浓缩是蛋白质生产中的重要环节之一,影响着产品的质量和生产成本。目前浓缩蛋白质的主要方法包括加热蒸发、冷冻干燥、超滤、沉淀分离等,这些方法除了耗能耗时之外,还有可能因为高温、低温或溶剂毒性损害蛋白质的活性。采用凝胶吸附分离法进行蛋白质溶液浓缩,具有能耗低、操作简便、对蛋白活性损害低等明显优点。本文基于传统聚丙烯酰胺、聚丙烯酸类高吸水凝胶的基础上进行合成改性,制备具有温度敏感性能的系列智能水凝胶,并利用这一温敏特性,探索将凝胶用于蛋白质浓缩的影响因素和工艺条件,旨在获得无损蛋白质活性的情况下,具有较高浓缩效率的水凝胶吸附分离材料。基本内容及结果如下：(1)采用自由基聚合方法制备得到聚丙烯酰胺(PAM)、聚(丙烯酰胺-丙烯酸)(PAM-AA)二元共聚系列凝胶、聚(丙烯酰胺-丙烯酸-N-异丙基丙烯酰胺)(PAM-AA-NIPAM)三元共聚温敏系列凝胶。采用红外光谱(IR)和扫描电镜(SEM)对合成样品进行了结构表征和形貌分析。通过调节聚合工艺里的各项参数,得到具有高吸水能力的凝胶产品,具有最大平衡溶胀度凝胶配方为单体配比AM:AA=1:1一组,其吸水量达到786 g/g；研究了合成凝胶的溶胀动力学,发现所有凝胶的溶胀过程均在初始阶段满足一级动力学方程,在扩展溶胀阶段满足二级动力学方程,通过拟合计算结果与实际平衡溶胀度基本一致,半溶胀时间比较为：三元共聚凝胶<PAM凝胶<二元共聚凝胶。具有最快溶胀平衡的凝胶配方为单体配比AM:AA:NIPAM=2.2:2.2:0.6一组,半溶胀时间为1.4 h。(2)采用差示扫描量热法(DSC)对系列凝胶湿状态下进行含水状态分析。结果表明凝胶开始吸水时,进入凝胶的水分子被高分子链以氢键的方式束缚形成不可冻结的结合水,形成第一水化层,待其饱和后,进入凝胶中的水以中间态形式排列形成第二水化层,最外层则是大量的自由水分子。通过计算得到,代表性均聚PAM凝胶、二元共聚凝胶和三元共聚凝胶不可冻结水的饱和值分别为0.9 g/g、1.4 g/g和1.1g/g。(3)对合成的系列三元共聚凝胶进行了温敏性测试。实验结果表明,三元共聚凝胶具有明显的温度响应性。温敏单体NIPAM的含量越高,凝胶体系的温度响应性越明显。当温度在温敏单体的相转变温度附近变化时,三元共聚凝胶具有良好的温敏重复性,经过预溶胀的凝胶在第二次溶胀时能达到更大的平衡溶胀度。(4)选择分子量具有明显差异的牛血清蛋白(Bovine serum albumin, BSA)、胃蛋白酶(Pepsin)和胰蛋白酶(Trypsin)作为目标蛋白,对所制备的凝胶进行浓缩性能测试。采用直接浓缩的方法,对同种凝胶而言,浓缩效果：BSA>胃蛋白酶>胰蛋白酶；对同种蛋白质而言,浓缩效果：二元共聚凝胶>三元共聚凝胶>PAM凝胶。浓缩效果最优的一组是使用AM:AA=1:1的二元共聚凝胶,加量为0.01 g凝胶/100 mL蛋白质溶液时,可将10-5mol/L的牛血清蛋白溶液浓度提升至5.16×10-5mol/L。利用三元共聚凝胶的温敏性能,对三元系列凝胶采用“高温吸附-低温释放”的特殊方法进行浓缩性能测试,该方法在凝胶加量极少的情况下(0.01 g凝胶/100 mL蛋白质溶液),分别能将初始浓度为10-5mol/L的BSA、胃蛋白酶、胰蛋白酶溶液分别浓缩至2.66×10-5、3.72×10-5、4.36×10-5mol/L,浓缩效果高于直接浓缩方法,并远高于文献中同类型的浓缩剂(0.24 g凝胶/100 mL蛋白质溶液,浓缩倍率仅为4.2倍)。(5)采用SEM、溶胀动力学分析、DSC分析方法研究了凝胶在去离子水和在蛋白质溶液中溶胀的区别,通过数据分析解释蛋白质分子与水分子在凝胶表面聚集、进入凝胶内部并占据结构孔洞的能力这两方面的竞争性。蛋白质分子量越低,浓度越高,则对水分子扩散进入凝胶的竞争影响越大。