水蘇糖提取與膜分離純化工藝研究

水蘇糖提取與膜分離純化工藝研究

膜分離技術(shù)是一種新型有效的分離技術(shù)，具有無偽裝、無化學(xué)變化、適應(yīng)性好、室溫等優(yōu)點。水蘇糖是唇形科水蘇屬植物中天然存在的一種功能性低聚糖（一種四糖）。它能夠有效促進腸道內(nèi)雙歧桿菌的增殖，因此被譽為“天然超強雙歧因子”1材料和方法1.1化工設(shè)備及性能分析地黃，河南焦作地區(qū)；活性炭，河南凱然環(huán)保科技有限公司；鹽酸（分析純），德州市富凱化工有限責(zé)任公司；乙腈（分析純），天津市富宇精細化工有限公司；水蘇糖標準品（色譜純），上海阿拉丁生化科技股份有限公司。1.2設(shè)備和設(shè)備恒溫水浴鍋，寧波天恒儀器廠；榨汁機，中山市奇鴻電器有限公司；1812型卷式納濾膜元件（分離面積0.36m1.3浸提、脫色、膜分離過程每次以0.05kg鮮地黃為原料，按照圖1所示流程依次進行提取等操作。主要分為浸提過程、脫色過程、膜分離過程3部分。對于浸提過程與膜分離過程，我們通過單因素試驗和正交試驗進行了最佳工藝條件的研究。1.3.1滲透過程1.3.1.不同浸提液制備工藝地黃經(jīng)過沸水滅酶、洗滌、切塊、榨汁、浸提等步驟以獲得浸提液，具體工藝流程為：地黃→沸水浸泡滅酶5min→溫水洗凈→榨汁浸提→超聲浸提→濾除殘渣→噴霧干燥→水蘇糖樣品1.3.1.超聲時間和溫度對水蘇糖提取含量的影響探究了固液質(zhì)量比（地黃與去離子水的質(zhì)量比1︰3,1︰6,1︰9和1︰12）、浸提溫度（10,20,30和45℃）、浸提時間（20,35,50和60min）、超聲時間（0,10,20和30min）對水蘇糖提取含量的影響。1.3.1.3.交叉試驗單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取固液質(zhì)量比（A）、浸提溫度（B）和浸提時間（C）為主要因素1.3.2萃取溶液的脫離主義糖類產(chǎn)物的顏色一般為白色，而水蘇糖提取液呈現(xiàn)較深的橙色，因此需要進行脫色處理。試驗采用粒徑為200目的粉末活性炭作為脫色劑1.3.3納濾膜的反滲透膜組件的制備將脫色后的溶液用納濾與反滲透膜，按照圖3所示的工藝流程進行純化與濃縮操作，對比研究了由納濾膜透過液和納濾膜截留液分別得到的水蘇糖含量的差別。首先將脫色后的溶液稀釋3倍后存儲于儲液槽1中，于室溫下經(jīng)低壓泵輸入到納濾膜組件中，透過液從組件的中心管流出并存儲到儲液槽9中，截留液返回到儲液槽1并進入到再次循環(huán)中。將收集的納濾膜透過液經(jīng)過反滲透膜組件10進行濃縮，濃縮液返回儲液槽9。分別收集儲液槽1和儲液槽9中的溶液，經(jīng)噴霧干燥后得到白色粉末。對于納濾膜操作，探究了料液溫度（17,20,30,40和45℃）、操作壓力（0.06,0.08,0.10,0.12和0.15MPa）、料液稀釋比（1︰3,1︰5和1︰8(kg/L））對納濾膜分離性能的影響。1.3.4清洗前后膜通量恢復(fù)率的測定為了清除納濾膜與反滲透膜的膜表面沉積物，盡可能的恢復(fù)膜性能，采用化學(xué)清洗法對比了清洗前后膜通量的恢復(fù)率。首先配制pH2的鹽酸溶液，清洗1h以去除無機礦物質(zhì)等形成在表面的結(jié)垢層。然后配制pH12的NaOH溶液，清洗1h以去除有機物、破壞凝膠層，使污染物脫離膜表面1.3.5標準曲線的繪制色譜條件：色譜柱，AgilentZorbaxCarbohydrate柱（4.6mm×250mm,5μm）；流動相為乙腈-水（70︰30,V/V），流速0.8mL/min，柱溫30℃。檢測池溫度35℃，進樣量20μL。精密稱取6,9.2,12,15和20.6mg水蘇糖標準樣品，用高純水溶解，50mL容量瓶定容至刻度。在上述色譜條件下進行測定，將得到的峰面積積分繪制出水蘇糖標準品的標準曲線。擬合水蘇糖標準曲線得到的線性回歸方程為y=1287.30304x+3.14683，相關(guān)系數(shù)0.99081。式中：x為水蘇糖質(zhì)量濃度（mg/mL),y為積分峰面積。配制一定濃度的試驗樣品，在相同的色譜條件下測定，對照標準曲線回歸方程計算得到樣品中水蘇糖含量。2結(jié)果與分析2.1單因素試驗的結(jié)果2.1.1水蘇糖含量的影響不同的固液質(zhì)量比下水蘇糖含量變化如圖4所示。隨著固液質(zhì)量比的增大，水蘇糖含量不斷增加且增加趨勢減緩。當固液質(zhì)量比由1︰9增加至1︰12時，水蘇糖含量增加僅1.2%。經(jīng)過分析選定在固液質(zhì)量比在1︰8～1︰12范圍內(nèi)進行正交試驗。2.1.2溫度對水蘇糖含量的影響不同溫度下水蘇糖含量的變化趨勢如圖5所示。從圖中可以看出，隨著溫度的升高，水蘇糖含量逐漸增加，說明溫度的升高促進了糖類物質(zhì)從地黃根莖向溶液的擴散。根據(jù)圖中溫度的變化范圍，對照水蘇糖含量，選定30～50℃的溫度變化區(qū)間進行正交試驗。2.1.3藻類物質(zhì)的溶解是延長水蘇糖含量隨浸提時間的變化如圖6所示。隨著時間的延長，糖類物質(zhì)的溶解接近飽和。浸提時間從30min增加到60min時，糖含量增加幅度較小，因此考慮30～60min內(nèi)進行正交試驗。2.1.4超聲處理對于水蘇糖的溶解效果超聲時間對于浸提液中糖含量的影響如圖7所示。從圖中可以看出未超聲處理時，糖含量達到了41.81%，超聲時間達到30min時，糖含量僅僅提高了0.09%。由于試驗采用榨汁浸提法，使得水蘇糖能夠順利溶解于水中，超聲處理對于地黃根莖中糖類物質(zhì)的溶解影響不大。因此試驗中超聲時間對水蘇糖提取的影響可以忽略不計。2.2影響含量的測定根據(jù)單因素試驗結(jié)果可知，固液質(zhì)量比、浸提溫度、浸提時間對于水蘇糖浸提過程中糖含量的影響比較顯著。因此以此三因素為考察對象，以水蘇糖含量為考察指標，通過正交試驗得到了如表2和表3所示的試驗結(jié)果。由表可知，三因素中影響水蘇糖含量的主次順序為：A（固液質(zhì)量比）>B（浸提溫度）>C（浸提時間）。最佳提取條件組合為A2.3納濾膜透過液對水蘇糖的影響將膜分離過程中兩部分收集液進行對比，發(fā)現(xiàn)納濾膜透過液（儲液槽9）所得樣品中水蘇糖含量比納濾膜截留液（儲液槽1）樣品中高17.76%，說明大部分水蘇糖能夠透過此型號的納濾膜，因此確定納濾膜透過液為提純液。接下來探究影響納濾膜通量的操作條件，使水蘇糖更多的透過納濾膜以提高目標產(chǎn)物中水蘇糖含量。2.3.1溫度對納濾膜通量的影響在料液稀釋比1︰5(kg/L），操作壓力0.1MPa下，探究了溫度對于納濾膜通量的影響。由圖8可知，溫度上升導(dǎo)致納濾膜的通量上升，上升趨勢隨溫度的升高逐漸減緩。由于溫度上升，水蘇糖溶液的黏度下降，擴散系數(shù)增加，濃差極化減少，膜通量逐漸增大。同時，溫度的升高使得部分蛋白質(zhì)變性，黏附在膜表面，在一定程度上堵塞了膜孔徑，膜通量的升高趨勢逐漸減緩，同時造成了納濾膜的污染2.3.2納濾膜通量的確定在料液稀釋比1︰5(kg/L），料液溫度35℃的條件下，探究操作壓力對于納濾膜通量的影響。從圖9可以看出，納濾膜通量隨著操作壓力的升高而逐漸增大，可見較大的壓力使得料液流速加快，膜通量升高。但是操作壓力過大會導(dǎo)致濃差極化和壓實效應(yīng)增大，膜污染層形成速度加快、納濾膜結(jié)構(gòu)破壞2.3.3提取液用量的確定在料液溫度35℃，操作壓力0.12MPa下，對水蘇糖提取液進行納濾分離，探究料液稀釋比對納濾膜通量的影響。從圖10中可以看出，隨著初始料液濃度的降低，即溶液的稀釋倍數(shù)增大，膜通量增大。一方面是因為料液黏度減小，溶質(zhì)擴散系數(shù)增大，濃差極化減小；另一方面，由于初始料液濃度減小，沉積在膜表面的溶質(zhì)減少，擴散阻力減小，膜通量增大最佳浸提條件下得到的水蘇糖提取液脫色后，水蘇糖含量為40.63%。將脫色液在料液稀釋比1︰8(kg/L）、操作壓力0.12MPa、料液溫度35℃的條件下，利用納濾膜與反滲透膜進行純化、濃縮，得到最終的產(chǎn)物中水蘇糖含量達到了58.84%，比未經(jīng)過納濾膜純化的樣品提高了18.21%，可見膜分離技術(shù)在一定程度上提高了水蘇糖含量。2.5反滲透膜通量恢復(fù)率由表4的數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過一系列清洗后納濾膜通量恢復(fù)率為95.52%，反滲透膜通量恢復(fù)率為97.22%?？梢娀瘜W(xué)清洗方法的清洗效果理想，兩種分離膜的使用次數(shù)能夠得到增加。3納濾及反滲透膜的應(yīng)用通過單因素試驗得到了影響水蘇糖浸提效果的3個主要因素為固液質(zhì)量比、浸提溫度、浸提時間。通過正交試驗確定了水蘇糖浸提的最佳條件為：固液質(zhì)量比1︰12、浸提溫度50℃、浸提時間60min。采用活性炭對浸提液能夠有效進行脫色處理，脫色率達到95%以上。利用納濾膜對脫色后的浸提液進行處理，膜透過液中的水蘇糖的純度高于膜截留液中的水蘇糖。納濾膜操作的最佳條件為操作壓力0.12MPa