蛋白質(zhì)溶液濃縮用高分子水凝膠的制備與性能研究.pdf

1、濃縮是蛋白質(zhì)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一，影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)成本。目前濃縮蛋白質(zhì)的主要方法包括加熱蒸發(fā)、冷凍干燥、超濾、沉淀分離等，這些方法除了耗能耗時之外，還有可能因為高溫、低溫或溶劑毒性損害蛋白質(zhì)的活性。采用凝膠吸附分離法進(jìn)行蛋白質(zhì)溶液濃縮，具有能耗低、操作簡便、對蛋白活性損害低等明顯優(yōu)點。本文基于傳統(tǒng)聚丙烯酰胺、聚丙烯酸類高吸水凝膠的基礎(chǔ)上進(jìn)行合成改性，制備具有溫度敏感性能的系列智能水凝膠，并利用這一溫敏特性，探索將凝膠用于蛋白質(zhì)濃縮

2、的影響因素和工藝條件，旨在獲得無損蛋白質(zhì)活性的情況下，具有較高濃縮效率的水凝膠吸附分離材料?；緝?nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)采用自由基聚合方法制備得到聚丙烯酰胺(PAM)、聚（丙烯酰胺-丙烯酸）(PAM-AA)二元共聚系列凝膠、聚（丙烯酰胺-丙烯酸-N-異丙基丙烯酰胺）(PAM-AA-NIPAM)三元共聚溫敏系列凝膠。采用紅外光譜(IR)和掃描電鏡(SEM)對合成樣品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征和形貌分析。通過調(diào)節(jié)聚合工藝?yán)锏母黜梾?shù)，得到具有

3、高吸水能力的凝膠產(chǎn)品，具有最大平衡溶脹度凝膠配方為單體配比AM∶AA=1∶1一組，其吸水量達(dá)到786 g/g;研究了合成凝膠的溶脹動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)所有凝膠的溶脹過程均在初始階段滿足一級動力學(xué)方程，在擴展溶脹階段滿足二級動力學(xué)方程，通過擬合計算結(jié)果與實際平衡溶脹度基本一致，半溶脹時間比較為:三元共聚凝膠＜PAM凝膠＜二元共聚凝膠。具有最快溶脹平衡的凝膠配方為單體配比AM∶AA∶NIPAM=2.2∶2.2∶0.6一組，半溶脹時間為1.4 h。<

4、br>　　(2)采用差示掃描量熱法(DSC)對系列凝膠濕狀態(tài)下進(jìn)行含水狀態(tài)分析。結(jié)果表明凝膠開始吸水時，進(jìn)入凝膠的水分子被高分子鏈以氫鍵的方式束縛形成不可凍結(jié)的結(jié)合水，形成第一水化層，待其飽和后，進(jìn)入凝膠中的水以中間態(tài)形式排列形成第二水化層，最外層則是大量的自由水分子。通過計算得到，代表性均聚PAM凝膠、二元共聚凝膠和三元共聚凝膠不可凍結(jié)水的飽和值分別為0.9 g/g、1.4 g/g和1.1g/g。
　　(3)對合成的系列三元共聚

5、凝膠進(jìn)行了溫敏性測試。實驗結(jié)果表明，三元共聚凝膠具有明顯的溫度響應(yīng)性。溫敏單體NIPAM的含量越高，凝膠體系的溫度響應(yīng)性越明顯。當(dāng)溫度在溫敏單體的相轉(zhuǎn)變溫度附近變化時，三元共聚凝膠具有良好的溫敏重復(fù)性，經(jīng)過預(yù)溶脹的凝膠在第二次溶脹時能達(dá)到更大的平衡溶脹度。
　　(4)選擇分子量具有明顯差異的牛血清蛋白(Bovine serum albumin，BSA)、胃蛋白酶(Pepsin)和胰蛋白酶(Trypsin)作為目標(biāo)蛋白，對所制備的凝

6、膠進(jìn)行濃縮性能測試。采用直接濃縮的方法，對同種凝膠而言，濃縮效果:BSA＞胃蛋白酶＞胰蛋白酶;對同種蛋白質(zhì)而言，濃縮效果:二元共聚凝膠＞三元共聚凝膠＞PAM凝膠。濃縮效果最優(yōu)的一組是使用AM∶AA=1∶1的二元共聚凝膠，加量為0.01 g凝膠/100 mL蛋白質(zhì)溶液時，可將10-5mol/L的牛血清蛋白溶液濃度提升至5.16×10-5 mol/L。利用三元共聚凝膠的溫敏性能，對三元系列凝膠采用“高溫吸附-低溫釋放”的特殊方法進(jìn)行濃縮性能

7、測試，該方法在凝膠加量極少的情況下（0.01 g凝膠/100 mL蛋白質(zhì)溶液），分別能將初始濃度為10-5 mol/L的BSA、胃蛋白酶、胰蛋白酶溶液分別濃縮至2.66×10-5、3.72×10-5、4.36×10-5 mol/L，濃縮效果高于直接濃縮方法，并遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)中同類型的濃縮劑（0.24 g凝膠/100 mL蛋白質(zhì)溶液，濃縮倍率僅為4.2倍）。
　　(5)采用SEM、溶脹動力學(xué)分析、DSC分析方法研究了凝膠在去離子水和在蛋