第八章反胶团萃取

第八章反胶团萃取反胶束萃取技术（Reversedmicellarextraction）是近年来发展起来的一种新型萃取分离技术，主要适合于蛋白质的提取和分离。是利用表面活性剂在有机溶剂中自发形成一种纳米级的反胶束相来萃取水溶液中的大分子蛋白质。一.反胶束法料液有机相反胶团萃取反胶团（reversedmicelles）是两性表面活性剂在非极性有机溶剂中亲水性基团自发地向内聚集而成的，内含微小水滴的，空间尺度仅为纳米级的集合型胶体。是一种自我组织和排列而成的，并具热力学稳定的有序构造。反胶团的微小界面和微小水相具有两个特异性功能：①具有分子识别并允许选择性透过的半透膜的功能；②在疏水性环境中具有使亲水性大分子如蛋白质等保持活性的功能。反胶团可作为作为生理活性物质以及生物活性大分子的特异性分离场（分离、浓缩等方法）。反胶团萃取技术的特点反胶团萃取技术的突出优点①有很高的萃取率和反萃取率并具有选择性；②分离、浓缩可同时进行，过程简便；③能解决蛋白质（如胞内酶）在非细胞环境中迅速失活的问题；④表面活性剂往往具有细胞破壁功效，可直接从完整细胞中提取具有活性的蛋白质和酶；⑤成本低，溶剂可反复使用等。反胶团的形成反胶团的构造当向水溶剂中加入表面活性剂时，如表面活性剂的浓度超过一定的数值时，形成正胶团。当向非极性溶剂中加入一定量的表面活性剂时，会形成反胶团或反向胶团。在反胶团中有一个极性核心，它包括由表面活性剂极性端组成的内表面、平衡离子和水，被称之为“水池。这个“水池”具有极性，可以溶解具有极性的分子和亲水性的生物大分子。在AOT反胶团中，水合化一分子AOT需要6～8个水分子，而其他水分子则不受束缚，可与普通水一样自由流动，所以当W＞16时，“水池”中的水逐渐接近主体水相粘度，胶团内也形成双电层。胶团变化示意图蛋白质溶解方式示意图反胶团萃取蛋白质的基本原理是从主体水相向溶解于有机溶剂相中反胶团微水相中的分配萃取。同时也是一个浓缩操作。改变水相条件　可实现反萃取。反胶团萃取蛋白质的示意图“水壳”模型（water-shellmode））蛋白质向非极性溶剂中反胶团的纳米级水池中的溶解，如图所示的四种可能。①大分子蛋白质被封闭在“水池”中②蛋白质中的亲脂部分直接与非极性溶剂的碳氢化合物相接触③蛋白质被吸附在微胶团的“内壁”上④蛋白质被几个微胶团所溶解，蛋白质向反胶团溶解的可能模型疏静电引力：主要是蛋白质的表面电荷与反胶束内表面电荷（离子型表面活性剂）之间的静电引力作用。空间位阻作用：增大反胶束极性核的尺寸，以减小大分子蛋白进入胶核的传质阻力。反胶束萃取的原理：凡是能够引起静电引力，能够促使反胶束尺寸增大的因素均有利于提高分配系数。这些因素主要是pH、离子强度、表面活性剂种类和浓度等，通过因素优化，实现选择性地萃取和反萃取。反胶束萃取的原理：常用的表面活性剂及其相应的有机溶剂表面活性剂有机溶剂AOT异辛烷、环己烷、四氯化碳CTAB乙醇/异辛烷、己醇/辛烷Triton-X乙醇/环己烷磷脂酰胆碱苯、庚烷反胶团萃取的工艺过程前萃取将目的蛋白质有选择性地从发酵液中转移到反胶团溶液中。后萃取再用第二种水相溶液从反胶团中将该蛋白质萃取出来。溶液的pH溶液的离子强度表面活性剂的浓度和种类其他（有机溶剂、助表面活性剂、温度）影响反胶团萃取的因素纯化和分离蛋白质、氨基酸、酶、多肽等蛋白质复性、酶活性复性反胶团萃取的应用应用举例纯化和分离蛋白质　如对于溶菌酶和肌红蛋白的混合溶液(两种蛋白质相对分子量相近,等电点分别为11.1和6.8），用二烷基磷酸盐/异辛烷反胶束溶液萃取，并用缓冲液将混合液的pH值调至9.0，则溶菌酶完全进入有机相中，而肌红蛋白则留在水相。液膜：通常是由溶剂、表面活性剂和添加剂制成的。溶剂构成膜基体；表面活性剂起乳化作用，可以促进液膜传质速度并提高其选择性；添加剂用于控制膜的稳定性和渗透性。二液膜萃取液膜萃取液膜萃取：通常将含有被分离组分的料液作连续相，称为外相；接受被分离组分的流体，称内相；处于两者之间的成膜的流体称为膜相，三者组成液膜分离体系。液膜把两个组成不同而又互溶的内、外相溶液隔开，并通过渗透现象起到分离作用。液膜的种类液膜根据其结构可分为多种，但具体有实际应用价值的主要有三种：①乳状液膜②支撑液膜③流动液膜液膜萃取定义液膜是由水溶液或有机溶剂构成的液体薄膜。利用液膜将与之不能互溶的液体分隔开来，使其中一侧的液体中的溶质选择性的透过液膜进入另一侧，实现溶质之间的分离。液膜萃取机理单纯迁移也称物理渗透，是根据料液中各种溶质在膜相中的溶解度（分配系数）和扩散系数的不同进行的萃取分离。反萃相化学反应促进迁移在有机酸等弱酸性电解质的分离纯化方面，可利用强碱溶液为反萃相，与料液中的溶质发生不可逆的反应而促进溶质的迁移。反向迁移向膜相内加入流动载体，使供能物质与目标溶质迁移方向相反，这种载体输送方式称为反向迁移，可以实现离子沿反浓度梯度方向迁移。同向迁移向膜相内加入流动载体，使供能物质与目标溶质迁移方向相同，这种载体输送方式称为同向迁移，也可以实现离子沿反浓度梯度方向迁移。①乳状液膜乳状液膜（emulsionliquidmembrance,ELM）根据成膜流体的不同，分为(W/O)/W和(O/W)/O两种。在生物分离中主要应用(W/O)/W型乳状液膜。(W/O)/W型乳液液膜内水相液膜目标溶质料液②支撑液膜支撑液膜是将固体膜浸在膜溶剂(如有机溶剂中)使膜溶剂充满膜的孔隙形成液膜。支撑液膜分隔料液相和反萃相,实现渗透溶质的选择性萃取。当液膜为油相时，常用的多孔膜为聚四氟乙烯、聚乙烯和聚丙烯等高疏水性膜。与乳状液膜相比，支撑液膜结构简单，放大容易。③流动液膜是为了弥补上述支撑液膜的膜相容易流失的缺点而提出的。液膜相可循环流动，因此在操作过程中即使有所损失也很容易补充。乳状液膜的膜相组成膜溶剂生物分离中所用的液膜为“油膜”。粘度是膜溶剂的重要参数，它影响乳状液膜的稳定性、液膜厚度和液膜传质阻力。此外，膜溶剂应对载体有较高的溶解度。乳状液膜的膜相组成流动载体流动载体赋予液膜类似生物膜的功能。流动载体应仅溶于液膜相，并且对目标分子应有特异性输送作用。表面活性剂表面活性剂对乳状液膜的稳定作用在于其可明显改变相界面的表面张力。表面活性剂的HLB参数是其是否能促进稳定的乳状液膜形成的重要参考指标。HLB＝3-6的表活剂用来配制(W/O)/W型液膜，HLB＝8-15的用来配制(O/W)O型液膜。影响液膜萃取的操作参数pH:对弱电解质，pH将影响其荷电形式及不同电荷形式溶质的分率，从而影响萃取率。速度：对于支撑液膜，料液流速引起流体力学的特性改变直接影响萃取率；对于乳状液膜，搅拌速度影响乳化液的分散和液膜的稳定性。共存杂质流动载体为离子交换萃取剂时，料液中如果存在与目标分子带相同电荷的杂质时，由于杂质的竞争会减小用于目标分子和供能离子输送的载体量，引起目标分子通透性的下降。反萃相对于依赖反萃相化学反应促进迁移和膜相流动载体促进迁移的萃取过程，反萃相的组成和浓度影响萃取速率和选择性。操作温度操作温度的升高使溶质的扩散系数增大，利于萃取速率的提高。但较高的温度，使得液膜粘度降低，膜相挥发速度加快，甚至引起表面活性剂水解，使液膜不稳定。萃取操作时间乳状液膜为高度分散体系，相间接触比表面积大，且液膜膜薄，传质阻力小，短时间即可萃取完全。液膜分离技术的应用液膜分离技术由于其良好的选择性和定向性，分离效率高，而且能达到浓缩、净化和分离的目的，因此，广泛用于化工、食品、制药、环保、湿法冶金、气体分离和生物制品等工业中。近年来液膜分离技术在发酵液产物分离领域中也引起了人们的关注，进行了较为广泛的研究和开发工作。液膜分离萃取柠檬酸膜相柠檬酸萃取物内相空气料液废液循环１－乳液装置１2３42－发酵罐３－混合-分离装置4－破乳装置三微波辅助萃取微波和传统的溶剂提取法相结合的一种萃取方法，利用不同结构的化合物吸收微波能力的差异，使得细胞内的某些成分被微波选择性加热，导致细胞结构发生变化，从而提高有效成分的溶出程度和速度。80年代，首次发表了微波用于植物提取的文献；90年代商业化开始应用于中药有效成分的提取；微波萃取机理微波作用包括：一方面微波使细胞内的一些极性分子成为激发态，或者使极性分子变性，细胞结构不再“正常”，或者极性分子释放能量回到基态，所释放的能量传递给其他物质分子，加速其热运动，缩短萃取组分的分子由物料内部扩散到溶剂界面的时间，从而提高萃取速率；另一方面微波不仅加热溶剂，而且提高溶剂的活性，使其更多地溶解有效成分，并高效率传递入溶剂。微波提取在应用中应注意的几个问题微波对不同的植物细胞或组织有不同的作用，对细胞内产物的释放也有一定的选择性。微波提取仅适用于对热稳定的产物，如生物碱、黄酮、苷类等，而对于热敏感的物质如蛋白质、多肽等，微波加热能导致这些成分的变性、甚至失活。微波提取在应用中应注意的几个问题由微波加热原理可知，微波提取要求被处理的物料具有良好的吸水性，否则细胞难以吸收足够的微波能将自身击破，使其内容物难以释放出来。微波萃取技术在中药中的应用，大多在实验室中进行，工业化生产还不太普及，但微波萃取技术的工程放大问题已受到重视，这将推动微波萃取技术在工业化的应用。课堂讨论题1：螺旋霉素（SPM）为一弱碱性抗生素，分子结构中有两个二甲胺基，pK1=7.1、pK2=8.4，文献报导，螺旋霉素游离碱易溶于氯仿、醇类、酮类、酯类、己烷和苯等。螺旋霉素的盐类极性较大，能溶于水和低级醇。在pH<2.0和pH>9.5溶液中不稳定，特别在酸性条件下稳定性更差。1.为什么萃取时适宜的pH=9.0左右?不能过大的理由。2.萃取时温度为什么应升至35℃左右？3.反萃取主要为了除去哪类杂质?4.适宜的反萃取pH应满足哪些条件?过高或过低有何不利?5.若萃取液中混有一碱性杂质，极性较弱（pK杂pKSPM），如何除去？解答：1.为什么萃取时适宜的pH=9.0左右?碱性物质：随着pH↑，K↑，应满足pH>8.4，SPM游离分子含量增加在弱极性的有机溶剂中溶解度增大。不能过大的理由？①pH超过9.0以后，K增加不明显；②SPM稳定性下降；③极性比SPM更强的杂质（如pK杂≥9），容易被萃取到有机相中，造成纯度降低。2.萃取时温度为什么应升至35℃左右？螺旋霉素在水中的溶解度随温度升高而减小，低温时溶解度较大。因此，萃取时应适当提高温度，有利于螺旋霉素进入有机相。温度对萃取分配系数的影响温度过高，容易破坏，因此适宜的萃取温度为35℃左右。3.反萃取主要为了除去哪类杂质?极性比螺旋霉素弱的碱性杂质（pK杂pH>pKSPM（使杂质解离度大，而SPM解离度小）。6.若萃取液中混有一碱性杂质，极性较强（pK杂>pKSPM）如何除去？课堂讨论题2：林可霉素性质：碱性抗生素，分子中有一个胺基pK=7.6；pH<2.0的溶液中不稳定；盐酸盐易溶于水，游离碱在水中溶解度较小，易溶于有机溶剂，如醇类（甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇）；酯类（乙酯，丁酯）；酮类（丙酮、甲乙酮）等，醇类中溶解性比酯和酮类中好。1.设计提取工艺路线：能否用萃取法提取？选用什么溶剂最好？理由？萃取时pH范围？欲提高分配系数，可采取什么措施？如需进一步反萃取，考虑反萃取的pH范围。原因？1.a.萃取法适用于弱酸弱碱性物质Lin—pK=7.6弱碱性物质,不同形态时溶解度不同。b.选丁醇，原因：①醇类中溶解度最大②丁醇C链长，与水互溶度小。c.pH>7.6，Lin游离分子浓度↑当pH10.0时,C0=99.6%C+=0.4%∴选pH10pH再升高是否更好?①Lin几乎都呈游离分子,溶解度不会再增大;且耗碱量多②被同时萃取的碱性杂质↑,分离效率↓③Lin稳定性受影响d.加NaCl,盐析作用:①水中溶解度进一步↓K↑②两相互溶度↓易分层。e.反萃pH:2.02.0:Lin稳定性。