CN112898408B - 一种蛋清中卵白蛋白的分离方法与装置 - Google Patents

一种蛋清中卵白蛋白的分离方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种蛋清中卵白蛋白的分离方法与装置，该方法对蛋清原液进行搜集、稀释、离心沉淀和pH调节等预处理而得上清液D，利用膜滤与电渗析耦合而成的分离装置对上清液D中的卵白蛋白进行同步浓缩与脱盐，最后经过干燥处理即可得到卵白蛋白成品。该分离装置可包含多个基本工作单元，每个基本工作单元含有回收室隔板、多孔滤膜、料液室隔板、阴离子交换膜交替排列构成的卵白蛋白回收室和料液室。本发明所提供的蛋清中卵白蛋白的分离方法与装置，避免了多步盐析法对化学试剂的大量消耗，能够简便而高效地从蛋清中分离提取卵白蛋白，降低蛋白分离系统的投资和运行成本，便于工业放大。

Description

一种蛋清中卵白蛋白的分离方法与装置
技术领域
本发明属于活性蛋白分离提取技术领域，尤其是涉及一种蛋清中卵白蛋白的分离方法与装置。
背景技术
卵白蛋白为鸡蛋清中含量最高的蛋白质，占总蛋白的54-63％，为单体、球状磷酸糖蛋白。卵白蛋白具有较高营养价值，有利于促进个体生长发育和新陈代谢；有良好加工与生物学性能，在免疫学研究、动物细胞培养和抗体制备中有重要作用。此外，高度纯化和结晶的卵白蛋白可以作为载体、稳定剂、封阻剂或标准物等，也可作为营养添加剂应用于食品工业。因此，蛋清中的卵白蛋白的分离提取和功能研究已经越来越引起人们的关注。
目前从蛋清中分离卵白蛋白常用的方法有采用硫酸铵、硫酸钠及氯化钠等多步盐析法，或者盐析结合离子交换层析法进行分离纯化。多步盐析法需要大量的盐，产品含盐量高，需要多次脱盐和离心等操作才能获得较高纯度的卵白蛋白。而盐析结合离子交换层析法，除了需要脱盐处理外，还需要复杂的层析分离设备和严格繁琐的层析分离过程，分离成本高，难以工业放大。公开号为CN 106701717 A的中国专利公开了一种共分离制备鸡蛋清溶菌酶与活性蛋白的方法。采用聚乙二醇沉淀+硫酸铵盐析+两步超滤的方法从蛋清中分离溶菌酶、卵白蛋白和卵转铁蛋白。该方法条件温和，可以较好的保持卵白蛋白的活性，但压力驱动超滤过程膜面易受蛋白污染，且该方法无法获得纯度高的卵白蛋白产品。公开号为CN 109609480 A的中国专利公开了一种鸡蛋清中蛋白质的提取方法，主要采用盐析沉淀结合树脂吸附的方法一次从蛋清中分离出卵黏蛋白、卵转铁蛋白、卵白蛋白、卵抑制剂、卵类黏蛋白以及溶菌酶等六种蛋白，该方法虽能最大限度地提高蛋品加工的附加值，但每步需加入不同的化学药剂、需严格控制pH，操作过程较为繁琐。目前从蛋清中分离卵白蛋白的方法不同程度地存在分离效率低、收率不高、纯度有限、膜易污染且难以规模化生产的问题，因此，迫切需要开发一种简便、高效、易于工业放大的蛋清中卵白蛋白分离方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简便、高效、易于工业放大的蛋清中卵白蛋白的分离方法与装置。本发明通过在常规电渗析的膜堆中设置具有一定孔径的多孔滤膜，构建一种新型的膜滤与电渗析内在耦合而成的装置用于蛋清中卵白蛋白的分离。利用多孔滤膜的孔径筛分和荷电大分子的电泳迁移等双重作用，实现蛋清稀释液中卵白蛋白的分离。与普通超滤过程相比，在外加电场的作用下，大分子荷电卵白蛋白透过多孔滤膜的速度相应增加，使其通量得以提高，从而使蛋清中卵白蛋白的分离过程能够高效、稳定地运行。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：
一种蛋清中卵白蛋白的分离方法与装置，首先将收集的新鲜蛋清经过稀释、离心沉淀等预处理获得蛋清稀释液(上清液)，然后采用由膜滤与电渗析内在耦合而成的一种蛋清中卵白蛋白的分离装置对去粘的蛋清稀释液进行同步浓缩与脱盐处理。其中所用分离装置的膜堆包含有两侧的正负电极室,其内侧分别是两个电极室保护室,以及由阴离子交换膜、回收室隔板、多孔滤膜、料液室隔板交替排列构成的卵白蛋白回收室和料液室。经过预处理的蛋清稀释液进入料液室，在直流电场的驱动和多孔滤膜与阴离子交换膜的选择性分离作用下，料液室中荷负电的卵白蛋白，将跨过多孔滤膜向阳极方向迁移进入卵白蛋白回收室，而料液室中不荷电的卵转铁蛋白则随着液流带出料液室；卵白蛋白回收室中的小分子盐正和盐负离子则在电场和阴离子交换膜的共同作用下迁移进入相邻料液室，从而实现卵白蛋白的同步分离与脱盐。卵白蛋白回收室中的溶液经过闭路循环,其中卵白蛋白的浓度不断增加，最终得到卵白蛋白浓缩液；浓缩液进一步干燥处理后，即可得到卵白蛋白成品。
上述的蛋清中卵白蛋白的分离方法，其特征在于按照以下步骤进行：
(1)新鲜鸡蛋洗净去壳，利用分蛋器分离蛋清和蛋黄，收集鸡蛋清原液A；
(2)将步骤(1)得到的鸡蛋清原液A中加入一定量的磷酸盐缓冲溶液进行稀释，得到稀释蛋清液B；
(3)将步骤(2)得到的稀释蛋清液B在3000-6000r/min转速下离心10-30min，去除其中的大分子黏性蛋白和其他杂质沉淀，得到上清液C；
(4)调节步骤(3)得到的上清液C的pH值到特定值，得到上清液D；
(5)将步骤(4)得到的上清液D作为原料液泵入由膜滤与电渗析内在耦合而成的一种蛋清中卵白蛋白的分离装置，对上清液D中的卵白蛋白进行同步浓缩和脱盐处理，得到卵白蛋白浓缩液E；
(6)将步骤(5)得到的卵白蛋白浓缩液E进行喷雾干燥、低温真空干燥或冷冻干燥等处理，得到卵白蛋白成品。
优选的，步骤(2)中所述的磷酸盐缓冲溶液为含0.9％NaCl的磷酸盐缓冲液。
优选的，步骤(2)中所述的磷酸盐缓冲液的加入量与鸡蛋清原液A的体积比为5-15。
优选的，步骤(4)所述的调节蛋清液的pH值范围为6.0-9.0，更进一步的优选pH值为6.8。
上述的一种蛋清中卵白蛋白的分离装置的膜堆由若干个重复排列的基本工作单元构成，其中每个基本工作单元包括由一张阴离子交换膜和一张多孔滤膜构成的一个卵白蛋白回收室和一个料液室，且多孔滤膜的分离侧朝向阴极。
优选的，一种蛋清中卵白蛋白的分离装置所用多孔滤膜的截留分子量为50000-100000。
优选的，一种蛋清中卵白蛋白的分离装置所用多孔滤膜的材质可为纤维素类、聚矾类、聚偏氟乙烯类等有机高分子材料,也可为陶瓷、金属、分子筛等无机材料。
优选的，一种蛋清中卵白蛋白的分离装置的料液室和卵白蛋白回收室厚度均为0.5-3.0mm。
优选的，一种蛋清中卵白蛋白的分离装置的正、负极室内侧均设有极室保护室。
优选的，一种蛋清中卵白蛋白的分离装置电极液为单独配置的50-15.0g/L的Na2SO4溶液，并先由阳极侧下部进入阳极室和阳极保护室，在上部导出，再经膜堆外部管路由阴极侧下部进入阴极室和阴极保护室，最终在阴极侧上部排出，构成独立极水管路。
本发明中,取自新鲜鸡蛋的蛋清需经过稀释、离心沉淀、pH值调节等预处理以除去其中的大分子黏性蛋白和其他杂质沉淀，减小蛋清稀释液的粘度，降低后续蛋清中卵白蛋白分离过程中多孔滤膜的膜面蛋白吸附污染。进一步的，用含0.9％NaCl的磷酸盐缓冲液对所收集的蛋清进行稀释；3000-6000r/min转速下离心10-30min除去蛋清中的大分子黏性蛋白和其他杂质沉淀，调节上清液pH值至6.0-9.0，以保证经过预处理的蛋清稀释液中的卵白蛋白在外加电场作用下，与其他共存的大分子蛋白如卵转铁蛋白等能够选择性地分离。
本发明中，将经过预处理而得到的上清液D作为原料液进入由膜滤与电渗析内在耦合而成的一种蛋清中卵白蛋白的分离装置进行处理，得到卵白蛋白浓缩液。进一步的，蛋清中卵白蛋白分离装置的膜堆是由一张阴离子交换膜和一张多孔滤膜构成的若干个基本工作单元重复排列而成。其中多孔滤膜采用分子量为50000-100000的超滤膜，允许卵白蛋白分子自由通过而同时能够有效拦截与卵白蛋白共存的其他大分子蛋白的跨膜迁移。上清液D作为原料液进入蛋清中卵白蛋白的分离装置的料液室，在多孔滤膜的孔径筛分和电场的双重作用下，上清液D中荷负电的卵白蛋白将跨过多孔滤膜进入左边的卵白蛋白回收室，随着卵白蛋白回收室溶液的多次闭路循环而得到卵白蛋白浓缩液E。
本发明中阳极保护室的设置，一方面，可以防止阳极反应产物之一H+离子向与其相邻的第一个卵白蛋白回收室的迁移扩散而维持回收室中卵白蛋白的稳定存在；另一方面也可以防止卵白蛋白回收室中的Cl-离子向阳极室迁移而产生有害气体Cl2对阳极侧离子交换膜的氧化破坏作用。阴极保护室的设置，则能够阻止阴极反映产物之一OH-离子向靠近阴极侧的最后一个料液室的迁移，以维持料液室pH值的稳定。
本发明中电极水为单独配制的5.0-15.0g/L的Na2SO4溶液，以保持阴、阳极室的良好导电性。电极水从阳极侧进入，由阴极侧排出，进入外部极水罐，在排除电极反应产生的气体后可循环使用。正常运行过程中，因电极反应，导致阳极室水流呈酸性，阴极室水流则为碱性。电极水由阳极室导入阴极室,可因中和作用而消除电极反应产物的累积对相邻料液室和卵白蛋白回收室的影响。
本发明中可通过采用不同面积规格的料液室和卵白蛋白回收室隔板,以及增加或减少装置中卵白蛋白回收室和料液室所构成的基本工作单元的数目，即可处理不同规模的蛋清稀释液，便于工业放大。
本发明所述的蛋清中卵白蛋白的分离方法与装置，其运行过程具备如下效果：
(1)分离和浓缩蛋清中的卵白蛋白前需对鸡蛋清原液进行稀释、离心沉淀和pH调节等预处理，该预处理过程可以有效除去蛋清中含有的大分子黏性蛋白和其他杂质沉淀，与直接将蛋清用水稀释后进行超滤处理过程相比，可以有效降低蛋白在多孔滤膜膜面的吸附污染，延长多孔滤膜的使用寿命，降低运行费用。
(2)将经过预处理而得到的上清液D引入由多孔滤膜和电渗析内在耦合而成的一种蛋清中卵白蛋白的分离装置进一步处理，可同步实现蛋清中卵白蛋白的同步浓缩和脱盐，提高了卵白蛋白的收率和纯度。
(3)在阴、阳极室分别设置阴、阳极室保护室，可避免电极反应产物H+或OH-离子向与其相邻的料液室或卵白蛋白回收室的迁移扩散，从而保证料液和回收的卵白蛋白浓缩液的稳定性，以维持该过程的高效、稳定运行。
(4)可通过采用不同面积规格的卵白蛋白回收室和料液室隔板，以及增加或减少卵白蛋白回收室和料液室所构成的基本工作单元的数目，方便调节处理规模，便于工业放大。
(5)与现有的多步盐析法相比，无需额外引入化学试剂，有效保持卵白蛋白活性的同时保证了卵白蛋白产品用于食品或医药领域的纯度和安全性。
(6)与超滤过程及其集成的现有技术相比，工艺流程更为简单，经过本发明中所提供的蛋清中卵白蛋白的分离装置处理得到的卵白蛋白浓缩液无需经进一步的脱盐或树脂吸附而可直接进行干燥，卵白蛋白回收率及活性高，系统投资节省，运行稳定性高。
附图说明
图1为本发明所提供的卵白蛋白分离方法示意图；
图2为本发明所提供的一种蛋清中卵白蛋白的分离装置基本工作单元内的荷负电卵白蛋白及盐离子的迁移与分离原理图；
图3为本发明所提供的一种蛋清中卵白蛋白的分离装置内部构造示意图；
图4为本发明所提供的一种实施例装置的具体工艺流程图。
以上图中：
1-多孔滤膜；2-阴离子交换膜；3-料液室；4-卵白蛋白回收室；5-卵转铁蛋白；6-荷负电的卵白蛋白；7-荷正电的小分子盐离子；8-荷负电的小分子盐离子；9-料液室入口溶液；10-卵白蛋白回收室入口溶液；11-阳极；12-阴极；13-阳离子交换膜；14-阳极室；15-阳极保护室；16-阴极室；17-阴极保护室；18-基本工作单元；19-阳极室进水；20-阳极室出水；21-料液室出口溶液；22-卵白蛋白回收室出口溶液；23-阴极室进水；24-阴极室出水；25-蛋清中卵白蛋白的分离装置；26-电源；27-极水循环罐；28-截止阀；29-极水循环泵；30-压力表；31-转子流量计；32-卵白蛋白回收液循环罐；33-卵白蛋白回收液循环泵；34-在线酸度计；35-料液循环罐；36-料液循环泵
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明方案，现结合说明书附图及实施例对本发明技术方案作进一步具体说明。
如图1所示，本发明是一种蛋清中卵白蛋白的分离方法，包括蛋清收集、稀释、离心沉淀、pH调节、蛋清中卵白蛋白的分离装置分离与浓缩和干燥处理六个步骤，具体操作步骤为：
(1)新鲜鸡蛋洗净去壳，利用分蛋器分离蛋清和淡黄，收集鸡蛋清原液A；
(2)向所收集的鸡蛋清原液A中加入体积为鸡蛋清原液A的5-15倍的含0.9％NaCl的磷酸盐缓冲溶液进行稀释，得到稀释蛋清液B；
(3)将步骤(2)得到稀释蛋清液在3000-6000r/min的转速下离心10-30min，去除其中的大分子黏性蛋白和其他杂质沉淀，得到上清液C；
(4)用NaOH和HCl溶液调节步骤(3)所得的上清液C的pH范围为6.0-9.0，以确保蛋清中的卵白蛋白荷负电，而在外加电场下能够从料液室迁移进入卵白蛋白回收室；
(5)将步骤(4)得到的特定pH的上清液D作为原料液泵入由膜滤与电渗析内在耦合而成的一种蛋清中卵白蛋白的分离装置进一步处理，得到卵白蛋白浓缩液E；
(6)将步骤(5)得到的卵白蛋白浓缩液E进行干燥处理后，即得到卵白蛋白成品。
根据图2和图3，由多孔滤膜1和阴离子交换膜2及阳离子交换膜13排列组合而构成的一种蛋清中卵白蛋白的分离装置25的膜堆基本工作单元18包括有料液室3和卵白蛋白回收室4。料液室3中荷负电的卵白蛋白6在由电源26提供的外加电场的作用下，透过多孔滤膜1向其左侧相邻的卵白蛋白回收室4中迁移；而料液室3中不荷电的卵转铁蛋白分子5则随着料液的流动流出料液室。卵白蛋白回收室4中的荷负电的小分子盐离子8,如Cl-,则在外加电场的驱动下，自由透过阴离子交换膜2进入左侧的料液室3；卵白蛋白回收室4中的荷正电的小分子盐离子7，如Na+，则在外加电场的驱动下，继续沿着电场的方向迁移，自由透过多孔滤膜1而进入右侧相邻的料液室3；而荷负电的卵白蛋白6则会由于溶液pH的控制以及阴离子交换膜的孔径筛分和选择通过性而被截留在卵白蛋白回收室4中，被截留在卵白蛋白回收室4中的卵白蛋白会随着液流带出膜堆，通过多次的循环而实现卵白蛋白的同步脱盐和高倍数浓缩。料液室3中设置的多孔滤膜1的截留分子量为50000-100000，这使得料液室3中荷负电的卵白蛋白大分子可在外加电场的驱动下，顺利透过多孔滤膜1迁移进入左侧相邻的卵白蛋白回收室4中，从而实现蛋清稀释液中卵白蛋白的高效分离。
根据图4所提供的工艺流程，经过预处理而得到的上清液D作为料液室入口溶液9由料液循环罐35经料液循环泵36进入由膜滤与电渗析内在耦合而成的一种蛋清中卵白蛋白的分离装置25，自下而上流经料液室3后，再回到料液循环罐35，进行闭路循环，从而使蛋清稀释液中的卵白蛋白不断的迁移进入卵白蛋白回收液中。卵白蛋白回收室入口溶液10经卵白蛋白回收液循环泵33输入膜堆后自下而上流经卵白蛋白回收室4后，再回到卵白蛋白回收液循环罐32，进行闭路循环，从而不断吸收来自上清液D中的卵白蛋白，以实现卵白蛋白的高倍数浓缩。阳极室进水19自极水循环罐27经极水循环泵29，自下而上进入阳极室14和阳极保护室15，阳极室出水20经外部极水管路自下而上进入阴极保护室17和阴极室16，阴极室出水24回到极水循环罐27排出气体后作为阳极室进水19循环进入阳极室14和阳极保护室15。
实施例
该实施例中，新鲜鸡蛋洗净去壳，利用分蛋器分离蛋清和蛋黄，收集蛋清。取新鲜蛋清200mL，加入1800mL含0.9％NaCl的磷酸盐缓冲液对新鲜蛋清进行稀释，缓慢磁力搅拌15min，以6000r/min的转速下离心25min，去除大分子黏性蛋白和其他杂质沉淀，获得上清液。用1.0M的HCl和NaOH调节上清液的pH至6.8。然后进入由膜滤与电渗析内在耦合而成的一种蛋清中卵白蛋白的分离装置对其中的卵白蛋白进行进一步的分离和浓缩，对获得的卵白蛋白浓缩液进行真空冷冻干燥，得到的白色粉末经十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳检测为卵白蛋白。
其中蛋清中卵白蛋白的分离装置为一级一段结构，含两个基本工作单元，用于分离经预处理和pH调节过的蛋清稀释液中的卵白蛋白。料液室、卵白蛋白回收室、阴、阳极室保护室及阴、阳极室隔板规格均为100mm×300mm×0.9mm。所用离子交换膜为异相离子交换膜，由浙江千秋环保水处理有限公司生产。所用多孔滤膜为聚醚砜超滤膜，截留分子量为30000，由安得膜分离技术工程有限公司提供。
料液循环罐35中为新鲜蛋清经稀释、离心沉淀、pH值调节为6.8后的上清液；卵白蛋白回收液循环罐32中的初始溶液为2000mg/L的NaCl溶液；电极水为15.0g/L的Na2SO4溶液。进料液和卵白蛋白回收液的pH值采用在线酸度计34进行监测，卵白蛋白的含量和纯度采用高效液相色谱法测定。进料液、卵白蛋白回收液、电极液的流量分别为10.0、10.0和15.0L/h，膜堆工作电压为8V，置稳定运行5.0小时后,蛋清中卵白蛋白回收率可达42.8％，纯度可达92％。通过扫描电镜观测，多孔滤膜和离子交换膜表面无明显污染。实施例表明,利用本发明所提供的一种蛋清中卵白蛋白的分离方法与装置，能够简便而有效地从蛋清中分离提取卵白蛋白，该新型卵白蛋白分离提取技术可以大幅度提高蛋白质的收率，降低蛋白分离系统的投资和运行成本，实现蛋白分离和脱盐的同步完成，在活性蛋白质的分离、提纯等领域均具有重要应用价值。

Claims (7)

1.一种蛋清中卵白蛋白的分离方法，其特征在于按照以下步骤进行：
(1)新鲜鸡蛋洗净去壳，利用分蛋器分离蛋清和蛋黄，收集鸡蛋清原液A；
(2)将步骤(1)得到的鸡蛋清原液A中加入一定量的磷酸盐缓冲溶液进行稀释，得到稀释蛋清液B；
(3)将步骤(2)得到的稀释蛋清液B在3000-6000r/min转速下离心10-30min，去除其中的大分子黏性蛋白和其他杂质沉淀，得到上清液C；
(4)调节步骤(3)得到的上清液C的pH值到范围为6 .0-9 .0，得到上清液D；
(5)将步骤(4)得到的上清液D作为原料液泵入由膜滤与电渗析内在耦合而成的一种蛋清中卵白蛋白的分离装置，对上清液D中的卵白蛋白进行同步浓缩和脱盐处理，得到卵白蛋白浓缩液E；
(6)将步骤(5)得到的卵白蛋白浓缩液E进行喷雾干燥、低温真空干燥或冷冻干燥处理，得到卵白蛋白成品；
其中，步骤（5）中，所述分离装置包括膜堆、电极装置、夹紧支撑装置和夹紧装置四部分，其中，膜堆由若干个重复排列的基本工作单元构成，每个所述基本工作单元包括由一张阴离子交换膜和一张多孔滤膜构成的一个卵白蛋白回收室和一个料液室，其中多孔滤膜的分离侧朝向阴极，所用多孔滤膜的截留分子量为50000-100000；在正、负极室的内侧均设有极室保护室。
2.根据权利要求1所述的一种蛋清中卵白蛋白的分离方法，其特征还在于步骤(2)中所述的磷酸盐缓冲溶液为含0 .9％NaCl的磷酸盐缓冲液。
3.根据权利要求1所述的一种蛋清中卵白蛋白的分离方法，其特征还在于步骤(2)中所述的磷酸盐缓冲溶液的加入量与鸡蛋清原液A的体积比为5-15。
4.根据权利要求1所述的一种蛋清中卵白蛋白的分离方法，其特征还在于步骤(4)所述的调节蛋清液的pH值为6 .8。
5.根据权利要求1所述的一种蛋清中卵白蛋白的分离方法，其特征还在于多孔滤膜的材质为纤维素类、聚矾类、聚偏氟乙烯类有机高分子材料,或陶瓷、金属、分子筛无机材料。
6.根据权利要求1所述的一种蛋清中卵白蛋白的分离方法，其特征还在于料液室和卵白蛋白回收室的厚度均为0 .5-3 .0mm。
7.根据权利要求1所述的一种蛋清中卵白蛋白的分离方法，其特征还在于电极液为单独配置的5 .0-15 .0g/L的Na2SO4溶液，并先由阳极侧下部进入阳极室和阳极保护室，在上部导出，再经膜堆外部管路由阴极侧下部进入阴极室和阴极保护室，最终在阴极侧上部排出，构成独立极水管路。
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