泡沫分离技术及其在蛋白分离中的应用
03级硕士 高强 食 品 学 院
摘要：本文主要介绍了泡沫分离技术的原理、研究方法、影响因素及其应用状况，并对
存在的问题和前景作了叙述。
关键词：泡沫分离 吸附 水溶液
泡沫分离是20世纪初发现的一种新的分离技术,它是基于表面吸附的原理而对表面活性物质进行的分离。泡沫分离的过程是在泡沫分离柱的底部通入某种气体或使用某种装置产生泡沫,收集泡沫就得到了某种产物的浓缩液。下面本文将就泡沫分离技术及其在蛋白质分离中的应用作一个简单介绍。 1 泡沫分离方法的优点：
(1)它特别适合于对低浓度的产品进行分离,如低浓度的酶溶液,用常规的方法进行沉淀是行不通的,如果使用泡沫法对产品先进行浓缩,就可以用沉淀法进行提取。 (2)分辨率高。 (3)富集率高。
(4)运行成本低,由于此过程不使用无机盐或有机溶剂,仅仅是有一些动力消耗,它的运行成本一般要比其它方法低。 (5)操作简便。
2 泡沫分离法的分离器形式
泡沫分离法实验用的泡沫分离器材料主要有玻璃和有机玻璃，形式多为柱状分离塔。气体分布形式有压力溶气式和气体分散式。气体分散式分离塔底部装有气体分布器；塔顶有泡沫排出口；连续式分离器还有进料口、塔底排液口。分离塔的直径一般为3～8cm，塔高80～120cm。一般高径比大于10，以减少轴向返混并提供足够的气液接触时间。离子浮选、矿物浮选用的是选矿机。 3 泡沫分离的研究方法
对泡沫分离的研究主要有两种途径：
3.1 分离条件实验主要研究对泡沫分离的影响因素，诸如：表面活性剂类型，浓度，pH，离子强度，气速，如果是连续分离方式还有进料浓度等。
3.2 分离器设计实验研究分离器的形式对分离的影响，要考虑进料口位置，鼓泡区高度，泡沫区高度，气体分布器孔径等。对于蛋白质等生物大分子,它主要根据2个机理进行分离：(1)表面吸附机理,很多蛋白质分子具有较强的表面活性,它可以在泡沫的气液界面吸附。(2)泡沫水分外排机理,即泡沫层中的泡沫上升过程中水分和蛋白质都会从泡沫中流出,但蛋白质的流出速度比水的流出速度要慢,这使得蛋白质在泡沫中富集,同时小泡沫之间的合并也促使水分流出,这也有利于蛋白质的富集。 4 影响泡沫分离的主要因素
评价泡沫分离方法的效果,主要是要看泡沫分离的富集率、分离率和回收率,一般而言,影响这3个参数的因素主要有以下几项： 4.1蛋白质浓度
对于只有一种蛋白质的溶液,该蛋白质在气液界面处的吸附可以用Gibbs等温吸附方程描述：Γ=－Ｃ/ＲＴ*ｄγ/ｄＣ
式中：Γ—蛋白质的表面过剩吸附量ｍｏｌ/ｍ2；
Ｃ—蛋白质的浓度(ｍｏｌ/ｍ3)；γ—溶液的表面张力Ｎ/ｍ。当蛋白质处于临界胶束浓度以下时,ｄγ/ｄＣ<0,则Γ>0,即蛋白质可以在气液界面吸附。根据以上分析,可以推测,如果溶液中的蛋白质浓度低于临界胶束浓度,则蛋白质可以在气液界面处吸附,用泡沫法非常有利于浓缩蛋白；如果浓度高于临界胶束浓度,蛋白质在气液界面处无法通过吸附原理富集,这会影响泡沫分离的效果。很多研究都证明低浓度物质的富集率比较大,这说明,该方法的使用范围更适合于低浓度表面活性物质的分离纯化。一般而言,液体中要分离的蛋白质或酶的浓度是很低的,因此可以用该方法对溶液进行预处理,从而有利于后续工作的进行。 4.2 ｐＨ值
蛋白质是一种两性电解质,当处于等电点时,分子所带的电荷为零,此时,分子表现出一些特殊的理化性质,如分子间斥力减小,溶解度降低,这有助于蛋白质在气液界面处吸附,而且,一般而言,当蛋白质处于等电点时,蛋白质的表面活性增强,在溶液中表现出较好的发泡
能力,这也有助于蛋白质在泡沫中的富集。 4.3 气速
气速过高,产生泡沫的量就会增加,因而泡沫在分离柱中的停留时间就会减少,停留时间减少,泡沫的液膜层中的水分来不及流出泡沫就冲出了分离柱,结果导致泡沫中要分离蛋白的浓度下降。相反在气速比较低的时候,则有利于分离的进行。具体到某种蛋白质,到底要采取多大的气速则要视具体条件而定。 4.4 泡沫层高度。
蛋白质在泡沫层中至下而上浓度是渐次升高的,这是因为,泡沫层上层的泡沫停留时间较长。前面已经论述过,停留时间延长,泡沫中的水分自然流出和泡沫之间的合并都会导致泡沫的含水量降低而有利于增加泡沫中蛋白质的浓度。Grhle、Uraizee在研究ＢＳＡ的连续泡沫分离时,都证明了这一点。随着泡沫层高度的增加,富集率和分离率都增加。 4.5 泡沫大小。
从理论上来讲,小泡沫比大泡沫具有更多的优势,这是因为：①小泡沫的上升速度慢,有利于促进蛋白质的吸附；②小泡沫的夹带能力比大泡沫强；③泡沫层的上升过程中,小泡沫之间合并生成大泡沫,在此过程中伴随着蛋白质的富集。小泡沫携带的液体量和表面积都较大,一般而言,这有助于提高分离率和回收率,但不利于提高富集率。Brown在研究ＢＳＡ的泡沫分离时,发现大泡沫有助于提高富集率,这可能是因为大泡沫中的水分流出更快的原因。不过,泡沫大小不是影响富集率的决定因素。此外,还有一些条件也可能会影响到泡沫分离,如气体种类、其它杂质、离子强度等。 5 泡沫分离法的应用研究现状 5.1 对固体粒子的分离
由于分离对象是带有固体粒子的悬浮液、胶体液，所以通过选择合适的捕收剂使矿物获得疏水性，再加人适量起泡剂，采用空气鼓泡，利用矿石粒子和脉石粒子性质上的差异，使脉石下沉，矿石随气泡浮出而得以分离，其最终产物是固体粒子。 5.2对溶液中的离子、分子的分离
分离对象是真溶液，是一种通过鼓泡将具有表面活性的物质，或不具有表面活性但具
有与表面活性物质结合的物质带出，从而实现分离的方法。不具有表面活性的物质可以以离子对或分子的形式被泡沫带出。但是与萃取浮选相比，Valsaraj等认为泡沫分离更适用于分离离子型物质囚。Chiu等认为非离子的有机物如果可以被萃取浮选法很好分离，泡沫分离法也是适合的。Moussavi在对氰根离子的分离中认为，泡沫分离法不仅对具有表面活性的物质有效，对非表面活性的物质也可能。只要复合物是疏水的，因为泡沫存在双电层结构(其结构类似胶体)，复合物就会被静电力吸附在泡沫上。待分离溶质与表面活性剂亲水基团的亲和受溶剂水的水化作用及各种离子干扰竟争作用的影响，只有能与表面活性剂有较强亲和力的溶质才能被较好的分离。 5.3 对蛋白质、细胞等生物产品的分离
这项工作最早开展于1937年Ostwald和Sierh从马铃薯和甜菜汁中分离蛋白。对生物物质的分离与矿石、离子、分子有很大差别，生物物质(如细胞等)受培养基成分及外界条件影响很大，同种细胞在不同培养条件下，浮选条件和效率也不一样。浮选效率受静电力的影响很大，而这种力又受细胞和气泡的ζ电位控制，当颗粒和气泡的ζ电位最小时，浮选有最高效率。 6 泡沫分离法展望
目前泡沫分离法的主要问题是对泡沫本身的研究结果少，泡沫的许多性质仍不清楚，实验结果的适用范围还局限在特定体系。由于构成泡沫的表面活性剂含量极低，约为PPM级，通常的分析仪器无法直接测量，而泡沫又是非稳定体系，使测量的难度更大。但随着分析技术的提高，泡沫分离技术必将在稀溶液的分离、有价物质的回收方面有更加广泛的应用。
参考文献：
[1]常志东，刘会洲，陈家锗.泡沫分离法的应用与发展.综述与进展.1999，（5）：18-22 [2]刘志红，刘铮，丁富新等. 用泡沫分离法浓缩和分离蛋白质（1）.1997，37（12）：50-54 [3]刘志红，刘铮，丁富新等. 用泡沫分离法浓缩和分离蛋白质（2）.1998，38（6）：20-22