蛋白质的泡沫分离

76 食 品与发酵工业 Food and Fermentation Industries Vol 27 No．2 一 蛋 白质的泡沫分离 杨 博 王永华 姚汝华 (华南理工大学生物科学与工程研究中心．广州，510640) 摘 要 蛋 白质 的泡沫分 离是根据蛋 自质 的 面活性原理而进行 的一种分离新方法．它在蛋 白质 的分离方面具有潜在应用价值。影响分 离的国素主要有蛋 自质浓度、pH值 、气 速、泡 沫 屡高度和泡沫^小荨。 关簟询 蛋 白质 泡竦分 离 影响固素 泡沫分离是 2O世纪初发现的一种新的 分离技术，它是基 于表面吸附的原理而对表 面活性物质进行的分离。最初，它 主要是用 于矿物的浮选 和痕量物质的分离、提取等方 面。实际上，很多具有表面活性 的生物大分 子，如蛋 白质等，也可以用此方法进行分离， 泡沫分离可以进行分批或连续操作。 泡沫分离的过程是在泡沫分离柱的底部 通入某种气体 或使用某 种装置产生泡 洙，收 集泡沫就得到 了某种产物的浓缩液。对于蛋 白质等生物大分子，它主要根据 2个机理进 行分离：(1)表 面吸附机理，很多蛋白质分子 具有较强的表面活性，它可以在泡沫 的气液 界面吸附。(2)泡沫水分外排机理，即泡沫层 中的泡沫上升过程中水分和蛋白质都会从泡 沫中流出，但蛋白质的流出速度 比水的流出 速度要慢，这使得蛋白质在泡沫中富集，同时 小泡沫之间的合并也促使水分流出．这也 有 利于蛋白质的富集。泡沫分离相对于常规的 分离方法有一系列优点 ：(1)它特别适合于对 低浓度的产品进行分离 如低浓度的酶溶液， 用常规的方法进行沉淀是行不通 的 如果使 用泡沫法对产品先进行浓缩，就可以用沉淀 法进行提取。(2)分辨率高，由于它是根据 被分离物的表 面活性 而对产品进行分离的， 有可能在待处理液体中的多种成分 中，某种 待分离成分的表面活性于其它成分的表面活 性有明显差异 这时。该方法就可以高选择性 第一作者：博士研究生 收稿时间：2000—06—06．改 回时问 2000—11—28 地浓缩某种成分。(3)富集率高。(4)运行 成本低 ，由于此过程不使用无机盐或有机溶 剂，仅仅是有一些动力消耗 ，它的运行成本一 般要 比其它方法低。(5)操作简便。 1 影响泡沫分离的主要因素 在研究泡沫分离 时，常用到富集率和分 离率这 2个术语 ⋯，其中 ： 富集率=蕊蒜篙尝 分离率= 器 评价泡沫分离方法的效果，主要是要看 泡沫分离的富集率、分离率和回收率，一般而 言，影响这 3个参数的因素主要有以下几项： (1)蛋 白质浓度。对于只有一种蛋 白质 的溶液，该蛋 白质在气液界面处 的吸附可 以 用 Gibbs等温吸附方程描述 ： r 一 式中：r——蛋 白质的表面过剩吸附量 ,11ol／ m2；C——蛋白质的浓度(tool／ )；y—— 溶液的表 面张力 N／m。当蛋 白质处于 临界 胶柬浓度以下时， < 0，则 r>0．即蛋白 质可以在气液界面吸附。根据以上分析，可 以推测，如果溶液 中的蛋 白质浓度 低于 临界 胶柬浓度，则蛋白质可以在气液界面处吸附 用泡沫法非常有利于浓缩蛋 白；如果浓度高 维普资讯 http://www.cqvip.com 第27卷 第 2期 杨 博等：蛋白质的泡沫分离 77 于临界胶束浓度．蛋 白质在气液界面处无法 通过吸附原理富集．这会影 响泡沫分离 的效 果。很多研究都证明低浓度物质的富集率比 较大[1,2]．这说明，该方法的使用范围更适合 于低浓度表面活性物质的分离纯化。一般而 言．液体 中要分离的蛋 白质或酶的浓度是很 低的，因此可以用该方法对溶液进行预处理． 从而有利于后续工作的进行 。 (2)pH值。蛋 白质是一种两性 电解 质． 当处于等 电点时，分子所 带的 电荷为零，此 时．分子表现出一些特殊的理化性质，如分子 间斥力减小，溶解度降低，这有助于蛋 白质在 气液界面处 吸附．而且．一般而言，当蛋白质 处于等电点时．蛋白质的表面活性增强，在溶 液中表现出较好的发泡能力。这也有助于蛋 白质在 泡沫 中的富 集。Sarkar【3]、谢继 宏【 J 等的研究中都验证 pH值对泡沫分离有明显 的影响。 (3)气速 。气速过高．产生泡沫的量就 会增加，因而泡沫在分离柱 中的停留时间就 会减少．停留时间减少，泡沫的液膜层中的水 分来不及流出泡沫就冲 出了分离柱 ，结果导 致泡沫中要分离蛋白的浓度下降。相反在气 速 比较低的时候，则 有利于分离 的进行。值 得注意的是 ，蛋白质在泡沫表面吸附的时候， 蛋白质的空间结构往往发生一些改变⋯．如 果要分离的蛋白质是一种酶或其它生物活性 蛋 白的话，就必须要考虑到这一点，尽管适当 降低气速可 以增加蛋白质的富集率．但蛋 白 质在气液界面吸附时间的延长必然也会延长 蛋 白质所受变性因素的影响。当然也有文献 报道说，某些蛋 白质在气液界面的吸附对其 活性无明显影响_3j．因此．具体到某种 蛋 白 质，到底要采取 多大的气速则要视具体条件 而定。 (4)泡沫层高度。蛋白质在泡沫层 中至 下而上浓度是渐次升高的，这是因为，泡沫层 上层的泡沫停 留时 间较 长。前面 已经论述 过，停 留时间延长，泡沫中的水分 自然流出和 泡沫之 间的合并都会导致泡沫的含水量降低 而 有 利 于 增 加 泡 沫 中 蛋 白 质 的 浓 度。 GrhieC11] 、Uraizee[6]在研究 BSA的连续 泡沫 分离时．都证明了这一点。随着泡沫层高度 的增加，富集率和分离率都增加。 (5)泡沫大小。从理 论上来讲 ，小泡沫 比大泡沫具有更多的优势．这是因为：①小泡 沫的上升速度慢，有利于促进蛋 白质的吸附； ②小泡沫的夹带能力 比大泡沫强；③泡沫层 的上升过程中，小泡沫之间合并生成大泡沫， 在此过程中伴随着蛋白质的富集。小泡沫携 带的液体量和表面积都较大．一般而言，这有 助于提高分离率和 回收率．但不利于提高富 集率。Br0wn【 在研究 BSA 的泡沫分离时， 发现大泡沫有助于提高富集率，这可能是因 为大泡沫中的水分流出更快 的原 因。不过， 泡沫大小不是影响富集率的决定因素[6,11]。 此外，还有一些条 件也可能会影响到泡 沫分离，如气体 种类、其它 杂质、离子 强 度 等 J。对于连续泡沫分离，进液流速也会影 响分离效果，进液流速快，富集率可能有所提 高．但分离率和回收率下降⋯。 2 研究和应用 蛋白质的泡沫分离 目前还 只能说是处于 一 个初期 阶段，真正要成功地将这一技术应 衰 1 用泡津法进行丹鼻的物质 持分离物 来 源 参考文献 磷酸酶 磷酸酶粗品 链激酶 链球菌培养物 蛋白酶 人胎盘 血清白蛋白 血滑白蛋白稀藏 血滑白蛋白 血滑白蛋白和 DNA混合物 血滑白蛋白 血滑白蛋白稀藏 血滑白蛋白 血滑白蛋白和 HBB的混合物 溶曹酶 溶曹酶和 DNA的混合物 胃蛋白酶 胃蛋白酶和高血压蛋白原酪 尿亲酶 尿亲酶和过氧化氲酶混合物 过氧化氢酶 过氧化氢酶和淀粉酶的混合物 明腔 明腔稀溶液 大豆蛋白 工厂黄浆水 酪蛋白 醅蛋白稀藏 维普资讯 http://www.cqvip.com 78 食品与发酵工业 Food and Fermentation Indu时一葛 Vol 27 No．2 用于生产还需要构建合适 的研究模型，这就 需要选取合适 的蛋白质来研究。目前常用的 研究模型蛋白质是血清 白蛋白、酪蛋 白和溶 菌酶等，表 1列出了一些研究过 的用泡沫法 进行分离的物质。 3 展望和亟待解决的问题 对于一个生物工程 产品而言．其生产成 本主要集中在下游处理上，而我 国在这方面 的研究较少。下游处理技术是关系到一个生 产成败的关键，如果能找到 一种合适 的方法 进行产物提取．这会对实际工作带来 巨大的 经济效益。泡沫分离在矿物浮选和废水处理 中的成功应用鼓舞了我们，这种方法在生物 技术中应用的研究 尚不足，研究 中实验材料 的选取也仅仅局限于那么几种，如果进一步 加深对泡沫分离的研 究，可能会发现有更适 合泡沫法分离 的物质，这会有助于泡沫分离 在实际中的应用。 蛋白质泡沫分离的原理是基于其表面活 性 ，一般认为，表面活性强的蛋白优先被分离 出来，所以在预测蛋白泡沫分离可行性的时 候。最好是先对蛋 白的性质做一些分析。研 究认为。下面的这些蛋 白质更适 合做泡沫分 离：(1)和质膜结合的蛋白，这一类蛋白有很 多种，它们的功能有的参与蛋白质的修饰与 分泌，有的参与物质运输等。由于它们有很 强的疏水性，所以可能有在气液界面富集的 趋势。泡沫分离也许有明显的效果。(2)抗菌 肽类，据文献报道，几乎所有的抗菌肽的杀菌 机理都是插入质膜。导致菌体泄露，从而达到 杀菌的效果。由此可 见．抗菌肽类应该是 一 类疏水性较强的分子，实际情况也正是如此， 如乳链菌肽，一种 由 34个氨 基酸组成 的多 肽，它的结构由亲水端和疏水端组成，是一个 名副其实的表面活性剂。华南理工大学生物 科学与工程研究 中心的科研人 员用泡 沫分 离法对发酵液进行乳链菌肽的富集的初步研 究时发现．泡沫法的确可以有效地 富集乳链 菌肽。但在对蚕抗菌肽 cecmpin AD的研究 中发现，泡沫对其活性有明显的影响。当然， 非蛋 白类的一些生物活性分子也可以考虑用 泡沫法进行分离。如 人参皂苷，它具有很强 的发泡性，表面活性较强。 蛋白质在气液界面吸附时，一般都伴随 着分子构象的改变．如球蛋 白要达到在界面 处的吸附。就需要改变构象，暴露 出内部的疏 水基团。这种空间构象的改变很可能会影响 到蛋白质的生物活性．有时候．这种活性的改 变是不可逆 的，所以，研究如何使蛋白质恢复 到它的活性状态或在操作中如何防止蛋白质 的不可逆 的构象变化也是将来要 解决 的问 题 。 参 考 文 献 1 Brown A K，Katit A．Vadey J，Bioteehno|． Bioeng．。1999，62(3)：278～290 2 Bhattacharya P， Ghosal S K， Sen K Sci Teehnol1． 1991．26：1279～ 1 293 3 Sarkar P． Bhattacharya P， M kh ea R N et a1．Biote~}mo1．Bioe~ ， 1987．29：934 940 4 谢继宏，程晓鸣，邓恪．华东理工大学学报， 1997．23(3)：270～274 5 Browrt L K． Narsinl~n G． wanh t P C Biotechno]．Bioeng．．1990，36：947-- 959 6 Uralzee F． Narslmhan G ．Biozeehno1． Bio— eng．．1996，51：384-- 398 7 Abroad S I．Sepatat．Sci．。 1975． 10：689～ 700 8 London M ．Hudson P．Arch．Biochem．Bio_ phy Acta。 1953，46：141～ 153 9 Hoimstrom B． Biotechno1．Bioeng．， 1968， l0：551～ 552 10 Ahmad S I．Separat Sci．．1975 10：673～ 688 11 Gehle R D，Seh~ l K Ap p1．Mierolfio1． Bioteehno1．1984．20：133～ 138 l2 L they Z．Dimitrova L．Tzvetkova P et a1． Biotechno1．Bioeng ，1982，24：2253～2262 13 Sc]mepfR W ，Gdden E L．J Col1．Inter[ Sci．．1959。146：169～ 178 l4 chev Z。 Exe加啪 D． Biotechnol Bio— 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 27卷 第 2期 扬 博等 ：蛋 白质的泡沫分离 79 eng ， 1981，23：669～ 678 15 刘 志红，刘 铮，丁 富新 等 清 华大 学学报 (自然科学版)．1997，37(12)：50～54 16 刘志 红，刘 铮，丁 富新 等．清 华大学 学报 (自然科学版)．1998，38(6)：20～22 17 Andrews G，Schutz F．Biochem J．．1945， 39：11～12 18 Charm S E，Morningstar J，Matteo C er al Ahal Bioehom ，1966，15：498～ 508 19 王立新，石红 ，欧阳藩 化工冶金，1996．17 (4)：343～347 Foam Fracti0nati0n of Proteins Yang Bo W ang Yonghua Yao Ruhua (The Research Center of Bid0g1cal Science and Engineering，South China University of Technology Guangzhou．510640) ABSTRACT The foam fractionation of proteins is a new separation method which is based 0n the principle of surface activity．This method possesses potential value in practical applications． The main factors effect these processes consist：the initial co ncentration of protein，gas flow rate， pH，foam hight and the bubble size． Key words protein，foam fractiormtion，influencing factor ，76-200 产 品 型 号 ： 商标 爨强 国鼹 兮 SS(300~1500) 三足式人工上卸抖 SG(800~1250)三足式谰速制刀下卸 SX(800~1250)三足式人工下卸抖 SGZ(800~1250)三足式奎 l动下卸抖 SSC(600~1200)三足或{I巴降上卸抖 SS(300~1500) 三足或无舂础离aft'机 SD(800~1250)三足或 簪离心机 液压式蕾框压津机 产 品 不镌相 通讯地址 蹙t厂长 电 话 手 机 值班电话 获 离心机行 业国家机械 安全认证证 书 2子邮 Sun d盘slno che m呻ic~ls 电子邮件： @ ．∞m 调频手动刮刀■心机 $0800~1250型吊袋离心机 SS300~SS1 500型 抗Il无基础离心机 维普资讯 http://www.cqvip.com