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第 28 卷第 3 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.32782012 年2 月Transactions of the CSAEFeb.2012超滤膜分离纯化花生壳中水溶性膳食纤维王世清1，于丽娜2，杨庆利2，李红霞1,2（1.青岛农业大学食品科学与工程学院，青岛 266109；2.山东省花生研究所，青岛 266100）摘要：为探索花生壳中水溶性膳食纤维（SDF）的有效分离纯化方法和效果，选择适宜的膜组件，采用不同截留分子量的超滤膜以及优化膜分离过程的操作条件，对 SDF 提取液进行超滤分离，试验结果表明：选用 PS-30 聚砜膜，在压力为 0.08 MPa、料液比为 175g/mL、温度为 30时，分离纯化效果最为显著。其中，膜通量达到 127.2 L/(m2 h)、SDF 的得率达到 67.56%，非淀粉多糖（NSP）的质量分数由 49.85%提高到 92.36%，蛋白质量分数从 5.53%降到 0.92%。与传统的提取法比较，超滤膜分离纯化花生壳水溶性膳食纤维具有生产周期短，成本低,产品纯度高等优点。关键词：分离，纯化，膜，优化，过滤，花生壳，水溶性膳食纤维doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.03.048中图分类号：TS255.1文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-03-0278-05王世清，于丽娜，杨庆利，等.超滤膜分离纯化花生壳中水溶性膳食纤维J.农业工程学报，2012，28(3)：278282.Wang Shiqing,Yu Lina,Yang Qingli,et al.Purification of water soluble dietary fiber(SDF)from peanut hull usingultrafiltrationJ.Transactions of the CSAE,2012,28(3):278282.(in Chinese with English abstract)0引言膳食纤维（dietary fiber,DF）有预防肥胖症、心脑血管疾病等的显著功能1。DF 按溶解性分为水溶性膳食纤维（water soluble dietary fiber,SDF）和水不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber,IDF）两大类2。其中，SDF 是指不被人体消化道酶消化，但可溶于温、热水且其水溶液又能被其 4 倍体积的乙醇再沉淀的那部分膳食纤维3。SDF在预防结肠癌，预防心血管疾病，降低胆固醇等方面具有比 IDF 更强的生理功能4-5，SDF 还能降低血脂含量、延缓小肠对葡萄糖的吸收速度，刺激产生胰岛素，从而预防糖尿病的发生6。SDF 作为一种多功能保健性食品基料7，早已引起世界各国营养学家的极大关注。花生壳约占花生质量的 30%，其中主要含半纤维素和粗纤维素，粗纤维素约占花生壳质量的 65.7%79.3%，半纤维素占 10.1%，粗蛋白占 4.8%7.2%8。目前，大部分花生壳被当作废弃物丢弃或焚烧，造成环境污染9，若能有效利用花生壳提取其水溶性膳食纤维意义重大。而膜分离是一种新兴的生化分离技术，可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，已广泛应用于化工、食品、医药及废水处理等领域10。与传统分离收稿日期：2011-01-03修订日期：2011-10-24基 金 项 目：国 家“863”计 划 项目（项 目 编 号：2007AA10Z189，2006AA10A114）；“十一五”国家科技支撑计划项目（项目编号：2006BAD07A10）；国家现代农业产业技术体系专项（项目编号：nycytx-19）作者简介：王世清（1961），男，山东招远人，教授，主要从事农产品贮藏保鲜与加工。青岛青岛农业大学食品科学与工程学院，266109。Email:通信作者：杨庆利（1977），男，山东临沂人，副研究员，主要从事花生综合利用与花生功能食品开发。青岛山东省花生研究所，266100。Email: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的回路中进行，适合处理热敏性物质，同时，避免有效物质被氧化。该法在多糖类的提取中得到了应用11-14。而对于采用超滤膜分离纯化花生壳中 SDF的研究，目前国内外还未见报道。本研究以花生壳的 SDF粗提液为原料，从膜通量、SDF 得率和非淀粉多糖（non-starch polysaccharides，NSP）质量分数综合比较，探讨了膜分离的过程所需最佳膜截留分子量及该截留分子量下分离的最佳工作条件，旨在为花生壳 SDF 的开发和应用提供参考。1材料与方法1.1材料与试剂由山东省花生研究所莱西试验站提供，采用 2009 年秋天收获，品种为花育 19 的花生果的外壳，去除霉烂、虫害的花生壳后，用自来水洗净，恒温干燥箱中 80烘干，在植物粉碎机中粉碎，再经 50 目筛分，取筛下物作为提取 SDF 的原料。柠檬酸、无水乙醇、氢氧化钠、氯化钠、木糖、半乳糖醛酸、苯酚、咔唑、硫酸、过硫酸铵、N,N,N,N-四甲基二乙胺（TEMED）、盐酸羟胺、对氨基苯磺酸、-萘胺、硫酸亚铁、过氧化氢、水杨酸均为分析纯国产试剂；1,1-二苯基苦基苯肼（DPPH）进口分装试剂；标准葡萄糖（标准品）美国 Sigma 公司。1.2仪器与设备植物粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）；RO-NF-UF-4050/4100/4010 试验用膜分离装置/超滤器（上海摩速科学器材有限公司）；膜组件（PS-5 聚砜膜，PS-10 聚砜膜，PS-30 聚砜膜，PS-50 聚砜膜，截留分子量分别为5 000、10 000、30 000、50 000 Da，膜面积为 0.1 m2）；第 3 期王世清等：超滤膜分离纯化花生壳中水溶性膳食纤维279RE52CS-1 型真空旋转蒸发仪（上海亚荣生化仪器厂）；3K15 型冷冻离心机（美国 Sigma 公司）；TU-1800S 型紫外分光光度计（北京普析通用仪器有限公司）；TE212-L型电子天平（德国赛多利斯股份有限公司）；BZF50 型真空干燥箱（上海博迅实业有限公司医疗设备厂）；FA2104 型分析天平（上海民桥精密科学仪器有限公司）。1.3方法1.3.1SDF 提取液的制备花生壳 10 kg 经 80干燥，过 50 目筛，取筛下物 20g用质量分数为 3%的柠檬酸溶液 280 mL 浸泡，经微波提取得到的粗提液，再经 3000 r/min 离心 15min 的上清液即为提取液。微波提取的工艺条件为：浸泡时间 55 min、微波时间 4 min、微波功率 800 W、温度 90、料液比114 g/mL15。1.3.2膜分离装置采用上海摩速科学器材有限公司生产的 RO-NF-UF-4050/4100/4010 试验用膜分离装置/超滤器（见图 1）。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，分为分离液和截留液，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.原料液槽2.输液泵3.压力表4.膜过滤组件5.流量计6.溢流阀7.截留液回流控制阀8.分离液输出阀图 1膜分离设备示意图Fig.1Diagram of ultrafiltration equipment膜分离工艺为：取 SDF 提取液，采用 4 种不同规格的膜组件（PS-5、PS-10、PS-30、PS-50），在 25、料液比为 1100 g/mL、操作压力为 0.1 MPa、超滤时间为30 min 条件下进行膜超滤，收集截留液，取相当于截留液 4 倍体积的无水乙醇进行沉淀，沉淀经 50真空干燥24 h，得到 SDF 产品。1.3.3SDF 产品中 NSP 质量的测定NSP 的测定应用 Englyst 法：首先用体积分数为 5%的硫酸将 SDF 产品水解，然后水解液用分光光度法分别测定己糖、戊糖、糖醛酸质量，最后通过转换系数得到NSP 质量。其中己糖的测定：苯酚硫酸法16；戊糖的测定：地衣酚比色法17；糖醛酸的测定：咔唑硫酸比色法18。根据己糖、戊糖、糖醛酸质量可计算出 NSP 质量，计算公式如下NSP 质量=己糖质量0.9+戊糖质量0.88+糖醛酸质量0.811.3.4评价指标的确定NSP 的质量分数（%）=NSP 质量/SDF 质量100式中，NSP 质量为 1.3.3 中公式计算结果，mg；SDF 质量为 80 mg。SDF 得率（%）=G1/G2100式中，G1为膜滤后 SDF 的质量，g；G2为未膜滤 SDF 粗品的质量，g。J=V/(S t)式中，J 为膜通量，L/(m2 h)；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。蛋白含量参照 GB/T5009.5-200319测定。1.4数据处理方法采用 Microsoft Excel 软件处理数据，所有试验重复 3次，取平均值作为试验结果。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（PS-5、PS-10、PS-30、PS-50，截留分子量分别为 5 000、10 000、30 000、50 000Da），在 25、料液比为 1100 g/mL、操作压力为0.1 MPa、超滤时间为 30 min 条件下，对 SDF 提取液进行浓缩纯化试验。从表 1 中可以看出，4 种不同规格的膜组件对 SDF 提取液去蛋白和纯化效果不同。由于 4 种膜组件截留分子量不同，对 SDF 提取液除杂效果也不同，截留分子量越大，效果越好。粗蛋白质量分数随着膜截留分子量增大而不断减少，PS-50 粗蛋白的质量分数从5.53%降到 0.78%。4 种膜组件纯化后所得 NSP 质量分数均大于未经纯化处理的 49.85%，PS-5 纯化 SDF 得率最高为 87.76%，但是 NSP 的质量分数最低为 64.09%，说明得到的 SDF 纯度较低，含有较多杂质；PS-30 和 PS-50纯化 SDF 的 NSP 的质量分数相近，分别为 90.29%和96.65%，而 PS-30 所得 SDF 的得率为 63.94%，远高于PS-50 所得 SDF 的得率 17.38%。从粗蛋白的质量分数、SDF 的得率和 NSP 的质量分数综合进行选择，PS-30 为纯化 SDF 最佳膜组件。表 1不同截留分子量膜组件纯化 SDF 效果Table 1Effects of membrane module with different molecularweight cut-off on purification of SDF%膜组件水溶性膳食纤维（SDF）得率非淀粉多糖（NSP）质量分数粗蛋白质量分数PS-587.7664.093.96PS-1074.3972.472.98PS-3063.9490.291.24PS-5017.3896.650.78未用膜10049.855.53注：温度为 25、料液比为 1100 g/mL、操作压力为 0.1 MPa、超滤时间为 30 min2.2膜分离工艺参数的确定2.2.1超滤过程中操作压力的确定压力是超滤分离的原始推动力，压力对膜通量具有重要意义。同时组件的进出口之间有一个压力损失称之为压力降。压力降大，说明处于下游的膜未达到所需要的工作压力，因而直接影响组件的透水能力。因此实际农业工程学报2012 年280应用中尽量控制压力降值不要过大。本研究中由于膜设备制造工艺的原因，当压力超过 0.1 MPa 时，系统工作不稳定。于是，选择 PS-30 膜组件，采用料液比 1100 g/mL的料液，温度为 25，在操作压力分别为 0.04、0.06、0.08、0.10 MPa 下分别考察不同操作压力对膜通量的影响，结果见图 2。由图 2 可见，当超滤压力为 0.04 MPa 时膜通量较小，且随时间而衰减，20 min 后就达到稳定，膜通量衰减变化不明显。当压力为 0.10 MPa 时，膜初始通量是125.88 L/(m2 h)，约是 0.04 MPa 初始通量的 2 倍，但随时间降低幅度大，25 min 后趋于稳定。当压力为 0.06、0.08 MPa 时，膜通量也较大，且随时间变化幅度降低较小，25 min 后稳定。试验结果表明，压力越高，膜通量衰减越大，这是由于过高的压力会造成动力消耗增加；而压力越低，虽然膜通量衰减较小，但较低的膜通量不能满足生产能力需要。因此，选取的压力范围在 0.060.08 MPa 之间为宜。注：PS-30 膜组件，料液比 1100 g/mL，温度 25图 2不同压力下超滤膜通量与时间关系图Fig.2Effect of pressure on membrane flux2.2.2超滤过程中适宜料液比的确定料液比对膜通量影响较大19。选取 PS-30 膜组件，分别取料液比 150、175、1100、1125 g/mL，在0.08 MPa 压力和 25条件下进行超滤，30 min 内每隔5 min 测膜通量，结果见图 3。注：PS-30 膜组件，压力 0.08 MPa，温度 25图 3不同料液比下超滤膜通量与时间关系图Fig.3Effect of ratio of material to liquid on membrane flux图 3 中膜通量从运行开始迅速衰减，这说明料液在膜表面迅速形成浓差极化，20 min 后膜通量趋于稳定。料液比不可过大，过大则膜通量较低；但不可过低，过低会增加超滤时间。因此，从节约操作时间和延长膜寿命考虑，选用料液比在 1751100 g/mL 范围内。2.2.3超滤过程中适宜操作温度的确定温度对膜通量的影响比较复杂，应综合考虑膜的性能、保养、预期截留率等多种因素。由于聚砜膜的正常适用范围为 1050，因此考察了 PS-30 膜组件，料液比为 1100 g/mL 的料液，膜操作压力为 0.08 MPa，温度分别为 15、25、35、45条件下，时间 30 min，温度变化对膜通量的影响，结果见图 4。注：PS-30 膜组件，料液比 1100 g/mL，压力 0.08 MPa，时间 30 min图 4温度对超滤膜通量的影响Fig.4Effect of temperature on membrane flux由图 4 可见，温度分别为 15、25、35 和 45时，则膜通量分别为 76.5、93.99、111.13 和 123.51 L/(m2 h)。随着温度的升高，膜通量增加。这是由于在一定范围内，温度升高，料液黏度下降，扩散系数、传质系数及多糖溶解度增大，与水的亲和力也增大，相应会减少浓差极化。但温度提高导致了截留率的降低，这是由于温度升高致使截留膜性能和溶液理化性质的改变。因此，综合考虑温度对溶液性质和膜性能的影响及预期截留率、工业生产成本等因素，温度应控制在 40以下。最佳工艺的优化设计：以 PS-30 作为纯化 SDF 的膜组件，固定超滤时间为 30 min。本试验主要影响因素为 3个，分别是料液比、操作压力、操作温度，试验在上述对设备与工艺分析允许的范围内每个因素取 3 个水平。因素水平表见表 2。表 2因素水平表Table 2Table of levels and factors因素水平A压力/MPaB料液比/(g mL-1)C温度/10.061752020.071853030.0819540本试验的目的是通过试验使指标膜通量最大，正交设计按 L9(33)安排试验。所得结果按极差和方差分析法分别进行分析，正交设计及方差分析分别见表 3，表 4。第 3 期王世清等：超滤膜分离纯化花生壳中水溶性膳食纤维281表 3试验结果数据表Table 3Table of experiment results因素试验号压力 A料液比 B温度 C膜通量/(L m-2 h-1)11（0.06）1（175）1（20）101.2212（185）2（30）110.9313（195）3（40）83.542（0.07）12104.9522379.7623187.473（0.08）13100.78321115.79332126.5k198.533102.267101.433k290.667102.100114.100k3114.30099.13387.967R23.6333.13426.133910.5注：PS-30 膜组件，时间 30min从表 3 中可知，9 号试验 A3B3C2的膜通量最高为126.5 L/(m2 h)。根据极差的大小判断，各因素作用的主次顺序为 CAB，即温度压力料液比，最优水平组合为A3B1C2。方差分析结果见表 4。表 4正交试验方差分析表Table 4Table of variance analysis of orthogonal experiment方差来源平方和 SS自由度 dfF比F0.05F0.10显著性A869.007272.781B18.64721.562C1 024.747285.825误差11.94219.09.0*注：*为差异显著，P0.05。从方差分析表 4 可以看出，温度和压力对膜通量的影响差异显著（P压力料液比，最优水平组合为 A3B1C2，这与用极差的判断结果一致。由于表中没有 A3B1C2组合，必须对其进行验证性试验。以 A3B1C2组合条件，即压力为 0.08MPa、料液比为 175 g/mL、温度为 30，进行了 3 次重复试验，试验结果膜通量达到 127.2 L/(m2 h)。与正交试验中 9 号试验 A3B3C2的膜通量 126.5 L/(m2 h)相比较，要好于 9 号试验结果。因此，最终确定最佳的膜分离工艺条件为 A3B1C2组合。2.2.4超滤和未经超滤制得 SDF 的组分比较将花生壳 SDF 过滤、离心浓缩后，未经任何纯化直接加 4 倍体积的无水乙醇醇沉制得的 SDF 粗品19，与经过PS-30的超滤膜浓缩制得的SDF产品成分比较如表5所示。表 5膜工艺分离纯化试验结果Table 5Experiment results of separating and purifying bymembrane technology%名称未超滤 SDF超滤后 SDFSDF 得率100.0067.56NSP 的质量分数49.8592.36粗蛋白质量分数5.530.92注：未超滤工艺条件：浸泡时间 55 min、微波时间 4 min、微波功率 800 W、温度90、料液比114 g/mL；超滤工艺条件：PS-30膜组件、压力0.08 MPa、温度 30、料液比 175 g/mL、时间 30min。表 5 结果显示，经膜超滤得到的花生壳 SDF 的得率达到 67.56%，NSP 的质量分数由 49.85%提高到 92.36%，而蛋白质量分数从 5.53%降到 0.92%，超滤效果较显著。与传统的提取法比较，经超滤处理生产的水溶性膳食纤维产品中粗蛋白含量明显下降，产品纯度高。整个超滤试验均有较好的膜通量，且生产周期短，每次超滤只需 30 min 时间；成本低，按每吨花生壳粉的价格为 300元计算，经超滤得到的水溶性膳食纤维产品的成本约为5555 元/t。3结论1）采用膜分离技术对水溶性膳食纤维提取液进行处理，研究了 4 种不同截留分子量的膜过滤组件对水溶性膳食纤维提取液的提取效果，从水溶性膳食纤维得率、非淀粉多糖质量分数、粗蛋白质量分数考虑，PS-30（截留分子量 30 000 Da）效果较好。2）研究了膜组件 PS-30 操作压力、操作温度、料液比对膜通量的影响，试验结果表明：膜超滤最佳条件为压力 0.08 MPa、料液比 175 g/mL、温度 30时，膜通量达到 127.2 L/(m2 h)。在此条件下，得到的水溶性膳食纤维的得率达到 67.56%，非淀粉多糖的质量分数由49.85%提高到 92.36%，而蛋白质量分数从 5.53%降到0.92%，超滤效果明显。参考文献1Elke T,Ronald P M.Water-soluble dietary fibers andcardiovascularJ.Physiol Behav.2008,94(2):285292.2Kutos T,Golob T,Kac M,et al.Dietary fiber content of dryand processed beansJ.Food Chem.2003,80(2):231235.3Dashti B,Al-Awadi F,Khalafawi M S,et al.Soluble andinsoluble dietary fiber in thirty-two Kuwaiti dishesJ.FoodChem.2003,83(4):557561.4Yeh S L,Lin M S,Chen H L.Inhibitory effects of a solubledietary fiber from amorphophallus konjac on cytotoxicity anddna damage induced by fecal water in Caco-2 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ultrafiltration wasconducted using membrane with different molecular weight cut-off and optimizing membrane separation processconditions.The results showed that PS-30 polysulfone membrane had the best separation effect under the operatingconditions of pressure 0.08 MPa,ratio of material to liquid 1:75 g/mL,temperature 30.Under these conditions,themembrane flux reached 127.2 L/(m2 h),the yield of SDF was 67.56%,non-starch polysaccharides(NSP)quality fractionincreased from 49.85%to 92.36%,and the protein quality fraction decreased from 5.53%to 0.92%.Compared with theconventional extraction method,ultrafiltration membrane separation technology has the advantages of short producingcycle,low manufacturing cost and high purity and quality.Key words:separation,purification,membrane,optimization,filtration,peanut hull,water-soluble dietary fiber