离子交换法与氨基酸的分离纯化
2006-09-17 17:03:40 来源：不详 评论：0 点击：
作者简介:武彩莲,女(1980-)硕士研究生
氨基酸是组成蛋白质的基本单元,具有极其重要的生理功能,广泛应用于医药!食品!饲料和化妆品工业等领域,因此,研究有效的氨基酸分离纯化方法,对于氨基酸工业的发展是非常必要的"
目前,用于氨基酸分离纯化的方法有沉淀法!膜分离法!萃取法以及离子交换法等,其中以离子交换法应用最为广泛"该法根据氨基酸是两性电解质这一特性,以及目的氨基酸与杂质氨基酸!值的差异,利用离子交换树脂对各种氨基酸吸附能力的不同进行分离纯化"该方法已成功应用于许多氨基酸的工业生产中,例如味精厂采用强酸性阳离子交换树脂对-谷氨酸阳离子进行选择性吸附,以使发酵液中影响-谷氨酸结晶的杂质得以分离;日本味之素公司研究的氨基酸提纯技术采用逆流多级交换,可以大大减少树脂用量和洗涤树脂用水量[1]"由于离子交换法连续分离效率较高,通常1~2的树脂层就相当于数千块塔板,故是一种高效低耗的单元操作"我们可以根据待处理混合物的特点,调节混和液的,选用适当的离子交换树脂,配合相应的交换基团和选择合适的工艺方法,达到理想的分离纯化效果"本文回顾了有关利用离子交换树脂对氨基酸进行分离纯化的国内外报道,以供大家参考"
1 -谷氨酸
国内外对于离子交换树脂分离纯化-谷氨酸的研究比较深入"由于发酵液中共存无机离子对-谷氨酸的吸附有抑制作用,为了减少这种抑制作用,等[2]采用-120阳离子交换树脂对-谷氨酸进行吸附,并在吸附前将发酵液的调节为1.8~2.0,这样可使-谷氨酸与杂质离子得到有效分离,从而提高了-谷氨酸的收率"氨基酸在离子交换树脂上的吸附平衡对分离纯化氨基酸具有显著的影响"等[3]报道了-谷氨酸在-弱碱性阴离子交换树脂上的吸附平衡,认为-谷氨酸的吸附平衡决定于-谷氨酸与-树脂上四个不同铵基之间的酸碱中和反应,并且给出了吸附平衡的热力学方程,为-谷氨酸的分离纯化提供了理论依据"2等[4]研究了-谷氨酸在30弱碱性阴离子交换树脂上的吸附平衡,结果显示,-谷氨酸的吸附平衡受溶液的影响较大,而与溶液中-谷氨酸的初始浓度无关,因此,可通过调节溶液的来提高-谷氨酸在树脂上的吸附率,从而提高其收率"目前国内从发酵液中提取-谷氨酸普遍采用的步骤是先用等电法结晶大量-谷氨酸,母液采用732阳离子交换树脂浓缩其中的-谷氨酸,洗脱高流分再回入等电罐进行结晶回收[5]"然而这种工艺存在着下列的缺陷:在结晶和离子交换过程中要使用大量的硫酸调节发酵液和母液的,造成环境污染;在低温下交换,高温下洗脱,使树脂反复的溶胀收缩,使用寿命缩短;等电废液中存在大量4+离子,用氢型树脂进行交换时,4+离子可与-谷氨酸离子进行竞争,使-谷氨酸的收率降低"因此,为了解决好这些问题,一些学者进行了相关的探讨"廖戎[6]采用阴离子交换树脂来分离纯化-谷氨酸,可不用调节发酵液的,-谷氨酸收率为97.5%,这样可在提高-谷氨酸收率的同时减少酸的用量"为延长树脂的使用寿命,降低4+离子对-谷氨酸吸附的影响,常秀莲[7]选用61大孔氨型树脂进行交换,由于大孔型树脂的机械强度高于凝胶型树脂,这样可延长树脂的使用寿命,并且由于采用的是氨型树脂,可不考虑4+离子的吸附,大大提高了-谷氨酸的收率"
2 -苯丙氨酸
732阳离子交换树脂可用来分离纯化-苯丙氨酸,但在传统制备-苯丙氨酸的工艺中,由于体系中无机盐()浓度较高,使得732阳离子交换树脂的交换吸附容量大为降低,因此必须筛选对-苯丙氨酸具有更好吸附能力的阳离子交换树脂"李鑫等[8]在模拟体系中加入了不同浓度(0.1%~1%)的氯化钠,对732!-1!-2三种强酸型阳离子交换树脂的吸附量进行了测定,结果显示,溶液中氯化钠的存在对吸附影响很大,随着氯化钠浓度的增加,-苯丙氨酸的吸附量明显下降"在这三种树脂中,732和-2两种树脂受氯化钠的影响比较大,而-1树脂的吸附量变化较为平缓,这可能是由于其本身结构基团不同而引起的"因此选择了-1阳离子交换树脂从高盐体系中提取-苯丙氨酸,整个离子交换过程的收率达到96.7%"一般认为,强酸性阳离子交换树脂的盐型只吸附碱性氨基酸,大量的实验及研究表明,通过调节体系的值,其盐型也可以吸附中性和酸性氨基酸"贾晓波等[9]利用732型和61型两种阳离子交换树脂的铵型柱,从-乙酰-苯丙氨酸的水解液中除酸提纯-苯丙氨酸,其收率可达95%"有研究表明,温度可影响氨基酸在离子交换树脂上的交换吸附"等[10]研究了温度对-苯丙氨酸在阳离子交换树脂上交换的影响,结果表明,-苯丙氨酸的吸附平衡对温度不太敏感,而吸附率会随温度的升高而增加,特别对于交联度高的树脂尤为明显"因此,我们可通过升高温度来提高-苯丙氨酸在树脂上的吸附率,从而提高其收率"
3 -谷氨酰胺
国内外分离纯化-谷氨酰胺基本上都采用阴阳双柱离子交换法,只是在树脂的选择!阴阳离子柱的组合及具体操作方式上有差别"1990年日本专利提到采用上述方法-谷氨酰胺实验室收率可达70%以上[11],但是由于阴阳离子交换树脂存在着价格高!酸碱用量大以及上柱液被稀释后带来的体积增大等问题,这些都限制了其在工业生产中的应用"为解决传统离子交换法存在的弊端,刘元帅等[12]通过静态试验确定了一种对-谷氨酰胺吸附量较小,而对-谷氨酸吸附量较大的弱碱性阴离子交换树脂,该树脂通过交换反应将大部分-谷氨酸吸附在树脂上,而绝大部分的-谷氨酰胺将随溶液一起流出树脂,从而使-谷氨酸和-谷氨酰胺得以分离"通过单根阴离子交换柱,从-谷氨酰胺发酵液中提取-谷氨酰胺,结果表明,粗晶溶解液通过阴离子交换柱后,-谷氨酰胺最高收率达到83%,而-谷氨酸去除率为90%,该法在显著提高产品收率的同时,还大大减少了酸碱用量"-谷氨酰胺在受热条件下可自发分解生成焦谷氨酸和氨[13],为减少-谷氨酰胺的分解,提高其收率,李爽等[14]研究了-谷氨酰胺在强碱性阴离子交换树脂上离子交换时的化学稳定性,结果显示,降低离子交换时-谷氨酰胺浓度可显著减少该物质的分解"
4 -精氨酸
英国曾经成功地开发了将胱氨酸发酵液通过732阳离子交换柱分离出精氨酸!组氨酸和赖氨酸的方法[15];前苏联有过用732阳离子交换法从胱氨酸发酵液中提取精氨酸!组氨酸!赖氨酸!苯丙氨酸和异亮氨酸的报道[16]"国内也有用732阳离子交换法从-胱氨酸发酵液中提取-精氨酸的工艺报道[17],但对732阳离子交换树脂吸附-精氨酸的影响因素进行的研究较少"甘林火等[18]研究发现,影响离子交换法从蛋白水解液中提取-精氨酸提取率的主要原因是溶液中无机盐的浓度"他们通过实验分别考察了两种无机盐(和4)浓度对国产732型阳离子交换树脂吸附-精氨酸的影响"结果表明,-精氨酸吸附率随无机盐浓度的增大而迅速下降,这是因为无机盐阳离子与-精氨酸阳离子形成竞争吸附,随着无机盐浓度的不断增大,无机盐阳离子的竞争优势迅速上升,导致-精氨酸吸附的比率降低,从而使-精氨酸的吸附量相应减少"因此要从蛋白水解中和液中提取-精氨酸,必须先将原料液中的无机盐尽可能的除去"
5 其它氨基酸
除上述几种氨基酸外,离子交换法在其它氨基酸分离纯化方面也有应用"等[19~21]采用离子交换热参数泵从水解液和制革废水中浓缩分离氨基酸"利用热参数泵这一非稳态循环过程,根据在不同温度时流动相中的氨基酸在流动相和树脂上的分配系数不同这一原理,使氨基酸在离子交换柱的一端富集而另一端减少,从而自氨基酸混合物中有效分离出丙氨酸!谷氨酸!亮氨酸!丝氨酸!精氨酸以及苯丙氨酸"等[22]采用1强酸性阳离子交换树脂从发酵液中吸附-赖氨酸,再用4%的氨水进行洗脱,总收率可达86.7%"等[23]采用50-8阳离子交换树脂对苯丙氨酸和酪氨酸进行吸附洗脱,结果显示,在浓度较高时苯丙氨酸和酪氨酸会发生非离子性吸附,吸附量偏离化学计量数较远,单纯使用溶液不能有效地将其洗脱下来,而使用和质量分数25%的乙醇混和溶液作为洗脱剂可以完全将其从树脂上洗脱下来,从而可提高其收率"刘芳等[24]对-色氨酸进行离子交换吸附,以离子交换吸附法对15种树脂的性能进行了系统的比较和筛选,结果显示,1号和2号阳离子交换树脂的吸附率!洗脱率以及静态吸附速率均高于其它树脂,适合于从水溶液中吸附-色氨酸,从而为-色氨酸的分离纯化提供参考"国内外虽然有离子交换法吸附分离-赖氨酸的研究报道,但均针对的是发酵法生产的-赖氨酸,采用的是强酸型阳离子交换树脂,很少有强碱型阴离子交换树脂吸附-赖氨酸的详细报道"翁连进等[25]分别考察了温度!值!氯离子浓度等因素对717型阴离子交换树脂吸附-赖氨酸的影响,结果表明,717型阴离子交换树脂交换吸附-赖氨酸的吸附率随温度的升高略有下降,是个放热过程;随着溶液中氯离子浓度的增大-赖氨酸的吸附率降低,当氯离子浓度达到1.0#-1时,吸附率仅20%;从含有-赖氨酸的-精氨酸溶液中除去-赖氨酸,最佳值为10.5?0.2;717型阴离子交换树脂吸附-赖氨酸的最大吸附量为30#-1"
由于-亮氨酸发酵过程会伴有一定量的-缬氨酸产生,而这两种氨基酸的结构相似,等电点也接近,因而给分离带来极大困难"余炜等[26]依据上述两种氨基酸在水中的溶解度相差较大的特性,在发酵液预处理时,采用加入-亮氨酸晶种和两次重结晶的方法,除去大部分杂质氨基酸,然后用732阳离子交换树脂进行分离纯化-亮氨酸,发酵液中-亮氨酸的总提取收率为71.28%"
综上所述,离子交换法分离纯化氨基酸是一种工艺简便!投资少!节能!污染小的工艺过程"根据待处理混合物的特点,选择合适的工艺方法,可收到良好的分离纯化效果"但离子交换法在用于分离氨基酸混合物时,若其中杂质离子浓度较大,一般的离子交换树脂的交换量将很难满足要求,有时需配合其它方法进行预处理"另外,对于氨基酸浓度较高的料液在上离子交换柱前还要进行稀释,这就必然导致所需的设备太大"由此可见,离子交换法在氨基酸的实际生产应用还有待进一步的完善"
参考文献 略
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氨基酸是组成蛋白质的基本单元,具有极其重要的生理功能,广泛应用于医药!食品!饲料和化妆品工业等领域,因此,研究有效的氨基酸分离纯化方法,对于氨基酸工业的发展是非常必要的"
目前,用于氨基酸分离纯化的方法有沉淀法!膜分离法!萃取法以及离子交换法等,其中以离子交换法应用最为广泛"该法根据氨基酸是两性电解质这一特性,以及目的氨基酸与杂质氨基酸!值的差异,利用离子交换树脂对各种氨基酸吸附能力的不同进行分离纯化"该方法已成功应用于许多氨基酸的工业生产中,例如味精厂采用强酸性阳离子交换树脂对-谷氨酸阳离子进行选择性吸附,以使发酵液中影响-谷氨酸结晶的杂质得以分离;日本味之素公司研究的氨基酸提纯技术采用逆流多级交换,可以大大减少树脂用量和洗涤树脂用水量[1]"由于离子交换法连续分离效率较高,通常1~2的树脂层就相当于数千块塔板,故是一种高效低耗的单元操作"我们可以根据待处理混合物的特点,调节混和液的,选用适当的离子交换树脂,配合相应的交换基团和选择合适的工艺方法,达到理想的分离纯化效果"本文回顾了有关利用离子交换树脂对氨基酸进行分离纯化的国内外报道,以供大家参考"
1 -谷氨酸
国内外对于离子交换树脂分离纯化-谷氨酸的研究比较深入"由于发酵液中共存无机离子对-谷氨酸的吸附有抑制作用,为了减少这种抑制作用,等[2]采用-120阳离子交换树脂对-谷氨酸进行吸附,并在吸附前将发酵液的调节为1.8~2.0,这样可使-谷氨酸与杂质离子得到有效分离,从而提高了-谷氨酸的收率"氨基酸在离子交换树脂上的吸附平衡对分离纯化氨基酸具有显著的影响"等[3]报道了-谷氨酸在-弱碱性阴离子交换树脂上的吸附平衡,认为-谷氨酸的吸附平衡决定于-谷氨酸与-树脂上四个不同铵基之间的酸碱中和反应,并且给出了吸附平衡的热力学方程,为-谷氨酸的分离纯化提供了理论依据"2等[4]研究了-谷氨酸在30弱碱性阴离子交换树脂上的吸附平衡,结果显示,-谷氨酸的吸附平衡受溶液的影响较大,而与溶液中-谷氨酸的初始浓度无关,因此,可通过调节溶液的来提高-谷氨酸在树脂上的吸附率,从而提高其收率"目前国内从发酵液中提取-谷氨酸普遍采用的步骤是先用等电法结晶大量-谷氨酸,母液采用732阳离子交换树脂浓缩其中的-谷氨酸,洗脱高流分再回入等电罐进行结晶回收[5]"然而这种工艺存在着下列的缺陷:在结晶和离子交换过程中要使用大量的硫酸调节发酵液和母液的,造成环境污染;在低温下交换,高温下洗脱,使树脂反复的溶胀收缩,使用寿命缩短;等电废液中存在大量4+离子,用氢型树脂进行交换时,4+离子可与-谷氨酸离子进行竞争,使-谷氨酸的收率降低"因此,为了解决好这些问题,一些学者进行了相关的探讨"廖戎[6]采用阴离子交换树脂来分离纯化-谷氨酸,可不用调节发酵液的,-谷氨酸收率为97.5%,这样可在提高-谷氨酸收率的同时减少酸的用量"为延长树脂的使用寿命,降低4+离子对-谷氨酸吸附的影响,常秀莲[7]选用61大孔氨型树脂进行交换,由于大孔型树脂的机械强度高于凝胶型树脂,这样可延长树脂的使用寿命,并且由于采用的是氨型树脂,可不考虑4+离子的吸附,大大提高了-谷氨酸的收率"
2 -苯丙氨酸
732阳离子交换树脂可用来分离纯化-苯丙氨酸,但在传统制备-苯丙氨酸的工艺中,由于体系中无机盐()浓度较高,使得732阳离子交换树脂的交换吸附容量大为降低,因此必须筛选对-苯丙氨酸具有更好吸附能力的阳离子交换树脂"李鑫等[8]在模拟体系中加入了不同浓度(0.1%~1%)的氯化钠,对732!-1!-2三种强酸型阳离子交换树脂的吸附量进行了测定,结果显示,溶液中氯化钠的存在对吸附影响很大,随着氯化钠浓度的增加,-苯丙氨酸的吸附量明显下降"在这三种树脂中,732和-2两种树脂受氯化钠的影响比较大,而-1树脂的吸附量变化较为平缓,这可能是由于其本身结构基团不同而引起的"因此选择了-1阳离子交换树脂从高盐体系中提取-苯丙氨酸,整个离子交换过程的收率达到96.7%"一般认为,强酸性阳离子交换树脂的盐型只吸附碱性氨基酸,大量的实验及研究表明,通过调节体系的值,其盐型也可以吸附中性和酸性氨基酸"贾晓波等[9]利用732型和61型两种阳离子交换树脂的铵型柱,从-乙酰-苯丙氨酸的水解液中除酸提纯-苯丙氨酸,其收率可达95%"有研究表明,温度可影响氨基酸在离子交换树脂上的交换吸附"等[10]研究了温度对-苯丙氨酸在阳离子交换树脂上交换的影响,结果表明,-苯丙氨酸的吸附平衡对温度不太敏感,而吸附率会随温度的升高而增加,特别对于交联度高的树脂尤为明显"因此,我们可通过升高温度来提高-苯丙氨酸在树脂上的吸附率,从而提高其收率"
3 -谷氨酰胺
国内外分离纯化-谷氨酰胺基本上都采用阴阳双柱离子交换法,只是在树脂的选择!阴阳离子柱的组合及具体操作方式上有差别"1990年日本专利提到采用上述方法-谷氨酰胺实验室收率可达70%以上[11],但是由于阴阳离子交换树脂存在着价格高!酸碱用量大以及上柱液被稀释后带来的体积增大等问题,这些都限制了其在工业生产中的应用"为解决传统离子交换法存在的弊端,刘元帅等[12]通过静态试验确定了一种对-谷氨酰胺吸附量较小,而对-谷氨酸吸附量较大的弱碱性阴离子交换树脂,该树脂通过交换反应将大部分-谷氨酸吸附在树脂上,而绝大部分的-谷氨酰胺将随溶液一起流出树脂,从而使-谷氨酸和-谷氨酰胺得以分离"通过单根阴离子交换柱,从-谷氨酰胺发酵液中提取-谷氨酰胺,结果表明,粗晶溶解液通过阴离子交换柱后,-谷氨酰胺最高收率达到83%,而-谷氨酸去除率为90%,该法在显著提高产品收率的同时,还大大减少了酸碱用量"-谷氨酰胺在受热条件下可自发分解生成焦谷氨酸和氨[13],为减少-谷氨酰胺的分解,提高其收率,李爽等[14]研究了-谷氨酰胺在强碱性阴离子交换树脂上离子交换时的化学稳定性,结果显示,降低离子交换时-谷氨酰胺浓度可显著减少该物质的分解"
4 -精氨酸
英国曾经成功地开发了将胱氨酸发酵液通过732阳离子交换柱分离出精氨酸!组氨酸和赖氨酸的方法[15];前苏联有过用732阳离子交换法从胱氨酸发酵液中提取精氨酸!组氨酸!赖氨酸!苯丙氨酸和异亮氨酸的报道[16]"国内也有用732阳离子交换法从-胱氨酸发酵液中提取-精氨酸的工艺报道[17],但对732阳离子交换树脂吸附-精氨酸的影响因素进行的研究较少"甘林火等[18]研究发现,影响离子交换法从蛋白水解液中提取-精氨酸提取率的主要原因是溶液中无机盐的浓度"他们通过实验分别考察了两种无机盐(和4)浓度对国产732型阳离子交换树脂吸附-精氨酸的影响"结果表明,-精氨酸吸附率随无机盐浓度的增大而迅速下降,这是因为无机盐阳离子与-精氨酸阳离子形成竞争吸附,随着无机盐浓度的不断增大,无机盐阳离子的竞争优势迅速上升,导致-精氨酸吸附的比率降低,从而使-精氨酸的吸附量相应减少"因此要从蛋白水解中和液中提取-精氨酸,必须先将原料液中的无机盐尽可能的除去"
5 其它氨基酸
除上述几种氨基酸外,离子交换法在其它氨基酸分离纯化方面也有应用"等[19~21]采用离子交换热参数泵从水解液和制革废水中浓缩分离氨基酸"利用热参数泵这一非稳态循环过程,根据在不同温度时流动相中的氨基酸在流动相和树脂上的分配系数不同这一原理,使氨基酸在离子交换柱的一端富集而另一端减少,从而自氨基酸混合物中有效分离出丙氨酸!谷氨酸!亮氨酸!丝氨酸!精氨酸以及苯丙氨酸"等[22]采用1强酸性阳离子交换树脂从发酵液中吸附-赖氨酸,再用4%的氨水进行洗脱,总收率可达86.7%"等[23]采用50-8阳离子交换树脂对苯丙氨酸和酪氨酸进行吸附洗脱,结果显示,在浓度较高时苯丙氨酸和酪氨酸会发生非离子性吸附,吸附量偏离化学计量数较远,单纯使用溶液不能有效地将其洗脱下来,而使用和质量分数25%的乙醇混和溶液作为洗脱剂可以完全将其从树脂上洗脱下来,从而可提高其收率"刘芳等[24]对-色氨酸进行离子交换吸附,以离子交换吸附法对15种树脂的性能进行了系统的比较和筛选,结果显示,1号和2号阳离子交换树脂的吸附率!洗脱率以及静态吸附速率均高于其它树脂,适合于从水溶液中吸附-色氨酸,从而为-色氨酸的分离纯化提供参考"国内外虽然有离子交换法吸附分离-赖氨酸的研究报道,但均针对的是发酵法生产的-赖氨酸,采用的是强酸型阳离子交换树脂,很少有强碱型阴离子交换树脂吸附-赖氨酸的详细报道"翁连进等[25]分别考察了温度!值!氯离子浓度等因素对717型阴离子交换树脂吸附-赖氨酸的影响,结果表明,717型阴离子交换树脂交换吸附-赖氨酸的吸附率随温度的升高略有下降,是个放热过程;随着溶液中氯离子浓度的增大-赖氨酸的吸附率降低,当氯离子浓度达到1.0#-1时,吸附率仅20%;从含有-赖氨酸的-精氨酸溶液中除去-赖氨酸,最佳值为10.5?0.2;717型阴离子交换树脂吸附-赖氨酸的最大吸附量为30#-1"
由于-亮氨酸发酵过程会伴有一定量的-缬氨酸产生,而这两种氨基酸的结构相似,等电点也接近,因而给分离带来极大困难"余炜等[26]依据上述两种氨基酸在水中的溶解度相差较大的特性,在发酵液预处理时,采用加入-亮氨酸晶种和两次重结晶的方法,除去大部分杂质氨基酸,然后用732阳离子交换树脂进行分离纯化-亮氨酸,发酵液中-亮氨酸的总提取收率为71.28%"
综上所述,离子交换法分离纯化氨基酸是一种工艺简便!投资少!节能!污染小的工艺过程"根据待处理混合物的特点,选择合适的工艺方法,可收到良好的分离纯化效果"但离子交换法在用于分离氨基酸混合物时,若其中杂质离子浓度较大,一般的离子交换树脂的交换量将很难满足要求,有时需配合其它方法进行预处理"另外,对于氨基酸浓度较高的料液在上离子交换柱前还要进行稀释,这就必然导致所需的设备太大"由此可见,离子交换法在氨基酸的实际生产应用还有待进一步的完善"
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