膜分離技術(shù)純化花生衣中的原花色素 實(shí)驗(yàn)用膜分離裝置的應(yīng)用
膜分離技術(shù)純化花生衣中的原花色素
劉志強(qiáng)1,2，張初署1，孫杰 1，于麗娜1，張巖 2，王世清2，楊慶利1 ,*
(1.山東省花生研究所，山東青島 266100；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266109)
摘 要：以花生衣的原花色素提取液為原料，研究不同孔徑的膜組件(NF-500、HPS-1、PS-5、PS-10)純化原花
色素提取液的效果。確定*佳純化效果的膜組件，以及其不同操作壓力、操作溫度對(duì)純化花生衣中原花色素得率
和純度的影響。結(jié)果表明：*佳純化膜組件為HPS-1 超濾組件，其操作壓力0.54MPa，操作溫度25℃，在此條
件下，原花色素得率13.3%、純度85.8%。
關(guān)鍵詞：原花色素；花生衣；膜分離
Membrane Separation Technique for Purifying Proanthocyanidins from Peanut Skin
LIU Zhi-qiang1,2，ZHANG Chu-shu1，SUN Jie1，YU Li-na1，ZHANG Yan2，WANG Shi-qing2，YANG Qing-li1,*
(1. Shandong Peanut Research Institute, Qingdao 266100, China ；
2. College of Food Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qiangdao 266109, China)
Abstract ：The proanthocyanidin-rich extract from peanut skin was purified and condensed by membrane separation technique.
The purification effects of membrane modules with different pore sizes (NF-500, HPS-1, PS-5 and PS-10) on the extract were
assessed. Collectively considering product yield and purity, the optimal purification conditions were using HPS-1 module at a
trans-membrane pressure of 0.54 MPa and an operating temperature of 25 ℃. Under such purification conditions, the yield and
purity of purified proanthocyanidin were up to 13.3% and 85.8%, respectively.
Key words：proanthocyanidin；peanut skin；membrane separation
中圖分類(lèi)號(hào)：TS202.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-6630(2010)20-0183-04
收稿日期：2010-06-21
基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA10Z189；2006AA10A114)；農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(nyhyzx07-0140)；
山東省自主**重大科技專項(xiàng)(2006GG1107009)
作者簡(jiǎn)介：劉志強(qiáng)(1984 —)，男，碩士研究生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏研究。E-mail：liuzhiqiang_1984@126.com
* 通信作者：楊慶利(1979 —)，男，副研究員，博士，主要從事功能食品研究。E-mail：rice407@sohu.com
花生衣為豆科植物花生種皮，紅棕色膜質(zhì)，味
甘、微苦、性平，有止血散瘀和消腫之功效，在《本
草綱目》和《中華藥典》等書(shū)中均有記載[ 1 - 3 ]?；ㄉ?br>衣中含有豐富的原花色素，其中50% 左右為生物活性較
高的低聚物[4]。原花色素作為天然抗氧化劑，以其極強(qiáng)
的**自由基能力和心血管系統(tǒng)活性在藥品、保健品和
化妝品中越來(lái)越受到人們的歡迎[5-6]。但是花生衣原花色
素粗提液中含有蛋白質(zhì)、糖類(lèi)等雜質(zhì)[ 7 -9]，這些成分的
存在不僅影響色素的純度，還影響其儲(chǔ)藏的穩(wěn)定性；同
時(shí)未經(jīng)純化的花生衣原花色素達(dá)不到食品加工對(duì)其純度
要求。因此對(duì)原花色素提取液進(jìn)行純化才能達(dá)到貯藏和
食品加工的要求。
膜分離是一種新興的生化分離技術(shù)，是指借助膜的
選擇滲透作用，在外界能量或化學(xué)位差的推動(dòng)下對(duì)混合
物中溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和富集，廣泛
應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥及廢水處理等領(lǐng)域[ 1 0 -1 2 ]。與
傳統(tǒng)分離技術(shù)相比，膜分離法不會(huì)發(fā)生相變，耗能少，
不消耗化學(xué)試劑和添加劑，不會(huì)污染產(chǎn)品，而且膜分
離生產(chǎn)過(guò)程可在常溫封閉回路中進(jìn)行，適合處理熱敏性
物質(zhì)同時(shí)避免氧氣氧化有效物質(zhì)。該法在天然色素的提
取中得到應(yīng)用[13-15]。本研究以花生衣的原花色素提取液
為原料，從膜組件的膜通量、原花色素得率和純度角
度出發(fā)，探討膜分離的過(guò)程所需*佳膜孔徑及該孔徑下
分離的*佳工作條件，為花生衣中原花色素的提取提供
參考。
1 材料與方法
1.1 材料、試劑與儀器
花生衣青島東生集團(tuán)股份有限公司；原花色素
(≥ 98%) 上海融禾醫(yī)藥科技有限公司；香草醛(分析純)
184 2010, Vol. 31, No. 20 食品科學(xué)※工藝技術(shù)
天津博迪化工；鹽酸、甲醇、無(wú)水乙醇( 均為分析純) 。
RO-NF-UF-4050/4100/4010 實(shí)驗(yàn)用膜分離裝置/ 超濾
器上海摩速科學(xué)器材有限公司；膜組件(NF-500 芳香
聚酰胺膜、HPS-1 聚砜膜、PS-5 聚砜膜、PS-10 聚砜
膜、截留分子質(zhì)量分別為500、1000、5000、10000D，
膜面積為0.1m2)；冷凍干燥機(jī) 北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有
限公司；SHZ-3 循環(huán)水多用真空泵 上海滬西分析儀器
廠；SHA-B 雙功能水浴恒溫振蕩器 金壇市杰瑞爾電器
有限公司；VDRTEX-5 漩渦混合器海門(mén)市其林貝爾儀
器制造有限公司；FZ102 型微型植物粉碎機(jī) 天津市泰
斯特儀器有限公司；TU-1800S 紫外分光光度計(jì)北京普
析通用儀器有限公司；TE212-L 電子天平德國(guó)賽多利
斯股份有限公司；HH-4 數(shù)顯恒溫水浴鍋 國(guó)華電器有
限公司。
1.2 方法
1.2.1 原花色素提取液制備
將花生衣在粉碎機(jī)中粉碎，按照1:20(g/mL)的比例
加入石油醚30℃恒溫水浴脫脂5h，之后進(jìn)行抽濾，將
得到的濾渣在通風(fēng)櫥中除去殘留的石油醚，得脫脂花生
衣[16]。采用超聲波輔助法提取脫脂花生衣中原花色素，
提取條件：超聲波功率120W、提取溫度35℃、提取
時(shí)間5min、料液比9.24(g/mL)、乙醇體積分?jǐn)?shù)55%。
將得到的原花色素提取液減壓過(guò)濾除去殘?jiān)瑸V液
在30℃下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，待濃縮液的體積為原體積的1/5
時(shí)，對(duì)其進(jìn)行冷凍，之后進(jìn)行真空冷凍干燥得到原花
色素粉末。
1.2.2 原花色素測(cè)定及標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作
采用香草醛- 鹽酸法測(cè)定提取液中的原花色素。取
樣液1.0mL，放入試管中，加入4g/100mL 香草醛- 甲醇
溶液3.0mL混合，再加入1.5mL濃鹽酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%～
38%)，立即混勻。室溫下顯色15min 左右，在500nm
波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度，4g/100mL 香草醛- 甲醇溶液做空白
對(duì)照， 避光保存。
0.15、0.20、0.25mg/mL 質(zhì)量濃度原花色素標(biāo)準(zhǔn)液。采
用香草醛- 鹽酸法測(cè)定吸光度，繪制出原花色素質(zhì)量濃
度與吸光度的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖1。并計(jì)算出回歸方程：
A=3.5018C － 0.0025(R2=0.9998)，式中：A 為吸光度；
C 為原花色素質(zhì)量濃度(mg/mL)。
1.2.3 膜分離裝置
本實(shí)驗(yàn)采用上海摩速科學(xué)器材有限公司生產(chǎn)的RONF-
UF-4050/4100/4010 實(shí)驗(yàn)用膜分離裝置/ 超濾器(圖2)。
操作方法為樣品液經(jīng)輸液泵輸入膜分離組件，以切向流
的方式通過(guò)膜組件，分為透過(guò)液和截留液，在壓力驅(qū)
動(dòng)下分別從膜分離柱外腔的透過(guò)口和循環(huán)口流出。
1.2.4 原花色素得率及純度的計(jì)算
原花色素得率計(jì)算：W=m1/m2
式中：W 為原花色素得率/%；m1 為純化后原花色
素質(zhì)量/mg；m2 為稱量脫脂花生衣的質(zhì)量/mg。
原花色素純度計(jì)算：n=CVN/m1
式中：n 為原花色素純度/%；C 是原花色素質(zhì)量
濃度/(mg/mL)；V 為溶液體積/mL；N 為稀釋倍數(shù)；m1
為純化后原花色素質(zhì)量/mg。
1.2.5 膜通量的計(jì)算
膜通量的計(jì)算式：J= ΔV/ ( S ·Δt )
式中：J 為膜通量/(L/(m2·h))；ΔV 為取樣時(shí)間
內(nèi)滲透液體積/L；S 為膜面積/m2；Δt 為取樣時(shí)間/h。
2 結(jié)果與分析
2.1 膜組件的選擇
采用4 種不同規(guī)格的膜組件(NF-500、HPS-1、PS-
5、PS-10，截留分子質(zhì)量分別為500、1000、5000、
10000D)對(duì)相同溫度、相同體積、相同濃度的原花色素
提取液進(jìn)行濃縮純化實(shí)驗(yàn)。從表1 可以看出，4 種不同
規(guī)格的膜組件對(duì)花生衣原花色素提取液純化效果。原花
色素提取液經(jīng)過(guò)4 種膜組件純化后所得原花色素純度均
大于未經(jīng)純化處理的45.6%，因?yàn)? 種膜組件孔徑不同，
對(duì)原花色素提取液除雜效果不同，孔徑越小，純化效
圖1 原花色素標(biāo)準(zhǔn)曲線圖
Fig.1 Standard curve of proanthocyanidins
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
A500nm
原花色素質(zhì)量濃度/(mg/mL)
0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
**稱取原花色素標(biāo)準(zhǔn)品10.0mg，定容于10mL 容
量瓶中，再進(jìn)行一定倍數(shù)的稀釋，配制出0.05、0.10、
1.原料液槽；2.輸液泵；3.壓力表；4.膜過(guò)濾組件；
5 . 流量計(jì)；6 . 循環(huán)閥；7 . 濃液閥；8 . 流量計(jì)閥。
圖2 RO-NF-UF-4050/4100/4010 實(shí)驗(yàn)用膜分離裝置/ 超濾器
Fig.2 RO-NF-UF-4050/4100/4010 laboratory membrane separation
device/ultra-filtration instrument
5
8
4
3
P 6
7
2 1
↓
↑
↓
※工藝技術(shù)食品科學(xué)2010, Vol. 31, No. 20 185
果越好，但是得率也會(huì)隨之變小。PS-10 純化原花色素
得率*高為19.6%，但是純度*低，為58.6%，得到的
原花色素含有較多雜質(zhì)；PS-5 和HPS-1 純化原花色素的
得率相近分別為12.1% 和14.2%，而HPS-1 所得原花色
素純度為84.5%，遠(yuǎn)高于PS-5 所得原花色素的純度為
68.4%，說(shuō)明HPS-1 將一部分分子質(zhì)量在1000～5000D 一
些糖類(lèi)、色素等雜質(zhì)有效地去掉，原花色素得率沒(méi)有
發(fā)生明顯變化，可以推測(cè)花生衣中原花色素分子質(zhì)量小
于5000D。NF-500 和HPS-1 純化原花色素的純度相近為
86.7%，說(shuō)明兩種膜組件都可以除去絕大部分大分子蛋
白質(zhì)、多糖等，由于提取液中含有一些小分子糖類(lèi)等
物質(zhì)，所以進(jìn)一步顯著提高原花色素的純度有難度，而
HPS-1 原花色素得率為12.1%，顯著高于NF-500 的8.1%，
說(shuō)明花生衣中原花色素的分子質(zhì)量在1000D 左右，膜組
件NF-500 的原花色素得率明顯較低，是因?yàn)槠浣亓舴肿?br>質(zhì)量過(guò)小，將一部分原花色素截留下。從原花色素得
率和純度總體角度進(jìn)行選擇，所以HPS-1 為純化原花色
素*佳膜組件。
膜組件NF-500 HPS-1 PS-5 PS-10 未采用膜組件
原花色素得率/% 8.1 12.1 14.2 19.6 23.1
原花色素純度/% 86.7 84.5 68.4 58.6 45.6
表1 不同孔徑膜組件純化原花色素效果
Table 1 Effect of membrane modules with different pore sizes on
purification efficiency of proanthocyanidins
2.2 膜分離工藝參數(shù)的確定
2.2.1 操作壓力的確定
對(duì)20℃、800mL、質(zhì)量濃度5.90mg/mL 的原花色素
提取液在不同壓力下進(jìn)行濃縮、純化，考察不同操作
壓力對(duì)提取液膜通量、原花色素得率和純度的影響。結(jié)
果見(jiàn)圖3 。
在0.54MPa 之后膜通量略有下降。因?yàn)樵陂_(kāi)始階段隨操
作壓力增大，膜通量隨之增大；操作壓力繼續(xù)增加，
經(jīng)過(guò)超濾濃縮使原料溶液的濃度加大，致使?jié)獠顦O化加
劇，逐步形成凝膠層，膜通量趨于極限值，所以不再
隨壓力的增大而增大，另一方面，隨著凝膠層的積蓄
加厚，阻力增大，致使膜通量反而會(huì)有下降的趨勢(shì)，
而且壓力越高，凝膠層形成的速度越快，壓力過(guò)大，
膜甚至?xí)粩D壓而導(dǎo)致嚴(yán)重堵塞。盡管較低的壓力能減
緩堵塞，但是膜通量過(guò)小會(huì)影響生產(chǎn)效率。綜合考慮
各項(xiàng)因素，操作壓力選擇0.54MPa。
從圖3 可知，膜組件操作壓力對(duì)花生衣中原花色素
得率和純化效果。操作壓力在0.50～0.54MPa 原花色素
的得率隨之壓力的增加有由12.3% 上升至13.4% ，
在0.54MPa 之后略有下降，可能因?yàn)殡S著壓力增加，濃
差極化加劇，凝膠層出現(xiàn)及固化，導(dǎo)致原花色素透過(guò)率
降低。原花色素純度在82.1%～85.3% 之間，在0.52MPa
處*大為85. 3%，當(dāng)操作壓力為0 .54MPa 時(shí)純度為
84.6%，呈降低趨勢(shì)。原花色素的純度在0.52MPa 和
0.54MPa 處相差很小，同時(shí)從提取液膜通量和原花色素
得率角度考慮，故操作壓力為0.54MPa *為合適。
2.2.2 操作溫度的確定
對(duì)0.52MPa、800mL、質(zhì)量濃度5.90mg/mL 的色素提
取液在不同溫度下進(jìn)行濃縮，考察不同操作溫度對(duì)提取液
膜通量、原花色素得率和純度的影響。結(jié)果見(jiàn)圖4 。
從圖4 可知，操作溫度在20～40℃，膜通量由11.8
L/(m2·h)上升至13.7L/(m2·h)，呈逐漸增加趨勢(shì)，因
為溫度升高時(shí)，擴(kuò)算系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)增大，相應(yīng)會(huì)減
弱膜表面的濃差極化，故膜通量增加；但是原花色素是
一類(lèi)溫度過(guò)高易分解的物質(zhì)，高溫可以使膜通量增加，
同時(shí)也會(huì)使原花色素發(fā)生分解，使有效成分減少。綜合
考慮膜的性能，料液穩(wěn)定性以及操作方便，采用25℃。
從圖4 可知，膜組件操作溫度對(duì)花生衣中原花色素
得率和純化效果的影響。操作溫度為20～25℃時(shí)，原
花色素得率12.4% 升至為13.3%，上升趨勢(shì)明顯，可能
圖3 操作壓力對(duì)膜通量、原花色素得率和純度的影響
Fig.3 Effect of trans-membrane pressure on membrane flux, yield and
purity of proanthocyanidins
14
13
12
11
10
9
8
7
膜通量/(L/(m2·h))
原花色素得率/%
操作壓力/MPa
0.50 0.52 0.54 0.56 0.58
86
85
84
83
82
81
80
79
原花色素純度/%
膜通量變化曲線
原花色素得率
原花色素純度
超濾過(guò)程是以壓力為驅(qū)動(dòng)力，其大小會(huì)直接影響膜
組件的通透性。圖3 數(shù)據(jù)表明，操作壓力在0 . 5 0 ～
0.54MPa 時(shí)，膜通量由7.27L/(m2·h)上升至12.1L/(m2·h)，
圖4 操作溫度對(duì)膜通量、原花色素得率和純度的影響
Fig.4 Effect of operating temperature on membrane flux, yield and
purity of proanthocyanidins
14.0
13.5
13.0
12.5
12.0
11.5
11.0
10.5
膜通量/(L/(m2·h))
原花色素得率/%
操作溫度/℃
20 25 30 35 40
87
86
85
84
83
82
81
80
79
原花色素純度/%
膜通量變化曲線
原花色素得率
原花色素純度
186 2010, Vol. 31, No. 20 食品科學(xué)※工藝技術(shù)
因?yàn)闇囟壬?，膜表面的濃差極化減弱，膜材料微觀
布朗運(yùn)動(dòng)加劇，透過(guò)物增加，所以原花色素得率增加；
在25℃后，原花色素得率趨于平緩。操作溫度為20～
25℃時(shí)，原花色素的純度由84.1% 升至85.8%，之后呈
下降趨勢(shì)，可能因?yàn)殡S著溫度繼續(xù)升高，膜材料布朗運(yùn)
動(dòng)加劇，使瞬間單位體積的小孔機(jī)率增加，造成膜的截
留性能下降，一些分子質(zhì)量較大的物質(zhì)沒(méi)有被膜組件截
留下來(lái)，所以原花色素的純度降低。從提取液膜通量、
原花色素得率及純度的角度考慮，故采用25℃。
2.2.3 膜分離法與傳統(tǒng)溶劑萃取法純化花生衣中原花色
素的比較
膜分離法：超聲波輔助提取法得到花生衣原花色素
提取液，采用膜組件為HPS-1 超濾組件，在其操作壓
力0.54MPa，操作溫度25℃條件下對(duì)花生衣中原花色素
提取液進(jìn)行純化，得到濾液真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)到其原體積的
1 /5，再進(jìn)行真空冷凍干燥，原花色素得率為13. 3%，
純度為85.8%。
傳統(tǒng)溶劑萃取法：超聲波輔助提取法得到花生衣原
花色素提取液，對(duì)提取液進(jìn)行真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)( 經(jīng)蒸發(fā)去
掉乙醇)，再用乙酸乙酯在酸性環(huán)境下(pH3.5～4.0)對(duì)濃
縮液浸提(3 次)后進(jìn)行干燥，原花色素得率為3.2%，純
度為59.6%。
與傳統(tǒng)溶劑萃取法相比，膜分離法比傳統(tǒng)溶劑萃取
法原花色素得率提高了10.1 個(gè)百分點(diǎn)，純度提高了26.2
個(gè)百分點(diǎn)。
3 結(jié) 論
采用膜分離技術(shù)對(duì)花生衣原花色素提取液進(jìn)行處
理，純化花生衣中的生物活性物質(zhì)——原花色素，研究
4 種不同截留分子質(zhì)量的膜過(guò)濾組件對(duì)原花色素的純化效
果，從原花色素得率和純度角度考慮，HPS-1(截留分子
質(zhì)量1000D)純化效果*好。
研究了膜組件HPS-1 操作壓力、操作溫度對(duì)膜通量
及對(duì)原花色素得率和純度的影響，結(jié)果表明：膜過(guò)濾*
佳條件為壓力0.54MPa、溫度25℃，花生衣原花色素
得率13.3%，其純度85.8%。與傳統(tǒng)溶劑萃取法相比，
原花色素得率提高了10.1 個(gè)百分點(diǎn)，純度提高了26.2 個(gè)
百分點(diǎn)。膜分離純化原花色素在得率和純度都得到顯著
增高， 純化效果明顯。
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