膜吸附在蛋白分離領(lǐng)域的應(yīng)用

李 昱，葉 卉，張玉忠，李 泓

(天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

蛋白質(zhì)作為生命組成的必不可少的部分，不僅在生物體內(nèi)具有重要意義，如催化、運(yùn)輸、免疫和調(diào)節(jié)等，而且蛋白工程作為五大工程之一，在生物制藥、臨床治療、食品工業(yè)等也應(yīng)用廣泛。隨著蛋白領(lǐng)域研究不斷深入，人們對蛋白的純度和需求不斷提高，對蛋白的分離和提純方法也越來越多，分離方法主要是基于蛋白的分子尺寸、溶解度、電荷及親和性能等機(jī)理進(jìn)行的[1-3]。目前為止，通過各種分離方法包括：透析與超濾、密度梯度離心、鹽溶和鹽析、等電點沉淀、層析和膜吸附等已經(jīng)取得了較好的成果[4-7]。

膜吸附是膜技術(shù)與吸附技術(shù)相結(jié)合的集成技術(shù)，采用具有一定孔徑的膜作為介質(zhì)，嵌入/連接功能顆?；蚺浠?，利用功能顆?；蚺浠c目標(biāo)分子之間的相互作用進(jìn)行分離純化，當(dāng)料液以一定流速流過膜時，目標(biāo)分子與膜介質(zhì)表面或膜孔內(nèi)功能顆?；蚧鶊F(tuán)特異性結(jié)合，而其余料液則透過膜孔流出，待處理結(jié)束后再通過洗脫液將目標(biāo)分子洗脫[8-9]。具有分離速度快、易于工業(yè)放大、產(chǎn)量高、操作壓力低等優(yōu)點，在蛋白質(zhì)、氨基酸、酶等生物大分子分離純化、中藥制劑的提取與純化、血液中有毒物質(zhì)的吸附分離等方面均有廣泛應(yīng)用[10]。

1 膜吸附劑的制備

膜吸附劑的制備方法可分為表面功能化與基質(zhì)混合方法，主要制備方法包括：(1)通過改性原材料，制備帶有配基的親和材料，然后通過紡制或刮涂等方法成膜，但這種方法會降低原始材料的成膜性。(2)采用接枝反應(yīng)將特定的官能團(tuán)接到親和膜表面，這種方法可以靈活地進(jìn)行配基的固定[11]。(3)使帶有配基的親和材料與基體材料共混制膜，這種方法達(dá)到的配基密度通常要高于表面接枝改性，并且能夠更好的穩(wěn)定配基，但難點在于材料本身的相容性，以及相容后對材料的成膜性的影響。

Tetala K K R[12]等制備出了一種20～40 μm大小的Cu2+和亞氨基二乙酸改性的固定化顆粒(Immobead)，將其共混摻雜在乙烯-乙烯醇共聚物(EVAL)聚合物中制備出一種具有親和吸附牛血紅蛋白(BHb)的雜化膜(MMMs)。在牛血清白蛋白存在的情況下，由于MMMs帶有銅離子，對于牛血紅蛋白(BHb)具選擇性吸附，而EVAL膜對牛血紅蛋白和牛血清白蛋白的非特異性吸附較低。使用pH值6.8的緩沖液，即牛血紅蛋白的等電點處時，血紅蛋白有明顯的吸附，混合基質(zhì)膜吸附BHb的最大靜態(tài)吸附容量為219.5 mg/g，吸附等溫線為Langmuir型?；旌匣|(zhì)膜從含有等量兩種蛋白質(zhì)的二元混合物中，對牛血紅蛋白的選擇性吸附是牛血白蛋白的三倍。

何俊勇[13]等將鋯金屬有機(jī)骨架Zr-MOFs負(fù)載在氧化鋁基底上，制備出了一種能夠快速吸附水中氟化物的功能膜。這項研究表明，膜比表面積為740.28 m2/g，吸附符合Langmuir等溫吸附模型，而吸附動力學(xué)遵循偽二級模型。當(dāng)初始氟化物濃度為200 mg/L時，在pH值7.0時最大吸附容量為102.40 mg/g。

Zhao R[14]等將支化聚乙烯亞胺接枝在電紡聚丙烯腈纖維膜上，制備了一種具有物理/化學(xué)穩(wěn)定性，生物相容性和對膽紅素有較強(qiáng)的吸附能力的吸附功能膜材料(bPEIPANFM)。對游離膽紅素溶液和BSA結(jié)合膽紅素溶液的分批吸附實驗表明bPEIPANFM在水熱溫度為160℃，水熱時間為10 h，bPEI與PAN的重量比為10∶1時，顯示出對膽紅素的最佳去除能力，對BSA結(jié)合膽紅素的最大吸附容量為112.87 μg/g。經(jīng)過十個再生周期，去除效率仍可保持95%。

He M[15]等基于表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合技術(shù)制備了一種新型的磷酸化Zr4+固定化金屬親和膜(IMAM)，用于選擇性吸附磷蛋白。通過使用標(biāo)準(zhǔn)磷蛋白(β-酪蛋白和卵清蛋白)和非磷蛋白(牛血清白蛋白和溶菌酶)的混合物作為模型樣品，評估了磷酸鹽Zr4+IMAM的吸附能力和選擇性。吸附等溫線和選擇性吸附結(jié)果表明，磷酸Zr4+IMAM對磷酸蛋白的結(jié)合能力和選擇性高于非磷酸蛋白。此外，磷酸鹽-Zr4+IMAM表現(xiàn)出良好的重復(fù)使用性和再生產(chǎn)性。

2 膜吸附劑在蛋白分離中的應(yīng)用與發(fā)展

隨著蛋白分離技術(shù)的不斷提升，新型的膜吸附劑不斷向吸附量大，特異性高的方向發(fā)展和提高。Hamid Esfahani[16]等將尼龍纖維與帶正電的鋅離子改性羥基磷灰石(Hap)納米粒子結(jié)合在一起，制備出一種Hap/尼龍吸附功能膜(圖1(a))。對蛋白吸附進(jìn)行測試，結(jié)果如圖1(b)所示，隨著納米粒子在尼龍結(jié)構(gòu)中的引入，尼龍膜吸附BSA的能力增強(qiáng)，最高吸附量為64.41 mg/cm3。使用Langmuir和Freundlich方程對實驗等溫線數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)Hap/尼龍吸附功能膜對BSA的吸附符合Langmuir方程吸附平衡模型。

圖1 (a)Hap/尼龍吸附功能膜制備以及對BSA的吸附原理示意圖；(b)不同N-ZH粒子摻雜量雜化膜對BSA的吸附量[16]

Fig.1 (a) Schematic diagram of the preparation of Hap/nylon adsorption functional membrane and the adsorption principle of BSA; (b) The amount of BSA adsorbed by hybrid membrane with different doping amounts of N-ZH particles[16]

Dong[17]等通過ATRP發(fā)制備了一種以聚甲基丙烯酸為支架，可以吸收模板蛋白的蝕刻PET膜。使用紫外線引發(fā)交聯(lián)聚丙烯酰胺形成了交聯(lián)的水凝膠，模板洗脫留下了活性位點作為目標(biāo)蛋白的識別位點。對免疫球蛋白(IgG)吸附測試，吸附IgG的容量為8 mg/cm3。

吳超超[18]等采用水熱法制備了一種生物相容性好、比表面積大、無毒、表面存在大量的羥基，且對血紅蛋白具有特異性吸附的納米ZrO2，將其與聚偏氟乙烯(PVDF)共混，制備出一種ZrO2/PVDF吸附功能膜。對BSA的吸附進(jìn)行了性能測試，結(jié)果表明其最大吸附量為120 mg/g。

Avramescu[19]等通過將各種類型的Lewatit離子交換樹脂摻入EVAL中制備吸附膜，并對蛋白質(zhì)分子尺寸相近的BSA和Hb作為模型蛋白進(jìn)行吸附分離研究。實驗結(jié)果表明，該吸附功能膜對BSA的最大吸附量為135 mg/g，并且通過改變洗脫時的pH或離子強(qiáng)度等條件可使BSA的回收率達(dá)90%。制備的吸附功能膜具有良好的抗污染性能，可多次的進(jìn)行蛋白質(zhì)的吸附脫附實驗。

張玉忠[20]等在EVAL中摻入Lewatit離子交換樹脂(CNP80)，通過調(diào)控CNP80含量和相分離的方法制備具有不同吸附容量的Lewatit樹脂填充EVAL吸附劑，并用BSA為模型蛋白進(jìn)行吸附和脫附的性能研究。實驗結(jié)果表明當(dāng)CNP80填充量為65%時，樹脂填充中空纖維膜吸附劑對血紅蛋白的吸附量高達(dá)到54.84 mg/g。

黃莉蘭[21]等將甲基丙烯酸二甲基氨基乙基酯(DMAEMA)接枝到乙烯-乙烯醇共聚物(EVAL)膜上，制得一種可以通過電荷差別分離牛血清白蛋白(BSA)和牛血紅蛋白(BHb)分離膜。結(jié)果證明P(DMAEMA)具有可電離叔胺基團(tuán)的弱陽離子聚電解質(zhì)，有助于BSA和BHb的電荷選擇性分離。在pH值6.0時，接枝的EVAL膜表面帶正電，BSA帶負(fù)電，而BHb帶正電。由于靜電相互作用，BSA被吸附到膜上，而BHb穿過膜層，從而實現(xiàn)蛋白的分離。

3 總結(jié)

膜吸附技術(shù)可以快速、高產(chǎn)和低成本的分離提純蛋白，在蛋白分離領(lǐng)域有著重要的意義。許多新型吸附功能膜不僅具有良好的耐酸堿性和通透性，同時具有優(yōu)異的吸附性能和廣闊的應(yīng)用前景。但對于膜吸附過程，一些問題尚待解決，需要深入研究蛋白吸附過程中傳質(zhì)機(jī)理以及吸附模型分析，解決吸附過程中吸附劑泄露以及重復(fù)使用性能較低等問題。