PVDF超滤膜的制备及其分离大豆蛋白的条件优化

燕龙龙，叶　茜，严　滨，魏晓楠，杜翠红，3，*（.集美大学食品与生物工程学院，福建厦门360；.厦门理工学院，厦门市膜技术研发与应用重点实验室，福建厦门360；3.福建省水产品深加工工程研究中心，福建厦门360；.福建省食品微生物与酶工程重点实验室，福建厦门360）

PVDF超滤膜的制备及其分离大豆蛋白的条件优化

燕龙龙1，叶茜2，严滨2，魏晓楠4，杜翠红1，3，*
（1.集美大学食品与生物工程学院，福建厦门361021；2.厦门理工学院，厦门市膜技术研发与应用重点实验室，福建厦门361024；3.福建省水产品深加工工程研究中心，福建厦门361021；4.福建省食品微生物与酶工程重点实验室，福建厦门361021）

以聚偏氟乙烯（PVDF）为材料，利用浸没沉淀相转化法制备超滤膜，以水通量、孔隙率、截留率等对膜进行表征。结果表明，所制备的膜孔径较均一，在0.7MPa操作压力下，其水通量可达350L/m2·h以上，其孔隙率维持在80%左右，对牛血清白蛋白（BSA）的截留率在90%以上，而对聚乙二醇20000的截留率仅为5%左右。单因素与正交实验结果表明，当温度为50℃、pH=9、操作压力为0.5MPa及料液浓度为240μg/mL，膜的通量最大，对大豆蛋白的截留率可达96.25%。

聚偏氟乙烯超滤膜，浸没沉淀，大豆蛋白，膜分离

膜分离技术是一种新兴的高效分离、提纯、浓缩技术，随着膜技术的发展，膜的应用也越来越普遍，主要应用在废水处理、食品、医药、生化等方面[1-5]。膜分离过程无相变、高效、节能、无污染的特点，推动了食品行业的发展[6]。而聚偏氟乙烯（PVDF）具有优异的机械强度、良好的化学稳定性和热稳定性[7-8]，是一种优异的成膜材料。Zhao等[9]以PVDF为材料并在表面接枝NIPAAm制备了热响应性膜，提高了膜的亲水性，表现出良好的热响应性。Wang等[10]以PVDF和石墨氧化物为材料，采用浸没相转化法制备了有机-无机共混超滤膜，在机械强度、渗透性等方面得到提高。

大豆蛋白是植物蛋白中营养最为全面的蛋白质，开发利用大豆蛋白是十分重要的。目前大多采用传统的碱提酸沉法提取大豆蛋白[11]，该方法不仅浪费大量酸碱、污染环境，而且获得的大豆蛋白质量较差、提取率较低[12]。利用膜分离法提取分离大豆蛋白，具有得率高、节约资源及减少污染等优点[13]。利用超滤提取大豆蛋白已有报道[13-15]，但所采用的膜都是已有超滤膜。因此，本研究制备了可用于分离大豆蛋白的PVDF超滤膜，并对其操作条件进行了优化，可为膜分离法大规模制备大豆蛋白提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

聚偏氟乙烯（PVDF） 上海3F新材料股份有限公司；N，N-二甲基乙酰胺（DMAC） 国药集团化学试剂有限公司；牛血清白蛋白（BSA） 盐城赛宝生物科技有限公司；聚乙二醇20000、LiCl国药集团化学试剂有限公司；其他生化试剂厦门鹭隆生物科技发展有限公司；普通化学试剂厦门市绿茵试玻仪有限公司，均为分析纯。

DK-S22电热恒温水浴锅、DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱上海精密实验设备有限公司；JJ-1型精密增力电动搅拌器常州国华电器有限公司；SF-SB膜性能评价仪杭州赛菲膜分离技术有限公司；TDL-40C低速台式大容量离心机上海安亭科学仪器厂；TOC-VCPH FA.CN200总有机碳测定仪岛津企业管理有限公司；722型可见分光光度计上海光谱仪器有限公司；PHSJ-5pH计上海精密一起实验设备有限公司；S-4800扫描电子显微镜中科科仪。

1.2实验方法

1.2.1膜的制备将PVDF与LiCl溶于溶剂DMAC中，配成比为PVDF∶LiCl∶DMAC=15∶2∶83的铸膜液，80℃下搅拌至溶解，然后放入80℃的烘箱内静置脱泡24h；用0.5mm刮刀将铸膜液均匀的刮在覆有膜基材的玻璃板上；将玻璃板放入到20℃纯水凝胶浴中，使铸膜液固化成膜，并置于去离子水中24h，完全交换出溶剂，备用[16]。

1.2.2膜性能的表征

1.2.2.1水通量的测定维持水温为20℃，使膜在0.6MPa下预压30min，待通量稳定后，分别测量0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1MPa下流过一定体积（v）所需要的时间（t）。水通量（J）的计算公式为[17]：

式中：Jv—纯水通量（L/m2·h）；v—透过纯水的体积（L）；A—膜的有效面积（m2）；t—时间（h）。

1.2.2.2孔隙率的测定5张膜，每膜取一定面积A（cm2），测定膜厚度D（cm）、质量Wm（g），按下式计算膜孔隙率[16]：

膜孔隙率（%）=[（D×A-Wm/ρp）]/（D×A）

式中：A—膜的面积（cm2）；Wm—膜的质量（g）；D—膜的平均厚度（cm）；ρp—PVDF的密度1.77g/cm3。1.2.2.3膜截留分子量测定检测制备膜对聚乙二醇20000（分子量约为20000u）和牛血清蛋白（分子量约为67000u）的截留率。

配制1.0g/L的被检测的样品，使其在0.3MPa下透过膜，测定透过液浓度计算出截留率[18]：

R（%）=（C原-C透）/C原×100

式中：R—截留率；C原—样品原始浓度（g/L）；C透—膜透过液中样品浓度（g/L）。

1.2.2.4膜结构的表征将膜片在50℃下真空烘干、制样，在5kV下金离子溅射180s，采用扫描电镜（S-4800）观察膜表面形态结构。

1.2.3膜分离大豆蛋白制备工艺大豆→浸泡、粉碎→调节pH至9.0碱提→离心（4000r/min，15min）取上清→超滤膜分离及浓缩→干燥获得大豆粉。

1.2.3.1单因素实验以大豆蛋白碱提液为原料，对操作压力（0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7MPa）、温度（20、30、40、50、60℃）、pH（5、6、7、8、9、10）及料液浓度（60、120、180、240、360、480μg/mL）4个因素进行单因素实验，确定各因素对蛋白料液通量的影响[19]，固定各因素水平值操作压力为0.4MPa、温度为40℃、pH为7.0、料液浓度为120μg/mL。

1.2.3.2正交实验为确定最佳提取条件，根据单因素实验结果，选取操作压力、温度、pH、料液浓度四个因素，建立L（934）正交实验表（见表1），以大豆蛋白提取液通量为评价指标。

表1　L9（34）正交实验因素水平表Table 1　Factors and levels of L9（34）orthogonal experiment

2　结果与讨论

2.1膜性能表征

水通量、孔隙率、截留率以及扫描电镜（SEM）图是膜性能的重要参数，通过测定这几个性能，可以评价膜的基本性能。

2.1.1水通量测定图1为超滤膜水通量随操作压力的变化趋势，由图1可以看出，随着操作压力的不断增加，使得相应面积上的压力增加，从而膜的水通量也不断增大，并且增大趋势逐渐变缓。考虑到实验仪器及膜的承受压力情况，实验时不宜超过0.7MPa。

图1　操作压力对水通量的影响Fig.1　Effect of pressure on water flux

2.1.2孔隙率和截留率的测定从表2看出，实验室制备的膜孔隙率维持在80%左右，误差在0.0169，说明实验室制备的膜开孔相对稳定。对于分子量为67000u的BSA截留率在90%以上，因此膜的截留分子量绝大多数都小于67000u，可用于截留大豆蛋白的主要成分；而对于分子量20000u的聚乙二醇截留率却都在5%左右，说明膜的截留分子量绝大部分都要大于20000u，可以透过大豆蛋白中对人体有害的胰蛋白酶抑制剂（分子量为8000～21500u），生产高质量的大豆蛋白。

表2　膜的孔隙率与截留率Table 2　The porosity and retention prepared of membrane

2.1.3膜的结构表征图2为研究所制备的PVDF膜表面结构在1000、5000、10000、20000倍下的SEM图，从图中可以看到，所制备的膜，表面呈现链状相连的孔径结构，孔径比较均一。在较低倍数下可以看到，膜的表面孔分布均匀且密集。

图2　PVDF膜的表面形态SEM图Fig.2　SEM of surface of PVDF membrane

2.2膜法分离大豆蛋白条件优化

2.2.1单因素实验

2.2.1.1操作压力的影响操作压力对大豆蛋白透过液通量的影响如图3所示。由图3可知，随着操作压力的增加，大豆蛋白透过液通量也不断增加，且增大趋势逐渐变缓。压力越大，平均通量越大[20]。由于膜的耐压能力以及压力过高时仪器的稳定性，正交实验时所选取的压力要低于0.7MPa，因此，实际操作选取的压力为0.4、0.5、0.6MPa。

图3　操作压力对大豆蛋白提取液通量的影响Fig.3　Effect of pressure on soybean protein extraction liquid flux

2.2.1.2温度的影响图4为透过液通量与温度的关系曲线。由图4可以看出，从20℃增大到30℃时，通量有显著的提高，再升高温度时，通量增加的趋势变缓，温度升高的50～60℃时，通量趋于稳定。这是因为随着温度的升高溶液的粘度降低，分子所受到的阻力减小，通量就会增加[13]。另一方面，温度过高会使蛋白变性，导致蛋白空间结构发生变化，从而影响产品的品质[13]。所以温度不宜过高，应维持在40℃左右。

图4　温度对大豆蛋白提取液通量的影响Fig.4　Effect of temperature on soybean protein extraction liquid flux

2.2.1.3pH的影响pH对大豆蛋白提取液通量的影响如图5所示，随着pH的增加，通量也逐渐增加，当pH=9时，料液的通量达到最大。当pH又继续增加时，通量又有下降的趋势。究其原因可能是因为随着pH的增大，蛋白在水中的溶解性会更好，从而使阻力减小，通量增大。当pH增大到9时，蛋白在水中的溶解状态最好[21]。当pH继续增大时，蛋白质会变性，导致蛋白结构发生变化，蛋白分子展开，空间结构更大，更容易在膜表面发生浓度差极化现象和表面附着，从而使膜更容易污染，通量下降，因此应控制pH在7～9之间较为合适[13]。

图5　pH对大豆蛋白提取液通量的影响Fig.5　Effect of pH on soybean protein extraction liquid flux

2.2.1.4料液浓度的影响改变料液的浓度，得到了通量随料液的变化曲线（图6）。从图6可以看出，浓度越低，通量越大。随着浓度的升高，通量会逐渐变小，当浓度增大到一定程度时，通量逐渐稳定。可能原因是浓度越大，蛋白分子运动的阻力也大，更容易在膜表面出现差极化现象[22]，通量就会降低，当浓度增大到一定程度时，阻力的影响减小，通量逐渐呈现稳定。因此，正交实验时所选取的浓度在240～480μg/mL。

图6　料液浓度对大豆蛋白提取液通量的影响Fig.6　Effect of concentration on soybean protein extraction liquid flux

2.2.2正交实验正交实验结果如表3所示，对通量进行正交分析，由极差可以看出各因素的影响：A＞D＞C＞B，温度的影响最大，pH的影响最小。9组实验直观分析得出最佳条件为A3B2C1D3；而由k值分得到最佳条件为A3B3C2D3。

三次验证实验表明，在A3B3C2D3条件下，蛋白料液的通量达到96.32L/m2·h，大于91.22L/m2·h，即当温度为50℃、pH=9、操作压力为0.5MPa、料液浓度为240μg/mL时，通量达到最大。在此条件下，对大豆蛋白进行提取实验，得到膜对大豆蛋白的提取率达到96.25%。

表3　L9（34）正交实验结果分析Table 3　Results analysis of orthogonal experiment

3　结论

利用浸没沉淀法制备的PVDF超滤膜，表面孔分布均匀，孔径较均一，孔隙率维持在80%左右，在0.7MPa下的水通量可达350L/m2·h以上，对牛血清白蛋白（BSA）的截留率在90%以上，而对聚乙二醇20000的截流率仅为5%左右，适用于分离大豆蛋白；通过单因素实验和正交实验，得到大豆蛋白膜分离的最佳条件为温度50℃，pH=9，操作压力0.5MPa，料液浓度为240μg/mL，对大豆蛋白的提取率达到96.25%。

鉴于PVDF膜分离蛋白时易被污染，导致通量下降，而α晶型的PVDF膜具有良好的耐污染性，后续研究将控制成膜条件使成膜时形成以α晶型为主的PVDF膜，并通过表面改性与共混改性，提高PVDF膜的抗污染性，为食品分离行业提供一定的参考。

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Preparation of polyvinylidene fluoride ultrafiltration membrane and its application in separation of soybean proteins

YAN Long-long1，YE Qian2，YAN Bin2，WEI Xiao-nan4，DU Cui-hong1，3，*
（1.College of Food and Biological Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，China；2.Xiamen University of Technology，Xiamen Key Laboratory of Membrane Research and Application，Xiamen 361024，China；3.Engineering Research Center for Aquatic Products Processing of Fujian Province，Xiamen 361021，China；4.Fujian Provincial Key Laboratory of Food Microbiology and Enzyme Engineering，Xiamen 361021，China）

The polyvinylidene fluoride ultrafiltration membrane was prepared by the immersion phase inversion process，and its characterization was investigated by measuring the water flux and porosity of the membrane，its retention of different molecular weights.The results showed that the water flux of the membrane was 350L/m2·h，its porosity was around 80%，under 0.7MPa，its retention to bovine serum albumin（BSA）and polyethylene glycol（PGE）20000 were over 90%and only 5%，respectively.By optimizing process conditions such as temperature，pH，operating pressure and material liquid concentration conditions，the retention of the membrane to the soybean proteins reached 96.25%under the temperature was 50℃，pH=9，operating pressure was 0.5MPa and slurry concentration to 240μg/mL.

polyvinylidene fluoride ultrafiltration membrane；immersion phase inversion process；soybean protein；membrane separation

TS201.1

B

1002-0306（2014）12-0236-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.12.043

2013－09－02*通讯联系人

燕龙龙（1988-），男，硕士研究生，研究方向：食品生物技术。

厦门市科技计划项目（3502Z20133031）；厦门理工学院对外合作与交流专项（dw009）。