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1、 油脂专业 一.一一一. 一一一一膜法分离蛋白工艺中几个问题的研究 郑伟刘葆仁( 上海市粮食科学研究所，上海2 0 0 0 6 3 )摘 要 超滤膜分离 技术是最有发展前途的重大生产技术之一，目 前正得到日 益广泛的应用。该技术应用于大豆分离 蛋白的工业化生产，目 前尚处于研究试验阶段。膜的污染是阻碍超滤膜技术应用于蛋白 质分离 的 重 要因 素。 文中 $ t 大 豆蛋白 为对象， 着重 研究了p H 值、 膜的 种类 和膜污 染 之间 的关系 。关 健 词 超 滤 膜 K l 值 ; 大 豆 蛋 白 ; (Y1 染 ; 吸 呱0 前言 在超滤膜的分离操作中， 膜的污染是限制其应用的一个重要
2、因素，它主要是由浓差极化和吸附等所引起的。然而，蛋白质在膜表面的吸附是一个无法避免但可设法减轻的现象， 蛋白质的分子量，蛋白 质的 性质， 膜的孔 径大小、 ， 材质、 表面 特性以 及介质的声值、 浓度、 温度等 都会对蛋白 质 在膜 表面的吸附产生影响。在以往所见到的文章中， 作者通常是以各种标准分子量蛋白质作为研究对象，如牛血清蛋白 ( 平均分子量6 7 0 0 0 左右) 、卵清蛋白 ( 平均分子量4 3 0 0 0 左右) 、细胞色素C 等 ( 平均分子量1 2 0 0 0 左右) 。然而， 在实际生产中，比 如大豆分离蛋白生产中，由于所得的大豆分离蛋白并不是一个单一的组分 主要由7
3、 s , 1 1 : 等组分组成) ， 而且大豆分离蛋白的等电点，以及其它物理、 化学性质也不同于上述标准分子量蛋白质， 所以以标准分子量蛋白质为对象得到的结果并不适用于大豆分离蛋白的生产中。 为 此， 我 们以 大豆 分离蛋白 为 对 象， 着重研 究了p H 值在不同种 类的 超滤 膜上 对蛋白 质在膜 表面吸附的影响，希望这项研究能够促进用超滤膜分离大豆蛋白这项工艺的应用。1 实验部分L 1 材料和试荆 大豆分离蛋白:吉林不二蛋白有限公司 氢氧化钠:分析纯，上海试剂四厂 盐酸:分析纯，上海振兴化工厂1 . 2 仪器 杯式超滤膜评价仪:中国科学院上海原子核研究所 P F S 一 2 0 0
4、 超滤膜:中国科学院上海原子核研究所 P V D F 一 ， 0 0 超滤膜:中国科学院上海原子核研究所 P A N 一 ， 0 0 超滤膜:中国科学院上海原子核研究所 精密声计: 上 海雷磁仪 器厂 ( 精确至p H 0 . 0 1 ) 精密压力表:上海自动化仪表四厂 ( 精度0 . 4 级)作者简介: 郑伟， 男， 1 9 6 8 年6 月生， 工程师; 上海市兴复西路4 4 1 号。 2 5 0中国粮油学会首届学术年会论文选编 石英电子秒表:上海手表五厂 ( 精确至0 . 0 1 秒)1 . 3 结果与讨论 首先，测定纯蒸馏水在实验用膜上的水通量。然后，在蒸馏水中仅仅加人微量的N a O
5、 H溶液或稀H C l 溶液， 调节其p H 值， 分别测定实验用膜的水通量，比 较二者的不同。测定温度为1 2 0 T ( 下同) 。结果见表1 ，图1 、 2 , 3 , 表1 p H 值与膜的水通f的关系 ( 同一张膜， 操作压力0 . 2 士 0 . 0 2 M P a )P F S一2 0 0P V DF一7 0 0P AN 一7 0 0p H值1 . 9 82 . 0 02. 9 64. 0 64. 9 450 85 . 7 26. 9 19. 1 29. 3 7膜的水通量Um ? . h8 5. 1 1膜的水通量膜的水通量 L / m = h7 6 1 . 0 6如佣582367
6、以727733742678707卿8 7. 2 27 3 . 3 27 2. 6 36 7. 8 76 8. 2 36 6. 4 76 8 . 9 96 4 . 7 96 7 . 41p H值纯水9. 8 17. 9 47. 3 36. 1 55. 4 44. 3 73. 8 82. 7 81 . 9 3L / m 2h1 3 9 7. 8 51 1 2 0. 0 51 1 1 9 . 9 91 1 0 9 . 8 71 1 2 9 . 3 61 2 1 1 . 1 61 2 1 0 . 0 81 2 3 5 . 7 71 2 1 6. 4 31 0 3 4. 0 5P H 值纯水1 0. 6
7、 290 47. 5 76. 4 75. 5 44. 2 83. 2 42. 0 58 1 6. 8 38 51 . 0 9一;。9080会 7 0“ 加 、， 一 一 一一 一 一一 一 6G别40加20103之暇国戮2 3 4 56 7 8 9曲图1 P F S 一 2 0 0 膜 T o 一 P H曲 线2 51 油脂专业 一一一， 一一-一.L 130 0 的引 D n山、暇或谈1 1 的2 3 4 5 6 7 8 9班图2 P V D F 一 ? 0 0 膜 T o 一 p H曲 线9 0 ( 护仑8 0 n 八U 7伯之暇喇遥5 0 0 - , 岌15 6 7 8 9 1 0 1
8、1 p H 图3 P A N 一 7 0 0 膜 T o 一 p H曲 线 由 图1 , 图2 , 图3 可见， 在操作压力恒定、 温度恒定、 叫 值不同的 条件下， P E S 膜、 P V D F 膜、P A N 膜的水通量并不相同， 而且其变化无规律性。因 此，在定义膜污染度 F a - 时，这样定义:F A = 会 10 0 %其中:T ， 为某个p H 值下膜被蛋白 污染后的 纯水通量， T o 为同 一p H 值下未 被污染 膜的 水通量。 配制0 . 5 %的大豆蛋白液。取一张膜，编号，装在杯式超滤膜评价仪上。取一定量蒸馏水，仅仅加人 微量N a O H 溶 液或稀H C I ,
9、 测 定叫值， 倒人超 滤膜评价仪， 测定水的 通量。 取一定量的0 . 5 % 大豆蛋白 溶液， 用N a O H 溶液或稀H C I 调节 到相同 p H 值， 倒人三角 烧瓶中， 将超滤膜也 放人三角烧瓶中，让膜的活性面充分接触蛋白液，振荡 1 h ，取出膜，装在杯式超滤膜评价仪上，测定水通量。用不同的2 5 2中国粮油学会首届学术年会论文选编膜在不同的叫 值下重复这一步骤。结果见表2 , 3 . 4 ， 图4 , 5 , 6 表2 p H 值与膜的污染度的关系 ( P E S 一 2 0 0 膜) ( 操作压力0 . 2 士 0 . 0 2 N P a )膜编号污染前膜的水通量T /
10、L ( . = h ) 一 I污染后膜的水通量T u .几( n = - h ) 一 膜的污染度8 8 . 8 61 0 2 . 4 21 0 5. 1 41 3 4. 9 47 6. 6 81 0 4 . 3 09 8. 3 71 1 3. 6 21 0 9 . 2 99 8 . 1 95 9. 1 85 4. 4 46 8 . 0 67 5. 8 06 5. 8 85 7. 7 86 79 66 5. 8 67 3. 9 85 7. 9 5F a / %6 6. 6 05 3. 1 56 4. 7 35 6. 1 78 5. 9 25 5. 4 ( 16 9. 0 95 7. 9 76 7
11、. 6 95 9- ( r -010150肠，、4斗气1，乙气，jq气6. 0 17. 0 38 . 0 12. 0 14. 9 9 表 36789lCp H 值与膜的污染度的关系 ( P V D F - 7 0 0 膜) ( 操作压力0 . 2 t 0 . 0 2 M P a )膜编 号P H值3. 004. 0 04. 5 25. 0 16. 0 07. 0 18 . 0 09. 0 12 . 00 表 4污染前膜的水通量T/ L ( . ? h ) 一 污染后膜的水通量T R / L ( 澎. h ) 一 1 1 0 7 . 9 2 3 9 7 . 6 6 1 9 0 8. 3 2 9
12、3 1 . 3 9 1 8 3 6. 3 3 1 2 0 2 . 4 8 1 8 1 1. 5 3 1 2 1 抖. 5 4 1 7 7 0. 铭3 2 3 . 0 3 1 8 0 1 . 7 6 3 3 6. 9 8 1 8 1 2. 4 8 3 8 2. 2 9 1 3 9 6. 0 7 4 7 5. 9 8 1 3 6 9 . 0 5 2 0 8 . 2 4P H 值与膜的污染度的关系 ( P A N 一 7 0 膜) ( 操作压力0 . 2 - 0 . 0 2 M P a )膜的污染度 F , / % n 3 5 . 8 9 4 8 . 8 1 6 5. 4 8 6 6 . 4 9 1
13、 8 . 2 5 1 8 . 7 0 2 1 . 0 9 3 4. 0 9 1 5. 2 12345678910膜编号P H值污染前膜的水通量T o / L ( 而 h ) 一 污染后膜的水通量T w / L ( m - - h ) 一 I膜的污染度 F u / %1 2. 的8 3 8. 5 92 3. 0 0 7 2 8. 7 23 4田7 3 9. 1 54 4. 5 1 6 0 3. 1 55 5. 0 1 7 4 7. 7 36 5. 9 9 8 1 0. 6 37 7. 的5 0 4 . 7 38 8. 田6 2 3. 8 69 9. 0 0 5 9 9. 6 24 3 0. 1
14、13 7 5. 913 5 2趁4 9 2 . 8 73 0 5. 0 83 2 9. 9 73 3 3. 8 04 8 1 . 6 24 5 3. 3 051 . 2 951 . 5 84 7. 6 881 . 7 24 0. 8 14 0. 7 16 6. 1 37 7. 2 07 5 . 6 02 5 3油脂专业产爹640o r一z37 8图4 P E S 一 2 0 0 膜 F ， 一 p H曲线而9080706050 承、之2 3 4 5 6 7 8 9四图5 P V D F 一 7 0 0 膜 F W 一 p H曲 线 市场上的大豆分离蛋白并不是一个单一组分的物质，它主要是由大豆球
15、蛋白组成 大豆中另有大豆清蛋白，由于是非酸沉蛋白，在传统的 “ 碱溶酸沉”工艺中，被除去了) ，主要为 1 1 S和7 S 蛋白，另有少量2 S 和1 5 S 等。1 1 S 球蛋白的分子量约为3 5 万， 为疏水性聚合体; 7 S 球蛋白的分子量为1 4 - 1 7万， 为亲水性聚合体。 大豆分离蛋白的 等电点为1 .H 月 . 5 左右。实验中也观察到，在等电 点附近，即从 2 5 4中国粮油学会首届学术年会论文选编八八川.曰曰，爹、 、 _ 万一 工 一吐 .一 Jse we esesjesesesee . Jes. 一esee 曰 Leses es L. . . to2 3 4 6 6
16、 7 8 9 P H一尹一十! 908070605040302010图6 P A N 一 7 0 0 膜 F * 一 p H曲线p H 4 变化到p 8 5 时， 蛋白 液都 会出 现 非常明 显的 沉淀现 象， 而在 其他p H 值 条件下， 蛋白 液呈 现较为 稳定的状态，不发生沉淀、分层等现象。 按照以往文献上的描述，由于在等电点附近时.蛋白质分子不带电荷，分子间的斥力最小，所以蛋白液容易发生凝聚、沉淀现象，而且蛋白质分子容易在膜的表面附集，所以此时膜的污染程度最重。然而，在本次实验中，我却观察到一些不完全相同的结果。 从图5 中 可以看出， 对于P V D F - 7 0 0 型超滤膜
17、， 在靠近蛋白 质的等电点的叫 范围内，瓜 值呈现出 一 个最大 值。 我们 对此 现象的 解释是， 在p H 4 一 p H 5 这个范围内， 蛋白质分子间的斥力很小， 蛋白质凝结成较大的团块而析出，由于 P V D F 膜是疏水性膜， 而大豆蛋白具有明显的亲水性，因而在膜表面的吸附减小， 于是在等电点附近的F * 值比 较大。 而对于图6 中的曲 线， 则可以这样解释: P A N 一 7 0 0 型超滤膜是一种亲水性的膜，在p H 4 一 p H 5 这个范围内，蛋白质分子间的斥力很小，蛋白质凝结成较大的团块而析出，并且附在膜的表面，因而在此p H 范围内的F w 值较低; 但是在p H
18、 4 . 5 时，由 于这个声 值正好是大豆蛋白的等电点， 大豆蛋白 液中的蛋白质几乎都已凝聚成较大的团块，( 相对于膜的孔径而言，这种团块可以说是巨大了) ，蛋白液中只剩下极少的游离蛋白分子，此时膜表面被蛋白质分子堵塞的微孔反而较少，虽然有不少蛋白质团块粘附在膜表面，但由于凝结成的蛋白质团块尺寸相对水分子而言非常巨大 ( 这种团块肉眼可见) ，而水分子仍可以 从其间隙中自由通过，因而此时的F l , 值反而呈现出一个非常狭窄的峰值。2 结论 近年来发展起来的大豆分离蛋白， 是大豆制品中的精华， 其蛋白含量可达9 0 %以上，可以作为一种功能性成分添加到各种食品中，赋予食品良好的弹性、保水性、
19、上佳的口味和增加食品的蛋白质含 2 5 5 油脂专业量 然而， 传统的大豆分离蛋白 生产工艺， 即所谓 “ 碱溶酸沉”工艺， 是利用大豆球蛋白 在不同p H条件下的溶解度差异来分离大豆中的蛋白质和豆渣的: 先用稀碱液 ( p H 9 左右)浸泡低温脱脂豆粕， 蛋白 质溶于稀碱液之中， 用离心机将蛋白液与豆渣分离， 然后用食用盐酸调节州 值达到p H = 4 . 5 的 等电点，大豆球蛋白沉淀出来， 加以分离， 喷雾干燥制成成品， 而大豆中的清蛋白 ( 它是非酸沉蛋白，约占 蛋白质总量5 %)则无法提取出来而留在了废水中。因此，这种工艺必然影响蛋白的得率，又产生大量高浓度的有机废水，污染环境，
20、难以处理，它严重阻碍了大豆分离蛋白的推广。 膜分离技术，尤其是超滤膜技术，是近几年来迅速发展的一项重大生产技术。它虽然在团年代起就已经在医药、生化等领域得到应用，但由于当时的技术尚不够成熟，以及高昂的成本，无法在环保、食品加工等行业推广。随着近几年来膜制造技术的日益成熟、完善，膜分离工艺的成本已经大幅降低，人们经常可以看到将超滤膜技术应用到食品加工等行业的研究报告。但是， 将超滤膜技术应用于大豆分离蛋白的工业化生产中， 国内尚 处于研究阶段， 这方面的报道尚少， 而且内容不够详细、 全面，美国在这方面也还处于工业化生产试验阶段。本次研究的内容可为超滤膜技术在大豆分离蛋白生产工艺上的应用提供一些
21、依据。 从本次研究的结果来看，亲水性超滤膜和疏水性超滤膜都可以应用于大豆分离蛋白的生产中，但是其工艺条件具有很大的不同。对于疏水性超滤膜，如P V D F - 7 0 0 型膜，在用于大豆分离蛋白生产时应选择接近其等电点时的p H 值， 此时由 于大豆蛋白的分子表现出 亲水性， 而膜具有疏水性，因而蛋白在膜表面的吸附减少，超滤膜可以保持较大的工作通量。而对于亲水性的超滤膜，如P A N 一 7 0 0 型膜，则应选择远离大豆蛋白 等电点的p H值， 最好是偏碱性的操作条件， 此时蛋白 质分子在膜的表面吸附较少， 可以获得较大的 膜通量。 虽然图中 在等电 点p H = 4 . 5 处有一个膜通
22、量的 极大值， 但在实际生产中，此操作点很难掌握，略有偏差即会落人膜通量的低谷之中。 由于本次研究的结论是从小试中得出的，与实际生产的条件尚有一定的差距，因此，要让超滤膜技术在大豆蛋白的生产中真正走向成熟，尚需进行进一步的研究工作。3 下一步研究的内容和方向 本次研究的目 的是研究介质的p H 与蛋白 质分子在膜表面吸附之间的关系， 为了 排除诸如蛋白 质的浓度变化、 膜表面的浓差极化现象、温度、操作压力对超滤膜通量的影响等因素的干扰，故在实验设计中选择了恒定蛋白液浓度、恒定温度、恒定压力、选择成品大豆分离蛋白、采用振荡吸附的方法，来 研究介质的p H 与蛋白 质在 超滤 膜表面吸附的 规 律
23、。 本次 研究发现了 一 些新的 现 象， 例如 恰好 在大豆蛋自的等电点处时， 蛋白在膜表面的吸附量有个突变，表现在此时膜的通量有一个狭窄的峰值，这在以往的文献中未见报道。本次研究的结果对将超滤技术应用于大豆分离蛋白的生产具有一定的指导意义。 但是在实际生产中，对于间歇的超滤操作而言，随着操作的进行介质的浓度在不断发生变化， 而且在接近膜表面的液层中，蛋白的浓度会远高于介质主体， 发生所谓的 “ 浓差极化”现象，这些因素都会影响超滤膜的通量。若要让超滤技术走向成熟，真正应用于工业生产，上述的浓度因素，浓差极化因素，实际生产的料液中其它微小颗粒的影响等因素都必须考虑在内，而这诸多因素之间的关系
24、，必须通过进一步的实验研究加以解决。因此， 下一步的工作这样考虑:1 . 将成品大豆分离蛋白配成接近实际 生产中 的 浓度的 蛋自 液， 选 择一 个适合 所用膜的p H 值， 用 压滤的 办法研 究蛋白 液浓 度与通量之间的关系; 2 . 将低温豆粕研磨至一定细度， 用p H 9 左右的稀碱液提取蛋白， 除去豆渣后，用此粗蛋白液 ( 含有其它杂质， 如大豆低聚糖、 细小的豆渣等)进行实验，研究生产中蛋白液中的其它成分对超 2 5 6一一- - ， ，. . . . . ，.中国粮油学会首届学术年会论文选编滤操作膜通量的影响参考文献膜分离技术基础 . 北京:科学出版社，1 9 8 9膜法分离技
25、术及其应用 _ 北京:中国环境科学出 版社， 1 9 9 1德 R R a u t e n b a e h 膜工艺 ( 王乐夫译). 北京: 化学工业出版社9 9 8-I - h i t o M u k a i . E ij i In t a n i a n ti T o = h i m M a s s e . F r a c t i o n a t i o nR A N I O N A N D T E C I4 N O L O C l V . 1 9 9 8 , 3 3 ( 2 ) : 1 6 9 一1 8 5C h a r a c te r i s t i c s o f B i n a
26、ry P r o t e i n M l a u m ; 场 U l t m f i l t r a t i o n5 曰 1 内( 5 ) E Ir ita n i , S T w h i . T M u r a s e . In fl u e n c e o f p m te i n a d s o r p tio n o n fl - re s is ta n ce o f n u c m f itt ra t io n m e m b r a n e . C O L L O R ) A A N D S U R F A C E S. 1 9 9 4 , 8 9 : 1 5 一2 2( 6
27、 )陆晓峰. 陈仕意， 刘光全，王彬芳超滤膜的吸附污染研究膜科学与技术 . 1 9 9 7 , 1 ; 3 7 - 4 1; 7 )沈再春. 沈群，费晓书. 赵蕴秋 . 国内外大豆分离蛋白 生产的现状、 差距及建议 9 8 中食 协植委会年会文集 8 李书国大豆分离蛋白生产新工艺的研究西部粮油科技1 9 9 8 , 4 ; 3 5 一 3 8( 9 李书国超滤膜的污染原因及清洗方法_ 食品科学 _ 1 9 9 9 , 2 : 2 8 - 3 0( 1 0 ) fv闰达， 张淑茹提高大F分离蛋白得率的研究食品科学 . 1 9 9 8 , 7 ; 1 4 -1 7( 1 门 崔岸， 胡勇 有大豆蛋白超滤中污染膜的清洗研究. 食品与发酵1 = 业. 1 9 9 8 , 6 : 2 4 - 2 6( 1 2 )周 瑞宝 周兵大豆7 S 和 I 1 5 球蛋自的结构和性质中国粮油学报 . 1 9 9 8 , 6 : 3 9 - 4 2( 1 3 二汪学德， 祁鳗， 李敬欣， 3 Y a川 . 低变性大豆蛋自的生产工艺中国粮油学报 _ 1 9 9 8 , 6 : 4 3 一 4 5( 1 4 宋洪亮 . 大豆分离蛋自酸沉技术杭州食品科技1 9 9 8 . 4 : 1 3 - 1 82 5 7， 矛 碑 州 ，
