膜分离技术(membrane separation technology,MST)是以天然的或人工合成的高分子薄膜为介质,在外界能量或化学位差的推动下,对双组分或多组分体系进行分离、提纯和浓缩的方法[1]。膜是具有选择性分离功能的介质,利用膜的选择性分离可以实现不同组分的分离、纯化、浓缩等过程。依据分离过程所采用的膜孔径的不同(或称为截留分子量),可分为微滤膜分离(膜孔径0.05~10 μm)、超滤膜分离(膜孔径0.01~0.1 μm)、纳滤膜分离(膜孔径1 nm)(图1)[2]。微滤膜分离(microfiltration, MF)又称为微孔过滤,其基本原理主要包括膜的表面截留和膜内部截留。膜的表面截留作用可以拦截比膜孔径大的微粒,同时膜表面也可以通过范德瓦耳斯力、静电引力等作用截留一部分微粒;膜的内部网格结构也可通过吸附作用截留部分微粒而起到分离作用[3]。微滤的操作压力为0.7~7 kPa,主要用于中药提取液杂质的去除[4]、制药工业废水的处理[5]和啤酒等液体的澄清及过滤等[6]。超滤(ultrafiltration, UF)的操作压力一般为0.1~0.5 MPa,被分离的粒子直径一般为0.01~0.1 μm,可以截留相对分子量为500~1 000 000的大分子和胶体粒子[7]。超滤主要用于发酵液的过滤和细胞收集,可以截留蛋白质、多肽和多糖等大分子物质,从发酵体系中提取抗生素。此外,超滤还可用于蛋白质和多糖的纯化及浓缩过程[8]。在工业生产中,超滤可用于中药提取液的浓缩以提高药效成分的浓度[9-10]。纳滤(nanofiltration, NF)的膜孔径在1 nm作用,对分子量为200~2 000的分子或微粒具有良好的截留性能且操作压力较低(低于1 MPa),但是对于单价离子和小分子物质的截留率较低。目前的研究认为纳滤分离的主要原理是筛分效应和道南效应。目前,纳滤分离技术广泛应用于溶液中部分小分子有机物以及单价盐粒子和水,如寡糖的精制[11]、抗生素的纯化[12]、水的软化和超纯水的制备等工艺过程[13]。
图1 常见分离膜的孔径尺寸及分离范围Fig.1 The aperture size and separation range of commonly used membrane |
Full size|PPT slide
上述膜分离技术具有操作简单、分离效果好、高效节能等优点,特别是能够直接放大应用于规模化的分离工程,而且分离对象的尺寸适用于寡糖分离和制备的过程,因此具有巨大的应用潜力。本文系统地总结了微滤、超滤和纳滤三种膜分离技术在寡糖分离与制备领域的最新进展,并对目前膜分离技术用于大规模分离和制备寡糖过程中面临的挑战进行了讨论。
1 微滤技术在寡糖分离与制备中的应用
1.1 微滤技术的特征
微滤以静压差为推动力,利用膜的“筛分”作用进行分离。微滤膜结构中具有比较整齐和均匀的多空结构,在推动力的作用下,小于膜孔径的粒子通过滤膜,大于膜孔径的粒子则被截留,使大小不同的组分得以快速分离。微滤膜的膜孔径在0.05~10 μm范围内,一般用于寡糖分离纯化的前处理过程[14]。这是由于在寡糖的制备过程中,体系中还含有菌体、蛋白质以及颗粒物等尺寸较大的杂质。因此,微滤技术通常用于寡糖纯化过程之前的预处理过程,用以提高后续纯化过程的效率和寡糖制品的纯度[15]。
1.2 微滤技术分离和制备寡糖过程
由于微滤膜的膜孔径尺寸较大,因此通常用于寡糖分离和纯化过程之前的预处理过程如表1所示。Mehra等[16]采用0.1 mm分子截留微滤膜(tetra alcross MSF19)去除高分子量果糖基化乳寡糖分离过程中的乳蛋白。Aquino等[17]利用0.5 μm的微滤膜(Millipore PolysepTM II)去除山羊乳清发酵体系中残余的酵母菌。Rengarajan等[18]利用0.2 μm的PES微滤膜对异麦芽酮糖进行分离,取得了良好的效果。此外,在寡糖的分离和制备中,微滤通常和超滤及纳滤联合使用来提高分离和纯化的效率。例如,唐湘华等[19]利用无机陶瓷微孔滤膜、超滤和纳滤对高浓度的魔芋精粉酶解液进行分离、过滤和浓缩,研究结果发现0.2 μm的无机陶瓷微孔滤膜能够较好地去除寡糖溶液中的废渣、蛋白质和大分子的多糖,为后续的超滤和纳滤操作降低了过滤阻力,提高了过滤分离的效率。杨盛杰[20]采用微滤膜对小刺猴头菌液体深层发酵浸膏中低分子量活性寡糖进行纯化前的预处理,研究结果表明微滤处理可以完全去除体系中的蛋白质,降低了体系中的杂质浓度,提高了寡糖的纯化效率和纯度。Machado等[21]利用微滤和纳滤分离技术来浓缩朝鲜蓟提取物中的低分子量果寡糖,微滤膜在截留大颗粒杂质的同时可以使寡糖100%的透过,为后续的果寡糖分离提供了良好的前提。Mehra等[22]利用0.1 μm的低分子量截留微滤膜Tetra Alcross MSF19对牛奶中的乳寡糖进行浓缩,可以去除母液中的不溶物杂质和细菌。Bell等[23]利用切向膜分离系统(tangential membrane filtration system)从初乳的乳清渗透液中去除酵母菌等杂质。同样地,Aquino等[17]也利用切向膜分离系统对山羊初乳发酵体系中的酵母菌进行去除。Cai等[24]采用微滤和纳滤整合膜组件对猴头菇(Hericium erinaceus)中的粗寡糖进行分离纯化,整合膜组件中选用的微滤膜是孔径为0.1 μm和0.22 μm的聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)膜。Chen等[25]采用微滤和超滤联用技术从杨树水解液中回收木寡糖和甘露寡糖等组分,所采用的微滤膜也是0.1 μm和0.22 μm的PVDF膜。此外,Machado等[21]利用微滤和纳滤分离联用技术对菊芋(Jerusalem artichoke)提取物中的寡糖进行分级和浓缩,微滤组件选用的是孔径为0.20 μm和0.05 μm的PVDF膜。
表1 微滤膜分离技术用于寡糖纯化的应用举例Table 1 The examples of microfiltration applications in oligosaccharides purification |
1.3 微滤技术用于分离和制备寡糖的优缺点
综上所述,微滤技术可以截留体系中微米及亚微米级的细小悬浮物、微生物、红细胞等颗粒物杂质,其操作压力仅为0.01~0.2 MPa,整个过程非常地简便快速[14]。此外,在进行微滤操作时,介质无毒而且不会脱落,没有杂质溶出,不会污染分离体系,而且微滤介质的使用寿命长,更换起来也非常方便,易于实现工业化[15]。由于微滤膜的膜孔径和截留分子量范围适于截留不溶性固体颗粒、菌体等尺寸较大的杂质,因此微滤技术一般用于寡糖分离纯化的前处理过程,为后续的超滤、微滤和色谱分离过程降低分离体系的复杂性,提高寡糖的分离效率和纯度。
2 超滤技术在寡糖分离与制备中的应用
2.1 超滤技术的特征
超滤技术属于压力驱动型膜分离技术,其操作压力一般为0.1~0.5 MPa。超滤膜的孔径在0.01~0.1 μm,可以截留相对分子量为500~1 000 000的大分子和胶体粒子,在静压差的推动下,原料液中的溶剂和小分子溶质从高压的料液侧透过膜流到低压侧,大颗粒的组分被膜介质截留,可以有效拦截蛋白质、病毒、胶体和染料等大分子颗粒[8⇓-10]。因此,超滤膜可以除去大分子物质或固体颗粒,也可以用于一些寡糖的分离[7]。
2.2 超滤技术分离和制备寡糖的过程
目前,超滤主要用于寡糖的分级和浓缩,如表2所示。例如,Cao等[26]利用截留分子量为10 kDa的超滤膜构建了酶耦合膜分离反应器(enzyme membrane reactor,EMR)用于连续地制备半乳寡糖,研究结果表明聚合度3~6的寡糖的产率从24%上升到了33%。Fan等[27]利用不同截留分子量(5 kDa、20 kDa和50 kDa)的超滤膜构建了酶耦合膜分离反应器用于连续发酵制备果寡糖,得到了纯度为96.6%的寡糖产品。Liu等[28]利用截留分子量分别为1 kDa、3 kDa和10 kDa的超滤膜对制备的果胶寡糖进行浓缩,获得了聚合度3~13的果胶寡糖。Ishihara等[29]利用不同截留分子量的超滤膜对木寡糖进行分级,研究结果显示截留相对分子量低于500的超滤膜分级得到的组分主要为木糖和木二糖,截留相对分子量大于500低于1 000的超滤膜分级得到的组分为木四糖和木五糖,而截留相对分子量大于1 000小于5 000的超滤膜分级得到的组分为木七糖和木八糖。李允等[30]以UE010超滤膜为分离介质,构建了酶膜耦合反应系统,制备得到的壳寡糖的总回收率为93.7%,其中聚合度5~10的高聚合度的壳寡糖占了56.2%,此外,还优化了不同超滤膜对壳寡糖的截留率和通量,获得了制备特定聚合度壳寡糖的最佳超滤膜组件。董惠忠[31]利用超滤膜处理壳寡糖溶液,并研究了不同跨膜压差、温度和时间对膜通量以及聚合度6~8的表观截留率的影响,研究结果表明,膜通量随着超滤时间的延长而减小,但是对于聚合度为6~8的壳寡糖的截留率却缓慢上升,研究发现膜通量在超滤4 h后由5.9 L/(m2·h)降低到2.4 L/(m2·h),因此,超滤膜对聚合度6~8的壳寡糖的截留率较低,且适用于去除大分子蛋白质。Aquino等[17]利用截留相对分子量为10 kDa的超滤膜对山羊乳清酶解液进行回收,得到了高浓度的乳寡糖产物,回收率达到了75%。Cohen等[32]通过截留相对分子量10 kDa的超滤膜回收牛初乳中的乳寡糖,发现溶液的pH对超滤过程有较大影响。Jian等[33]采用截留相对分子量为1 000 Da的超滤膜对魔芋寡糖混合物进行分离,得到了分子量小于1 000 Da的魔芋寡糖。Nabarlatz等[34]利用截留相对分子量为1 kDa和8 kDa的超滤膜对杏仁壳水解液回收木寡糖,研究结果发现截留相对分子量为1 kDa的超滤膜可以截留(2.75±0.70) kDa的木寡糖,而截留相对分子量为8 kDa的超滤膜可以截留的木寡糖的相对分子量为(10.9 ± 0.5) kDa。Jeon等[35]利用超滤膜构建的酶膜耦合反应器制备了不同分子量范围的壳寡糖,即相对分子量范围为6.5~12.0 kDa的高分子量壳寡糖、相对分子量范围为1.5~55 kDa的中等分子量壳寡糖和相对分子量范围为0.5~1.4 kDa的低分子量壳寡糖。钱金宏等[36]利用截留相对分子量为8 000 Da和6 000 Da的超滤膜对魔芋寡糖混合物进行二级超滤,获得了高纯度的魔芋寡糖。史劲松等[37]采用超滤和纳滤联用的方式对酶解后的半乳甘露寡糖溶液进行分离纯化,依次采用GK2540超滤膜(孔径为3 kDa)和SK2540纳滤膜(孔径为300 Da)进行处理,研究结果表明超滤后二糖组分的含量由13.1%上升到47.6%。
表2 超滤膜分离技术用于寡糖纯化的应用举例Table 2 The examples of ultrafiltration applications in oligosaccharides purification |
2.3 超滤技术用于分离和制备寡糖的优缺点
因此,超滤处理不仅能够将寡糖体系中的大分子蛋白质等杂质等除去,还能将体系中的多糖分子除去,从而提高体系中寡糖的浓度,但是无法对体系中的不同聚合度的寡糖进行区分。此外,超滤过程可以在常温无相变的温和封闭条件下进行,操作简便,适于与酶催化反应进行耦合来连续制备寡糖产物。而且,超滤分离装置简单,占地面积小,用于寡糖的单级分离效率高,而且工艺流程简单,兼容性强,适宜与其他分离技术进行联用或者集成,以便进一步提高寡糖的分离效率和纯化效果[36-37]。此外,通过选择不同孔径大小的超滤膜,能够达到寡糖的分离的效果,得到特定聚合度的寡糖,在工业生产中具有广阔的应用前景[38-39]。
3 纳滤技术在寡糖分离与制备中的应用
3.1 纳滤技术的特征
纳滤是20世纪80年代末发展起来的一种新型压力驱动膜分离技术,由反渗透技术发展而来[40]。纳滤分离过程的操作压力较低(一般为0.5~2.0 MPa),膜孔径在1 nm左右,可以对不同分子量的有机物或者不同价态的无机盐进行选择性的分离,而且在较低操作压力下能保持较高的渗透通量,因此纳滤技术广泛用于不同聚合度寡糖的分离和制备[11⇓-13]。
3.2 纳滤分离和制备寡糖过程
纳滤膜的孔径在1 nm左右,对相对分子量介于200~2000 Da的分子或微粒具有良好的截留性能,符合寡糖产物的截留分子量范围,因此纳滤技术在寡糖的分离和纯化领域应用最为广泛,相关的报道也最多[40-41](表3)。首先是纳滤膜分离技术在果寡糖分离和纯化方面,李炜怡等[42]采用芳香聚酰胺卷式纳滤膜提纯蔗果寡糖,最终将果寡糖的纯度提升至90%以上。冯文亮等[43]采用HDS-12-6型纳滤膜提升果寡糖的纯度,研究发现纳滤后果寡糖的浓度从54%上升到95%。为了进一步提高寡糖的纯度,可以通过串联方式来进行多级纳滤,如孙蔚榕等[44]采用两级纳滤过程来提纯果寡糖(浓度为50%),最终获得了果寡糖浓度大于95%的产品。纳滤膜分离技术在奶制品中半乳寡糖的回收方面的应用较多,如Sarney等[45]利用NF-CA-50纳滤膜提纯人母乳中的半乳寡糖,产品收率约为50%。Goulas等[46]采用DS-5-DL纳滤膜分离半乳寡糖的混合物,研究表明98%的半乳寡糖被截留在纳滤膜原料侧。Botelho等[47]采用纳滤膜分离酶解法制备的半乳寡糖,结果表明纳滤膜对半乳寡糖的截留率可以达到95%以上,而对单糖的截留率在80%左右,因此利用两者截留率的差异可以实现半乳寡糖产品的提纯。此外,纳滤膜分离技术在木寡糖、壳寡糖和低聚麦芽糖的分离方面也有较多例子,如鲍元兴等[48]采用纳滤膜去除低聚麦芽糖中的葡萄糖等杂质,制备了高纯度(91%~93%)的低聚异麦芽糖。赵鹤飞等[49]采用截留分子量约为250 Da的纳滤膜提纯秆木寡糖,产品纯度提高了10%。崔强等[50]采用截留分子量为150~300 Da的纳滤膜去除低聚异麦芽糖的色谱残液中的单糖,研究结果表明单糖去除率为92%。类似地,黄秀娟等[51]采用截留分子量为150~300 Da的纳滤膜脱除低聚异麦芽糖中的葡萄糖,二糖及以上聚合度寡糖截留率超过96%,但对单糖的截留率小于82%。Goulas等[52]采用纳滤膜去除低聚异麦芽糖中的,发现二糖及多糖的收率达到了88%。韩永萍等[53]发现纳滤膜对壳寡糖和盐离子的稳定截留率差异很大,分别为100%和55%,而且,在采用纳滤膜对壳寡糖制备液进行脱盐和纯化时,带同种电荷的离子竞争性地透过纳滤膜。此外,研究发现在酸性条件下纳滤膜对于体系中的阳离子的截留顺序为壳寡糖>二糖和单糖>Na+>H+,因此可以利用纳滤膜对不同溶质截留率的差异来实现壳寡糖的高效纯化[54]。此外,韩少卿等[55]将超滤和纳滤结合起来用于从酵母抽提物中提取海藻糖,研究结果表明海藻糖的提取率高达85.6%,纯度约为99.4%。董艳等[56]采用纳滤和超滤联用来提纯地黄低聚糖,低聚糖的纯度达到了93.3%,也取得了良好的分离效果。
表3 纳滤膜分离技术用于寡糖的纯化的应用举例Table 3 The examples of nanofiltration applications in oligosaccharides purification |
3.3 纳滤技术用于分离和制备寡糖的优缺点
在前面所述的用于寡糖分离和制备的三种膜分离方法中,纳滤技术的应用最为广泛[41]。纳滤膜孔径大小正好与寡糖分子量处于同一数量级,而且纳滤膜一般为复合膜,膜表面通常带有电荷基团,可以通过道南效应(Donnan effect)提高寡糖分离的效率。同时,纳滤膜对一价离子的截留率较低,但对于二价及高价离子的截留率都在90%以上,因此可用于寡糖的精制和脱盐操作[42]。而且,纳滤分离的操作压力也较低(一般为0.5~2 MPa),对系统设备的要求低,所需能耗少。然而,目前缺乏用于寡糖分离的专用膜材料,不同聚合度和结构的寡糖之间性质差异较大,无法实现相近分子量或类似结构寡糖的分离,仍需要进一步的开发和研究[41⇓⇓-44]。
4 结论与展望
膜分离技术具有操作简单、分离效果好、高效节能等优点,特别是能够直接放大应用于规模化的分离工程,在功能性寡糖的分离和纯化中受到了越来越多的关注。本文综述了微滤膜、超滤膜和纳滤膜在寡糖分离和纯化方面的应用进展,综述了用于分离和制备寡糖的膜分离技术分类、分离工艺及其应用现状。然而,膜分离技术在寡糖的分离和制备研究和应用中依然还面临着如下问题和挑战:(1)寡糖混合物体系的复杂性需要分级和纯化更为精细的膜材料和组件。不同聚合度的寡糖在分子量上的差异很小,因此目前仅有关于特定聚合度范围的寡糖分离的报道,尚无关于特定聚合度寡糖单体的膜分离报道。(2)膜分离应用的设备成本较高,而且目前尚未建立通用型的膜清洗方法,设备的投入和清洗成本将在一定程度上限制膜分离技术在寡糖分离和制备中的应用。(3)目前报道的应用中使用的大多还是通用型的膜材料,缺乏针对寡糖分离和提纯的专用膜材料。
针对上述问题和挑战,为了进一步推动膜分离技术在寡糖的分离和制备方面的工业化应用,仍需继续开展以下几部分工作:(1) 开发新型膜材料和组件,优化分离过程,降低分离成本并实现特定聚合度寡糖的高纯度分离和制备;(2) 建立面向寡糖体系膜分离过程的污染模型,开发高效的膜污染清洗工艺;(3) 与生物反应工程理论知识相结合,将膜分离过程与酶催化反应过程相耦合,建立酶催化耦合膜分离工艺,实现寡糖的高效连续化制备与分离。
