超濾、納濾膜技術分離濃縮玫瑰茄花青素研究

張賽男,李林福,陳毅勇

(1.贛南醫學院藥學院,江西贛州 341000;2.漳州農業科技園區研發中心,福建漳州 363000)

超濾、納濾膜技術分離濃縮玫瑰茄花青素研究

張賽男1,李林福1,陳毅勇2

(1.贛南醫學院藥學院,江西贛州 341000;2.漳州農業科技園區研發中心,福建漳州 363000)

對超濾膜、納濾膜技術在玫瑰茄花青素的純化、濃縮過程中的影響進行研究。在單因素實驗的基礎上,再對微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜進行膜組件的整合,確定了玫瑰茄色素制備的最佳膜組件,即UH100超濾膜和NS027納濾膜的組合,并明確了各自的操作條件,即操作壓力分別為0.4 MPa和1.5 MPa、操作溫度分別為30～35 ℃和40 ℃。通過優化的膜組件處理的實驗組與對照組的對比研究表明:實驗組產品得率高,并且純化物中花青素含量也高,可達32.7 mg/g干粉重。

玫瑰茄,花青素,純化,濃縮,膜技術

玫瑰茄花萼中所含的花色苷類色素在酸性環境中較穩定[1],為加工帶來了便利,但果膠等多糖成分在浸提過程中隨著色素一塊溶出,降低了產品品質,也影響了花青素的得率,因此在加工過程中應該盡可能剔除[2-3]。目前用于提純花青素類的主要有柱層析、大孔樹脂吸附、高速逆流色譜法等,但就目前樹脂材料的多變性以及在玫瑰茄花青素的提純過程中需剔除果膠等多糖成分,這些方法雖可得到純度較高的產品,但產品得率偏低,從工業生產上分析,這樣操作條件下,獲取的產品成本昂貴[4-5]。膜分離技術是利用具有選擇透過性的薄膜,在外力的推動下對雙組分或多組分體系進行分離、提純或濃縮的技術。根據分離要求的不同,其中微濾膜,超濾膜用于澄清過濾,而納濾膜,反滲透膜主要用于濃縮。由于膜分離技術一般是在常溫下操作,不需要加熱,被分離的物質能保持原來的性質,減少有效成分損失。因此，采用膜分離技術在常溫條件下即可實現對玫瑰茄花青素的分離、提純,不但耗能少、操作簡便,且可得到的產品高純度。本實驗利用超濾和納濾膜技術,對花青素進行提純研究,在單因素實驗的基礎上,再對微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜進行膜組件的整合,以期獲得最佳膜處理組合與條件,為玫瑰茄色素的加工提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

表1 超濾膜技術參數

表2 納濾膜技術參數

玫瑰茄干花萼 江蓮實業發展有限責任公司提供;氯化鉀、乙酸鈉、NaOH、HCl、H2SO4、乙醇,均為分析純 西隴化工有限公司;半乳糖醛酸、葡萄糖,均為優級純 上海信裕生物科技有限公司。

U2600型分光光度計 恒溫水浴鍋金壇市新航儀器廠;TDL80-2B臺式離心機 上海安亭科學儀器廠;高速攪碎機 上海舜玉恒平科學儀器有限公司;Bioq-UNR-D3-2540小試型卷式膜分離 匯合堂生物工程設備(上海)有限公司;WF膜、UF膜、NF膜、RO膜 上海朗極膜分離設備工程有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 色素浸提 稱取一定量的玫瑰茄干花萼放入三角瓶中,以0.1 mol/L檸檬酸水溶液為溶劑,溫度60 ℃,反應時間為90 min,料液比1∶15(g/mL),進行提取,取樣分析測定。

1.2.2 超濾分離

1.2.2.1 超濾膜材料的選擇 將一定量玫瑰茄粗提取液倒入超濾設備中,在0.4 MPa壓力下,分別測定10、20、30、40、50 min時膜通量,整個分離過程液體的溫度控制在30～35 ℃。分別收集透過液和濃縮液,取樣分析檢測。然后換用另一種材料的超濾膜,進行上述相同操作,具體如表1所示。

1.2.2.2 超濾膜壓力的確定 通過上述實驗確定最佳超濾膜分離材料,在此膜條件下,分別測定0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 MPa壓力下,整個分離過程液體的溫度控制在30～35 ℃,膜通量與時間的關系,確定最佳壓力條件。

1.2.3 納濾膜濃縮 選取不同型號和材質的納濾膜,將超濾過后的透過液進行納濾膜濃縮,在1.5 MPa壓力下,分別測定10、20、30、40、50 min時膜通量,整個分離過程液體的溫度控制在40 ℃。玫瑰茄超濾透過液經納濾膜設備濃縮到一定濃度,取樣分析測定各個指標。具體納濾膜技術參數如表2所示。

1.2.4 不同膜分離濃縮技術組合 在上述1.2.2與1.2.3單因素實驗的基礎上,再對微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜進行膜組件的整合,篩選出最佳膜處理組合與條件。膜組合條件以及技術參數如表3和表4所示。分別測定分離前和分離濃縮后花青素含量,并計算花青素損失率。

表3 不同膜分離濃縮組合實驗

1.2.5 花青素含量測定 本實驗應用pH示差法對花青素含量進行測定。結合朗伯-比爾定律[6]可得出,在兩個不同的pH下,花青素的含量與花青素溶液的吸光度的差值成一定的比例。玫瑰茄植物中不止含有一種花青素,并且所含有的花青素的消光系數都有稍微差別,所以測定的結果就取決于所選用的標準。玫瑰茄花青素主要成分為飛燕草素和矢車菊素。參考文獻[7]選取經驗公式。

表4 不同膜分離濃縮組合的技術參數

注:“-”表示無。

表5 玫瑰茄浸提液中的主要成分

式中,A=(A520 nm-A700 nm)pH1.0-(A520 nm-A700 nm)pH4.5;MW(分子量)=449.2 g/mol,矢車菊-3-葡萄糖苷的分子量;DF,稀釋倍數,按D中方法計算;1,光路長,cm;ε=269000,矢車菊-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數,L×mol-1×cm-1;103,由g換算成mg的轉換系數。

注:蒸餾水作參比;用A700 nm來消除樣液混濁的影響。

1.2.6 果膠含量、截留率測定 采用文獻[8]果膠質的快速測定方法,準確移取樣品測定液1 mL于10 mL容量瓶中,用84%的硫酸定容至刻度。激烈振搖混合,然后在沸水浴中加熱15 min。冷卻后測定295 nm下的吸光度值。以同樣方法測定半乳糖醛酸的標準溶液吸光度,制作標準曲線。計算果膠含量、果膠截留率。果膠截留率=濃縮液中果膠總含量/原液中果膠總量×100%。

1.2.7 色素透過率計算 色素透過率=透過液中花青素總含量/原液中花青素總量×100%。

1.2.8 產品得率 產品得率=最終玫瑰茄花青素干粉質量/玫瑰茄花萼原料的質量×100%。

2 結果與分析

2.1 超濾分離實驗

2.1.1 超濾膜材料的選擇 超濾的目的是有效去除浸提液中果膠等大分子,并且使色素能夠較好的透過。所以膜的選擇主要考慮三個方面即:果膠的截留率要高、色素透過率要好、膜通量大[9]。表5列出了玫瑰茄色素浸提液中主要成分含量與相對分子質量,由表5可見,果膠和色素的相對分子質量相差懸殊,本實驗中選取了6種不同膜材料的超濾膜(截留相對分子質量在1000～10000 u之間),可有效的截留果膠等大分子,并保證大量的色素分子透過超濾膜。

由表1可知,超濾膜運行時的操作溫度和壓力最大可達75 ℃和2.5 MPa,而在實際操作過程中,其操作溫度在30～35 ℃,操作壓力為0.4 MPa,這些都在備選超濾膜的工作條件范圍之內。本實驗在操作溫度30～35 ℃、壓力0.4 MPa 和料液流速1.5 m/s 的條件下,分別對這6種超濾膜的果膠截留率、膜通量和色素透過率進行測試,結果見圖1和表6。

圖1 不同超濾膜通量隨時間變化曲線Fig.1 The curve shows the flux changes with different ultrafiltration membranes alongtime

從表6和圖1可以看出,膜通量越大,果膠截留率越小,色素透過率越大;膜截留分子量越大,果膠截留率越小,而色素透過率越大。膜A對色素的透過率在5種膜中最高,50 min后達80.9%,高出最低透過率的30.1%,同樣膜A的膜通量在10 min時的也最大,為98.3 L/m2·h;但對果膠的截留率相對于其他膜稍偏低,50 min后為86.7%。相同時間內,果膠截留率F>E>D>B>C>A;隨著時間的延長,各種膜材料的處理的原液中果膠截留率都有所下降。在開始的前10 min色素透過率A>C>D>E>B>F,但隨著時間的延長透過率A>B>C>D>E>F;膜通量A>C>D>E>B>F。其中膜B、D、E和F的果膠截留率都大于90%,但色素透過率和膜通量較低,最低的F色素透過率只有50.8%,這無法將果膠與色素最大限度的分離。隨著時間的延長,各種膜對色素的透過率都會有所提高,60 min左右可以達到80%以上,綜合考慮各方因素,選取膜A即UH100超濾膜為實驗用超濾膜材料。

表6 超濾膜過濾玫瑰茄浸提液的測試結果

2.1.2 超濾操作壓力的確定 如圖2所示,通常提高操作壓力可以增加膜的通量,在同一操作壓力下,隨著時間的延長,膜通量也隨著下降。在0.4 MPa壓力下,膜通量隨著操作壓力的增加提高幅度較大,但隨著壓力的進一步加大,膜通量增加并不明顯。分析原因,過高的操作壓力,會使膜之間產生一定的壓實效應,造成膜支撐層的多孔通道變窄[10],液體流動阻力增大,從而導致膜通量的下降,綜合能耗等原因,選取操作壓力為0.4 MPa。

圖2 操作壓力與超濾膜通量的關系曲線Fig.2 Relationship between operation pressure and flux of Ultra-filtration membrane

2.1.3 操作溫度的確定 通過玫瑰茄提取工藝條件的優選,本實驗提取溫度為60 ℃,通過初步過濾處理之后,液體溫度一般為50～55 ℃,這并沒有超出超濾膜最大承受范圍,但長時間的高溫會使色素發生一定程度的降解。并且在運行過程中,由于機械放熱也會使料液溫度有所升高,所以本實驗控制溫度在30～35 ℃,以確保色素的穩定和最低損失率。

2.1.4 UH100超濾膜分離果膠和色素實驗 經過上述實驗,得出選取UH100超濾膜,在0.4 MPa條件下,溫度控制在30～35 ℃,流速為1.5 m/s,對玫瑰茄粗提取進行超濾分離實驗,測定果膠截留液和色素透過率的數據見圖3和圖4所示。隨著時間的推移,果膠截留率不斷下降,部分果膠分子還是在膜壓力的作用下隨著色素液透過膜,與此同時,色素隨著時間的延長,不斷的透過超濾膜,在前2 h內,透過率變化較大,從原先的30.5%增大到93.5%;但隨著濃縮液濃度的不斷增加,在膜表面產生了一定的極差反應,阻擋了色素的通過,所以后面的曲線沒有大的變化。為了最小化減少損失,我們可以在膜超濾到120 min時,加水對膜進行洗濾,經過實驗表明,洗濾的色素分離率可以達到98.8%。

圖3 UH100超濾膜超濾玫瑰茄果膠截留率變化曲線Fig.3 The curve shows the retention rate of roselle pectin with UH100Ultra-filtratio along time

圖4 UH100超濾膜超濾玫瑰茄色素透過率變化曲線Fig.4 The curve shows the permeation rate of Hibiscus sabdariffa pigments with UH100Ultra-filtratio along time

2.2 納濾膜濃縮

2.2.1 納濾膜材料選擇 由表2所示,納濾膜的最大壓力范圍為1.5～5.5 MPa,溫度范圍為65～85 ℃。實驗操作過程中,不同的膜材料所使用的壓力,以及料液的溫度都有所差別。本實驗在操作溫度40 ℃、壓力0.8 MPa 和料液流速2.5 m/s 的條件下,分別對這5種納濾膜的膜通量和色素截留率進行測試,結果見圖5和表7。

圖5 納濾膜通量隨時間變化曲線Fig.5 The curve shows the flux changes with Nano-filtration membrane along time

測定值組別色素截留率(%)30min60min120min膜通量(L/m2·h)/120mina92.880.375.270.3b94.783.579.668.9c99.4997.396.567.5d99.5698.698.062.7e99.898.998.358.3

從圖5和表7可以看出,納濾膜e對色素的截留率在5種膜中最高,2 h后可以高達98.3%,高出最低截留率的23.1%,則說明截留分子量越小,其對色素的截留率越大,但其膜通量在120 min時的通量最小。納濾膜d的截留率僅次于膜e,也可以達到98%,而它的膜通量就比之要大。相同時間內,色素截留率e>d>c>b>a,膜通量a>b>c>d>e。其中膜d和e的色素截留率都大于98%,但膜e的膜通量較小。因此,選取膜d即NS027納濾膜。

2.2.2 納濾膜壓力的確定 如圖6所示,操作壓力越大,膜通量相應的也越大,但隨著時間的延長,膜通量會有一定程度的下降,并且不同操作壓力條件下,各種膜通量下降的幅度也不盡相同。從圖6可以看出,操作壓力1.5 MPa和2.0 MPa條件下,膜通量顯著高于其他組。分析原因,壓力越大所消耗的能量越多,并且考慮到整個膜的使用壽命,選取納濾膜的操作壓力為1.5 MPa。

圖6 操作壓力與納濾通量的變化曲線Fig.6 Relationship between operation pressure and membrane flux of nano-filtration

2.2.3 納濾膜溫度的確定 在超濾膜的實驗中,我們所操作的溫度是30～35 ℃,在經過膜處理后,隨著機械產熱,并且溫度越高,分子間的運動就越劇烈,從而使膜通量越大。經過實驗,膜通量的增加與溫度成線性增長關系;但是過高的溫度會影響色素的穩定性,綜合各方因素,在實際操作中,本實驗選取溫度為40 ℃。

2.3 不同膜技術組合實驗

2.3.1 不同膜組合材料的選擇 在上述單因素實驗的基礎上,對微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜進行膜組件的整合,篩選出最佳膜處理組合與條件。

參照表3和表4所示,分別測定分離前和分離濃縮后花青素含量,其結果如表8所示。選取相同品種的玫瑰茄干花萼1 kg,測定花青素含量為5.565～5.601 mg/g干花萼,經過不同的膜在相同時間內分離濃縮,其體積分別為4.8、4、4.2、4、3.5、3.4 L,并且花青素含量也有所不同,其中最大損失率為5號組合為10.4%,最小損失率的為1號組合為6.7%。參照圖7和圖8,1號組合花青素損失率越低,其所得產品質量最高,但是參照純化物花青素含量其含量最低只有25.5 mg/g。最終產品質量1>3>2>4>5>6,純化物花青素含量6>5>4>2>3>1,5號和6號組合,主要是選取的反滲透膜的型號不同,他們在產品得率和花青素損失率方面差別不是很大;2號和5號組合相比,2號的產品得率明顯高于5號組,并且其純化物花青素含量為32.7 mg/g相對5號的35.9 mg/g相差不大。考慮到反滲透膜操作壓力一般在4～5 MPa左右,它的正常運行需要消耗更多的能量,所以選取2號組合即超濾-納濾膜。1號組合在所有組合中其產品得率最高,花青素損失率低,但是它純化物中花青素的含量只有25.5 mg/g干粉重。綜合比較,本實驗中選取2號組合為分離濃縮玫瑰茄浸提液的膜條件。

表8 不同膜技術組合實驗組測定結果

注:mg/g表示折算成1 g干花萼中花青素的含量。

圖7 最終產品質量及花青素含量的測定結果Fig.7 The results of the final product quality and anthocyanins content注:mg/g表示1 g純化物中所含有的花青素含量。

圖8 產品得率的測定Fig.8 The results of product yield

3 結論

本實驗通過對玫瑰茄浸提液超濾分離提純、納濾膜濃縮、反滲透膜濃縮的研究,通過單因素和膜組件的整合,確定了加工玫瑰茄色素的最佳膜組件的組合,即UH100超濾膜和NS027納濾膜的組合,操作壓力分別為0.4 MPa和1.5 MPa、操作溫度分別30～35 ℃和40 ℃,通過實驗,經過優化的膜組件相對其他組產品得率高,并且純化物中花青素含量也高,可達32.7 mg/g干粉重,為生產高純度的玫瑰茄色素產品提供了一個較好的方法。

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Research of separation and concentration of roselle anthocyanins by ultrafiltration-nanofiltration membrane

ZHANG Sai-nan1,LI Lin-fu1,CHEN Yi-yong2

(1.College of pharmacy,Gannan Medical University,Ganzhou 341000,China;2.Zhangzhou agricultural sci-tec park,Zhangzhou 363000,China)

Effects of purification and concentration processes of anthocyanin of roselle was studied by the ultrafiltration and nanofiltration membrane technology. Based on single factor experiments,the influence of the anthocyanin of roselle was concentrated by the ultrafiltration membrane,nanofiltration membrane and reverse osmosis membrane technology. The results showed that the best membrane combination was UH100 ultra-filtration membrane and NS027 nano-filtration membrane,operation pressure respectively was 0.4 MPa and 1.5 MPa,and operation temperature respectively was 30～35 ℃ and 40 ℃,which had higher extraction rate and the anthocyanin content of product was up to 32.7 mg/g.

roselle;anthocyanins;purification;concentration;membrane technology

2015-03-16

張賽男(1986-)，女，本科，助理實驗師，主要從事中草藥及醫學藥劑方面研究，E-mail:289141075@qq.com。

TS201.2

A

1002-0306(2015)23-0143-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.021