泡沫分离技术的应用.doc

班级：2010级应用化学01班 姓名：李忠芳 学号：201007110117 泡沫分离技术在蛋白质混合体系的应用 摘 要: 综述了泡沫分离蛋白质与糖, 蛋白质与表面活性剂以及不同蛋白质的混合体系的研究进展, 分析了泡沫分离技术在蛋白质分离中应用的前景并提出了需要解决的问题。关键词 泡沫分离, 蛋白质, 混合体系 正文:泡沫分离技术又称泡沫吸附分离技术, 是以气泡作分离介质来浓集表面活性物质的一种分离技术。泡沫分离技术是近十几年发展起来的新型分离技术之一。泡沫分离是根据吸附的原理，向含表面活性物质的液体中鼓泡，使液体内的表面活性物质聚集在气液界面（气泡的表面）上，在液体主体上方形成泡沫层，将泡沫层和液相主体分开，就可以达到浓缩表面活性物质（在泡沫层）和净化液相主体的目的。被浓缩的物质可以是表面活性物质，也可以是能与表面活性物质相络合的物质，但它们必须具备和某一类型的表面活性物质能够络合或鳌合的能力。人们通常把凡是利用气体在溶液中鼓泡，以达到分离或浓缩目的的这类方法总称为泡沫吸附分离技术，简称泡沫分离技术。20 世纪早期泡沫分离技术仅应用于矿物浮选和处理废水中的表面活性剂。直到70 年代人们开始将泡沫分离技术引入了生物分离领域, 并研究了泡沫分离技术在蛋白质以及酶的分离纯化中的应用。目前国内关于单一蛋白质体系, 清华大学、华东理工学等也进行了泡沫分离过程影响因素的研究并建立了分离过程的传质模型。但在工业化生产中泡沫分离技术的应用体系大多是蛋白质的多元体系, 因此有必要将泡沫分离技术在研究单一体系的基础上进一步扩展到多元体系,尽快将泡沫分离运用于工业化生产。本文在综述了泡沫分离技术运用于蛋白质多元体系的研究进展基础上, 分析了泡沫分离技术应用于蛋白质分离的前景并提出了需进一步研究的问题。 一 可采用泡沫分离法富集的蛋白质泡沫分离蛋白质主要是由于蛋白质具有一定的表面活性能够吸附于气液界面, 因此知道能够利用泡沫分离技术分离提取的蛋白质首先应具有一定的表面活性, 但并非拥有表面活性的蛋白质就能够用泡沫分离法进行分离。目前能够利用泡沫分离技术成功分离出的蛋白质有磷酸酶, 链激酶, 蛋白酶, 血清白蛋白, 溶菌酶, 胃蛋白酶, 尿素酶, 过氧化氢酶, 明胶, 大豆蛋白, 酪蛋白, 抗菌肽类等一系列蛋白质。但同是抗菌肽类的蚕抗菌肽,由于其在泡沫分离过程中存在大量的变性失活, 因而不适于泡沫分离。这是由于蛋白在气液界面吸附时, 一般都伴随着分子构相的改变, 如球蛋白在吸附过程中就需要改变构相, 暴露出内部的疏水基团, 这就是蛋白质的变性。然而有些时候, 这种活性的改变是不可逆的, 因而限制了该蛋白质的泡沫分离操作。关于哪种蛋白质能够利用泡沫分离技术得到分离富集, 目前还没有一定的理论指导, 但通过近年的研究总结出两大类蛋白质适于泡沫分离, 分别是和质膜结合的蛋白质与抗菌肽类, 这两类蛋白质的共同点是都有很强的疏水性, 具备了吸附于气液界面的表面活性, 但有些蛋白质容易在吸附过程中变性并难于复性, 如何保护易变性的蛋白质或使变性的蛋白质复性是泡沫分离蛋白质技术急需解决的重要问题。 二 泡沫分离技术在多元蛋白质体系中的应用泡沫分离蛋白质与糖的混合体系糖类通常存在于植物和微生物体内, 在糖的提取过程中生物体内的蛋白质往往也随之被提取出来, 因此分离提取混合物中的蛋白质成为糖类提纯的关键步骤。殷钢等采用泡沫环流技术处理经多次抽提后的螺旋藻粉残液, 成功地分开了螺旋藻多糖和螺旋藻糖蛋白, 并且保留了藻糖蛋白的活性。为进一步研究泡沫分离蛋白质与糖混合体系的机理, 殷钢等利用环流泡沫分离技术对单糖、二糖以及多糖与蛋白质的混合体系进行了实验研究。实验所用蛋白质为牛血清白蛋白, 糖类分别为葡萄糖、蔗糖和葡聚糖。由于pH 值的变化对于牛血清白蛋白的表面张力的影响显著, 而对于糖类的表面张力几乎没有影响, 因此可通过调节pH 值来达到蛋白质与糖的分离, 实验表明在接近牛血清白蛋白等电点处( pH =4) 蛋白质与糖特别是与多糖混合体系的泡沫分离效果很好, 可实现蛋白回收率92%。由上述实验结果可见泡沫分离技术能够很好的分离蛋白质与糖的混合体系, 并且对于该混合体系的分离其操作参数基本不受糖类加入的影响, 与蛋白质单一体系的操作参数相近。但对于发生了缔和或有复合多糖如糖蛋白存在时, 情况就比较复杂,因此对于糖与蛋白质混合体系的分离有待进一步研究。在实际工业生产体系中, 蛋白质不是单独存在的, 往往会和很多小相对分子质量的表面活性剂共存, 由于蛋白质与这些小相对分子质量的表面活性剂的相互作用, 将使体系的起行为变得更加复杂。蛋白质是两亲分子, 在水溶液或在天然状态下, 由于疏水作用大多数非极性基团被埋在分子内部, 因而正常结构的蛋白质分子的表面活性不高。但在一些表面活性剂的作用下可使蛋白质发生变性, 造成疏水基团外露, 从而使蛋白质表面活性发生改变, 影响蛋白质的泡沫分离。表面活性剂对蛋白质变性的作用非常复杂, 林爱华等研究了非离子表面活性剂,阳离子表面活性剂, 阴离子表面活性剂在不同浓度、pH 值和作用时间等条件下对于溶液中牛血清白蛋白性质的影响。结果表明在表面活性剂的临界胶束浓度附近, 室温、中性pH 值条件下, 表面活性剂对牛血清白蛋白的构象有一定的保护作用, 可用于泡沫浮选分离蛋白混合物。上述实验结果为表面活性剂与蛋白质混合体系的泡沫分离提供了理论基础。魏晓芳、常志东等研究了阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠与牛血清白蛋白混合体系的泡沫分离情况发现, 阴离子表面活性剂和蛋白质混合体系的起泡性能和各成分在泡沫中的富集不同于两者单独存在时的体系; 当十二烷基硫酸钠浓度较低时, 泡沫分离中蛋白质和表面活性剂的富集率较高; 当表面活性剂浓度较高时, 泡沫层持液量增加, 降低了蛋白质和表面活性剂的富集率。主要原因是当表面活性剂浓度较低时, 由于该蛋白质的存在使得产生的泡沫比较细小, 为表面活性剂提供了更多的吸附表面, 同时表面活性剂的加入使得液体的表面张力降低促进了蛋白质的吸附, 因此表面活性剂与蛋白质的收率都比较高, 但当表面活性剂浓度增加时, 由于表面活性剂分子小, 相对于大分子的蛋白质更易于吸附, 因此蛋白质的收率降低。通常表面活性剂与蛋白质的相互作用以表面活性剂的临界胶束浓度为转折点, 当表面活性剂的浓度小于其临界胶束浓度时, 表面活性剂的疏水部分与蛋白质的疏水基相互作用, 影响了蛋白质在气液界面的吸附以及气液界面膜的稳定性, 当表面活性剂的浓度大于其临界胶束浓度时,混合体系在气液界面的吸附行与表面活性剂单独存在时的吸附行为相似。以上结论只是通过对模拟体系的实验得出的, 对于天然的混合体系其中包括多种表面活性成分, 其中的相互作用更为复杂, 还有待进一步的研究以实现混合体系的中目标蛋白的分离。泡沫分离蛋白质的二元以及三元体系天然的蛋白质多以混合物的形式存在, 多元蛋白质体系分离的研究是泡沫分离技术能够应用于生物分离领域的前提, 而单一蛋白质体系的泡沫分离模型不能用于描述多种蛋白质混合液的泡沫分离操作, 于是便需要系统地研究多种蛋白质混合液在气液界面处的吸附情况。泡沫分离混合液中的蛋白质主要是通过几种蛋白质表面活性的差异实现的, 但是蛋白质的表面活性的强弱与哪些因素有关, 目前还没有定论, 而由上述的实验结果可知在吸附过程中蛋白质的表面活性起主导作用, 但对于表面活性相近的蛋白质,在气液界面的吸附结构又决定了蛋白质的吸附优势, 因此蛋白质表面活性强弱的判定是断定泡沫分离效果的首要前提。目前已知的pH 值对于蛋白质的疏水性能有较强的影响, 通常可以通过对单一蛋白质组分在一定pH 值范围内的泡沫分离效果的研究来指导多元体系的分离, 但刘志红的实验中提出当提高pH 值, 混合体系的分离效果优于两种蛋白质单独存在的情况。这种现象主要是蛋白质间的相互作用造成的, 其中的机理还有待进一步的研究。 泡沫分离技术作为一种新型的生物分离方法与传统蛋白质分离方法如盐析等分离方法相比具有以下优点: ( 1) 该方法适合于对低浓度的产品进行分离, 与分离低浓度产品的传统工艺( 超临界萃取技术, 膜分离技术) 相比, 泡沫分离法设备简单, 易于操作; ( 2) 分辨率高, 该方法是根据被分离物的表面活性的差异进行分离的, 对于表面活性差距大的混合液体系, 采用该方法进行分离提取便能获得高纯度的富集液; ( 3) 运行成本低, 操作简便。传统的分离技术多采用无机盐以及有机溶剂等分离介质, 使得运行成本较高, 而该分离技术仅仅是一些动力的消耗, 因而该方法运行成本低, 操作简便。泡沫分离技术在生物化工分离体系特别是蛋白质分离体系中将有很好的应用前景, 引起了更多研究者的关注。河北工业大学生物工程系已在天津康益生物工程有限公司将泡沫分离技术应用于发酵液中乳链菌肽的提取并已完成了中试, 分离效果很域的报道, 为加快其发展, 应在以下3 方面作更进一步的研究: ( 1) 在目前研究的基础上, 深入研究适合泡沫分离的蛋白质的结构特征以及蛋白质吸附于气液界面的作用机理, 为寻找适合泡沫分离的蛋白质提供理论基础; ( 2) 泡沫分离过程是利用蛋白质的表面活性吸附于气液界面的过程, 但在吸附过程中蛋白质的结构发生了变化并丧失生物活性, 大部分蛋白质在破坏了气液界面后其活性就能恢复,但有些蛋白质的复性过程比较复杂, 需要进一步的研究; ( 3) 有选择的分离多元体系中的蛋白质需要了解每种蛋白质的特性以及多种蛋白质的相互作用, 并研究在多元蛋白质体系中各种操作因素是如何作用的, 从而提高目标蛋白质的选择性。泡沫分离的优点是泡沫分离设备简单，易于放大；2.操作简单，能耗低：3.可连续和间歇操作；4.在生物下游加工过程的初期使用，处理体积庞大的稀料液；5.可直接用于处理含有细胞或细胞碎片的料液；6.只要操作条件设计合理，可获得很高的分离效率。缺点是影响因素多，如溶液的pH值，表面活性剂浓度，温度，气流速度，离子强度。此外，泡沫的性质、层高、排沫方式、搅拌等也是影响泡沫分离的因素 随着现代工业的发展，蛋白质的分离和浓缩通常需要多种方法的综合利用才能达到分离的要求。在食品工业中，泡沫分离技术通常与萃取、沉降、生化等方法共同作用，他的应用与发展前景十分广阔。因此，对分离技术分离效率的影响因素及其影响程度的研究就显得十分重要。用泡沫分离法分离浓缩蛋白质的研究目前尚不成熟，很多方面还需要进一步的研究和开发，尤其是进行工业生产方面，如果进行大规模的工业生产，则必须需要进行更为详细的研究。参考文献 1 刘志红, 刘铮, 丁富新等. J . 清华大学学报, 1997 2 谢继宏, 程晓鸣, 邓修. J . 华东理工大学学报,