《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：A first systematic study on the impact of pulsed electric field parameters on peptide migration during separation of a whey protein hydrolysate by electrodialysis with ultrafiltration membrane
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研究脉冲电场（PEF）在电渗析-超滤膜联用（EDUF）中分离乳清蛋白水解物（WPH）的影响，测试了不同占空比的六个PEF条件，发现低占空比（脉冲/总周期时间比）能提升多肽迁移效率并降低能耗，机理包括脉冲开始时的电对流涡旋促进混合和离子传输，以及暂停期的浓度极化缓解。膜性能稳定，未出现性能衰减。
莱昂内尔·C·马福唐 T. | 奥罗尔·库尔努耶 | 马塞洛·菲达莱奥 | 劳伦特·巴齐内
加拿大魁北克省魁北克市拉瓦尔大学营养与功能食品研究所（INAF），邮编 G1V 0A6
摘要
提高富含肽的流体的分离效率仍然是乳蛋白水解物增值过程中的一个关键挑战。最近的研究表明，在电渗析过程中应用脉冲电场（PEF）与超滤膜（EDUF）结合使用可以影响肽的迁移并降低能耗。在这项首次系统研究中，采用了六种不同的脉冲/暂停时间组合（1秒/1秒、5秒/1秒、5秒/5秒、10秒/1秒、10秒/5秒、10秒/10秒）来分离乳清蛋白水解物（WPH）。研究了这些条件对肽迁移、系统阻力、特定能耗和膜导电性的影响。首次引入了占空比（脉冲持续时间除以总周期时间）这一参数，并发现它是影响过程性能的最关键因素，与过程性能有很强的相关性。低占空比条件能够增强肽的迁移并减少能耗。这些改进归因于暂停期间浓度极化（CP）的缓解以及每次脉冲开始时产生的有利电对流涡旋（ECVs）活动；脉冲次数的增加提高了ECVs出现的频率，从而增强了其对肽迁移的积极作用。在整个实验过程中，膜的导电性和分离性能保持稳定，表明操作条件良好且未检测到性能下降。这项研究为传统电渗析中的已知机制（如CP和ECVs的形成）在EDUF中的存在提供了新的见解，为通过改变脉冲和暂停时间来改进分离过程开辟了新的途径。
引言
全球农业和食品生产产生了大量副产品，带来了严重的环境、经济和公共卫生问题。然而，许多这些副产品含有有价值的生物分子，如蛋白质，它们是具有潜在生物活性的肽的潜在来源（Yadav等人，2024年）。其中，乳清作为奶酪和酪蛋白生产的主要副产品，由于其高有机负荷而成为环境问题，其化学需氧量（COD）范围为50至80克/升，生化需氧量（BOD）为40至60克/升（Chatzipaschali和Stamatis，2012年）。然而，乳清远非废物。它富含β-乳球蛋白和α-乳白蛋白等蛋白质，这些蛋白质可以通过酶解释放出具有广泛生物活性的肽，包括抗氧化、降压和抗菌作用（Arrutia等人，2016年）。通过回收生物活性肽来利用乳清和其他农业食品副产品已成为一种循环经济策略，以减少废物并提高价值（Li-Chan，2015年；Zaky等人，2022年）。这种方法符合联合国的可持续发展目标，即把食品加工废物转化为资源，这是“水行动十年（2018-2028年）”的一部分（联合国，2019年）。尽管人们对生物活性肽的兴趣日益浓厚，但由于分离和纯化方面的挑战，其工业应用仍然有限（Suwal、Roblet、Doyen等人，2014a）。主要困难在于它们相似的物理化学性质，需要能够区分电荷、大小、溶解度或疏水性的分离技术（Fernández等人，2013年）。基于膜的分离技术是最有前景的方法之一。压力驱动的过程，如超滤和纳滤，因其低成本和易于放大而得到广泛应用（Arrutia等人，2016年；Pouliot等人，1999年）。然而，仅基于截留率的选择性以及污染、重叠保留和压力降限制了效率（Bazinet和Firdaous，2013年；Belfort，2019年；Md Saleh等人，2021年）。电驱动的过程，如电膜过滤（EMF），它是传统过滤和电泳的结合，也被研究用于提高过程选择性和产量，同时减少膜污染（Brisson等人，2007年；Lapointe等人，2006年）。即使在这种情况下，也发现了一些关于生产效率的限制。最近，带有过滤膜的电渗析（EDFM），或者更具体地说，结合离子交换膜（IEM）和超滤膜（UFM）的电渗析（EDUF）因具有高选择性而受到广泛关注，这种选择性结合了电渗析（ED）的电荷分离和过滤膜的分子质量排除功能（Alavi和Ciftci，2023年）。EDUF已被广泛用于从各种来源纯化肽（Cournoyer等人，2024年；He等人，2016年）。电膜过程的一个主要限制是浓度极化（CP），即在膜界面附近由于施加的电场而形成的离子浓度梯度，导致一侧离子耗尽而另一侧离子积累（Tanaka，1991年），从而限制了通过IEM的质量传递（Mishchuk，1998年）。为了减轻ED系统中的CP，提出了多种策略，例如通过改变溶液流速进行电流极性反转（PR）（Katz，1979年；Vermaas等人，2014年）或在不改变溶液流速的情况下进行极性反转（Cournoyer等人，2024年；Suwal等人，2016年），以及脉冲电场（PEF），这是一种非稳态电流制度，在固定时间内使用电流或电压脉冲后跟随暂停（Cifuentes-Araya等人，2011年）。在PEF暂停期间，扩散作用有助于部分恢复膜界面处的离子浓度，从而在后续脉冲中减少CP（Lemay等人，2019年）。每次脉冲开始时，电流激增会产生电对流涡旋（ECVs），这些涡旋持续几分之一秒，增强混合效果并向界面提供新鲜离子（Nikonenko等人，2017年；Sistat等人，2015b；Uzdenova等人，2015年）。尽管这些机制在ED中已被充分研究，但在EDUF中的影响和作用原理仍需进一步探索。在ED中，PEF已被证明可以增强质量传递（Mishchuk等人，2001年），减轻缩放效应并提高能源效率（Dufton等人，2020年）。相比之下，在EDUF中，Cournoyer等人（Cournoyer等人，2024年；Cournoyer等人，2025年）首次提供了电流模式（连续、PEF和PR）可以改变肽迁移轮廓的证据。然而，仅测试了有限的PEF条件（例如1秒/1秒和10秒/1秒），因此对脉冲持续时间和暂停时间如何影响EDUF性能的机制理解仍然不充分。因此，本研究的目的是探索更多的PEF条件，以便更全面地研究它们对这些复杂水解物分离过程的影响。因此，本研究的主要目标是（1）评估不同PEF条件对关键过程参数的影响；（2）更好地理解PEF影响EDUF参数的机制。
化学试剂
KCl和Na2SO4分别从EMD Chemicals Inc.（美国乔治亚州Port Wentworth）和ACP Inc.（加拿大魁北克省蒙特利尔）采购。用于清洗电渗析系统的HCl（0.1 N）和NaOH（0.1 N）溶液购自Fisher Scientific（加拿大魁北克省蒙特利尔）。此外，超高效液相色谱（UPLC）所需的化学品包括纯水（Agilent Technologies，美国加利福尼亚州圣克拉拉）和甲酸（Fisher Scientific，美国新罕布什尔州汉普顿）。猪胃黏膜提取的胃蛋白酶
阴离子和阳离子肽的迁移
图3显示了在六种PEF条件下，阴离子（A?RC）和阳离子（C+RC）回收室中肽浓度随时间的变化情况。结果表明，在所有PEF条件下，肽浓度都随时间增加，证实了肽向电极方向的迁移。然而，尽管传输的总电荷相同，迁移肽的最终浓度在不同条件下有所不同
总体讨论
本研究的主要目的是探讨不同PEF条件对EDUF过程参数的影响，并更好地理解PEF影响这些参数的机制。
结论
本研究表明，PEF条件显著影响EDUF中的肽迁移，并控制了特定能耗。这些效应与PEF调节离子传输动态和减轻CP现象的能力密切相关。在所研究的参数中，占空比是最关键的因素：较低的占空比条件始终导致回收室中的肽浓度较高，同时降低了特定能耗
作者贡献声明
莱昂内尔·C·马福唐 T.：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法学、研究、数据分析、概念化。奥罗尔·库尔努耶：撰写——审阅与编辑、验证、方法学、研究、数据分析、概念化。马塞洛·菲达莱奥：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、方法学、研究、资金获取、数据分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
感谢加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）通过NSERC Discovery Grants Program（项目编号RGPIN-2024-03929）对劳伦特·巴齐内的支持。本出版物是在托斯卡纳大学科学、技术和生物技术可持续性博士项目（第38周期）期间完成的，该项目得到了2022年4月9日部长令第351号资助的奖学金支持，属于国家恢复和韧性计划的一部分
