一种硫酸软骨素超滤废液制备胶原蛋白肽的方法
阅读说明：本技术 一种硫酸软骨素超滤废液制备胶原蛋白肽的方法 (Method for preparing collagen peptide from chondroitin sulfate ultrafiltration waste liquid ) 是由 王斌 尤加宇 赵贵吉 王咏梅 毛节元 贾玉红 王洪英 魏茂军 于 2021-04-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种硫酸软骨素联产高纯度胶原蛋白肽的方法：原料中加入蛋白酶在水中进行酶解,调节pH,加热灭活酶,过滤得酶解液I；酶解液I过截留分子量为10kDa的膜进行超滤,获得浓缩液I和流出液I；浓缩液I分离纯化后制备硫酸软骨素；流出液I经纳滤膜浓缩,获得浓缩液II；浓缩液II以强阴离子树脂吸附；树脂滤除后添加蛋白酶酶解,加热灭活酶,过滤得酶解液II；酶解液II调节pH后添加活性炭吸附,然后过滤,获得滤液；将滤液灭菌、过滤、干燥获得胶原蛋白肽。本发明的制备工艺,过程简单、易于操作。本发明从制备硫酸软骨素的超滤废液中制备胶原蛋白肽,不仅降低排污压力,还能够变废为宝,可为提升企业的综合效益。(The invention provides a method for co-producing high-purity collagen peptide by chondroitin sulfate, which comprises the following steps: adding protease into raw materials, performing enzymolysis in water, adjusting pH, heating to inactivate enzyme, and filtering to obtain enzymolysis solution I; ultrafiltering the enzymolysis solution I through a membrane with the molecular weight cutoff of 10kDa to obtain a concentrated solution I and an effluent I; separating and purifying the concentrated solution I to prepare chondroitin sulfate; concentrating the effluent I by a nanofiltration membrane to obtain a concentrated solution II; adsorbing the concentrated solution II by strong anion resin; filtering with resin, adding protease for enzymolysis, heating to inactivate enzyme, and filtering to obtain enzymolysis solution II; adjusting the pH of the enzymolysis liquid II, adding activated carbon for adsorption, and filtering to obtain a filtrate; sterilizing the filtrate, filtering and drying to obtain the collagen peptide. The preparation process is simple and easy to operate. According to the invention, the collagen peptide is prepared from the ultrafiltration waste liquid for preparing the chondroitin sulfate, so that the pollution discharge pressure is reduced, waste can be changed into valuable, and the comprehensive benefit of an enterprise can be improved.)
技术领域
本发明属于生物医药原料制备和污水处理领域，涉及一种硫酸软骨素超滤废液制备胶原蛋白肽的方法。
背景技术
硫酸软骨素（Chondroitin Sulfate）是从动物软骨组织中提取制备的酸性粘多糖，分子量在10000-50000 Da之间，广泛应用于治疗心脑血管疾病、关节疼痛、关节炎以及用于滴眼液等。目前主流工艺为采用酶解超滤技术生产的硫酸软骨素。该工艺中，以猪鼻中骨为原料提取软骨素时，1000公斤猪鼻中骨原料，其中约含有350公斤软骨素，450公斤胶原蛋白，200公斤的其他有机物和无机物；以海洋鱼骨为原料提取软骨素时，1000公斤鱼骨原料，其中约含有280公斤软骨素，480公斤胶原蛋白，240公斤的其他有机物和无机物。因此，大量的胶原蛋白在酶解后通过超滤作为生产污水进行处理，由于胶原带白是一种含氮高分子有机物，其氨氮和COD值非常高，给污水处理部门带来很大的处理压力。
胶原蛋白是广泛存在于动物体内各结缔组织细胞外间隙的主要结构蛋白，也是哺乳动物体内含量最多、分布最广的功能性蛋白。胶原蛋白因具有良好的生物相容性、可生物降解性以及生物活性，在保健食品、药品、化妆品等领域获得广泛的应用。因此，为了提高原料利用率、降低废水处理难度，有多项专利文件涉及从硫酸软骨素超滤废液中提取胶原蛋白：
公开号为CN108264582A一种制备硫酸软骨素的新工艺中，公开了一种制备硫酸软骨素的新工艺，主要技术方案是在酶解体系加入了一定数量的醇酮类极性溶剂，并引入了均匀剂。公开号为CN103320486A一种鱼类软骨生产硫酸软骨素联产水解胶原蛋白的方法中，公开了一种鱼类软骨生产硫酸软骨素联产水解胶原蛋白的方法，其步骤包括：一、预处理；二、酶解；三、热处理/过滤浓缩；四、树脂吸附；五、精制硫酸软骨素；六、回收蛋白。该发明采用复合酶水解技术，实现硫酸软骨素和胶原蛋白的同步水解，其水解胶原蛋白的蛋白质含量在92%上下。公开号为CN109232772A一种动物软骨提取硫酸软骨素和胶原蛋白的方法中，公开了一种动物软骨提取硫酸软骨素和胶原蛋白的方法，通过包括硫酸软骨素提取步骤和胶原蛋白提取步骤；通过对软骨浸提液进行超滤过滤，获得浓缩液和透过液，所述浓缩液用于提取硫酸软骨素；所述透过液用于进行蛋白胨或蛋白粉的提取；实现了对动物软骨中硫酸软骨素和胶原蛋白进行同时提取的目的。
以上发明生产的胶原蛋白，分子量较大，不易吸收利用，并且胶原蛋白中有多糖残留，制备的胶原蛋白粉容易吸潮且溶解效果不好。胶原蛋白按分子量可分为：100-1000个氨基酸组成的大分子胶原蛋白，30-50个氨基酸组成的胶原蛋白肽，3个氨基酸组成的胶原蛋白肽。其中，大分子胶原蛋白人体吸收率非常低，还容易引起过敏排斥反应，胶原蛋白肽可由人体吸收，但吸收使用效果也不够好，胶原蛋白肽可直接被人体吸收利用，在同等摄取量的情况下，胶原蛋白肽的吸收率是胶原蛋白肽的6-7倍，且没有过敏反应，这是因为胶原蛋白肽是胶原蛋白的最小单元，其结构可表示为（GLY-X-Y），是一种N端带有甘氨酸的高纯度三肽，能够直接被小肠吸收，经血液输送至身体所需的部位。目前制备胶原蛋白肽主要是以鱼皮或鱼鳞为原料经多级酶解制备，如CN1032431444B以鱼皮为原料三用复合酶解后又使用自主提取的胶原酶酶解，然后离心，脱腥脱色，浓缩，喷雾干燥制备胶原蛋白肽；CN101870995B以鱼皮为原料，经碱处理，热处理，然后三次酶解制备胶原蛋白肽；CN109897101B以鱼鳞为原料，经碱处理，热处理，高效复配酶解，陶瓷膜过滤，高温高压处理，浓缩，喷雾干燥制备胶原蛋白肽。鱼鳞和鱼皮中脂肪类成分含量高，制备过程须大量酸碱处理，酸碱作用于胶原蛋白中部分氨基酸时会产生一些有害物质，因此选取更合适的制备原料是非常必要的。软骨中脂肪含量低，可不必采用酸碱处理，但其价格相比鱼皮和鱼鳞又昂贵了很多，而制备硫酸软骨素的同时联产胶原蛋白肽是个非常理想的降低制造成本的方案。
目前还没有制备硫酸软骨素的同时联产胶原蛋白肽的文献报道，本发明在制备高纯度硫酸软骨素的同时联产胶原蛋白肽，制备的胶原蛋白肽，蛋白含量高，溶解性能好，并且有明显的美白功效。同时大大降低了污水处理的压力，将原本废弃的成分合理利用，提高了综合效益。
发明内容
本发明提供一种从硫酸软骨素超滤废液中制备高纯度胶原蛋白肽的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种硫酸软骨素联产高纯度胶原蛋白肽的方法，包括以下步骤：
（1）原料中加入蛋白酶在水中进行酶解，调节pH，加热灭活酶，过滤得酶解液I；
（2）酶解液I过截留分子量为10kDa的膜进行超滤，获得浓缩液I和流出液I；
（3）浓缩液I分离纯化后制备硫酸软骨素；流出液I经纳滤膜浓缩，获得浓缩液II和流出液II；
（4）浓缩液II调节pH，以强阴离子树脂吸附；
（5）树脂滤除后调pH值，升温后添加蛋白酶酶解，加热灭活酶，过滤得酶解液II；
（6）酶解液II调节pH后添加活性炭吸附，然后过滤，获得滤液；
（7）将滤液灭菌、过滤、干燥获得胶原蛋白肽。
步骤（1）前，还包括原料热处理步骤：将软骨在水中90-100℃加热2-4h。
步骤（1）中，原料与水的质量体积比为1:5-10。
步骤（1）中，蛋白酶加入量为软骨质量的0.5-1.5%。所述蛋白酶为枯草杆菌蛋白酶。
步骤（1）中，酶解温度为45-50℃，酶解时间为2-4h，酶解pH为8-9。
步骤（1）中，pH为4.2-5.0，蛋白酶灭活的温度为75-85℃。
步骤（2）中，超滤终点为流出液I的OD280不大于0.6。
步骤（2）中，超滤维持体积为酶解液I体积的1/4-1/6。
步骤（3）中，所述纳滤膜的截留分子量为200-500道尔顿。
步骤（3）中，所述纳滤条件为：压力4.2-5.5bar，溶液温度50-60℃。
步骤（3）中，流出液II的电导率为5-12ms/cm。
步骤（4）中，pH为6.8-7.2。
步骤（4）中，所述强阴离子树脂与浓缩液II的体积比为2-5:100。所述强阴离子树脂选自FPA98树脂、D201树脂或D202树脂。
步骤（5）中，pH为8-9。所述酶解温度为45-50℃。
步骤（5）中，所述蛋白酶为碱性蛋白酶；优选为枯草杆菌蛋白酶和胰蛋白酶的混合。更优选的，枯草杆菌蛋白酶添加量为蛋白质重量的0.1-0.3%，胰蛋白酶添加量为蛋白质重量的0.2-0.5%。
步骤（5）中，升温前还包括添加蛋白酶激活剂的步骤。所述蛋白酶激活剂选自可溶性钙盐、可溶性锌盐或可溶性镁盐中的至少一种，如氯化钙、氯化锌、氯化镁。所述可溶性钙盐的添加量为蛋白酶质量的10-20%，所述可溶性锌盐或可溶性镁盐的添加量为蛋白酶质量的20-30%。
步骤（5）中，灭活酶的pH为4.2-5.0，加热温度为75-85℃。
步骤（6）中，所述pH为5.0-6.0。
步骤（6）中，所述活性炭与浓缩液II的质量体积比为1-2%。
步骤（6）中，所述吸附时间为1.5-2h。
步骤（7）中，所述灭菌为高压蒸汽灭菌；优选的，温度为110-130℃，压力为0.1-0.3Mpa，时间为10-20min。
步骤（7）中，所述干燥选自喷雾干燥或冻干。
本发明具有以下优点：
本发明的制备工艺，过程简单、易于操作。通过对酶种类和酶解条件的控制，能够高效回收硫酸软骨素废液中的胶原蛋白，降低排污压力，提高原料利用率。本发明的制备方法先将软骨热处理后酶解，超滤制备浓缩液和滤出液。超滤滤出液采用纳滤收集，纳滤过程中除去氨基酸残基，寡糖和盐分等小分子物质，浓缩后溶液经树脂吸附去除阴离子蛋白和多糖类杂质，再添加复合蛋白酶和阳离子酶解增强剂进行二次酶解，经蛋白酶灭活后再添加活性炭吸附，去除产品中的色素和腥臭味物质，然后经高温高压处理，最后灭活喷雾干燥制得胶原蛋白肽粉，所制备的胶原蛋白肽粉，分子量分布图显示，绝大部分为200-500道尔顿，其平均分子量为280道尔顿。采用lowry法测定，胶原蛋白中蛋白质含量超过99.5%，并且生产工艺中经高温杀菌，几乎不含有细菌等有害微生物，重金属和灼烧残渣的指标均符合国家药品和保健食品的要求，可用于保健食品、药品、化妆品等领域。本发明从制备硫酸软骨素的超滤废液中制备胶原蛋白肽，不仅降低排污压力，还能够变废为宝，可为提升企业的综合效益。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受下述实施例的限制。
实施例1 猪软骨来源硫酸软骨素超滤废液制备胶原蛋白肽
（1）10吨反应罐中加入约7000L水，投入猪气管、喉管和软骨1000kg，开启搅拌，蒸汽加热至90℃，保温2h，降温至50℃，用20%氢氧化钠调节pH至8.5至酶解结束，加入诺维信Alcalase 3.0T蛋白酶5kg酶解4h，用15%盐酸调节pH至4.5，升温至85℃加热30min灭活酶，静置沉降2h，将料液过滤得约7200L酶解液I；
（2）酶解液I转移至超滤罐，开启超滤机用截留分子量为10kDa的超滤膜进行超滤，不断加入2%氯化钠溶液维持超滤体积约2400L（酶解液I体积的1/4），直至流出液的OD280不大于0.6，获得约1500L浓缩液I和约90000L流出液I；
（3）浓缩液I进行一次沉淀，氧化脱色，二次沉淀等制成硫酸软骨素297.3kg，纯度99.5%；流出液I以压力4.2bar、温度60℃经200Da的纳滤膜浓缩至流出液的电导率为12ms/cm，获得约1800L浓缩液II和流出液II；
（4）浓缩液II调节pH 7.0，加入FPA98强阴离子树脂50L搅拌吸附1h；
（5）将上述料液过滤，测定溶液中蛋白含量，调pH至8.5，加入0.2kg氯化钙和0.3kg氯化锌，升温至50℃，添加0.5kg诺维信液体蛋白酶Esperase和0.7kg胰蛋白酶（四川省德阳市生化制品有限公司生产）酶解1h，调节pH至4.5，85℃加热30min灭活酶，静置沉降2小时后过滤得约1750L酶解液II；
（6）酶解液II调节pH至6.0，添加约30kg活性炭至质量体积比1.5%，吸附1.5h后过滤，获得滤液；
（7）将滤液于121℃，0.1Mpa下高温蒸汽灭菌20min、冷却至常温后过滤，获得的溶液喷雾干燥获得胶原蛋白肽157.6kg。
实施例2 鲨鱼骨来源硫酸软骨素超滤废液制备胶原蛋白肽
（1）15吨反应罐中加入约10000L水，投入鲨鱼软骨1000kg，开启搅拌，蒸汽加热至100℃，保温2h，降温至45℃，用20%氢氧化钠调节pH至8.0至酶解结束，加入诺维信Alcalase3.0T蛋白酶15kg酶解2h，用15%盐酸调节pH至4.2，升温至80℃加热30min灭活酶，静置沉降2h，将料液过滤得约10400L酶解液I；
（2）将酶解液I转移至超滤罐，开启超滤机用截留分子量为10kDa的超滤膜进行超滤，不断加入2%氯化钠溶液维持超滤体积约2000L（酶解液I体积的1/5），直至流出液的OD280不大于0.6，获得约1500L浓缩液I和约94000L流出液I；
（3）浓缩液I进行一次沉淀，氧化脱色，二次沉淀等制成硫酸软骨素265.2kg，纯度99.7%；流出液I以压力5.5bar、温度50℃经300Da的纳滤膜浓缩至流出液的电导率为5ms/cm左右，获得约1500L浓缩液II和流出液II；
（4）浓缩液II调节pH 6.8，加入D201强阴离子树脂100L搅拌吸附1.5h；
（5）将上述料液过滤，测定溶液中蛋白含量，调pH值至9.0，加入0.1kg氯化钙和0.3kg氯化镁，升温至45℃，添加0.6kg诺维信液体蛋白酶Esperase和0.8kg胰蛋白酶（四川省德阳市生化制品有限公司生产）酶解1h，调节pH至4.2，80℃加热30min灭活酶，静置沉降2小时后过滤得约1500L酶解液II；
（6）酶解液II调节pH至5.0，添加约24kg活性炭至质量体积比1.5%，吸附1.5h后过滤，获得滤液；
（7）将滤液于121℃，0.1Mpa下高温蒸汽灭菌20min、冷却至常温后过滤，获得的溶液喷雾干燥获得胶原蛋白肽162.9kg。
实施例3 牛骨来源硫酸软骨素超滤废液制备胶原蛋白肽
（1）10吨反应罐中加入约8500L水，投入牛月牙骨1000kg，开启搅拌，蒸汽加热至95℃，保温2h，降温至47.8℃，用20%氢氧化钠调节pH至9至酶解结束，加入诺维信Alcalase3.0T蛋白酶12kg酶解2h，用15%盐酸调节pH至5，升温至85℃加热30min灭活酶，静置沉降2h，将料液过滤得约9000L酶解液I；
（2）酶解液I转移至超滤罐，开启超滤机用截留分子量为10kDa的超滤膜进行超滤，不断加入2%氯化钠溶液维持超滤体积约1500L（酶解液I体积的1/6），直至流出液的OD280不大于0.6，获得约1500L浓缩液I和约105000L流出液I；
（3）浓缩液I进行一次沉淀，氧化脱色，二次沉淀等制成硫酸软骨素205.6kg，纯度95.8%；流出液I以压力5bar、温度54℃经200Da的纳滤膜浓缩至流出液的电导率为7ms/cm，获得约1500L浓缩液II和流出液II；
（4）浓缩液II调节pH 7.2，加入D202强阴离子树脂90L搅拌吸附1h；
（5）将上述料液过滤，测定溶液中蛋白含量，调pH至8.3，加入0.3kg氯化钙和0.5kg氯化锌，升温至47.8℃，添加0.5kg枯草芽孢杆菌蛋白酶和0.8kg胰蛋白酶（四川省德阳市生化制品有限公司生产）酶解1h，调节pH至5，85℃加热30min灭活酶，静置沉降2h后过滤得约1450L酶解液II；
（6）酶解液II调节pH至5.5，添加约35kg活性炭至质量体积比2%，吸附1.5h后过滤，获得滤液；
（7）将滤液于121℃，0.1Mpa下高温蒸汽灭菌20min、冷却至常温后过滤，获得的溶液喷雾干燥获得胶原蛋白肽190.7kg。
实施例4 胶原蛋白肽的理化性质检测
将实施例1-3制备的胶原蛋白肽采用分子排阻高效液相色谱(SEC-HPLC)法测定分子量分布，以乙氨酰乙氨酰乙氨酸（Mr 189.1）、甘氨酸-羟脯氨酸-丝氨酸（Mr 276.3））、甘氨酸-甘氨酸-酪氨酸-精氨酸（Mr 451.2）、人血管紧张素Ⅱ（Mr 1045.5）、抑胰肽酶（Mr6511）、细胞色素C（Mr 12355）、牛免疫球蛋白（Mr 15000）为相对分子质量标准品制作标准曲线，结果如表1所示：
表1 实施例1-3制备胶原蛋白肽分子量分布
。
将实施例1-3制备的胶原蛋白肽分别对外观、气味、干燥失重、1%溶液pH、1%溶液透光率（620nm）、蛋白含量、灰分、二氧化硫、过氧化物、重金属、菌落总数、致病菌等指标进行检测，结果如表2所示：
表2 实施例1-3制备胶原蛋白肽样品理化性质
根据表1和表2中数据可知，通过实施例1-3制备的胶原蛋白肽的蛋白含量均在95%以上，分子量280Da~450Da之间的寡肽的含量在70%左右，说明制备的产品中功能肽含量高，有害杂质、致病菌的含量均符合标准。
对比例1
采用实施例1的方法以相同的原料制备硫酸软骨素和胶原蛋白肽，不同在于步骤（1）中以胰蛋白酶代替诺维信Alcalase 3.0T蛋白酶，添加比例为软骨重量的0.9%。
对比例2
采用实施例1的方法以相同的原料制备硫酸软骨素和胶原蛋白肽，不同在于步骤（1）中以木瓜蛋白酶代替诺维信Alcalase 3.0T蛋白酶，添加比例为软骨重量的1.5%。
对比例3
采用实施例1的方法以相同的原料制备硫酸软骨素和胶原蛋白肽，不同在于步骤（1）中以风味蛋白酶代替诺维信Alcalase 3.0T蛋白酶，添加比例为软骨重量的2.1%。
对比例4
采用实施例1的方法以相同的原料制备硫酸软骨素和胶原蛋白肽，不同在于步骤（5）中采用木瓜蛋白酶代替诺维信液体蛋白酶，添加比例为蛋白重量的0.5%。
对比例5
采用实施例1的方法以相同的原料制备硫酸软骨素和胶原蛋白肽，不同在于步骤（5）中采用木瓜蛋白酶代替胰蛋白酶，添加比例为蛋白重量的0.5%。
对比例6
采用实施例1的方法以相同的原料制备硫酸软骨素和胶原蛋白肽，不同在于步骤（5）中采用风味蛋白酶代替胰蛋白酶，添加比例为蛋白重量的0.5%。
对比例7
采用实施例1的方法以相同的原料制备硫酸软骨素和胶原蛋白肽，不同在于步骤（5）中采用风味蛋白酶代替诺维信液体蛋白酶，添加比例为蛋白重量的0.5%。
对比例8
采用实施例1的方法以相同的原料制备硫酸软骨素和胶原蛋白肽，不同在于步骤（3）的纳滤采用600Da截留量的膜。
对比例9
采用实施例1的方法以相同的原料制备硫酸软骨素和胶原蛋白肽，不同在于未使用阴离子树脂吸附，缺失步骤（4）和步骤（5）中的过滤操作。
实施例5 胶原蛋白肽的理化性质检测
以上对比例中，所用替换蛋白酶的添加比例已接近该酶的最适比例，不再对其探索过程详述，主要是对比所用蛋白酶种类和工艺步骤差异所造成的产品差异，包括软骨素产率、软骨素杂蛋白、胶原蛋白肽产率、280Da寡肽含量、储存稳定性等。结果如表3所示：
表3 不同工艺获得的胶原蛋白肽产量和质量
表中对比结果表明，改变本发明工艺中的关键控制环节后，与实施例相比会产生很大的变化，包括硫酸软骨素杂蛋白升高，制备的胶原蛋白肽收率低，280-450Da寡肽占比少，容易吸湿而不利于保存等。由此可以说明，本发明工艺已经掌握了从硫酸软骨素超滤废液制备胶原蛋白肽的合理技术和相关参数，所制备的胶原蛋白肽收率高，活性成分占比高，产品容易长久保存。
应用例1 胶原蛋白肽的生物活性测定
胶原蛋白肽在200-500Da分子量区间有着多种生物活性功效，本发明所制备的胶原蛋白肽500Da以下分子量占比超过80%。为了评估实施例1-3制备的胶原蛋白肽功效性，对其在美白、保湿等方面的功效进行了验证结果见表4：
表4 实施例1-3制备胶原蛋白肽功效检测（n=3）
根据表4结果可知，实施例中所制备胶原蛋白肽样品2%溶液对酪氨酸酶的抑制率均超过30%，具有良好的美白效果。对于保湿效果，实施例中制备的产品也表现了良好的体表和体外保湿效果，能够有效阻止水分流失。
将对比例制备的胶原蛋白肽配制2%溶液进行酪氨酸酶抑制测定，结果如表5所示：
表5 对比例1-9制备胶原蛋白肽溶液对酪氨酸酶平均抑制率（n=3）
根据表5结果可知，对比例制备的产品对酪氨酸酶抑制率为18%-30%，低于实施例中的抑制率。
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