絮凝劑-樹脂聯合法從瓊膠中制備瓊脂糖工藝研究

鞠 豪 , 張全斌

(1. 中國科學院海洋研究所 實驗海洋生物學重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京100049;3. 中國科學院 海洋大科學研究中心, 山東 青島 266071)

瓊膠是一種從石花菜屬(Gelidiumsp.)、江蘺藻屬(Gracilariasp.)、伊谷藻屬(Ahnfeltiasp.)、紫菜屬(Pyropia/Porphyraspp.)和雞毛菜屬(Plerocladiasp.)等紅藻的細胞壁中提取的天然水溶性高分子多糖物質[1]。瓊膠主要由中性的瓊脂糖(agarose)和硫瓊膠(agaropectin) 組成。瓊脂糖是不含有硫酸基的非離子型線性半乳聚糖,由1, 3 連接的β-D-半乳糖和1, 4 連接的α-3, 6-內醚半乳糖構成的瓊二糖線性交替連接形成的共聚物,具有凝膠功能[2]; 硫瓊膠[3]是瓊膠中部分硫酸化的復雜多糖且不具有凝膠功能。瓊脂糖具有相對較低的電內滲作用并且不吸附堿性染料和蛋白質, 常用于電泳[4]和色譜法[5]。同時, 瓊脂糖因具有良好的物理、化學和熱穩定性而廣泛用于多糖等活性物質的分離[5]、組織工程、填充劑、藥物輸送、染料吸附、重金屬吸附、生物分子吸附和水中多環芳烴的測定[6]。

目前, 瓊脂糖制備方法很多。根據分離原理, 這些方法可大致分為硫瓊膠沉淀法[7]、瓊脂糖沉淀法[8]、離子交換法[9]、離子液體[10]等方法。DEAE-纖維素法[9]制備的瓊脂糖品質優良, 其硫酸基含量較低且凝膠強度較高, 適用于生物技術級瓊脂糖的生產, 然而DEAE-纖維素的高昂價格限制了其工業應用。乙酰化法[11]制備瓊脂糖存在乙酰化過程中部分瓊脂糖降解的缺陷。季銨沉淀法[11]制備瓊脂糖的關鍵挑戰在于生產過程中會形成乳狀沉淀, 該沉淀很難通過離心、過濾、加熱從瓊脂糖溶液中分離純化出來。聚乙二醇法[8]制備的瓊脂糖具有相對較高的凝膠強度和較小的電內滲值, 但是聚乙二醇在制備過程中還可以吸附色素導致瓊脂糖著色, 使瓊脂糖產品呈現出淡黃或微黃色。尿素法、EDTA-Na2螯合法和磷酸鈉法[6]在制備過程中引入了新的雜質導致瓊脂糖產品純度較低。考慮到當前這些方法的局限性, 開發制備瓊脂糖的新方法很有必要。采用聚丙烯酰胺-樹脂聯合法制備瓊脂糖, 目前國內外尚未見相關的文獻報道。本文通過單因素試驗確定聚丙烯酰胺-樹脂聯合法從江蘺瓊膠中分離精制瓊脂糖的最佳工藝條件,為開發瓊脂糖制備新方法提供參考。

1 材料和方法

1.1 儀器與試劑

H-2K4 恒溫四孔水浴鍋(鞏義市予華儀器有限責任公司); 凝膠強度儀(中國科學院海洋研究所);CIC-D100 型離子色譜儀(青島盛瀚色譜技術有限公司); Nicolet iS10 傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet IS10 FT-TR)。

江蘺瓊膠, 由綠新(福建)食品有限公司提供; 聚丙烯酰胺(AR 200-1400 萬陽離子), 購于山東西亞試劑; 鹽酸、氫氧化鈉、碳酸氫鈉、碳酸鈉、D-果糖均為分析純, 購于國藥集團化學試劑; 間苯二酚、1, 1-乙縮醛均為分析純, 購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司; 弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂, 購于生工生物工程(上海)股份有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 瓊脂糖制備方法

通過預實驗, 綜合考慮制備效果和成本, 我們選擇聚丙烯酰胺和弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂進行進一步優化。我們通過單因素試驗對弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂的反應工藝進行確定。

將活化后的弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂加入到1%(w/w)的瓊膠溶液中。將混合物在一定溫度下攪拌一定時間。反應完成后, 立即將熱混合物過濾,然后將濾液置于室溫下以形成凝膠, 將得到的凝膠冷凍干燥并粉碎, 得到白色瓊脂糖粉末。選取對弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂制備瓊脂糖的主要指標有顯著影響的3 個因素(樹脂使用量、反應時間、反應溫度)進行單因素試驗, 主要指標為硫酸基含量,在反應過程中兼顧產品的白度, 從而確定各單因素的最優水平。

(1) 弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂添加量：固定反應溫度80℃、反應時間150 min、瓊膠溶液濃度為1%, 選取2︰1、1︰1、1︰2、1︰3、1︰4、1︰5等6 個不同的瓊膠與弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂質量比進行單因素試驗。

(2) 弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂的反應時間：固定瓊膠原料與弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂質量比為1︰3、反應溫度80℃、瓊膠溶液濃度為1%, 選取60 min、90 min、120 min、150 min、180 min、210 min 等6 個不同的反應時間進行單因素試驗。

(3) 弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂的反應溫度：固定瓊膠與弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂質量比為1︰3、反應時間150 min、瓊膠溶液濃度為1%, 選取50℃、60℃、70℃、80℃、90℃等5 個不同的反應溫度進行單因素試驗。

1.2.2 瓊脂糖理化性質測定

(1) 凝膠強度測定 參照GB1975-2010 和王曉龍等人的方法并進行適當改進。稱取適量(扣除水分后計算所得的試樣量, 精確至0.001 g)樣品加入適量的蒸餾水, 室溫下溶脹2 h, 加熱配制1.5%的瓊脂糖溶液。趁熱分別倒入稱量瓶中, 待冷卻凝固后置于4℃冰箱中過夜, 30℃水浴鍋恒溫60 min 使凝膠穩定,然后用凝膠強度儀測定凝膠強度, 取平均值[12-13]。

(2) 硫酸基測定 采用離子色譜法測定瓊脂糖樣品中的硫酸基含量[14]。稱取0.1 g 左右粉碎的瓊脂糖粉末放入安瓿瓶中, 加入8 mL 2 mol/L 的鹽酸, 室溫溶脹2 h, 封管, 105℃下水解4 h, 冷卻至室溫, 用氫氧化鈉溶液中和至pH 為6～7, 過濾, 定容至50 mL。離子色譜法測定硫酸基含量, 采用SH-AC-1型陰離子色譜柱, 淋洗液組成為4.5 mmol/L 的NaHCO3溶液和3.6 mmol/L 的Na2CO3溶液, 流速為1.5 mL/min。

(3) 水分測定 參照GB5009.3-2010 的方法測定水分[15]。稱取適量的瓊脂糖粉末放入已經干燥至恒重的稱量瓶中105℃干燥至恒重。

(4) 透明度測定 取瓊脂糖樣品配制成1%溶液, 將熱膠液(大于95℃)倒入比色皿中, 室溫放置24 h, 用紫外分光光度計在400～800 nm 間掃描, 確定最大吸收波長700 nm, 在最大吸收波長處測定樣品的透光率(T)[16]。

(5) 融化溫度和凝固溫度 稱取適量瓊脂糖在沸水中溶解制成1.5%的瓊脂糖溶液, 取5.0 mL 溶液裝入試管中, 于2～4℃冰箱內冷卻過夜, 在凝膠表面放置一個小鋼珠, 將試管置于30℃水浴中, 待膠體穩定后在以每分鐘升高1℃的速度升溫, 當小鋼珠從凝膠表面下落時, 此刻的溫度即為融化溫度[17]。配制1.5%的瓊脂糖溶液, 室溫下使瓊脂糖溶液的溫度以每分鐘降低1℃的速度降低, 待試管內凝膠凝固, 即傾斜試管傾斜90℃時, 凝膠表面能保持不變且抽出溫度計凝膠表面不變形, 此刻的溫度即為凝固溫度[17]。

(6) 紅外光譜 將干燥的瓊脂糖樣品粉末, 壓片,利用Nicolet Is10 傅里葉變換紅外光譜儀進行測定。

(7) 白度測定 將干燥的瓊脂糖樣品粉末置于研缽研磨后, 利用CR-400/410 色彩色差計進行測定,待示數穩定時, 記錄此時的數值即為樣品的白度。

1.3 統計分析

所有實驗均重復3 次。數據表示為平均值±標準偏差(SD)。使用SPSS 19.0 版使用單向方差分析(ANOVA)進行統計分析。在P<0.05 時, 結果被認為有顯著差異。

2 結果與分析

2.1 瓊脂糖制備工藝

硫酸基含量是決定瓊脂糖質量好壞的重要指標。本研究采用江蘺瓊膠為原料, 瓊膠硫酸基含量為1.27%(表1)。在前期研究中, 我們通過單因素試驗獲得聚丙烯酰胺法制備瓊脂糖的最優工藝。在60℃下,0.8%(w/w)的聚丙烯酰胺溶液以料液比1︰4 的比例加入瓊膠溶液中反應120 min。此條件下制備的瓊脂糖硫酸基含量為0.4%, 較瓊膠硫酸基含量降低了2/3以上, 但在此條件下制備的瓊脂糖硫酸基的含量仍然較高, 還有繼續降低的必要性。

表1 瓊脂和瓊脂糖的理化特性Tab. 1 Physicochemical properties of agar and agarose

在預實驗中, 我們發現用弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂處理瓊膠可以降低其硫酸基含量。因此,我們通過單因素試驗優化其制備工藝。如圖1 所示,所得瓊脂糖硫酸基含量隨樹脂使用量的增加而降低,即硫酸基含量由瓊膠原料的1.27%減少到0.74%(瓊膠與樹脂質量比為2︰1), 再減少到0.32%(瓊膠與樹脂質量比為1︰3), 此后硫酸基含量并不會隨著樹脂用量的增加而降低, 反而趨于穩定。該結果表明瓊膠中帶負電的硫酸基已經被陰離子樹脂充分吸附, 再增加樹脂的使用量對硫酸基吸附效果并不明顯, 因而樹脂使用量最終確定為瓊膠與樹脂質量比為1︰3。

圖1 樹脂法中樹脂使用量對瓊脂糖硫酸基含量的影響Fig. 1 Effect of resin usage on the agarose sulfate content in the resin method

圖2 顯示了反應時間對瓊脂糖硫酸基含量的影響。120 min 以前, 瓊脂糖硫酸基含量下降趨勢比較明顯, 硫酸基含量從瓊膠原料的1.27%迅速下降到0.35%, 120 min 以后硫酸基含量下降開始放緩, 直至150 min 以后, 硫酸基含量趨于穩定, 穩定在0.32%。因而, 150 min 是獲得瓊脂糖的最佳時間。

圖2 樹脂法中反應時間對瓊脂糖硫酸基含量的影響Fig. 2 Effect of reaction time on the agarose sulfate content in the resin method

反應溫度對硫酸基含量的影響如圖3 所示, 當溫度從50℃升高到80℃時, 所得瓊脂糖硫酸基含量總體呈現出下降趨勢, 硫酸基含量從0.55%降低至0.32%。隨著反應溫度的繼續增加, 硫酸基含量反而呈現出上升的趨勢。考慮反應溫度對硫酸基含量的影響, 我們選取80℃為最佳反應溫度。

因此弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂法的最佳反應條件為: 在80℃下, 瓊膠原料與樹脂質量比為1︰3的弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂在瓊膠溶液中反應150 min。

圖3 樹脂法中反應溫度對瓊脂糖硫酸基含量的影響Fig. 3 Effect of reaction temperature on agarose sulfate content in resin method

單用弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂或聚丙烯酰胺處理時, 兩者都只能除掉瓊膠中大部分硫瓊膠,為了提高硫瓊膠脫除效率, 我們將聚丙烯酰胺和弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂聯合使用。根據單因素試驗結果, 確定的聯合處理反應條件為: 0.8%(w/w)聚丙烯酰胺溶液以料液比為 1︰4 的比例加入到1%(w/w)的瓊膠溶液中, 在60℃下攪拌120 min, 反應完成后, 立即將熱混合物過濾, 然后將瓊膠原料3倍質量的樹脂加入到濾液中, 在80℃下攪拌150 min,趁熱過濾, 將濾液置于室溫下以形成凝膠, 將凝膠冷凍干燥并粉碎, 得到白色瓊脂糖粉末。在此條件下,所得到的瓊脂糖的硫酸基含量為0.22%, 較單獨處理時有較大改善, 表明該方法能夠用于制備瓊脂糖。

2.2 瓊脂糖的理化性質

在聯用法最佳工藝下, 我們進行3 個批次獨立實驗來制備瓊脂糖并測定了處理前后樣品的凝膠強度、硫酸基含量、水分、透明度、融化溫度、凝固溫度和白度。如表1 所示, 瓊膠和瓊脂糖的硫酸基含量分別為1.27%和0.22%, 這表明該方法可以有效地去除硫瓊膠。瓊脂糖的凝膠強度為1 523.7 g/cm2, 凝固溫度為39.7℃, 融化溫度為87.6℃。與瓊膠原料相比, 瓊脂糖的凝膠強度和白度顯著提高，硫酸基含量顯著降低, 表明該方法可以用于瓊脂糖的生產。

從圖4 中可以看出, 自制江蘺瓊脂糖與Biowest瓊脂糖兩者的紅外圖譜幾乎重合且主要特征吸收峰相似, 表明兩種瓊脂糖的主要成分和官能團種類基本相同。兩者在3 354 cm–1、2 898 cm–1、1 400～1 200 cm–1、1 200～1 000 cm–1處都有多糖特征性的吸收峰存在,1 150 cm–1為C-O 的伸縮振動及O-H 變形振動峰,3 000 cm–1附近的峰為環內C-H 的信號峰, 3 400 cm–1左右處的吸收峰為-OH 的信號峰, 這些吸收峰的存在表明瓊脂糖是一種糖類化合物; 同時, 譜圖在820～851 cm–1附近沒有特征峰, 該結果表明D-半乳糖在C4 和C6 位上面沒有直鍵硫酸基的存在; 在930 cm–1處的吸收峰為3, 6-內醚半乳糖的特征吸收峰并且較尖銳, 表明3, 6-內醚半乳糖含量較高; 1 250 cm–1處為總硫的特征吸收, 譜圖顯示此處沒有吸收峰, 表明自制瓊脂糖的總硫含量很低; 1 369 cm–1有較弱的C=O 的對稱吸收峰, 此峰是瓊脂糖中羥基化的特征吸收峰[18]。

圖4 Biowest 瓊脂糖和自制瓊脂糖的紅外光譜Fig. 4 Infrared spectra of Biowest agarose and self-made agarose

3 討論

瓊脂糖制備技術的關鍵在于將瓊膠中的硫瓊膠與瓊脂糖分離開來并盡可能地降低瓊脂糖中硫酸基等帶電基團的含量。在本研究中, 我們成功地通過聚丙烯酰胺-弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂聯合法將硫瓊膠從瓊膠中分離出來, 從而獲得瓊脂糖。瓊脂糖的質量主要取決于凝膠強度和硫酸基含量。瓊脂糖硫酸基含量的多少直接決定了瓊脂糖的用途, 因此本試驗以硫酸基含量為指標對試驗條件進行了優化。

在制備過程中, 瓊脂糖硫酸基的含量隨著弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂添加量的增加而呈現出先降低后趨于穩定的趨勢。這可能因為隨著弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂用量的增加, 陰離子交換樹脂的離子交換容量增大, 瓊膠溶液中的硫瓊膠部分被陰離子交換樹脂充分吸附, 制備的瓊脂糖硫酸基含量越來越低, 當瓊膠原料與陰離子交換樹脂的質量比為1︰3 時, 陰離子交換樹脂的交換能力可以滿足瓊膠溶液中以硫酸基為主的帶負電基團的交換吸附, 瓊膠中的硫瓊膠被充分吸附, 再增加陰離子交換樹脂的質量對硫酸基吸附量增加效果不明顯。在反應過程中, 隨著時間的增加, 瓊脂糖硫酸基的含量也呈現出先下降后趨于穩定的趨勢。這種變化出現的原因可能是反應剛開始時提取時間的增加,陰離子交換樹脂對膠液中的硫瓊膠吸附增多, 繼續增加反應時間, 硫瓊膠大部分被吸附而使反應趨于平衡, 陰離子交換樹脂不會在對硫瓊膠進行吸附,因而自制瓊脂糖的硫酸基含量也就趨于穩定。同時,我們發現自制瓊脂糖的硫酸基含量隨反應溫度的不同整體上呈現出接近V 型變化, 即先下降后上升。在瓊膠溶液溫度較低時, 瓊膠溶液流動性較差, 溶液的黏稠性會阻礙硫瓊膠與陰離子交換樹脂離子交換的進行。隨著反應溫度的升高, 瓊膠溶液的黏度減小, 溶液中樹脂和瓊膠的混合更加均勻, 兩者可以充分接觸, 使得離子交換吸附可以進行完全, 因而可以獲得硫酸基含量比較低的瓊脂糖。當溫度繼續升高時, 過高的溫度會對陰離子交換樹脂的活性基團產生影響, 樹脂本身的結構也可能會遭到破壞[19]。這些因素會對反應過程造成影響, 使得樹脂的使用效率降低, 自制瓊脂糖的硫酸基含量升高, 同時, 過高的溫度也會使已被交換吸附至陰離子交換樹脂上的硫瓊膠重新溶解于過熱的瓊膠溶液中, 從而對自制瓊脂糖硫酸基含量產生影響。因而80℃是弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂的最佳反應溫度。

戚勃等人[20]通過KMnO4-H2C2O4法對瓊脂糖進行漂白, 其白度達到92.72。盡管該漂白方法在反應過程中最大程度的保護了瓊脂糖的凝膠強度, 但反應過程中的酸性環境仍然對瓊脂糖結構產生破壞,導致了其凝膠強度的降低。孫寧等人[16]用聚乙二醇法制備的瓊脂糖透明度高, 但是聚乙二醇也會吸附色素等可溶性雜質, 導致瓊脂糖白度降低。在本研究中, 自制瓊脂糖白度和透明度分別達到 88.32%±0.04%和58.88%±3.0%。反應過程中聚丙烯酰胺可以有效地吸附瓊膠中硫酸基等帶電基團且部分可溶性雜質也被吸附, 從而提高了瓊脂糖的透明度和白度。同時, 弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂也可以有效吸附瓊膠中帶有硫酸基等荷電基團的物質, 從而獲得中性的瓊脂糖。因此, 該方法適用于瓊脂糖的制備。由于不需要額外的漂白過程, 因此該方法可以減少化學試劑的使用, 簡化反應步驟并降低生產成本。

凝膠強度是瓊脂糖質量的重要參數。瓊脂糖的凝膠強度受許多因素影響, 并與其化學組成和結構密切相關[21]。我們發現自制瓊脂糖的凝膠強度略低于Sigma 低電泳瓊脂糖的凝膠強度。其原因可能是在瓊膠溶解過程中, 加熱解可能會導致瓊膠輕微的降解,同時樹脂法中, 瓊膠需要在80℃下反應150 min, 長時間的攪拌和加熱也會造成瓊脂糖的部分降解。雖然發生了降解, 但是硫瓊膠的除去使瓊脂糖凝膠強度仍然遠遠高于瓊膠原料, 表明該方法可以適用于瓊脂糖的制備。Araki 等人[2]認為在瓊脂糖制備過程中很難完全去除硫酸根基團。與原料相比, 研究中瓊脂糖的硫酸基含量降低80%以上。達到了瓊脂糖的基本要求。

4 結論

本研究采用的聚丙烯酰胺是日常生活中用于污水處理的常見的絮凝劑, 價格低廉且不會對環境造成污染; 弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂是工業生產中常見的樹脂, 與DEAE-纖維素相比, 其價格低廉且可以重復使用。因此, 該方法整個制備過程相對簡單且便宜、試劑消耗量少、反應時間短、操作方便、不同批次產品之間差異性較小。但是目前該制備方法僅實現了實驗室級小批量制備, 未來我們將進行中試放大生產, 確定大批量制備的工藝條件,從而最終實現工業生產。

在本研究中, 我們以從江蘺中獲得的商業瓊脂用作原料, 通過聚丙烯酰胺-弱堿性苯丙烯系陰離子交換樹脂法制備的瓊脂糖硫酸基含量為0.22%、凝膠強度為1 524 g/cm2、透明度為58.9%, 凝固溫度為39.7℃、融化溫度為87.6℃。其凝膠強度與Sigma瓊脂糖(A4679, 凝膠強度≥1 200 g/cm2)相當。與瓊膠原料相比, 自制瓊脂糖具有高凝膠強度、低硫酸基含量、高透明度和高白度等多種優點, 其各項指標滿足了普通級瓊脂糖的要求。因此, 本研究建立了一種新的、簡單、快速、污染少的聯合方法, 以從江蘺瓊膠中制備瓊脂糖。