CN111995748B - 一种基于电渗析技术的ε-聚赖氨酸的纯化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ε‑聚赖氨酸的纯化方法，所述纯化方法为：(1)将ε‑聚赖氨酸盐酸盐加入到水中，配制成质量浓度15‑25％的ε‑聚赖氨酸盐酸盐水溶液，用氨水调节pH值，获得pH值10‑13的ε‑聚赖氨酸盐酸盐水溶液；(2)采用两隔室电渗析装置，在淡水室通入步骤(1)获得的ε‑聚赖氨酸盐酸盐水溶液，浓水室通入纯水，启动电渗析装置进行处理，当淡水室中的溶液电导达到0.1ms/cm以下时，结束电渗析；(3)取步骤(2)得到的淡水室中的物料进行喷雾干燥，喷雾进口温度在210‑220℃，收集粉末，获得ε‑聚赖氨酸，其中氯离子含量小于0.01％。本发明可以有效去除去除ε‑聚赖氨酸溶液中的Cl‑得到高纯度的ε‑聚赖氨酸；生产效率高，不会产生大量的废水，具有绿色清洁的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物保鲜剂ε-聚赖氨酸的纯化方法。
背景技术
ε-聚赖氨酸是由25-30个赖氨酸残基组成的一种具有抑菌功效的多肽，这种多肽在80年 代就首次应用于食品防腐。ε-聚赖氨酸能在人体内分解为赖氨酸，而赖氨酸是人体必需的8 种氨基酸之一，也是世界各国允许在食品中强化的氨基酸。因此ε-聚赖氨酸是一种营养型抑 菌剂，安全性高于其他化学防腐剂，其急性口服毒性为5g/kg。
ε-聚赖氨酸抑菌谱广，对于酵母属的尖锐假丝酵母菌、法红酵母菌、产膜毕氏酵母、玫 瑰掷孢酵母；革兰氏阳性菌中的耐热脂肪芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌；革兰氏 阴性菌中的产气节杆菌、大肠杆菌等都有明显的抑制和杀灭作用。聚赖氨酸对革兰氏阳性的 微球菌，保加利亚乳杆菌，热链球菌，革兰氏阴性的大肠杆菌，沙门氏菌以及酵母菌的生长 有明显抑制效果，聚赖氨酸与醋酸复合试剂对枯草芽胞杆菌有明显抑制作用。
目前，市场上大部分聚赖氨酸产品以盐酸盐的形式存在，而碱性形式的聚赖氨酸产品(ε- 聚赖氨酸)较少，但ε-聚赖氨酸与盐酸盐相比，具有更高的生物活性，且应用范围更广。因 此，制备ε-聚赖氨酸可进一步高效利用发酵所产生的聚赖氨酸，提高生产效率，产生更高的 经济效益。
目前，生产ε-聚赖氨酸主要以ε-聚赖氨酸盐酸盐为原料，采用纳滤膜或超滤膜加碱水洗法， 来制备ε-聚赖氨酸，该方法可制备高纯度的ε-聚赖氨酸，但是，在生产高纯度的ε-聚赖氨酸尤 其是Cl含量小于0.01％的ε-聚赖氨酸的过程中，需要采用大量的纯水洗涤，以去除ε-聚赖氨 酸溶液中的Cl-，从而产生较大量的废水。
发明内容
本发明目的是提供一种ε-聚赖氨酸的纯化方法，该纯化方法可以有效去除去除ε-聚赖氨酸 溶液中的Cl-且不会产生大量的废水，具有绿色清洁的优势。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种ε-聚赖氨酸的纯化方法，所述方法为：
(1)预处理：将ε-聚赖氨酸盐酸盐(质量含量95％)加入到水中，配制成质量浓度15-25％ 的ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液，用氨水调节pH值，获得pH值10-13的ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶 液；
(2)电渗析处理：采用两隔室电渗析装置，在淡水室通入步骤(1)获得的ε-聚赖氨酸 盐酸盐水溶液，浓水室通入纯水，启动电渗析装置进行处理，当淡水室中的溶液电导达到0.1 ms/cm以下时，结束电渗析；
(3)取步骤(2)得到的淡水室中的物料进行喷雾干燥，喷雾进口温度在210-220℃，收 集粉末，获得ε-聚赖氨酸，其中氯离子含量小于0.01％。
本发明所述的ε-聚赖氨酸的纯化方法，需对ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液进行预处理，即采用 氨水将水溶液的pH调节至10-13，这是因为：(a)在电渗析过程中，聚赖氨酸会在膜表面 产生富集，导致处理速度降低，通过提高pH，可以有效解决该问题，提高生产效率；(b) 必须用氨水而非实际生产中更常用的NaOH来调节pH，一方面是由于使用NaOH，使Na+不能完全去除，导致NaOH残留，并在后续干燥过程中形成极强的碱性环境，导致聚赖氨酸发生破坏，而采用氨水调节pH则可以避免这个问题；(c)通过调节pH在10-13可以更有效 地去除氯离子，实验结果表明，pH过低，Cl-无法去除彻底，pH过高，则会导致聚赖氨酸发 生破坏。作为优选，步骤(1)中，用氨水将ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液的pH值调节至11-13， 更优选11-12。作为优选，所述pH值利用5-8mol/L氨水进行调节。
本发明步骤(2)中，所述的电渗析处理在电渗析装置中进行，所述电渗析装置包括电源、 阳极板、阴极板和电渗析膜堆，所述电渗析膜堆设于阳极板和阴极板之间，所述的电渗析膜 堆由阴离子交换膜(简称阴膜)和阳离子交换膜(简称阳膜)交替间隔排列而成且最外层均 为阳膜，相邻的阳膜和阴膜形成隔室，每个阴膜与相邻的两个阳膜形成两个隔室，靠近阳极 的隔室为浓水室，靠近阴极的为淡水室；阳极板和阴极板分别与相邻的阳离子交换膜形成极 水室。极水室中的极水的作用是提供电场，一般通入NaCl水溶液。本发明使用的电渗析装置 可使用市售商品。
作为优选，步骤(2)中，所述电渗析装置的阳离子交换膜和阴离子交换膜采用合金离子 交换膜(一种半均相离子交换膜)，相比于均相离子交换膜，选用合金离子交换膜可大幅增 加盐的透过率，提高生产效率。
作为优选，步骤(2)中，控制电渗析装置中的料液温度在35-45℃之间，在该温度范围 内，脱盐速度较快。
作为优选，步骤(2)中，浓水室和淡水室的液体流速设置在300-600L/h，且需保持一致， 以避免隔室间存在压差而产生渗透；极水室的液体流速为100-300L/h。进一步优选浓水室和 淡水室的液体流速在500-600L/h，此时处理速度显著加快。
作为优选，步骤(2)中，所述的电渗析处理采用恒定电压法，电压设置在40-45V之间。
作为进一步的优选，步骤(2)中，所述的电渗析的工艺条件设置如下：所述两隔室电渗 析装置的阳离子交换膜和阴离子交换膜采用合金离子交换膜，控制两隔室电渗析装置中的料 液温度在35-45℃之间，使浓水室和淡水室的液体流速保持一致，均在500-600L/h，极水室 的液体流速为100-300L/h，对阳极板与阴极板施加直流电场，采用恒定电压法，电压设置在 40-45V之间，处理至淡水室的电导低于0.1ms/cm时，结束电渗析。
本发明步骤(3)中，优选将步骤(2)得到的淡水室中的物料浓缩至ε-聚赖氨酸质量浓 度20％-40％后再进行喷雾干燥。
本发明步骤(3)中，喷雾干燥的进口温度设置在210-220℃，当喷雾干燥的进口温度低 于210℃时，样品中会存在一定的氨气味道，当在210℃以上时，氨气味道消失。作为优选， 喷雾干燥的进口温度为210℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
(1)可以有效去除去除ε-聚赖氨酸溶液中的NaCl得到高纯度的ε-聚赖氨酸；
(2)电渗析过程生产效率高，不会产生大量的废水，具有绿色清洁的优势。
(3)电渗析处理的产品收率高达99％以上。
附图说明
图1是本发明采用的电渗析装置的示意图。
图2是实施例5制备的ε-聚赖氨酸产品的色谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
本发明采用的电渗析脱盐的示意图见图1，实施例使用的电渗析装置购自杭州埃尔环保 科技有限公司，型号为IONLYZER-2040-20/40。实施例使用的阳膜和阴膜由杭州埃尔环保科 技有限公司提供，均相膜采用ASTOM均相膜，阳膜和阴膜的型号分别是CM-2和AM-2，合 金膜的型号分别是Ionsep-AMA阴膜和Ionsep-AMC阳膜。
实施例1：
分别称取2000gε-聚赖氨酸盐酸盐(浙江新银象生物工程有限公司提供，含量95％)加 水溶解，配置成质量浓度20％的水溶液，利用氨水(5M)调节pH至11.0，得到ε-聚赖氨酸 盐酸盐水溶液。
参见图1，使用电渗析装置进行电渗析脱盐，一组的阴阳膜均采用电渗析均相膜，另一 组的阴阳膜均采用合金膜，淡水室通入ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液，浓水室通入纯水，极液室 通入4％NaCl水溶液，工艺条件均设置为：控制电渗析装置中的料液温度在40℃，使浓水室 和淡水室的液体流速保持一致，均为500L/h，极水室的液体流速为200L/h，对阳极板与阴极 板施加直流电场，采用恒定电压法，电压设置在45V，随着电渗析脱盐处理的进行，淡水室 中的料液电导变化如下表所示。从表中可见，选用合金膜可大幅增加盐的透过率，提高生产 效率。
表1不同电渗析离子交换膜处理物料时淡水侧电导率变化
实施例2：
分别称取2000gε-聚赖氨酸盐酸盐(95％)加水溶解，配置成质量浓度20％的水溶液， 利用氨水(5M)调节pH至11.0，得到ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液。
参见图1，使用电渗析装置进行电渗析脱盐，阴阳膜均采用合金膜，淡水室通入ε-聚赖氨 酸盐酸盐水溶液，浓水室通入纯水，极液室通入4％NaCl水溶液，工艺条件设置为：电渗析 装置中的料液温度分别控制为20、25、30、35、40、45℃，使浓水室和淡水室的液体流速保 持一致，均为500L/h，极水室的液体流速为200L/h，对阳极板与阴极板施加直流电场，采用 恒定电压法，电压设置在45V，随着电渗析脱盐处理的进行，淡水室中的料液电导变化如下 表所示。从表中可见，温度在35-45℃下，脱盐速度较快。
表2不同温度下淡水室电导(ms/cm)随时间变化趋势图
实施例3：
分别称取2000gε-聚赖氨酸盐酸盐(95％)加水溶解，配置成质量浓度20％的水溶液， 利用氨水(5M)调节pH至11.0，得到ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液。
参见图1，使用电渗析装置进行电渗析脱盐，阴阳膜均采用合金膜，淡水室通入ε-聚赖氨 酸盐酸盐水溶液，浓水室通入纯水，极液室通入4％NaCl水溶液，工艺条件设置为：电渗析 装置中的料液温度分别控制为35℃，使浓水室和淡水室的液体流速保持一致，分别设置在 300、400、500、600L/h，极水室的液体流速为200L/h，对阳极板与阴极板施加直流电场， 采用恒定电压法，电压设置在45V，随着电渗析脱盐处理的进行，记录电导达到0.1所需的 时间，依次为8.2h、6.7h、5.1h、5.0h，可见，当淡水侧流量高于500L/h时，处理速度显著加快。
实施例4：
分别称取2000gε-聚赖氨酸盐酸盐(95％)加水溶解，配置成质量浓度20％的水溶液， 利用氨水(5M)分别调节pH至9.0、10.0、11.0、12.0、13.0，得到5种ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液。
参见图1，使用电渗析装置进行电渗析脱盐，阴阳膜均采用合金膜，淡水室通入ε-聚赖氨 酸盐酸盐水溶液，浓水室通入纯水，极液室通入4％NaCl水溶液，工艺条件设置为：电渗析 装置中的料液温度控制为40℃，使浓水室和淡水室的液体流速保持一致，均为500L/h，极水 室的液体流速为200L/h，对阳极板与阴极板施加直流电场，采用恒定电压法，电压设置在45V， 脱盐5h。
将淡水室获得的物料进行喷雾干燥，喷雾进口温度在210℃，出口温度在70℃，收集粉 末，获得ε-聚赖氨酸，对不同批次的样品进行HPLC含量分析，具体如下表所示。其中，pH9.0-10.0两组试验中，采用硝酸银法检测，发现其中氯离子大量存在，由于氯离子未能充分去除，导致产品含量偏低。
表3不同pH下淡水室ε-聚赖氨酸含量变化
实施例5
称取2000gε-聚赖氨酸盐酸盐(95％)加水溶解，配置成质量浓度20％的水溶液，利用 氨水(5M)调节pH至13.0，得到ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液。
参见图1，使用电渗析装置进行电渗析脱盐，阴阳膜均采用合金膜，淡水室通入ε-聚赖氨 酸盐酸盐水溶液，浓水室通入纯水，极液室通入4％NaCl水溶液，工艺条件设置为：电渗析 装置中的料液温度控制为40℃，使浓水室和淡水室的液体流速保持一致，均为500L/h，极水 室的液体流速为200L/h，对阳极板与阴极板施加直流电场，采用恒定电压法，电压设置在45V， 脱盐5h。共计用纯水量约为50L。结束后，对淡水室样品进行分析，采用HPLC法测定其中 ε-聚赖氨酸含量，计算其收率，电渗析过程中基本无损失，收率高于99％，进一步地，采用 硝酸银法测定其中氯离子含量，结果表明其中氯离子含量低于0.01％，符合ε-聚赖氨酸产品质 量要求。
将淡水室得到的物料进行喷雾干燥，喷雾进口温度在210℃，出口温度在70℃，收集粉 末，获得ε-聚赖氨酸1250g，对样品进行含量分析，试验结果表明，采用氨水调节pH获得 的ε-聚赖氨酸产品，ε-聚赖氨酸含量高达98.9％。
对比例1：
称取2000gε-聚赖氨酸盐酸盐(95％)加水溶解，配置成质量浓度20％的水溶液，利用 NaOH(6M)调节pH至13.0，得到ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液。
参见图1，使用电渗析装置进行电渗析脱盐，阴阳膜均采用合金膜，淡水室通入ε-聚赖氨 酸盐酸盐水溶液，浓水室通入纯水，极液室通入4％NaCl水溶液，工艺条件设置为：电渗析 装置中的料液温度控制为40℃，使浓水室和淡水室的液体流速保持一致，均为500L/h，极水 室的液体流速为200L/h，对阳极板与阴极板施加直流电场，采用恒定电压法，电压设置在45V， 脱盐5h。
将淡水室得到的物料进行喷雾干燥，喷雾进口温度在210℃，出口温度在70℃，收集粉 末，获得ε-聚赖氨酸，对样品进行含量分析，试验结果表明，使用NaOH调节pH的样品中， ε-聚赖氨酸含量为94.3％，且其中检测出少量氯离子，质量不如采用氨水调节pH获得的ε- 聚赖氨酸产品，后者ε-聚赖氨酸含量高达98.9％，可见采用氨水调节pH更优。
实施例6：
称取2000gε-聚赖氨酸盐酸盐(95％)加水溶解，配置成质量浓度20％的水溶液，利用 氨水(5M)分别调节pH至13.0，得到ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液。
参见图1，使用电渗析装置进行电渗析脱盐，阴阳膜均采用合金膜，淡水室通入ε-聚赖氨 酸盐酸盐水溶液，浓水室通入纯水，极液室通入4％NaCl水溶液，工艺条件设置为：电渗析 装置中的料液温度控制为40℃，使浓水室和淡水室的液体流速保持一致，均为500L/h，极水 室的液体流速为200L/h，对阳极板与阴极板施加直流电场，采用恒定电压法，电压设置在45V， 脱盐5h。共计用纯水量约为50L。
将淡水室获得的物料进行喷雾干燥，喷雾进口温度分别控制在180、190、200、210、220℃， 出口温度在70℃，收集粉末，获得ε-聚赖氨酸1250g左右，对不同批次的样品进行HPLC 含量分析，试验结果表明，所得样品含量均超过98.5％，但当温度低于200℃时，样品中存在 一定的氨气味道，当高于210℃时，氨气味道消失。
对比例2
参考ZL 201610190625.8，称取2000gε-聚赖氨酸盐酸盐(95％)加水溶解，配置成质 量浓度10％的水溶液，利用氨水(1M)调节pH至10.0，采用纳滤膜(孔径2nm)对上述 溶液进行脱盐处理，经一次脱盐后，取浓缩液加10L水稀释并再次采用纳滤膜(孔径2nm) 脱盐，重复稀释和脱盐工序5次后，氯离子含量低于0.01％，收集最后一次脱盐的溶液浓缩 至ε-聚赖氨酸质量浓度20％，收率96.8％，进行喷雾干燥，进口温度190℃，出口温度60℃， 最终获得含量98.9％的ε-聚赖氨酸固体产品1190g。该工艺中，纯水用量共计100L，是本 发明的2倍。
Claims (10)
1.一种ε-聚赖氨酸的纯化方法，其特征在于：所述纯化方法为：
(1)预处理：将ε-聚赖氨酸盐酸盐加入到水中，配制成质量浓度15-25％的ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液，用氨水调节pH值，获得pH值10-13的ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液；
(2)电渗析处理：采用两隔室电渗析装置，在淡水室通入步骤(1)获得的ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液，浓水室通入纯水，启动电渗析装置进行处理，当淡水室中的溶液电导达到0.1ms/cm以下时，结束电渗析；
(3)取步骤(2)得到的淡水室中的物料进行喷雾干燥，喷雾进口温度在210-220℃，收集粉末，获得ε-聚赖氨酸，其中氯离子含量小于0.01％。
2.如权利要求1所述的纯化方法，其特征在于：步骤(1)中，用氨水将ε-聚赖氨酸盐酸盐水溶液的pH值调节至11-13。
3.如权利要求1或2所述的纯化方法，其特征在于：步骤(1)中，所述pH值利用5-8mol/L氨水进行调节。
4.如权利要求1或2所述的纯化方法，其特征在于：步骤(2)中，所述电渗析装置的阳离子交换膜和阴离子交换膜采用合金离子交换膜。
5.如权利要求1或2所述的纯化方法，其特征在于：步骤(2)中，控制电渗析装置中的料液温度在35-45℃之间。
6.如权利要求1或2所述的纯化方法，其特征在于：步骤(2)中，浓水室和淡水室的液体流速设置在300-600L/h，且需保持一致；极水室的液体流速为100-300L/h。
7.如权利要求6所述的纯化方法，其特征在于：浓水室和淡水室的液体流速在500-600L/h。
8.如权利要求1或2所述的纯化方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的电渗析处理采用恒定电压法，电压设置在40-45V之间。
9.如权利要求1或2所述的纯化方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的电渗析的工艺条件设置如下：所述两隔室电渗析装置的阳离子交换膜和阴离子交换膜采用合金离子交换膜，控制两隔室电渗析装置中的料液温度在35-45℃之间，使浓水室和淡水室的液体流速保持一致，均在500-600L/h，极水室的液体流速为100-300L/h，对阳极板与阴极板施加直流电场，采用恒定电压法，电压设置在40-45V之间，处理至淡水室的电导低于0.1ms/cm时，结束电渗析。
10.如权利要求1或2所述的纯化方法，其特征在于：步骤(3)中，将步骤(2)得到的淡水室中的物料浓缩至ε-聚赖氨酸质量浓度20％-40％后再进行喷雾干燥。
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