膜分离技术在植物有效成分分离与纯化中的应用进展

1、95膜分离技术在植物有效成分分离与纯化中的应用进展胡 伟1,2,李湘洲1,孟 维1,薛海鹏1(1.中南林业科技大学材料科学与工程学院,湖南 长沙 410004;2.湖南省林业科学院,湖南 长沙 410004摘 要:膜分离技术(微滤、超滤、反渗透、纳滤等是当代新型高效分离技术,本文对膜分离技术在植物有效成分分离与纯化中的应用现状进行了综述,并对该技术的应用前景进行了展望。 关键词:膜技术;分离;纯化中图分类号: 文献标识码: A 文章编号:基金项目:国家科技部"十一五"科技支撑计划项目(2006BAD18B0404;湖南省教育厅重点项目(08A084;湖南省科技厅科技攻关项目

2、(07NK3119;长沙市科技局重点项目(K0802109-21。与传统的分离技术相比,膜分离技术具有高效、节能、过程易控制、操作方便、环境友好、便于放大等优点,在能源、环境、食品等领域中得到了广泛的应用1-2。膜分离技术应用于植物有效成分的分离与纯化过程被视为一种有效且极具潜力的技术,已经成为天然有机化学研究中的热点。本文对近年来集成膜技术在植物有效成分分离与纯化中的应用作了综述,并对该技术的应用前景做了展望。1 膜分离技术应用于植物有效成分纯化的基本原理植物中的化学成分非常复杂,其有效成分如生物碱、黄酮类、甙类、有机酸等物质的相对分子质量较小(一般不超过1000Da ,而蛋白质、纤维素等非

3、活性成分的相对分子质量较大(一般在5万Da 以上,基于植物中有效成分和非活性成分相对分子质量的差异3,通过将几种膜分离过程组合起来可以很好的把植物中的有效成分进行分离与纯化。部分膜分离过程见下表1。表1 部分膜分离过程 4Table 1 Some membrane separation processing膜过程 分离机理 推动力透过物质被截留物质微滤(MF 筛分 压力差(0.01-0.2Mpa水、溶剂、溶解成分、胶体 悬浮物质(胶体、细菌、微粒 超滤(UF 筛分压力差(0.1-1.0Mpa 溶剂、离子及小分子(相对分子质量小于1000生化制品、胶体和大分子(相对分子质量1000-300000

4、钠滤(NF筛分+溶解/扩散压力差(0.5-2.5MPa溶剂、低价小分子溶质 溶质、二价盐、糖和染料(相对分子质量200-1000反渗透(RO 溶解/扩散 压力差(1.0-10.0Mpa水全部悬浮物、溶解物和胶体 渗析(D扩散浓度差离子、低分子量有机物、酸、碱相对分子质量大于1000的溶解物和悬浮物2009年 第6期 2009年6月化学工程与装备Chemical Engineering & Equipment96 胡伟:膜分离技术在植物有效成分分离与纯化中的应用进展2 集成膜分离技术在天然产物提取与纯化中应用2.1 生物碱2.2 黄酮类黄酮类化合物(flavonoid是一类重要的天然有机

5、化合物,具有消炎、消肿、降压、降血脂以及清除氧自由基等多种功能。王士勇8将某制药厂银杏叶提取物(Ginkgo biloba extraction,GBE生产中的大孔树脂洗脱液进行纳滤浓缩,选择了一种截留分子量(MWCO250Da左右的DL膜,在一定的操作条件下可将料液浓度从1%左右浓缩到10%左右。在小试的能耗估算中发现,用纳滤浓缩替代原生产中采用的多效低温真空蒸发工艺,可节能95 %左右,降低成本60%左右。高红宁9等人的研究表明,微滤大孔吸附树脂法处理的苦参水提液中总黄酮的吸附率及除杂效果优于醇沉大孔吸附树脂法,微滤-(AB-8 树脂法的总黄酮吸附率高达94.90%。Xu lei等人10以

6、40%-50%的红三叶草乙醇萃取液为原料,采用MWCO为1000Da的再生纤维素膜,在550KPa下超滤,超滤液经反渗透膜在1800kPa下浓缩10-15倍,浓缩液经冷冻干燥得到异黄酮含量达9%。2.3 甙类甙类(glycosides又称配糖体,生物化学中多称为苷,是由糖和非糖物质结合而成的一类化合物。游双银11等采用MWCO为1500Da的聚酰胺超滤膜与MWCO500Da的纳滤膜组合,橄榄苦苷的截留率在94.4%以上,再采用柱层析分离可改善传统的醇沉萃取生产工艺。肖文军12等研究了微滤澄清、超滤除大分子、纳滤分离、纳滤浓缩等膜技术在分离七叶参皂甙的应用效果。结果表明:采用0.2m微滤膜在40

7、条件下微滤七叶参浸提液;选用MWCO为1万Da的超滤膜能有效去除色素等大分子物质;利用MWCO为2500或3500Da的纳滤膜分离七叶参皂甙,可制得纯度为42%以上的七叶参皂甙产品。高晓明13等考察微孔滤膜精制、大孔树脂富集纯化苦瓜皂苷的性能和参数,所得苦瓜皂苷含量达79%。2.4 多糖多糖(polysaccharide是广泛存在于植物、微生物(细菌和真菌和海藻中的不同分子量的天然高分子复合物,与免疫功能的调节、细胞与细胞的识别、细胞间物质的运输等都有着密切的关系。张佳14采用活性炭联合陶瓷膜超滤纯化香菇多糖,以1%活性炭对香菇多糖粗品溶液进行预处理,采用MWCO为5万的陶瓷膜超滤,在40,0

8、.2MPa,膜面流速为4.5m/s时纯化效果最佳。蛋白质的脱除率可达81%,多糖脱色率达90.9%,精制得香菇多糖纯度为89.7%。大量研究表明多糖的药理活性与其初级结构、高级结构、分子量、溶解度、黏度有着密切的关系15-16。叶晓、易剑平17等研究发现:微滤-超滤-纳滤联用的膜分离技术可以对分子量呈现宽分布的多糖进行有效的分子量分级处理,其分离效果主要受多糖本身的分子量分布和膜组件的截留分子量影响,纳滤对于多糖与小分子糖的分离有明显的分子量分级效果。姬松茸、枸杞和茶树菇多糖可利用0.2m微滤-5万Da超滤-1万Da超滤-纳滤联用对分子量进行有效的分级处理,而灰树花多糖可利用纳滤进行分子量分级

9、处理。2.5 植物色素植物色素(plant pigment具有一定的营养价值及药理作用,已经成为食品工业普遍关注的热点。李媛媛18研究发现,200nm陶瓷膜能够有效去除栀子黄色素萃取液中的大部分果胶,且微滤渗透通量较高,适用于栀子黄色素的纯化;而聚酰胺纳滤膜在1.5MPa下可将微滤渗透液浓缩3倍以上。微滤和纳滤联用能够在常温下纯化和浓缩栀子黄色素液,藏花素损失率较低,避免使用有机溶剂,是栀子黄色素工业化生产较为理想的工艺。吴仲贤19发明了一种膜分离提取紫甘薯红色素的方法,酸化后的紫甘薯红色素溶液经过超滤膜处理、阳离子吸附去杂、纳滤膜分离纯化、反渗透膜浓缩,干燥得到色价高于100(E1%的成品,

10、各项指标均达国家食品添加剂标准。胡建农20等人采用聚酰胺微滤膜对玫瑰茄水浸提液进行精滤,再用TFM纳滤97胡伟:膜分离技术在植物有效成分分离与纯化中的应用进展膜浓缩制取玫瑰茄红色素,纳滤膜对天然色素截留率在98%以上,产品得率高、浓缩效果好。2.6 有机酸植物有机酸(organic acid具有很强的抗氧化活性和抗菌活性。张太龙21将单宁酸溶液通过改性活性炭柱进行预处理,以膜通量和单宁酸含量为考察目标,确定了单宁酸溶液的浓度和膜的截留相对分子质量,同时考察了料液浓度、温度和操作压力对膜分离效果的影响。在最佳工艺参数条件下,精制后的单宁酸的含量达到99%以上。沈亮22等运用膜分离法从当归水浸取液

11、中分离、纯化阿魏酸。研究表明,经高速离心预处理后,超滤法的回收率和杂质去除率均高于醇沉法;而纳滤膜对阿魏酸几乎没有截留效果,反渗透适用于浓缩阿魏酸。吴正奇23采用微滤-超滤-纳滤组合的膜分离过程,在金银花提取液中除去了固体微粒和大分子物质,纳滤浓缩液的固形物主要是绿原酸、黄酮、鞣质、皂苷、二糖、三糖和无机盐等小分子物质,绿原酸的总回收率达到87.6%。3 展望膜分离技术具有显著的经济和环境效益,在植物有效成分的分离与纯化方面已经得到了广泛的应用。然而,目前多数研究仍然处在实验室阶段,工业化应用较少。笔者认为应在如下几个方面做进一步的研究。3.1 膜分离工艺参数的放大膜分离技术的稳定性问题是限制

12、了其工业化的应用原因24。实验室中得到的膜分离最佳工艺参数是在选用某一特定膜材料及组件,在一定的操作压力、温度等条件下实现的。由于各厂家制膜工艺的不同,所提供的膜材料的孔径大小往往与实际有一定差距。造成实验工艺参数重复性差,给膜分离技术的工业化放大造成了一定的困难。如何促进集成膜分离工艺及产品的标准化、规范化就显得尤为重要。3.2 膜组件的污染与防治25植物浸提粗液中的化学成分非常复杂,膜组件容易被污染,一般运行2-3h,就需要通过物理或添加化学清洗剂的方法对膜组件进行清洗。通过设计不同形状的膜组件结构,或者通过膜表面改性法制备抗劣化、抗污染膜,以及施加外场辅助改善膜面附件的物质传递条件26,

13、增加膜的抗污染性能已成为今后研究的热点。刘作华27、Kyaing Kyaing Latt28、J.Zheng29分别采用微波辅助、超声辅助、紫外光照射的方法强化膜分离过程、降低或消除“浓度极化”、“温度极化”,减少膜污染,在改善膜分离性能方面取得了很好的效果。3.3 膜分离技术与其他技术的集成与杂化目前的植物有效成分的分离与纯化应用中,不同膜分离技术的组合应用较多,而膜分离技术与其他高新分离技术的集成与杂化研究相对较少。如膜分离与碳吸附单元操作相结合、与离子交换树脂单元操作相结合等都具有很好的应用前景30。李志义31等提出将超临界CO2萃取与纳滤过程相耦合,可降低过程能耗,实现对萃取物在高收率条件下的精细分离。将超临界CO2引入高粘性液体的超滤过程,可在不提高温度和无需引入化学剂的情况下,提高过滤效率及产品质量。徐朝辉32等将超声提取技术、膜分离技术、超临界流体萃取技术进行了耦合并应用于青蒿素的生产工艺中,在中试实验得到收率为0.48%、纯度为92%的青蒿素粗品。总之,膜分离技术高效节能、快速简便。相信随着该技术的不断发展和完善,植物有效成分的制备也将向着更加绿色、高效、现代化的方向发展。参考