郎昌野，馬麗蘋(píng)，趙 琨，曾曉雄,*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，江蘇 南京 210095；2.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

正交試驗(yàn)優(yōu)化銀條多糖超濾濃縮工藝

郎昌野1，馬麗蘋(píng)2，趙 琨1，曾曉雄1,*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，江蘇 南京 210095；2.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

以膜通量為指標(biāo)，首先探討操作壓力、超濾溫度和料液pH值3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)超濾濃縮銀條多糖的影響，在此基礎(chǔ)上通過(guò)正交試驗(yàn)確定超濾濃縮的最佳工藝參數(shù)，最后通過(guò)測(cè)定清洗前后膜的水通量變化確定最佳的超濾膜清洗方法。結(jié)果表明超濾濃縮效果優(yōu)于常規(guī)濃縮的效果，超濾濃縮銀條多糖的最佳工藝參數(shù)為操作壓力0.35MPa、操作溫度30℃、料液pH6.5；最佳膜清洗方法為用40℃、pH8.5的NaOH溶液清洗0.5h，此時(shí)清洗前后純水的膜通量相差9.00L/(m2·h)。

銀條；多糖；超濾；膜通量

植物多糖普遍存在于自然界中的植物體中，具有調(diào)節(jié)機(jī)體免疫、抑制腫瘤、抗疲勞、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、療效好等優(yōu)點(diǎn)[2]。銀條是唇形科水蘇屬多年生蓄根草本植物Stachys fl oridana Schuttl. ex Benth的根狀莖，因其圓狀細(xì)長(zhǎng)，肉質(zhì)潔白，酷似白銀，故名銀條，主產(chǎn)于華北、華南和新疆等地，處于半野生狀態(tài)，而其地下根莖(銀條)具有很高的食用和藥用價(jià)值[3]。作為蔬菜，人工栽培主要集中在河南偃師，占全國(guó)栽培總量的95%以上。據(jù)偃師縣志記載，自唐代以來(lái)，銀條就已作為歷代宮廷貢品。近年，銀條還被添加到果凍和酸奶中以改善食品風(fēng)味和提高食品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[4-5]。另外，據(jù)報(bào)道[6]，銀條富含碳水化合物、多酚、VC、蛋白質(zhì)和有機(jī)酸，具有降血脂、軟化血管和改善血液循環(huán)的作用。

鑒于銀條多糖的文章報(bào)道較少，而且大多都沒(méi)考慮到銀條中低聚糖(如水蘇糖)對(duì)多糖測(cè)定的干擾，故本實(shí)驗(yàn)首先采用乙醇處理樣品以去除脂類(lèi)、單糖和部分低聚糖，再采用熱水浸提法提取銀條多糖。熱水浸提的溶液為了便于后續(xù)乙醇沉淀多糖，需要進(jìn)一步濃縮，目前國(guó)內(nèi)普遍都采用減壓熱濃縮的方法。但是減壓熱濃縮法耗能高，且易引起活性物質(zhì)的變性失活，而超濾濃縮則不同，不僅可以常溫操作，還可以進(jìn)一步除去多糖溶液中的色素、單糖、低聚糖和多酚等小分子物質(zhì)[7-10]。因此，本研究采用超濾方法濃縮銀條多糖，旨在確定銀條多糖最佳的超濾工藝條件和最佳的超濾膜清洗條件，為銀條多糖的深入研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

銀條，2009年12月購(gòu)于偃師，用去離子水清洗凈，50℃烘干后，粉碎過(guò)60目篩，然后保存、備用；苯酚、間羥聯(lián)苯、鹽酸等試劑均為分析純；葡萄糖、葡萄糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)品 美國(guó)Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Mini Pellicon超濾設(shè)備 密理博(中國(guó))有限公司；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國(guó)華電器有限公司；TDL-5型臺(tái)式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；Laborota-400型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 德國(guó)Heidolph公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式真空泵 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司；722S型可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海菁華科技儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

銀條多糖的提取參照Ma Liping等[11]等優(yōu)化的銀條多糖提取條件進(jìn)行。先將銀條干粉按液料比15:1用85%乙醇溶液在90℃條件下處理2次，每次1h，然后合并乙醇處理液，5000r/min離心10min，離心沉淀物50℃條件下烘干。烘干樣品按液料比19:1用去離子水在94℃條件下提取4h，離心，并重復(fù)提取3次，合并離心收集得到的提取液，用于超濾濃縮。

1.3.2 銀條多糖提取液的超濾

采用Mini Pellicon超濾設(shè)備將銀條多糖提取液裝入料液罐中，啟動(dòng)進(jìn)料泵，料液進(jìn)入超濾器，到達(dá)超濾膜超濾，截留液回到料液罐中，濾過(guò)液流入濾液罐中。通過(guò)調(diào)節(jié)流速和回流閥來(lái)控制操作壓力。從而分離濃縮銀條多糖。膜通量通常用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的透過(guò)物量Jw表示：

Jw/(L/(m2·h))＝V/St

式中：V為透過(guò)液的體積/L；S為膜的面積/m2；t為運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間/h。

1.3.3 超濾條件的確定

1.3.3.1 超濾膜的選擇

在室溫下，依次采用各超濾膜(規(guī)格分別為0.1μm、100、50、10、3kD)對(duì)1200mL提取液進(jìn)行超濾，對(duì)各超濾膜超濾所得200mL截留液用3500D透析袋透析至透析外液無(wú)糖為止，以去除各截留液中殘余小分子糖的干擾；各部分透析液參考Dubois等[12]的硫酸苯酚法測(cè)定糖含量，以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)品作總糖含量標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到線性回歸方程Y＝0.0087x-0.0209(R2＝0.9964)。參考Blumenkrantz等[13]的間羥聯(lián)苯法測(cè)定糖醛酸含量，以葡萄糖醛酸為標(biāo)準(zhǔn)品作糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到線性回歸方程Y＝0.0422x＋0.0178(R2＝0.9966)，以糖和糖醛酸含量確定最佳超濾膜。以各個(gè)膜分級(jí)后的糖(或糖醛酸)含量占未超濾前糖(或糖醛酸)含量的百分比表示。

1.3.3.2 超濾工藝參數(shù)的優(yōu)化

設(shè)置用50kD的超濾膜、操作溫度25℃、料液pH7.0、操作壓力0.3MPa，參考王旭清等[14]、唐仕榮等[15]的實(shí)驗(yàn)方法，分別固定其他條件，考察不同操作壓力(0.1～0.35MPa)、操作溫度(15～45℃)、料液pH值(5.5～8.0)對(duì)膜通量的影響。

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用操作壓力、操作溫度和料液pH值3個(gè)因素和單因素試驗(yàn)中3個(gè)較好的水平，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，以研究超濾工藝參數(shù)對(duì)膜通量的綜合影響。

1.3.4 超濾膜的清洗

參考謝紅旗[16]、樊海燕[17]等對(duì)超濾膜的清洗方法，將使用后的超濾膜，分別用蒸餾水室溫清洗0.5h、pH8.5的NaOH溶液室溫清洗0.5h、pH3.5的HCl溶液室溫清洗0.5h、40℃溫水清洗0.5h清洗，然后測(cè)定清洗前后蒸餾水的膜通量，膜通量相差越大，證明清洗效果越好。再將清洗效果較好的清洗方法合理組合進(jìn)行復(fù)合清洗，測(cè)定復(fù)合清洗前后蒸餾水的膜通量，確定最佳的清洗方法。

1.3.5 銀條多糖提取液的濃縮方法

取1000mL銀條多糖提取液，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器于55℃減壓蒸餾至100mL；另取1000mL銀條多糖提取液用優(yōu)化后的超濾工藝濃縮到100mL，從濃縮時(shí)間及濃縮產(chǎn)物的性狀兩方面對(duì)比兩種不同濃縮方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳超濾條件的確立

2.1.1 超濾膜的選擇

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

由圖1可以看出，銀條的大部分多糖集中在分子質(zhì)量50kD以上，用50kD的超濾膜超濾濃縮銀條多糖，可以保留銀條的91.4%的多糖，且50kD以上的多糖的糖醛酸含量較高，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的超濾膜濃縮銀條多糖。

2.1.2 超濾最佳工藝參數(shù)的確定

2.1.2.1 操作壓力對(duì)膜通量的影響

圖2 操作壓力對(duì)膜通量的影響Fig.2 Effect of operation pressure on membrane flux

如圖2所示，隨著壓力的提高，膜通量呈增加趨勢(shì)。當(dāng)壓力達(dá)到0.3MPa左右時(shí)，壓力再增加，膜通量變化不大，其原因可能是膜表面形成凝膠層，隨著壓力增加，凝膠層的厚度增加，傳質(zhì)阻力加大，從而使膜通量不再增加。為了使超濾系統(tǒng)能在較高的通量下運(yùn)行，提高膜分離效率，且盡量減少超濾系統(tǒng)的損耗，故選擇超濾操作壓力為0.3MPa左右。

2.1.2.2 操作溫度對(duì)膜通量的影響

圖3 操作溫度對(duì)膜通量的影響Fig.3 Effect of temperature on membrane flux

如圖3所示，膜通量隨溫度的升高而升高，原因可能是由于隨著溫度的升高，物料的流變性加大，黏性降低，膜通量增加。但是當(dāng)溫度高于25℃后膜通量沒(méi)有明顯的變化，且溫度太高容易加速膜老化，縮短膜的使用壽命。因此，選擇操作溫度為25℃左右。

2.1.2.3 料液pH值對(duì)膜通量的影響

圖4 料液pH值對(duì)膜通量的影響Fig.4 Effect of sample pH on membrane flux

如圖4所示，膜通量在pH值偏高或偏低時(shí)候都比較低，在pH值為8.0時(shí)，膜通量衰減速率較快，這可能是因?yàn)榱弦褐泻械鞍踪|(zhì)，而蛋白質(zhì)是兩性物質(zhì)，pH值的改變會(huì)改變蛋白質(zhì)的存在狀態(tài)，在pH值為8.0時(shí)，蛋白質(zhì)可能帶電荷最少，此時(shí)凝膠層容易形成，膜污染嚴(yán)重，膜通量下降最快。而在pH值在6.5～7.5之間膜通量較高且變化不大，說(shuō)明料液為中性時(shí)膜通量最高，故選擇中性的料液進(jìn)行超濾。

2.1.2.4 正交試驗(yàn)確定最佳工藝參數(shù)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多因素正交試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，以A2B3C3組合的超濾效果最好，即最佳超濾工藝條件為操作溫度30℃、操作壓力0.35MPa、料液pH6.5。按極差大小順序排出因素的主次順序，從主到次分別是操作壓力、超濾溫度、料液pH值。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table1 Orthogonal array design matrix and results

2.2 超濾膜的清洗

2.2.1 超濾膜通量隨超濾時(shí)間的變化

圖5 膜通量隨超濾時(shí)間的變化Fig.5 Change in membrane flux during ultrafiltration

如圖5所示，隨著超濾時(shí)間的延長(zhǎng)，超濾膜通量逐漸降低，其減緩速率隨時(shí)間的延續(xù)而變得緩慢。

2.2.2 超濾膜的污染

由圖5可知，超濾膜在使用過(guò)程中，盡管各項(xiàng)操作參數(shù)保持不變，其膜通量仍會(huì)逐漸下降，引起膜通量下降的原因是由膜的污染所引起的。膜的污染一般分為兩種情況，一是濃差極化造成的污染。

這種污染形成的原因主要是因?yàn)槟っ婢植咳苜|(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，引起邊界層流體阻力增加，導(dǎo)致傳質(zhì)動(dòng)力下降；二是吸附在膜表面和膜孔內(nèi)的微粒、膠體或溶質(zhì)大分子形成凝膠層和孔堵塞所造成的污染。前者可以通過(guò)改善膜面附近溶液的流體力學(xué)條件來(lái)預(yù)防，如提高流速。后者可以采用物理清洗或化學(xué)清洗方法對(duì)超濾膜進(jìn)行清洗。物理方法一般是指用高速水沖洗、海綿球機(jī)械擦洗和反洗等，它們的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但不適于深層清洗?；瘜W(xué)法主要是添加化學(xué)清洗劑，如稀堿、稀酸、酶和表面活性劑等，適用性廣[18-19]。

2.2.3 膜清洗方法的確定

采用4種方法清洗污染的超濾膜，由表2可見(jiàn)，不同清洗方法對(duì)超濾膜的清洗效果不同，室溫下pH8.5的NaOH溶液清洗效果最好，40℃溫水清洗效果次之，蒸餾水室溫清洗的效果最差。綜合第2個(gè)和第4個(gè)方法，即用40℃、pH8.5的NaOH溶液對(duì)膜清洗0.5h，此時(shí)清洗前后純水膜通量相差9.00L/(m2·h)，表明復(fù)合清洗方法的清洗效果較單一方法的清洗效果更好，因此對(duì)超濾膜的清洗方法可采用40℃、pH8.5的NaOH溶液清洗0.5h。

表2 不同清洗方法對(duì)超濾膜的清洗效果Table2 Effect of different cleaning methods on membrane flux

2.3 超濾法與常規(guī)濃縮方法的比較

表3 超濾濃縮與常規(guī)濃縮方法的比較Table3 Comparison of ultrafiltration and vacuum distillation used for polysaccharide concentration

由表3可以看出，超濾濃縮方法濃縮料液到相同體積時(shí)較常規(guī)濃縮方法節(jié)約120min的濃縮時(shí)間，效率更高；而且超濾濃縮所得濃縮液的顏色淺，可能是超濾過(guò)程分離去除了某些小分子的色素物質(zhì)[20]，因此超濾濃縮的濃縮效果比常規(guī)方法好。

3 結(jié) 論

超濾濃縮與常規(guī)濃縮比較，具有較高的濃縮效率，較常規(guī)濃縮有較明顯優(yōu)點(diǎn)。選用50kD的超濾膜，可以有效地分離濃縮銀條多糖并保留多糖生物活性；超濾濃縮銀條多糖最佳工藝條件是超濾溫度30℃、操作壓力0.35MPa、料液pH6.5；超濾膜的最佳清洗方法為使用40℃、pH8.5的NaOH溶液清洗0.5h，此時(shí)清洗前后純水膜通量相差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

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(KYZ201218)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

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

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