中進一步漂洗30min，頻率32K/HZ→加水升溫至90℃，加熱25min→經(jīng)板式換熱器，將溫度快速降溫至3℃，靜置沉降15min，將上液及油脂部分去除→加水調(diào)至底物濃度30%（料液比，W/V），然后升溫至50℃，按原料重量添加胰蛋白酶150U/g，水解30min，進一步按原料重量添加枯草芽孢桿菌蛋白酶450U/g，水解180min，酶解結(jié)束后，升溫至95℃，滅酶10min，獲得水解產(chǎn)物→將上述水解產(chǎn)物經(jīng)碟片離心機5000r/min，獲得小分子蛋白肽料液。

1.3.2 除雜濃縮工藝

將上述料液經(jīng)陶瓷膜系統(tǒng)進行微濾，除掉懸浮物、菌體、大分子蛋白雜質(zhì)，濾液澄清→將上述澄清濾液通過有機超濾膜系統(tǒng)進行分級純化，除掉大分子蛋白、色素等雜質(zhì)，提高產(chǎn)品純度→通過納濾膜系統(tǒng)進行納濾，脫除料液中的一價鹽，同時對產(chǎn)品進行濃縮→將上述截留液，經(jīng)噴霧干燥，進料溫度200℃，出風(fēng)溫度85℃，控制水分≤6.0%，得到魚蛋白肽成品，見表1-2，圖1。

表1 進料液pH 值、溫度及固形物濃度參數(shù)

圖1 膜分離操作基本工藝流程

考察：（1）膜系統(tǒng)運行穩(wěn)定性考察；（2）物料透過膜系統(tǒng)，膜通量、濃縮倍數(shù)、除雜效果、運行溫度、壓力情況考察；（3）膜系統(tǒng)清洗恢復(fù)條件考察。

2 結(jié)果與分析

2.1 陶瓷膜系統(tǒng)運行穩(wěn)定性考察

陶瓷膜系統(tǒng)穩(wěn)定運行是后續(xù)料液處理的順利保障，所以在實驗中我們對陶瓷膜系統(tǒng)進行穩(wěn)定性經(jīng)行考察和膜通量變化情況，結(jié)果如表3 和圖2。

表3 陶瓷膜系統(tǒng)穩(wěn)定性經(jīng)行指標

圖2 陶瓷膜系統(tǒng)膜通量隨時間變化曲線

陶瓷膜1 在實驗中，進膜壓力為3.0bar，出膜壓力為2.0bar，平均溫度為45℃處理200L 料液用時265min，平均膜通量為71.03LMH，進料液固形物濃度6%，平均透析液固形物濃度也為6%，說明陶瓷膜對魚蛋白肽截留較少的同時能夠有效的去除進料液中的懸浮物與大分子物質(zhì)。同時，陶瓷膜1 的膜通量運行曲線表明，隨著除雜過程的進行，整個膜通量呈顯一個緩慢的下降過程，這是由于被截留大分子物質(zhì)在不斷的累加導(dǎo)致泵作用于膜的壓力效果越來越小，所以膜通量不斷下降；整個變化過程是一個逐漸下降過程，沒有出現(xiàn)明顯的拐點說明陶瓷膜對進料液具有很好的抗污染性與穩(wěn)定性。

陶瓷膜2 的實驗操作條件與陶瓷膜1 的實驗操作條件類似，前期膜通量下降曲線也與陶瓷膜1 類似；但45 分種以后膜通量反而出現(xiàn)了反常的上升，這是因為料液運行時間過長擔(dān)心變質(zhì)而對剩余料液進行了一次滅菌處理，進料液的溫度有一定的上升。我們可以看到在料液滅菌后整個膜通量變化曲線的下降速度都降低了，因此說明在保證進料液蛋白肽活性的同時，提高陶瓷膜運行溫度減少料液中細菌的產(chǎn)生能有效的減少膜通量的降低，有利于整個后續(xù)操作的進行，同時也說明陶瓷膜具有很好的抗污染性與穩(wěn)定性適合魚蛋白肽產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2.2 卷式超濾膜系統(tǒng)除雜及穩(wěn)定性考察

卷式超濾膜系統(tǒng)主要考察濃縮倍數(shù)與整個除雜過程中的抗污染性能以及溫度和壓力對整個除雜過程的影響，結(jié)果如表4 和圖3。

表4 卷式超濾膜系統(tǒng)穩(wěn)定性經(jīng)行指標

圖3 卷式超濾膜系統(tǒng)膜通量隨時間變化曲線

對比超濾1 與超濾2 試驗結(jié)果，可以看出在類似的操作條件下，兩支膜的膜通量下降曲線相似。因為超濾1 為10kDa 的膜，超濾2 為20KDa 的膜，所以超濾1 的整個膜通量下降曲線都要在超濾2 的下方，但兩者的下降曲線相似說明兩種膜具有類似的抗污染性能，由于超濾1 整個處理時間較短，所以整體平均膜通量為72.73LMH，反而要大于超濾2的38.48LMH。

超濾2 在運行60min 分鐘后開始加入部分染菌的陶瓷膜透析液，可以看出之后膜通量有了較為明顯的下降，在短時間內(nèi)從250LMH 降到了50LMH，參考陶瓷膜過濾系統(tǒng)加入重新滅菌的料液通量有所升高，說明料液染菌達到一定程度后能明顯降低膜通量，因此車間環(huán)境必須能夠有效控制微生物，以避免物料染菌。

2.3 卷式納濾膜系統(tǒng)濃縮及穩(wěn)定性考察

卷式納濾膜系統(tǒng)主要去除小分子氨基酸、鹽離子、水等物質(zhì)，從而達到除雜濃縮目的。本實驗考察溫度與壓力對整個濃縮過程的影響以及整個濃縮過程中膜的抗污染性能，結(jié)果如表5 和圖4。

表5 卷式納濾膜系統(tǒng)穩(wěn)定性經(jīng)行指標

圖4 卷式納濾膜系統(tǒng)膜通量隨時間變化曲線

3B02 膜在處理活性蛋白肽進料液時，進料壓力14bar，出料壓力16bar，溫度30℃，處理100L 料液，用時為65min，平均膜通量為44.15LMH。在去除小于300 分子量的小分子物質(zhì)的同時能夠有效把料液固形物濃度由5.0%提高到18.0%，且濃縮比為6.52 倍，有效去除了多余的水份，達到了濃縮的目的。

3B02 膜在整個除雜濃縮過程中膜通量緩慢下降，運行穩(wěn)定，適合魚蛋白肽產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2.4 膜系統(tǒng)清洗恢復(fù)

考察膜性能是否下降的重要指標之一是膜的水通量，如果膜系統(tǒng)走料后經(jīng)過清洗，膜的水通量恢復(fù)到走料前的水平，則說明膜片沒有受到不可逆的污染，膜性能穩(wěn)定。清洗方法是否有效直接影響膜系統(tǒng)的運行，試驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 膜系統(tǒng)清洗前后通量變化情況

從圖5 中可以看出實驗前后膜通量相差較大，說明經(jīng)過長時間運行，膜受到了蛋白肽料液污染，膜通量下降；經(jīng)過pH10.0 堿液清洗后，膜通量能有效恢復(fù)說明膜穩(wěn)定性良好。

3 結(jié)論

陶瓷膜處理海洋魚蛋白肽料液，進料壓力3.0bar，出料壓力2.0bar，溫度45℃，濃縮倍數(shù)可達12.6 倍，平均膜通量71.03LMH；提高運行溫度至50℃，減少料液細菌的產(chǎn)生，濃縮倍數(shù)提高至18 倍，平均膜通量提高至93.20LMH，透析液固形物濃度6.0%沒有變化。陶瓷膜在料液保持穩(wěn)定的情況下運行330min，膜通量保持良好，能有效去除蛋白肽料液中的懸浮雜質(zhì)和部分大分子物質(zhì)。202 卷式超濾膜處理微濾透析液，進料壓力4.0bar，出料壓力6.0bar，平均溫度35℃，平均膜通量為72.73LMH，透析液固形物濃度由6.0%降低為5.0%。3B02 納濾膜處理超濾透析液，進料壓力14bar，出料壓力為16bar，溫度30℃，平均膜通量為44.15LMH，濃縮倍數(shù)達到6.52 倍，濃縮液固形物含量可達到18%。同時，實驗表明料液細菌滋生對料液本身以及膜通量都有較大的影響，雖然膜系統(tǒng)具有冷除菌的作用，但控制料液外部環(huán)境染菌的機會是必要的。針對各工序單元特點和膜芯性質(zhì)，采用不同的清洗劑及清洗方式，可以使膜通量基本恢復(fù)。