沈娟 江艳 丁志刚 项玉华

中国科学院上海有机化学研究所（上海 200032）

科研开发

丝肽电渗析工艺优化

沈娟 江艳 丁志刚 项玉华

中国科学院上海有机化学研究所（上海 200032）

通过改变丝肽料液浓度、pH以及电渗析的输出电压等因素进行丝肽电渗析脱盐条件优化实验。结果发现：通过稀释料液质量浓度可提高丝肽回收率，但同时增加了物料的总体积，降低了生产效率；调节丝肽料液pH至等电点，可缩短电渗析脱盐时间，适当提高样品回收率；降低电渗析输出电压，亦可提高样品回收率，但是脱盐速率也会相应降低。丝肽生产中，可以通过适当调节pH和电渗析电压的方法来提高脱盐效率及样品回收率，且不增加后续处理量。

丝肽 电渗析 生产工艺

蚕丝中蛋白质含量高达97.6%～98.5%，其主要由丝胶蛋白和丝素蛋白两部分组成，丝素蛋白结构紧密，结晶度高，约占全丝蛋白的72%，外层包裹的丝胶蛋白约占26%。我国是世界最大的茧丝及丝织品生产国，在原料茧加工过程中会产生大量的废丝。由于丝素蛋白相对分子质量较大，因此在水中只发生膨润而并不溶解。研究发现蚕丝脱胶后，丝素蛋白可通过酸法、碱法或酶法水解得到丝肽[1-7]，其相对分子质量分布范围较广，在300～20000之间。控制蛋白质的水解程度，可得到相对分子质量不同的丝肽（具有抗氧化、降血糖、降胆固醇、免疫刺激等生物活性），这些产品已开始广泛地应用于医药、化妆品、食品及纺织加工助剂等行业[8-11]。由此可见，对于充分发挥废蚕丝的使用价值来说，丝肽的生产工艺研究意义重大。

丝肽制备过程中，无论是溶解丝素蛋白的浓盐溶液，还是水解时引入的酸、碱、缓冲盐溶液，其中所含的无机离子直接影响丝肽的生产和品质，因此，脱盐工艺对丝肽的产量和品质具有举足轻重的影响。在前期实验研究中，分别用纳滤膜、混床树脂、电渗析三种方式脱除丝肽母液中的氯化钙和氢氧化钠，以丝肽的回收率和工艺上的经济性作为评价指标，发现电渗析脱盐工艺在这三种工艺中效果最佳，其脱盐效率、丝肽回收率以及工业放大的可操作性均优于其余两种工艺[12]。电渗析是利用半透膜的选择透过性来分离不同溶质粒子（如离子）的方法，在直流电场作用下进行渗析时，溶液中的带电阳离子和阴离子分别通过阳离子交换膜与阴离子交换膜而迁移的现象称为电渗析[13-15]。无机离子在溶液中可完全电离，在电场作用下迁移速度较快；而丝肽只带有弱电荷，且相对分子质量大，在电场作用下迁移率低。因此，利用丝肽与无机离子迁移速率的不同可达到脱盐的目的。电渗析工序作为整个丝肽制备工艺中的重要环节，筛选优化最佳操作参数对于整个工艺流程具有举足轻重的作用。

1 材料与方法

1.1 试剂和仪器

试剂：丝素，湖州澳特丝生物科技有限公司；氯化钙，分析纯，上海美兴化工股份有限公司；氢氧化钠，分析纯，上海润捷化学试剂有限公司；无水乙醇、盐酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；去离子水，自制。

仪器：Labofuge 400R离心机，德国Heraeus控股公司；电渗析器，浙江千秋环保水处理有限公司；Waterbath B-480真空旋转蒸发仪，瑞士Buchi公司；Alpha 2-4 LD plus真空冷冻干燥机，德国Martin Christ公司；雷磁DDSJ-318电导率仪，上海仪电科学仪器股份有限公司；凯氏定氮仪，济南海能仪器股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 丝肽粗品料液制备

采用氯化钙-水-乙醇体系溶解已脱除丝胶的丝素[12]。将22 g氢氧化钠溶于60 mL水中，所得溶液备用；称取222 g氯化钙于茄形瓶中，加入288 mL去离子水，搅拌冷却后加入184 g无水乙醇，混合均匀后置于80℃油浴中；加入50 g丝素，搅拌至丝素完全溶解；缓慢滴加氢氧化钠水溶液至丝素反应液中，溶液碱解反应2 h，冷却后离心，去除不溶物；上清液通过减压蒸馏脱除乙醇，即获得丝肽粗品料液。

1.2.2 丝肽脱盐

将丝肽粗品料液加水稀释后置于电渗析器的料液水箱中，并向电渗析器的极水箱和浓水箱分别注入自来水；料液箱和浓水箱的循环流速均设置为60 L/h，电渗析器电压设置为40 V，实验过程中监测料液和浓水的电导率，直至料液电导率降至合格水平；取出料液，会使其通过300 mL混床树脂进行二次脱盐，直至电导率降至100 μS/cm以下；收集混床树脂柱流出液，减压浓缩后冷冻干燥，以冻干产物计算丝肽回收率。

2 结果与分析

2.1 电渗析过程中电导率及物料的迁移情况

电渗析过程中采用电导率仪检测料液电导率变化情况，料液定时取样，采用凯氏定氮仪测定其中氮含量并以此折算物料回收率，从而确定整个电渗析过程中对于回收率影响最大的阶段。图1为电渗析过程中料液电导率和回收率的变化曲线。

图1 料液电导率和回收率变化曲线

电渗析过程前半段即物料电导率在10 mS/cm以上时，丝肽基本不随电流迁移至浓水箱中，该阶段以料液中无机离子的迁移为主，丝肽回收率基本稳定在同一水平。电渗析脱盐进行至物料电导率降至10 mS/cm以下时，丝肽回收率显著下降，说明该阶段中丝肽亦带电荷，并在电场作用下发生迁移，从而产生损失。可见该阶段是提高回收率的关键所在。2.2丝肽粗品料液质量浓度对电渗析脱盐速率及回收率的影响

分别将50 g丝素碱解离心后的清液稀释至1，2，3和4L，稀释后的料液pH相近，然后分别进行电渗析脱盐，直至料液电导率降到1mS/cm。实验结果（见表1）表明，在相同的pH及电压条件下，料液质量浓度越低（即实验料液体积越大），回收率越高。但同时由于物料体积增加，等同流量条件下物料进入膜面循环的次数减少，从而导致整个电渗析脱盐时间延长，生产效率也随之降低。而且由于料液体积增大，后续浓缩处理的工作量亦会增加，如果放大到生产中，其物料的后续处理量和生产耗时造成成本巨大。所以综合考虑丝肽回收率及生产效率，折中选取物料质量浓度更适合于放大生产。

表1 不同质量浓度料液的脱盐时间及丝肽回收率

2.3 pH对电渗析脱盐速率及回收率的影响

通过调节料液的pH，研究了不同酸碱条件对样品脱盐速率及回收率的影响。将50 g丝素的水解清液稀释至2 L，在不调节pH、用25%盐酸调至中性及pH＝3.5（即在碱性、中性和酸性）的条件下，分别进行电渗析，实验结果如表2所示。料液pH在中性条件下较碱性条件下的丝肽回收率更高，但对电渗析时长无太大影响；而如果将料液pH调至酸性，则脱盐速率显著提高，丝肽回收率也有所提高，可见丝肽料液在酸性条件下更接近等电点，此时丝肽不易带电荷，从而不会因在电场作用下发生迁移而产生损耗。

表2 不同pH料液的脱盐时间及丝肽回收率

2.4 电渗析输出电压对脱盐速率及回收率的影响

考察了电渗析输出电压与丝肽回收率及脱盐时间的相关性。将50 g丝素碱解离心后的清液稀释至4 L，实验中改变输出电压，结果如表3所示。电压与脱盐速率呈正相关关系，但是随着电压增加，丝肽透过电渗析膜的损耗量亦会提高，从而导致回收率降低。放大生产中，提高电渗析输出电压可提高脱盐效率，但是也会使膜面电流增大，从而产生大量热量，如控制不当将存在烧膜风险。

表3 输出电压对脱盐时间及回收率的影响

2.5 电渗析过程中水分子的迁移

在电渗析过程中，无论物料在酸性还是碱性条件下，料液总体积均呈线形下降趋势，如图2、图3所示。

图2 碱性条件下料液体积随脱盐时间的变化

图3 酸性条件下料液体积随脱盐时间的变化

尽管在理论上电渗析膜不会透过水分子，但是膜两侧的料液存在质量浓度差，从而使得部分水分子由稀液一侧向浓液一侧渗透；另外在电场作用下，由于离子的水合作用，水分子也会被夹带着从料液室向浓缩箱迁移。以上两种情况可能是导致物料总体积下降的主要原因。在实验过程中发现，调节料液和浓水箱流量，使料液流道的压力略高于浓水一侧，即通过压力差平衡水分子的大量迁移现象，可以使物料总体积保持相对稳定，进而达到减少料液跑料的效果，同时也有利于提高丝肽样品的回收率。

3 结论

通过改变丝肽粗品母液质量浓度、丝肽母液的pH以及电渗析的输出电压等三个变量来进行实验，考查了电渗析小试装置中以上三个因素对于丝肽回收率以及分离时间的影响趋势。结果表明：降低丝肽母液质量浓度或降低电渗析输出电压均有利于提高丝肽的回收率，但也会延长脱盐时间，降低脱盐效率；丝肽母液在酸性条件下最利于电渗析脱盐；在整个电渗析脱盐过程中，接近脱盐终点的低盐阶段是影响丝肽回收率的关键阶段。

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Electrodialysis Process Optimization for Silk Peptide

Shen Juan Jiang Yan Ding Zhigang Xiang Yuhua

The optimum conditions for the electrodialysis desalination of silk peptide were analyzed by changing the hydrolysate concentration,pH and the output voltage of electrodialysis.Results showed that the recovery rate of silk peptide could be improved by diluting the concentration of silk peptide hydrolysate,but the hydrolysate volume was increased and the productivity was reduced.Adjusting the pH of hydrolysate to the isoelectric point could shorten the desalination time and improve the recovery rate of silk peptide.Reducing the output voltage could also improve the recovery rate,but the desalting rate per unit time would be reduced accordingly.In the production of silk peptide,the desalination efficiency and silk peptide recovery can be improved by properly adjusting the pH and electrodialysis voltage, without adding the hydrolysate volume of subsequent processing.

Silk peptide;Electrodialysis;Production process

TQ914.1

2017年3月

上海市科委项目（143919N0600）

沈娟女1982年生硕士研究方向为天然产物