陶瓷膜超滤纯化香菇多糖及其相对分子质量的测定

摘 要：采用截留分子量为104 u的陶瓷超滤膜纯化香菇多糖溶液，考察运行时间、跨膜压差（TMP）、稀释倍数和操作温度对膜通量的影响，分析各条件下稳定通量的变化规律。

关键词：香菇多糖；陶瓷膜；高效凝胶渗透色谱

中图分类号：S646.1+20.1 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2013）11-0115-05

香菇（Lentinus edodes）属于担子菌纲侧耳科（Pleurotaceae）真菌，是世界名贵食用兼药用菌之一，它含有多种有效药用成分，尤其是含有抗病毒、抗肿瘤、调节免疫功能和降血糖等生物活性功能的香菇多糖。据报道，分子量大于400 ku的香菇多糖是使其具有抗肿瘤生理活性的主要成分[1～5]。糖类的提取、分离、纯化技术复杂，需在得到多糖粗提液后，除去其中杂质，然后进行混合糖的分离与纯化，工作量较大，技术过程繁杂，常需要采用多种纯化方法[6]。传统的多糖提取纯化方法实验步骤和使用的化学试剂较多，涉及到的仪器较复杂，精制多糖产品的产率较低，不利于后续大规模的生产，而且对环境也有一定的危害。近年发展起来的超滤技术，常用于对多糖样品的脱盐、分级、浓缩[7]。超滤膜分为有机膜和无机膜，采用有机超滤膜分离得到的多糖成品在纯度、色泽等方面均较好，但由于有机膜自身的缺陷，如不耐高温、不耐酸碱、机械强度不够、不耐有机溶剂、易于堵塞、不易清理等，大分子多糖会对其造成不可逆污染，所以，不适合用于香菇多糖的纯化[8～10]。相较于有机膜，无机陶瓷膜主要有以下优点：热稳定性高，耐化学腐蚀，机械强度大，抗微生物能力强，分离效率高等[11]。因此，本研究选用陶瓷超滤膜对香菇多糖溶液进行纯化处理，探讨影响香菇多糖纯化过程的主要因素，以确定适合工业生产的技术参数。

多糖分子量的测定常采用超离心法、渗透压法、粘度法等，但这些方法比较麻烦且误差较大。高效凝胶渗透色谱法（HPGPC）是20世纪70年代后发展起来的测定多糖纯度及相对分子质量的有效方法，具有快速、分辨率高和重现性好的优点[12]。本实验即采用HPGPC法对陶瓷膜超滤纯化的香菇多糖分子量进行测定。

1 材料与方法

1.1 实验仪器

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 香菇子实体→粉碎→热水浸提→合并提取液后浓缩→乙醇沉淀→真空干燥→粗提取物→Sevag法脱蛋白→陶瓷膜超滤纯化→真空干燥→精制香菇多糖

1.2.2 陶瓷膜超滤浓缩实验方法 陶瓷超滤膜实验设备如图1所示。实验前先检查设备管道连接处是否漏水，确定设备运行正常后，将循环罐中的水放掉，然后把稀释后的香菇溶液逐渐加入到循环罐中，并控制K1、K2阀门调节压力，打开冷凝装置调节温度，测定滤液出口处（图1中7处）流出液的通量。

1.2.3 膜通量的计算

图1 陶瓷超滤膜实验设备示意图

1.2.4 苯酚-硫酸法测定多糖含量

1.2.6 紫外光谱测定 以0.1 mol/L氢氧化钠为溶剂，将多糖配制成1 mg/ml的溶液，进行紫外扫描，观察280 nm和260 nm处是否有吸收峰，以确定样品中是否含有蛋白质和核酸。

2 结果与分析

2.1 陶瓷膜超滤香菇多糖的影响因素分析

2.1.1 运行时间对膜通量的影响 在陶瓷膜超滤浓缩香菇多糖的过程中，膜通量随时间延长会有不同程度的降低。在跨膜压差（TMP）为0.08 MPa、操作温度40℃、料液比为1∶4的条件下，膜通量随时间的延长呈下降趋势，在前40 min，膜通量下降较快，40 min后下降缓慢，50 min后趋于平稳，基本稳定在（图4）。

图4 膜通量随超滤时间的变化

这可解释为在初始阶段，香菇多糖分子在膜表面被大量截留，使得膜表面很快出现浓差极化现象，形成较厚的凝胶层，致使膜通量快速下降[14]，此阶段的通量称为初始通量；随着时间的延长，香菇多糖分子不断沉积在膜面上，同时又不断被错流循环的流体带走，当两个过程达到平衡时，凝胶层的厚度基本保持不变，过滤阻力基本恒定，使膜通量达到一稳定值，即稳定通量。由于循环过滤初期的初始通量衰减很快，而达到稳定后能维持很长时间，因而在设计膜组件所需的膜管数量时，应根据稳定通量进行计算[15，16]。

2.1.2 跨膜压差对膜通量的影响 跨膜压差（TMP）是指在泵的作用下，料液在闭路的陶瓷膜系统中按照一定的方向进行循环过滤时，陶瓷膜膜管两侧产生的压力差值。TMP的大小直接影响着陶瓷膜的渗透通量。在温度30℃、料液比1∶4的条件下，考察TMP分别为0.03、0.05、0.08、0.11 MPa时膜通量随时间的变化，结果（图5）显示，加入多糖溶液后的最初20 min内，初始通量下降非常快，40 min后趋于稳定；TMP越大，膜通量越高。这是因为随着时间的延长，多糖颗粒在膜面的沉积加剧并逐渐形成凝胶层，渗透阻力加大，且部分多糖颗粒会被压入膜孔内，造成膜孔内部污染，膜初始通量大幅降低，并最终随着凝胶层的稳定形成而通量趋于稳定；另外，TMP越大，传质推动力越大，渗透液透过膜的速度越快，膜通量越高；但过大的TMP也会减少膜的使用寿命，增加能耗。

图5 不同跨膜压差条件下膜通量随时间的变化

稳定通量随TMP的增大而增大（见图6），此阶段为压力控制区；随后当TMP进一步增大，稳定通量增加缓慢，膜面已基本形成凝胶层，渗透液必须依次克服凝胶层阻力和膜阻力后才能完成传质，而凝胶层的阻力远远大于膜阻力，增加的压力被增厚的凝胶层所抵消，此阶段的膜通量与操作压力关系不大，主要取决于边界层的传质情况，故此阶段为传质控制区。但也有研究表明，膜通量

图6 不同跨膜压差对稳定膜通量的影响

达到稳定后，增大跨膜压差或膜面流速能有效提高膜通量[17]。综合以上分析，在实际生产中TMP最好控制在0.08 MPa以内。

2.1.3 操作温度对膜通量的影响 一般情况下，不论在压力控制区还是在传质控制区，提高操作温度都有利于膜通量的提高，主要原因是：操作温度的提高使料液的黏度降低，增大了溶质的扩散系数，降低了溶剂通过膜孔时的阻力，减轻了膜面的浓差极化现象，过滤速率提高，从而能提高膜的渗透通量。但香菇多糖作为一种高分子有机物，耐热性有限，长时间高温会破坏其结构，从而影响香菇多糖产品的品质。

由图7可以看出，各温度下的初始通量在40 min内快速下降，其中50℃时下降最快，并能在最短时间内达到稳定通量。由图8可以看出，随操作温度的升高，稳定通量上升幅度增加。操作温度越高，溶液黏度越低，传质扩散系数越大，浓差极化层就越薄，从而膜通量就越大。在实际生产中选择操作温度为50℃左右适合。

图7 不同操作温度下膜通量随时间的变化

图8 不同操作温度对稳定膜通量的影响

2.1.4 不同稀释倍数对膜通量的影响 在TMP为0.05 MPa、温度35℃的条件下考察不同稀释倍数对膜通量的影响。从图9可以看出，在操作的初始阶段，膜通量下降较快，稀释倍数越小初始通量衰减越大，这是因为稀释倍数越小，多糖大分子越容易附着于陶瓷膜表面，堵塞膜孔而造成膜通量迅速衰减。从图10可以看出，稀释倍数在1～2之间，稳定通量显著上升；在2～4之间，稳定通量上升缓慢。主要原因是过滤开始后，质量浓度较高的料液较快地在膜表面沉积，能够较快地形成凝胶层，使膜污染较快，故稳定通量下降较为迅速。在稀释倍数较小时，随着过滤的进行，沉积在膜面上的香菇多糖分子不断增多，加大了膜面阻力，导致稳定通量显著下降；当料液比大于某一值后，在膜表面形成稳定的凝胶层，此时的传质过程为凝胶层所控制（传质控制区），凝胶层阻挡了较小的颗粒进入膜孔，减缓了膜阻塞；此外，稀释倍数达到一定值后，膜面颗粒浓度达到饱和，膜面阻力不再增大，使稳定通量不随稀释倍数的增大而改变。

图9 不同料液稀释比例下膜通量随时间的变化

图10 不同稀释倍数对稳定膜通量的影响

2.2 香菇多糖的相对分子质量

由图11可以看出，香菇多糖经过HPGPC分离后只得到一个单峰，保留时间为14.7 min，将保

图11 香菇多糖的HPGPC洗脱曲线

留时间代入到相对分子质量计算公式中，得到香菇多糖的平均相对分子质量为

2.3 香菇多糖的纯度鉴定

2.3.1 香菇多糖的紫外光谱图 图12显示，香菇多糖在280 nm和260 nm处无蛋白质和核酸吸收峰，表明实验所得香菇多糖样品中不含杂质蛋白和核酸。

图12 香菇多糖的紫外吸收光谱图

2.3.2 香菇多糖的纯度 采用苯酚-硫酸法测定香菇多糖的纯度，得到其纯度为89.7%。

3 结论

3.1 本实验确定了适合香菇多糖工业生产的技术参数，即跨膜压差为0.08 MPa、料液比为1∶3、操作温度50℃时，设备运行1 h后膜管通量开始稳定，稳定通量维持在75 L/（h·m2）。最终所得产品的纯度为89.7%，与有机超滤膜相比香菇多糖的损失率大大降低。

3.2 确定了高效凝胶渗透色谱法（HPGPC）测定香菇多糖相对分子质量的色谱条件，并对该多糖进行紫外全波长扫描，为香菇多糖产品的理化特性鉴定提供参考。

参 考 文 献：

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