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作者：孟杰 刘桂敏 赵艳丽 卢珂 吴兆亮
【摘要】 探讨泡沫分离技术有效应用于生物分离过程，指出被分离的生物表面活性物质在体系中的性能研究的重要性。本文以硫酸多黏菌素E水溶液为体系，研究硫酸多黏菌素E浓度、杂蛋白、无机离子、pH值和温度对硫酸多黏菌素E溶液表面张力和泡沫性能的影响，为硫酸多黏菌素E实现泡沫分离提供依据。
【关键词】 硫酸多黏菌素E； 表面张力； 泡沫性能； 泡沫分离
ABSTRACT To investigate the easible application of biomolecule purification by the foam separation process. Polymyxin E sulfate solution was subjected as an example being applied to this process development. The influence determinants such as the concentration of polymyxin E sulfate, heterogeneous proteins which contained in the fermentation broth, inorganic ions, pH value and temperature, all were closely related to surface tension and foaming properties were studied. Experimental evidences were proposed for the successful application of foam separation process in the fields of antibiotics and biopharmaceuticals.
KEY WORDS Polymyxin E sulfate; Surface tension; Foam properties; Foam flotation
泡沫分离技术是近30年来发展较快的新分离技术之一，它主要是利用气体在溶液中分布产生气泡,通过气液界面间溶质传递或界面吸附达到分离或浓缩目的［1］。该方法设备简单，分离成本低，对环境污染小，近几年引起更多研究者的关注［2，3］，特别是具有生物表面活性物质的泡沫分离技术［4，5］。将泡沫分离技术有效应用生物分离过程，除分离设备结构和操作工艺外，被分离的生物表面活性物质在体系中的性能，特别是表面张力和泡沫稳定性能研究非常重要。论文学术科研网
硫酸多黏菌素E是一种多肽类抗生素［6］，是生物表面活性物质，具有使用泡沫分离技术进行分离提纯的潜能，目前还未见泡沫分离硫酸多黏菌素E的文献报道。本文以硫酸多黏菌素E水溶液为体系，研究影响表面张力和泡沫稳定的因素和变化规律，为泡沫分离技术更好地应用于硫酸多黏菌素E和其它生物表面活性物质提供依据。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
试剂 硫酸多黏菌素E(中国兽医药品检查所提供，批号K02700902，效价19536u/mg)；蛋白胨(BR级)、HCl(AR级)和NaCl(AR级)等。
仪器 微控自动界面张力仪、罗氏泡沫仪和恒温水浴槽等。
1.2 硫酸多黏菌素E溶液表面张力的测定
准确称取一定量的硫酸多黏菌素E若干份，分别以去离子水、蛋白胨溶液、NaCl溶液、酸碱液为溶剂配制成不同浓度的溶液，利用微控自动界面张力仪测定各溶液的表面张力，研究浓度、杂蛋白、无机离子、pH值、温度对硫酸多黏菌素E溶液表面张力的影响。
1.3 硫酸多黏菌素E溶液泡沫高度及稳定性的测定 采用Ross-Miles法测定各溶液的泡沫高度及半衰期，主要考察浓度、杂蛋白、无机离子、pH值、温度对硫酸多黏菌素E起泡性及泡沫稳定性的影响。
2 结果与讨论
2.1 硫酸多黏菌素E浓度
在温度25℃，pH7.0，研究硫酸多黏菌素E去离子水溶液浓度和表面张力及泡沫性能的关系，结果见图1。
图1结果表明，随着硫酸多黏菌素E浓度的增大，溶液的表面张力减小，变化呈现两种规律：在硫酸多黏菌素E浓度为0.5g/L以前，浓度增大造成表面张力迅速降低；浓度继续增大，表面张力则基本保持不变。由此可见，硫酸多黏菌素E可以显著降低水的表面张力，并能够较快地 地在溶液表面达到饱和吸附。其在水中的临界胶束浓度为0.5～0.6g/L。
硫酸多黏菌素E的起泡高度和半塌时间也与其浓度正相关，但与浓度与表面张力关系不同的是其起泡性能不受临界胶束浓度的影响。
2.2 溶液的pH
硫酸多黏菌素E是一种多肽类抗生素，等电点对它的表面张力和泡沫性能的影响不容忽视［5］。在25℃，测量不同pH，质量分数为0.6g/L的硫酸多黏菌素E溶液的性能，关系曲线见图2。
图2结果表明，在pH2.5和5.0附近硫酸多黏菌素E的表面张力和泡沫性能均出现极大值，这刚好处于硫酸多黏菌素E的等电点处。蛋白质在等电处所带电荷为零，此时分子间斥力减小，溶解度降低，有助于表面活性剂在气液界面的吸附［5］，起泡性增加。由此可见，表面张力对溶液的起泡性有重要影响，表面张力减小有助于溶液起泡性能的增强。修志龙［7］等的研究中都验证pH值对泡沫分离有明显的影响。
2.3 温度
温度是影响溶质溶解性和溶液黏度的重要因素，对溶液的表面张力及泡沫性能也有着重要影响。测量温度对pH7.0，质量分数为0.6g/L的硫酸多黏菌素E溶液表面张力和泡沫性能的影响。研究结果见图3。
图3结果表明，随温度的升高，硫酸多黏菌素E溶液的表面张力、起泡性和稳定性显著降低。这是因为温度的升高导致表面活性剂溶液黏度和吸附阻力降低，加快了溶质运动速度，使表面张力下降。同时，随着温度的升高，起泡剂溶解性增加，在气液界面上吸附量和膜强度减小，膜间液相黏度降低，液膜排液速度加快，造成泡沫稳定性下降［8］。这与上面得出的表面张力越低，泡沫性能越好并不矛盾。并且表面张力只有在气泡膜强度较高时才对泡沫稳定性有较大的影响，而最上面的泡膜上侧总是向上凸的［9］，这种弯曲膜对蒸发作用很敏感，温度越高蒸发越快，膜强度下降，泡沫的破裂越快，稳定性也越差，有可能导致泡沫无法维持而使得起泡高度变小。
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2.4 无机盐
发酵液中存在多种离子，对表面活性物质的性能有一定的影响，这点在许多文献中均有报道［10］。图4以Na+、Cl-为例考察了不同浓度的无机离子对硫酸多黏菌素E溶液表面张力和泡沫性能的影响。
图4结果表明，硫酸多黏菌素E溶液的表面张力随离子强度的增大而显著增大，而无机离子对溶液起泡性和稳定的影响比较复杂，起泡性和泡沫稳定性随无机离子浓度的增加而先增大后减小，其极值处为NaCl浓度为3g/L。这是因为在低离子强度时，随着离子强度的增加，离子在泡沫中形成扩散层，相同电荷之间的斥力阻止膜的变薄，有利于泡沫的稳定，但是在较高离子强度时，这种作用开始显著减弱，并且高离子强度会压缩泡沫表面的双电层，降低它和表面活性物质的吸附能力导致起泡性及泡沫稳定性开始减小。
2.5 杂蛋白
与硫酸多黏菌素E同时存在于发酵液中的还有一些其它蛋白质类物质，这些杂蛋白也具有表面活性，对溶液的性能有很大的影响。图5以蛋白胨模拟杂蛋白，在25℃，pH7.0，硫酸多黏菌素E的质量分数为0.6g/L，测量不同蛋白胨浓度对溶液性能的影响。
图5结果表明，硫酸多黏菌素E溶液表面张力随蛋白胨浓度的增加而降低，这是因为蛋白胨是生物表面活性物质，它可与硫酸多黏菌素E形成复合物，降低溶液的表面张力。同时，硫酸多黏菌E的起泡性和稳定性随着蛋白胨浓度增加而增大，这是因为混合体系中不同分子间相互作用，空气/水界面上分子排列紧密，有较高的表面黏度和膜强度，不利于膜的排液和破裂。
3 结论
(1)溶液的硫酸多黏菌素E浓度、杂蛋白、无机离子、pH值、温度都对硫酸多黏菌素E溶液表面张力有影响。其中杂蛋白和温度可以显著降低溶液的表面张力；无机离子则可使溶液的表面张力显著升高；pH值对表面张力的影响较复杂，在硫酸多黏菌素E等电点处出现极小值，但总体趋势与表面张力反相关；溶液的浓度对表面张力的影响分两个阶段，在临界胶束浓度以下，溶液的表面张力随浓度的增大迅速下降，而在临界胶束浓度以上，表面张力基本不变。
图4 无机离子对硫酸多黏菌素E溶液表面张力和泡沫性能的影响
图5 杂蛋白对硫酸多黏菌素E溶液表面张力和泡沫性能的影响
(2)溶液的硫酸多黏菌素E浓度、杂蛋白、无机离子、酸碱度、温度对硫酸多黏菌素E泡沫性能均有较大的影响。硫酸多黏菌素E浓度的增大和溶液中杂蛋白含量的增高均可显著提高硫酸多黏菌素E溶液的泡沫性能；而高温可以显著降低溶液的泡沫性能；pH值对溶液泡沫性能的 影响与其对表面张力的影响类似；溶液中低离子强度可增加泡沫性能，高离子强度则可使泡沫性能降低。
在适当的条件下，硫酸多黏菌素E具有很好的泡沫性能，完全具备泡沫分离的可能。如较高含量的硫酸多黏菌素E，大量的杂蛋白，适当的无机离子浓度和pH值都有利于硫酸多黏菌素E的分离。此外，操作还应尽量避免在较高温度下进行，以提高泡沫的稳定性，但在后续的消泡过程中，又可利用高温进行消泡，减少消泡剂的使用。
【参考文献】
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