硫酸多黏菌素E水溶液的表面张力和泡沫性能的研究(一)

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作者：孟杰 刘桂敏 赵艳丽 卢珂 吴兆亮

【摘要】 探讨泡沫分离技术有效应用于生物分离过程，指出被分离的生物表面活性物质在体系中的性能研究的重要性。本文以硫酸多黏菌素E水溶液为体系，研究硫酸多黏菌素E浓度、杂蛋白、无机离子、pH值和温度对硫酸多黏菌素E溶液表面张力和泡沫性能的影响，为硫酸多黏菌素E实现泡沫分离提供依据。

【关键词】 硫酸多黏菌素E； 表面张力； 泡沫性能； 泡沫分离

ABSTRACT To investigate the easible application of biomolecule purification by the foam separation process. Polymyxin E sulfate solution was subjected as an example being applied to this process development. The influence determinants such as the concentration of polymyxin E sulfate, heterogeneous proteins which contained in the fermentation broth, inanic ions, pH value and temperature, all were closely related to surface tension and foaming properties were studied. Experimental evidences were proposed for the suessful application of foam separation process in the fields of antibiotics and biopharmaceuticals.

KEY WORDS Polymyxin E sulfate; Surface tension; Foam properties; Foam flotation

泡沫分离技术是近30年来发展较快的新分离技术之一，它主要是利用气体在溶液中分布产生气泡,通过气液界面间溶质传递或界面吸附达到分离或浓缩目的〔1〕。该方法设备简单，分离成本低，对环境污染小，近几年引起更多研究者的关注〔2，3〕，特别是具有生物表面活性物质的泡沫分离技术〔4，5〕。将泡沫分离技术有效应用生物分离过程，除分离设备结构和操作工艺外，被分离的生物表面活性物质在体系中的性能，特别是表面张力和泡沫稳定性能研究非常重要。

硫酸多黏菌素E是一种多肽类抗生素〔6〕，是生物表面活性物质，具有使用泡沫分离技术进行分离提纯的潜能，目前还未见泡沫分离硫酸多黏菌素E的文献报道。本文以硫酸多黏菌素E水溶液为体系，研究影响表面张力和泡沫稳定的因素和变化规律，为泡沫分离技术更好地应用于硫酸多黏菌素E和其它生物表面活性物质提供依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂 硫酸多黏菌素E(中国兽医药品检查所提供，批号K02700902，效价19536u/mg)；蛋白胨(BR级)、HCl(AR级)和NaCl(AR级)等。

仪器 微控自动界面张力仪、罗氏泡沫仪和恒温水浴槽等。

1.2 硫酸多黏菌素E溶液表面张力的测定

准确称取一定量的硫酸多黏菌素E若干份，分别以去离子水、蛋白胨溶液、NaCl溶液、酸碱液为溶剂配制成不同浓度的溶液，利用微控自动界面张力仪测定各溶液的表面张力，研究浓度、杂蛋白、无机离子、pH值、温度对硫酸多黏菌素E溶液表面张力的影响。

1.3 硫酸多黏菌素E溶液泡沫高度及稳定性的测定 采用Ross-Miles法测定各溶液的泡沫高度及半衰期，主要考察浓度、杂蛋白、无机离子、pH值、温度对硫酸多黏菌素E起泡性及泡沫稳定性的影响。

2 结果与讨论

2.1 硫酸多黏菌素E浓度

在温度25℃，pH7.0，研究硫酸多黏菌素E去离子水溶液浓度和表面张力及泡沫性能的关系，结果见图1。

图1结果表明，随着硫酸多黏菌素E浓度的增大，溶液的表面张力减小，变化呈现两种规律：在硫酸多黏菌素E浓度为0.5g/L以前，浓度增大造成表面张力迅速降低；浓度继续增大，表面张力则基本保持不变。由此可见，硫酸多黏菌素E可以显著降低水的表面张力，并能够较快地在溶液表面达到饱和吸附。其在水中的临界胶束浓度为0.5～0.6g/L。

硫酸多黏菌素E的起泡高度和半塌时间也与其浓度正相关，但与浓度与表面张力关系不同的是其起泡性能不受临界胶束浓度的影响。

2.2 溶液的pH

硫酸多黏菌素E是一种多肽类抗生素，等电点对它的表面张力和泡沫性能的影响不容忽视〔5〕。在25℃，测量不同pH，质量分数为0.6g/L的硫酸多黏菌素E溶液的性能，关系曲线见图2。

图2结果表明，在pH2.5和5.0附近硫酸多黏菌素E的表面张力和泡沫性能均出现极大值，这刚好处于硫酸多黏菌素E的等电点处。蛋白质在等电处所带电荷为零，此时分子间斥力减小，溶解度降低，有助于表面活性剂在气液界面的吸附〔5〕，起泡性增加。由此可见，表面张力对溶液的起泡性有重要影响，表面张力减小有助于溶液起泡性能的增强。修志龙〔7〕等的研究中都验证pH值对泡沫分离有明显的影响。

2.3 温度

温度是影响溶质溶解性和溶液黏度的重要因素，对溶液的表面张力及泡沫性能也有着重要影响。测量温度对pH7.0，质量分数为0.6g/L的硫酸多黏菌素E溶液表面张力和泡沫性能的影响。研究结果见图3。

图3结果表明，随温度的升高，硫酸多黏菌素E溶液的表面张力、起泡性和稳定性显著降低。这是因为温度的升高导致表面活性剂溶液黏度和吸附阻力降低，加快了溶质运动速度，使表面张力下降。同时，随着温度的升高，起泡剂溶解性增加，在气液界面上吸附量和膜强度减小，膜间液相黏度降低，液膜排液速度加快，造成泡沫稳定性下降〔8〕。这与上面得出的表面张力越低，泡沫性能越好并不矛盾。并且表面张力只有在气泡膜强度较高时才对泡沫稳定性有较大的影响，而最上面的泡膜上侧总是向上凸的〔9〕，这种弯曲膜对蒸发作用很敏感，温度越高蒸发越快，膜强度下降，泡沫的破裂越快，稳定性也越差，有可能导致泡沫无法维持而使得起泡高度变小。