正交试验优化银条多糖超滤浓缩工艺

郎昌野，马丽苹，赵 琨，曾晓雄,*

(1.南京农业大学食品科技学院，江苏 南京 210095；2.河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471003)

正交试验优化银条多糖超滤浓缩工艺

郎昌野1，马丽苹2，赵 琨1，曾晓雄1,*

(1.南京农业大学食品科技学院，江苏 南京 210095；2.河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471003)

以膜通量为指标，首先探讨操作压力、超滤温度和料液pH值3个工艺参数对超滤浓缩银条多糖的影响，在此基础上通过正交试验确定超滤浓缩的最佳工艺参数，最后通过测定清洗前后膜的水通量变化确定最佳的超滤膜清洗方法。结果表明超滤浓缩效果优于常规浓缩的效果，超滤浓缩银条多糖的最佳工艺参数为操作压力0.35MPa、操作温度30℃、料液pH6.5；最佳膜清洗方法为用40℃、pH8.5的NaOH溶液清洗0.5h，此时清洗前后纯水的膜通量相差9.00L/(m2·h)。

银条；多糖；超滤；膜通量

植物多糖普遍存在于自然界中的植物体中，具有调节机体免疫、抑制肿瘤、抗疲劳、降血糖血脂、抗病毒、抗氧化等生物活性[1]，且具有毒副作用小、安全性高、疗效好等优点[2]。银条是唇形科水苏属多年生蓄根草本植物Stachys fl oridana Schuttl. ex Benth的根状茎，因其圆状细长，肉质洁白，酷似白银，故名银条，主产于华北、华南和新疆等地，处于半野生状态，而其地下根茎(银条)具有很高的食用和药用价值[3]。作为蔬菜，人工栽培主要集中在河南偃师，占全国栽培总量的95%以上。据偃师县志记载，自唐代以来，银条就已作为历代宫廷贡品。近年，银条还被添加到果冻和酸奶中以改善食品风味和提高食品营养价值[4-5]。另外，据报道[6]，银条富含碳水化合物、多酚、VC、蛋白质和有机酸，具有降血脂、软化血管和改善血液循环的作用。

鉴于银条多糖的文章报道较少，而且大多都没考虑到银条中低聚糖(如水苏糖)对多糖测定的干扰，故本实验首先采用乙醇处理样品以去除脂类、单糖和部分低聚糖，再采用热水浸提法提取银条多糖。热水浸提的溶液为了便于后续乙醇沉淀多糖，需要进一步浓缩，目前国内普遍都采用减压热浓缩的方法。但是减压热浓缩法耗能高，且易引起活性物质的变性失活，而超滤浓缩则不同，不仅可以常温操作，还可以进一步除去多糖溶液中的色素、单糖、低聚糖和多酚等小分子物质[7-10]。因此，本研究采用超滤方法浓缩银条多糖，旨在确定银条多糖最佳的超滤工艺条件和最佳的超滤膜清洗条件，为银条多糖的深入研究与应用开发提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

银条，2009年12月购于偃师，用去离子水清洗净，50℃烘干后，粉碎过60目筛，然后保存、备用；苯酚、间羟联苯、盐酸等试剂均为分析纯；葡萄糖、葡萄糖醛酸标准品 美国Sigma公司。

1.2 仪器与设备

Mini Pellicon超滤设备 密理博(中国)有限公司；HH-4型数显恒温水浴锅 常州国华电器有限公司；TDL-5型台式离心机 上海安亭科学仪器厂；Laborota-400型旋转蒸发器 德国Heidolph公司；SHB-Ⅲ型循环水式真空泵 郑州长城科工贸有限公司；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司；722S型可见分光光度计 上海菁华科技仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

银条多糖的提取参照Ma Liping等[11]等优化的银条多糖提取条件进行。先将银条干粉按液料比15:1用85%乙醇溶液在90℃条件下处理2次，每次1h，然后合并乙醇处理液，5000r/min离心10min，离心沉淀物50℃条件下烘干。烘干样品按液料比19:1用去离子水在94℃条件下提取4h，离心，并重复提取3次，合并离心收集得到的提取液，用于超滤浓缩。

1.3.2 银条多糖提取液的超滤

采用Mini Pellicon超滤设备将银条多糖提取液装入料液罐中，启动进料泵，料液进入超滤器，到达超滤膜超滤，截留液回到料液罐中，滤过液流入滤液罐中。通过调节流速和回流阀来控制操作压力。从而分离浓缩银条多糖。膜通量通常用单位时间内通过单位膜面积的透过物量Jw表示：

Jw/(L/(m2·h))＝V/St

式中：V为透过液的体积/L；S为膜的面积/m2；t为运转时间/h。

1.3.3 超滤条件的确定

1.3.3.1 超滤膜的选择

在室温下，依次采用各超滤膜(规格分别为0.1μm、100、50、10、3kD)对1200mL提取液进行超滤，对各超滤膜超滤所得200mL截留液用3500D透析袋透析至透析外液无糖为止，以去除各截留液中残余小分子糖的干扰；各部分透析液参考Dubois等[12]的硫酸苯酚法测定糖含量，以葡萄糖为标准品作总糖含量标准曲线，得到线性回归方程Y＝0.0087x-0.0209(R2＝0.9964)。参考Blumenkrantz等[13]的间羟联苯法测定糖醛酸含量，以葡萄糖醛酸为标准品作糖醛酸标准曲线，得到线性回归方程Y＝0.0422x＋0.0178(R2＝0.9966)，以糖和糖醛酸含量确定最佳超滤膜。以各个膜分级后的糖(或糖醛酸)含量占未超滤前糖(或糖醛酸)含量的百分比表示。

1.3.3.2 超滤工艺参数的优化

设置用50kD的超滤膜、操作温度25℃、料液pH7.0、操作压力0.3MPa，参考王旭清等[14]、唐仕荣等[15]的实验方法，分别固定其他条件，考察不同操作压力(0.1～0.35MPa)、操作温度(15～45℃)、料液pH值(5.5～8.0)对膜通量的影响。

在单因素试验的基础上，采用操作压力、操作温度和料液pH值3个因素和单因素试验中3个较好的水平，设计正交试验，以研究超滤工艺参数对膜通量的综合影响。

1.3.4 超滤膜的清洗

参考谢红旗[16]、樊海燕[17]等对超滤膜的清洗方法，将使用后的超滤膜，分别用蒸馏水室温清洗0.5h、pH8.5的NaOH溶液室温清洗0.5h、pH3.5的HCl溶液室温清洗0.5h、40℃温水清洗0.5h清洗，然后测定清洗前后蒸馏水的膜通量，膜通量相差越大，证明清洗效果越好。再将清洗效果较好的清洗方法合理组合进行复合清洗，测定复合清洗前后蒸馏水的膜通量，确定最佳的清洗方法。

1.3.5 银条多糖提取液的浓缩方法

取1000mL银条多糖提取液，用旋转蒸发器于55℃减压蒸馏至100mL；另取1000mL银条多糖提取液用优化后的超滤工艺浓缩到100mL，从浓缩时间及浓缩产物的性状两方面对比两种不同浓缩方法。

2 结果与分析

2.1 最佳超滤条件的确立

2.1.1 超滤膜的选择

图1 各部分糖和糖醛酸含量占总体的比例Fig.1 Effect of ultrafiltration molecular weight cut-off on the recoveries of polysaccharide and uronic acid from crude extracts

由图1可以看出，银条的大部分多糖集中在分子质量50kD以上，用50kD的超滤膜超滤浓缩银条多糖，可以保留银条的91.4%的多糖，且50kD以上的多糖的糖醛酸含量较高，能有效保留多糖的生物活性。因此，在以后的研究中均采用50kD的超滤膜浓缩银条多糖。

2.1.2 超滤最佳工艺参数的确定

2.1.2.1 操作压力对膜通量的影响

图2 操作压力对膜通量的影响Fig.2 Effect of operation pressure on membrane flux

如图2所示，随着压力的提高，膜通量呈增加趋势。当压力达到0.3MPa左右时，压力再增加，膜通量变化不大，其原因可能是膜表面形成凝胶层，随着压力增加，凝胶层的厚度增加，传质阻力加大，从而使膜通量不再增加。为了使超滤系统能在较高的通量下运行，提高膜分离效率，且尽量减少超滤系统的损耗，故选择超滤操作压力为0.3MPa左右。

2.1.2.2 操作温度对膜通量的影响

图3 操作温度对膜通量的影响Fig.3 Effect of temperature on membrane flux

如图3所示，膜通量随温度的升高而升高，原因可能是由于随着温度的升高，物料的流变性加大，黏性降低，膜通量增加。但是当温度高于25℃后膜通量没有明显的变化，且温度太高容易加速膜老化，缩短膜的使用寿命。因此，选择操作温度为25℃左右。

2.1.2.3 料液pH值对膜通量的影响

图4 料液pH值对膜通量的影响Fig.4 Effect of sample pH on membrane flux

如图4所示，膜通量在pH值偏高或偏低时候都比较低，在pH值为8.0时，膜通量衰减速率较快，这可能是因为料液中含有蛋白质，而蛋白质是两性物质，pH值的改变会改变蛋白质的存在状态，在pH值为8.0时，蛋白质可能带电荷最少，此时凝胶层容易形成，膜污染严重，膜通量下降最快。而在pH值在6.5～7.5之间膜通量较高且变化不大，说明料液为中性时膜通量最高，故选择中性的料液进行超滤。

2.1.2.4 正交试验确定最佳工艺参数

在单因素试验的基础上进行了多因素正交试验，结果如表1所示。从表1可以看出，以A2B3C3组合的超滤效果最好，即最佳超滤工艺条件为操作温度30℃、操作压力0.35MPa、料液pH6.5。按极差大小顺序排出因素的主次顺序，从主到次分别是操作压力、超滤温度、料液pH值。

表1 正交试验设计及结果Table1 Orthogonal array design matrix and results

2.2 超滤膜的清洗

2.2.1 超滤膜通量随超滤时间的变化

图5 膜通量随超滤时间的变化Fig.5 Change in membrane flux during ultrafiltration

如图5所示，随着超滤时间的延长，超滤膜通量逐渐降低，其减缓速率随时间的延续而变得缓慢。

2.2.2 超滤膜的污染

由图5可知，超滤膜在使用过程中，尽管各项操作参数保持不变，其膜通量仍会逐渐下降，引起膜通量下降的原因是由膜的污染所引起的。膜的污染一般分为两种情况，一是浓差极化造成的污染。

这种污染形成的原因主要是因为膜面局部溶质质量分数增加，引起边界层流体阻力增加，导致传质动力下降；二是吸附在膜表面和膜孔内的微粒、胶体或溶质大分子形成凝胶层和孔堵塞所造成的污染。前者可以通过改善膜面附近溶液的流体力学条件来预防，如提高流速。后者可以采用物理清洗或化学清洗方法对超滤膜进行清洗。物理方法一般是指用高速水冲洗、海绵球机械擦洗和反洗等，它们的特点是简单易行，但不适于深层清洗。化学法主要是添加化学清洗剂，如稀碱、稀酸、酶和表面活性剂等，适用性广[18-19]。

2.2.3 膜清洗方法的确定

采用4种方法清洗污染的超滤膜，由表2可见，不同清洗方法对超滤膜的清洗效果不同，室温下pH8.5的NaOH溶液清洗效果最好，40℃温水清洗效果次之，蒸馏水室温清洗的效果最差。综合第2个和第4个方法，即用40℃、pH8.5的NaOH溶液对膜清洗0.5h，此时清洗前后纯水膜通量相差9.00L/(m2·h)，表明复合清洗方法的清洗效果较单一方法的清洗效果更好，因此对超滤膜的清洗方法可采用40℃、pH8.5的NaOH溶液清洗0.5h。

表2 不同清洗方法对超滤膜的清洗效果Table2 Effect of different cleaning methods on membrane flux

2.3 超滤法与常规浓缩方法的比较

表3 超滤浓缩与常规浓缩方法的比较Table3 Comparison of ultrafiltration and vacuum distillation used for polysaccharide concentration

由表3可以看出，超滤浓缩方法浓缩料液到相同体积时较常规浓缩方法节约120min的浓缩时间，效率更高；而且超滤浓缩所得浓缩液的颜色浅，可能是超滤过程分离去除了某些小分子的色素物质[20]，因此超滤浓缩的浓缩效果比常规方法好。

3 结 论

超滤浓缩与常规浓缩比较，具有较高的浓缩效率，较常规浓缩有较明显优点。选用50kD的超滤膜，可以有效地分离浓缩银条多糖并保留多糖生物活性；超滤浓缩银条多糖最佳工艺条件是超滤温度30℃、操作压力0.35MPa、料液pH6.5；超滤膜的最佳清洗方法为使用40℃、pH8.5的NaOH溶液清洗0.5h，此时清洗前后纯水膜通量相差9.00L/(m2h)。

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Orthogonal Array Optimization of Ultrafiltration Concentration of Polysaccharides from Rhizomes of Stachys fl oridana Schuttl. ex Benth

LANG Chang-ye1，MA Li-ping2，ZHAO Kun1，ZENG Xiao-xiong1,*
(1. College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China；2. College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

In this study, ultrafiltration conditions for the concentration of polysaccharide extracts from rhizomes of Stachys fl oridana Schuttl. ex Benth were optimized by orthogonal array design based on membrane flux. Ultrafiltration allowed more effective concentration of polysaccharides from rhizomes of Stachys fl oridana Schuttl. ex Benth than vacuum distillation, and the optimized ultrafiltration conditions were found to be 0.35 MPa, 30 ℃ and 6.5 for pressure, temperature and sample pH, respectively. Cleaning with pH 8.5 NaOH solution at 40 ℃for 0.5 h was the best method for membrane cleaning, and the membrane flux was increased by 9.00 L/(m2•h) after cleaning.

Stachys floridana Schuttl. ex Benth；polysaccharides；ultrafiltration；membrane flux

TS244

A

1002-6630(2013)04-0051-04

2012-03-27

中央高校基本科研业务费专项(KYZ201218)；江苏高校优势学科建设工程资助项目

郎昌野(1988—)，男，硕士，研究方向食品工程。E-mail：2011808095@njau.edu.cn

*通信作者：曾晓雄(1964—)，男，教授，博士，研究方向食品生物技术。E-mail：zengxx@njau.edu.cn