絲肽電滲析工藝優化

沈娟 江艷 丁志剛 項玉華

中國科學院上海有機化學研究所（上海 200032）

科研開發

絲肽電滲析工藝優化

沈娟 江艷 丁志剛 項玉華

中國科學院上海有機化學研究所（上海 200032）

通過改變絲肽料液濃度、pH以及電滲析的輸出電壓等因素進行絲肽電滲析脫鹽條件優化實驗。結果發現：通過稀釋料液質量濃度可提高絲肽回收率，但同時增加了物料的總體積，降低了生產效率；調節絲肽料液pH至等電點，可縮短電滲析脫鹽時間，適當提高樣品回收率；降低電滲析輸出電壓，亦可提高樣品回收率，但是脫鹽速率也會相應降低。絲肽生產中，可以通過適當調節pH和電滲析電壓的方法來提高脫鹽效率及樣品回收率，且不增加后續處理量。

絲肽 電滲析 生產工藝

蠶絲中蛋白質含量高達97.6%～98.5%，其主要由絲膠蛋白和絲素蛋白兩部分組成，絲素蛋白結構緊密，結晶度高，約占全絲蛋白的72%，外層包裹的絲膠蛋白約占26%。我國是世界最大的繭絲及絲織品生產國，在原料繭加工過程中會產生大量的廢絲。由于絲素蛋白相對分子質量較大，因此在水中只發生膨潤而并不溶解。研究發現蠶絲脫膠后，絲素蛋白可通過酸法、堿法或酶法水解得到絲肽[1-7]，其相對分子質量分布范圍較廣，在300～20000之間。控制蛋白質的水解程度，可得到相對分子質量不同的絲肽（具有抗氧化、降血糖、降膽固醇、免疫刺激等生物活性），這些產品已開始廣泛地應用于醫藥、化妝品、食品及紡織加工助劑等行業[8-11]。由此可見，對于充分發揮廢蠶絲的使用價值來說，絲肽的生產工藝研究意義重大。

絲肽制備過程中，無論是溶解絲素蛋白的濃鹽溶液，還是水解時引入的酸、堿、緩沖鹽溶液，其中所含的無機離子直接影響絲肽的生產和品質，因此，脫鹽工藝對絲肽的產量和品質具有舉足輕重的影響。在前期實驗研究中，分別用納濾膜、混床樹脂、電滲析三種方式脫除絲肽母液中的氯化鈣和氫氧化鈉，以絲肽的回收率和工藝上的經濟性作為評價指標，發現電滲析脫鹽工藝在這三種工藝中效果最佳，其脫鹽效率、絲肽回收率以及工業放大的可操作性均優于其余兩種工藝[12]。電滲析是利用半透膜的選擇透過性來分離不同溶質粒子（如離子）的方法，在直流電場作用下進行滲析時，溶液中的帶電陽離子和陰離子分別通過陽離子交換膜與陰離子交換膜而遷移的現象稱為電滲析[13-15]。無機離子在溶液中可完全電離，在電場作用下遷移速度較快；而絲肽只帶有弱電荷，且相對分子質量大，在電場作用下遷移率低。因此，利用絲肽與無機離子遷移速率的不同可達到脫鹽的目的。電滲析工序作為整個絲肽制備工藝中的重要環節，篩選優化最佳操作參數對于整個工藝流程具有舉足輕重的作用。

1 材料與方法

1.1 試劑和儀器

試劑：絲素，湖州澳特絲生物科技有限公司；氯化鈣，分析純，上海美興化工股份有限公司；氫氧化鈉，分析純，上海潤捷化學試劑有限公司；無水乙醇、鹽酸，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；去離子水，自制。

儀器：Labofuge 400R離心機，德國Heraeus控股公司；電滲析器，浙江千秋環保水處理有限公司；Waterbath B-480真空旋轉蒸發儀，瑞士Buchi公司；Alpha 2-4 LD plus真空冷凍干燥機，德國Martin Christ公司；雷磁DDSJ-318電導率儀，上海儀電科學儀器股份有限公司；凱氏定氮儀，濟南海能儀器股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 絲肽粗品料液制備

采用氯化鈣-水-乙醇體系溶解已脫除絲膠的絲素[12]。將22 g氫氧化鈉溶于60 mL水中，所得溶液備用；稱取222 g氯化鈣于茄形瓶中，加入288 mL去離子水，攪拌冷卻后加入184 g無水乙醇，混合均勻后置于80℃油浴中；加入50 g絲素，攪拌至絲素完全溶解；緩慢滴加氫氧化鈉水溶液至絲素反應液中，溶液堿解反應2 h，冷卻后離心，去除不溶物；上清液通過減壓蒸餾脫除乙醇，即獲得絲肽粗品料液。

1.2.2 絲肽脫鹽

將絲肽粗品料液加水稀釋后置于電滲析器的料液水箱中，并向電滲析器的極水箱和濃水箱分別注入自來水；料液箱和濃水箱的循環流速均設置為60 L/h，電滲析器電壓設置為40 V，實驗過程中監測料液和濃水的電導率，直至料液電導率降至合格水平；取出料液，會使其通過300 mL混床樹脂進行二次脫鹽，直至電導率降至100 μS/cm以下；收集混床樹脂柱流出液，減壓濃縮后冷凍干燥，以凍干產物計算絲肽回收率。

2 結果與分析

2.1 電滲析過程中電導率及物料的遷移情況

電滲析過程中采用電導率儀檢測料液電導率變化情況，料液定時取樣，采用凱氏定氮儀測定其中氮含量并以此折算物料回收率，從而確定整個電滲析過程中對于回收率影響最大的階段。圖1為電滲析過程中料液電導率和回收率的變化曲線。

圖1 料液電導率和回收率變化曲線

電滲析過程前半段即物料電導率在10 mS/cm以上時，絲肽基本不隨電流遷移至濃水箱中，該階段以料液中無機離子的遷移為主，絲肽回收率基本穩定在同一水平。電滲析脫鹽進行至物料電導率降至10 mS/cm以下時，絲肽回收率顯著下降，說明該階段中絲肽亦帶電荷，并在電場作用下發生遷移，從而產生損失。可見該階段是提高回收率的關鍵所在。2.2絲肽粗品料液質量濃度對電滲析脫鹽速率及回收率的影響

分別將50 g絲素堿解離心后的清液稀釋至1，2，3和4L，稀釋后的料液pH相近，然后分別進行電滲析脫鹽，直至料液電導率降到1mS/cm。實驗結果（見表1）表明，在相同的pH及電壓條件下，料液質量濃度越低（即實驗料液體積越大），回收率越高。但同時由于物料體積增加，等同流量條件下物料進入膜面循環的次數減少，從而導致整個電滲析脫鹽時間延長，生產效率也隨之降低。而且由于料液體積增大，后續濃縮處理的工作量亦會增加，如果放大到生產中，其物料的后續處理量和生產耗時造成成本巨大。所以綜合考慮絲肽回收率及生產效率，折中選取物料質量濃度更適合于放大生產。

表1 不同質量濃度料液的脫鹽時間及絲肽回收率

2.3 pH對電滲析脫鹽速率及回收率的影響

通過調節料液的pH，研究了不同酸堿條件對樣品脫鹽速率及回收率的影響。將50 g絲素的水解清液稀釋至2 L，在不調節pH、用25%鹽酸調至中性及pH＝3.5（即在堿性、中性和酸性）的條件下，分別進行電滲析，實驗結果如表2所示。料液pH在中性條件下較堿性條件下的絲肽回收率更高，但對電滲析時長無太大影響；而如果將料液pH調至酸性，則脫鹽速率顯著提高，絲肽回收率也有所提高，可見絲肽料液在酸性條件下更接近等電點，此時絲肽不易帶電荷，從而不會因在電場作用下發生遷移而產生損耗。

表2 不同pH料液的脫鹽時間及絲肽回收率

2.4 電滲析輸出電壓對脫鹽速率及回收率的影響

考察了電滲析輸出電壓與絲肽回收率及脫鹽時間的相關性。將50 g絲素堿解離心后的清液稀釋至4 L，實驗中改變輸出電壓，結果如表3所示。電壓與脫鹽速率呈正相關關系，但是隨著電壓增加，絲肽透過電滲析膜的損耗量亦會提高，從而導致回收率降低。放大生產中，提高電滲析輸出電壓可提高脫鹽效率，但是也會使膜面電流增大，從而產生大量熱量，如控制不當將存在燒膜風險。

表3 輸出電壓對脫鹽時間及回收率的影響

2.5 電滲析過程中水分子的遷移

在電滲析過程中，無論物料在酸性還是堿性條件下，料液總體積均呈線形下降趨勢，如圖2、圖3所示。

圖2 堿性條件下料液體積隨脫鹽時間的變化

圖3 酸性條件下料液體積隨脫鹽時間的變化

盡管在理論上電滲析膜不會透過水分子，但是膜兩側的料液存在質量濃度差，從而使得部分水分子由稀液一側向濃液一側滲透；另外在電場作用下，由于離子的水合作用，水分子也會被夾帶著從料液室向濃縮箱遷移。以上兩種情況可能是導致物料總體積下降的主要原因。在實驗過程中發現，調節料液和濃水箱流量，使料液流道的壓力略高于濃水一側，即通過壓力差平衡水分子的大量遷移現象，可以使物料總體積保持相對穩定，進而達到減少料液跑料的效果，同時也有利于提高絲肽樣品的回收率。

3 結論

通過改變絲肽粗品母液質量濃度、絲肽母液的pH以及電滲析的輸出電壓等三個變量來進行實驗，考查了電滲析小試裝置中以上三個因素對于絲肽回收率以及分離時間的影響趨勢。結果表明：降低絲肽母液質量濃度或降低電滲析輸出電壓均有利于提高絲肽的回收率，但也會延長脫鹽時間，降低脫鹽效率；絲肽母液在酸性條件下最利于電滲析脫鹽；在整個電滲析脫鹽過程中，接近脫鹽終點的低鹽階段是影響絲肽回收率的關鍵階段。

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Electrodialysis Process Optimization for Silk Peptide

Shen Juan Jiang Yan Ding Zhigang Xiang Yuhua

The optimum conditions for the electrodialysis desalination of silk peptide were analyzed by changing the hydrolysate concentration,pH and the output voltage of electrodialysis.Results showed that the recovery rate of silk peptide could be improved by diluting the concentration of silk peptide hydrolysate,but the hydrolysate volume was increased and the productivity was reduced.Adjusting the pH of hydrolysate to the isoelectric point could shorten the desalination time and improve the recovery rate of silk peptide.Reducing the output voltage could also improve the recovery rate,but the desalting rate per unit time would be reduced accordingly.In the production of silk peptide,the desalination efficiency and silk peptide recovery can be improved by properly adjusting the pH and electrodialysis voltage, without adding the hydrolysate volume of subsequent processing.

Silk peptide;Electrodialysis;Production process

TQ914.1

2017年3月

上海市科委項目（143919N0600）

沈娟女1982年生碩士研究方向為天然產物