CN104826507B - 一种以纤维素纤维为基材的蛋白疏水分离纯化膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蛋白疏水分离纯化膜，该分离膜以纤维素纤维为基材，经丝光处理、环氧单体开环接枝聚合得到疏水改性纤维，将改性纤维分散于水中，经过滤获得堆积纤维层，烘干制得。该分离膜具有制膜工艺简单、分离纯化蛋白效果显著的特点。

Description

一种以纤维素纤维为基材的蛋白疏水分离纯化膜

技术领域

本发明涉及一种蛋白疏水分离纯化膜技术，具体涉及纤维素纤维的疏水改性及其用于制备疏水分离膜，该分离膜应用于蛋白分离纯化。

背景技术

膜分离技术的优越性主要表现在其基本在室温范围内操作，对高温易失活的酶等蛋白质适用性良好。疏水色谱蛋白分离膜的原理是利用不同蛋白分子的疏水性差异导致与分离膜的作用力不同达到分离纯化目的，其只通过改变流动相的盐浓度实现目标蛋白的吸附与脱附，免除了亲和色谱脱附阶段寻找合适的洗脱剂以及因此导致的后处理增加的去除淋洗产物中洗脱剂的步骤，更简便易行。且对比亲和作用色谱及离子交换色谱，疏水作用色谱不使用有机溶剂，流动相为pH呈中性的水相，分离条件温和，避免强酸或强碱环境对蛋白活性的不利影响，更适用于蛋白分离纯化领域。

经典的疏水分离膜，如聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜存在聚合条件苛刻、原料价格较高、疏水性过强易吸附油脂而堵塞膜孔且运行压降大的问题。而以纤维素纤维为基材制备的蛋白疏水分离纯化膜，基材成本低，纤维基材的多孔结构显著降低膜运行压力，具备良好发展潜力。Heath H. Himstedt等（Journal of Membrane Science, 2013, 447: 335-344）通过原子转移自由基聚合法将聚（N-乙烯基己内酰胺）接枝至再生纤维素膜上，该膜可在高离子强度缓冲液中吸附牛血清蛋白及免疫球蛋白G，并在低离子强度缓冲液中回收大量蛋白。Qijiayu Wu等（Journal of Membrane Science 2014, 471: 56-64）将聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）均聚物或NIPAM与丙烯酸丁酯的共聚物大分子单体通过紫外光法接枝至滤纸上得到温敏性疏水色谱膜，成功地从CHO细胞培养液中分离出高纯度的人免疫球蛋白。但是，目前基于纤维素疏水改性的分离膜的制备工艺复杂，因而成本依然很高。

就改性纤维素分离膜而言，国内外有诸多研究报道，例如CN103801202 A公开了一种再生纤维素超滤膜，采用含5~15wt%水的N-甲基吗啉-N-氧化物溶剂溶解纤维素浆粕，采用浸沉凝胶相转化法纺制成再生纤维素超滤膜，通过高分子成孔剂及表面活性剂协同调控孔形态，提高水通量，适用于人工肾脏透析膜、印染厂污水处理、造纸废水处理等领域。CN104084064 A报道了硅烷改性纤维素制得的气体分离膜，具体方法是将醋酸纤维素或硝酸纤维素溶解于溶剂中，再与硅烷或卤代硅烷反应，从而将疏水硅烷连接到纤维素分子链上。该专利所报道的改性纤维素膜使用的不是纤维形态的纤维素，而是采用凝固浴相分离法产生微孔，适用于气体分离。

综上所述，以纤维素为基材制备分离膜有两类方法。一类是，在纤维素纤维上进行接枝改性，然后以纤维形态的纤维素材料制备分离膜。这种方法获得的分离膜保持了纤维特有的多孔形态，因而流体通量大、运行压降小，适合用作基于非筛分效应的分离膜，只是迄今为止文献所报道的制膜工艺均十分复杂。另一类是，将纤维素溶解后进行改性，实质上是以再生纤维素的方式制膜，膜孔径由各种致孔技术调控，而不是纤维堆积自然形成的多孔结构，因而所得分离膜尽管具有一定疏水性，但是只能用作基于筛分效应的分离膜，丧失了纤维素纤维所具备的能产生多孔形态的特性。

可见，目前缺乏一种既能保持纤维素纤维能产生多孔构造的优点，又能便捷地赋予其疏水性的纤维素基材制膜技术。特别地，在蛋白疏水膜色谱分离纯化方面，迫切需要一种直接利用纤维多孔形态的蛋白疏水分离纯化膜。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：利用醇盐对纤维素纤维进行丝光处理后，可以通过开环聚合接枝疏水性环氧单体，改善纤维的疏水性；将改性纤维均匀分散于水中再倒入特定内径的滤筒过滤，得到的纤维滤饼即蛋白疏水分离膜。基于上述方法得到的分离膜既改善了疏水性，又保持了纤维素纤维的多孔构造，从而完成本发明。

本发明的目的在于提供一种制备疏水分离膜的简便方法，用于蛋白的分离纯化，通过以下技术方案实施得到：

（1）一种蛋白疏水分离纯化膜，其特征在于，分离膜基体为疏水聚醚分子链接枝改性的纤维素纤维。

（2）如上述（1）中所述的蛋白疏水分离纯化膜，其特征在于，该膜的制备方法包括以下步骤：

①丝光处理：将纤维素纤维分散于碱的乙醇溶液中，于室温搅拌浸泡12h~24h；

其中，所述纤维为经过打浆处理的纤维素纤维，包括木质纤维、草本纤维和棉纤维中的一种或多种混合纤维，优选木质纤维和棉纤维；

其中，所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、乙醇钠中的一种或多种，优选氢氧化钠或氢氧化钾；

②干燥：过滤除去液相物料，将纤维于60℃~80℃减压脱除乙醇；

③接枝改性：将干燥纤维置于反应器中于95℃~120℃加热烘干2h~4h，然后在惰性气氛中与疏水环氧单体混合，于60℃~120℃加热反应12h~24h，进行阴离子开环接枝聚合；

其中，所述疏水环氧单体的特征在于含有环氧基团和疏水烃基，其中烃基为具有碳链的烷基或包含芳环结构的烷基，优选苯基环氧乙烷和苯基缩水甘油醚中的一种或二种；

④精制：将接枝改性后的纤维以四氢呋喃为溶剂进行索氏提取回流10h，以除去残余环氧单体和副反应所生成的非接枝聚醚，然后水洗/过滤至滤液pH呈中性，即pH6.5～7.5；

⑤制膜：将改性纤维均匀分散于水中，将纤维悬浮液倒入具有特定内径的滤筒进行过滤，取出纤维滤饼，放在聚四氟乙烯薄片上，上层用另一聚四氟乙烯薄片覆盖，然后置于烘箱中于60℃~95℃干燥获得分离膜。

（3）如上述（2）所述的蛋白疏水分离纯化膜，其特征在于，进行疏水接枝改性时，实施环氧单体开环均聚接枝，使用一种环氧单体。

（4）如上述（2）所述的蛋白疏水分离纯化膜，其特征在于，进行疏水接枝改性时，实施环氧单体开环共聚接枝，使用二种或多种环氧单体。

（5）如上述（2）所述的蛋白疏水分离纯化膜，其特征在于，该分离膜可用于液相色谱法分离纯化蛋白。

根据本发明提供的蛋白疏水分离纯化膜，通过环氧开环聚合改性得到，接枝链短，制备方法简单，易放大实施，且纯化分离蛋白性能良好。

具体实施方式

下面对本发明进行详细描述，本发明的特点和优点将随着这些描述变得更为清楚、明确。

根据本发明提供一种蛋白疏水分离纯化膜，该膜的制备方法包括以下步骤：

①丝光处理：将纤维素纤维分散于碱的乙醇溶液中，于室温搅拌浸泡12h~24h；

其中，所述纤维为经过打浆处理的纤维素纤维，包括木质纤维、草本纤维和棉纤维中的一种或多种混合纤维，优选木质纤维和棉纤维；

其中，所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、乙醇钠中的一种或多种，优选氢氧化钠或氢氧化钾；

②干燥：过滤除去液相物料，将纤维于60℃~80℃减压脱除乙醇；

③接枝改性：将干燥纤维置于反应器中于95℃~120℃加热烘干2h~4h，然后在惰性气氛中与疏水环氧单体混合，于60℃~120℃加热反应12h~24h，进行阴离子开环接枝聚合；

其中，所述疏水环氧单体的特征在于含有环氧基团和疏水烃基，其中烃基为具有碳链的烷基或包含芳环结构的烷基，优选苯基环氧乙烷和苯基缩水甘油醚中的一种或二种；

④精制：将接枝改性后的纤维以四氢呋喃为溶剂进行索氏提取回流10h，以除去残余环氧单体和副反应所生成的非接枝聚醚，然后水洗/过滤至滤液pH呈中性，即pH6.5～7.5；

⑤制膜：将改性纤维均匀分散于水中，将纤维悬浮液倒入具有特定内径的滤筒进行过滤，取出纤维滤饼，放在聚四氟乙烯薄片上，上层用另一聚四氟乙烯薄片覆盖，然后置于烘箱中于60℃~95℃干燥获得分离膜。

进行疏水接枝改性时，实施环氧单体开环均聚接枝，使用一种环氧单体。

进行疏水接枝改性时，实施环氧单体开环共聚接枝，使用二种或多种环氧单体。

该分离膜可用于液相色谱法分离纯化蛋白。

根据本发明提供的分离膜可用于蛋白疏水分离纯化，这是因为，该膜主要由疏水改性纤维素纤维制成，利用不同蛋白分子的疏水性差异，导致蛋白与分离膜的作用力不同达到分离纯化目的；只通过改变流动相的盐浓度实现目标蛋白的吸附与脱附，免除了亲和色谱脱附阶段寻找合适的洗脱剂以及因此导致的后处理增加的去除淋洗产物中洗脱剂的步骤，更简便易行；不使用有机溶剂，流动相为pH呈中性的水相，分离条件温和，避免强酸或强碱环境对蛋白活性的不利影响；同时这种分离膜由于保持了纤维特有的多孔形态，因而流体通量大、运行压降小，易放大实施。

在本发明的方法中，纤维素纤维经过丝光处理，主要使纤维表面的羟基被有效活化，有利于下一步的接枝聚合；所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、乙醇钠中的一种或多种，优选氢氧化钠或氢氧化钾。纤维素丝光处理时间为12h~24h；如果处理时间过短，则不能有效活化纤维素纤维表面的羟基；如果处理时间过长，则降低了丝光处理的效率。在优选的实施方式中，处理时间为15h～20h。

在本发明的方法中，接枝改性所用单体含有环氧基团和疏水烃基，其中烃基为具有碳链的烷基或包含芳环结构的烷基，优选苯基环氧乙烷和苯基缩水甘油醚中的一种或二种。如果实施环氧单体开环均聚接枝，使用一种环氧单体；如果实施环氧单体开环共聚接枝，使用二种或多种环氧单体。

在本发明的方法中，疏水环氧单体接枝改性木质纤维时，反应温度范围为60℃～120℃。如果接枝反应温度低于60℃时，则单体反应活性很低，接枝率过低；如果接枝反应温度高于120℃时，单体蒸汽压过高，导致大量单体存在于气相中，反而使反应速率下降。在优选的实施方式中，接枝改性温度为70℃～80℃。

在本发明的方法中，将该疏水分离膜用于液相色谱对混合蛋白进行纯化分离：高盐浓度流动相下，疏水分离膜吸附目标蛋白；低盐浓度流动相下，蛋白发生解吸附。

根据本发明提供的一种以纤维素纤维为基材的蛋白疏水分离纯化膜的制备方法，具有如下有益效果：

（1）所述蛋白疏水分离纯化膜的基体直接为纤维素纤维，纤维表面的接枝改性保持了纤维素纤维基材原有的孔形态结构和高通透性，降低了蛋白分离纯化过程的压降。

（2）纤维素纤维表面疏水改性工艺简单、安全环保、成本低，改性过程未使用任何催化剂，改性纤维纯净，便于制膜。

（3）疏水改性所用单体具备环氧基团，通过环氧开环聚合方式进行接枝改性，反应条件温和，操作简便。

（4）该蛋白疏水分离纯化膜对蛋白的吸附性能以及对蛋白粗产品的纯化效果都明显优于未改性木质纤维膜。

实施例

所用原料有：木质纤维，购于上海迤晟建筑材料科技有限公司；氧化苯乙烯，购于梯希爱（上海）化成工业发展有限公司；牛血清蛋白，购于Sigma公司；脂肪酶粗酶，由北京化工大学生命学院提供。

实施例1

丝光处理：将100g木质纤维分散于10g氢氧化钾、72g无水乙醇和18g水组成的混合溶液中，室温搅拌浸泡24h；

干燥：过滤后，将纤维在70℃下减压干燥，除去乙醇；

接枝改性：在氮气保护下，将50g丝光处理后的纤维与10g干燥的氧化苯乙烯单体混合，于80℃反应24h；

精制：以四氢呋喃为溶剂进行索氏提取回流10h，去除杂质，然后水洗/过滤至滤液pH呈中性。经过冷冻干燥得到聚氧化苯乙烯改性木质纤维，其接枝率为12%。

制膜：称取0.2g聚氧化苯乙烯改性木质纤维于水溶液中，搅拌至其均匀分散，倒入内径2cm的滤筒中，抽滤压制得到纤维滤饼，置于75℃烘箱中干燥，得到疏水改性木质纤维分离膜A。

实施例2

丝光处理：将100g木质纤维分散于15g氢氧化钾、108g无水乙醇和27g水组成的混合溶液中，室温搅拌浸泡24h；

干燥：过滤后，将纤维在80℃下减压干燥，除去乙醇；

接枝改性：在氮气保护下，将50g丝光处理后的纤维与7.5g干燥的氧化苯乙烯单体混合，于90℃反应24h；

精制：以四氢呋喃为溶剂进行索氏提取回流18h，去除杂质，然后水洗/过滤至滤液pH呈中性。经过冷冻干燥得到聚氧化苯乙烯改性木质纤维，其接枝率为9%。

制膜：称取0.2g聚氧化苯乙烯改性木质纤维于水溶液中，搅拌至其均匀分散，倒入内径2cm的滤筒中，抽滤压制得到纤维滤饼，置于75℃烘箱中干燥，得到疏水改性木质纤维分离膜B。

实施例3

丝光处理：将100g木质纤维分散于12g氢氧化钠、70g无水乙醇和18g水组成的混合溶液中，室温搅拌浸泡24h；

干燥：过滤后，将纤维在75℃下减压干燥，除去乙醇；

接枝改性：在氮气保护下，将40g丝光处理后的纤维与20g干燥的氧化苯乙烯单体混合，于100℃反应24h；

精制：以四氢呋喃为溶剂进行索氏提取回流20h，去除杂质，然后水洗/过滤至滤液pH呈中性。经过冷冻干燥得到聚氧化苯乙烯改性木质纤维，其接枝率为14%。

制膜：称取0.2g聚氧化苯乙烯改性木质纤维于水溶液中，搅拌至其均匀分散，倒入内径2cm的滤筒中，抽滤压制得到纤维滤饼，置于75℃烘箱中干燥，得到疏水改性木质纤维分离膜C。

对比例

称取0.2g未改性木质纤维于水溶液中，搅拌至其均匀分散，倒入内径2cm的滤筒中，抽滤压制得到纤维滤饼，置于75℃烘箱中干燥，得到未改性木质纤维分离膜D。

试验例1

疏水膜色谱分离混合蛋白

将上述得到的分离膜作为液相色谱中的固定相，用磷酸盐缓冲液配制蛋白样品；以特定浓度的(NH₄)₂SO₄磷酸盐缓冲液为吸附阶段流动相；以不含硫酸铵的磷酸盐缓冲液为脱附阶段流动相，对混合蛋白进行分离。

试验例2

蛋白活性测试

通过橄榄油乳化液水解滴定法测定脂肪酶的酶活，测定方法参照秦韶巍发表的研究工作（过程工程学报, 2007, 01: 141-144）。其中，未纯化的粗酶固体中含有较多不溶物，故直接通过配样称量的粗酶固体质量换算出进样液中单位体积相应加入的粗酶质量；吸附淋洗液、脱附淋洗液中的蛋白含量由Bradford法测试得到，测定方法采用进出口危险化学品安全试验方法（SN/T 2497.20-2010）。

试验例3

SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）测试

测试方法参照Laemmli发表的研究工作（Nature, 1970, 227: 680-685）。

实施例1～3得到的聚氧化苯乙烯改性木质纤维分离膜及对比例得到的未改性木质纤维膜分别按试验例1对牛血清蛋白进行动态吸附试验，液相色谱谱图如图1所示，吸附淋洗峰（S吸）对应未发生吸附的蛋白，脱附淋洗峰（S脱）对应经分离膜吸附后在脱附阶段淋洗下来的目标蛋白。通过S脱/S吸可知，经聚氧化苯乙烯改性后的木质纤维疏水分离膜对牛

将实施例3得到的聚氧化苯乙烯改性木质纤维分离膜及对比例得到的未改性木质纤维膜分别按试验例1对脂肪酶粗酶进行纯化，按试验例2进行酶活测定，得到的比活结果如表1所示。由此可得，经聚氧化苯乙烯改性木质纤维疏水分离膜的纯化，脂肪酶的比活提高了12.1倍，而经未改性木质纤维膜的纯化，脂肪酶的比活仅提高3.1倍，证明经聚氧化苯乙烯改性后的木质纤维疏水分离膜纯化脂肪酶粗酶效果明显优于未改性木质纤维膜。

表1 脂肪酶粗酶分离前后酶活

将实施例3得到的聚氧化苯乙烯改性木质纤维分离膜及对比例得到的未改性木质纤维膜分别按试验例1对脂肪酶粗酶进行纯化，按试验例3进行SDS-PAGE测试，结果如图2、图3所示。进样液即粗酶样品在31.0kDa以上多条清晰的谱带为纯化的目标蛋白；在20.1kDa以下成片的谱带分布为杂蛋白。由图2得，吸附淋洗液中目标蛋白谱带很浅，杂蛋白谱带很深；相反，脱附淋洗液只存在清晰的目标蛋白谱带。由此可得，经聚氧化苯乙烯改性木质纤维疏水分离膜纯化后，脂肪酶粗酶中的杂蛋白在吸附阶段得以有效去除，通过脱附淋洗液得到大量纯度很高的目标蛋白，纯化效果良好。由图3得，吸附淋洗液中蛋白谱带与进样液类似，脱附淋洗液中仅有一道很浅的目标蛋白谱带，可见未改性木质纤维膜仅吸附了少量的目标蛋白。综上，经聚氧化苯乙烯改性后的木质纤维疏水分离膜纯化脂肪酶粗酶效果明显优于未改性木质纤维膜。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换，修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种蛋白疏水分离纯化膜制备方法，其特征在于，该方法的分离膜基体为疏水聚醚分子链接枝改性的纤维素纤维，该制备方法包括以下步骤：

（1）丝光处理：将纤维素纤维分散于碱的乙醇溶液中，于室温搅拌浸泡12h～24h；

其中，所述纤维为经过打浆处理的纤维素纤维，具体为木质纤维、草本纤维和棉纤维中的一种或多种混合纤维；

其中，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾、乙醇钠中的一种或多种；

（2）干燥：过滤除去液相物料，将纤维于60℃～80℃减压脱除乙醇；

（3）接枝改性：将干燥纤维置于反应器中于95℃～120℃加热烘干2h～4h，然后在惰性气氛中与疏水环氧单体混合，于60℃～120℃加热反应12h～24h，进行阴离子开环接枝聚合；

其中，所述疏水环氧单体的特征在于含有环氧基团和疏水烃基，其中烃基为具有碳链的烷基或包含芳环结构的烷基；

（4）精制：将接枝改性后的纤维以四氢呋喃为溶剂进行索氏提取回流10h，以除去残余环氧单体和副反应所生成的非接枝聚醚，然后水洗和过滤至滤液pH呈中性，即pH6.5～7.5；

（5）制膜：将改性纤维均匀分散于水中，将纤维悬浮液倒入内径为2厘米的滤筒进行过滤，取出纤维滤饼，放在聚四氟乙烯薄片上，上层用另一聚四氟乙烯薄片覆盖，然后置于烘箱中于60℃～95℃干燥获得分离膜。

2.根据权利要求1所述蛋白疏水分离纯化膜制备方法，其特征在于，所述纤维素纤维为木质纤维和棉纤维。

3.根据权利要求1所述蛋白疏水分离纯化膜制备方法，其特征在于，所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾。

4.根据权利要求1所述蛋白疏水分离纯化膜制备方法，其特征在于，所述疏水环氧单体为苯基环氧乙烷和苯基缩水甘油醚中的一种或二种。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的蛋白疏水分离纯化膜制备方法，其特征在于，进行疏水接枝改性时，实施环氧单体开环均聚接枝，使用一种环氧单体。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的蛋白疏水分离纯化膜制备方法，其特征在于，进行疏水接枝改性时，实施环氧单体开环共聚接枝，使用二种或多种环氧单体。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的蛋白疏水分离纯化膜制备方法，其特征在于，该分离膜用于液相色谱法分离纯化蛋白。