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Decoloring of echinocandin B extraction

棘白菌素B提取液脱色工艺



全 文 :第 13卷第 2期
2015年 3月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 13 No􀆰 2
Mar􀆰 2015
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2015􀆰 02􀆰 019
收稿日期:2014-03-20
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CB710806);教育部博士点新教师基金(2012331712004)
作者简介:邹树平(1980—),男,湖南常德人,博士,副教授,研究方向:微生物药物发酵与产业化开发;郑裕国(联系人),教授,E⁃mail:zhengyg@
zjut.edu.cn
棘白菌素 B提取液脱色工艺
邹树平1,刘  苗1,钟  伟1,牛  坤1,姚黎栋2,郑裕国1
(1􀆰 浙江工业大学 生物工程研究所 生物转化与生物净化教育部工程研究中心,浙江 杭州 310032;
2􀆰 浙江震元制药有限公司,浙江 绍兴 312071)
摘  要:研究碱性阴离子交换树脂 WD 6 对发酵棘白菌素 B(ECB)提取液的脱色效果。 通过对 ECB 提取液和
ECB标准溶液的全波长扫描,确定 ECB提取液中色素的最佳吸收波长为 315 nm;考察了树脂添加量、脱色温度、摇
床转速和脱色时间对脱色率和 ECB 损失率的影响,获得最佳脱色工艺:树脂添加量 4% (质量分数),脱色温度
30 ℃,摇床转速 150 r / min,脱色时间 100 min。 在此条件下,ECB 提取液的脱色率可达 88􀆰 3%,ECB 损失率仅
为 4􀆰 8%。
关键词:棘白菌素 B;脱色;离子交换树脂
中图分类号:TQ465􀆰 5        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2015)02-0098-05
Decoloring of echinocandin B extraction
ZOU Shuping1,LIU Miao1,ZHONG Wei1,NIU Kun1,YAO Lidong2,ZHENG Yuguo1
(1􀆰 Engineering Research Center of Bioconversion and Biopurification of the Ministry of Education,
Institute of Bioengineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032,China;
2􀆰 Zhejiang Zhenyuan Pharmaceutical Co. Ltd.,Shaoxing 312071,China)
Abstract:Decoloring of echinocandin B (ECB) extract by ion exchange resin WD⁃6 was investigated.
Through full wavelength scanning of ECB extract and ECB standard, best absorbance of pigment was
determined at 315 nm. The effects of resin (WD⁃6 resin) content, decoloring temperature, rotation speed
and adsorption time on decoloring and loss of ECB were studied. The optimal operation conditions were as
follows: resin content 4% (w / w), decolourization temperature at 30 ℃, rotation speed 150 r / min and
adsorption time 100 min. Under these conditions, the decolorization rate was above 88􀆰 3%,with ECB loss
rate of 4􀆰 8%.
Keywords:echinocandin B;decoloring;ion exchange resin
    棘白菌素类抗生素是新一代临床治疗真菌感染
的抗真菌药物,该类抗生素能够非竞争性抑制真菌细
胞壁 β 1,3 葡聚糖合成酶的活性,作用机制独特,
毒副作用低,且对一些唑类和两性霉素 B耐药的真菌
抗菌活性强[1]。 目前已经上市的棘白菌素类药物有
卡泊芬净(caspofungin)、米卡芬净(micafungin)和阿
尼芬净(anidulafungin) [2]。 棘白菌素 B(echinocandin
B,ECB)是由构巢曲霉(Aspergillus nidulans)发酵产生
的一种次级代谢产物,是合成阿尼芬净的前体化合
物[3]。 ECB分子式为 C52H81N7O16,相对分子质量为
1 060􀆰 2,化学结构式如图 1所示。
图 1  棘白菌素 B结构式
Fig􀆰 1  Structure of echinocandin B
构巢曲霉发酵生产 ECB 的周期较长,发酵后期
有大量的色素产生[4]。 ECB 存在于构巢曲霉菌丝
体内,用有机溶剂浸提 ECB 时,由于色素物质的存
在,提取液一般呈橙黄色。 若不经过脱色处理,不
仅会降低后续产品的回收率及纯度,还会影响最终
产品的色泽[5]。 张雪霞等[6]在提取 ECB过程中,通
过树脂吸附解吸后,在解吸液中添加 1%活性炭脱
色,脱色不完全。 Kery 等[7]在用异丁醇萃取 ECB
后,浓缩异丁醇相,用酸洗后加入活性炭脱色,可以
使萃取液澄清,但 ECB损失较大。 张磊等[8]在浓缩
液中加入有效组分 2􀆰 5倍体积的 Al2O3于 20 ℃下脱
色,虽然脱色效果良好,但使用的脱色剂 Al2O3价格
昂贵,难以工业化应用。 本文中笔者选用广泛使用
的碱性阴离子交换树脂 WD 6 对 ECB 提取液进行
脱色研究,以期获得良好的脱色效果。
1  材料与方法
1􀆰 1  仪器与材料
高效液相色谱,日本岛津公司;酶标仪,美谷分
子仪器(上海)有限公司;Eppendorf 5810R 型离心
机,德国 Eppendorf 公司;蛋白层析仪,美国 Bio⁃Rad
公司。
ECB发酵菌丝体,浙江工业大学生物工程研究
所 ZJB09223 构巢曲霉发酵;ECB 标准品,澳大利亚
BioAustralis公司;WD 6 碱性阴离子树脂,安徽皖
东树脂有限公司;甲醇、乙腈(色谱纯),中国百灵威
试剂公司;其他试剂均为国产分析纯。
1􀆰 2  ECB提取液的制备
将构巢曲霉发酵液离心,收集菌丝体,称取一
定质量菌丝体,按照 m(菌丝体) ∶ V(乙醇) = 1 ∶ 1􀆰 5
加入乙醇溶液,于 35 ℃下搅拌浸提 2 h,总共浸提 3
次。 收集乙醇浸提液,用蒸馏水将乙醇稀释到体积
分数 40%,加入预处理好的 HP20 大孔吸附树脂吸
附 4 h,吸附完成后加入纯乙醇解吸 3 h,解吸后的
ECB溶液,调 pH为 6,即为本实验用到的样品。
1􀆰 3  树脂的预处理
将 WD 6 碱性阴离子树脂用质量分数 5%的
NaCl溶液浸泡 4 h,接着用蒸馏水反复洗涤,洗净表
面的 NaCl,然后加入 5%的 NaOH 溶液浸泡 4 h,用
蒸馏水反复洗涤,直到洗出液的 pH为 7,于 60 ℃下
烘干。
1􀆰 4  静态和动态吸附实验
静态吸附实验:在恒温水浴摇床中进行,测定
WD 6树脂吸附前后提取液中色素的吸光值以及
ECB 的浓度,计算提取液的脱色率和 ECB 的损
失率。
动态吸附实验:在 Bio⁃Rad 蛋白层析柱中进行,
装载 WD 6 树脂 8 g,通过自动收集装置,毎 5 mL
流出液收集 1次,实验完成后需测定样品收集液中
色素的吸光值和 ECB的浓度,计算提取液的脱色率
和 ECB的损失率,绘制脱色洗脱曲线图。
1􀆰 5  分析方法
1􀆰 5􀆰 1  色度的测定
在波长为 200~450 nm范围内对 ECB提取液和
ECB标准溶液进行对比扫描,以确定提取液中色素
的最佳吸收波长。
1􀆰 5􀆰 2  脱色率的计算
提取液脱色率计算按式(1)进行。
脱色率 =
A1 - A2
A1
× 100% (1)
式中:A1为脱色前吸光值,A2为脱色后吸光值。
1􀆰 5􀆰 3  ECB浓度及损失率的计算
采用高效液相色谱法测定 ECB 的浓度,高效液
相色谱条件参照文献[9]。 色谱柱:伊利特 Hypersil
ODS2 5 μm×4􀆰 6 mm×250 mm;检测器为 PDA;检测
波长 222 nm;流动相 V(甲醇) ∶ V(超纯水) ∶ V(乙
腈)= 7 ∶ 2 ∶ 1;进样量 20 μL;流速 1 mL / min;柱温箱
40 ℃。 ECB的损失率按照式(2)计算。
ECB的损失率 =
ρ1 - ρ2
ρ1
× 100% (2)
式中: ρ1和 ρ2分别为脱色前、后 ECB 质量浓度
(mg / L)。
1􀆰 5􀆰 4  平衡吸附量及平衡时溶液中色素浓度的
测定[10]
当吸附平衡后,单位质量树脂所吸附色素的量
99  第 2期 邹树平等:棘白菌素 B提取液脱色工艺
称为平衡吸附量(g / g),用 Qe 表示,计算见式(3);
剩余色素的相对含量用 C表示,其计算见式(4)。
Qe =
A1 - A2
A1m
(3)
C =
A2
A1
× 100% (4)
2  结果与讨论
2􀆰 1  ECB提取液色度的确定
取一定 ECB 提取液和 ECB 标准液,在波长范
围为 200 ~ 450 nm 范围内对样品进行扫描,结果如
图 2所示。 由图 2 可知,有色素的提取液与标准液
的吸光度最大差值在 310~320 nm处,所以选取 315
nm为提取液中色素的测定波长。
图 2  样品和标准品全波长扫描
Fig􀆰 2  Curves of wavelength scanning between
sample and standard
2􀆰 2  树脂添加量对脱色效果的影响
在脱色过程中,既要保证树脂对色素尽可能大
的吸附量,又要减少对 ECB 的吸附。 取 10 mL ECB
提取液,添加不同质量的 WD 6 脱色树脂,在 30
℃、150 r / min 条件下,静态吸附 3 h,结果如图 3 所
示。 由图 3可知:树脂添加量(质量分数)从 2%增
加到 4%时,提取液脱色率也明显提高;但当树脂添
加量超过 4%后,脱色率基本不变,这可能是树脂对
色素的吸附已达到平衡。 而随着树脂添加量的增
大,ECB损失率却不断上升,可能是树脂对 ECB 仍
有一定的吸附作用。 因此,综合考虑到脱色率和
ECB损失率这 2个因素,以 4%作为 WD 6 树脂的
最适添加量。
2􀆰 3  温度对脱色效果的影响
取 10 mL ECB 提取液,添加质量分数 4%
WD 6树脂,摇床转速为 150 r / min,在不同温度下
图 3  树脂添加量对脱色的影响
Fig􀆰 3  Effects of amount of WD⁃6 resin on decolouring rate
静态吸附 3 h,实验结果如图 4 所示。 由图 4 可以
看出:随着温度的上升,脱色率缓慢上升。 这可能
是由于温度上升后加速了分子扩散的速度,对色
素的吸附有利,从而提高脱色率[11] 。 温度升高后,
ECB的损失率也逐渐上升,一方面可能是由于温
度的升高加速了 ECB 与树脂间的吸附作用;另一
方面也可能是温度的升高使得 ECB 部分降解,导
致损失率上升。 因此,综合考虑,选择 30 ℃为最
佳脱色温度。
图 4  温度对脱色效果的影响
Fig􀆰 4  Effects of decolorization temperature
on decolouring rate
2􀆰 4  摇床转速对脱色效果的影响
取 20 mL ECB提取液,添加质量分数 4% WD
6树脂,恒温水浴摇床温度为 30 ℃,摇床转速分别
为 50、100、150和 200 r / min,在此条件下静态吸附 3
h,结果如图 7所示。 由图 7 可知,ECB 的损失率并
没有太大变化。 对于脱色率,当摇床转速在 50~150
r / min时,脱色率略有上升,而随着转速继续增加,脱
色率却稍有下降,可能的原因是,当摇床转速提高
后,ECB 提取液与 WD 6 脱色树脂呈高速分散状
态,导致二者交换吸附并不充分,故而脱色率反而
有所下降。 因此,选择 150 r / min 为脱色过程中的
转速。
001 生  物  加  工  过  程    第 13卷 
图 5  转速对脱色效果的影响
Fig􀆰 5  Effects of rotate speed on decolouring rate
2􀆰 5  脱色时间对脱色效果的影响
对于固液之间的吸附反应,达到吸附平衡过程
需要一定的时间。 一般吸附时间延长后,溶液中色
素的浓度会越来越低,当吸附剂表面与溶液中色素
浓度相等,即吸附平衡时,吸附便不再发生[12]。 取
50 mL提取液,添加质量分数 4% WD 6树脂,摇床
转速设置为 150 r / min,于 30 ℃下静态吸附 6 h,每
次间隔 45 min 取样,测定不同时间下色素的吸光值
和溶液中剩余 ECB 浓度,并计算提取液脱色率和
ECB损失率,结果如图 6所示。 由图 6可以看出:在
前 100 min脱色率缓慢增加,在吸附 100 min后吸附
基本达到饱和,但 ECB 损失率随时间延长继续上
升。 考虑到脱色效果以及 ECB 损失率这 2 个因素,
确定脱色时间为 100 min。 在此优化条件下,ECB
提取液脱色率为 88􀆰 3%,ECB损失率仅为 4􀆰 8%。
图 6  脱色时间对脱色效果的影响
Fig􀆰 6  Effects of decolorization time on decolouring rate
2􀆰 6  脱色吸附等温线
目前研究吸附平衡模型的方程主要有以下 3
种[13]。 Henry型吸附模型的表达式:G = KC+b(K、b
为常数);Langmuir型吸附模型表达式:C / G = 1 / ab+
C / a(a、b 为常数);Freundlich 型吸附模型表达式:
lg G=K+Nlg C(K、N为常数)。
根据 3种吸附等温线公式,于 30 ℃下对 WD
6树脂吸附 ECB 提取液中色素的实验数据进行拟
合,其拟合方程和相关系数见表 1。
表 1  吸附等温线的线性拟合结果
Table 1  Result of linear model of adsorption isotherm line
模型 拟合方程式 相关系数(R2)
Henry型 G= 3C-0􀆰 698 0􀆰 991 46
Langmuir型 C / G= 2􀆰 8C-0􀆰 879 0􀆰 984 06
Freundlich型 lg G= -0􀆰 399 1􀆰 3 lgC 0􀆰 985 43
由表 1 结果可知:3 种吸附模型都可以描述
WD 6树脂对 ECB提取液中色素的吸附,但是比较
相关系数 R2,该吸附更符合 Henry 模型。 其拟合结
果如图 5所示。 由图 5可知:此吸附等温式为线性,
根据 Henry模型的特点,说明该吸附是在低浓度下
的吸附,并且吸附过程只存在单一分子的现象。
图 7  WD 6吸附树脂的吸附等温线
Fig􀆰 7  Adsorption isotherm line of WD⁃6 resin
2􀆰 7  动态吸附实验
准确称取经过预处理的 WD 6 干树脂 8􀆰 0 g,
用湿法装柱装入蛋白层析柱中,样品总共 150 mL。
在室温下,将流速设置为 0􀆰 5 mL / min 进行动态脱
色实验,每 10 min收集 1 管样品,通过酶标仪和高
效液相色谱检测样品的吸光值和 ECB 的浓度,结
果见图 8。 由图 8 可以看出:当流出液体积越来越
大时,其脱色率下降较快。 当提取液流出体积约
80 mL时,脱色率下降近一半;随着流出液体积增
大,脱色效果越来越差,而 ECB 的损失率在下降到
一定阶段后不再下降。 可能是在动态吸附过程
中,树脂与色素的接触时间较短,使得色素不能完
全被吸附。 而 WD 6 树脂对 ECB 有轻微吸附作
用,随着时间的延长,树脂对 ECB 吸附饱和后,损
失率不再升高。
101  第 2期 邹树平等:棘白菌素 B提取液脱色工艺
图 8  ECB提取液动态脱色曲线
Fig􀆰 8  Decolrization curves of echinocandin B extract
3  结论
研究碱性阴离子交换树脂 WD 6 对发酵棘白
菌素 B(ECB)提取液的脱色效果。 当 WD 6 树脂
添加量为 4%(质量分数)、脱色温度为 30 ℃、摇床
转速为 150 r / min、脱色时间为 100 min 时,WD 6
树脂对 ECB提取液的脱色率可达到 88􀆰 3%以上,而
ECB损失率仅为 4􀆰 8%。 说明 WD 6 树脂能够较
好地吸附 ECB提取液中的色素。 对 WD 6 树脂吸
附 ECB提取液中色素的吸附等温线的研究表明,该
吸附反应符合 Henry等温吸附模型。
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(责任编辑  荀志金)
201 生  物  加  工  过  程    第 13卷