陈 晖，易瑞灶，陈俊德，陈思谨，张怡评，谢全灵

(国家海洋局第三海洋研究所，福建厦门 361005)

膜分离在鱼鳞胶原蛋白中试提取液脱盐过程中的应用

陈 晖，易瑞灶*，陈俊德，陈思谨，张怡评，谢全灵

(国家海洋局第三海洋研究所，福建厦门 361005)

采用膜分离技术进行鱼鳞胶原蛋白中试提取液的脱盐实验。研究了不同分子量、不同类型的超滤膜对料液脱盐效果及胶原蛋白回收率的影响。结果表明，最适用膜为截留分子量8ku的卷式超滤膜，脱盐废水经纳滤膜处理后可循环用于脱盐过程，从而减少了用水量。经过三批次胶原蛋白中试规模脱盐实验验证，当提取料液浓缩倍数为4倍时，胶原蛋白总回收率＞75%，胶原蛋白提取液中与灰分相关的无机盐脱除率＞85%，最终产品灰分＜1%。

膜分离，鱼鳞，胶原蛋白，中试，脱盐

胶原蛋白作为天然的生物资源，具有合成高分子材料无法比拟的生物相容性和生物可降解性，已广泛应用于食品医药等领域［1］。鱼鳞是生产水产胶原蛋白的重要原料来源之一，据统计，仅2009年我国水产加工的鱼鳞下脚料就有近90万t，大多作为废弃物被扔掉，不仅浪费了资源，还造成环境污染［2］。鱼鳞中胶原蛋白含量约为20%～40%，大部分是易于人体吸收的I型胶原蛋白［3－4］。完整结构的胶原蛋白通常由3条多肽链构成3股螺旋结构，溶解性很低;当pH降低、温度升高或在酶的作用下，胶原蛋白的三螺旋结构遭到破坏，形成胶原蛋白肽，溶解性大大提高，溶出的胶原蛋白可达胶原蛋白总量的90%以上。鱼鳞中还含有约30%灰分，主要为羟基磷灰石［Ca10(OH)2(PO4)6］，以及少量碳酸钙、磷酸镁、磷酸钠等无机盐［5］，这些盐类在胶原蛋白提取过程中会大量溶解在酸性的提取液中，如不加以去除，将导致最终产品中的灰分指标偏高，影响产品质量。膜分离技术是一种高选择性、低能耗的分离技术，它以选择性透过膜为基础，通过在膜两侧施加压力差、浓度差、电位差等推动力，使得原料侧组分选择性透过膜，达到分离提纯的目的。膜分离技术工艺条件温和，无相变及化学变化，有利于维持目标产物的结构及活性，广泛应用于蛋白质、多糖等生物活性物质的分离纯化［6］。目前国内外在鱼鳞胶原蛋白生产过程中对盐类的去除多在提取过程之前，采用酸将不溶性盐转化为可溶性盐加以去除，但这一工艺提取周期长，目标产物得率低。采用酸性溶液加热提取的方法，将盐溶解过程与胶原蛋白提取过程合并，有利于目标产物的大量、快速提取。对于胶原蛋白提取液中存在的大量无机盐，可利用胶原蛋白与无机盐分子量的显著差异，采用超滤技术进行脱除。本文在前期实验室小试实验的基础上进行了中试规模胶原蛋白提取液的脱盐研究，国内目前尚未见相关报道。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

表2 小试脱盐工艺参数Table 2 Parameters of lab scale desalination

九母鱼鱼鳞 购于福建漳州，洗净晒干后存储于干燥通风处;Superdex Peptide 10/300GL凝胶分析柱 美国GE公司;小试膜片 厦门世达膜科技有限公司;碳酸氢钠、氢氧化钠、硫酸、盐酸 广州西陇化工有限公司。

500L搪玻璃反应釜 莱州市精细化工机械设备厂;多级膜分离设备 非标定制;小试膜组件 厦门世达膜科技有限公司;工业EDI纯水机 杭州华麒水处理设备厂;管式离心机 上海浦东天本离心机有限公司;FE30电导率仪 梅特勒－托利多仪器(上海)有限公司;ICS300离子色谱仪 戴安中国有限公司;Duoflow蛋白层析仪 伯乐生命医学产品(上海)有限公司;马弗炉 沈阳电炉厂;Epsilon 2－6D冻干机 德国Christ公司。

1.2 实验方法

1.2.1 鱼鳞胶原蛋白的提取 50kg鱼鳞(胶原蛋白含量约30%)以500L 5%NaHCO3溶液搅拌脱脂6h后，洗净，加入500L 70mmol/L的H2SO4在100℃下提取6h，冷却至室温后以连续流离心机过滤除渣，上清液以0.2μm微滤膜过滤后备用，经测定，胶原蛋白提取得率在90%以上［4－5］。

1.2.2 超滤膜的选择 选择不同类型或不同分子量的超滤膜，取50L料液进行超滤脱盐，待料液体积减少至25L时，加入25L纯水，测定溶液中电导率值及膜通量，收集透过液。加水五次或加水后料液电导率小于设定值时停止超滤。脱盐料液取样测定灰分，测定脱盐料液及透过液中胶原蛋白的含量。

1.2.3 超滤工艺优化

1.2.3.1 料液不同浓缩倍数对脱盐过程的影响 将100、150、200L胶原蛋白提取液用选定的超滤膜分别浓缩至50L，制成2、3、4倍的浓缩料液，按1.2.2中所述的方法脱盐，监控脱盐过程料液电导率和流速的变化，测定脱盐前后料液的灰分指标和胶原蛋白含量的变化情况。

1.2.3.2 超滤废水的回收再利用 料液以选定膜进行脱盐，透过液调节pH至7.5～8.5，经反渗透膜二次脱盐后按1.2.3.1确定浓缩倍数进行料液脱盐实验，监控脱盐过程料液电导率和流速的变化。

1.3 测定方法

1.3.1 胶原蛋白分子量测定 采用凝胶过滤法测定。以50mmol/L磷酸盐、0.15mol/L氯化钠、pH7.0的缓冲液为流动相，流速1.0mL/min，进样量25μL，用细胞色素c、雷帕霉素等5种标准蛋白分子量的对数值对出峰时间做标准曲线，得到回归方程:Y= 3.8251ln(X)+52.9720，r=0.9927，式中Y为出峰时间，X为蛋白分子量。通过胶原蛋白出峰时间计算胶原蛋白分子量。

1.3.2 胶原蛋白提取液电导率的测定 用超纯水洗净电导率仪探头，滤纸擦干，以50mL样品液润洗探头2次，将探头浸入50mL样品液中，待读数稳定后读取数值。

1.3.3 灰分的测定

1.3.3.1 料液中灰分相关杂质(主要为钙、镁等离子形成的无机盐)的测定 取100mL料液，冻干成固体后以炽灼残渣检查法［7］进行测定。

1.3.3.2 产品中灰分的测定 直接以炽灼残渣检查法［7］进行测定。

1.3.4 胶原蛋白含量的测定 采用离子色谱法以羟脯氨酸的含量进行表征［8］。

1.3.5 膜通量的测定 按下式计算:

式中:J为膜通量(L/(h·m2));v为透过液的体积(L);t为超滤所用的时间(h);s为膜的面积(m2)。

2 结果与讨论

2.1 鱼鳞胶原蛋白的提取及分析

将鱼鳞胶原蛋白提取液进行基本成分分析，结果见表1。

表1 鱼鳞胶原蛋白提取液成分分析Table 1 Analysis of fish collagen extraction

由表1可见，胶原蛋白提取液中含有大量的灰分相关的无机盐杂质，如果不加以去除，会严重影响最终产品的质量［9］。

2.2 不同截留分子量超滤膜的筛选

根据料液的性质，选择直径150mm，截留分子量分别为1、2、8、10ku的小试膜片进行超滤实验，通过对膜通量、料液电导率的变化情况、胶原蛋白回收率等主要指标进行比较，确定小试脱盐最适工艺条件如表2所示:

按照脱盐工艺的要求设计制造了多级膜分离设备，单级膜处理量＞200L/h。

根据小试实验结果，对超滤中常用的几种截留分子量＜10ku的卷式超滤膜进行了筛选，对不同型号膜的脱盐效果、膜通量、胶原蛋白回收率等指标进行了比较，见表3、表4及图1。

由图1可知，超滤过程料液电导率随加水次数增加而逐渐下降，最后达到稳定，电导率的下降速度也随膜截留分子量的增加而加快，表明膜截留分子量越大越有利于料液中盐分的脱除。膜截留分子量1ku的超滤膜在加水2次后电导率就基本维持在300μs/cm，灰分相关杂质为3.6%左右不再下降，而其余三种不同型号膜在加水5次后电导率均能下降到100μs/cm，灰分相关杂质下降到1%以下，表明对于鱼鳞胶原蛋白提取液，膜截留分子量小于1ku时将导致脱盐不完全，这可能与料液的性质有关［10］。

图1 不同截留分子量卷式超滤膜脱盐过程中料液电导率变化Fig.1 Variety of electric conductivity in the desalination process using spiralultrafiltration membranes with different MWCO

表3 不同截留分子量卷式超滤膜性能参数表Table 3 Parameter of spiral ultrafiltration membranes with different MWCO

表4 不同截留分子量卷式超滤膜脱盐效果对比Table 4 Desalination effect of spiral ultrafiltration membranes with different MWCO

由表4可知，各类型超滤膜膜通量随膜截留分子量的增大而增加，但损失率也随之加大。综合考虑膜处理能力及胶原蛋白回收率这两项指标后，我们以8ku的卷式超滤膜作为胶原蛋白提取液脱盐用膜。

炽灼残渣检查法是灰分测定的标准方法，但该法需要耗费大量的时间和步骤，不利于脱盐过程中料液中盐度的实时监控。电导率的物理意义是表示物质导电的性能，对于液体而言，它与其中的离子强度密切相关，可以间接的表示料液中的盐度。由图1，表4的结果可知，最终料液电导率低于100μs/cm时，料液中灰分相关杂质＜1%，根据我们设定胶原蛋白产品灰分指标(＜2%)［9］，确定以料液电导率＜100μs/cm作为脱盐终点。

2.3 不同类型超滤膜的筛选

中空纤维超滤膜是分离膜的一种重要类型，由于其比表面积大，膜组件的装填密度高，具有运行高效、生产成本较低、容易清洁等特点，在化工制药、水处理等领域有着广泛的应用［9］。我们对截留分子量8ku，膜面积10.2m2的中空纤维膜进行了料液脱盐实验，对脱盐后料液的性质进行了测定，结果见表5。

表5 中空纤维膜脱盐效果Table 5 Desalination effect of hollow fiber membrane

由表5可见，截留分子量8ku的中空纤维膜脱盐时，平均膜通量比截留分子量8ku的卷式超滤膜略大，二者脱盐后料液中灰分相关杂质指标基本接近，均满足预设值，但是中空纤维膜脱盐后，料液中胶原蛋白的回收率比卷式超滤膜低10%左右，可能与其易于清洁的结构设计导致料液吸附、残留过多有关。因此，在速度基本相当的情况下，最终选用胶原蛋白回收率较高的截留分子量8ku的卷式超滤膜作为脱盐用膜。

2.4 脱盐工艺优化

料液的脱盐过程会产生大量的透过液，以50L料液计算，完成脱盐过程产生透过液约250L(按加水5次，电导率＜100μs/cm计)，按中试制备一次料液500L计，按上述脱盐过程透过液将超过2.5t，不仅会产生大量废水，而且也将大大延长脱盐时间。因此我们考虑对脱盐工艺进行优化，先以截留分子量8ku的卷式超滤膜对鱼鳞胶原蛋白提取液进行浓缩，然后再进行脱盐，脱盐透过液以反渗透膜(RO膜)进行处理，产生的反渗透产水(RO产水)返回用于脱盐过程。首先对不同浓缩倍数料液的脱盐过程进行了比较，结果见表6。

表6 不同浓缩倍数料液的脱盐过程比较Table 6 Comparison of desalination process for extraction with different concentrated rate

料液中胶原蛋白的浓度会影响料液脱盐的速度，蛋白浓度越高，脱盐速度越慢，此外，蛋白浓度越高的料液在浓缩及脱盐过程中的损失也越大，可能与膜对料液的吸附有关［11］。从表6中可见，虽然随着浓缩倍数的增加，单份浓缩液脱盐用时也逐渐延长，但整体料液全部的超滤时间仍在缩短，此外浓缩倍数增加导致胶原蛋白总回收率的下降并不大，在可接受范围，因此，在后续工艺中采用提取料液用8ku超滤膜浓缩至4倍浓度后再进行脱盐。

虽然对料液进行浓缩后再除杂，但是除杂过程仍会产生大量废水，据测算，一次提取过程，超滤过程产生的废水总量大概在700L左右，废水中的成分主要为无机盐类、小分子蛋白等各种物质，因而我们考虑用反渗透膜对废水进行处理，截留其中的小分子物质，制备出的RO产水再用于料液超滤脱盐的工艺过程用水。

用处理能力为200L/h的单级RO膜对超滤废水进行了处理，并对处理后的产水水质进行了测定，结果见表7:

表7 超滤废水经RO膜处理后的水质分析Table 7 Analysis of ultrafiltration permeate water treated by RO membrane

水质分析结果表明，RO产水中基本不含蛋白质与灰分指标有关的杂质，电导率虽比我们自制的EDI纯水(电导率＜0.1μs/cm)高，但是仍然远低于工艺设定的料液电导率标准，以RO产水用于料液的脱盐过程，测定脱盐过程料液电导率和膜通量的变化情况，结果见图2。

图2 RO产水用于脱盐过程时料液电导率及膜通量的变化Fig.2 Variety of electric conductivity and membrane fluxes in the desalination process using permeate water produced by RO membrane

由图2可知，采用RO产水用于脱盐过程，加水5次后料液电导率同样也能下降到100μs/cm以下，膜通量在9.2L/(h·m2)以上，脱盐过程用时在100min以内，与使用EDI超纯水脱盐相比，最终料液电导率指标基本相当，因此，在后续的中试实验过程中选用以超滤废液制备的反渗透回收水进行实验，以达到节约用水的目的。

2.5 中试实验验证

根据上述实验，本文选定截留分子量8ku的超滤膜进行胶原蛋白的脱盐，脱盐透过液以反渗透膜进行二次脱盐回收，收集的RO产水用于第一次的脱盐工艺过程。进行三批中试规模(每批提取液体积500L)的胶原蛋白提取液脱盐验证实验，结果见表8。

表8 三批中试料液浓缩脱盐效果比较Table 8 Comparison of desalination process in three pilot batch tests

由表8可见，三批中试实验胶原蛋白最终样品灰分均小于1%，胶原蛋白总回收率均大于75%。

3 结论

3.1 采用超滤技术能够有效脱除鱼鳞胶原蛋白提取液中的小分子盐类;料液中与灰分相关的共存杂质由过膜前的7%下降到过膜后的1%以下，按重量计脱除率＞85%。

3.2 采用反渗透技术对超滤过程产生的废水进行了处理，处理后的RO产水大部分可以循环用于超滤过程，节约了用水，少部分高浓度废水也易于集中处理。

3.3 利用本研究确立的提取工艺进行了三批次胶原蛋白的中试实验验证，完成500L料液的处理共用时约24h，胶原蛋白回收率＞75%，最终产品灰分 ＜1%，产品质量稳定，确定的工艺易于放大实现规模产业化。

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Application of membrane separation in the desalination process of pilot fish scale collagen extraction

CHEN Hui，YI Rui－zao*，CHEN Jun－de，CHEN Si－jin，ZHANG Yi－ping，XIE Quan－ling
(Third Institute of Oceanography State Oceanic Administration，Xiamen 361005，China)

Membrane separation was applied for the desalination of pilot collagen extraction from fish scale.The effect of ultrafiltration membranes with different MWCO or different material on the desalination rate and collagen recovery rate were researched.The result showed that the optimal membrane was spiral ultrafiltration membrane with MWCO 8ku，the waste water could be recycled for desalination process after treated by nanofiltration membrane.The results of three pilot batch tests of the collagen extraction desalination showed that when the collagen extraction was four times concentrated，the collagen recovery rate was more than 75%，the removal rate of inorganic salt related to ash in the extraction was more than 85%，the ash content in the final collagen product was less than 1%.

membrane separation;fish scale;collagen;pilot;desalination

TS254

B

1002－0306(2012)21－0210－04

2012－03－27 *通讯联系人

陈晖(1980－)，男，硕士，助理研究员，主要从事海洋生物资源高值化开发研究。

国家科技支撑计划资助课题(2007BAB26B03)。