CN113215217A - 一种动物源材料联产硫酸软骨素和胶原蛋白的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物提取技术领域，具体涉及一种动物源材料联产硫酸软骨素和胶原蛋白的方法，包括酶解过程，所述酶解过程包括如下步骤：向已预处理的动物源材料混合溶液中加入碱性调节剂，并调节pH至8.5‑10.5，获得混合溶液A；向混合溶液A中加入2709碱性蛋白酶并搅拌酶解，获得pH在6‑7的混合溶液B；向混合溶液B中加入木瓜蛋白酶并搅拌酶解，获得酶解混合溶液。本发明所提供的酶解方法工艺流程短，具有生产损耗少，环保效益高，产物白度高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及生物提取技术领域，具体涉及一种动物源材料联产硫酸软骨素和胶原蛋白的方法。
背景技术
在现有技术中，硫酸软骨素及胶原蛋白可通过动物源材料，如动物软骨依次经过酶解反应、超滤过程、硫酸软骨素提纯反应和胶原蛋白提纯反应获得纯度较高的硫酸软骨素和胶原蛋白，如专利CN103114116A所公开的生产硫酸软骨素并联产蛋白胨、胶原肽和软骨钙粉的方法。但是在酶解反应中，传统的生产工艺通常需要应用多种酶对底物进行连续酶解。为了保持各个酶在酶解过程中的酶解效率，通常在酶解过程中需要反复进行pH调节过程和酶灭活过程。其中，pH调节过程需要使用大量的碱性调节剂和酸性调节剂，这可能导致环境污染，底物COD值增高等问题；同时，在胶原蛋白提纯反应过程中，为了控制胶原蛋白产品的灰分，通常需要经过纳滤过程将底物中的酸碱进行去除，若酶解过程中大量添加的碱性调节剂和酸性调节剂，则容易加重纳滤设备的负荷，增加联产工艺成本。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是：解决由于酶解过程需要大量使用酸性调节剂和碱性调节剂，导致环境污染、纳滤设备负荷重的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种动物源材料联产硫酸软骨素和胶原蛋白的方法，包括酶解过程，所述酶解过程包括如下步骤：
A1、向已预处理的动物源材料混合溶液中加入碱性调节剂，并调节pH至8.5-10.5，获得混合溶液A；
A2、向混合溶液A中加入2709碱性蛋白酶并搅拌酶解，获得pH在6-7的混合溶液B；
A3、向混合溶液B中加入木瓜蛋白酶并搅拌酶解，获得酶解混合溶液。
其中，所述动物源材料为动物骨组织、软骨组织或具有软骨的器官中的一种或几种的组合。
其中，所述混合溶液A的温度为50-60℃。
其中，还包括超滤过程，所述超滤过程包括如下步骤：
B1、将A3所得的酶解混合溶液进行灭酶处理，获得混合溶液C；
B2、将混合溶液C进行骨渣分离处理，获得清液；
B3、将清液进行超滤处理，获得截留液和超滤外液；
其中，还包括硫酸软骨素的提纯过程，所述硫酸软骨素的提纯过程包括如下步骤：
C1、将B3所得的截留液用纯化水反复超滤清洗1-3次，收集获得超滤浓缩液；
C2、向超滤浓缩液中加入96％乙醇至乙醇质量分数为45-50％，静置，并再向超滤浓缩液中加入96％乙醇至乙醇质量分数不低于55％，静置后提取沉淀物；
C3、向沉淀物中加入96％乙醇至乙醇质量分数不低于85％，静置脱水，获得脱水的沉淀物；
C4、将脱水的沉淀物进行干燥，至含水量小于10％，获得硫酸软骨素颗粒。
其中，在C1中，所述纯化水的用量为超滤浓缩液体积的0.5-3倍。
其中，还包括胶原蛋白的提纯过程，所述胶原蛋白的提纯过程包括如下步骤：
D1、将B3所得的超滤外液在纳滤设备中进行纳滤，至废水口中废液电导率不高于2000μs/cm，获得浓缩液A；
D2、对浓缩液A进行负压真空浓缩，获得浓缩液B；
D3、对浓缩液B进行喷雾干燥，获得胶原蛋白粉末。
其中，在D2中，所述负压真空浓缩的温度为65-85℃。
其中，在D3中，所述喷雾干燥的进风温度为160-185℃。
本发明的有益效果在于：本发明所提供的酶解过程是基于底物酶解过程中底物pH逐渐下降的变化趋势进行考量，通过选用酶解pH为8.5-10.5的2709碱性蛋白酶和酶解pH为6-7的木瓜蛋白酶依次对底物进行酶解，以实现在整个酶解过程中，仅需要在酶解过程开始时对底物进行一次的pH调节过程，使底物pH位于2709碱性蛋白酶的酶解pH范围内，从而避免在整个酶解过程中使用大量的酸性调节剂和碱性调节剂对底物pH进行调节，进而可有效避免酶解过程污染环境、底物COD值升高以及纳滤设备超负荷等问题的发生。本发明所提供的酶解过程相较于传统的硫酸软骨素或硫酸软骨素与胶原蛋白联产中使用的酶解工艺而言，工艺操作简便，能耗低，且具有产物白度高等特点。
附图说明
图1所示为本发明中底物pH的变化曲线；
图2所示为本发明中实施例1-3与对比例1-2中胶原蛋白粉末的颜色对比图片；
图3所示为本发明的动物源材料联产硫酸软骨素及胶原蛋白方法的工艺流程图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
实施例一
参见图3，A1：将1吨新鲜鸡腿骨投入反应釜中，加入饮用水浸没鸡腿骨，开启搅拌桨30min，停止搅拌后从底部卸掉清洗水，洗去部分血水、油脂和肌肉组织，重新加入饮用水浸没鸡腿骨，饮用水用量为700L，通过蒸汽加热蒸煮至90℃以上，保温2h以上，获得已预处理的鸡腿骨混合溶液；
A2：将已处理的鸡腿骨混合溶液温度调节至57℃，加入氢氧化钠溶液调节pH至10.2，按照鸡腿骨重量0.1％加入2709碱性蛋白酶，持续搅拌1h；测得反应釜内混合液温度为54℃，pH为6.3，加入鸡腿骨重量0.5％的木瓜蛋白酶搅拌酶解2h，持续搅拌；
A3：升温至72℃，保温0.5h，保温过程静置，使反应釜中2709碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶灭活；
A4：待分层后放罐进行板框过滤，将骨渣分离，获得清液1150L；
A5：使用3000Da超滤膜对清液进行超滤，收集截留液和超滤外液，其中超滤外液体积为750L；
硫酸软骨素提取包括如下步骤：
B1：将截留液使用纯化水进行反复超滤清洗3次，每次使用的纯化水用量为500L，收集超滤浓缩液；
B2：向浓缩液中加入96％乙醇调节混合物中乙醇质量分数至57％后静置1h，取沉淀物；
B3：向沉淀物中加入96％乙醇调节混合物中乙醇质量分数至87％后静置脱水1h；
B4：将脱水后的沉淀物进行干燥，温度为65℃，至含水量降至10％以下后停止干燥，获得硫酸软骨素干燥品2.43kg；
胶原蛋白提取包括如下步骤：
C1：将750L超滤外液通过300Da纳滤膜进行浓缩提纯，反复加纯化水至废水口中废水的电导率达1855μs/cm时停止纳滤，纯化水用量为1250L，获得纳滤提纯浓缩液；
C2：将纳滤提纯浓缩液直接泵入真空浓缩器进行蒸发浓缩，在负压条件下，温度保持在80℃；
C3：将浓缩液使用泵打入喷雾干燥器进行喷雾干燥，进风温度设置为175℃，得胶原蛋白肽粉末4.73kg。
所得硫酸软骨素产品颜色为类白色，含量检测采用GB/T20365规定的方法，含量为93.6％；所得胶原蛋白肽颜色为类白色，含量检测采用GB/T31645规定的方法，含氮量为14.7％。
酶解和灭酶过程氢氧化钠(片碱)耗费3.51kg，未使用浓盐酸。纳滤过程纯化水使用量为1250L，为超滤外液体积总量的1.7倍。
实施例二
参见图3，A1：将1吨新鲜鸡腿骨投入反应釜中，加入饮用水浸没鸡腿骨，开启搅拌桨30min，停止搅拌后从底部卸掉清洗水，洗去部分血水、油脂和肌肉组织，重新加入饮用水浸没鸡腿骨，饮用水用量为700L，通过蒸汽加热蒸煮至90℃以上，保温2h以上，获得已预处理的鸡腿骨混合溶液；
A2：将已处理的鸡腿骨混合溶液温度调节至55℃，加入氢氧化钠溶液调节pH至8.7，按照鸡腿骨重量的0.5％加入2709碱性蛋白酶，持续搅拌1h；测得反应釜内混合液温度为53℃，pH为6.2，加入鸡腿骨重量的1.0％的木瓜蛋白酶搅拌酶解3h，持续搅拌；
A3：升温至75℃，保温0.5h，保温过程静置；
A4：分层后放罐进行板框过滤，将骨渣分离，获得清液1100L；
A5：使用3000Da超滤膜对清液进行超滤，收集截留液和超滤外液，超滤外液体积为750L；
硫酸软骨素提取包括如下步骤：
B1：将截留液使用纯化水进行反复超滤清洗3次，每次使用的纯化水用量为500L，收集超滤浓缩液；
B2：向浓缩液中加入96％乙醇调节混合物中乙醇质量分数至56％后静置1h，取沉淀物；
B3：向沉淀物中加入96％乙醇调节混合物中乙醇质量分数至86％后静置脱水1h；
B4：将脱水后的沉淀物进行干燥，温度为65℃，至含水量降至10％以下后停止干燥，获得硫酸软骨素干燥品2.31kg；
胶原蛋白提取包括如下步骤：
C1：将750L超滤外液通过300Da纳滤膜进行浓缩提纯，反复加纯化水至废水口电导率达1795μs/cm时停止纳滤，纯化水用量为1350L，获得纳滤提纯浓缩液；
C2：将纳滤提纯浓缩液直接泵入真空浓缩器进行蒸发浓缩，在负压条件下，温度保持在81℃；
C3：将浓缩液使用泵打入喷雾干燥器进行喷雾干燥，进风温度设置为175℃，得胶原蛋白肽粉末4.83kg。
所得硫酸软骨素产品颜色为类白色，含量检测采用GB/T20365规定的方法，含量为92.5％；所得胶原蛋白肽颜色为类白色，含量检测采用GB/T31645规定的方法，含氮量为14.6％。
酶解和灭酶过程氢氧化钠(片碱)耗费3.28kg，未使用浓盐酸。纳滤过程纯化水使用量为1350L，为超滤外液体积总量的1.7倍。
实施例3
参见图3，A1：将1吨新鲜牛气管投入反应釜中，加入饮用水浸没牛气管，开启搅拌桨30min，停止搅拌后从底部卸掉清洗水，洗去部分血水、油脂和肌肉组织，重新加入饮用水浸没牛气管，饮用水用量为1300L，通过蒸汽加热蒸煮至90℃以上，保温2h以上，获得已预处理的牛气管混合溶液；
A2：将已预处理的牛气管混合溶液的温度调节至55℃，加入氢氧化钠溶液调节pH至9.5，按照牛气管重量的0.5％加入2709碱性蛋白酶，持续搅拌1h；测得反应釜内混合液温度为52℃，pH为6.2，加入牛气管重量的1.0％的木瓜蛋白酶搅拌酶解3h，持续搅拌；
A3：升温至72℃，保温0.5h，保温过程静置；
A4：分层后放罐进行板框过滤，将骨渣分离，获得清液1750L；
A5：使用3000Da超滤膜对清液进行超滤，收集截留液和超滤外液，超滤外液体积为1150L；
硫酸软骨素提取包括如下步骤：
B1：将截留液使用纯化水进行反复超滤清洗3次，每次使用的纯化水用量为500L，收集超滤浓缩液；
B2：向浓缩液中加入96％乙醇调节混合物中乙醇质量分数至57％后静置1h，取沉淀物；
B3：向沉淀物中加入96％乙醇调节混合物中乙醇质量分数至86％后静置脱水1h；
B4：将脱水后的沉淀物进行干燥，温度为65℃，至含水量降至10％以下后停止干燥，获得硫酸软骨素干燥品5.12kg；
胶原蛋白提取包括如下步骤：
C1：将1150L超滤外液通过300Da纳滤膜进行浓缩提纯，反复加纯化水至废水口电导率达1660μs/cm时停止纳滤，纯化水用量为1750L，获得纳滤提纯浓缩液；
C2：将纳滤提纯浓缩液直接泵入真空浓缩器进行蒸发浓缩，在负压条件下，温度保持在82℃；
C3：将浓缩液使用泵打入喷雾干燥器进行喷雾干燥，进风温度设置为175℃，得胶原蛋白肽粉末4.73kg。
所得硫酸软骨素产品颜色为类白色，含量检测采用GB/T20365规定的方法，含量为92.1％；所得胶原蛋白肽颜色为类白色，含量检测采用GB/T31645规定的方法，含氮量为14.8％。
酶解和灭酶过程氢氧化钠(片碱)耗费3.37kg，未使用浓盐酸。纳滤过程纯化水使用量为1750L，为超滤外液体积总量的1.5倍。
对照例1
参见图3，A1：将1吨新鲜鸡腿骨投入反应釜中，加入饮用水浸没鸡腿骨，开启搅拌桨30min，停止搅拌后从底部卸掉清洗水，洗去部分血水、油脂和肌肉组织，重新加入饮用水浸没鸡腿骨，饮用水用量为700L，通过蒸汽加热蒸煮至90℃以上，保温2h以上；
A2：温度调节至48℃，加入氢氧化钠溶液调节pH至8.8，按照鸡腿骨重量的0.5％加入胰蛋白酶，持续搅拌，每15min调整1次pH使pH维持在8.5-9.0之间；酶解1小时后，升温至55℃，加入氢氧化钠溶液调pH至9.5，加入鸡腿骨重量的0.5％的2709碱性蛋白酶，每15min调整1次pH使pH维持在8.5-10.5之间，搅拌酶解3h；
A3：加入盐酸溶液，调节pH至,5.5-6.5，升温至72℃，保温0.5h，保温过程静置；
A4：分层后放罐进行板框过滤，将骨渣分离，获得清液1050L；
A5：使用3000Da超滤膜对清液进行超滤，收集截留液和超滤外液，超滤外液体积为780L；
硫酸软骨素提取包括如下步骤：
B1：将截留液使用纯化水进行反复超滤清洗3次，每次使用的纯化水用量为500L，收集超滤浓缩液；
B2：向浓缩液中加入96％乙醇调节混合物中乙醇质量分数至56％后静置1h，取沉淀物；
B3：向沉淀物中加入96％乙醇调节混合物中乙醇质量分数至87％后静置脱水1h；
B4：将脱水后的固体料进行干燥，温度为65℃，至含水量降至10％以下后停止干燥，获得硫酸软骨素干燥品2.16kg；
胶原蛋白提取包括如下步骤：
C1：将780L超滤外液通过300Da纳滤膜进行浓缩提纯，反复加纯化水至废水口电导率达1695μs/cm时停止纳滤，纯化水用量为2750L，获得纳滤提纯浓缩液；
C2：将纳滤提纯浓缩液直接泵入真空浓缩器进行蒸发浓缩，在负压条件下，温度保持在82℃；
C3：将浓缩液使用泵打入喷雾干燥器进行喷雾干燥，进风温度设置为175℃，得胶原蛋白肽粉末4.43kg。
所得硫酸软骨素产品颜色为黄色，含量检测采用GB/T20365规定的方法，含量为94.8％；所得胶原蛋白肽颜色为黄色，含量检测采用GB/T31645规定的方法，含氮量为14.7％。
酶解和灭酶过程氢氧化钠(片碱)耗费11.48kg，浓盐酸耗费7.48kg。纳滤过程纯化水使用量为2750L，为超滤外液体积总量的3.5倍。
对照例2
参见图3，A1：将1吨新鲜鸡腿骨投入反应釜中，加入饮用水浸没鸡腿骨，开启搅拌桨30min，停止搅拌后从底部卸掉清洗水，洗去部分血水、油脂和肌肉组织，重新加入饮用水浸没鸡腿骨，饮用水用量为700L，通过蒸汽加热蒸煮至90℃以上，保温2h以上；
A2：温度调节至55℃，加入氢氧化钠溶液调节pH至6.8，按照鸡腿骨重量的1.0％加入木瓜蛋白酶，持续搅拌，每15min调整1次pH使pH维持在6-7之间；酶解1小时后，调节温度至55℃，加入氢氧化钠溶液调pH至9.5，加入鸡腿骨重量的0.5％的2709碱性蛋白酶，每15min调整1次pH使pH维持在8.5-10.5之间，搅拌酶解3h；
A3：加入盐酸溶液，调节pH至5.5-6.5，升温至73℃，保温0.5h，保温过程静置；
A4：分层后放罐进行板框过滤，将骨渣分离，获得清液1100L；
A5：使用3000Da超滤膜对清液进行超滤，收集截留液和超滤外液，超滤外液体积为750L；
硫酸软骨素提取包括如下步骤：
B1：将截留液使用纯化水进行反复超滤清洗3次，每次使用的纯化水用量为500L，收集超滤浓缩液；
B2：向浓缩液中加入96％乙醇调节混合物中乙醇质量分数至57％后静置1h，取沉淀物；
B3：向沉淀物中加入96％乙醇调节混合物中乙醇质量分数至88％后静置脱水1h；
B4：将脱水后的固体料进行干燥，温度为65℃，至含水量降至10％以下后停止干燥，获得硫酸软骨素干燥品2.21kg；
胶原蛋白提取包括如下步骤：
C1：将750L超滤外液通过300Da纳滤膜进行浓缩提纯，反复加纯化水至废水口电导率达1890μs/cm时停止纳滤，纯化水用量为2450L，获得纳滤提纯浓缩液；
C2：将纳滤提纯浓缩液直接泵入真空浓缩器进行蒸发浓缩，在负压条件下，温度保持在81℃；
C3：将浓缩液使用泵打入喷雾干燥器进行喷雾干燥，进风温度设置为175℃，得胶原蛋白肽粉末4.31kg。
所得硫酸软骨素产品颜色为淡黄色，含量检测采用GB/T20365规定的方法，含量为94.2％；所得胶原蛋白肽颜色为淡黄色，含量检测采GB/T31645规定的方法，含氮量为14.6％。
酶解和灭酶过程氢氧化钠(片碱)耗费7.51kg，浓盐酸耗费6.88kg。纳滤过程纯化水使用量为2450L，为超滤外液体积总量的2.2倍。
综上，实施例1至3及对照例1及2主要区别参数如下表1：
表1
参见图3及表1可知，本发明所提供的酶解方法，相较于传统的酶解方法，如对比例1及对比例2所示，酸性调节剂和碱性调节剂的使用量显著减小，在纳滤过程中用水量也显著降低，并且硫酸软骨素的含量及胶原蛋白的含氮量均相近，因此，本发明所提供的酶解方法相较于传统的酶解方法，具有更高的环保效益，同时也可有效降低纳滤设备的负荷和生产能耗。
同时，参照图2及表1可知，相较于传统的酶解方法，本发明所提供的酶解方法所获得的产物颜色均为类白色，而使用传统酶解方法所获得的产物为黄色(对比例1)和淡黄色(对比例2)，而为了提高产物的白度，使用传统酶解方法的工艺必然会在对沉淀物进行干燥前进行脱色处理，则必然导致整个工艺流程的加长和产物生产成本的提高，因此，本发明所提供的酶解方法具有工艺流程短，产物白度高的特点。
并且，参见表1可知，由于2709碱性蛋白酶的酶解温度在50-60℃，而木瓜蛋白酶的酶解温度在50-55℃，并且在酶解过程中底物温度呈现逐渐下降的趋势，因此，本发明所提供的酶解方法，通过依次加入2709碱性蛋白酶和木瓜蛋白酶对底物进行连续酶解，可免于在酶解过程中不断对底物进行温度调节，从而降低生产能耗。
综上所述，参见图1，本发明所提供的酶解过程是基于底物酶解过程中底物pH逐渐下降的变化趋势进行考量，通过选用酶解pH为8.5-10.5的2709碱性蛋白酶和酶解pH为6-7的木瓜蛋白酶依次对底物进行酶解，以实现在整个酶解过程中，仅需要在酶解过程开始时对底物进行一次的pH调节过程，使底物pH位于2709碱性蛋白酶的酶解pH范围内，从而避免在整个酶解过程中使用大量的酸性调节剂和碱性调节剂对底物pH进行调节，进而可有效避免酶解过程污染环境、底物COD值升高以及纳滤设备超负荷等问题的发生。本发明所提供的酶解过程相较于传统的硫酸软骨素或硫酸软骨素与胶原蛋白联产中使用的酶解工艺而言，工艺操作简便，能耗低，且具有产物白度高等特点。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种动物源材料联产硫酸软骨素和胶原蛋白的方法，其特征在于，包括酶解过程，所述酶解过程包括如下步骤：
A1、向已预处理的动物源材料混合溶液中加入碱性调节剂，并调节pH至8.5-10.5，获得混合溶液A；
A2、向混合溶液A中加入2709碱性蛋白酶并搅拌酶解，获得pH在6-7的混合溶液B；
A3、向混合溶液B中加入木瓜蛋白酶并搅拌酶解，获得酶解混合溶液。
2.根据权利要求1所述动物源材料联产硫酸软骨素和胶原蛋白的方法，其特征在于，所述动物源材料为动物骨组织、软骨组织或具有软骨的器官中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述动物源材料联产硫酸软骨素和胶原蛋白的方法，其特征在于，所述混合溶液A的温度为50-60℃。
4.根据权利要求1至3任一项所述动物源材料联产硫酸软骨素和胶原蛋白的方法，其特征在于，还包括超滤过程，所述超滤过程包括如下步骤：
B1、将A3所得的酶解混合溶液进行灭酶处理，获得混合溶液C；
B2、将混合溶液C进行骨渣分离处理，获得清液；
B3、将清液进行超滤处理，获得截留液和超滤外液。
5.根据权利要求4所述动物源材料联产硫酸软骨素和胶原蛋白的方法，其特征在于，还包括硫酸软骨素的提纯过程，所述硫酸软骨素的提纯过程包括如下步骤：
C1、将B3所得的截留液用纯化水反复超滤清洗1-3次，收集获得超滤浓缩液；
C2、向超滤浓缩液中加入96％乙醇至乙醇质量分数为45-50％，静置，并再向超滤浓缩液中加入96％乙醇至乙醇质量分数不低于55％，静置后提取沉淀物；
C3、向沉淀物中加入96％乙醇至乙醇质量分数不低于85％，静置脱水，获得脱水的沉淀物；
C4、将脱水的沉淀物进行干燥，至含水量小于10％，获得硫酸软骨素颗粒。
6.根据权利要求5所述动物源材料联产硫酸软骨素和胶原蛋白的方法，其特征在于，在C1中，所述纯化水的用量为超滤浓缩液体积的0.5-3倍。
7.根据权利要求4所述动物源材料联产硫酸软骨素和胶原蛋白的方法，其特征在于，还包括胶原蛋白的提纯过程，所述胶原蛋白的提纯过程包括如下步骤：
D1、将B3所得的超滤外液在纳滤设备中进行纳滤，至废水口中废液电导率不高于2000μs/cm，获得浓缩液A；
D2、对浓缩液A进行负压真空浓缩，获得浓缩液B；
D3、对浓缩液B进行喷雾干燥，获得胶原蛋白粉末。
8.根据权利要求7所述动物源材料联产硫酸软骨素和胶原蛋白的方法，其特征在于，在D2中，所述负压真空浓缩的温度为65-85℃。
9.根据权利要求7所述动物源材料联产硫酸软骨素和胶原蛋白的方法，其特征在于，在D3中，所述喷雾干燥的进风温度为160-185℃。
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