食品生物工程下游技術(shù)

1、生物工程下游技術(shù)生物工程下游技術(shù)（四）（四） 初步純化初步純化 萃?。╡xtraction） 吸附（absorption） 沉淀（precipitation）萃 取萃取的原理：利用在兩個(gè)互不相溶的液相中各種組分（包括目的 產(chǎn)物）溶解度的不同，從而達(dá)到分離的目的。萃取可提取和增濃產(chǎn)物，并可除去部分雜質(zhì) 萃取包括溶劑萃取、超臨界流體萃取、雙水相萃取、反膠束萃 取和凝膠萃取等。溶劑萃取和超臨界流體萃取用于小分子物質(zhì) 的萃取，雙水相萃取和反膠束萃取用于蛋白質(zhì)等大分子的萃取。溶劑萃取-單級(jí)萃取實(shí)驗(yàn)室操作 使含溶質(zhì)的溶液和萃取劑接觸混合，靜止后分成兩層。 通常原料液是水溶液，萃取劑是有機(jī)溶劑，分層后，上層

2、為萃取相，下層為萃余相。 常用萃取溶劑：醇、酯、酮。雜質(zhì)溶質(zhì)原溶劑原溶劑萃取劑萃取劑Light phase,萃取液萃取液Heavy phase,萃余液萃余液萃取效率不高，產(chǎn)物在水相中含量仍較高。工業(yè)生產(chǎn)最常用的萃取流程工業(yè)生產(chǎn)最常用的萃取流程-多級(jí)萃取多級(jí)萃取多級(jí)逆流萃取萃取效率最高，萃取劑用量最少。多級(jí)逆流萃取萃取效率最高，萃取劑用量最少。多級(jí)逆流萃取工業(yè)裝置：多級(jí)逆流萃取工業(yè)裝置：超臨界流體萃取：超臨界流體萃?。何镔|(zhì)的臨界狀態(tài)：其氣態(tài)和液態(tài)共存的一種邊緣狀態(tài)。超臨界流體：當(dāng)一種物質(zhì)處于其臨界點(diǎn)以上的溫度和壓力之下。萃取原理：超臨界流體具有象液體一樣的流動(dòng)性和象氣體一樣的擴(kuò)散 性，對(duì)物質(zhì)具有

3、很好的溶解性。超臨界二氧化碳萃取 臨界點(diǎn)：T：31.1 P：7.4 MPa 操作（1）等溫變壓法：萃取了溶質(zhì)的超臨界流體通過(guò)膨脹閥進(jìn)入 分離槽，壓力下降，密度也下降，溶質(zhì)溶解度下降而析出。 （2）等壓變溫法：萃取了溶質(zhì)的超臨界流體經(jīng)加熱器升溫后在 分離槽析出溶質(zhì)。 （3）吸附法：萃取了溶質(zhì)的超臨界流體通過(guò)吸附分離器（內(nèi)含 只吸附溶質(zhì)的吸附劑），使溶質(zhì)與萃取劑分離。 優(yōu)缺點(diǎn)：臨界條件溫和、產(chǎn)品分離簡(jiǎn)單、CO2便宜、萃取后無(wú)殘留等。 但但設(shè)備投資大！ 雙水相萃取 反膠束萃取吸 附 吸附原理：用固體吸附劑吸附溶液中的目的物質(zhì)或雜質(zhì)。 普通吸附劑：活性炭、磷酸鈣、白陶土、硅藻土等。 活性炭：最常用的吸

4、附力很強(qiáng)的非極性吸附劑； 吸附能力： 極性基團(tuán)多極性基團(tuán)少 相對(duì)分子質(zhì)量大 相對(duì)分子質(zhì)量小 芳香族化合物脂肪族化合物 酸性溶液中吸附力強(qiáng)，pH=5離子交換吸附 吸附原理：樹脂上離子性功能團(tuán)與溶液中的離子進(jìn)行吸附。 樹脂種類：強(qiáng)酸、弱酸、強(qiáng)堿、弱堿。強(qiáng)堿性物質(zhì)選用弱酸性樹脂，弱酸性物質(zhì)選用強(qiáng)堿性樹脂。 過(guò)程：溶液加入經(jīng)預(yù)處理的樹脂后進(jìn)行吸附，吸附了目的物質(zhì)的樹脂從溶液中分離，再把目的物質(zhì)從樹脂上洗脫下來(lái)。洗脫條件與吸附條件相反。樹脂可再生。沉 淀 沉淀原理：利用沉淀劑使所需提取的生化物質(zhì)或雜質(zhì)在溶液中的溶解度降低而形成無(wú)定形固體沉淀的過(guò)程。 沉淀方法：多價(jià)金屬離子聚電解質(zhì)非離子型聚合物特殊沉淀劑

5、熱沉淀其他沉淀法有機(jī)溶劑沉淀等電點(diǎn)沉淀鹽析沉淀沉淀法鹽析（salting out）鹽析原理：在高濃度的中性鹽存在下，蛋白質(zhì)（酶）等生物大分子物質(zhì)在水溶液中的溶解度降低，產(chǎn)生沉淀的過(guò)程。鹽析是可逆的！硫酸銨：溶解度大（25，767g/L，100%飽和度）過(guò)程：通常在攪拌下，以少量多次方式緩慢加入，待加入的硫酸銨溶 解后再加入少量的硫酸銨。鹽析沉淀后，需進(jìn)行脫鹽處理，再 進(jìn)行后續(xù)操作。脫鹽的方法 有透析（透析袋）、超濾。 透析只用于除鹽類和小分子雜質(zhì)（五）（五） 精細(xì)純化精細(xì)純化 層 析 電 泳 層析：根據(jù)混合物中，溶質(zhì)在互不相溶的兩相之間分配行為的差別，引起溶質(zhì)移動(dòng)速度的不同而進(jìn)行分離的方法?；?/p>

6、不相溶的兩相分別稱為：固定相和流動(dòng)相。 層析又稱色譜或色層分離。屬高度純化技術(shù)。凝膠層析原理：在樣品通過(guò)一定孔徑的凝膠固定相時(shí)，由于流經(jīng)體積的不同， 使不同相對(duì)分子量的組分得以分離。亦稱分子篩層析。大分子先出來(lái)，大分子先出來(lái)，小分子后出來(lái)！小分子后出來(lái)！凝膠過(guò)濾介質(zhì)葡聚糖葡聚糖凝膠：凝膠：商品名以SephadexG表示，G值越小，交聯(lián)度越大，吸水性越小，G值越大，交聯(lián)度越小，吸水性就越大，二者呈反比關(guān)系。 瓊脂糖凝膠：瓊脂糖凝膠：商品名稱Sepharose、BioGel?；瘜W(xué)穩(wěn)定性較葡聚糖凝膠差。 聚丙烯酰胺凝膠層析：聚丙烯酰胺凝膠層析：商品名BioGel-P。化學(xué)穩(wěn)定性好，有較高分辨率。分子

7、篩凝膠層析的優(yōu)、缺點(diǎn)及應(yīng)用 優(yōu)點(diǎn)： 操作簡(jiǎn)便，分離效果好，重復(fù)性高，回收率高、分離 條件溫和、規(guī)模放大容易、應(yīng)用廣泛 缺點(diǎn)： 分辨率低（根據(jù)分子大小的差別） 洗脫后產(chǎn)品被稀釋 應(yīng)用：脫鹽、相對(duì)分子量的測(cè)定Saltproduct親和層析l親和作用：生物分子間識(shí)別并結(jié)合的相應(yīng)一種物質(zhì)的特異性相互作用稱為親和作用。l親和層析的原理：將具有親和作用的兩種分子中的一種分子與固體粒子或可溶性物質(zhì)共價(jià)偶聯(lián)，特異性吸附或結(jié)合另一種分子，使另一種分子（目標(biāo)物質(zhì)）容易從混合物中得到選擇性分離純化。親和層析的操作載體活化、配基連接、吸附、清洗、洗脫、再生載體活化、配基連接、吸附、清洗、洗脫、再生親和層析的特點(diǎn)效率高

8、：利用親和吸附可以從粗提液中一次性分離得到高純度的活性物質(zhì)。分離精度高：可用于分離含量極低，結(jié)構(gòu)相近的化合物。但通用性較差，洗脫條件苛刻。五、精細(xì)純化 采用一些特殊的高新技術(shù)進(jìn)一步把雜質(zhì)與目的產(chǎn)物分離開來(lái)，包括層析、電泳、分子蒸餾等。5.1 層析層析 層析技術(shù)又叫色譜分離技術(shù)。 常見有紙層析、薄層層析、柱層析等。紙層析和薄層層析操作簡(jiǎn)便，分辨率高，但分離量太少，主要用于定性和定量分析。柱層析進(jìn)樣量大，回收容易，可用于分離純化。5.1.1 凝膠層析凝膠層析 凝膠層析是利用生物大分子的分子量差異進(jìn)行的色譜分離的方法。 凝膠色譜介質(zhì)主要是以葡聚糖、瓊脂糖、聚丙烯酰胺等為原料，通過(guò)特殊工藝合成的色譜介

9、質(zhì)。目前已成為生物化工和生物制藥領(lǐng)域研究和生產(chǎn)中必不可少的分離介質(zhì)。凝膠色譜基本原理凝膠色譜基本原理凝膠色譜介質(zhì)是一種在球體內(nèi)部具有大孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠微粒，可以把大小不同的生物大分子按一定的順序進(jìn)行分離，分子量大的生物分子由于不能進(jìn)入或不能完全進(jìn)入凝膠內(nèi)部的網(wǎng)狀孔，沿著凝膠顆粒間的空隙或大的網(wǎng)狀孔通過(guò)，大分子相對(duì)于小分子遷移的路徑近，在柱內(nèi)的停留時(shí)間短、保留值小，所以在色譜過(guò)程中遷移率最快，走在小分子的前面，先從色譜柱中流出。分子量小的分子由于能夠進(jìn)入凝膠內(nèi)部的網(wǎng)狀孔，沿著凝膠顆粒不同大小的網(wǎng)狀孔流過(guò)，相對(duì)于大分子的遷移路徑長(zhǎng)，在柱內(nèi)的停留時(shí)間長(zhǎng)、保留值大，所以，在色譜過(guò)程中遷移率最慢，走在大

10、分子的后面，最后從柱中流出。樣品中分子量大小不同的各種分子在流過(guò)凝膠內(nèi)部的網(wǎng)狀孔時(shí)就受到凝膠介質(zhì)排阻效應(yīng)，也稱為分子篩效應(yīng)，將它們一個(gè)個(gè)分離，從而達(dá)到分離的目的。5.2 電泳電泳 原理是：蛋白質(zhì)分子是兩性大分子，在一定的pH緩沖液中，蛋白質(zhì)或帶正電，或帶負(fù)電，或在等電點(diǎn)不帶電。在電場(chǎng)作用下，帶正電荷的蛋白質(zhì)向負(fù)極移動(dòng)，帶負(fù)電的蛋白質(zhì)向正極移動(dòng)，處于等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)不移動(dòng)。據(jù)此，可將兩性大分子分離開來(lái)。電泳技術(shù)有凝膠電泳、等電點(diǎn)聚焦電泳等。5.3 分子蒸餾分子蒸餾原理：液體分子受熱會(huì)從液面逸出，而不同種類的分子在氣相中運(yùn)動(dòng)的平均自由程不同來(lái)達(dá)到分離的目的。分子蒸餾的原理是根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論，液體混合

11、物的分子受熱后運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇，當(dāng)接受到足夠能量時(shí)，就會(huì)從液面逸出而成為氣相分子。隨著液面上方氣相分子的增加，有一部分氣體就會(huì)返回液體。在外界條件保持恒定情況下，最終會(huì)達(dá)到分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡。分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程與分子的有效直徑的平方成反比。即分子有效直徑大的分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程短，分子有效直徑小的分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程大。此時(shí)如果在小分子能達(dá)到而大分子不能達(dá)到的距離上放一冷凝器，將小分子冷凝為液體，不斷從氣相中分離，平衡就被打破，液相混合物中的分子又會(huì)逸出成為氣相分子。只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，混合物就被分離提純了。液體混合物沿加熱板自上而下流動(dòng)，被加熱后能量足夠的分子逸出液面，輕分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程大

12、; 重分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程小。如果在離液面距離小于輕分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程而大于重分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程處，設(shè)置一冷凝板，此時(shí)氣體中的輕分子能夠到達(dá)冷凝板，并不斷地被冷凝，從而破壞了體系中輕分子的動(dòng)態(tài)平衡，而使混合液中的輕分子不斷逸出 ; 相反，氣相中的重分子因不能到達(dá)冷凝板，很快與液相中的重分子趨于動(dòng)態(tài)平衡，表觀上重分子不再?gòu)囊合嘀幸莩觯@樣液體混合物便達(dá)到了分離的目的。下圖為分子蒸餾的原理示意圖，其主要結(jié)構(gòu)由加熱器、捕集器、高真空系統(tǒng)組成。液體混合物沿加熱板自上而下流動(dòng)，被加熱后能量足夠的分子逸出液面，輕分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程大 ; 重分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程小。如果在離液面距離小于輕分

13、子運(yùn)動(dòng)的平均自由程而大于重分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程處，設(shè)置一冷凝板，此時(shí)氣體中的輕分子能夠到達(dá)冷凝板，并不斷地被冷凝，從而破壞了體系中輕分子的動(dòng)態(tài)平衡，而使混合液中的輕分子不斷逸出 ; 相反，氣相中的重分子因不能到達(dá)冷凝板，很快與液相中的重分子趨于動(dòng)態(tài)平衡，表觀上重分子不再?gòu)囊合嘀幸莩觯@樣液體混合物便達(dá)到了分離的目的。下圖為分子蒸餾的原理示意圖，其主要結(jié)構(gòu)由加熱器、捕集器、高真空系統(tǒng)組成。液體混合物沿加熱板自上而下流動(dòng)，被加熱后能量足夠的分子逸出液面，輕分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程大 ; 重分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程小。如果在離液面距離小于輕分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程而大于重分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程處，設(shè)置一冷

14、凝板，此時(shí)氣體中的輕分子能夠到達(dá)冷凝板，并不斷地被冷凝，從而破壞了體系中輕分子的動(dòng)態(tài)平衡，而使混合液中的輕分子不斷逸出 ; 相反，氣相中的重分子因不能到達(dá)冷凝板，很快與液相中的重分子趨于動(dòng)態(tài)平衡，表觀上重分子不再?gòu)囊合嘀幸莩?，這樣液體混合物便達(dá)到了分離的目的。下圖為分子蒸餾的原理示意圖，其主要結(jié)構(gòu)由加熱器、捕集器、高真空系統(tǒng)組成。液體混合物沿加熱板自上而下流動(dòng)，被加熱后能量足夠的分子逸出液面，輕分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程大 ; 重分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程小。如果在離液面距離小于輕分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程而大于重分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程處，設(shè)置一冷凝板，此時(shí)氣體中的輕分子能夠到達(dá)冷凝板，并不斷地被冷凝，從

15、而破壞了體系中輕分子的動(dòng)態(tài)平衡，而使混合液中的輕分子不斷逸出 ; 相反，氣相中的重分子因不能到達(dá)冷凝板，很快與液相中的重分子趨于動(dòng)態(tài)平衡，表觀上重分子不再?gòu)囊合嘀幸莩?，這樣液體混合物便達(dá)到了分離的目的。下圖為分子蒸餾的原理示意圖，其主要結(jié)構(gòu)由加熱器、捕集器、高真空系統(tǒng)組成。液體混合物沿加熱板自上而下流動(dòng)，被加熱后能量足夠的分子逸出液面，輕分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程大 ; 重分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程小。如果在離液面距離小于輕分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程而大于重分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程處，設(shè)置一冷凝板，此時(shí)氣體中的輕分子能夠到達(dá)冷凝板，并不斷地被冷凝，從而破壞了體系中輕分子的動(dòng)態(tài)平衡，而使混合液中的輕分子不斷逸

16、出 ; 相反，氣相中的重分子因不能到達(dá)冷凝板，很快與液相中的重分子趨于動(dòng)態(tài)平衡，表觀上重分子不再?gòu)囊合嘀幸莩?，這樣液體混合物便達(dá)到了分離的目的。下圖為分子蒸餾的原理示意圖，其主要結(jié)構(gòu)由加熱器、捕集器、高真空系統(tǒng)組成。液體混合物沿加熱板自上而下流動(dòng)，被加熱后能量足夠的分子逸出液面，輕分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程大 ; 重分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程小。如果在離液面距離小于輕分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程而大于重分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程處，設(shè)置一冷凝板，此時(shí)氣體中的輕分子能夠到達(dá)冷凝板，并不斷地被冷凝，從而破壞了體系中輕分子的動(dòng)態(tài)平衡，而使混合液中的輕分子不斷逸出 ; 相反，氣相中的重分子因不能到達(dá)冷凝板，很快與液相中

17、的重分子趨于動(dòng)態(tài)平衡，表觀上重分子不再?gòu)囊合嘀幸莩?，這樣液體混合物便達(dá)到了分離的目的。下圖為分子蒸餾的原理示意圖，其主要結(jié)構(gòu)由加熱器、捕集器、高真空系統(tǒng)組成。液體混合物沿加熱板自上而下流動(dòng)，被加熱后能量足夠的分子逸出液面，輕分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程大 ; 重分子的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程小。如果在離液面距離小于輕分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程而大于重分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程處，設(shè)置一冷凝板，此時(shí)氣體中的輕分子能夠到達(dá)冷凝板，并不斷地被冷凝，從而破壞了體系中輕分子的動(dòng)態(tài)平衡，而使混合液中的輕分子不斷逸出 ; 相反，氣相中的重分子因不能到達(dá)冷凝板，很快與液相中的重分子趨于動(dòng)態(tài)平衡，表觀上重分子不再?gòu)囊合嘀幸莩?，這樣液

18、體混合物便達(dá)到了分離的目的。下圖為分子蒸餾的原理示意圖，其主要結(jié)構(gòu)由加熱器、捕集器、高真空系統(tǒng)組成。六、成品加工 6.1 結(jié)晶技術(shù) 6.2 濃縮 6.3 干燥6.1結(jié)晶技術(shù)結(jié)晶技術(shù)結(jié)晶的目的就是為了獲得更純凈的固體的發(fā)酵產(chǎn)品。由于結(jié)晶過(guò)程具有高度選擇性，因此析出的晶體純度非常高。結(jié)晶的全過(guò)程應(yīng)包括形成過(guò)飽和溶液、晶核形成和晶體生長(zhǎng)等三個(gè)階段。溶液達(dá)到過(guò)飽和后，過(guò)量的溶質(zhì)才會(huì)以固體態(tài)結(jié)晶出來(lái)。晶體的產(chǎn)生最初形成極細(xì)小的晶核，然后這些晶核再成長(zhǎng)為一定大小形狀的晶體。一般，若在結(jié)晶過(guò)程中晶核的形成速率大于晶體的成長(zhǎng)速率，則產(chǎn)晶中的晶體小而數(shù)目多；若晶核的形成速率小于晶體的成長(zhǎng)速率，則產(chǎn)生的晶體大而數(shù)目少。6.2 濃縮濃縮 濃縮是將低溶質(zhì)濃度的溶液通過(guò)除去溶劑變?yōu)楦呷苜|(zhì)濃度的溶液。它是發(fā)酵工業(yè)提取與精制過(guò)程中常用的單元操作。 發(fā)酵工業(yè)中常用的濃縮方法有蒸發(fā)濃縮法、冷凍濃縮法、吸收濃縮法等。冷凍濃縮法冷凍濃縮法 原理：是利用水溶液在共晶點(diǎn)前，部分水分呈冰晶析出的原理，來(lái)提高提取液的濃度。 冷凍的溫度越低，析出的冰晶越多，溶液的濃度也愈高。提取液的濃度要求，可由析出的冰晶數(shù)量（即去水量）來(lái)計(jì)算得出百分濃度。 冷凍濃縮系統(tǒng)可分為冷卻過(guò)程、冰結(jié)晶生成與長(zhǎng)大的結(jié)晶過(guò)程及冰和濃縮液的分離過(guò)程。6.3 干燥干燥 干燥的主要目的是除去發(fā)酵