張克賢，孫勇民，邱全國

（1.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300300；2.成都連接流體科技有限公司，四川成都611731）

膜技術(shù)在色氨酸脫色和濃縮中的應(yīng)用

張克賢1，孫勇民1，邱全國2

（1.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300300；2.成都連接流體科技有限公司，四川成都611731）

采用超濾膜脫色和提純與反滲透膜濃縮的方法，對色氨酸發(fā)酵液進(jìn)行提純處理。色氨酸發(fā)酵液的透光率由小于3%提高至82.58%；通過反滲透膜濃縮，色氨酸濃度達(dá)到24.96 g/L；提取收率為93.45%。

超濾膜；反滲透膜；脫色；提純

色氨酸是人體中必需的一種氨基酸，同時(shí)色氨酸也被廣泛地應(yīng)用在飼料、食品和醫(yī)藥等行業(yè)。L-色氨酸的生產(chǎn)方法主要是發(fā)酵法和酶法，發(fā)酵法是以葡萄糖、甘蔗糖蜜等原料，利用谷氨酸棒桿菌、枯草桿菌等L-色氨酸產(chǎn)生菌，經(jīng)微生物細(xì)胞內(nèi)的復(fù)雜代謝而生成L-色氨酸；酶法主要是利用色氨酸酶，經(jīng)酶促反應(yīng)將底物L(fēng)-絲氨酸（L-半胱氨酸或丙酮酸）和吲哚合成L-色氨酸[1-4]。無論是酶法合成途徑形成的L-色氨酸轉(zhuǎn)化液，還是發(fā)酵法形成的發(fā)酵液，都含有菌體、蛋白質(zhì)和色素等雜質(zhì)，影響L-色氨酸的提取和純化，采用有效方法去除這些雜質(zhì)，是提高L-色氨酸產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

發(fā)酵液或轉(zhuǎn)化液中菌體、蛋白質(zhì)和色素等雜質(zhì)的去除方法主要有離心、絮凝、活性炭脫色[5]和膜分離等方法[6]，其中膜分離法是將膜技術(shù)應(yīng)用于物料分離、濃縮、提純的一項(xiàng)新技術(shù)，具有節(jié)能和環(huán)保等特點(diǎn)，對L-色氨酸發(fā)酵液或轉(zhuǎn)化液中菌體、蛋白質(zhì)和色素等雜質(zhì)的去除以及濃縮效果明顯。本文采用膜技術(shù)對色氨酸發(fā)酵液進(jìn)行脫色處理，去除料液中色素及蛋白等大分子雜質(zhì)，然后經(jīng)過膜濃縮，使色氨酸發(fā)酵液透光達(dá)到70以上，色氨酸含量達(dá)到25 g/L。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 膜元件

超濾膜LG-1200（截留分子量M：1200）；LG-1000（截留分子量M：1000）；LG-800（截留分子量M：800）；LG-600（截留分子量M：600）和反滲透膜LG-100（截留分子量M：100）。以上膜元件由成都連接流體分離科技有限公司制備。

1.1.2 色氨酸發(fā)酵液

色氨酸發(fā)酵液經(jīng)陽離子交換樹脂預(yù)處理后指標(biāo)如下：外觀為棕褐色液體；色氨酸含量為15 g/L～30 g/L；pH為6和透光率＜3%（T430 nm），其中含有部分蛋白質(zhì)及色素。該色氨酸發(fā)酵液由本校采用發(fā)酵法實(shí)驗(yàn)室制備。

1.2 實(shí)驗(yàn)檢測指標(biāo)

1.2.1 原液、濃縮液和透析液中色氨酸的含量

電位滴定法[7]，待測樣品加冰醋酸，用高氯酸標(biāo)定液滴定，并將滴定的結(jié)果用空白試驗(yàn)校正，根據(jù)滴定液使用量，計(jì)算色氨酸的含量。

1.2.2 原液、濃縮液和透析液的透光度

待測樣品透光度的測定，取定量樣品，加鹽酸溶液溶解后，分光光度法在430 nm的波長處測定透光率。

1.2.3 色氨酸轉(zhuǎn)移率

處理一定量色氨酸發(fā)酵液的透過液中色氨酸重量占所處理一定量色氨酸發(fā)酵液中色氨酸總重量的百分比。

1.2.4 蛋白質(zhì)的檢驗(yàn)

取待檢液約25mL，調(diào)節(jié)溫度20℃后，加入無水乙醇3mL，振搖3min，靜置10min，觀察是否產(chǎn)生白色絮狀物。

1.3 膜技術(shù)對色氨酸脫色和濃縮的工藝流程和原理

1.3.1 膜技術(shù)對色氨酸脫色和濃縮原理

膜是一種具有特殊選擇性分離功能的高分子材料，它能把流體分隔成不相通的兩個(gè)部分，使其中的一種或幾種物質(zhì)能透過，而將其它物質(zhì)分離出來。

色氨酸分子量為204，色素及蛋白等大分子雜質(zhì)分子量通常都為幾千以上，因此通過膜處理，能很容易將目標(biāo)物色氨酸與雜質(zhì)分離。分離出的透過液再經(jīng)過反滲透濃縮除掉部分水分，使色氨酸含量提高。

1.3.2 膜技術(shù)對色氨酸脫色和濃縮的工藝流程

工藝流程圖如圖1所示。

圖1 膜分離工藝流程圖Fig.1 Membrane separation process flow diagram

1.4 膜脫色實(shí)驗(yàn)

1.4.1 超濾膜的選擇

分別取30 L經(jīng)陽離子交換樹脂預(yù)處理后的色氨酸發(fā)酵液（色氨酸含量為15.23 g/L），加入料液桶內(nèi)，開機(jī)運(yùn)行，中間加10 L蒸餾水洗濾，進(jìn)行脫色處理。濾速和膜前壓相同。超濾膜采用LG-1200（截留分子量M：1200）；LG-1000（截留分子量M：1000）；LG-800（截留分子量M：800）和LG-600（截留分子量M：600）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較透過液的脫色和對色氨酸的轉(zhuǎn)移效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

從表中可以看出透過液的透光效果最好的為LG-1000，轉(zhuǎn)移率最高的同樣為LG-1000。因此選擇用LG-1000進(jìn)行脫色。

表1 經(jīng)不同超濾膜處理后的透過液脫色和對色氨酸的轉(zhuǎn)移效果Table1 After different ultrafiltration membrane after processing through the decoloration and tryptophan transfer effect

1.4.2 LG-1000脫色實(shí)驗(yàn)

取經(jīng)陽離子交換樹脂預(yù)處理后的色氨酸發(fā)酵液，加入料液桶內(nèi)，開機(jī)運(yùn)行5min后，調(diào)節(jié)膜前壓力，開始脫色。記錄時(shí)間，濾速（mL/min），膜前壓力，洗濾水和溫度。整個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行150min，取3次透過液進(jìn)行測定并計(jì)算。

1.4.3 反滲透膜LG-100濃縮透過液

將色氨酸發(fā)酵液脫色后的透過液，通過反滲透膜LG-100進(jìn)行濃縮。取定量膜LG-1000色氨酸透過液，加入料液桶內(nèi)，開機(jī)循環(huán)后，調(diào)節(jié)壓力，開始進(jìn)行濃縮實(shí)驗(yàn)，測定原液，透過液和濃縮液的透光率，酸含量并記錄膜通量等。

2 結(jié)果與討論

2.1 LG-1000對色氨酸含量為29.53 g/L的脫色實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過陽離子交換樹脂預(yù)處理的色氨酸，含量為29.53 g/L，指標(biāo)為：外觀為棕褐色液體；色氨酸含量為29.53 g/L；pH為6和透光率2.43%（T430 nm），其中含有部分蛋白質(zhì)及色素。取該液100 L離子交換溶液，加入料液桶內(nèi)，開機(jī)運(yùn)行5min后，調(diào)節(jié)膜前壓力為0.6 MPa，開始脫色，中間加40 L蒸餾水洗濾。實(shí)驗(yàn)完畢后，取樣透過液進(jìn)行透過液和濃液的透光率，酸含量和蛋白質(zhì)檢測。

表2 色氨酸含量為29.53 g/L脫色后指標(biāo)檢測結(jié)果Table2 Tryptophan content of 29.53 g/L test results after decolorizationindex

2.2 LG-1000對色氨酸含量為16.13 g/L的脫色實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過陽離子交換樹脂預(yù)處理的色氨酸，指標(biāo)為：外觀為棕褐色液體；色氨酸含量為16.13 g/L；pH為6和透光率6.15%（T430 nm），其中含有部分蛋白質(zhì)及色素。取該液100 L離交液，加入料液桶內(nèi)，開機(jī)運(yùn)行5min后，調(diào)節(jié)膜前壓力為0.6MPa，開始脫色，中間加40 L蒸餾水洗濾。實(shí)驗(yàn)完畢后，取樣透過液進(jìn)行透過液和濃液的透光率，酸含量和蛋白質(zhì)檢測。

表3 LG-1000對色氨酸含量為16.13 g/L脫色后指標(biāo)檢測結(jié)果Table3 LG-1000 for tryptophan content of 16.13 g/L test results after decolorization index

對不同濃度的樣品脫色發(fā)現(xiàn)，LG-1000脫色過程中，如果色氨酸濃度過高，造成脫色液透光度不高，若離交液中含酸為15 g/L～17 g/L時(shí)，脫色效果會(huì)很好，完全能滿足實(shí)驗(yàn)需求。同時(shí)透過液中蛋白質(zhì)完全脫除干凈。

2.3 脫色過程中通量的變化情況

脫色開機(jī)運(yùn)行5min后，調(diào)節(jié)膜前壓力，開始脫色。記錄時(shí)間，濾速（mL/min），膜前壓力，洗濾水和溫度。整個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行記錄并畫出脫色過程中通量的變化圖。

表4 LG-1000對色氨酸脫色實(shí)驗(yàn)運(yùn)行記錄Table4 LG-1000 for tryptophan decolorization experiments running record

續(xù)表4 LG-1000對色氨酸脫色實(shí)驗(yàn)運(yùn)行記錄Contiune table4 LG-1000 for tryptophan decolorization experiments running record

圖2 脫色過程中通量的變化Fig.2 Changes in the flux of the bleaching process

從表4和圖2中可以看出，隨著脫色過程的進(jìn)行，膜通量呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。原因在于開始運(yùn)行后，料液溫度升高，在51度時(shí)，通量達(dá)到最大，然后由于隨著脫色的進(jìn)行，桶內(nèi)物料濃度升高，導(dǎo)致通量下降。這說明膜在運(yùn)行中如果溫度控制在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，通量也會(huì)穩(wěn)定。整個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行150min，平均通量為870mL/min。

2.4 反滲透膜LG-100濃縮實(shí)驗(yàn)

取混合透過液130 L，該透過液外觀，淡黃色液體含量為11.30g/L；pH為5和透光率83.82%（T430nm），蛋白質(zhì)為無沉淀。加入料液桶內(nèi)，開機(jī)循環(huán)5min，調(diào)節(jié)壓力至1.3MPa，開始進(jìn)行濃縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完畢，將濃縮液取樣進(jìn)行檢測，結(jié)果見下表。

表5 含量為11.30 g/L透過液濃縮后指標(biāo)檢測結(jié)果Table5 Content of 11.30 g/L through the detection results of fluid concentration index

整個(gè)濃縮結(jié)果濃縮液色氨酸含量為24.96 g/L；透光率82.58%（T430 nm）。

過程色氨酸損失率計(jì)算為混合透過液130 L，色氨酸含量11.3 g/L，總酸1 469.00 g；透過液69 L，含酸0.33 g/L總酸22.77 g；濃液55 L，色氨酸含量24.96 g/L，總酸1 372.80 g和設(shè)備內(nèi)不能排放的6 L殘留液，總酸67.80 g。物料損失率為混合透過液總酸減去透過液總酸減去濃液總酸減去設(shè)備內(nèi)不能排放的殘留液總酸除以混合透過液總酸乘以百分之百為0.38%，則物料損失率極低。濃縮液中色氨酸回收率為93.45%。

3 結(jié)論

通過對超濾膜的選擇，采用超濾膜進(jìn)行色氨酸發(fā)酵液（經(jīng)過陽離子交換樹脂預(yù)處理）脫色和反滲透膜對脫色后的色氨酸濃縮結(jié)果為色氨酸料液的透光率由小于3%提高至80%以上；通過濃縮膜濃縮，色氨酸濃度可達(dá)到24.96 g/L；提取收率為90%以上。脫色和濃縮過程中平均通量為870mL/min；pH為5；溫度控制55℃以下。

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Membrane Technology in the Application of Tryptophan Decoloring and Enrichment

ZHANG Ke-xian1，SUN Yong-min1，QIU Quan-guo2
（1.Tianjin Modern Vocational Technology College，Tianjin 300300，Chian；2.Chengdu Connection Fluid Technology Co.，Ltd.，Chengdu 611731，Sichuan，China）

By using the method of ultrafiltration membrane decolorization and purification and reverse osmosis concentrated.The tryptophan fermentation liquid is purified.Transparent tryptophan fermentation liquid by the rate of less than 3%increased to 82.58%.Through the reverse osmosis membrane concentration，tryptophan concentrations up to 24.96 g/L.The extraction yield of93.45%.

ultrafiltration membrane；reverse osmose membrane；decolorization；purification

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.06.017

2014-12-17

張克賢（1963—），男（漢），高級(jí)工程師，本科，主要從事儀器分析和檢測，科研開發(fā)和化驗(yàn)員培訓(xùn)工作。