食品生物工程下游技术[73页]

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1、食品生物工程下游技术食品生物工程下游技术1主要内容主要内容1 1 概述概述2 2 原料与预处理原料与预处理3 3 固液分离和细胞破碎固液分离和细胞破碎4 4 初步纯化初步纯化5 5 精细纯化精细纯化6 6 成品加工成品加工7 7 案例案例21 1 概述概述生物下游技术也称下游工程生物下游技术也称下游工程, ,或生物活性物或生物活性物质分离纯化质分离纯化, ,是指从基因工程获得的动、植是指从基因工程获得的动、植物和微生物的有机体或器官中，比细胞工物和微生物的有机体或器官中，比细胞工程、发酵工程和酶工程产物（发酵液、培程、发酵工程和酶工程产物（发酵液、培养液）中把目标化合物分离纯化出来，使养液）中

2、把目标化合物分离纯化出来，使之达到商业应用目的的过程。之达到商业应用目的的过程。31.11.1生物工程下游技术的重要性生物工程下游技术的重要性基因工程、细胞工程、发酵工程和酶基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程的产物不能直接成为产品，必须工程的产物不能直接成为产品，必须经过分离工程得到高纯度的产品。经过分离工程得到高纯度的产品。41.21.2生物工程下游技术的特点生物工程下游技术的特点在原料液中目标成分的含量很低。在原料液中目标成分的含量很低。原料液是复杂的多相体系。原料液是复杂的多相体系。目标成分的稳定性较差，对热、酶、空气、目标成分的稳定性较差，对热、酶、空气、光等因素敏感，易分解和失活。

3、光等因素敏感，易分解和失活。要求产品的纯度很高。要求产品的纯度很高。51.31.3下游工程的目的产物下游工程的目的产物 具有保健功能或治疗作用的功能因子、专用添具有保健功能或治疗作用的功能因子、专用添加剂（如有防腐作用抗菌多肽、改进食品风味的加剂（如有防腐作用抗菌多肽、改进食品风味的有机化合物），以及专用于食品的微生物或酶等。有机化合物），以及专用于食品的微生物或酶等。（1 1）目的产物的特点）目的产物的特点通常是活的有机体或具有生理活性的有机化合物，通常是活的有机体或具有生理活性的有机化合物，不稳定，易变性，易失活。不稳定，易变性，易失活。许多目的产物的相对分子质量较大。许多目的产物的相对分

4、子质量较大。目的成分在制备液中浓度往往较低，但要求产品目的成分在制备液中浓度往往较低，但要求产品的纯度却很高。的纯度却很高。6目的产物中的生物制剂含有丰富的营目的产物中的生物制剂含有丰富的营养成分，易被微生物污染和分解。养成分，易被微生物污染和分解。成分较为复杂，有的可用常规分析方成分较为复杂，有的可用常规分析方法检测，有的应用分子检测技术进行法检测，有的应用分子检测技术进行检测。检测。许多功能因子参与人体机能的精细调许多功能因子参与人体机能的精细调节。节。7（2 2）食品生物技术产品可分为）食品生物技术产品可分为5 5类：类：蛋白质、多肽、氨基酸类，包括抗菌蛋白、蛋白质、多肽、氨基酸类，包括

5、抗菌蛋白、抗生素、肿瘤坏死因子、干扰素等。抗生素、肿瘤坏死因子、干扰素等。酶、辅酶、酶抑制剂类，如溶菌酶、纤维酶、辅酶、酶抑制剂类，如溶菌酶、纤维素酶等。素酶等。多糖类，包括食用胶、促红细胞生长素、多糖类，包括食用胶、促红细胞生长素、肝素、真菌多糖等。肝素、真菌多糖等。免疫调节类，如生长激素、白细胞介素等。免疫调节类，如生长激素、白细胞介素等。其他，包括脂类、多不饱和脂肪酸、维生其他，包括脂类、多不饱和脂肪酸、维生素等。素等。8（3 3）目的产物的商业用途）目的产物的商业用途功能食品功能食品食品添加剂食品添加剂生物药物生物药物化妆品化妆品91.4 下游工程的基本路线下游工程的基本路线预处理：预

6、处理：加热、调整加热、调整pH、絮凝、絮凝固液分离：固液分离：珠磨、匀浆、酶溶、离心珠磨、匀浆、酶溶、离心初步纯化：初步纯化：萃取、吸附、沉淀、离心萃取、吸附、沉淀、离心精细纯化：精细纯化：层析、电泳、分子蒸馏层析、电泳、分子蒸馏成品加工：成品加工：结晶、浓缩、干燥结晶、浓缩、干燥101.5 下游工程的质量控制下游工程的质量控制首先确定下游工程的工艺路线和参数，在首先确定下游工程的工艺路线和参数，在生产过程中严格执行工艺流程和参数，以生产过程中严格执行工艺流程和参数，以保证生产高质量的产品。保证生产高质量的产品。注意安全防护，遵循生物技术安全规定。注意安全防护，遵循生物技术安全规定。食品生物技

7、术产品的质量控制应包括产品食品生物技术产品的质量控制应包括产品的鉴定、纯度、活性、安全性、稳定性和的鉴定、纯度、活性、安全性、稳定性和一致性等。一致性等。11主要内容主要内容1 1 概述概述2 2 原料与预处理原料与预处理3 3 固液分离和细胞破碎固液分离和细胞破碎4 4 初步纯化初步纯化5 5 精细纯化精细纯化6 6 成品加工成品加工7 7 案例案例122.1 2.1 原料原料下游工程的原料包括发酵工程、酶工下游工程的原料包括发酵工程、酶工程、细胞工程的发酵液和培养液，以程、细胞工程的发酵液和培养液，以及基因工程获得的动、植物、微生物及基因工程获得的动、植物、微生物的有机体或器官。的有机体或

8、器官。目前，发酵液和培养液仍是下游工程目前，发酵液和培养液仍是下游工程的主要原料。的主要原料。132.2 2.2 发酵液预处理发酵液预处理（1）加热。提高发酵液温度可显著降低悬）加热。提高发酵液温度可显著降低悬浮液的黏度，提高过滤速度。但是目的产浮液的黏度，提高过滤速度。但是目的产物必须具有热稳定性。物必须具有热稳定性。（2）调节）调节pH值。利用蛋白质等电点沉淀。值。利用蛋白质等电点沉淀。（3）凝聚和絮凝。在化学试剂的作用下，）凝聚和絮凝。在化学试剂的作用下，改变发酵液中的大分子物质和细胞碎片的改变发酵液中的大分子物质和细胞碎片的分散性质，使之聚结沉淀的现象。分散性质，使之聚结沉淀的现象。1

9、43 3 固液分离和细胞破碎固液分离和细胞破碎3.1 3.1 固液分离固液分离胞外产物胞外产物-液相部分液相部分胞内产物胞内产物-固相部分固相部分（1 1）离心分离。）离心分离。在离心产生的重力场作用下在离心产生的重力场作用下使悬浮颗粒沉降下来的操作过程。使悬浮颗粒沉降下来的操作过程。高速冷冻离心机高速冷冻离心机蝶式离心机蝶式离心机管式离心机管式离心机倾析式离心机倾析式离心机15（2 2）过滤分离。）过滤分离。操作中迫使悬浮液通过固相操作中迫使悬浮液通过固相支承物或过滤介质，截留固相，以达到固支承物或过滤介质，截留固相，以达到固液分离的目的。液分离的目的。压力过滤压力过滤真空过滤真空过滤错流过

10、滤错流过滤163.2 3.2 细胞破碎细胞破碎3.2.13.2.1常用细胞破碎方法（机械和非机械）常用细胞破碎方法（机械和非机械）珠磨法。珠磨机中细胞悬浮液与直径小珠磨法。珠磨机中细胞悬浮液与直径小1mm的玻璃珠、石英砂等快速研磨，使细胞破碎，的玻璃珠、石英砂等快速研磨，使细胞破碎，使细胞内含物释放出来。使细胞内含物释放出来。高压匀浆法。高压匀浆机由高压泵和匀浆阀高压匀浆法。高压匀浆机由高压泵和匀浆阀组成，细胞悬浮液通过针形孔，在高压驱动组成，细胞悬浮液通过针形孔，在高压驱动使下高速运动并发生剧烈冲击，使细胞破裂。使下高速运动并发生剧烈冲击，使细胞破裂。17超声破碎法。超声波形成的空穴产生压力

11、超声破碎法。超声波形成的空穴产生压力时对微生物细胞产生冲击。时对微生物细胞产生冲击。酶溶法。微生物生长到一定阶段，即能产酶溶法。微生物生长到一定阶段，即能产生溶菌酶，将自身的细胞壁溶解。因此控生溶菌酶，将自身的细胞壁溶解。因此控制发酵悬浮液的温度、制发酵悬浮液的温度、pH等条件，即可使等条件，即可使细胞自溶。细胞自溶。183.2.2 3.2.2 包涵体的处理包涵体的处理在基因工程中作为目的产物的蛋白质常常在基因工程中作为目的产物的蛋白质常常互相交联在一起，形成不溶性聚集物，称互相交联在一起，形成不溶性聚集物，称为包涵体。存在于包涵体中的重组蛋白质为包涵体。存在于包涵体中的重组蛋白质在大多数情况

12、下不溶于水也不具备生物活在大多数情况下不溶于水也不具备生物活性，因为分子内和分子间的二硫键搭错了性，因为分子内和分子间的二硫键搭错了位置。位置。与一般微生物细胞相比，基因工程菌的细与一般微生物细胞相比，基因工程菌的细胞破碎要复杂得多。胞破碎要复杂得多。19包涵体的分离。包涵体的分离。溶菌酶法或超声波法处理溶菌酶法或超声波法处理基因工程菌，使菌体细胞破碎，经离心、基因工程菌，使菌体细胞破碎，经离心、弃上清液，得包涵体。再用蔗糖溶液、低弃上清液，得包涵体。再用蔗糖溶液、低浓度弱变性尿素缓冲液或温和的表面活性浓度弱变性尿素缓冲液或温和的表面活性剂等冲洗包涵体，清除杂蛋白、剂等冲洗包涵体，清除杂蛋白、

13、DNA、RNA和酶。和酶。包涵体的溶解。包涵体的溶解。先用变性剂（尿素）或表先用变性剂（尿素）或表面活性剂（十二烷黄酸钠）溶解包涵体，面活性剂（十二烷黄酸钠）溶解包涵体，使蛋白质肽链分离。再加入还原剂二巯基使蛋白质肽链分离。再加入还原剂二巯基苏糖醇（苏糖醇（DTT）或二巯基乙醇（）或二巯基乙醇（ME）等，）等，使二硫键可逆地断裂。使二硫键可逆地断裂。20蛋白的复性。蛋白的复性。变性蛋白质初步纯化浓缩以变性蛋白质初步纯化浓缩以后，透析除变性剂和还原剂。大部分蛋白后，透析除变性剂和还原剂。大部分蛋白质即重新折叠，被空气氧化，在正确位置质即重新折叠，被空气氧化，在正确位置上重建二硫键，恢复其活性。上

14、重建二硫键，恢复其活性。214 4 初步纯化初步纯化 4.14.1萃取萃取目标物质在发酵液或提取液中浓度较目标物质在发酵液或提取液中浓度较低，必须通过萃取把目标物质与大多低，必须通过萃取把目标物质与大多数杂质从混合物中分离出来。数杂质从混合物中分离出来。224.1.14.1.1溶剂萃取溶剂萃取通常选择萃取能力强、分离程度高的溶通常选择萃取能力强、分离程度高的溶剂。剂。用有机溶剂萃取水相中的目标组分时，用有机溶剂萃取水相中的目标组分时，应调节水相中的应调节水相中的pH值、温度、盐浓度值、温度、盐浓度等，以提高萃取效果。等，以提高萃取效果。234.1.2 4.1.2 超临界超临界COCO2 2流体

15、萃取流体萃取 超临界萃取的技术原理：超临界萃取的技术原理： 利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。在超临界状态下，将超临界流体与待分进行的。在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。 当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以控制条件得到最佳比例的混合成

16、单一的，但可以控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则完全或基本析出，从成普通气体，被萃取物质则完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，所以超临界而达到分离提纯的目的，所以超临界CO2流体萃流体萃取过程是由萃取和分离过程组合而成的。取过程是由萃取和分离过程组合而成的。 2425超临界二氧化碳萃取法特点：超临界二氧化碳萃取法特点： 二氧化碳的临界温度为二氧化碳的临界温度为31.1,临界压力临界压力7.38MPa,在一般条件下容易达到临界点在一般条件下容易达到临界点,适适合于对热不稳定的生理活性物质的萃

17、取合于对热不稳定的生理活性物质的萃取; 二氧化碳是不活泼气体二氧化碳是不活泼气体,不会着火不会着火,不起化学不起化学作用作用,对人体无害对人体无害; 高纯度的二氧化碳容易获得高纯度的二氧化碳容易获得,价格低。价格低。26如如: 用超临界用超临界CO2萃取技术提取玫瑰精萃取技术提取玫瑰精油油,然后用分子蒸馏对所得的萃取物进然后用分子蒸馏对所得的萃取物进行精分离行精分离,得到高质量的玫瑰精油得到高质量的玫瑰精油. 其他其他:蒜油、姜油、中药挥发油等蒜油、姜油、中药挥发油等 271、萃取和分馏合为一体，工艺流程简单、萃取效率高、时间短。、萃取和分馏合为一体，工艺流程简单、萃取效率高、时间短。2、萃取

18、温度相对低，适合热不稳定性物质的提取。、萃取温度相对低，适合热不稳定性物质的提取。3、不使用有毒溶剂，产品无任何溶剂残留，对人及环境友好。、不使用有毒溶剂，产品无任何溶剂残留，对人及环境友好。4、液体、液体CO2可净化、循环使用。可净化、循环使用。284.1.3 4.1.3 双水相萃取双水相萃取两种亲水性高聚物溶液混合后静止分层为两种亲水性高聚物溶液混合后静止分层为两相（双水相），生物大分子在两相中有两相（双水相），生物大分子在两相中有不同的分配而实现分离，而且生物大分子不同的分配而实现分离，而且生物大分子在上相和下相中浓度比为一常数。溶质的在上相和下相中浓度比为一常数。溶质的分配总是趋向于系

19、统能量最低的相或相互分配总是趋向于系统能量最低的相或相互作用最充分的相。作用最充分的相。常用的双水相体系有聚乙醇（常用的双水相体系有聚乙醇（PEG）/葡聚葡聚糖（糖（Dextran），），PEG/磷酸盐体系。磷酸盐体系。294.1.4 4.1.4 反胶束萃取反胶束萃取在水和有机溶剂构成的两相体系中，加入在水和有机溶剂构成的两相体系中，加入一定量表面活性剂，使之存在于水相和有一定量表面活性剂，使之存在于水相和有机相之间的界面。表面活性剂不断包围水机相之间的界面。表面活性剂不断包围水相中的蛋白质，形成直径为相中的蛋白质，形成直径为20200nm的球的球形形“反胶束反胶束”，并引导入有机相中，完成对

20、，并引导入有机相中，完成对蛋白质的萃取和分离。蛋白质的萃取和分离。反胶束萃取操作简单，萃取能力大，选择反胶束萃取操作简单，萃取能力大，选择性中等。性中等。304.2 4.2 吸附吸附正吸附：正吸附：在生物活性物质分离中常用固体在生物活性物质分离中常用固体吸附剂吸附溶液中的目的物质；吸附剂吸附溶液中的目的物质；负吸附负吸附：吸附杂质：吸附杂质314.2.1 4.2.1 普通吸附剂吸附普通吸附剂吸附普通吸附剂有活性炭、磷酸钙、白陶土、普通吸附剂有活性炭、磷酸钙、白陶土、硅藻土、聚酰胺等。硅藻土、聚酰胺等。活性炭是最常用的吸附能力很强的非极性活性炭是最常用的吸附能力很强的非极性吸附剂。吸附剂。磷酸钙

21、由浓磷酸和氢氧化钙反应制成，呈磷酸钙由浓磷酸和氢氧化钙反应制成，呈凝胶状，用以吸附目的蛋白或杂蛋白。凝胶状，用以吸附目的蛋白或杂蛋白。用普通吸附剂吸附操作简便，较少引起生用普通吸附剂吸附操作简便，较少引起生物活性物质的变性失活，但专一性较差。物活性物质的变性失活，但专一性较差。324.2.2 4.2.2 离子交换吸附离子交换吸附利用树脂上的离子性功能团与溶液中的离利用树脂上的离子性功能团与溶液中的离子进行吸附，而将呈离子状态的目的物质子进行吸附，而将呈离子状态的目的物质或杂质从溶液中分离出来。或杂质从溶液中分离出来。常见的树脂有强酸性、弱酸性、强碱性、常见的树脂有强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性

22、弱碱性4类。类。树脂的吸附能力取决于交联度、膨胀度和树脂的吸附能力取决于交联度、膨胀度和交换容量。交换容量。树脂的预处理树脂的预处理树脂可再生重复使用，该法操作简便，选树脂可再生重复使用，该法操作简便，选择性较强，应用较广。择性较强，应用较广。334.2.3 4.2.3 大网格聚合物吸附大网格聚合物吸附大网格聚合物为非离子树脂，能从低浓度大网格聚合物为非离子树脂，能从低浓度溶液中吸附有机化合物。溶液中吸附有机化合物。大网格树脂分为非极性、中极性、极性三大网格树脂分为非极性、中极性、极性三种，分别以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯和丙种，分别以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酰胺为骨架。烯酰胺为骨架。从极性溶

23、液中吸附非极性溶质应选用非极从极性溶液中吸附非极性溶质应选用非极性树脂，从非极性溶液中吸附极性溶质应性树脂，从非极性溶液中吸附极性溶质应选用极性树脂。选用极性树脂。大网格聚合物吸附操作简便，条件温和，大网格聚合物吸附操作简便，条件温和，选择性中等，有一定的应用。选择性中等，有一定的应用。344.3 4.3 沉淀沉淀 沉淀是将溶液中的目的产物或主要杂质以无定沉淀是将溶液中的目的产物或主要杂质以无定形固相形式析出再进行分离的单元操作。形固相形式析出再进行分离的单元操作。 4.3.1 4.3.1 等电点沉淀法等电点沉淀法等电点沉淀法是调节溶液等电点沉淀法是调节溶液pH值使两性溶质溶解度值使两性溶质溶

24、解度下降而析出。下降而析出。该法操作简便，成本较低，给分离体系相入的杂质该法操作简便，成本较低，给分离体系相入的杂质较少，但生物大分子即使在等电点仍有一定的溶解较少，但生物大分子即使在等电点仍有一定的溶解度，使沉淀不完全。而且许多大分子等电点很接近，度，使沉淀不完全。而且许多大分子等电点很接近，不易分离。因此等电点法应结合其他方法一起使用，不易分离。因此等电点法应结合其他方法一起使用，才能有好的效果。才能有好的效果。354.3.2 4.3.2 盐析法盐析法盐析是向溶液中加入大量中性盐，中性盐盐析是向溶液中加入大量中性盐，中性盐的离子中和生物大分子的表面电荷，破坏的离子中和生物大分子的表面电荷，

25、破坏分子外围的水化层，从而使生物大分子聚分子外围的水化层，从而使生物大分子聚集沉淀。集沉淀。所用的中性盐为硫酸铵、硫酸钠、硫酸镁、所用的中性盐为硫酸铵、硫酸钠、硫酸镁、氯化钠、磷酸二氢钠等，以硫酸铵最常用。氯化钠、磷酸二氢钠等，以硫酸铵最常用。盐析得到的沉淀可采用过滤法或离心法与盐析得到的沉淀可采用过滤法或离心法与盐溶液分离。盐溶液分离。36 4.3.3 4.3.3 有机溶剂沉淀法有机溶剂沉淀法生物大分子溶液中加入一定量的亲水性有生物大分子溶液中加入一定量的亲水性有机溶剂，使溶质的溶解度降低而沉淀析出，机溶剂，使溶质的溶解度降低而沉淀析出，即有机溶剂沉淀法。即有机溶剂沉淀法。常用的有机溶剂为乙

26、醇、丙酮、甲醇、异常用的有机溶剂为乙醇、丙酮、甲醇、异丙醇等。乙醇最常用。丙醇等。乙醇最常用。374.3.4 4.3.4 聚合物絮凝沉淀法聚合物絮凝沉淀法水溶性非离子型多聚物絮凝剂有脱水作用，水溶性非离子型多聚物絮凝剂有脱水作用，加入蛋白质溶液中可使蛋白质沉淀。加入蛋白质溶液中可使蛋白质沉淀。常用的多聚物絮凝有聚乙二醇、葡聚糖等。常用的多聚物絮凝有聚乙二醇、葡聚糖等。384.4 4.4 离心离心4.4.1 4.4.1 制备型超速离心制备型超速离心 分成普通离心机、高速离心机、超高速分成普通离心机、高速离心机、超高速离心机。离心机。4.4.2 4.4.2 密度梯度离心密度梯度离心 密度不同的物质

27、在密度梯度溶液中离心，密度不同的物质在密度梯度溶液中离心，被分布于不同位置而分离。被分布于不同位置而分离。4.4.3 4.4.3 差分离心差分离心 依次提高离心力，将各组分逐级分离和依次提高离心力，将各组分逐级分离和纯化的方法。纯化的方法。394.5 4.5 膜分离膜分离 膜分离是用不同孔径的滤膜把不同相对膜分离是用不同孔径的滤膜把不同相对分子质量和体积的物质分离开来的方法。分子质量和体积的物质分离开来的方法。4.5.1 4.5.1 透析分离透析分离实验室最常用的膜分离，能把分子量相差较实验室最常用的膜分离，能把分子量相差较大的两类物质分离开来。大的两类物质分离开来。常用的透析膜为玻璃纸、硝化

28、纤维薄膜等。常用的透析膜为玻璃纸、硝化纤维薄膜等。透析法操作简便，不需要附加压力，成本低透析法操作简便，不需要附加压力，成本低廉，应用广泛，但选择性低。廉，应用广泛，但选择性低。404.5.2 4.5.2 微滤膜分离微滤膜分离微虑膜由纤维素、聚砜、聚酰胺、全氟羧酸微虑膜由纤维素、聚砜、聚酰胺、全氟羧酸组成的管式或中空纤维式膜。组成的管式或中空纤维式膜。其膜孔径在其膜孔径在0.052.0m之间，可阻留分子之间，可阻留分子量为量为20500万的物质，所需压力在万的物质，所需压力在0.1Mpa以下。以下。适用于细菌、微粒等的分离；该法操作简单，适用于细菌、微粒等的分离；该法操作简单，但选择性较差。但

29、选择性较差。414.5.34.5.3超滤膜分离超滤膜分离超滤膜由表皮层和支撑层组成，膜孔径在超滤膜由表皮层和支撑层组成，膜孔径在0.00150.2m，截留分子量范围为，截留分子量范围为103106，所需压力为，所需压力为0.30.7Mpa，适用于大分，适用于大分子子(蛋白质、胶体等蛋白质、胶体等)与小分子与小分子(无机盐及低分无机盐及低分子有机物等子有机物等)溶液的分离；溶液的分离； 又分错流过滤和重过滤，重过滤使用较多。又分错流过滤和重过滤，重过滤使用较多。主要用于蛋白质和酶的初步纯化和浓缩，操主要用于蛋白质和酶的初步纯化和浓缩，操作简便，能耗低，效果佳，但容易造成膜污作简便，能耗低，效果佳

30、，但容易造成膜污染和浓差极化。染和浓差极化。424.5.4 4.5.4 纳滤分离纳滤分离和超滤分离极为接近，但是孔径更小，只有和超滤分离极为接近，但是孔径更小，只有（12nm），阻留的分子量），阻留的分子量100-250 。纳滤主要用于肽的分离纯化和浓缩、乳清的脱盐纳滤主要用于肽的分离纯化和浓缩、乳清的脱盐和浓缩或者食品工厂的有机废水的处理等。和浓缩或者食品工厂的有机废水的处理等。434.5.5 4.5.5 反渗透分离反渗透分离膜孔径小于膜孔径小于0.002m,阻留的分子量为阻留的分子量为600以以下下,所需压力为所需压力为1.42.0Mpa,适用于分子量适用于分子量小于小于500的低分子无机

31、物或有机物水溶液的的低分子无机物或有机物水溶液的分离。分离。 44 目前目前,所应用的膜过程还有电渗析、渗透所应用的膜过程还有电渗析、渗透气化、气体膜分离、膜控制释放、液膜分离、气化、气体膜分离、膜控制释放、液膜分离、膜传感器、膜萃取、膜分相、膜蒸馏等。膜传感器、膜萃取、膜分相、膜蒸馏等。 膜分离的特点膜分离的特点: : 膜分离过程特别适用于对热敏感的物质。膜分离过程特别适用于对热敏感的物质。 膜分离过程不发生相变化膜分离过程不发生相变化,具有冷杀菌潜势具有冷杀菌潜势, 能耗低。能耗低。 膜分离过程可用于冷法杀菌膜分离过程可用于冷法杀菌, 保持了产品的色、保持了产品的色、香、味及营养成分。香、

32、味及营养成分。45膜分离广泛，仅用压力作为膜分离的推动膜分离广泛，仅用压力作为膜分离的推动力力,因此分离装置简便因此分离装置简便,操作容易、易自控、操作容易、易自控、维修维修,且在闭合回路中运转且在闭合回路中运转,减少了空气中氧减少了空气中氧的影响。的影响。 膜分离过程对稀溶液中微量成分的回收膜分离过程对稀溶液中微量成分的回收,低低浓度溶液的浓缩是有效的浓度溶液的浓缩是有效的,且物质的性质不且物质的性质不会改变。会改变。4647485 5 精细纯化精细纯化 5.1 5.1 层析层析层析技术又叫色谱分离技术。常见的层析层析技术又叫色谱分离技术。常见的层析技术有纸层析、薄层（平板）层析、柱层技术有

33、纸层析、薄层（平板）层析、柱层析析3种。纸层析和薄层层析进样量太少，主种。纸层析和薄层层析进样量太少，主要用于定性和定量分析。柱层析进样量大，要用于定性和定量分析。柱层析进样量大，回收容易，因而主要用于分离纯化，也可回收容易，因而主要用于分离纯化，也可用于定性定量分析。用于定性定量分析。49 5.1.1 5.1.1 凝胶层析凝胶层析（1）葡聚糖凝胶层析）葡聚糖凝胶层析应用最广泛的层析固定相，商品名应用最广泛的层析固定相，商品名Sephadex，由右旋糖酐由右旋糖酐Dextran通过交联而成，干胶为坚硬通过交联而成，干胶为坚硬白色粉末，吸水后膨胀，成凝胶状。白色粉末，吸水后膨胀，成凝胶状。凝胶层

34、析时，移动相通过网状结构的葡聚糖凝胶凝胶层析时，移动相通过网状结构的葡聚糖凝胶时，小分子可进入凝胶内部空间，而大分子则被时，小分子可进入凝胶内部空间，而大分子则被排阻于凝胶相之外，在不断洗脱时大分子被首先排阻于凝胶相之外，在不断洗脱时大分子被首先洗脱胎换骨，小分子最后洗脱，就把大小分子分洗脱胎换骨，小分子最后洗脱，就把大小分子分离开。离开。使用过的凝胶可反复使用，如多次使用被污染后，使用过的凝胶可反复使用，如多次使用被污染后，应采用反冲洗洗去污染杂质。应采用反冲洗洗去污染杂质。葡聚糖凝胶常用于分离纯化蛋白质和多糖等。葡聚糖凝胶常用于分离纯化蛋白质和多糖等。50（2 2）琼脂糖凝胶层析）琼脂糖凝

35、胶层析琼脂糖是从海藻琼脂中除去带磺酸基和羧琼脂糖是从海藻琼脂中除去带磺酸基和羧基的琼脂胶后得到的中性多糖。琼脂糖经基的琼脂胶后得到的中性多糖。琼脂糖经修饰接上烷基、苯基等疏水基团，即形成修饰接上烷基、苯基等疏水基团，即形成疏水作用琼脂糖凝胶，能把溶液中不同疏疏水作用琼脂糖凝胶，能把溶液中不同疏水性的蛋白质，甚至蛋白质的不同亚基分水性的蛋白质，甚至蛋白质的不同亚基分离开。离开。琼脂糖经修饰生成双羧甲基氨琼脂糖，与琼脂糖经修饰生成双羧甲基氨琼脂糖，与过渡金属结合，形成金属螯合琼脂糖凝胶，过渡金属结合，形成金属螯合琼脂糖凝胶，即可把金属离子配位亲和力不同的蛋白质即可把金属离子配位亲和力不同的蛋白质分

36、离开来。分离开来。51（3 3）聚丙烯酰胺凝胶层析）聚丙烯酰胺凝胶层析聚丙烯酰胺为化学合成凝胶，化学稳定性聚丙烯酰胺为化学合成凝胶，化学稳定性好，机械强度好，有较高的分辨率。生物好，机械强度好，有较高的分辨率。生物凝胶的孔径度取决于交联度和凝胶浓度。凝胶的孔径度取决于交联度和凝胶浓度。凝胶层析操作简便、不需要昂贵的设备，凝胶层析操作简便、不需要昂贵的设备，分辨效果好，应用广泛，但较费时和消耗分辨效果好，应用广泛，但较费时和消耗大量溶剂。大量溶剂。52 5.1.2 5.1.2 亲和凝胶层析亲和凝胶层析亲和凝胶层析是联接在琼脂糖凝胶上的配亲和凝胶层析是联接在琼脂糖凝胶上的配基与移动相中的生物大分子

37、进行特异的可基与移动相中的生物大分子进行特异的可逆结合，从而把生物大分子分离纯化。逆结合，从而把生物大分子分离纯化。一些生物分子与另一些生物分子无论在生一些生物分子与另一些生物分子无论在生物体内还是试管里都表现出特别的的亲和物体内还是试管里都表现出特别的的亲和力。如酶和底物、酶与抑制剂、酶与辅酶、力。如酶和底物、酶与抑制剂、酶与辅酶、抗体与抗原、激素与受体蛋白等。每一组抗体与抗原、激素与受体蛋白等。每一组亲和的生物分子都互为配基。亲和的生物分子都互为配基。53亲和层析的一个重要分支是免疫亲和层析，亲和层析的一个重要分支是免疫亲和层析，它利用抗原它利用抗原-抗体的亲和反应进行酶的分离抗体的亲和反

38、应进行酶的分离纯化。纯化。免疫亲和层析除了可以分离纯化酶以外，免疫亲和层析除了可以分离纯化酶以外，还可用来分离纯化受体蛋白，即细胞表面还可用来分离纯化受体蛋白，即细胞表面能与激素、功能因子或药物发生专一结合能与激素、功能因子或药物发生专一结合的生物大分子。的生物大分子。亲和层析的分辨力高，但配基的选择和固亲和层析的分辨力高，但配基的选择和固相化比较困难，因而工业应用不如凝胶层相化比较困难，因而工业应用不如凝胶层析广。析广。54 5.1.3 5.1.3 制备型高效液相色谱制备型高效液相色谱制备型制备型HPLC是在分析型是在分析型HPLC的基础上发的基础上发展起来的。制备型展起来的。制备型HPLC

39、对层析中的样品容对层析中的样品容量、回收率、产率要求较高，而对分离和量、回收率、产率要求较高，而对分离和速度要求不高。速度要求不高。制备型制备型HPCL常用于分离肽、蛋白质、核酸常用于分离肽、蛋白质、核酸与核苷酸、多糖等。制备型高效液相色谱与核苷酸、多糖等。制备型高效液相色谱分离效果好，但设备昂贵，操作繁锁。分离效果好，但设备昂贵，操作繁锁。555.2 5.2 电泳电泳原理：蛋白质是两性大分子，在一定的原理：蛋白质是两性大分子，在一定的pH缓冲液中，蛋白质或带正电，或带负电，缓冲液中，蛋白质或带正电，或带负电，或在等电点时不带电。在电场的作用下，或在等电点时不带电。在电场的作用下，带正电荷的蛋

40、白质移向负极，带负电的蛋带正电荷的蛋白质移向负极，带负电的蛋白移向正极，处于等电点的蛋白质不移动。白移向正极，处于等电点的蛋白质不移动。就可将两性大分子分离开来。就可将两性大分子分离开来。565.2.1 5.2.1 凝胶电泳凝胶电泳常用聚丙烯酰胺凝胶电泳。不同浓度的聚常用聚丙烯酰胺凝胶电泳。不同浓度的聚丙烯酰受凝胶有不同的孔径，浓度越高孔丙烯酰受凝胶有不同的孔径，浓度越高孔径越小。两性大分子一方面受到电场作用径越小。两性大分子一方面受到电场作用而移动，一方面受到网格的阻滞作用，一而移动，一方面受到网格的阻滞作用，一边移动一边排列，形成区带，从而达到分边移动一边排列，形成区带，从而达到分离的目的

41、。离的目的。聚丙烯酰胺凝胶电泳分离效果好，时间短，聚丙烯酰胺凝胶电泳分离效果好，时间短，但操作复杂。但操作复杂。57 5.2.2 5.2.2 等电点聚焦电泳等电点聚焦电泳当载体为连续当载体为连续pH梯度时，不同蛋白质移动梯度时，不同蛋白质移动至该蛋白质等电点的至该蛋白质等电点的pH位置处，便不再移位置处，便不再移动，聚集成极窄的区带，从而达到分离的动，聚集成极窄的区带，从而达到分离的目的。目的。等电点聚焦电泳分辨率高，但操作复杂，等电点聚焦电泳分辨率高，但操作复杂，成本高，进样量小。成本高，进样量小。585.3 5.3 分子蒸馏分子蒸馏 分子蒸馏（短程蒸馏分子蒸馏（短程蒸馏 ）是一项较新的分离

42、）是一项较新的分离技术，能解决大量常规蒸馏技术所不能解技术，能解决大量常规蒸馏技术所不能解决的问题。决的问题。 分子蒸馏是一种特殊的液液分子蒸馏是一种特殊的液液分离技术，能在极高真空下操作，它依据分离技术，能在极高真空下操作，它依据分子运动平均自由程的差别，能使液体在分子运动平均自由程的差别，能使液体在远低于其沸点的温度下将其分离，特别适远低于其沸点的温度下将其分离，特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物系的分离。用于高沸点、热敏性及易氧化物系的分离。 59分子蒸馏的基本原理：分子蒸馏的基本原理：分子蒸馏是一种特殊的液分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术，它不同于液分离技术，它不同于传统蒸馏依靠沸点

43、差分离原理，而是靠不同物质分传统蒸馏依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。这里，分子运子运动平均自由程的差别实现分离。这里，分子运动自由程（用动自由程（用表示）是指一个分子相邻两次碰撞表示）是指一个分子相邻两次碰撞之间所走的路程。之间所走的路程。 当液体混合物沿加热板流动并被加热，轻、重分子当液体混合物沿加热板流动并被加热，轻、重分子会逸出液面而进入气相，由于轻、重分子的自由程会逸出液面而进入气相，由于轻、重分子的自由程不同，因此，不同物质的分子从液面逸出后移动距不同，因此，不同物质的分子从液面逸出后移动距离不同，若能恰当地设置一块冷凝板，则轻分子达离不同，若能恰

44、当地设置一块冷凝板，则轻分子达到冷凝板被冷凝排出，而重分子达不到冷凝板沿混到冷凝板被冷凝排出，而重分子达不到冷凝板沿混合液排出。这样，达到物质分离的目的。合液排出。这样，达到物质分离的目的。6061分子蒸馏器的结构及特点分子蒸馏器的结构及特点 1分子蒸馏器即在刮板蒸发器的基础上在内分子蒸馏器即在刮板蒸发器的基础上在内部安置一个冷凝器。当进料混合物受热后部安置一个冷凝器。当进料混合物受热后某轻物质分子运动至一定距离时碰到冷凝某轻物质分子运动至一定距离时碰到冷凝器即被凝结成液体分离出来，重物质而沿器即被凝结成液体分离出来，重物质而沿器壁流下。器壁流下。 2 操作温度远低于物料的沸点：操作温度远低于

45、物料的沸点： 由分子蒸由分子蒸馏原理得知，混合物的分离是由于不同种馏原理得知，混合物的分离是由于不同种类的分子逸出液面的平均自由程不同的性类的分子逸出液面的平均自由程不同的性质来实现的，并不需要沸腾，所以短程蒸质来实现的，并不需要沸腾，所以短程蒸馏是在远低于沸点的温度下进行操作的。馏是在远低于沸点的温度下进行操作的。 623 受热时间短：受热时间短： 由分子蒸馏原理知，受加热的液面与冷凝面由分子蒸馏原理知，受加热的液面与冷凝面间的距离要求比轻分子的平均自由程短，由间的距离要求比轻分子的平均自由程短，由液面逸出的轻分子，几乎未经碰撞就到达冷液面逸出的轻分子，几乎未经碰撞就到达冷凝面，所以受热时间

46、很短。另外，混合液体凝面，所以受热时间很短。另外，混合液体呈薄膜状，使液面与加热面的面积几乎相等，呈薄膜状，使液面与加热面的面积几乎相等，这样物料在蒸馏中受热时间就变得更短。对这样物料在蒸馏中受热时间就变得更短。对其他蒸馏而言，受热时间一般较长（其他蒸馏而言，受热时间一般较长（30分钟分钟以上），而短程蒸馏仅为十几秒。以上），而短程蒸馏仅为十几秒。63分子蒸馏的条件是：分子蒸馏的条件是： 残余气体的分压必须很低，使残余气体的残余气体的分压必须很低，使残余气体的平均自由程长度是蒸馏器和冷凝器表面之平均自由程长度是蒸馏器和冷凝器表面之间距离的倍数。间距离的倍数。 在饱和压力下，蒸汽分子的平均自由程

47、长在饱和压力下，蒸汽分子的平均自由程长度必须与蒸发器和冷凝器表面之间距离具度必须与蒸发器和冷凝器表面之间距离具有相同的数量级。有相同的数量级。 64实际应用中的优势实际应用中的优势 ：分子蒸馏真空度高，操作温度低和受热时分子蒸馏真空度高，操作温度低和受热时间短，对于高沸点和热敏性及易氧化物料间短，对于高沸点和热敏性及易氧化物料的分离，能极好地保证物料的天然品质。的分离，能极好地保证物料的天然品质。 分子蒸馏不仅能有效地去除液体中低分子分子蒸馏不仅能有效地去除液体中低分子物质，如：有机溶剂、臭味等，而且有选物质，如：有机溶剂、臭味等，而且有选择地蒸出目的产物，去除其它杂质，因此择地蒸出目的产物，

48、去除其它杂质，因此被视为天然品质的保护者和回归者。被视为天然品质的保护者和回归者。 分子蒸馏能实现传统分离方法无法实现的分子蒸馏能实现传统分离方法无法实现的物理过程，因此，在一些高价值物料的分物理过程，因此，在一些高价值物料的分离上被广泛用作脱臭、脱色及提纯的手段。离上被广泛用作脱臭、脱色及提纯的手段。 6566主要内容主要内容1 1 概述概述2 2 原料与预处理原料与预处理3 3 固液分离和细胞破碎固液分离和细胞破碎4 4 初步纯化初步纯化5 5 精细纯化精细纯化6 6 成品加工成品加工7 7 案例案例676 6 成品加工成品加工经过分离纯化得到的高纯度和较高浓度的经过分离纯化得到的高纯度和

49、较高浓度的溶液，可以制备成各种口服液或输液等成溶液，可以制备成各种口服液或输液等成品，也可以作为半成品，进一步加工成精品，也可以作为半成品，进一步加工成精细食品、药品和化妆品。细食品、药品和化妆品。686.1 6.1 结晶结晶 结晶是固体物质以晶体形态从溶液中析结晶是固体物质以晶体形态从溶液中析出的过程。结晶是同类分子或离子进行规出的过程。结晶是同类分子或离子进行规则排列的结果，只有当溶质在溶液中达到则排列的结果，只有当溶质在溶液中达到一定纯度和浓度要求后方能形成晶体，而一定纯度和浓度要求后方能形成晶体，而且纯度越高越容易结晶。且纯度越高越容易结晶。 结晶过程分为结晶过程分为3个步骤：个步骤：

50、过饱和溶液的形成过饱和溶液的形成晶核的生成晶核的生成晶体的生长晶体的生长696.2 6.2 浓缩浓缩浓缩用于提高液相中溶质的浓度，为结晶浓缩用于提高液相中溶质的浓度，为结晶和干燥做准备。和干燥做准备。对于热稳定的目的产物可用常规的水浴常对于热稳定的目的产物可用常规的水浴常压蒸发、减压蒸发等。压蒸发、减压蒸发等。对于热不稳定的生物大分子通常采用冷冻对于热不稳定的生物大分子通常采用冷冻浓缩、葡聚糖凝胶浓缩、聚乙二醇浓缩、浓缩、葡聚糖凝胶浓缩、聚乙二醇浓缩、超滤浓缩等。超滤浓缩等。706.3 6.3 干燥干燥6.3.1 6.3.1 气流干燥气流干燥是固体流态化干燥方法，把呈泥状、粒状或小块是固体流态

51、化干燥方法，把呈泥状、粒状或小块状的湿物送入热干燥介质中，物料在运动中与热状的湿物送入热干燥介质中，物料在运动中与热介质一起进行热交换，得到粉粒状干燥产品。介质一起进行热交换，得到粉粒状干燥产品。6.3.2 6.3.2 喷雾干燥喷雾干燥用压缩空气将溶液自喷嘴以用压缩空气将溶液自喷嘴以1015m雾雾滴形式滴形式喷喷入温度入温度为为120的干燥室，在的干燥室，在1540s内雾滴被内雾滴被干燥为细粉。干燥为细粉。6.3.3 6.3.3 冷冻干燥冷冻干燥冷冻干燥是在低于水的三相点压力下进行的干燥冷冻干燥是在低于水的三相点压力下进行的干燥。717 7 案例案例蛋白质和肽蛋白质和肽酶酶核酸核酸糖类糖类脂类

52、脂类72许多蛋白质和多肽对人体的生理活动具有许多蛋白质和多肽对人体的生理活动具有调节作用调节作用,如细胞生长刺激因子（白细胞介如细胞生长刺激因子（白细胞介素、神经生长因子、表皮生长因子、细胞素、神经生长因子、表皮生长因子、细胞集落刺激因子）和细胞生长抑制因子（如集落刺激因子）和细胞生长抑制因子（如干扰素、肿瘤坏死因子、转化生长因子等）。干扰素、肿瘤坏死因子、转化生长因子等）。获得活性肽的途径有三种：获得活性肽的途径有三种：1）从天然生物体中提取天然活性肽）从天然生物体中提取天然活性肽2）在消化过程中产生的或体外水解蛋白质产）在消化过程中产生的或体外水解蛋白质产生生3）通过化学方法、酶法、重取）通过化学方法、酶法、重取DNA技术合成技术合成73