单程纳米渗滤技术高效分离寡糖核苷混合物：新型双膜模块的应用与工艺优化

本综述系统探讨了利用新型3D打印双膜模块进行单程纳米渗滤（SPNFDF）纯化酶促合成寡糖-核苷混合物的创新策略。研究通过引入静态混合器（FGE）优化流体动力学，显著提升产物回收率（>95%）与纯度（>99%），并揭示缓冲体系（如HEPES/KCl与TRIS/NaCl）对分离效能的关键影响。该技术为连续化生物工艺提供新思路，适用于食品添加剂和医药糖链产品的下游纯化。

　　

2 材料与方法

2.1 化学品与膜材料

实验采用Synder Filtration NFW平板纳滤膜（聚酰胺薄层复合材质），其分子量截留值（MWCO）为300-500 Da，对乳糖截留率达98.5%。所有化学品购自VWR或Sigma-Aldrich/Merck，溶液均以超纯水（Milli-Q系统制备）配制。膜特性参数包括pH耐受范围4-10，MgSO₄截留率97%，适用于寡糖富集。

2.2 3D打印纳滤模块

基于Tan等人设计的渗滤模块，采用PolyJet技术以VeroClear材料打印三维模块。模块由三部分组成：中间腔室（供料液流动）、两侧纳滤膜及固定 lateral 部件。为对比流体动力学效应，设计了两种中腔结构：标准网格（Standard grid）和流体引导元件（FGE，具静态混合功能）。模块通过M3螺丝组装，耐压超过12 bar。

2.3 分析实验

通过流动注射分析-电喷雾电离质谱（FIA-ESI-MS）定量检测样品。样品稀释至1:50,000后加入¹³C-葡萄糖内标，以负离子模式扫描m/z 60-600 Da。采用SCIEX OS软件处理数据，通过提取离子色谱（EIC）计算目标物浓度。

2.4 过滤实验

使用?KTA Pure 25 M系统进行单程切向流过滤（SPTFF）和单程纳米渗滤（SPNFDF）。供料液含5 mM寡糖（乳糖、棉子糖或水苏糖）与5 mM尿苷，溶解于三种缓冲体系：100/25 mM HEPES/KCl (pH 7.5)、100 mM MOPS (pH 7.2) 或50/150 mM TRIS/NaCl (pH 7.4)。通过调节渗滤缓冲液（超纯水）流速（0-300 μL/min）控制渗滤体积比（Q_DF/Q_Feed）。实时监测电导率评估缓冲液去除率，产物纯度与回收率通过FIA-MS计算。

3 结果与讨论

3.1 膜特性

NFW膜对水的渗透性为6.32 L·m^?2·h^?1·bar^?1，低于厂商标称值（10.08）。缓冲液存在时渗透性降至约2.5 L·m^?2·h^?1·bar^?1，归因于HEPES的电荷排斥效应导致浓度极化。尿苷截留率随跨膜压力（TMP）呈现非线性变化：5-8 bar时升高（最高55%），10.5 bar后下降，推测因其分子量（244.2 Da）接近MWCO，高压下通过大孔道的对流传输增强。寡糖（乳糖342.3 Da、棉子糖504.4 Da、水苏糖666.6 Da）截留率均高于94%，证实膜适用于核苷-糖分离。

3.2 流体引导元件对单程纳滤的强化

标准网格结构下，棉子糖纯度仅达74.7%（Q_DF/Q_Feed=2），回收率36%。引入FGE后，棉子糖回收率提升至77%（纯度不变），乳糖回收率从26%增至49.5%。FGE通过产生微湍流破坏膜表面浓度极化层，抑制糖类扩散损失。但尿苷回收率同步升高（14%→32%），且HEPES缓冲液去除率从82%降至60%，表明残留缓冲液形成阻力层影响分离选择性。

3.3 缓冲溶液对糖纯度与去除率的影响

缓冲体系显著影响分离效能：100 mM HEPES中棉子糖纯度仅58.7%，而100 mM MOPS提升至77.1%，10 mM稀释HEPES达91.4%。最优体系为50/150 mM TRIS/NaCl：在Q_DF/Q_Feed=4时，棉子糖纯度95.1%且回收率74.4%；Q_DF/Q_Feed=6时纯度达99.2%（回收率49.6%）。TRIS体系下尿苷去除率极高（残留0.4%），缓冲液去除率98.8%，远高于HEPES体系（43.6%）。不同糖类回收率随分子量增加而升高（水苏糖>棉子糖>乳糖），但缓冲液去除率无显著差异。

4 结论

本研究证实NFW膜可高效分离寡糖与核苷，且FGE结构通过增强分散效应显著提升产物回收率。缓冲液选择是关键工艺参数：TRIS/NaCl体系兼具高纯度（>95%）与良好回收率（>74%），而HEPES因电荷排斥作用形成极化层，不利于分离。该单程纳滤模块为酶促合成糖链的连续下游纯化提供了新方案，未来需优化膜材料（如更高MWCO膜）以适配更大糖链（如HMOs）的纯化需求。