低共熔双水相体系在C-PC和重组Grx分离中应用

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低共熔溶剂(Deep Eutectic Solvents,DES)是一类与离子液体(Ionic Liquids,IL)具有相似理化性质和相行为的溶剂,是由氢键供体和氢键受体合成的具有蒸气压低、可设计性强、成本低和可回收性强等优点的绿色溶剂,作为环境友好型溶剂被广泛的应用在催化反应、电化学和萃取分离等领域。传统的分离纯化技术在部分能够获得高品质目标物的同时,存在成本高、操作繁琐和污染环境等问题,使其应用在其他活性物质分离纯化的过程中受到了阻碍,难以满足绿色化学的需求。因此,构建一种可循环、经济和绿色分离高品质生物活性物质的体系,具有重要科学研究意义和实际应用价值。本研究基于DES的理化特性,构建了低共熔溶剂双水相体系(Deep Eutectic Solvents-Aqueous Two-Phase System,DES-ATPS),开展其在C-藻蓝蛋白(C-phycocyanin,C-PC)和重组谷氧还蛋白(Glutaredoxin,Grx)萃取分离的应用研究,研究内容包括以下几个方面:使用氯化胆碱作为氢键受体与作为氢键供体的甘油、尿素、D-(-)-果糖、D-(+)-葡萄糖和乙二醇合成5种DES,并通过红外光谱仪表征DES,谱图结果表明DES皆存在氢键结构。利用K2HPO4与合成的DES构建5种DES-ATPS。双水相的成相规律结果显示,随着DES的用量增加,上下相体积比呈线性增加,斜率为1.3878,而改变盐浓度时,得到了相反的趋势。以上结果为构建稳定的DES-ATPS应用于生物活性物质的萃取奠定了基础。本研究以钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)为原料,通过反复冻融法获得纯度为1.275的C-PC粗提取液。利用不同的DES-ATPS萃取C-PC,发现氯化胆碱-尿素为最佳萃取体系,且在单因素实验优化获得的最佳萃取工艺参数(DES 3.25 g、K2HPO4 0.90 g m L-1、萃取时间2 h和Na Cl添加量2%)下,C-PC的纯度和回收率分别为3.383和65.64%。经过四次萃取后,C-PC的纯度达到分析级别(4.1),回收率为64.93%,电泳检测具有该蛋白的α和β亚基。DES可回收性研究结果表明,在第五次循环后仍有纯化C-PC的能力。利用多种表征手段探究DES-ATPS萃取C-PC的机理,结果表明DES-ATPS能够提供温和的萃取环境,并且聚集作用是萃取C-PC的主要驱动力。以实验室构建的重组Grx菌株为材料,利用超声破碎法制备蛋白粗提悬浊液,探究DES-ATPS萃取重组Grx的能力。通过计算重组Grx的酶活性、分配系数和其对上下相的选择性,筛选出了氯化胆碱-甘油为最佳萃取体系,发现重组Grx分配到下相,而细胞碎片分配到富含DES的上相。利用单因素试验确定最佳萃取工艺为:3.25 g的DES,5 m L的1.00 g m L-1的K2HPO4,12 h的萃取时间和0%Na Cl的添加量,并获得了对下相选择性为15.50的重组Grx。SDS-PAGE电泳结果表明,萃取后的重组Grx的分子质量约为9.8 k Da,表明DES-ATPS能够从细胞碎片及包涵体中回收有活性的重组Grx。本研究利用DES-ATPS分别萃取了两种海洋生物活性蛋白,初步实现两种活性物质有效分离,并具有经济、温和、简单和绿色的分离技术特点,这些研究表明,基于DES的ATPS将在分离生物活性物质的领域具有潜在的应用价值。
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