瓊脂糖以及高分辨率瓊脂糖制備方法研究進展*

王江林，林福娣，賀煌煌，熊仁杰,趙　鵬

(華僑大學化工學院，福建　廈門　361021)

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瓊脂糖以及高分辨率瓊脂糖制備方法研究進展*

王江林，林福娣，賀煌煌，熊仁杰,趙鵬

(華僑大學化工學院，福建廈門361021)

瓊脂糖作為電泳介質應用廣泛，本文綜述了瓊脂糖和高分辨率瓊脂糖的制備方法。瓊脂糖的制備方法有乙酰化法、離子交換法、沉淀法、絡合法、鹽析法以及離子液體法，高分辨率瓊脂糖的衍生化制備方法有引入低分子量基團、高分子量基團法以及瓊脂糖與瓊脂糖衍生物組合法。對上述制備方法的原理、工藝優劣以及產品質量進行初步總結和比較，為瓊脂糖及高分辨率瓊脂糖的生產提供參考。

瓊脂糖；高分辨率瓊脂糖；分離；制備

瓊脂是從江蘺、石花菜等海洋紅藻中提取得到的一種具有凝膠特性的多糖。1956年，Araki[1]從瓊脂中分離出具有凝膠能力的中性組分，命名為瓊脂糖(Agarose)，而將凝膠能力差的組分命名為瓊膠酯(Agaropectin)。瓊脂糖是由1,3-β-D-吡喃半乳糖和1,4-3,6-脫水-α-L-吡喃半乳糖交替連接的共聚物[2](圖1)，瓊膠酯的基本骨架與其相同，但連接有不同的殘基如：羧基、硫酸基等負電基團。

圖1　瓊脂糖的結構單元

瓊脂糖具有物理和化學穩定性，呈電中性，對生物大分子極少引起生物大分子變性和吸附，是一種理想的生物惰性載體，廣泛用于凝膠電泳和親和色譜[3-4]。瓊脂糖凝膠具有一定孔徑[5](圖2)，具有分子篩功能可以對生物大分子(如蛋白質、核酸)進行分離純化，高分辨率瓊脂糖由于具有更強的篩分能力，可應用于差別不大PCR片段的分離純化。

目前制備瓊脂糖的方法有離子交換法、沉淀法、絡合法、鹽析法和離子液體法，高分辨率瓊脂糖制備方法主要有引入低分子量基團、高分子量基團法以及瓊脂糖與瓊脂糖衍生物組合法，本文將對各種方法的原理、工藝以及產品性能進行對比和總結，為瓊脂糖的制備工藝開發提供參考和借鑒。

1　瓊脂糖的制備方法

1.1乙酰化法

乙酰化法制備瓊脂糖是利用乙酰化后的瓊脂糖與瓊膠酯在氯仿中的溶解度差異進行分離的，該方法是由Araki[8]提出，以江蘺瓊脂為原料進行乙酰化反應，得到乙酰化瓊脂糖和瓊膠酯，加入氯仿沉淀乙酰化瓊膠酯，濾液進一步采用石油醚沉淀得到乙酰化瓊脂糖，接著進行去乙酰化反應即得再生瓊脂糖。該法瓊脂糖產率為67%，硫酸根含量為0.02%～0.04%，凝膠強度小于1000 g/cm2。該工藝操作繁雜，所需試劑種類多且量大，導致生產成本較高，Rees等[9]認為乙酰化方法會引起瓊脂糖的降解，導致凝膠強度急劇下降，不利于工業放大，得到瓊脂糖純度較高，但是色澤較差，呈棕色。

1.2離子交換法

由于瓊膠酯的基本骨架上連接有帶電基團如：硫酸基、羧基，利用帶電基團對離子交換劑具有較強的結合力，因此可以采用陰離子交換樹脂實現瓊脂的分級。Izumi等[10]以石花菜瓊脂為原料，用Dowex 1×2(200～400目)陰離子交換樹脂進行分離，水、甲酸銨溶液和水楊酸銨溶液依次洗脫得到四個多糖級分。水洗脫級分不含硫酸根，丙酮酸含量較低，基本上為中性瓊脂糖。隨著洗脫電解質濃度增高，洗脫的級分中丙酮酸、硫酸基等含量也逐漸增加。也有采用DEAE Sephadex A-50 (氯型)離子交換柱，NaCl溶液梯度洗脫，將瓊脂進行色譜分級[12-13]。Duckworth等[14]以采用DEAE-Sephadex A50 (氯型) 離子交換，得到幾乎為中性的瓊脂糖。Zabin、柯慶勇等[15-16]采用DEAE-纖維素(乙酸型或檸檬酸型)離子交換，分級得到瓊脂糖。該法產率為60%～70%，白度為60～70，硫酸根含量為0.15%～0.25%，凝膠強度大于1000 g/cm2，電內滲在0.15～0.30。離子交換法工藝耗時短，操作簡單，產品質量較好，但該法所用樹脂需再生。

1.3沉淀法

沉淀法主要有乙醇分步沉淀法、PEG沉淀法、DMSO法、碘化鈉法、尿素法。PEG與乙醇分步沉淀法原理相似，都是親水性的有機溶劑加入瓊脂溶液后降低介質的介電常數或者是溶劑自身的水合作用，使瓊脂糖分子之間靜電引力增加，聚集形成沉淀。DMSO、碘化鈉法主要利用瓊膠酯能溶解在DMSO溶劑或含有碘化鈉溶劑中與瓊脂糖進行分離。尿素法主要原理為在尿素(加檸檬酸使pH=6.2)作為溶劑的條件下，采用乙醇作為沉淀劑，可以實現使瓊脂糖和瓊膠酯的分離。Polson和肖笛等[17-18]進行了PEG沉淀法制備瓊脂糖，向瓊脂溶液中，加入 PEG，靜置，離心分離，最后以丙酮脫水，干燥得到瓊脂糖。紀明侯等[19]采用不同濃度的乙醇進行分步沉淀。Jeon和Brasch等[20-21]采用DMSO為沉淀劑，對瓊膠酯進行沉淀，離心，再用乙醇或丙酮對離心液進行沉淀，可以得到瓊脂糖。許加超等[22]將以尿素為尿素為溶劑，加檸檬酸使溶劑pH為6.2，瓊脂溶解該溶劑中，加入乙醇使瓊脂糖沉淀，離心，得到瓊脂糖。沉淀法共同特點是工藝耗時較長，試劑用量多，操作步驟較多，沉淀較為完全，因此產率較高，一般在60.0%～93.0%左右。PEG沉淀法，白度為80左右，硫酸根含量為0.12%～0.25%，凝膠強度大于1000 g/cm2,電內滲為0.10～0.20。尿素法制得的產品硫酸根含量較高達0.76%，而且凝膠強度小于300 g/cm2，無法測得該法的電內滲。

1.4絡合法

絡合法主要有季銨鹽絡合法和 EDTA鈉鹽螯合法。季銨鹽絡合法的主要原理為瓊膠酯的聚陰離子與某些表面活性劑，如：季銨鹽，形成絡合物，在低離子強度的條件下形成沉淀，可以對酸性瓊膠酯進行分離，從而實現瓊脂糖的分級制備。EDTA鈉鹽螯合法主要原理為EDTA鈉鹽與瓊膠酯螯合，使其溶于緩沖液，而瓊脂糖不溶，從而實現兩者分離。Hjerten[23]采用十六烷基氯化吡啶將瓊膠酯沉淀，離心，離心液再采用乙醇沉淀，分離出瓊脂糖。Ble-then[24]將季銨鹽法進行改進，季銨鹽與高度硫酸化的多糖如：卡拉膠，使瓊膠酯沉淀，離心，離心液采用醇沉得到瓊脂糖。李龍等[25]采用龍須菜瓊脂為原料，加入EDTA-Na2溶液進行提取，然后離心，干燥，得到瓊脂糖。絡合法中EDTA鈉鹽螯合法，產率為60%～70%，白度為60～70，硫酸根含量為0.40%～0.50%，電內滲為0.30～0.40，凝膠強度為700～900 g/cm2，工藝耗時較短，試劑用量較少，操作簡單，季銨鹽絡合法產率為60%～70%，硫酸根含量為0.45%，凝膠強度大于1000 g/cm2，工藝耗時較短，試劑用量大，操作復雜。

1.5鹽析法

在瓊脂溶液中，加入一定量鹽，使其達到一定的濃度或者飽和狀態，促使瓊脂糖的溶解度降低從而析出，與水溶性較大的瓊膠酯進行分離。Azhitskiǐ等[26]采用硫酸銨對瓊脂糖溶液鹽析，瓊脂糖形成沉淀，進而從瓊脂中分離。硫酸銨法的產率為60%左右，白度為60～70，硫酸根為0.2%～0.4%，凝膠強度大于1000 g/cm2，電內滲為0.15～0.30。該法工藝耗時較長，操作工藝簡單。

1.6離子液體法

離子液體僅由陰離子和陽離子組成，在室溫或者低溫條件下呈液態的鹽，陽離子作為電子接受體，陰離子作為電子給予體，通過陰陽離子與瓊脂糖-OH中O與H的相互作用破壞瓊脂糖大分子之間的氫鍵，從而使瓊脂糖溶解。Trivedi等[27]直接以海藻為原料，加入離子液體，80℃微波輔助，過濾除去濾渣，濾液加入甲醇進行沉淀，過濾，洗滌，干燥得到瓊脂糖。

該法產率為17%～39%，硫酸鹽含量小于1.95%～2.75%，凝膠強度為570～600 g/cm2。離子液體法工藝耗時較短，試劑用量較少，操作較為簡單，但是離子液體比較昂貴。

此外，瓊脂糖的制備方法還有二甲基甲酰胺(DMF)法、殼多糖法、Acnnol法、雷萬諾法、堿處理等方法[1]。比較上述幾種分級制備瓊脂糖的方法，除了目前使用的DEAE-纖維素、PEG沉淀法和EDTA沉淀等常用方法外，其他的幾種方法基本上都存在收率較低、凝膠強度較低、色澤較差、成本較高等問題。雖然DEAE-纖維素工藝研究比較成熟，但是DEAE-纖維素價格昂貴，成本太高，限制其制備瓊脂糖的產量。考慮到生產成本以及產品的性能，可以認為PEG和EDTA鈉鹽沉淀法最為經濟，而且便于工業化生產。乙酰化為瓊脂糖的改性提供新的思路。離子液體法是上述方法中最為綠色的工藝，離子液體可以回收循環使用，雖然制備的產品參數不佳，但是為瓊脂糖的直接制備提供了一個新的方法。

2　高分辨率型瓊脂糖的衍生化制備

普通瓊脂糖用來分離大片段核酸，但是對于相差很小堿基對的小片核酸卻很難將其分開，因為核酸分子有效直徑小于凝膠孔徑，很難將小片段的核酸進行電泳分離。PCR技術的廣泛應用，對于分離小片段核酸的要求也越來越高[28]，然而普通的瓊脂糖無法滿足這些要求，因此通過引入低分子、高分子基團以及瓊脂糖衍生物進行組合等手段制備高分辨率瓊脂糖，目的是減小瓊脂糖凝膠的孔徑，對核酸的篩分能力更強，分辨率更高。

2.1引入低分子量基團

引入低分子量的基團主要有烷基、羥烷基、酰基以及鏈烯基等小分子基團，基團的引入使瓊脂糖凝膠過程中鏈與鏈之間的作用力減弱，從而使凝固溫度、融化溫度以及凝膠強度降低，形成凝膠孔徑變小。通過凝固溫度的高低來表征取代程度的高低，同時也反映凝膠孔徑的大小。Guiseley[29]采用williamson醚合成，酰化反應等將低分子基團引入瓊脂糖分子中。瓊脂糖首先溶解在水中，加入NaBH4還原，在堿性條件下加入改性試劑如硫酸二甲酯，低鏈鹵代烷烴、環氧化合物等類似物。反應完成后，反應液采用酸進行中和，采用醇或丙酮沉淀、過濾、洗滌和干燥。酰化反應是在N，N-二甲基酰胺，吡啶或者類似的溶劑中反應，如采用乙酰氯或丙酰氯進行酰化反應。Dumais等[30]對改性后瓊脂糖進行純化，制備出低電內滲高分辨率瓊脂糖。盧燦輝等[31]采用縮水甘油醚進行改性，但是凝膠強度太低。劉力等[32]對硫酸二甲酯的制備工藝進行優化。吳鋼等[33]對上述改性方法進行比較，以融化溫度為指標，并采用響應面對環氧丙烷、二氯乙醇法進行優化，但是堿濃度對融化溫度的影響未考慮。張秋俊等[34]以江蘺瓊脂糖為原料，以融化溫度和凝膠強度為指標，并優化制備羥乙基瓊脂糖的工藝條件，但環氧乙烷在高溫下易發生自聚，而且在高溫下反應不利于工業化生產。

引入低分子基團的瓊脂糖具有較低的凝固溫度、融化溫度以及一定的凝膠強度，對于但對于小片段核酸(大于50 bp DNA Ladder)有較好的分離效果[35]。Guiseley為制備低凝固溫度瓊脂糖改性提供了一系列的方法，得出了凝膠溫度與改性程度的線性關系，對于制備工藝條件沒有進行優化，所以該制備工藝參數有待進一步研究。但是分子相差更小的核酸卻無法分離。如果繼續增加取代程度，可以達到分離效果，但是凝膠強度卻急劇下降，不足以作為電泳介質。

2.2引入高分子量基團

通過引入高分子基團而達到降低凝膠孔徑，瓊脂糖與雙官能團化合物進行反應，為其他基團的引入提供一個活性位點，從而使其它不飽和基團可以引入至瓊脂分子，通過逐步反應，低分子量的中間體在瓊脂糖上形成高分子量，凝膠孔徑變小，從而使篩分能力更強。Cook等[36]采用與不飽和基團的單體如：丙烯腈，丙烯酰胺，α，β-不飽和羧酸等類似共聚物進行接枝。此法在引入低分子基團的基礎上，從而引入更大的基團。

該法有效地避免了采用一步反應所形成的高分子量溶解性和反應性限制，制備出的瓊脂糖衍生物凝膠不僅與聚丙烯酰胺凝膠一樣具有較強的篩分性質，而且清晰度也相當，這是引入小分子基團無法達到的效果。同時，該法制備的瓊脂糖對于復雜的生物化合物有較好的分離效果，類似應用在篩分或疏水性，離子交換，生物親和作用。高分子量基團改性的瓊脂糖較未改性的的瓊脂糖凝膠，有較強的篩分功能，在分離核酸和蛋白質都有較好的效果[37]。

2.3瓊脂糖與瓊脂糖衍生物組合法

瓊脂糖與瓊脂糖衍生物組合法的主要原理為高度衍生化的瓊脂糖具有極小的凝膠孔徑，具有很強的篩分性能，但是其凝膠強度很小。然而普通瓊脂糖具有很高的凝膠強度，篩分能力不如高度衍生化的瓊脂糖，因此采用兩種瓊脂糖進行組合。Dumais等[38]發現電泳分離凝膠組合物，主要由堆積凝膠和分離凝膠組成，即兩者的比例為4:6。Nochumson等[39]認為堆積凝膠必須具備三個條件：①可以進行電泳；②保持自身結構的完整；③提供最小的膨脹；尤其是凝膠強度必須達到500 g/cm2，主要通過降解法制備。

瓊脂糖與瓊脂糖衍生物組合法，該組合物不僅比未改性的瓊脂糖和引入低分子量瓊脂糖具有更強的篩分能力，對于分離1～10 bp DNA Ladder有很好的效果，甚至對DNA同分異構體也有很好的分離效果，而且分辨率與聚丙烯酰胺相當，不僅可以分離核酸，而且蛋白也可以分離[40]。

國外對高分辨率方法的工藝研究比較成熟，如MetaPhorTM、NuSieve 3:1 Agarose等產品[39]，國內目前沒有生產該類瓊脂糖。本文將生產高分辨率瓊脂糖方法工藝進行總結，比較上述幾種方法，由于嫁接的方法很難控制單體的聚合度，而且操作復雜，不利于工業化生產，因此采用瓊脂糖與瓊脂糖衍生物組合法最為理想，不僅具有較高的篩分能力，而且生產成本相比其他幾種方法最為經濟，生產出的瓊脂糖產品，性能更優。

3　展　望

瓊脂糖作為一種電中性多糖，以其凝膠的穩定性和滯后特性，已成為生物技術領域中不可缺少的凝膠基質。隨著現代生物技術的發展，瓊脂糖的需求量不斷加大，同時瓊脂糖以及瓊脂糖衍生物的品質提出了新的要求。國外瓊脂糖的研究遠早于國內，已形成瓊脂糖的系列產品(如Sigma與Lonza等公司生產的高分辨瓊脂糖、低凝固溫度瓊脂糖、超低凝膠溫度瓊脂糖和脈沖電泳瓊脂糖等幾十個品種)，且性能明顯優于國內產品，所以國內生物工程、醫學和藥學等領域科研院所所用的瓊脂糖主要依靠進口，價格昂貴。因此，研制高分辨率瓊脂糖產品，優化其生產工藝，可以彌補國內不足，為瓊脂糖產品的生產提供借鑒或參考。

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Research Progress on Preparation of Agarose and High Sieving Agarose*

WANG Jiang-lin,LIN Fu-di,HE Huang-huang,XIONG Ren-jie，ZHAO Peng

(School of Chemical Engineering,Huaqiao University,Fujian Xiamen 361021,China)

Agarose is widely used as medium in electrophoresis.Preparation of agarose and high sieving agarose was reviewed.Methods of agarose preparations included acetylation,ion exchange,precipitation,complexation,salting and ionic liquid method,and so on.Methods for producing high sieving agarose introduced a low or high molecular weight group and mixing agarose with its derivatives.The principles,the merits?and?demerits of technology and the product quality of different methods were summarized and compared,which can provide references for the production of agarose and high sieving agarose.

agarose; electrophoresis; high sieving; separation; preparation

華僑大學研究生科研創新能力培育計劃資助項目；泉州科技項目(2013Z13)。

王江林(1989-)，男，碩士研究生在讀.主要從事海洋資源高值化利用。

趙鵬(1975-)，男，碩士，副教授，主要從事天然產物的提取、分離和精制。

TQ95

A

1001-9677(2016)011-0019-04