酶制劑具有催化效率高、高度專一性、條件溫和、降低能耗、環境友好等特點，因此被廣泛應用于食品、釀酒、日化、飼料、化工、醫藥、能源和環保等工業領域，并引起了這些行業中的某些生產工藝的變革。近年來，我國酶制劑產量保持了持續增長，總產量從 2005 年的 45 萬噸增加至 2010 年的77.5 萬噸，年產值近 100 億元，年平均增長率達10.1%.2010 年出口總量達到 8.2 萬噸，出口額達到 2.3 億美元[1-6].

濃縮是酶制劑生產中的重要環節，影響著產品的質量和生產成本。濃縮方法主要有鹽析、離心分離、過濾與膜分離、沉淀分離、層析分離等。微生物酶發酵液的濾液是極稀的水溶液，尋找一種操作可行且能耗較低的酶液濃縮工藝，對于簡化生產流程、降低生產成本至關重要。由于酶是一種具有高度催化活性的特殊蛋白質，因此在濃縮操作中必須控制酶的變性失活，最大限度地提高產品收率[7].

1995 年鄭州大學生物質煉制技術與裝備河南省工程實驗室開始酶液濃縮技術研究，取得了大量寶貴的經驗。本文通過文獻查閱和研究經驗總結了當代酶液濃縮的主要方法，并比較了各種方法的特點。

1 超濾濃縮

早在 1965 年，Blatt 首先用超過濾膜對微生物進行了濃縮試驗，1968 年 Cooney 等[8]成功地將超濾技術運用于粗酶制劑的濃縮精制。1983 年無錫酶制劑廠引進了超濾技術進行酶制劑的生產。近年來，隨著超濾膜材料的發展，超濾技術在酶液濃縮中應用越來越廣泛。2001 年 Ding 等[9]開發出了超濾平面膜組件，并應用于堿性果膠酶濃縮工藝，在濃縮率為20倍的條件下，取得了98.3%的高回收率。2006年劉宏波等[10]開發出了中空纖維超濾膜和微濾膜耦合裝置，進行了純化、濃縮葡聚糖酶的試驗研究，取得了寶貴的經驗。

2014 年，朱樂平等[11]將噴射蒸煮技術與超濾技術相結合來制備大豆分離蛋白，結果表明，蛋白純度、氮溶指數、色澤、穩定性有較大改善，異黃酮的含量大大減少，且經噴射蒸煮及超濾后的蛋白具有較好的消化性。2014 年，張健友等[12]研究了納濾濃縮條件，比較了膜濃縮（微濾-納濾聯用）與傳統蒸發濃縮兩種方式制備鳀魚蒸煮濃縮液，實驗結果表明，微濾-納濾聯用的膜濃縮方式比蒸發濃縮能更好地保持鳀魚蒸煮液的色澤和風味。

膜分離技術應用于酶液濃縮生產具有分離過程無相變、高效、設備簡單、節能、常溫操作、無污染等優點，包括超濾、納濾、微濾、反滲透技術等[13-15].其中應用廣泛的超濾膜酶液濃縮技術具有分離的酶制劑純度高、收率高、工藝成熟等優點，其工藝流程如圖 1 所示?！?】

超濾法酶液濃縮技術適用于大分子酶制劑的生產，與其他生物產品分離技術相比工業應用優勢明顯。但是，膜材料價格較高、再生率低、膜污染以及濃差極化依然是制約該技術大規模產業化應用的主要障礙。近年來，該領域內的新進展主要有納濾、微濾、反滲透耦合超濾膜濃縮酶液技術，但是仍然沒有能較好地克服膜污染和膜濃差極化問題。

未來亟需開發低廉、能耐受生物酶液污染、高抗濃差極化能力和再生工藝簡單高效的新型膜材料和工藝，以適應大規模酶制劑工業的生產要求[16].

2 蒸發濃縮

蒸發濃縮最早應用于食品酶制劑工業，后來逐漸應用于茶汁、藥物、廢水處理等酶制劑工業。2001年，楊宗正等[17]研究了異形豎板降膜蒸發器濃縮耐高溫淀粉酶溶液，表明異形豎板降膜蒸發器在濃縮耐溫淀粉酶溶液時優于管式降膜蒸發器。2013 年，余旭聰[16]采用微波真空濃縮設備對木瓜蛋白酶和纖維素酶進行了濃縮，發現熱效應是造成酶失活的主要因素，微波對酶活性的影響隨酶種類的不同而異，并且一定濃度的 EDTA 二鈉鹽在微波處理過程中能有效保護木瓜蛋白酶的活性。

2014 年，鄒龍生等[18]研究了稠油廢水蒸發濃縮過程中污垢的形成規律，并進行了模擬分析，結果表明，稠油廢水蒸發過程中的析晶規律可以用 3 層析晶污垢模型來描述，為其他易結垢溶液的蒸發濃縮過程提供了理論基礎。2014 年，施建杭等[19]采用太陽能集熱真空膜蒸發系統對高濃鹽水進行蒸發濃縮，結果表明溫度、真空度的提高均能增大膜通量，且供熱穩定性良好，具有較好的放大應用前景。

蒸發濃縮通過加熱或減壓方法使溶劑蒸發，達到濃縮目的，其工藝簡單、技術成熟、應用范圍廣、應用歷史長。酶在高溫下不穩定，易變性失活，因此，粗酶液濃縮工藝常在溫度低于 60℃、真空度低于 90kPa 下的真空環境下進行，可有效減少酶的變性和失活。在不影響酶活力的前提下，適當提高溫度、降低壓力、增大蒸發面積都可提高蒸發速率。

粗酶液蒸發濃縮的關鍵是高效低能耗蒸發裝置的開發，真空蒸發器和薄膜蒸發器是酶液濃縮工藝中較常見的單元設備。如圖 2 所示，我國酶制劑工業中常采用三效降膜蒸發工藝，以保持酶的活性，料液通過三次逐級降膜蒸發可達到較高的濃縮倍率?！?】

增加蒸發裝置的傳熱面積和操作真空度是保證酶生物活性成分的熱敏性和產品純度的必然要求。

雖然已經開發出了高效的升膜、降膜、刮膜和板式蒸發濃縮設備，但是同時也增加了設備的復雜性和體積，并且需要消耗大量的能源。因此開發高效、低能耗、設備簡單、操作更加溫和的蒸發濃縮技術以及蒸發與其他工藝耦合的濃縮技術，如膜蒸餾技術、微波蒸餾技術等將會有巨大的研究與應用前景。

3 冷凍濃縮

冷凍濃縮工藝誕生于 20 世紀 50 年代。20 世紀70 年代，荷蘭 Eind-hoven 大學的 Thijssen 等[20]成功地利用奧斯特瓦爾德成熟效應考察了造大冰晶的再結晶過程機理，并建立了冰晶生長速度與種晶粒度及添加量的數學模型，開啟了冷凍濃縮技術的工業化應用進程，并成功用于果汁、葡萄酒、乳制品和酶制劑濃縮生產工藝。

冷凍濃縮利用固液相平衡原理，將水以固態方式從溶液中去除，其過程包括如下三步：結晶（冰晶的形成）、重結晶（冰晶的成長）、分離（冰晶與液相分開）。稀溶液的相圖如圖 3 所示，當水溶液中所含溶質濃度低于共溶濃度時，溶液被冷卻后，水（溶劑）便部分成冰晶析出，剩余溶液的溶質濃度則由于冰晶數量和冷凍次數的增加而大大提高。

2014 年，陳錦權等[21]采用高壓脈沖電場結合冷凍濃縮來濃縮綠茶湯，對香氣成分分析結果表明，高壓脈沖電場結合冷凍濃縮比真空蒸發濃縮更能保留茶湯的香氣成分，且能耗更低。2005 年，Rane等[22]對甘蔗汁進行冷凍濃縮時，在原有設備基礎上安裝了熱泵，建立了相應的數學模型，研究表明熱泵性能系數相對較高。該技術將甘蔗汁由 20°Bx 濃縮至 40°Bx,減少了焦糖化現象，改善了蔗糖的色值，保證了產品的質量，而且每天可節約蔗渣 13381酶、色素等熱敏性成分。特別適用于濃縮熱敏性液態食品、生物制品、高檔飲品及中藥湯劑等。并且冷凍濃縮技術可與蓄冷工業相結合使用，大大降低生產能耗。因此冷凍濃縮技術具有巨大的發展潛力。

雖然冷凍濃縮能夠保持被濃縮物的品質，但濃縮過程需要較低的溫度，相比于膜濃縮明顯地增加了能耗，因此限制了在相關工業生產中的大規模推廣應用。目前主要應用于一些質量要求高、附加值高的溶液的濃縮。最重要的是，結晶過程受到固液平衡關系的制約，濃縮倍數受到限制。因此，探尋影響固液平衡關系的新因素、發展更加節能環保的冷凍濃縮工藝將會是這一領域的發展方向。

4 吸附濃縮

吸附濃縮法是一種利用吸附劑直接吸附和除去溶液中的溶劑而使溶液濃縮的方法。1960 年，Flodin等[23]首次提出用凝膠離心分離技術濃縮高分子溶液的方法。1986 年，Cussler 等[24]較系統地闡述了凝膠萃取的概念，并設計了使凝膠可重復再生使用的凝膠萃取初步流程。1998 年王錦堂等[25]研究了溫敏性水凝膠交聯聚 N-異丙基丙烯酰胺對蛋白質和酶的濃縮分離性能，發現凝膠對蛋白質和酶的分離效率在相轉變溫度附近發生突越。2006 年黃健等[26]用復合交聯劑和分散劑，在較低的溫度（20℃）下采用反相懸浮法合成了表面強化交聯型珠狀凝膠粒子，結果表明表面強化交聯技術在溫敏性凝膠濃縮分離領域很有應用前景。

常用的吸附劑有聚乙二醇、蔗糖和凝膠等，其中凝膠濃縮法研究的較多。凝膠作為吸附劑，通過溶脹作用，使溶劑及小分子物質被吸附在凝膠內，生物大分子等溶質則留在剩余的溶液中，然后離心或者過濾除去凝膠，獲得濃縮的溶液。而使用聚乙二醇或者蔗糖等其他吸附劑時，需要先將待濃縮液裝入透析袋中，外部用吸附劑包裹，溶劑從透析袋滲出后即被吸附劑吸去。

吸附濃縮具有能耗低、不破壞熱敏性物質、對物料不存在剪切效應、設備與操作簡單等特點。但是由于吸附劑的價格昂貴，可重復利用性差，目前主要仍是在實驗室中使用，在工業上還未得到規?；膽?。因此，開發出更加高效、廉價和適用于工業化生產的吸附劑和新工藝將會是未來的研究方向。

5 離子液體法

離子液體是一種含氮雜環的有機陽離子和一種無機陰離子組成的鹽，具有很多獨特的性質，如蒸汽壓低、不可燃、物質溶解性好、萃取能力高、相穩定性好、熱穩定性好、水穩定性好、酸堿穩定性高等[27].2004 年，Zhang 等[28]證明了離子液體對燃料中脫硫有很大的應用潛力。

由于離子液體雙水相萃取能夠保留酶的活性，易于放大、可連續操作、可調節離子強度等特點，越來越受到人們在生物制品方面應用的關注[29-30].

與傳統雙水相萃取技術相比，離子液體雙水相萃取不僅在保持生物物質的活性及構象等方面有明顯的技術優勢，而且體系黏度低、分相時間短，可更好地控制乳化現象，已發展的離子液體與膜的耦合分離技術開創了離子液體應用的新領域，并且已廣泛應用于生物活性物質的分離和純化，如大多數酶和蛋白質等[31-34].

2006 年，鄧凡政等[35]采用親水性離子液體BF4/KH2PO4雙水相體系萃取分離牛血清白蛋白，探索了鹽的種類、鹽的濃度、離子液體濃度以及蛋白質濃度、溶液 pH 值等物質對雙水相體系和牛血清白蛋白萃取效率的影響。結果表明磷酸二氫鉀鹽濃度為 80g/L,離子液體濃度在 160~240mL/L,牛血清白蛋白的濃度為 30~50mg/L,溶液酸度在 pH 值4~8 時，離子液體雙水相體系對牛血清白蛋白有較高的萃取率。2007 年，Du 等[36]則首次報道了采用離子液體 Cl/K2HPO4雙水相體系直接從人類的尿液中萃取分離蛋白質，分相后蛋白質存在于上層的富離子液體相，分配系數在 10 左右，研究結果表明，此法可以實現蛋白質的在線分離和量化分析。

6 水合物法

Lund 等[37]研究了一些氣體水合物以及水合物形成氣體對轉化酶活性的影響，發現在水合物形成以及溶液濃縮、CCl3F 水合物以及丙烷水合物的存在對轉化酶活性沒有明顯影響；而暴露在液體CCl3F 中轉化酶的活性明顯下降并且是不可逆的。

Phillips 等[38]利用生成水合物從反膠束溶液中回收蛋白質，通過氣體的溶解降低溶劑的密度，從而使蛋白質溶解度降低，在合適的熱力學條件下，膠束中的水能轉化成水合物，從而將水與蛋白質分離。

水合物分離技術的基本原理是基于水合物晶體中僅包含水和水合物形成物。水合物提濃技術是水合物分離技術的一個重要分支，水合物法提濃過程和冷凍結晶過程類似，但由于水合物可以在水的冰點以上形成，因此比冷凍結晶更加經濟。水合物法溶液分離過程如圖 4 所示。根據水合物的生成原理及特性，將稀酶液注入水合物生成釜，在合適的溫度以及壓力條件下使稀酶液中的水形成水合物，然后將水合物與溶液分離，即可得到濃縮后的酶溶液。

由于在低溫下操作，此法能夠較好地保持酶活性。

隨著氣體水合物研究與應用的發展，采用水合物法濃縮酶溶液將會是環境友好型和能源節約型的方法?！?】

多年來，鄭州大學承擔的生物質煉制技術與裝備河南省工程實驗室在酶液濃縮方面取得了豐富的經驗?？紤]到水合物巨大的應用前景以及潛在的經濟價值，將水合物法應用于酶溶液的濃縮，濃縮溫度在 2~10℃，能夠較好地保持酶液的活性，且能耗較低，但對于濃縮的最佳條件，仍需進一步研究。

7 主要酶制劑濃縮方法的比較

目前發展的濃縮工藝多種多樣，操作條件變化差異較大，各有優缺點。表 1 中對這幾種常見的濃縮工藝的相關參數做了簡單的對比?！?】

8 結 論

隨著酶制劑工業的發展，酶液濃縮技術研究和開發已經取得了較大進步。傳統的酶液濃縮技術包括蒸發濃縮和冷凍濃縮工藝等大多借鑒了成熟的化工單元操作技術，雖然它們是現今酶制劑工業生產中常用的酶液濃縮工藝，但是存在能耗高、經濟性差和有一定的酶活損失等缺點。新型的酶液濃縮技術大多來自于分離工程領域內的新進展，但大多停留在實驗室階段。其中接近工業化應用的是酶液膜濃縮技術，超濾膜、納濾膜、微濾膜、反滲透膜等相繼應用于酶液濃縮研究，并且已經有中等規模的超濾膜酶液濃縮工藝問世，但是膜材料成本高、膜污染和膜濃差極化三大問題依然是膜技術在酶液濃縮領域大規模應用的瓶頸。吸附濃縮技術基本可以實現在常壓、接近常溫下較好地完成酶液濃縮，并且其工藝設備簡單、能耗較低、酶活損失小，但是存在吸附劑的價格仍較高、吸附劑的壽命較短等問題。離子液體雙水相萃取濃縮、水合物法濃縮技術是酶液濃縮領域最新的進展，但是這些技術遠未成熟，有些關鍵問題仍待突破，目前仍處于實驗室研究開發階段，但是基于離子液體和水合物技術的潛在優勢，必然成為將來酶液濃縮領域內的熱點。成本低廉、操作簡便、高純度的酶液濃縮工藝開發依然是未來的酶液濃縮技術的研究方向。隨著新材料技術和分離技術的進一步發展，未來也可能有新型的酶液濃縮技術問世。

參 考 文 獻

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