琼脂糖基色谱柱老化机制解析：乳铁蛋白工业化纯化中背压升高的结构降解根源

本研究针对乳铁蛋白工业化纯化中琼脂糖基色谱柱（Sepharose SP Big Beads）因背压升高导致的寿命限制问题，通过多尺度表征技术揭示其老化机制。研究人员发现，传统归因于蛋白污染的假设不成立，实际是清洗程序（CIP）中NaOH和乙酸长期作用导致琼脂糖骨架降解，表现为孔隙率从0.78增至0.86、粒径缩小至170.88±0.16 μm、动态结合容量（DBC）提升31%。该发现为优化色谱柱维护策略提供了新视角，对生物制药和食品工业的可持续生产具有重要指导意义。

　　

在乳制品和生物制药领域，乳铁蛋白作为高附加值产品（市价高达2000美元/公斤）的工业化生产高度依赖阳离子交换色谱技术。然而，使用琼脂糖基介质（如Sepharose SP Big Beads）进行500次循环后，色谱柱常因背压超过操作极限而报废，传统观点将其归咎于蛋白污染。但这一假设缺乏直接证据，导致企业每年需承担高昂的介质更换成本。

澳大利亚阿德莱德大学（The University of Adelaide）化学工程学院的研究团队通过多学科技术手段揭示了这一行业痛点的本质。研究发现，色谱柱性能衰退的真正元凶并非预期中的蛋白沉积，而是清洗程序（CIP）中使用的0.1 mol L^-1 NaOH和乙酸（pH 3.5）对琼脂糖骨架的渐进式降解。这种化学侵蚀导致介质内部孔隙率从0.78显著增至0.86，粒径中位数从175.20±6.56 μm缩减至170.88±0.16 μm，并通过扫描电镜（SEM）观察到明显的表面结构塌陷。

研究采用逆尺寸排阻色谱（ISEC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱等关键技术，发现降解主要表现为糖苷键断裂和碳氧键重组。令人意外的是，这种结构变化反而使动态结合容量（DBC）提升31%，但代价是机械强度下降导致临界流速从14 CV min^-1暴跌至1.5 CV min^-1。质谱分析排除了牛奶中酶解作用的影响，而模拟CIP实验证实化学清洗剂单独即可重现老化树脂的特征谱图。

研究结果部分：

1. SEM与残留物分析：电镜显示使用后树脂表面出现10 μm级孔洞，但能量色散谱（EDS）未检测到钙等无机物沉积，SDS-PAGE也未检出显著蛋白残留，推翻传统污染假说。

2. 压力-流速特性：老化树脂在1.5 CV min^-1即发生床层坍塌，较新树脂（14 CV min^-1）机械强度下降90%，但低流速区背压曲线相似，证实流道未被堵塞。

3. 孔隙与粒径变化：逆尺寸排阻色谱测得平均孔径从9.24±0.091 nm缩小至8.43±0.100 nm，激光衍射显示粒径分布左移，支持"骨架溶出"假说。

4. 化学键分析：FTIR检测到糖苷键（1040-1190 cm^-1）强度衰减，拉曼光谱发现碳碳键（930 cm^-1）蓝移，证实聚合物链断裂。

这项发表于《Journal of Chromatography A》的研究首次系统论证了工业色谱柱老化中的材料学机制，为优化清洗方案（如调整pH、引入保护性试剂）提供了理论依据。其意义不仅限于乳铁蛋白生产，更为单克隆抗体（mAb）、病毒样颗粒（VLP）等生物制药领域面临的类似问题提供了解决思路。该发现将推动色谱介质从"经验式更换"向"预测性维护"转型，有望将介质使用寿命从目前的500次循环显著延长，对降低生物制造碳排放具有潜在环境效益。