当代酶液浓缩的主要方法总结

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  酶制剂具有催化效率高、高度专一性、条件温和、降低能耗、环境友好等特点,因此被广泛应用于食品、酿酒、日化、饲料、化工、医药、能源和环保等工业领域,并引起了这些行业中的某些生产工艺的变革。近年来,我国酶制剂产量保持了持续增长,总产量从 2005 年的 45 万吨增加至 2010 年的77.5 万吨,年产值近 100 亿元,年平均增长率达10.1%.2010 年出口总量达到 8.2 万吨,出口额达到 2.3 亿美元[1-6].

  浓缩是酶制剂生产中的重要环节,影响着产品的质量和生产成本。浓缩方法主要有盐析、离心分离、过滤与膜分离、沉淀分离、层析分离等。微生物酶发酵液的滤液是极稀的水溶液,寻找一种操作可行且能耗较低的酶液浓缩工艺,对于简化生产流程、降低生产成本至关重要。由于酶是一种具有高度催化活性的特殊蛋白质,因此在浓缩操作中必须控制酶的变性失活,最大限度地提高产品收率[7].

  1995 年郑州大学生物质炼制技术与装备河南省工程实验室开始酶液浓缩技术研究,取得了大量宝贵的经验。本文通过文献查阅和研究经验总结了当代酶液浓缩的主要方法,并比较了各种方法的特点。

  1 超滤浓缩
  
  早在 1965 年,Blatt 首先用超过滤膜对微生物进行了浓缩试验,1968 年 Cooney 等[8]成功地将超滤技术运用于粗酶制剂的浓缩精制。1983 年无锡酶制剂厂引进了超滤技术进行酶制剂的生产。近年来,随着超滤膜材料的发展,超滤技术在酶液浓缩中应用越来越广泛。2001 年 Ding 等[9]开发出了超滤平面膜组件,并应用于碱性果胶酶浓缩工艺,在浓缩率为20倍的条件下,取得了98.3%的高回收率。2006年刘宏波等[10]开发出了中空纤维超滤膜和微滤膜耦合装置,进行了纯化、浓缩葡聚糖酶的试验研究,取得了宝贵的经验。

  2014 年,朱乐平等[11]将喷射蒸煮技术与超滤技术相结合来制备大豆分离蛋白,结果表明,蛋白纯度、氮溶指数、色泽、稳定性有较大改善,异黄酮的含量大大减少,且经喷射蒸煮及超滤后的蛋白具有较好的消化性。2014 年,张健友等[12]研究了纳滤浓缩条件,比较了膜浓缩(微滤-纳滤联用)与传统蒸发浓缩两种方式制备鳀鱼蒸煮浓缩液,实验结果表明,微滤-纳滤联用的膜浓缩方式比蒸发浓缩能更好地保持鳀鱼蒸煮液的色泽和风味。

  膜分离技术应用于酶液浓缩生产具有分离过程无相变、高效、设备简单、节能、常温操作、无污染等优点,包括超滤、纳滤、微滤、反渗透技术等[13-15].其中应用广泛的超滤膜酶液浓缩技术具有分离的酶制剂纯度高、收率高、工艺成熟等优点,其工艺流程如图 1 所示。【1】

  
  超滤法酶液浓缩技术适用于大分子酶制剂的生产,与其他生物产品分离技术相比工业应用优势明显。但是,膜材料价格较高、再生率低、膜污染以及浓差极化依然是制约该技术大规模产业化应用的主要障碍。近年来,该领域内的新进展主要有纳滤、微滤、反渗透耦合超滤膜浓缩酶液技术,但是仍然没有能较好地克服膜污染和膜浓差极化问题。

  未来亟需开发低廉、能耐受生物酶液污染、高抗浓差极化能力和再生工艺简单高效的新型膜材料和工艺,以适应大规模酶制剂工业的生产要求[16].

  2 蒸发浓缩
  
  蒸发浓缩最早应用于食品酶制剂工业,后来逐渐应用于茶汁、药物、废水处理等酶制剂工业。2001年,杨宗正等[17]研究了异形竖板降膜蒸发器浓缩耐高温淀粉酶溶液,表明异形竖板降膜蒸发器在浓缩耐温淀粉酶溶液时优于管式降膜蒸发器。2013 年,余旭聪[16]采用微波真空浓缩设备对木瓜蛋白酶和纤维素酶进行了浓缩,发现热效应是造成酶失活的主要因素,微波对酶活性的影响随酶种类的不同而异,并且一定浓度的 EDTA 二钠盐在微波处理过程中能有效保护木瓜蛋白酶的活性。

  2014 年,邹龙生等[18]研究了稠油废水蒸发浓缩过程中污垢的形成规律,并进行了模拟分析,结果表明,稠油废水蒸发过程中的析晶规律可以用 3 层析晶污垢模型来描述,为其他易结垢溶液的蒸发浓缩过程提供了理论基础。2014 年,施建杭等[19]采用太阳能集热真空膜蒸发系统对高浓盐水进行蒸发浓缩,结果表明温度、真空度的提高均能增大膜通量,且供热稳定性良好,具有较好的放大应用前景。

  蒸发浓缩通过加热或减压方法使溶剂蒸发,达到浓缩目的,其工艺简单、技术成熟、应用范围广、应用历史长。酶在高温下不稳定,易变性失活,因此,粗酶液浓缩工艺常在温度低于 60℃、真空度低于 90kPa 下的真空环境下进行,可有效减少酶的变性和失活。在不影响酶活力的前提下,适当提高温度、降低压力、增大蒸发面积都可提高蒸发速率。

  粗酶液蒸发浓缩的关键是高效低能耗蒸发装置的开发,真空蒸发器和薄膜蒸发器是酶液浓缩工艺中较常见的单元设备。如图 2 所示,我国酶制剂工业中常采用三效降膜蒸发工艺,以保持酶的活性,料液通过三次逐级降膜蒸发可达到较高的浓缩倍率。【2】

  
  增加蒸发装置的传热面积和操作真空度是保证酶生物活性成分的热敏性和产品纯度的必然要求。

  虽然已经开发出了高效的升膜、降膜、刮膜和板式蒸发浓缩设备,但是同时也增加了设备的复杂性和体积,并且需要消耗大量的能源。因此开发高效、低能耗、设备简单、操作更加温和的蒸发浓缩技术以及蒸发与其他工艺耦合的浓缩技术,如膜蒸馏技术、微波蒸馏技术等将会有巨大的研究与应用前景。

  3 冷冻浓缩
  
  冷冻浓缩工艺诞生于 20 世纪 50 年代。20 世纪70 年代,荷兰 Eind-hoven 大学的 Thijssen 等[20]成功地利用奥斯特瓦尔德成熟效应考察了造大冰晶的再结晶过程机理,并建立了冰晶生长速度与种晶粒度及添加量的数学模型,开启了冷冻浓缩技术的工业化应用进程,并成功用于果汁、葡萄酒、乳制品和酶制剂浓缩生产工艺。

  冷冻浓缩利用固液相平衡原理,将水以固态方式从溶液中去除,其过程包括如下三步:结晶(冰晶的形成)、重结晶(冰晶的成长)、分离(冰晶与液相分开)。稀溶液的相图如图 3 所示,当水溶液中所含溶质浓度低于共溶浓度时,溶液被冷却后,水(溶剂)便部分成冰晶析出,剩余溶液的溶质浓度则由于冰晶数量和冷冻次数的增加而大大提高。

  2014 年,陈锦权等[21]采用高压脉冲电场结合冷冻浓缩来浓缩绿茶汤,对香气成分分析结果表明,高压脉冲电场结合冷冻浓缩比真空蒸发浓缩更能保留茶汤的香气成分,且能耗更低。2005 年,Rane等[22]对甘蔗汁进行冷冻浓缩时,在原有设备基础上安装了热泵,建立了相应的数学模型,研究表明热泵性能系数相对较高。该技术将甘蔗汁由 20°Bx 浓缩至 40°Bx,减少了焦糖化现象,改善了蔗糖的色值,保证了产品的质量,而且每天可节约蔗渣 13381酶、色素等热敏性成分。特别适用于浓缩热敏性液态食品、生物制品、高档饮品及中药汤剂等。并且冷冻浓缩技术可与蓄冷工业相结合使用,大大降低生产能耗。因此冷冻浓缩技术具有巨大的发展潜力。

  虽然冷冻浓缩能够保持被浓缩物的品质,但浓缩过程需要较低的温度,相比于膜浓缩明显地增加了能耗,因此限制了在相关工业生产中的大规模推广应用。目前主要应用于一些质量要求高、附加值高的溶液的浓缩。最重要的是,结晶过程受到固液平衡关系的制约,浓缩倍数受到限制。因此,探寻影响固液平衡关系的新因素、发展更加节能环保的冷冻浓缩工艺将会是这一领域的发展方向。

  4 吸附浓缩
  
  吸附浓缩法是一种利用吸附剂直接吸附和除去溶液中的溶剂而使溶液浓缩的方法。1960 年,Flodin等[23]首次提出用凝胶离心分离技术浓缩高分子溶液的方法。1986 年,Cussler 等[24]较系统地阐述了凝胶萃取的概念,并设计了使凝胶可重复再生使用的凝胶萃取初步流程。1998 年王锦堂等[25]研究了温敏性水凝胶交联聚 N-异丙基丙烯酰胺对蛋白质和酶的浓缩分离性能,发现凝胶对蛋白质和酶的分离效率在相转变温度附近发生突越。2006 年黄健等[26]用复合交联剂和分散剂,在较低的温度(20℃)下采用反相悬浮法合成了表面强化交联型珠状凝胶粒子,结果表明表面强化交联技术在温敏性凝胶浓缩分离领域很有应用前景。

  常用的吸附剂有聚乙二醇、蔗糖和凝胶等,其中凝胶浓缩法研究的较多。凝胶作为吸附剂,通过溶胀作用,使溶剂及小分子物质被吸附在凝胶内,生物大分子等溶质则留在剩余的溶液中,然后离心或者过滤除去凝胶,获得浓缩的溶液。而使用聚乙二醇或者蔗糖等其他吸附剂时,需要先将待浓缩液装入透析袋中,外部用吸附剂包裹,溶剂从透析袋渗出后即被吸附剂吸去。

  吸附浓缩具有能耗低、不破坏热敏性物质、对物料不存在剪切效应、设备与操作简单等特点。但是由于吸附剂的价格昂贵,可重复利用性差,目前主要仍是在实验室中使用,在工业上还未得到规模化的应用。因此,开发出更加高效、廉价和适用于工业化生产的吸附剂和新工艺将会是未来的研究方向。

  5 离子液体法
  
  离子液体是一种含氮杂环的有机阳离子和一种无机阴离子组成的盐,具有很多独特的性质,如蒸汽压低、不可燃、物质溶解性好、萃取能力高、相稳定性好、热稳定性好、水稳定性好、酸碱稳定性高等[27].2004 年,Zhang 等[28]证明了离子液体对燃料中脱硫有很大的应用潜力。

  由于离子液体双水相萃取能够保留酶的活性,易于放大、可连续操作、可调节离子强度等特点,越来越受到人们在生物制品方面应用的关注[29-30].

  与传统双水相萃取技术相比,离子液体双水相萃取不仅在保持生物物质的活性及构象等方面有明显的技术优势,而且体系黏度低、分相时间短,可更好地控制乳化现象,已发展的离子液体与膜的耦合分离技术开创了离子液体应用的新领域,并且已广泛应用于生物活性物质的分离和纯化,如大多数酶和蛋白质等[31-34].

  2006 年,邓凡政等[35]采用亲水性离子液体BF4/KH2PO4双水相体系萃取分离牛血清白蛋白,探索了盐的种类、盐的浓度、离子液体浓度以及蛋白质浓度、溶液 pH 值等物质对双水相体系和牛血清白蛋白萃取效率的影响。结果表明磷酸二氢钾盐浓度为 80g/L,离子液体浓度在 160~240mL/L,牛血清白蛋白的浓度为 30~50mg/L,溶液酸度在 pH 值4~8 时,离子液体双水相体系对牛血清白蛋白有较高的萃取率。2007 年,Du 等[36]则首次报道了采用离子液体 Cl/K2HPO4双水相体系直接从人类的尿液中萃取分离蛋白质,分相后蛋白质存在于上层的富离子液体相,分配系数在 10 左右,研究结果表明,此法可以实现蛋白质的在线分离和量化分析。

  6 水合物法
  
  Lund 等[37]研究了一些气体水合物以及水合物形成气体对转化酶活性的影响,发现在水合物形成以及溶液浓缩、CCl3F 水合物以及丙烷水合物的存在对转化酶活性没有明显影响;而暴露在液体CCl3F 中转化酶的活性明显下降并且是不可逆的。

  Phillips 等[38]利用生成水合物从反胶束溶液中回收蛋白质,通过气体的溶解降低溶剂的密度,从而使蛋白质溶解度降低,在合适的力学条件下,胶束中的水能转化成水合物,从而将水与蛋白质分离。

  水合物分离技术的基本原理是基于水合物晶体中仅包含水和水合物形成物。水合物提浓技术是水合物分离技术的一个重要分支,水合物法提浓过程和冷冻结晶过程类似,但由于水合物可以在水的冰点以上形成,因此比冷冻结晶更加经济。水合物法溶液分离过程如图 4 所示。根据水合物的生成原理及特性,将稀酶液注入水合物生成釜,在合适的温度以及压力条件下使稀酶液中的水形成水合物,然后将水合物与溶液分离,即可得到浓缩后的酶溶液。

  由于在低温下操作,此法能够较好地保持酶活性。

  随着气体水合物研究与应用的发展,采用水合物法浓缩酶溶液将会是环境友好型和能源节约型的方法。【4】

  
  多年来,郑州大学承担的生物质炼制技术与装备河南省工程实验室在酶液浓缩方面取得了丰富的经验。考虑到水合物巨大的应用前景以及潜在的经济价值,将水合物法应用于酶溶液的浓缩,浓缩温度在 2~10℃,能够较好地保持酶液的活性,且能耗较低,但对于浓缩的最佳条件,仍需进一步研究。
  
  7 主要酶制剂浓缩方法的比较
  
  目前发展的浓缩工艺多种多样,操作条件变化差异较大,各有优缺点。表 1 中对这几种常见的浓缩工艺的相关参数做了简单的对比。【5】

  
  8 结 论
  
  随着酶制剂工业的发展,酶液浓缩技术研究和开发已经取得了较大进步。传统的酶液浓缩技术包括蒸发浓缩和冷冻浓缩工艺等大多借鉴了成熟的化工单元操作技术,虽然它们是现今酶制剂工业生产中常用的酶液浓缩工艺,但是存在能耗高、经济性差和有一定的酶活损失等缺点。新型的酶液浓缩技术大多来自于分离工程领域内的新进展,但大多停留在实验室阶段。其中接近工业化应用的是酶液膜浓缩技术,超滤膜、纳滤膜、微滤膜、反渗透膜等相继应用于酶液浓缩研究,并且已经有中等规模的超滤膜酶液浓缩工艺问世,但是膜材料成本高、膜污染和膜浓差极化三大问题依然是膜技术在酶液浓缩领域大规模应用的瓶颈。吸附浓缩技术基本可以实现在常压、接近常温下较好地完成酶液浓缩,并且其工艺设备简单、能耗较低、酶活损失小,但是存在吸附剂的价格仍较高、吸附剂的寿命较短等问题。离子液体双水相萃取浓缩、水合物法浓缩技术是酶液浓缩领域最新的进展,但是这些技术远未成熟,有些关键问题仍待突破,目前仍处于实验室研究开发阶段,但是基于离子液体和水合物技术的潜在优势,必然成为将来酶液浓缩领域内的热点。成本低廉、操作简便、高纯度的酶液浓缩工艺开发依然是未来的酶液浓缩技术的研究方向。随着新材料技术和分离技术的进一步发展,未来也可能有新型的酶液浓缩技术问世。

  参 考 文 献
  
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