基于膜技術的籽瓜中L -瓜氨酸分離工藝研究

孫儷娜，祁巖龍，閆圣坤，楚治飛

（1.新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆農業科學院綜合試驗場，新疆烏魯木齊 830000；3.新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆烏魯木齊 830091）

0 引言

打瓜又稱籽瓜，是一種籽用西瓜。研究表明，籽瓜中含有多種生理活性物質，如氨基酸、多糖、蛋白質、果膠、維生素、微量元素[1]等，其中瓜氨酸含量為0.656～2.536 mg/g[2]。瓜氨酸是一種非蛋白質α 氨基酸，名字是由首次抽取出瓜氨酸的西瓜而來。由于與大多數氨基酸構型一樣為L 型，所以又稱為L -瓜氨酸[3]。研究表明，瓜氨酸能廣泛用于醫藥、食品、保健[4]等各領域，具有良好的藥理作用。可以防治前列腺疾病、提高男性性功能、治療L -精氨酸缺乏引起的相關疾病、抗衰老和增強免疫力、提高運動員肌肉力量與耐力、提高腦力清晰度[5]等功效。目前，我國籽瓜的利用主要以收取瓜籽為目的，打瓜籽僅占鮮瓜質量的3%～5%[6]，大量籽瓜的汁、瓤、皮都被丟棄，造成很大浪費。如何提高籽瓜的利用率、變廢為寶將是籽瓜研究的重點。L -瓜氨酸可以通過酶法合成[7]、發酵法、化學合成[8]和天然產物分離提取[9]等方法獲取。

膜分離技術，是指在分子水平上不同粒徑分子的混合物通過半透膜實現選擇性分離的技術。膜分離技術的根本原理在于膜具有選擇透過性，以選擇性透過膜為分離介質，以外界能量或化學位差為推動力，對混合物中特定組分實現分離、提純和濃縮。常用的膜分離方法有微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF） 和反滲透（RO） 等。膜分離技術具有節能高效、綠色環保、操作簡單、可在常溫下連續進行、不發生相變等特點。因此，已廣泛應用于食品[10-11]、醫 藥[12]、生物、環保、水處理[13]等領域，產生了巨大的經濟效益和社會效益，已成為當今分離科學中最重要的手段之一。試驗從打瓜中榨取打瓜汁，然后分別使用超濾、納濾和反滲透3 種膜分離技術對打瓜汁進行分離濃縮，將透過液和截留液進行高效液相色譜分析，通過目標物L -瓜氨酸含量計算，試圖尋找出一種有效的L -瓜氨酸分離濃縮方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

籽瓜，阿勒泰阿葦灘鄉分區農場提供；乙腈（色譜純），霍尼韋爾貿易有限公司提供；L-瓜氨酸標準品（純度≥98%），中國食品藥品檢定研究院提供。

1.2 儀器與設備

水囊壓榨分離機，北京藍伯斯科技有限公司產品；中空纖維膜小型試驗機、卷式膜小型試驗機、超濾膜MWCO 6000、納濾膜MWCO 200、反滲透膜MWCO 30-50，大連屹東膜工程設備有限公司產品；e2695HPLC 型儀、XAmide 色譜柱（5 m，4.6 mm×250 mm，美國Waters 公司產品；SL502N 型分析天平，上海民橋精密科學儀器有限公司產品；VP50 型真空抽濾泵，北京萊伯泰科儀器有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 打瓜汁濃縮液L -瓜氨酸含量測定

（1） 標準液的制備。稱取L - 瓜氨酸標準品10.3 mg，加水溶解，轉移至10 mL 容量瓶中定容至刻度線。

（2） 樣品液的制備。用移液管取1 mL 打瓜汁濃縮液轉移至10 mL 容量瓶中，加水溶解至刻度線。

（3） 高效液相色譜檢測條件。色譜柱：XAmide（5 m，4.6 mm×250 mm）；流動相：乙腈（A） -水（B），梯度洗脫0～30 min（90%A～50%A，10%B～50%B），流速1 mL/min，柱溫30 ℃，進樣體積10 L，檢測波長200 nm。

1.3.2 超濾試驗

（1） 超濾壓力的確定。取一定量的打瓜汁濃縮液稀釋50 倍，將超濾壓力分別調至0.03，0.04，0.05，0.06，0.07 MPa，在各壓力項下分別對5 L 稀釋后的濃縮液進行過濾，觀察膜通量隨時間的變化。

（2） 超濾操作。取100 mL 打瓜汁濃縮液，加入5 L 純水稀釋50 倍，抽濾待用。將抽濾液進行超濾，超濾壓力為0.05 MPa。將超濾后的透過液和截留液在上述色譜條件下分別進行高效液相色譜分析。

1.3.3 納濾試驗

（1） 納濾壓力的確定。取一定量的打瓜汁濃縮液稀釋50 倍，將超濾壓力分別調至0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 MPa，在各壓力項下分別對5 L 稀釋后的濃縮液進行過濾，觀察膜通量隨時間的變化。

（2） 納濾操作。取100 mL 打瓜汁濃縮液，加入5 L 純水稀釋，抽濾待用。將抽濾液進行納濾，納濾壓力調至0.2 MPa，收集過濾后的透過液和截留液。將透過液和截留液在上述色譜條件下分別進行高效液相色譜分析。

1.3.4 反滲透試驗

（1） 反滲透壓力的確定。取一定量的打瓜汁濃縮液稀釋50 倍，將超濾壓力分別調至0.05，0.10，0.15，0.20，0.25 MPa，在各壓力項下分別對5 L 稀釋后的濃縮液進行過濾，觀察膜通量隨時間的變化。

（2） 反滲透操作。取100 mL 打瓜汁濃縮液，加入5 L 純水稀釋，抽濾待用。將濾液進行反滲透處理，壓力調至0.15 MPa，收集透過液和截留液。將透過液和截留液在上述色譜條件下分別進行高效液相色譜分析。

2 結果與分析

2.1 濃縮液中L -瓜氨酸含量

L -瓜氨酸標準品色譜圖見圖2，樣品液色譜圖見圖2。

圖1 L -瓜氨酸標準品色譜圖

圖2 樣品液色譜圖

在上述色譜條件下，L-瓜氨酸標準品在17.500 min時出峰，樣品液中L -瓜氨酸在17.537 min 時出峰，出峰時間基本相同。用外標定量法算得樣品液中目標物L -瓜氨酸質量濃度為0.594 mg/mL。因為樣品液是由打瓜汁濃縮液稀釋10 倍所得，所以打瓜汁濃縮液中L -瓜氨酸質量濃度為5.94 mg/mL。

濃縮液中L -瓜氨酸質量濃度見表1。

表1 濃縮液中L -瓜氨酸質量濃度

2.2 超濾試驗結果

2.2.1 超濾壓力的確定

操作壓力與超濾膜通量的關系曲線見圖3。

圖3 操作壓力與超濾膜通量的關系曲線

通常情況下，在膜可承受的壓力范圍內，膜通量隨著操作壓力的提高而增加。如圖3 所示，操作壓力越高，膜通量也就越大。在一個始終不變的壓力下，一定時間內膜通量趨于平穩，但隨著時間的延長，通量開始逐漸下降。由圖3 可知，壓力在0.05 MPa 以下時，膜通量隨著壓力的提高而顯著增加；但是，當壓力高于0.05 MPa 時，膜通量的增加幅度出現明顯下降。當壓力為0.06 MPa 時，30 min之后，膜通量小于0.05 MPa 壓力下同一時間點的膜通量。分析其原因，可能是因為在高壓力條件下，膜的堵塞速度加快，從而導致膜通量出現大幅下降。綜合能耗與過濾效率等原因，最終選擇超濾壓力為0.05 MPa。

2.2.2 超濾數據分析

超濾試驗數據統計見表2。

由表2 可知，在3 次超濾試驗中，超濾后的透過液和截留液中均含有L -瓜氨酸，其中透過液中目標物回收率分別為89.8%，88.2%和91.1%。截留液中目標物回收率分別為5.0%，3.6%和4.2%。由此可知，超濾膜對L -瓜氨酸并沒有出現有效的截留，超濾膜基本沒有分離濃縮L -瓜氨酸的作用。超濾過程中L -瓜氨酸有5%～8%的損失，可能是被吸附在超濾膜上或者殘留在超濾儀器中。

表2 超濾試驗數據統計

2.3 納濾試驗結果

2.3.1 納濾壓力的確定

操作壓力與納濾膜通量的關系曲線見圖4。

由圖4 可知，膜通量隨著操作壓力的增加而增加。當壓力在0.2 MPa 以下時，膜通量隨著壓力的增加出現大幅增加。但是，當壓力高于0.2 MPa 時，膜通量的增加幅度明顯降低。在同一壓力條件下，膜通量往往會逐漸下降，可能是由于隨著過濾的持續進行，膜逐漸被堵塞。綜合能耗與過濾效率，最終選擇0.2 MPa 作為納濾壓力。

圖4 操作壓力與納濾膜通量的關系曲線

2.3.2 納濾數據分析

納濾試驗數據統計見表3。

表3 納濾試驗數據統計

由表3 可知，在3 次納濾試驗中，透過液和截留液中均含有L -瓜氨酸，其中透過液中目標物回收率分別為66.5%，69.3%和67.9%，截留液中目標物回收率分別為23.0%，21.4%和24.3%。納濾試驗結果表明，納濾膜對L -瓜氨酸分離濃縮效果不理想。試驗過程中有8%～10%的L - 瓜氨酸被膜吸附或殘留在儀器中而損失。

2.4 反滲透試驗結果

2.4.1 反滲透壓力的確定

操作壓力與反滲透膜通量的關系曲線見圖5。

由圖5 可知，反滲透試驗中膜通量隨著操作壓力的增加而增加，當壓力在0.15 MPa 以下時，膜通量隨著壓力的提高而大幅增加。但是，當壓力高于0.15 MPa 時，膜通量的增加幅度明顯下降。在任一壓力下，膜通量始終會逐漸降低。分析其原因，可能是過高的操作壓力導致膜的堵塞速度加快。綜合能耗和過濾效率，最終選擇0.15 MPa 作為反滲透壓力。

圖5 操作壓力與反滲透膜通量的關系曲線

2.4.2 反滲透數據分析

反滲透試驗數據統計見表4。

表4 反滲透試驗數據統計

根據表4 可知，在3 次反滲透試驗中，只有截留液中含有L -瓜氨酸，透過液中檢測不到L -瓜氨酸。3 次試驗中，截留液中目標物回收率分別為91.2%，90.3%和90.5%。反滲透試驗表明，反滲透膜對L -瓜氨酸有很好的分離濃縮效果。試驗中有約9%的L -瓜氨酸被膜吸附在膜上或殘留在儀器中而損失。

3 結論

試驗采用超濾、納濾和反滲透3 種膜技術對打瓜汁中L -瓜氨酸的分離濃縮效果進行探討，每種膜技術分別重復進行3 次。結果顯示，超濾膜對L -瓜氨酸基本沒有分離濃縮效果，截留液中目標物回收率分別為5.0%，3.6%和4.2%；納濾膜對L -瓜氨酸分離濃縮效果不理想，截留液中目標物回收率分別為23.0%，21.4%和24.3%；反滲透膜對L -瓜氨酸起到了有效的分離濃縮效果，截留液中目標物回收率分別為91.2%，90.3%和90.5%，透過液中沒有檢測到L -瓜氨酸。