陶瓷膜超濾純化香菇多糖及其相對分子質量的測定

摘 要：采用截留分子量為104 u的陶瓷超濾膜純化香菇多糖溶液，考察運行時間、跨膜壓差（TMP）、稀釋倍數和操作溫度對膜通量的影響，分析各條件下穩定通量的變化規律。

關鍵詞：香菇多糖；陶瓷膜；高效凝膠滲透色譜

中圖分類號：S646.1+20.1 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2013）11-0115-05

香菇（Lentinus edodes）屬于擔子菌綱側耳科（Pleurotaceae）真菌，是世界名貴食用兼藥用菌之一，它含有多種有效藥用成分，尤其是含有抗病毒、抗腫瘤、調節免疫功能和降血糖等生物活性功能的香菇多糖。據報道，分子量大于400 ku的香菇多糖是使其具有抗腫瘤生理活性的主要成分[1～5]。糖類的提取、分離、純化技術復雜，需在得到多糖粗提液后，除去其中雜質，然后進行混合糖的分離與純化，工作量較大，技術過程繁雜，常需要采用多種純化方法[6]。傳統的多糖提取純化方法實驗步驟和使用的化學試劑較多，涉及到的儀器較復雜，精制多糖產品的產率較低，不利于后續大規模的生產，而且對環境也有一定的危害。近年發展起來的超濾技術，常用于對多糖樣品的脫鹽、分級、濃縮[7]。超濾膜分為有機膜和無機膜，采用有機超濾膜分離得到的多糖成品在純度、色澤等方面均較好，但由于有機膜自身的缺陷，如不耐高溫、不耐酸堿、機械強度不夠、不耐有機溶劑、易于堵塞、不易清理等，大分子多糖會對其造成不可逆污染，所以，不適合用于香菇多糖的純化[8～10]。相較于有機膜，無機陶瓷膜主要有以下優點：熱穩定性高，耐化學腐蝕，機械強度大，抗微生物能力強，分離效率高等[11]。因此，本研究選用陶瓷超濾膜對香菇多糖溶液進行純化處理，探討影響香菇多糖純化過程的主要因素，以確定適合工業生產的技術參數。

多糖分子量的測定常采用超離心法、滲透壓法、粘度法等，但這些方法比較麻煩且誤差較大。高效凝膠滲透色譜法（HPGPC）是20世紀70年代后發展起來的測定多糖純度及相對分子質量的有效方法，具有快速、分辨率高和重現性好的優點[12]。本實驗即采用HPGPC法對陶瓷膜超濾純化的香菇多糖分子量進行測定。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 香菇子實體→粉碎→熱水浸提→合并提取液后濃縮→乙醇沉淀→真空干燥→粗提取物→Sevag法脫蛋白→陶瓷膜超濾純化→真空干燥→精制香菇多糖

1.2.2 陶瓷膜超濾濃縮實驗方法 陶瓷超濾膜實驗設備如圖1所示。實驗前先檢查設備管道連接處是否漏水，確定設備運行正常后，將循環罐中的水放掉，然后把稀釋后的香菇溶液逐漸加入到循環罐中，并控制K1、K2閥門調節壓力，打開冷凝裝置調節溫度，測定濾液出口處（圖1中7處）流出液的通量。

1.2.3 膜通量的計算

圖1 陶瓷超濾膜實驗設備示意圖

1.2.4 苯酚-硫酸法測定多糖含量

1.2.6 紫外光譜測定 以0.1 mol/L氫氧化鈉為溶劑，將多糖配制成1 mg/ml的溶液，進行紫外掃描，觀察280 nm和260 nm處是否有吸收峰，以確定樣品中是否含有蛋白質和核酸。

2 結果與分析

2.1 陶瓷膜超濾香菇多糖的影響因素分析

2.1.1 運行時間對膜通量的影響 在陶瓷膜超濾濃縮香菇多糖的過程中，膜通量隨時間延長會有不同程度的降低。在跨膜壓差（TMP）為0.08 MPa、操作溫度40℃、料液比為1∶4的條件下，膜通量隨時間的延長呈下降趨勢，在前40 min，膜通量下降較快，40 min后下降緩慢，50 min后趨于平穩，基本穩定在（圖4）。

圖4 膜通量隨超濾時間的變化

這可解釋為在初始階段，香菇多糖分子在膜表面被大量截留，使得膜表面很快出現濃差極化現象，形成較厚的凝膠層，致使膜通量快速下降[14]，此階段的通量稱為初始通量；隨著時間的延長，香菇多糖分子不斷沉積在膜面上，同時又不斷被錯流循環的流體帶走，當兩個過程達到平衡時，凝膠層的厚度基本保持不變，過濾阻力基本恒定，使膜通量達到一穩定值，即穩定通量。由于循環過濾初期的初始通量衰減很快，而達到穩定后能維持很長時間，因而在設計膜組件所需的膜管數量時，應根據穩定通量進行計算[15，16]。

2.1.2 跨膜壓差對膜通量的影響 跨膜壓差（TMP）是指在泵的作用下，料液在閉路的陶瓷膜系統中按照一定的方向進行循環過濾時，陶瓷膜膜管兩側產生的壓力差值。TMP的大小直接影響著陶瓷膜的滲透通量。在溫度30℃、料液比1∶4的條件下，考察TMP分別為0.03、0.05、0.08、0.11 MPa時膜通量隨時間的變化，結果（圖5）顯示，加入多糖溶液后的最初20 min內，初始通量下降非常快，40 min后趨于穩定；TMP越大，膜通量越高。這是因為隨著時間的延長，多糖顆粒在膜面的沉積加劇并逐漸形成凝膠層，滲透阻力加大，且部分多糖顆粒會被壓入膜孔內，造成膜孔內部污染，膜初始通量大幅降低，并最終隨著凝膠層的穩定形成而通量趨于穩定；另外，TMP越大，傳質推動力越大，滲透液透過膜的速度越快，膜通量越高；但過大的TMP也會減少膜的使用壽命，增加能耗。

圖5 不同跨膜壓差條件下膜通量隨時間的變化

穩定通量隨TMP的增大而增大（見圖6），此階段為壓力控制區；隨后當TMP進一步增大，穩定通量增加緩慢，膜面已基本形成凝膠層，滲透液必須依次克服凝膠層阻力和膜阻力后才能完成傳質，而凝膠層的阻力遠遠大于膜阻力，增加的壓力被增厚的凝膠層所抵消，此階段的膜通量與操作壓力關系不大，主要取決于邊界層的傳質情況，故此階段為傳質控制區。但也有研究表明，膜通量

圖6 不同跨膜壓差對穩定膜通量的影響

達到穩定后，增大跨膜壓差或膜面流速能有效提高膜通量[17]。綜合以上分析，在實際生產中TMP最好控制在0.08 MPa以內。

2.1.3 操作溫度對膜通量的影響 一般情況下，不論在壓力控制區還是在傳質控制區，提高操作溫度都有利于膜通量的提高，主要原因是：操作溫度的提高使料液的黏度降低，增大了溶質的擴散系數，降低了溶劑通過膜孔時的阻力，減輕了膜面的濃差極化現象，過濾速率提高，從而能提高膜的滲透通量。但香菇多糖作為一種高分子有機物，耐熱性有限，長時間高溫會破壞其結構，從而影響香菇多糖產品的品質。

由圖7可以看出，各溫度下的初始通量在40 min內快速下降，其中50℃時下降最快，并能在最短時間內達到穩定通量。由圖8可以看出，隨操作溫度的升高，穩定通量上升幅度增加。操作溫度越高，溶液黏度越低，傳質擴散系數越大，濃差極化層就越薄，從而膜通量就越大。在實際生產中選擇操作溫度為50℃左右適合。

圖7 不同操作溫度下膜通量隨時間的變化

圖8 不同操作溫度對穩定膜通量的影響

2.1.4 不同稀釋倍數對膜通量的影響 在TMP為0.05 MPa、溫度35℃的條件下考察不同稀釋倍數對膜通量的影響。從圖9可以看出，在操作的初始階段，膜通量下降較快，稀釋倍數越小初始通量衰減越大，這是因為稀釋倍數越小，多糖大分子越容易附著于陶瓷膜表面，堵塞膜孔而造成膜通量迅速衰減。從圖10可以看出，稀釋倍數在1～2之間，穩定通量顯著上升；在2～4之間，穩定通量上升緩慢。主要原因是過濾開始后，質量濃度較高的料液較快地在膜表面沉積，能夠較快地形成凝膠層，使膜污染較快，故穩定通量下降較為迅速。在稀釋倍數較小時，隨著過濾的進行，沉積在膜面上的香菇多糖分子不斷增多，加大了膜面阻力，導致穩定通量顯著下降；當料液比大于某一值后，在膜表面形成穩定的凝膠層，此時的傳質過程為凝膠層所控制（傳質控制區），凝膠層阻擋了較小的顆粒進入膜孔，減緩了膜阻塞；此外，稀釋倍數達到一定值后，膜面顆粒濃度達到飽和，膜面阻力不再增大，使穩定通量不隨稀釋倍數的增大而改變。

圖9 不同料液稀釋比例下膜通量隨時間的變化

圖10 不同稀釋倍數對穩定膜通量的影響

2.2 香菇多糖的相對分子質量

由圖11可以看出，香菇多糖經過HPGPC分離后只得到一個單峰，保留時間為14.7 min，將保

圖11 香菇多糖的HPGPC洗脫曲線

留時間代入到相對分子質量計算公式中，得到香菇多糖的平均相對分子質量為

2.3 香菇多糖的純度鑒定

2.3.1 香菇多糖的紫外光譜圖 圖12顯示，香菇多糖在280 nm和260 nm處無蛋白質和核酸吸收峰，表明實驗所得香菇多糖樣品中不含雜質蛋白和核酸。

圖12 香菇多糖的紫外吸收光譜圖

2.3.2 香菇多糖的純度 采用苯酚-硫酸法測定香菇多糖的純度，得到其純度為89.7%。

3 結論

3.1 本實驗確定了適合香菇多糖工業生產的技術參數，即跨膜壓差為0.08 MPa、料液比為1∶3、操作溫度50℃時，設備運行1 h后膜管通量開始穩定，穩定通量維持在75 L/（h·m2）。最終所得產品的純度為89.7%，與有機超濾膜相比香菇多糖的損失率大大降低。

3.2 確定了高效凝膠滲透色譜法（HPGPC）測定香菇多糖相對分子質量的色譜條件，并對該多糖進行紫外全波長掃描，為香菇多糖產品的理化特性鑒定提供參考。

參 考 文 獻：

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