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膜分离技术纯化花生衣中的原花色素.pdf

花匠小妙招
2025-09-18 13:48

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183 工艺技术食品科学2010, Vol. 31, No. 20 膜分离技术纯化花生衣中的原花色素刘志强 1,2，张初署1，孙杰1，于丽娜1，张岩2，王世清2，杨庆利1,* (1.山东省花生研究所，山东青岛 266100；2.青岛农业大学食品科学与工程学院，山东青岛 266109) 摘要：以花生衣的原花色素提取液为原料，研究不同孔径的膜组件(NF-500、HPS-1、PS-5、PS-10)纯化原花色素提取液的效果。确定最佳纯化效果的膜组件，以及其不同操作压力、操作温度对纯化花生衣中原花色素得率和纯度的影响。结果表明：最佳纯化膜组件为 HPS-1 超滤组件，其操作压力 0.54MPa，操作温度 25，在此条件下，原花色素得率 13.3%、纯度 85.8%。关键词：原花色素；花生衣；膜分离 Membrane Separation Technique for Purifying Proanthocyanidins from Peanut Skin LIU Zhi-qiang1,2，ZHANG Chu-shu1，SUN Jie1，YU Li-na1，ZHANG Yan2，WANG Shi-qing2，YANG Qing-li1,* (1. Shandong Peanut Research Institute, Qingdao 266100, China ； 2. College of Food Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qiangdao 266109, China) Abstract ：The proanthocyanidin-rich extract from peanut skin was purified and condensed by membrane separation technique. The purification effects of membrane modules with different pore sizes (NF-500, HPS-1, PS-5 and PS-10) on the extract were assessed. Collectively considering product yield and purity, the optimal purification conditions were using HPS-1 module at a trans-membrane pressure of 0.54 MPa and an operating temperature of 25 . Under such purification conditions, the yield and purity of purified proanthocyanidin were up to 13.3% and 85.8%, respectively. Key words：proanthocyanidin；peanut skin；membrane separation 中图分类号：TS202.3 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2010)20-0183-04 收稿日期：2010-06-21 基金项目：国家“863”计划项目(2007AA10Z189；2006AA10A114)；农业部公益性行业(农业)科研专项(nyhyzx07-0140)；山东省自主创新重大科技专项(2006GG1107009) 作者简介：刘志强(1984 )，男，硕士研究生，主要从事农产品加工及贮藏研究。E-mail：liuzhiqiang_1984126.com * 通信作者：杨庆利(1979 )，男，副研究员，博士，主要从事功能食品研究。E-mail：花生衣为豆科植物花生种皮，红棕色膜质，味甘、微苦、性平，有止血散瘀和消肿之功效，在本草纲目和中华药典等书中均有记载 1 -3 。花生衣中含有丰富的原花色素，其中50% 左右为生物活性较高的低聚物4。原花色素作为天然抗氧化剂，以其极强的清除自由基能力和心血管系统活性在药品、保健品和化妆品中越来越受到人们的欢迎5-6。但是花生衣原花色素粗提液中含有蛋白质、糖类等杂质7-9，这些成分的存在不仅影响色素的纯度，还影响其储藏的稳定性；同时未经纯化的花生衣原花色素达不到食品加工对其纯度要求。因此对原花色素提取液进行纯化才能达到贮藏和食品加工的要求。膜分离是一种新兴的生化分离技术，是指借助膜的选择渗透作用，在外界能量或化学位差的推动下对混合物中溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集，广泛应用于化工、食品、医药及废水处理等领域10-12。与传统分离技术相比，膜分离法不会发生相变，耗能少，不消耗化学试剂和添加剂，不会污染产品，而且膜分离生产过程可在常温封闭回路中进行，适合处理热敏性物质同时避免氧气氧化有效物质。该法在天然色素的提取中得到应用13-15。本研究以花生衣的原花色素提取液为原料，从膜组件的膜通量、原花色素得率和纯度角度出发，探讨膜分离的过程所需最佳膜孔径及该孔径下分离的最佳工作条件，为花生衣中原花色素的提取提供参考。 1材料与方法 1.1材料、试剂与仪器花生衣青岛东生集团股份有限公司；原花色素 (98%) 上海融禾医药科技有限公司；香草醛(分析纯) 2010, Vol. 31, No. 20食品科学工艺技术184 天津博迪化工；盐酸、甲醇、无水乙醇(均为分析纯)。 RO-NF-UF-4050/4100/4010实验用膜分离装置/超滤器上海摩速科学器材有限公司；膜组件(NF-500 芳香聚酰胺膜、HPS-1 聚砜膜、PS-5 聚砜膜、PS-10 聚砜膜、截留分子质量分别为500、1000、5000、10000D，膜面积为 0.1m2)；冷冻干燥机北京博医康实验仪器有限公司；SHZ-3 循环水多用真空泵上海沪西分析仪器厂；SHA-B 双功能水浴恒温振荡器金坛市杰瑞尔电器有限公司；VDRTEX-5 漩涡混合器海门市其林贝尔仪器制造有限公司；FZ102 型微型植物粉碎机天津市泰斯特仪器有限公司；TU-1800S紫外分光光度计北京普析通用仪器有限公司；TE212-L 电子天平德国赛多利斯股份有限公司；HH-4 数显恒温水浴锅国华电器有限公司。 1.2方法 1.2.1原花色素提取液制备将花生衣在粉碎机中粉碎，按照1:20(g/mL)的比例加入石油醚 30恒温水浴脱脂 5h，之后进行抽滤，将得到的滤渣在通风橱中除去残留的石油醚，得脱脂花生衣16。采用超声波辅助法提取脱脂花生衣中原花色素，提取条件：超声波功率 120W、提取温度 35、提取时间 5min、料液比 9.24(g/mL)、乙醇体积分数 55%。将得到的原花色素提取液减压过滤除去残渣，滤液在30下真空旋转蒸发，待浓缩液的体积为原体积的1/5 时，对其进行冷冻，之后进行真空冷冻干燥得到原花色素粉末。 1.2.2原花色素测定及标准曲线的制作采用香草醛 -盐酸法测定提取液中的原花色素。取样液 1.0mL，放入试管中，加入4g/100mL 香草醛-甲醇溶液3.0mL混合，再加入1.5mL浓盐酸(质量分数为36% 38%)，立即混匀。室温下显色 15min 左右，在 500nm 波长处测定吸光度，4g/100mL 香草醛-甲醇溶液做空白对照，避光保存。 0.15、0.20、0.25mg/mL 质量浓度原花色素标准液。采用香草醛 -盐酸法测定吸光度，绘制出原花色素质量浓度与吸光度的关系曲线，见图 1。并计算出回归方程： A=3.5018C 0.0025(R2=0.9998)，式中：A 为吸光度； C 为原花色素质量浓度(mg/mL)。 1.2.3膜分离装置本实验采用上海摩速科学器材有限公司生产的RO- NF-UF-4050/4100/4010 实验用膜分离装置/超滤器(图 2)。操作方法为样品液经输液泵输入膜分离组件，以切向流的方式通过膜组件，分为透过液和截留液，在压力驱动下分别从膜分离柱外腔的透过口和循环口流出。 1.2.4原花色素得率及纯度的计算原花色素得率计算：W=m1/m2 式中：W 为原花色素得率 /%；m1为纯化后原花色素质量 /mg；m2为称量脱脂花生衣的质量 /mg。原花色素纯度计算：n=CVN/m1 式中：n 为原花色素纯度 /%；C 是原花色素质量浓度 /(mg/mL)；V 为溶液体积 /mL；N 为稀释倍数；m1 为纯化后原花色素质量 /mg。 1.2.5膜通量的计算膜通量的计算式：J= V/(St) 式中：J 为膜通量 /(L/(m2h)；V 为取样时间内渗透液体积 /L；S 为膜面积 /m2；t 为取样时间 /h。 2结果与分析 2.1膜组件的选择采用4 种不同规格的膜组件(NF-500、HPS-1、PS- 5、PS-10，截留分子质量分别为 500、1000、5000、 10000D)对相同温度、相同体积、相同浓度的原花色素提取液进行浓缩纯化实验。从表 1 可以看出，4 种不同规格的膜组件对花生衣原花色素提取液纯化效果。原花色素提取液经过 4 种膜组件纯化后所得原花色素纯度均大于未经纯化处理的45.6%，因为4 种膜组件孔径不同，对原花色素提取液除杂效果不同，孔径越小，纯化效图1 原花色素标准曲线图 Fig.1 Standard curve of proanthocyanidins 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 A500nm 原花色素质量浓度/(mg/mL) 00.000.25 精确称取原花色素标准品10.0mg，定容于10mL 容量瓶中，再进行一定倍数的稀释，配制出 0.05、0.10、 1.原料液槽；2.输液泵；3.压力表；4.膜过滤组件； 5 . 流量计；6 . 循环阀；7 . 浓液阀；8 . 流量计阀。图2 RO-NF-UF-4050/4100/4010实验用膜分离装置 /超滤器 Fig.2 RO-NF-UF-4050/4100/4010 laboratory membrane separation device/ultra-filtration instrument 5 8 4 3 P 6 7 21 185 工艺技术食品科学2010, Vol. 31, No. 20 果越好，但是得率也会随之变小。PS-10 纯化原花色素得率最高为 19.6%，但是纯度最低，为 58.6%，得到的原花色素含有较多杂质；PS-5 和 HPS-1 纯化原花色素的得率相近分别为12.1% 和 14.2%，而HPS-1 所得原花色素纯度为 84.5%，远高于 PS-5 所得原花色素的纯度为 68.4%，说明HPS-1将一部分分子质量在10005000D一些糖类、色素等杂质有效地去掉，原花色素得率没有发生明显变化，可以推测花生衣中原花色素分子质量小于 5000D。NF-500 和HPS-1纯化原花色素的纯度相近为 86.7%，说明两种膜组件都可以除去绝大部分大分子蛋白质、多糖等，由于提取液中含有一些小分子糖类等物质，所以进一步显著提高原花色素的纯度有难度，而 HPS-1原花色素得率为12.1%，显著高于NF-500的8.1%，说明花生衣中原花色素的分子质量在 1000D 左右，膜组件 NF-500的原花色素得率明显较低，是因为其截留分子质量过小，将一部分原花色素截留下。从原花色素得率和纯度总体角度进行选择，所以HPS-1 为纯化原花色素最佳膜组件。膜组件NF-500HPS-1PS-5PS-10未采用膜组件原花色素得率/%19.623.1 原花色素纯度/%86.784.568.458.645.6 表1 不同孔径膜组件纯化原花色素效果 Table 1 Effect of membrane modules with different pore sizes on purification efficiency of proanthocyanidins 2.2膜分离工艺参数的确定 2.2.1操作压力的确定对 20、800mL、质量浓度5.90mg/mL的原花色素提取液在不同压力下进行浓缩、纯化，考察不同操作压力对提取液膜通量、原花色素得率和纯度的影响。结果见图 3 。在0.54MPa 之后膜通量略有下降。因为在开始阶段随操作压力增大，膜通量随之增大；操作压力继续增加，经过超滤浓缩使原料溶液的浓度加大，致使浓差极化加剧，逐步形成凝胶层，膜通量趋于极限值，所以不再随压力的增大而增大，另一方面，随着凝胶层的积蓄加厚，阻力增大，致使膜通量反而会有下降的趋势，而且压力越高，凝胶层形成的速度越快，压力过大，膜甚至会被挤压而导致严重堵塞。尽管较低的压力能减缓堵塞，但是膜通量过小会影响生产效率。综合考虑各项因素，操作压力选择 0.54MPa。从图3 可知，膜组件操作压力对花生衣中原花色素得率和纯化效果。操作压力在 0.500.54MPa 原花色素的得率随之压力的增加有由 12.3% 上升至 13.4%，在 0.54MPa 之后略有下降，可能因为随着压力增加，浓差极化加剧，凝胶层出现及固化，导致原花色素透过率降低。原花色素纯度在82.1%85.3%之间，在0.52MPa 处最大为 85.3%，当操作压力为 0.54MPa 时纯度为 84.6%，呈降低趋势。原花色素的纯度在 0.52MPa 和 0.54MPa 处相差很小，同时从提取液膜通量和原花色素得率角度考虑，故操作压力为 0.54MPa 最为合适。 2.2.2操作温度的确定对0.52MPa、800mL、质量浓度5.90mg/mL的色素提取液在不同温度下进行浓缩，考察不同操作温度对提取液膜通量、原花色素得率和纯度的影响。结果见图 4。从图4 可知，操作温度在2040，膜通量由11.8 L/(m2h)上升至 13.7L/(m2h)，呈逐渐增加趋势，因为温度升高时，扩算系数和传质系数增大，相应会减弱膜表面的浓差极化，故膜通量增加；但是原花色素是一类温度过高易分解的物质，高温可以使膜通量增加，同时也会使原花色素发生分解，使有效成分减少。综合考虑膜的性能，料液稳定性以及操作方便，采用 25。从图4 可知，膜组件操作温度对花生衣中原花色素得率和纯化效果的影响。操作温度为 2025时，原花色素得率 12.4% 升至为13.3%，上升趋势明显，可能图3 操作压力对膜通量、原花色素得率和纯度的影响 Fig.3 Effect of trans-membrane pressure on membrane flux, yield and purity of proanthocyanidins 14 13 12 11 10 9 8 7 膜通量 /(L/(m2 h) 原花色素得率/% 操作压力/MPa 0.500.520.540.560.58 86 85 84 83 82 81 80 79 原花色素纯度 /% 膜通量变化曲线原花色素得率原花色素纯度超滤过程是以压力为驱动力，其大小会直接影响膜组件的通透性。图 3 数据表明，操作压力在 0.50 0.54MPa时，膜通量由7.27L/(m2h)上升至12.1L/(m2h)，图4 操作温度对膜通量、原花色素得率和纯度的影响 Fig.4 Effect of operating temperature on membrane flux, yield and purity of proanthocyanidins 14.0 13.5 13.0 12.5 12.0 11.5 11.0 10.5 膜通量 /(L/(m2 h) 原花色素得率/% 操作温度/ 2025303540 87 86 85 84 83 82 81 80 79 原花色素纯度 /% 膜通量变化曲线原花色素得率原花色素纯度 2010, Vol. 31, No. 20食品科学工艺技术186 因为温度升高，膜表面的浓差极化减弱，膜材料微观布朗运动加剧，透过物增加，所以原花色素得率增加；在 25后，原花色素得率趋于平缓。操作温度为 20 25时，原花色素的纯度由84.1% 升至85.8%，之后呈下降趋势，可能因为随着温度继续升高，膜材料布朗运动加剧，使瞬间单位体积的小孔机率增加，造成膜的截留性能下降，一些分子质量较大的物质没有被膜组件截留下来，所以原花色素的纯度降低。从提取液膜通量、原花色素得率及纯度的角度考虑，故采用 25。 2.2.3膜分离法与传统溶剂萃取法纯化花生衣中原花色素的比较膜分离法：超声波辅助提取法得到花生衣原花色素提取液，采用膜组件为 HPS-1 超滤组件，在其操作压力 0.54MPa，操作温度 25条件下对花生衣中原花色素提取液进行纯化，得到滤液真空旋转蒸发到其原体积的 1/5，再进行真空冷冻干燥，原花色素得率为 13.3%，纯度为 85.8%。传统溶剂萃取法：超声波辅助提取法得到花生衣原花色素提取液，对提取液进行真空旋转蒸发(经蒸发去掉乙醇)，再用乙酸乙酯在酸性环境下(pH3.54.0)对浓缩液浸提(3 次)后进行干燥，原花色素得率为 3.2%，纯度为 59.6%。与传统溶剂萃取法相比，膜分离法比传统溶剂萃取法原花色素得率提高了10.1 个百分点，纯度提高了 26.2 个百分点。 3结论采用膜分离技术对花生衣原花色素提取液进行处理，纯化花生衣中的生物活性物质原花色素，研究 4种不同截留分子质量的膜过滤组件对原花色素的纯化效果，从原花色素得率和纯度角度考虑，HPS-1(截留分子质量 1000D)纯化效果最好。研究了膜组件 HPS-1 操作压力、操作温度对膜通量及对原花色素得率和纯度的影响，结果表明：膜过滤最佳条件为压力 0.54MPa、温度 25，花生衣原花色素得率 13.3%，其纯度 85.8%。与传统溶剂萃取法相比，原花色素得率提高了 10.1 个百分点，纯度提高了26.2 个百分点。膜分离纯化原花色素在得率和纯度都得到显著增高，纯化效果明显。参考文献： 1赵志强, 万书波, 束春德. 花生加工M. 北京: 中国轻工业出版社, 2001. 2曹凯光, 潜学基, 史建红. 从花生红衣皮中提取红衣粉的研究J. 食品工业科技, 1995, 17(5): 21-23. 3陈杰, 徐鹤龙, 方志伟. 花生红衣的研究与开发应用J. 广东农业科学, 2007(8): 80-81. 4王峰. 黑花生衣色素的研究D. 长沙: 湖南农业大学, 2007. 5SANONER P, GUYOT S, MARNET N, et al. 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