木瓜蛋白酶在[CnPy]Cl-K2HPO4雙水相體系中相平衡數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)及分配模型的建立

朱新儒，余壘，張海德

（海南大學(xué)食品學(xué)院，海南海口570228）

傳統(tǒng)的提取技術(shù)有鹽析法、有機(jī)溶劑法、親和層析法以及超濾法等[1]。然而這些技術(shù)存在諸如工藝過程繁瑣、溶劑的組成成分有毒、提取率較低以及成本較高等局限性[2]。雙水相（aqueous two-phase system，ATPS）萃取技術(shù)，亦稱水溶液兩相分配技術(shù)，是現(xiàn)階段的一種分離新技術(shù)[3]。雙水相體系的優(yōu)點(diǎn)明顯，如生物相容性高、操作時(shí)間短、設(shè)備簡單、操作條件溫和、易于連續(xù)化操作和工藝放大等[4]，因此被廣泛運(yùn)用。

近年來，國內(nèi)外的學(xué)者們已經(jīng)對雙水相體系進(jìn)行了全面的研究，包括新型雙水相體系的開發(fā)、雙水相體系中物理性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)的測定，體系分配模型的建立、傳質(zhì)性能的研究、生物活性物質(zhì)的分配行為、萃取工藝參數(shù)的優(yōu)化、以及離子液體聚合物的回收[5-7]等，這些研究都已取得很大進(jìn)展。國外關(guān)于雙水相模型的研究較成熟些。Diamond等[8]提出了Diamond-Hsu模型，該模型在一定程度上對聚合物雙水相體系的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了很好的擬合。國內(nèi)目前關(guān)于雙水相模型的研究還不夠完善，國內(nèi)主要的模型是：滲維里模型、Flory-Huggins晶格模型、胞腔理論和局部組成模型。這4種理論相互獨(dú)立，又互相影響，分別從滲透壓、能量、分子間作用力及溶液組成幾個(gè)方面進(jìn)行了闡述[9]。此外，國內(nèi)外的學(xué)者們對于雙水相的研究現(xiàn)多集中在基于吡啶的離子液體上，因?yàn)橄嚓P(guān)研究已經(jīng)表明，吡啶類物質(zhì)的生物降解途徑通常比其基于咪唑等的對應(yīng)物更環(huán)保[10]。

現(xiàn)階段，關(guān)于各類雙水相體系相行為的研究層出不窮。Dragana P.C.de Barros等[11]在聚合物/聚合物ATPS中探討具有不同性質(zhì)的14種球狀蛋白的分配行為。通過Colander方程，觀察到所有系統(tǒng)中的蛋白分配系數(shù)之間的線性相關(guān)性。結(jié)果表明使用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以預(yù)測蛋白質(zhì)的分配行為。Luisa A[12]對聚乙二醇/葡聚糖體系的分配系數(shù)與聚乙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，結(jié)果表明對于雙聚合物體系的分配系數(shù)的預(yù)測效果較好。

目前相關(guān)的研究報(bào)道酶在離子液體/鹽雙水相體系的分配系數(shù)K的大小主要是由鹽析作用、表面電荷、疏水相互作用等因素共同決定的[13]，而對酶在氯代吡啶類離子液體雙水相中分配行為的預(yù)測及模型建立的研究則較少。為探討木瓜蛋白酶在[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4氯代吡啶類離子液體雙水相體系中的分配規(guī)律，試驗(yàn)測定了[CnPy]Cl-K2HPO4雙水相體系的雙節(jié)線及液液相平衡數(shù)據(jù)并進(jìn)行關(guān)聯(lián)。進(jìn)一步對木瓜蛋白酶在該體系中的蛋白濃度分配系數(shù)與上下相各成分濃度的相關(guān)度進(jìn)行研究，以此建立木瓜蛋白酶在該類離子液體雙水相體系中的分配模型，研究結(jié)果也可為木瓜蛋白酶在該體系中的工程放大設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

N-正乙基吡啶氯鹽（EPyCl）、N-正丁基吡啶氯鹽（BPyCl）、N-正己基吡啶氯鹽（HPyCl）均為海南大學(xué)李運(yùn)強(qiáng)理工實(shí)驗(yàn)大樓C513試驗(yàn)室合成的離子液體試劑（純度＞90%）；木瓜蛋白酶（＞2 000 U/mg）：上海生工股份有限公司；K2HPO4（AR）、氫氧化鈉（AR）、鹽酸（AR）：阿拉丁化學(xué)試劑公司；其他所有試劑均為市售分析純試劑。

1.2 儀器與設(shè)備

FA2104分析天平：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；PHS-2F PH計(jì)：上海雷磁儀器廠；2WAJ阿貝折射儀：上海光學(xué)儀器一廠；TU1810紫外可見分光光度計(jì)：北京普析通用有限責(zé)任公司；DK-98-1恒溫水浴鍋：天津泰斯特儀器有限公司；DF-2A集熱式磁力攪拌器：常州華奧儀器制造有限公司；WH-866旋渦混合器：太倉市華利達(dá)試驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 相圖的測定

參照高向陽等[14]方法，測定相圖：在25℃的體系環(huán)境下，采用清-濁點(diǎn)輔助相圖制作法測定氯代吡啶類離子液體雙水相體系的雙節(jié)線。進(jìn)一步選取適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)配制相應(yīng)濃度的溶液體系，繪制三角相圖。分別量取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 50%的 [C2Py]Cl、[C4Py]Cl、[C6Py]Cl溶液放在10.0 mL小試管中，用移液槍逐滴向小試管中滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的K2HPO4溶液，用旋渦混合器振蕩，觀察到體系出現(xiàn)渾濁點(diǎn)為止。在分析天平上稱量后計(jì)算出氯代吡啶類離子液體溶液和K2HPO4溶液在渾濁點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。隨后向已渾濁的雙水相體系中逐滴加入超純水，觀察到體系又變澄清為止，即出現(xiàn)清點(diǎn)。準(zhǔn)確稱量后，再向試管中滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的K2HPO4溶液，至體系再次變渾濁為止。依次交替加入超純水和K2HPO4溶液，計(jì)算每一個(gè)清點(diǎn)、濁點(diǎn)對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3.2 雙水相相平衡的測定

參照盧艷敏等[15]方法，根據(jù)三角相圖選取適當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的點(diǎn)配制雙水相體系。在25℃的恒溫環(huán)境下，分別量取不同質(zhì)量的氯代吡啶類離子液體溶液和K2HPO4溶液加到10.0 mL離心管中，隨后補(bǔ)加超純水，在旋渦混合器中振蕩30 min，在該環(huán)境溫度下放置2.0 h，待溶液上下相分相清晰，確保體系達(dá)到完全平衡。按照參考文獻(xiàn)[16]中所述，用折射率來確定雙水相體系上下相的氯代吡啶類離子液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過酸堿中和滴定法[17]來確定兩相中K2HPO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

折射率n、氯代吡啶類離子液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wil、K2HPO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ws，三者關(guān)系式如下：

式中：a0、a1、a2為方程參數(shù)，見表1。

表1 [CnPy]Cl-K2HPO4雙水相方程式（1）參數(shù)Table 1 Parameters of equation（1）for[CnPy]Cl-K2HPO4 aqueous two-phase system

1.3.3 氯代吡啶類離子液體雙水相萃取木瓜蛋白酶及蛋白濃度的測定

參照邵琳琳等[18]方法，根據(jù)三角相圖選取適當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的點(diǎn)配制雙水相體系。向10.0 mL離心管中加入氯代吡啶類離子液體溶液和K2HPO4溶液，使雙水相體系的總體積為1.0 mL。再加入質(zhì)量濃度為2.0 mg/mL（木瓜蛋白酶的質(zhì)量/雙水相體系總體積）酶溶液，調(diào)節(jié)體系pH值為7.0，旋渦混合器中振蕩30 min，在25℃溫度下放置2.0 h，使溶液上下相完全分相。將上、下相液分離并準(zhǔn)確讀取體積。用超純水將上、下相液均稀釋10倍，備用。吸取1.0 mL的待測溶液轉(zhuǎn)移到10.0 mL試管中，再向試管中加入5.0 mL考馬斯亮藍(lán)（G-250）染色液，充分振蕩使之混勻。設(shè)置空白對照組，不加酶溶液，在595 nm波長處比色，讀取吸光值A(chǔ)，計(jì)算木瓜蛋白酶的蛋白含量[19]。由于實(shí)際操作過程中僅添加了較少量的木瓜蛋白酶，對折射率的測定影響較小，相對誤差小于0.2%，所以使用該方法測定組分含量的結(jié)果準(zhǔn)確。

以牛血清蛋白（BSA）為標(biāo)準(zhǔn)蛋白，測定其溶液在不同濃度下的吸光度值，繪制BSA-Abs標(biāo)準(zhǔn)曲線。曲線公式為：y=0.013 6+0.004 5x，R2=0.998 1，符合質(zhì)量分析標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見圖1。

圖1 BSA-Abs標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 BSA-Abs standard curve

1.3.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Origin8.5處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每組處理均做3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 體系雙節(jié)線數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)及三角相圖的繪制

試驗(yàn)中運(yùn)用Merchuk方程關(guān)聯(lián)體系的雙節(jié)線數(shù)據(jù)，并繪制體系的三角相圖，Merchuk方程形式如下：

式中：a、b、c為方程擬合參數(shù)，利用濁點(diǎn)數(shù)據(jù)的最小二乘回歸算出；wil和ws分別代表[CnPy]Cl和K2HPO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Merchuk方程的形式簡單，較好地運(yùn)用于離子液體/鹽雙水相體系的雙節(jié)線數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，且關(guān)聯(lián)效果較好[20]。分別以氯代吡啶類離子液體、K2HPO4、水為3個(gè)頂點(diǎn)，制作三角相圖，見圖2。

圖2 25℃溫度下[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4雙水相體系三角相圖Fig.2 Triangular phase diagram for[CnPy]Cl（n=2，4，6）-K2HPO4 system at 25℃

由圖2（a）、2（b）、2（c）可得，雙節(jié)線是單相區(qū)與雙相區(qū)的臨界線，表示雙水相達(dá)到平衡，雙節(jié)線左側(cè)是單相區(qū)，此時(shí)溶液是均一的相，無分層現(xiàn)象；右側(cè)是雙相區(qū)，它是無限多個(gè)不同濃度組成的兩相系統(tǒng)，上相是氯代吡啶離子液體富集相，下相是K2HPO4富集相。25℃時(shí)[CnPy]Cl-K2HPO4體系雙節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)結(jié)果見表2。

表2 25℃時(shí)[CnPy]Cl-K2HPO4體系雙節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)結(jié)果Table 2 Binodal correlation results of[CnPy]Cl-K2HPO4system at 25℃

由表2可知，試驗(yàn)所得的雙節(jié)線數(shù)據(jù)能很好地滿足Merchuk方程，可為此體系雙水相相圖的繪制提供參考，且可根據(jù)相圖，選擇雙水相體系成相劑的濃度。

2.2 運(yùn)用Othmer-Tobias方程和Bancroft方程擬合體系的液液相平衡關(guān)系

Othmer-Tobias方程和Bancroft方程近年來已經(jīng)成功應(yīng)用于擬合離子液體/無機(jī)鹽雙水相體系的液液相平衡關(guān)系，Othmer-Tobias方程和Bancroft方程的表達(dá)式分別如下[21]

式中：K、n、K'、n'為方程的參數(shù)，見表3；wilt代表上相離子液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wsb代表下相K2HPO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wwt、wsb分別代表上、下相水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對方程兩邊取對數(shù)，在Othmer-Tobias方程中，以lg[（1-wwb）/wwb]為橫坐標(biāo)，以lg[（1-wilt）/wilt]為縱坐標(biāo)，進(jìn)行擬合并繪制圖3。在Bancroft方程中，以lg[wwt/wilt]為橫坐標(biāo)，以lg[wwb/wsb]為縱坐標(biāo)，進(jìn)行擬合并繪制圖4。式中，n、n'為斜率，lgK、lgK'為截距。

表3 [CnPy]Cl-K2HPO4雙水相方程式（3）和（4）中的參數(shù)Table 3 Parameters of Equation.（3）and（4）for[CnPy]Cl-K2HPO4aqueous two-phase system

圖3 Othmer-Tobias方程的線性相關(guān)性Fig.3 Linear dependency of Othmer-Tobias equation

從表3中的 R2值（＞0.995）可看出，Othmer-Tobias方程和Bancroft方程很好地?cái)M合了試驗(yàn)中的雙水相體系的液液相平衡數(shù)據(jù)。

由圖3、圖4可得，lg[（1-wwb）/wwb]與lg[（1-wilt）/wilt]，lg[wwt/wilt]與 lg[wwb/wsb]分別呈線性關(guān)系，表明相關(guān)性很好。

由相關(guān)參數(shù)和體系下相中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以計(jì)算出體系上相中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。體系的液液相平衡數(shù)據(jù)見表4。

由表4可得，[C2Py]Cl、[C4Py]Cl和 [C6Py]Cl的平均相對誤差分別為：0.72×10-3%、-3.95×10-3%、0.75×10-3%；K2HPO4的平均相對誤差分別為：-0.65×10-3%、-2.20×10-3%、-1.13×10-3%。由此可得方程擬合結(jié)果較滿意。

圖4 Bancroft方程的線性相關(guān)性Fig.4 Linear dependency of Bancroft equation

2.3 分配模型的建立

離子液體雙水相萃取木瓜蛋白酶，酶的蛋白濃度分配系數(shù)K定義為：雙水相體系分相后，上、下相中各自的木瓜蛋白酶蛋白濃度的比值，公式如下

式中：Ct、Cb分別為上、下相中的木瓜蛋白酶蛋白濃度，mg/mL。

表4 25℃時(shí)[CnPy]Cl-K2HPO4雙水相體系的液液相平衡擬合結(jié)果Table 4 The result of liquid-liquid equilibrium for[CnPy]Cl-K2HPO4aqueous two-phase system at 25℃

測定該體系上下相中木瓜蛋白酶濃度及各組分的含量，對上下相各組分含量和分配系數(shù)K之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，相關(guān)性越接近于1，說明相關(guān)性越好[22]，數(shù)據(jù)則可用于模型的建立；反之，相關(guān)性差不可用。選擇相關(guān)性接近1的一組或幾組數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型的建立。

變量x和y之間的相關(guān)性定義為：

木瓜蛋白酶的分配系數(shù)與參數(shù)的相關(guān)性見表5。

由表5可得，上下相離子液體濃度差、上下相鹽濃度差與lnK的相關(guān)性較高，均在0.75以上。

將上下相中氯代吡啶類離子液體的濃度差、上下相中K2HPO4的濃度差與該雙水相體系的lnK值進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得出如下公式：

式中：A、B、C為方程參數(shù)，L=（wil2+ws2）1/2（wil：上、下相中氯代吡啶類離子液體的濃度差；ws：上、下相K2HPO4的濃度差）。分別以[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4雙水相體系中的L值為橫坐標(biāo)，以lnK值為縱坐標(biāo)，利用K與L（系線的長度）[23]之間的相關(guān)性建立了模型。

模型的參數(shù)、分配系數(shù)的預(yù)測值與試驗(yàn)值的相對偏差見下表6。

表5 分配系數(shù)與[CnPy]Cl-K2HPO4雙水相體系組分濃度的相關(guān)性Table 5 Correlation between partition coefficient and the components concentration of[CnPy]Cl-K2HPO4aqueous two-phase system

表6 模型的參數(shù)和分配系數(shù)預(yù)測值與試驗(yàn)值的相對偏差Table 6 Parameters for models and relative deviations between predicted and experimental partition coefficient

由表6可得，與其他離子液體雙水相體系，如曹玲[24]研究的[Emim][（CF3SO2）2N]體系的分配模型（相對偏差為8.36%）相比，試驗(yàn)建立的模型有更小的平均相對偏差。試驗(yàn)值與計(jì)算值之間一致性良好，表明該模型預(yù)測能力很好。

木瓜蛋白酶在[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4氯代吡啶類離子液體雙水相體系中的蛋白濃度分配系數(shù)和上下相組分濃度差的關(guān)聯(lián)結(jié)果見圖5、圖6和圖7。

圖5 [C2Py]Cl-K2HPO4雙水相體系中木瓜蛋白酶的分配系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測值Fig.5 Experimental value and predicted value of papain partition coefficient for[C2Py]Cl-K2HPO4aqueous two-phase system

圖6 [C4Py]Cl-K2HPO4雙水相體系中木瓜蛋白酶的分配系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測值Fig.6 Experimental value and predicted value of papain partition coefficient for[C4Py]Cl-K2HPO4aqueous two-phase system

圖7 [C6Py]Cl-K2HPO4雙水相體系中木瓜蛋白酶的分配系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測值Fig.7 Experimental value and predicted value of papain partition coefficient for[C6Py]Cl-K2HPO4aqueous two-phase system

由圖5～圖7可知，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.985、0.993、0.981，結(jié)果較滿意。該模型的相對偏差均小于4%，并且與蔡濤[25]研究的[Cnmim]BF4-NaH2PO4咪唑類離子液體/鹽雙水相體系的分配模型（相對偏差5%）相比較小，表明本試驗(yàn)建立的模型精確度得到進(jìn)一步提高，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對木瓜蛋白酶在[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4氯代吡啶類離子液體/鹽雙水相系統(tǒng)中分配系數(shù)K的準(zhǔn)確預(yù)測。

3 結(jié)論

試驗(yàn)在25℃條件下，利用清-濁點(diǎn)輔助法測定了[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4氯代吡啶類離子液體/鹽雙水相體系的雙節(jié)線數(shù)據(jù)及液液相平衡數(shù)據(jù)，并繪制該體系的三角相圖。用Merchuk方程、Othmer-Tobias和Bancroft方程擬合數(shù)據(jù)，相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到0.995以上，平均相對誤差均低于0.1%，結(jié)果表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果很成功。進(jìn)一步用 [CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4雙水相體系探討不同碳鏈長度的氯代吡啶類離子液體對木瓜蛋白酶的分配系數(shù)的影響規(guī)律，建立的模型可較好地預(yù)測不同碳鏈長度的氯代吡啶類離子液體對木瓜蛋白酶的萃取能力，補(bǔ)充了酶在雙水相系統(tǒng)的分配模型數(shù)據(jù)庫。