基于膜技術(shù)的籽瓜中L -瓜氨酸分離工藝研究

孫儷娜，祁巖龍，閆圣坤，楚治飛

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械化研究所，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院綜合試驗場，新疆烏魯木齊 830000；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830091）

0 引言

打瓜又稱籽瓜，是一種籽用西瓜。研究表明，籽瓜中含有多種生理活性物質(zhì)，如氨基酸、多糖、蛋白質(zhì)、果膠、維生素、微量元素[1]等，其中瓜氨酸含量為0.656～2.536 mg/g[2]。瓜氨酸是一種非蛋白質(zhì)α 氨基酸，名字是由首次抽取出瓜氨酸的西瓜而來。由于與大多數(shù)氨基酸構(gòu)型一樣為L 型，所以又稱為L -瓜氨酸[3]。研究表明，瓜氨酸能廣泛用于醫(yī)藥、食品、保健[4]等各領(lǐng)域，具有良好的藥理作用?？梢苑乐吻傲邢偌膊?、提高男性性功能、治療L -精氨酸缺乏引起的相關(guān)疾病、抗衰老和增強免疫力、提高運動員肌肉力量與耐力、提高腦力清晰度[5]等功效。目前，我國籽瓜的利用主要以收取瓜籽為目的，打瓜籽僅占鮮瓜質(zhì)量的3%～5%[6]，大量籽瓜的汁、瓤、皮都被丟棄，造成很大浪費。如何提高籽瓜的利用率、變廢為寶將是籽瓜研究的重點。L -瓜氨酸可以通過酶法合成[7]、發(fā)酵法、化學(xué)合成[8]和天然產(chǎn)物分離提取[9]等方法獲取。

膜分離技術(shù)，是指在分子水平上不同粒徑分子的混合物通過半透膜實現(xiàn)選擇性分離的技術(shù)。膜分離技術(shù)的根本原理在于膜具有選擇透過性，以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，以外界能量或化學(xué)位差為推動力，對混合物中特定組分實現(xiàn)分離、提純和濃縮。常用的膜分離方法有微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF） 和反滲透（RO） 等。膜分離技術(shù)具有節(jié)能高效、綠色環(huán)保、操作簡單、可在常溫下連續(xù)進(jìn)行、不發(fā)生相變等特點。因此，已廣泛應(yīng)用于食品[10-11]、醫(yī) 藥[12]、生物、環(huán)保、水處理[13]等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，已成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。試驗從打瓜中榨取打瓜汁，然后分別使用超濾、納濾和反滲透3 種膜分離技術(shù)對打瓜汁進(jìn)行分離濃縮，將透過液和截留液進(jìn)行高效液相色譜分析，通過目標(biāo)物L(fēng) -瓜氨酸含量計算，試圖尋找出一種有效的L -瓜氨酸分離濃縮方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

籽瓜，阿勒泰阿葦灘鄉(xiāng)分區(qū)農(nóng)場提供；乙腈（色譜純），霍尼韋爾貿(mào)易有限公司提供；L-瓜氨酸標(biāo)準(zhǔn)品（純度≥98%），中國食品藥品檢定研究院提供。

1.2 儀器與設(shè)備

水囊壓榨分離機，北京藍(lán)伯斯科技有限公司產(chǎn)品；中空纖維膜小型試驗機、卷式膜小型試驗機、超濾膜MWCO 6000、納濾膜MWCO 200、反滲透膜MWCO 30-50，大連屹東膜工程設(shè)備有限公司產(chǎn)品；e2695HPLC 型儀、XAmide 色譜柱（5 m，4.6 mm×250 mm，美國Waters 公司產(chǎn)品；SL502N 型分析天平，上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；VP50 型真空抽濾泵，北京萊伯泰科儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗方法

1.3.1 打瓜汁濃縮液L -瓜氨酸含量測定

（1） 標(biāo)準(zhǔn)液的制備。稱取L - 瓜氨酸標(biāo)準(zhǔn)品10.3 mg，加水溶解，轉(zhuǎn)移至10 mL 容量瓶中定容至刻度線。

（2） 樣品液的制備。用移液管取1 mL 打瓜汁濃縮液轉(zhuǎn)移至10 mL 容量瓶中，加水溶解至刻度線。

（3） 高效液相色譜檢測條件。色譜柱：XAmide（5 m，4.6 mm×250 mm）；流動相：乙腈（A） -水（B），梯度洗脫0～30 min（90%A～50%A，10%B～50%B），流速1 mL/min，柱溫30 ℃，進(jìn)樣體積10 L，檢測波長200 nm。

1.3.2 超濾試驗

（1） 超濾壓力的確定。取一定量的打瓜汁濃縮液稀釋50 倍，將超濾壓力分別調(diào)至0.03，0.04，0.05，0.06，0.07 MPa，在各壓力項下分別對5 L 稀釋后的濃縮液進(jìn)行過濾，觀察膜通量隨時間的變化。

（2） 超濾操作。取100 mL 打瓜汁濃縮液，加入5 L 純水稀釋50 倍，抽濾待用。將抽濾液進(jìn)行超濾，超濾壓力為0.05 MPa。將超濾后的透過液和截留液在上述色譜條件下分別進(jìn)行高效液相色譜分析。

1.3.3 納濾試驗

（1） 納濾壓力的確定。取一定量的打瓜汁濃縮液稀釋50 倍，將超濾壓力分別調(diào)至0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 MPa，在各壓力項下分別對5 L 稀釋后的濃縮液進(jìn)行過濾，觀察膜通量隨時間的變化。

（2） 納濾操作。取100 mL 打瓜汁濃縮液，加入5 L 純水稀釋，抽濾待用。將抽濾液進(jìn)行納濾，納濾壓力調(diào)至0.2 MPa，收集過濾后的透過液和截留液。將透過液和截留液在上述色譜條件下分別進(jìn)行高效液相色譜分析。

1.3.4 反滲透試驗

（1） 反滲透壓力的確定。取一定量的打瓜汁濃縮液稀釋50 倍，將超濾壓力分別調(diào)至0.05，0.10，0.15，0.20，0.25 MPa，在各壓力項下分別對5 L 稀釋后的濃縮液進(jìn)行過濾，觀察膜通量隨時間的變化。

（2） 反滲透操作。取100 mL 打瓜汁濃縮液，加入5 L 純水稀釋，抽濾待用。將濾液進(jìn)行反滲透處理，壓力調(diào)至0.15 MPa，收集透過液和截留液。將透過液和截留液在上述色譜條件下分別進(jìn)行高效液相色譜分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 濃縮液中L -瓜氨酸含量

L -瓜氨酸標(biāo)準(zhǔn)品色譜圖見圖2，樣品液色譜圖見圖2。

圖1 L -瓜氨酸標(biāo)準(zhǔn)品色譜圖

圖2 樣品液色譜圖

在上述色譜條件下，L-瓜氨酸標(biāo)準(zhǔn)品在17.500 min時出峰，樣品液中L -瓜氨酸在17.537 min 時出峰，出峰時間基本相同。用外標(biāo)定量法算得樣品液中目標(biāo)物L(fēng) -瓜氨酸質(zhì)量濃度為0.594 mg/mL。因為樣品液是由打瓜汁濃縮液稀釋10 倍所得，所以打瓜汁濃縮液中L -瓜氨酸質(zhì)量濃度為5.94 mg/mL。

濃縮液中L -瓜氨酸質(zhì)量濃度見表1。

表1 濃縮液中L -瓜氨酸質(zhì)量濃度

2.2 超濾試驗結(jié)果

2.2.1 超濾壓力的確定

操作壓力與超濾膜通量的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 操作壓力與超濾膜通量的關(guān)系曲線

通常情況下，在膜可承受的壓力范圍內(nèi)，膜通量隨著操作壓力的提高而增加。如圖3 所示，操作壓力越高，膜通量也就越大。在一個始終不變的壓力下，一定時間內(nèi)膜通量趨于平穩(wěn)，但隨著時間的延長，通量開始逐漸下降。由圖3 可知，壓力在0.05 MPa 以下時，膜通量隨著壓力的提高而顯著增加；但是，當(dāng)壓力高于0.05 MPa 時，膜通量的增加幅度出現(xiàn)明顯下降。當(dāng)壓力為0.06 MPa 時，30 min之后，膜通量小于0.05 MPa 壓力下同一時間點的膜通量。分析其原因，可能是因為在高壓力條件下，膜的堵塞速度加快，從而導(dǎo)致膜通量出現(xiàn)大幅下降。綜合能耗與過濾效率等原因，最終選擇超濾壓力為0.05 MPa。

2.2.2 超濾數(shù)據(jù)分析

超濾試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。

由表2 可知，在3 次超濾試驗中，超濾后的透過液和截留液中均含有L -瓜氨酸，其中透過液中目標(biāo)物回收率分別為89.8%，88.2%和91.1%。截留液中目標(biāo)物回收率分別為5.0%，3.6%和4.2%。由此可知，超濾膜對L -瓜氨酸并沒有出現(xiàn)有效的截留，超濾膜基本沒有分離濃縮L -瓜氨酸的作用。超濾過程中L -瓜氨酸有5%～8%的損失，可能是被吸附在超濾膜上或者殘留在超濾儀器中。

表2 超濾試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.3 納濾試驗結(jié)果

2.3.1 納濾壓力的確定

操作壓力與納濾膜通量的關(guān)系曲線見圖4。

由圖4 可知，膜通量隨著操作壓力的增加而增加。當(dāng)壓力在0.2 MPa 以下時，膜通量隨著壓力的增加出現(xiàn)大幅增加。但是，當(dāng)壓力高于0.2 MPa 時，膜通量的增加幅度明顯降低。在同一壓力條件下，膜通量往往會逐漸下降，可能是由于隨著過濾的持續(xù)進(jìn)行，膜逐漸被堵塞。綜合能耗與過濾效率，最終選擇0.2 MPa 作為納濾壓力。

圖4 操作壓力與納濾膜通量的關(guān)系曲線

2.3.2 納濾數(shù)據(jù)分析

納濾試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。

表3 納濾試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表3 可知，在3 次納濾試驗中，透過液和截留液中均含有L -瓜氨酸，其中透過液中目標(biāo)物回收率分別為66.5%，69.3%和67.9%，截留液中目標(biāo)物回收率分別為23.0%，21.4%和24.3%。納濾試驗結(jié)果表明，納濾膜對L -瓜氨酸分離濃縮效果不理想。試驗過程中有8%～10%的L - 瓜氨酸被膜吸附或殘留在儀器中而損失。

2.4 反滲透試驗結(jié)果

2.4.1 反滲透壓力的確定

操作壓力與反滲透膜通量的關(guān)系曲線見圖5。

由圖5 可知，反滲透試驗中膜通量隨著操作壓力的增加而增加，當(dāng)壓力在0.15 MPa 以下時，膜通量隨著壓力的提高而大幅增加。但是，當(dāng)壓力高于0.15 MPa 時，膜通量的增加幅度明顯下降。在任一壓力下，膜通量始終會逐漸降低。分析其原因，可能是過高的操作壓力導(dǎo)致膜的堵塞速度加快。綜合能耗和過濾效率，最終選擇0.15 MPa 作為反滲透壓力。

圖5 操作壓力與反滲透膜通量的關(guān)系曲線

2.4.2 反滲透數(shù)據(jù)分析

反滲透試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表4。

表4 反滲透試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)表4 可知，在3 次反滲透試驗中，只有截留液中含有L -瓜氨酸，透過液中檢測不到L -瓜氨酸。3 次試驗中，截留液中目標(biāo)物回收率分別為91.2%，90.3%和90.5%。反滲透試驗表明，反滲透膜對L -瓜氨酸有很好的分離濃縮效果。試驗中有約9%的L -瓜氨酸被膜吸附在膜上或殘留在儀器中而損失。

3 結(jié)論

試驗采用超濾、納濾和反滲透3 種膜技術(shù)對打瓜汁中L -瓜氨酸的分離濃縮效果進(jìn)行探討，每種膜技術(shù)分別重復(fù)進(jìn)行3 次。結(jié)果顯示，超濾膜對L -瓜氨酸基本沒有分離濃縮效果，截留液中目標(biāo)物回收率分別為5.0%，3.6%和4.2%；納濾膜對L -瓜氨酸分離濃縮效果不理想，截留液中目標(biāo)物回收率分別為23.0%，21.4%和24.3%；反滲透膜對L -瓜氨酸起到了有效的分離濃縮效果，截留液中目標(biāo)物回收率分別為91.2%，90.3%和90.5%，透過液中沒有檢測到L -瓜氨酸。