L-脯氨酸在732阳离子交换树脂上的吸附性能研究

曹稳根，曹玉瑶，王　志（宿州学院生物与食品工程学院，安徽宿州234000）



L-脯氨酸在732阳离子交换树脂上的吸附性能研究

曹稳根，曹玉瑶，王志
（宿州学院生物与食品工程学院，安徽宿州234000）

摘要：通过静态吸附和动态吸附与解吸附试验研究L-脯氨酸在732阳离子交换树脂的最佳吸附条件和影响因素，为L-脯氨酸在732阳离子交换树脂吸附分离提供科学的实验依据.结果表明，静态吸附最佳条件：25℃时，在L-脯氨酸溶液浓度为50 μg/mL、体积为150 mL、pH为6的条件下，静态吸附平衡时间为15 min，吸附率为83.61%，无机盐的存在导致吸附率迅速下降.动态吸附与解吸附的最佳条件：25℃时，在L-脯氨酸上样液浓度25 μg/mL、体积20 mL、流速1 mL/min、pH为6的条件下，吸附率为82.83%；氨水洗脱浓度1.5 mol/L、体积50 mL、流速3 mL/min、pH为6的条件下，解吸率为92.22%.732阳离子交换树脂对L-脯氨酸具有良好的吸附性能.

关键词：L-脯氨酸；732阳离子交换树脂；吸附；解吸附

L-脯氨酸（L-proline，简称L-Pro）是含亚氨基的中性氨基酸，是构成蛋白质的20种基本氨基酸之一，为人体非必需氨基酸.L-Pro具有优良的生物活性，在医药、化工、农业及食品等方面有着广泛的用途，尤其在医药上是许多合成新药的中间体，日益受到人们的重视［1-2］.L-Pro为两性电解质，在不同的pH溶液中，以不同的离子形式存在.因此可以被阳离子或阴离子交换树脂所吸附，选择适当的条件就可将L-Pro与其他氨基酸和杂质分离开来.发酵液中氨基酸的分离纯化主要采用离子交换法［3-6］，本文通过静态吸附和动态吸附与解吸附试验研究L-Pro在732阳离子交换树脂上吸附性能，旨在为L-Pro在732阳离子交换树脂吸附分离提供科学的实验依据.

1　实验部分

1.1仪器与试剂

U3310紫外分光光度计（日立Hitachi公司）；HZQ-X300恒温振荡器（上海恒科技有限公司）；PHS-3CT型精密酸度pH计（上海精贤科技有限公司）.

酸性茚三酮溶液：称取1.25 g茚三酮溶于30 mL冰乙酸和20 mL 2 mol/L磷酸溶液中，70℃下加热搅拌溶解，冷却后置棕色试剂瓶中，4℃保存备用［7］；L-Pro标准品（美国sigma公司）；732阳离子交换树脂（上海谷研试剂有限公司）；其他试剂为分析纯，实验用水为纯水.

1.2树脂的预处理

先用足量的无水乙醇浸泡732阳离子交换树脂，振荡24 h后纯水洗至无醇味；接着用2～3倍量的2 mol/L HCl浸泡24 h后，纯水反复漂洗至中性；再用同样体积2 mol/L NaOH浸泡24 h后，纯水反复漂洗到中性.最后再用2～3倍量的2 mol/L HCl浸泡24 h后，用纯水反复漂洗至中性，抽滤烘干后4℃保存备用［8］.

1.3L-Pro浓度的测定［7］

准确配制0.1 mg/mL的L-Pro标准溶液，分别移取1 mL、2 mL、3 mL、4 mL、5 mL、6 mL置于10 mL的容量瓶中，纯水定容后依次得到浓度为10 μg/mL、20 μg/mL、30 μg/mL、40 μg/mL、50 μg/mL、60 μg/mL的L-Pro溶液.接着各取上述不同浓度的L-Pro溶液2 mL于6支比色管中，依次加入2 mL酸性茚三酮溶液和2 mL冰醋酸，摇匀后沸水浴加热40 min.冷却后纯水定容至10 mL.以纯水为参比，于波长515 nm处测定吸光度值.标准曲线的线性回归方程为：y=0.075 8x+0.090 7，r=0.999 7.该法适用于分析浓度范围为2～12 μg/mL的L-Pro溶液.

1.4静态吸附试验

准确称取一定量处理过的树脂置于锥形瓶中，加入一定浓度和体积的L-Pro溶液在不同实验条件下进行振荡吸附，每隔一定时间后移取2 mL溶液来测定L-Pro溶液吸附后的浓度.按下列公式分别计算LPro的吸附率和吸附量.

吸附率E=［（C0-C）/C0］×100% （1）

吸附量Q=［（C0-C）V0］/m（2）

式中：E为吸附率（%）；C0为L-pro溶液的初始浓度（μg/mL）；C为吸附后L-Pro的浓度（μg/mL）；Q为树脂的吸附量（μg/g）；V0为原始溶液的体积（mL）；m为处理的树脂质量（g）.

1.5动态吸附与解吸试验

将处理过的732阳离子交换树脂1 g湿法装柱，控制流速加入一定浓度、pH和体积的L-Pro溶液进行动态吸附.定容接取流出液，按1.3的方法测定L-Pro吸附后浓度，再按1.4公式计算的吸附率和吸附量.控制流速向饱和吸附柱加入一定浓度、pH和体积的氨水进行解吸附.定容接取解吸液，按1.3的方法测定L-Pro解吸液浓度，按下列公式分别计算L-Pro的解吸率.

解吸率E′=（C1×V1）/（C0-C）×V×100% （3）式中：E′为解吸率（%）；C1为L-Pro解吸液浓度（μg/mL）；V1为解吸液体积（mL）.

2　结果与讨论

2.1静态吸附

2.1.1吸附速率曲线的绘制

移取pH为6、浓度为50 μg/mL的L-Pro溶液150 mL置于含有1 g处理过树脂的锥形瓶中，在温度25℃、转速150 r/min的条件下进行振荡吸附，每隔一定时间移取2 mL溶液参照1.3的方法测定L-Pro吸附后浓度，按公式（1）计算吸附率.以时间为横坐标，吸附率为纵坐标绘制的吸附速率曲线见图1.由图1可见，732阳离子交换树脂对L-Pro具有良好的吸附性能，吸附速度快，15 min后达到吸附平衡，吸附率为83.61%.

图1　L-Pro吸附速率曲线　

图2　pH值对吸附率的影响

2.1.2pH值对吸附率的影响

将pH为3、4、5、6、7，浓度为50 μg/mL的L-Pro溶液各150 mL分别置于含有1 g处理过树脂的5个锥形瓶中进行振荡吸附.参照1.3的方法测定L-Pro吸附后浓度，按公式（1）分别计算L-Pro的吸附率.从pH值对吸附率的影响（图2）可以看出，当pH为6时，L-Pro吸附率最大，这是因为L-Pro为中性氨基酸，在不同的pH环境中以不同的离子形式存在.在pH值降低时，氢离子产生了竞争性吸附，干扰了L-Pro吸附.

2.1.3L-Pro浓度对吸附率的影响

将pH为6，浓度依次为10 μg/mL、20 μg/mL、30 μg/mL、40 μg/mL、50 μg/mL、60 μg/mL的L-Pro溶液150 mL分别置于含有1 g处理过树脂的6个锥形瓶中进行振荡吸附.按上述同样方法，分别计算L-Pro的吸附率.L-Pro浓度对吸附率的影响见图3，由图3可以看出，随着L-Pro浓度的增大，吸附率也不断增大. 当L-Pro溶液浓度为50 μg/mL时，吸附率最大.因此，L-Pro溶液适宜浓度应为50 μg/mL.

图3　L-Pro浓度对吸附率的影响　

图4　温度对吸附率的影响

2.1.4温度对吸附率的影响

将pH为6、浓度为50 μg/mL的L-Pro溶液150 mL分别置于含有1 g处理过树脂的5个锥形瓶中，在温度依次为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃条件下进行振荡吸附.按上述同样方法，分别计算L-Pro的吸附率.从图4可见，随着温度的升高，吸附率逐渐降低，说明此吸附是一个放热过程.在25℃时，吸附率最高，可选择在此温度下进行.

2.1.5无机盐对吸附率的影响

将含NaCl或NH4Cl浓度依次为0、0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L的浓度为50 μg/mL、pH 6的L-Pro溶液150 mL分别置于已装入1 g处理过树脂的锥形瓶中，在温度25℃条件下进行振荡吸附.按上述同样方法，分别计算L-Pro的吸附率.由图5可见，铵离子或钠离子的存在对L-Pro在732离子交换树脂的吸附影响显著.随着无机盐浓度的增大，L-Pro的吸附率迅速下降，其中NH4Cl的影响略大于NaCl.因此，在L-Pro分离纯化中应除去大部分的无机盐，尽量减少溶液中Na+或NH4+阳离子产生的竞争性吸附.

图5　无机盐浓度对吸附率的影响

2.2动态吸附与解吸

2.2.1上样液流速对动态吸附的影响

准确称取处理过的树脂各1 g，湿法装入5根离子交换柱中，控制流速为1 mL/min、2 mL/min、3 mL/min、4 mL/min、5 mL/min分别加入pH为6、浓度为25 μg/mL的L-Pro溶液20 mL进行动态吸附，收集流出液，计算吸附率.由图6可见，流速越慢吸附效果越好，当流速为1 mL/min时，吸附率最大.因为流速过快会导致L-Pro在树脂上不能充分扩散就流出交换柱.

图6　上样液流速对动态吸附的影响　

图7　上样液pH对动态吸附的影响

2.2.2上样液pH对动态吸附的影响

准确称取处理过的树脂各1 g，湿法装入6根交换柱中，控制流速为1 mL/min，分别加入pH为2、3、4、5、6、7的浓度为25 μg/mL的L-Pro溶液20 mL进行动态吸附，收集流出液，计算吸附率.从图7可以看出，当pH为6时，吸附率最大，为82.83%.随着pH的减小或增大，吸附率呈现下降趋势.因此，上样液适宜pH 为6.

2.2.3洗脱剂浓度对动态解吸的影响

在装入处理过各1 g树脂的5根离子交换柱中，控制流速为1 mL/min，分别加入pH为6、浓度为25 μg/mL的L-Pro溶液20 mL进行动态吸附，收集流出液，计算吸附率和吸附量.然后再分别用浓度为0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L、2.5 mol/L的氨水20 mL以流速为3 mL/min进行洗脱，收集洗脱液，按公式（3）计算解吸率.从图8可以看出，随着氨水浓度增大，解吸率也逐渐增大，但当氨水浓度高于1.5 mol/L时，解吸率下降.这是因为氨水洗脱液的浓度过高，洗脱能力会越强，吸附在树脂上的杂质也会被洗脱下来，导致收集的流出液的体积就会加大.因此，氨水浓度选择1.5 mol/L为宜.

图8　洗脱剂浓度对动态解吸的影响　

图9　洗脱剂用量对动态解吸的影响

2.2.4洗脱剂用量对动态解吸的影响

按2.2.3的实验条件进行动态吸附后，用流速为3 mL/min，pH为6，浓度为1.5 mol/L，用量分别为20 mL、30 mL、40 mL、50 mL、60 mL的氨水进行洗脱，收集洗脱液，计算解吸率.从图9可见，随着洗脱剂氨水用量的不断增多，L-Pro的解吸率也不断增大.当洗脱剂用量为50 mL时，解吸率最大，达92.22%.因此，洗脱剂用量选择50 mL为佳.

3　结论

732阳离子交换树脂对L-Pro具有良好的吸附性能.25℃时，在L-Pro溶液浓度为50 μg/mL、体积为150 mL、pH为6的条件下，静态吸附平衡时间为15 min，吸附率为83.61%，无机盐的存在导致吸附率迅速下降；在L-Pro上样液浓度25 μg/mL、体积20 mL、流速1 mL/min和pH为6的条件下，动态吸附率为82.83%.氨水可解吸交换柱上吸附的L-Pro，在氨水浓度为1.5 mol/L、体积50 mL、流速3 mL/min和pH为6的条件下，解吸率为92.22%.

参考文献：

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Study on the Adsorption Properties of L-Proline on 732 Cation Exchange Resin

CAO Wengen，CAO Yuyao，WANG Zhi
（School of Biological and Food Engineering，Suzhou University，234000，Suzhou，Anhui，China）

Abstract：In order to provide the scientific experimental basis for the adsorption and separation of L-proline on 732 cation exchange resin，the optimum adsorption conditions and influencing factors of L-proline on 732 cation exchange resin were studied by the static and dynamic adsorption test.The results showed that the opti⁃mum static adsorption condition were as follows：L-proline solution concentration 50 μg/mL，volume 150 mL，pH 6 and temperature 25℃.Under this condition，the static absorption balance time was 15 min and its stat⁃ic absorption rate reached 83.61%.Meanwhile，the adsorption rate dropped rapidly in the presence of inorgan⁃ic salts.The dynamic absorption rate of 82.83%was obtained by the following optimum dynamic adsorption condition of L-proline solution concentration 25 μg/mL，volume 20 mL，pH6，flow rate 1mL/min and tempera⁃ture 25℃.In this condition，the dynamic desorption rate of 92.22%was obtained by the following optimum dynamic desorption condition of ammonia solution concentration 1.5 mol/L，volume 50 mL，pH 6，flow rate 3 mL/min and temperature 25℃as eluent.732 cation exchange resin has a good adsorption property to L-pro⁃lin.

Key words：L-proline；732 cation exchange resin；adsorption；desorption

作者简介：曹稳根（1964-），男，安徽东至人，教授，研究方向：生化分析及天然产物研究.

基金项目：安徽省高校省级自然科学研究重点基金项目（KJ2012A264）；国家级大学生创新创业训练基金项目（教高司函〔2013〕8号）

收稿日期：2015-11-10

中图分类号：Q 517

文献标识码：A

文章编号：2095-0691（2016）01-0062-05