生物工藝中超越分析規(guī)模的磁性分離：從生物技術(shù)到食品工業(yè)
Sebastian P. Schwaminger1*?, Paula Fraga-García1*?, Marco Eigenfeld2, Thomas M. Becker2, Sonja Berensmeier1*
1德國加興慕尼黑工業(yè)大學(xué)機械工程系生物分離工程組
2德國弗賴辛慕尼黑工業(yè)大學(xué)釀造和飲料技術(shù)研究所飲料和谷物生物技術(shù)研究小組
下游工藝需要更多創(chuàng)新理念來推進(jìn)和克服當(dāng)前的生物工藝挑戰(zhàn)。色譜法是迄今為止保守的工業(yè)部門使用的最普遍的技術(shù)。層析法具有許多優(yōu)點，但也往往是制藥生產(chǎn)過程中最昂貴的步驟。因此，迫切需要替代方法和深加工策略。磁分離是大規(guī)模新開發(fā)的一個有前途的候選者，它能夠快速、直接地捕獲發(fā)酵液中的目標(biāo)分子。在過去的 10-20 年里，該領(lǐng)域發(fā)生了一場小革命，已經(jīng)發(fā)表了一些關(guān)于在分析規(guī)模以外的生物工藝實例中使用磁性分離的論文。由于每種目標(biāo)材料都使用不同的磁分離方法進(jìn)行純化，因此工藝比較并非易事，但有助于理解和改進(jìn)磁分離，從而使其對技術(shù)規(guī)模具有吸引力。為了解決這個問題，我們報告了磁性分離技術(shù)的最新成果，并概述了捕獲和分離生物技術(shù)和食品技術(shù)衍生的生物分子的進(jìn)展。磁分離在應(yīng)用生命科學(xué)中具有巨大的高通量下游加工潛力。同時，需要克服兩個主要挑戰(zhàn)：（1） 開發(fā)合適和靈活的分離裝置平臺，以及 （2） 對有利的加工條件進(jìn)行額外研究，尤其是在回收期間。需要改進(jìn)濃度和純化因子，為更廣泛地使用磁性應(yīng)用鋪平道路。磁性梯度和多用途分離的創(chuàng)新組合將為大規(guī)模下游工藝設(shè)定基于磁性的新趨勢。
介紹
許多科學(xué)發(fā)現(xiàn)都與磁現(xiàn)象直接相關(guān)。從使用指南針的勘探航行到電力的開發(fā)，再到鐵礦石的加工，磁學(xué)已經(jīng)徹底改變了傳統(tǒng)工藝。磁分離是由磁場在磁敏感材料中感應(yīng)的力引起的，而其他材料則不受這種力場的影響。源自采礦業(yè)的磁分離的首次使用可以追溯到 20 世紀(jì)初 （庫斯特，1902 年).隨著時間的推移，應(yīng)用領(lǐng)域擴大到包括煤脫硫、鋼鐵生產(chǎn)、廢水處理、醫(yī)療應(yīng)用和生物技術(shù) （Robinson 等人，1973 年; Whitesides 等人，1983 年; Moffat 等人，1994 年; 周 et al.， 1996; Yavuz 等人，2006 年; Gómez-Pastora 等人，2014 年; Egesa 等人，2017 年).所有這些應(yīng)用程序有什么共同點？在水介質(zhì)中加工的條件是相似的。然而，處理的總體積和過程粘度存在顯著差異，這可能會給磁分離帶來挑戰(zhàn)。與廢水流相比，以蛋白質(zhì)或藥物為主要產(chǎn)品的生物技術(shù)過程處理較低的水體積、較高的粘度和較高的目標(biāo)分子濃度。食品技術(shù)過程與生物技術(shù)中的過程相似。在大多數(shù)情況下，目標(biāo)沒有磁性。根據(jù)這些靶材和磁性材料之間的不同相互作用，它們可以與周圍的介質(zhì)分離。體內(nèi)熱療或藥物輸送治療等醫(yī)療應(yīng)用需要處理更低的水量、更高的純度和更低的毒性。因此，根據(jù)基本的生產(chǎn)工藝和分離要求，需要不同的磁性材料。雖然環(huán)境方法的主要目標(biāo)是過濾雜質(zhì)并獲得清潔水，但在生命科學(xué)中，其目標(biāo)通常是從混合物中僅去除一種目標(biāo)物質(zhì)。
在過去幾年中，隨著新的應(yīng)用趨勢，用作生物分子載體的材料和磁分離器設(shè)計得到了進(jìn)一步發(fā)展。我們回顧了生物技術(shù)和食品技術(shù)的工業(yè)相關(guān)磁分離工藝，重點關(guān)注過去二十年的進(jìn)步。我們表明，在更大規(guī)模上實現(xiàn)的生產(chǎn)力水平對于工業(yè)開發(fā)來說是有趣的。也許目前最緊迫的任務(wù)是鼓勵開發(fā)用于磁分離工藝的增強型設(shè)備，并提供最佳工藝參數(shù)的示例。需要新的工藝來提高生產(chǎn)率，一次回收多種目標(biāo)材料，并減少時間周期和水消耗。在以下部分中，我們想重點介紹磁性分離在制藥和食品工業(yè)領(lǐng)域的使用方式，以及需要考慮哪些參數(shù)才能純化細(xì)胞和生物大分子（如蛋白質(zhì)）。
磁分離的優(yōu)勢
生物技術(shù)來源的制藥應(yīng)用（例如抗體生產(chǎn)）的常規(guī)分離和純化方法需要許多步驟：過濾、離心、絮凝、沉淀或結(jié)晶以及色譜技術(shù) （Carta 和 Jungbauer，2010 年)。開發(fā)高科技或創(chuàng)新方法仍然是在領(lǐng)先技術(shù)領(lǐng)域促進(jìn)下游加工和為提高生產(chǎn)力鋪平道路的主要挑戰(zhàn)。由于一些重要的優(yōu)點，磁性分離是未來下游應(yīng)用的有趣候選者：
? 整合了靶標(biāo)的一步捕獲和純化（高親和力和選擇性）
? 高通量
? 半連續(xù)加工，能耗低。
因此，與傳統(tǒng)工藝相比，磁分離有助于降低成本并提高產(chǎn)量和生產(chǎn)率。在相對較低的壓力下進(jìn)行連續(xù)或半連續(xù)加工，加工能耗較低。該過程允許一個廣泛的變量框架來使其適應(yīng)每個系統(tǒng)的需求，并應(yīng)導(dǎo)致更多可用于工業(yè)開發(fā)的生物產(chǎn)品（Hubbuch 等人，2001 年; Ohara 等人，2001 年; Ahoranta 等人，2002 年; Eskandarpour 等人，2009 年; Yavuz et al.， 2009; Paulus et al.， 2014; Gómez-Pastora 等人，2017 年).
分離策略和分離器設(shè)計
在開始分離過程之前，第一步是選擇最合適的分離策略。這意味著要考慮系統(tǒng)和流程，并考慮所有相關(guān)參數(shù)。方案圖 1重點介紹了設(shè)計高效流程的主要標(biāo)準(zhǔn)。有必要牢記加工限制（體積、目標(biāo)、肉湯特性、時間、成本等）和合適設(shè)備的可用性。表 1概述了磁分離原理，而圖 2介紹了一些現(xiàn)有設(shè)計的設(shè)置。分離策略取決于目標(biāo)分子，不僅包括實際的磁性分離過程，還包括磁性材料與目標(biāo)分子之間的相互作用。靶標(biāo)的結(jié)合和洗脫條件對整個過程至關(guān)重要，結(jié)合的平衡時間，尤其是洗脫的平衡時間仍然是未來優(yōu)化的挑戰(zhàn)。
圖 1.該方案突出了磁分離過程的主要標(biāo)準(zhǔn)，就像機器中的齒輪一樣相互嚙合，因為它們相互依賴。需要根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品選擇參數(shù)，以促進(jìn)高效的過程。
表 1.生物技術(shù)下游加工的磁性分離策略總結(jié)
圖 2.磁選機設(shè)計方案。轉(zhuǎn)子-定子高梯度磁選機 （A） 可用于純化目標(biāo)蛋白。在這里，電磁鐵用于在多孔板（轉(zhuǎn)子板和定子板）之間建立高磁場梯度。第一步，目標(biāo)材料吸附到磁性顆粒上，并通過磁性與分離室中的雜質(zhì)分離。在第二步中，將磁性顆粒與目標(biāo)蛋白分離，目標(biāo)蛋白被洗脫 （Fraga García et al.， 2015; Schwaminger等人，2019 年).圖中展示了磁鼓式分離器 （MDS） 形式的開放式梯度磁選機 （OGMS） （B）。使用磁鼓將磁珠與雜質(zhì)分離，并用刮刀刀片 （Dong et al.， 2015).在磁過濾裝置 （C） 中，可磁化的導(dǎo)線、網(wǎng)格或束被放置在磁場中。磁性顆粒與這些可磁化基質(zhì)結(jié)合，形成可磁化濾餅，從而提高磁性濾光片的性能 （Schwaminger 等人，2019b).在氣體輔助磁分離 （GAMS） 工藝 （D） 中，氣體通過反應(yīng)器鼓泡，導(dǎo)致磁性顆粒和附著的目標(biāo)分子浮選，這些目標(biāo)分子可以用磁鐵 （Li et al.， 2013).磁穩(wěn)定移動床反應(yīng)器 （MSBR） 基于反應(yīng)器周圍的旋轉(zhuǎn)磁場，允許磁珠流化，同時它們在流向 （E） 上的行為類似于固定床 (Zong 等人，2013 年).磁力臥螺離心機 （F） 允許磁性顆粒與磁化螺桿連續(xù)傳輸，同時雜質(zhì)不受磁場影響，因此與磁性材料分離 （Lindner 和 Nirschl，2014 年).磁力離心機 （G） 由于磁珠的密度差異和磁化 （Lindner 和 Nirschl，2014 年).
磁敏感材料的幾種物理特性用于分離磁場中的分子 （Moffat 等人，1994 年)。磁性分離的典型應(yīng)用是直接收集磁性材料并將其與非磁性材料分離。這種方法使用高磁場梯度來成功收集所有磁性材料。另一種選擇是利用磁性材料的聚集和團(tuán)聚效應(yīng)，因為在磁場 （Svoboda，1982 年; Ditsch 等人，2005 年).與斯托克阻力和布朗運動的影響相比，由于磁力更大，這種所謂的磁絮凝可以更容易地進(jìn)行分離;此外，由于與單個顆粒相比，聚集體的尺寸更大 （Schwaminger 等人，2019b).缺點是這種磁聚集通常會對磁性收集產(chǎn)生負(fù)面影響，使磁性材料的重復(fù)使用更具挑戰(zhàn)性。
Eichholz 等人提出的一個有趣的過程是磁性過濾，它將磁性分離與濾餅過濾 （Eichholz 等人，2011 年).其他可能性包括磁浮選、增強磁沉降、磁選或在磁穩(wěn)定床中使用磁珠作為吸附材料 （Albert 和 Tien，1985 年; 查爾斯，1990 年; Rosensweig 和 Ciprios，1991 年; Moffat 等人，1994 年; Becker et al.， 2009).磁浮選可用于收集或增強浮選效果，并有效地從雜質(zhì)中分離和捕獲目標(biāo)分子。氣體輔助磁分離 （GAMS） 和氣體輔助超順磁萃取 （GASE） 工藝使用氮氣氣泡漂浮與目標(biāo)分子結(jié)合的磁性納米顆粒 （Li et al.， 2013; Liu et al.， 2016).磁性顆?？梢栽谳腿‰A段收集，也可以使用磁鐵收集，從而實現(xiàn)快速分離過程。磁力離心機可以進(jìn)一步增強磁沉降，磁力離心機通過增加磁珠上的加速力 （Lindner 和 Nirschl，2014 年).磁性分揀可用于根據(jù)磁性和磁性對磁性材料和與這些磁性材料結(jié)合的材料進(jìn)行分類。這有利于對不同形狀和大小的磁性納米顆粒進(jìn)行分選，以及對細(xì)胞進(jìn)行分選 （Chen et al.， 2017; Zhang et al.， 2017).磁穩(wěn)定床反應(yīng)器促進(jìn)了固定床和移動床之間的混合，從而允許在磁珠表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，催化劑和酶可以固定在那里 （Zong 等人，2013 年)。
磁性材料
磁性材料是分離過程中必不可少的成分。磁分離尤其受益于醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域（例如藥物輸送）的強勁發(fā)展以及多功能磁性材料的發(fā)展。氧化鐵納米顆粒通常被認(rèn)為是安全的 （GRAS），并已獲得美國食品和藥物管理局 （FDA） 的體內(nèi)應(yīng)用批準(zhǔn) （Thanh，2012 年; Pu?nik 等人，2016 年).此外，根據(jù) FDA 的規(guī)定，氧化鐵允許作為色素和食品添加劑。關(guān)于氧化鐵納米顆粒的毒性和可能的健康影響，有多種研究：一方面，氧化鐵納米顆粒能夠穿透細(xì)胞并產(chǎn)生活性氧 （ROS），這會導(dǎo)致細(xì)胞損傷（Soenen 等人，2011 年; Liu et al.， 2013)。另一方面，多項研究并未表明氧化鐵納米顆粒對健康的影響（Szalay 等人，2012 年)。這一爭議以及氧化鐵納米材料的潛在毒性需要進(jìn)一步調(diào)查和評估，以確保安全處理納米材料用于磁分離 （Auffan et al.， 2009; Valdiglesias 等人，2015 年)。許多綜述介紹了不同磁性粒子的合成，尤其是在納米水平上，以及大量的磁性粒子功能化策略（Bergemann 等人，1999 年; Berensmeier， 2006 年; Lu et al.， 2007; Laurent 等人，2008 年; Philippova 等人，2011 年; Buck 和 Schaak，2013 年; Conde 等人，2014 年; Xiao et al.， 2016; Ge et al.， 2017).合成方法會影響顆粒核心及其表面特性 （Laurent 等人，2008 年; Shavel 和 Liz-Marzán，2009 年; Roth et al.， 2015)。單獨對于氧化鐵，從共沉淀到水熱合成，從研磨到生物合成，多種策略是已知的 （Laurent 等人，2008 年; Ali et al.， 2016)。超順磁性納米顆粒可用于合成或嵌入聚合物基質(zhì)中的分離過程，通常會導(dǎo)致微載體 （Philippova 等人，2011 年)。這些微載體 （表 2）代表磁分離應(yīng)用中最常用和市售的顆粒 （Berensmeier， 2006 年; Borlido et al.， 2013; Fields 等人，2016 年)。納米顆粒比微粒珠和層析填料具有優(yōu)勢，因為在分離過程中蛋白質(zhì)擴散沒有傳質(zhì)限制，這在容量、純度、污染水平和處理時間方面很重要。非嵌入磁性納米顆粒，如裸露的氧化鐵納米顆粒，由于其生產(chǎn)成本低、前驅(qū)體豐富和密度高，在分離過程中具有很大的潛力。另一方面，磁性微珠在分離過程中更容易處理，因為它們不易受到磁聚集效應(yīng)的影響。因此，與膠體穩(wěn)定的納米顆粒相比，較大的尺寸有助于在磁力和斯托克斯阻力之間實現(xiàn)更好的比率，從而在磁場中具有更好的可分割性。最佳磁性材料的選擇在很大程度上取決于工藝策略。目標(biāo)生物材料和工藝條件在磁珠的選擇中也起著至關(guān)重要的作用（參見圖 1)。根據(jù)獎品和目標(biāo)產(chǎn)品的要求，需要使用低成本的粗裸氧化鐵納米顆粒或高度特異性的吸附劑，如蛋白 A 修飾的磁性顆粒，用于純化過程（Holschuh 和 Schw?mmle，2005 年; Gomes 等人，2018 年; Schwaminger等人，2019 年,b)。此外，必須根據(jù)磁珠化學(xué)和工藝設(shè)計準(zhǔn)確選擇靶蛋白的結(jié)合和洗脫條件。磁性表面的功能化是一個工具包，可以根據(jù)目標(biāo)的特性以及所選的吸附和解吸之間的切換條件進(jìn)行調(diào)整?？傊?，根據(jù)應(yīng)用的不同，需要選擇和組合磁性材料、粒徑、穩(wěn)定性和功能化 （圖 3)。
表 2.選擇用于生物技術(shù)純化和醫(yī)療應(yīng)用的市售磁珠
圖 3.用于根據(jù)應(yīng)用選擇合適的磁珠的工具包。粗金屬或陶瓷顆粒的選擇以及穩(wěn)定和功能化磁性顆粒的策略對其在生物分離過程中的應(yīng)用起著決定性的作用。
用于生物技術(shù)蛋白質(zhì)和細(xì)胞回收的高梯度磁性分離
高梯度磁選機在特斯拉范圍內(nèi)具有較大的磁通密度，允許 10、4-10、5 T/m 或更高的局部梯度 （Svoboda 和 Fujita，2003 年; Las Cuevas 等人，2008 年)。它們能夠從流動流中捕獲具有較弱磁矩的材料 （Yavuz et al.， 2009)。因此，新興的磁性技術(shù)導(dǎo)致了實驗室規(guī)模上生物分子（尤其是蛋白質(zhì)）的不同分離工藝的發(fā)展。然而，只有少數(shù)研究小組的工作致力于更大規(guī)模地開發(fā)磁性分離，以回收蛋白質(zhì)、其他生物分子甚至細(xì)胞 （Hubbuch 等人，2001 年; Hoffmann 等人，2002 年; Hubbuch 和 Thomas，2002 年; Bucak et al.， 2003; Heeb?ll-Nielsen 等人，2004 年b; Hoffmann 和 Franzreb，2004 年a,b; Moeser 等人，2004 年; Kampeis 等人，2009 年,2011,2013; Lindner 和 Nirschl，2014 年; Nirschl 和 Keller，2014 年; Fraga García et al.， 2015; Roth 等人，2016 年; Gomes 等人，2018 年; Schwaminger等人，2019 年,b)。
一些全自動 HGMS 模型 （Hubbuch 等人，2001 年; Hoffmann 等人，2002 年; Heeb?ll-Nielsen 等人，2004 年a; Hoffmann 和 Franzreb，2004 年a,b; Meyer 等人，2005 年）以及 Franzreb 及其同事的一系列專利開創(chuàng)了大規(guī)模生命科學(xué)應(yīng)用高梯度磁分離的新紀(jì)元。2006 年，發(fā)明了所謂的轉(zhuǎn)子定子分離器 （Franzreb et al.， 2004; Franzreb 和 Reichert，2006 年).該模型具有顯著的優(yōu)勢，即洗脫、洗滌和顆?；厥詹襟E的效率大大提高。因此，轉(zhuǎn)子-定子型分離器可用于擴大傳統(tǒng)磁珠應(yīng)用之外的磁分離過程?；谵D(zhuǎn)子定子設(shè)計 （Franzreb 和 Reichert，2006 年），一些分離器原型是與 Steinert GmbH 和 Abbis GmbH 合作構(gòu)建的。原型以及 HGMS 加工步驟已得到精確描述 （Brown 等人，2013 年).最近與 Andritz KMPT GmbH 合作對 HGMS 模型進(jìn)行了調(diào)整，以符合 cGMP 標(biāo)準(zhǔn)（Ebeler等人，2018 年)。
轉(zhuǎn)子定子分離器的一個有趣特點是多循環(huán)過程設(shè)計簡單，這導(dǎo)致更高的總產(chǎn)量，使其成為高價值目標(biāo)生物分子的更好選擇。Schultz 等人和 Meyer 等人之前曾介紹過使用其他分離機進(jìn)行多循環(huán)蛋白質(zhì)回收，但重懸顆粒的挑戰(zhàn)、回混和不完全沖洗導(dǎo)致的問題仍然存在 （Meyer 等人，2005 年; Schultz et al.， 2007)。Müller 和合作者使用轉(zhuǎn)子定子 HGMS 運行一個超過 60 個循環(huán)的工藝，前 12 個循環(huán)中的結(jié)合載量損失非常低 （<10%）;在一個批處理過程中，作者實現(xiàn)了高達(dá) 4,900 （Müller et al.， 2011)。
磁性分離器通過以下方式捕獲藥學(xué)相關(guān)蛋白質(zhì)Holschuh 和 Schw?mmle （2005）。他們在 100 L 規(guī)模的細(xì)胞培養(yǎng)上清液中用蛋白 A 修飾的磁珠純化抗體。最近，類似的加工方法已經(jīng)得到改進(jìn)并適用于轉(zhuǎn)子定子系統(tǒng) （Müller et al.， 2015; Gomes 等人，2018 年).這些工作清楚地表明了 HGMS 在更大規(guī)模直接捕獲生物靶標(biāo)方面的相關(guān)性。Gomes 等人在小型中試規(guī)模上使用 HGMS 從未過濾的兔抗血清原料中回收多克隆抗體。它們使用 0.8 μm 功能化顆粒從進(jìn)料中 2.5 g/L 的初始抗體濃度中回收抗體，在 0.5 小時內(nèi)以 3 倍純化形式 （Gomes 等人，2018 年)。Müller 從高達(dá) 20 L 的馬血清中純化糖蛋白馬絨毛膜促性腺激素 （eCG），并使用轉(zhuǎn)子定子 HGMS （Müller et al.， 2015)。在最近的一項研究中，Brechmann 等人展示了使用 HGMS 從 26 L CHO 細(xì)胞上清液中純化單克隆抗體，并獲得與色譜工藝相同的純度 （Brechmann et al.， 2019)。
最近，升級 HGMS 的另一個重要突破是使用磁性納米顆粒（而不是微粒）進(jìn)行蛋白質(zhì)回收 （Fraga García et al.， 2015)。已成功應(yīng)用高達(dá) 100 g 質(zhì)量的包被納米顆粒，以每小時從 2.4 L 細(xì)胞裂解物中回收 12 g His-GFP。在那之前，許多研究人員都認(rèn)為 HGMS 不適合分離非常小的磁性顆粒 （<100 nm） （Kim et al.， 2009），盡管 Hatton 小組的早期工作已經(jīng)證明了包被納米顆粒在 mL 級工藝中的適用性 （Bucak et al.， 2003; Moeser 等人，2004 年).兩部新作品 （Schwaminger等人，2019 年,b）提供了 HGMS 使用技術(shù)和工業(yè)上都非常有趣的材料的可能性的證據(jù)：低成本的裸氧化鐵納米顆粒。這兩項工作都展示了基于納米顆粒的升級分離在實現(xiàn)更高容量方面的優(yōu)勢。此外，Schwaminger 等人還揭示了洗脫過程，無需使用危險且昂貴的洗脫液（如咪唑）。這證明了提高結(jié)果和轉(zhuǎn)向更可持續(xù)的加工形式有很大的余地，這有望成為下游加工的未來重點之一。Schwaminger等人，2019 年)。
最近還發(fā)表了另一個使用升級 HGMS 裸露的氧化鐵納米顆粒成功分離以回收整個細(xì)胞而不是蛋白質(zhì)的例子 （Fraga-García et al.， 2018），盡管磁性電池分離的基礎(chǔ)可以追溯到 1975 年 （Melville 等人，1975 年)。在細(xì)胞分離的情況下，更快的處理速度和高回收率的優(yōu)勢在幾十年前就得到了認(rèn)可 （Kronick 等人，1978 年），盡管磁性材料通常僅用于標(biāo)記細(xì)胞 （Molday 等人，1977 年)。最近的出版物強調(diào)了細(xì)胞純化的更大規(guī)模可能性 （Hultgren 等人，2004 年） 和過去二十年中獲得的相關(guān)性 （Berger et al.， 2001），該領(lǐng)域正在擴展到生物質(zhì)收獲領(lǐng)域 （胡 和 胡， 2014; Fraga-García et al.， 2018)。
食品和飲料行業(yè)的應(yīng)用和前景
磁性納米顆粒也可用于食品工業(yè)。在葡萄酒和啤酒加工的大型發(fā)酵過程中去除酵母非常有趣。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，磁性去除酵母是一種經(jīng)濟高效且簡單的過程，傳統(tǒng)技術(shù)將酵母冷凍和爆炸 （Dauer 和 Dunlop，1991 年; Berovic 等人，2014 年)。Berovic 等人展示了一種磁性酵母去除工藝，該工藝將去除時間從 60 天縮短到 15 分鐘，同時保持口味標(biāo)準(zhǔn)（Berovic 等人，2014 年)。通過將酵母細(xì)胞固定在磁性納米顆粒 （Genisheva 等人，2011 年)。此外，去除葡萄酒中的渾濁、渾濁蛋白和不需要的味道是一個有趣的應(yīng)用領(lǐng)域（Safarik 等人，2007 年; Mierczynska-Vasilev 等人，2017 年).磁性納米顆粒上的聚合物涂層可用于去除葡萄酒中的蛋白質(zhì)，而不會影響味道和風(fēng)味 （Mierczynska-Vasilev 等人，2017 年)。Liang 等人展示了使用聚合物包被的磁性納米顆粒 （Liang et al.， 2018)。除了酒精飲料的精制外，磁性納米顆粒上的固定酶還可用于食品工業(yè)中果汁的澄清（Mosafa 等人，2014 年)。
磁分離工藝的另一個重要領(lǐng)域是乳制品行業(yè)。分離和純化乳清蛋白（如牛血清白蛋白、溶菌酶、乳鐵蛋白、乳過氧化物酶、α-乳白蛋白和 β-乳球蛋白）的幾種方法存在于實驗室規(guī)模，并已被Nicolás 等人 （2019）。雖然許多研究看起來相當(dāng)有希望，但我們想強調(diào)毫升級以外的加工規(guī)模。為了凈化乳清，Heeb?ll-Nielsen 等人率先引入了高梯度磁捕法 （Heeb?ll-Nielsen 等人，2004 年b)。他們能夠分別用磁性陽離子交換珠從 375 至 174 mL 乳清中捕獲溶菌酶和乳過氧化物酶 （Heeb?ll-Nielsen 等人，2004 年)。對乳清的磁性加工進(jìn)行了進(jìn)一步的研究Meyer 等人 （2005,2007)。他們用金屬離子配位磁珠 （Meyer 等人，2005 年)。此外，引入了大量的乳清來純化蛋白質(zhì)乳鐵蛋白。在這里，用 HGMF 處理 2,200 mL 乳清，用聚戊二醛包被的硅烷化磁珠純化 111 mg 乳鐵蛋白。進(jìn)一步的加工步驟是在 2 L 乳清原料批次 （Brown 等人，2013 年)。食品和生物技術(shù)邊緣的類似磁性分離方法是從豆類提取物中純化凝集素，從雞蛋清中純化溶菌酶 （Heeb?ll-Nielsen 等人，2004 年a; Eichholz 等人，2011 年)。
結(jié)論和展望
這篇綜述提供了對行業(yè)相關(guān)磁性生物分離過程的見解。此外，我們列出了設(shè)計磁分離工藝時要考慮的所有相關(guān)因素。我們想強調(diào)磁分離技術(shù)仍未開發(fā)的潛力，該技術(shù)可應(yīng)用于制藥、營養(yǎng)和醫(yī)藥部門等的工業(yè)下游加工。磁性分離可能有助于克服下游工藝中的主要挑戰(zhàn)：（1） 回收步驟中更可持續(xù)的生物工藝和環(huán)保的洗脫介質(zhì);（2） 減少水量以提高濃度因子并減少用水量。磁性分離可以作為從粗細(xì)胞肉湯中直接捕獲和濃縮的步驟來實現(xiàn)?？赡苄枰渌夹g(shù)來進(jìn)一步精純蛋白質(zhì)并提高藥物靶產(chǎn)品的純度。然而，目標(biāo)要求、磁性吸附劑、加工條件和隔膜設(shè)計會相互影響。
大多數(shù)關(guān)于色譜材料和磁珠增強的研究僅尋求改善結(jié)合行為。因此，更好地了解吸附機制，但更重要的是了解解吸步驟是必要的。雖然色譜法在工業(yè)下游工藝中被廣泛接受，但需要建立磁分離作為替代方案。在這方面，F(xiàn)DA 對作為食品添加劑的氧化鐵及其在醫(yī)療應(yīng)用中的應(yīng)用的法規(guī)也將簡化對工業(yè)生物分離工藝的接受。最重要的因素可能是鼓勵針對不同生物技術(shù)目標(biāo)設(shè)計和工程改進(jìn)的系統(tǒng)。目前，選擇一種用于生物分子磁性分離的設(shè)備很困難。必須投入更多精力來開發(fā)現(xiàn)代設(shè)備，學(xué)習(xí)尖端技術(shù)，應(yīng)用不那么保守但更具活力的工業(yè)方法。這可能是在下游加工應(yīng)用的第一和中期將磁分離確立為傳統(tǒng)純化方法的工業(yè)替代方案的最大挑戰(zhàn)。
磁選系統(tǒng)堅固耐用，運行成本低。從磁性分離過程中常用的磁性微珠轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈弑缺砻娣e和更低生產(chǎn)成本的納米顆粒，可能會為更有利的加工策略鋪平道路。此外，設(shè)置設(shè)計可能非常簡單，但加工復(fù)雜度較低。這些優(yōu)勢將為未來的大規(guī)模下游加工帶來創(chuàng)新的、具有工業(yè)吸引力的工藝。磁性分離還可以提高目標(biāo)分子的生產(chǎn)率并降低產(chǎn)品價格，從而增加生物技術(shù)來源產(chǎn)品的數(shù)量。總之，我們希望鼓勵更多使用磁力的研究和技術(shù)處理，特別是對于其他生命科學(xué)領(lǐng)域，例如食品和飲料行業(yè)。
Author Contributions
SS and PF-G planned and designed the manuscript. SS, PF-G, and ME collected and reviewed the literature. SB and TB discussed the manuscript. The manuscript was written through contributions of all authors. All authors have given approval to the final version of the manuscript.
Conflict of Interest
The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.
Acknowledgments
We appreciate support from the German Research Foundation (DFG) and the Technical University of Munich (TUM) in the framework of the Open-Access Publishing Program.
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