第六章反向微胶团萃取与双水相萃取技术

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第六章 反相微胶团萃取与双水相萃取技术6.1:反相微胶团萃取技术的概念及分离原理 在水溶液中形成的胶体或微胶团,是由于表面活性剂中极 性基团定向排列的结果。在这种由于在水溶液中加入表面 活性剂而形成的胶体结构中,表面活性剂的极性基团(即亲 水性部分)朝外,即靠向水溶液,而非极性基团(即疏水性部 分)则靠内而互相聚集成一种微胶团结构。见图。 如果溶剂为非极性溶液,当加入表面活性剂至一定浓度时,由 于表面活性剂的极性和非极性基团的定向排列,也会形成微 胶团结构。但是这种微胶团结构与上述的微胶团结构相反, 表面活性剂的非极性基团部分朝外,即朝向非极性溶剂部分, 而极性基团部分则朝内,因而形成一种与水相微胶团结构反 向的聚集体,这种聚集体就称为反相微胶团。

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在反相微胶团中,表面活性 剂的极性基团部分围成一 个极性核心,称为水池。这 个水池包括表面活性剂的 极性基团内表面和其中的 水分,以及溶解于水中的离 子等。 具有亲水性的生物大分子 就可以溶解于水池中的水 分而被以微胶团的形式萃 取出来。见图。将待分离 组分以微胶团形式进行萃 取的过程,称之为微胶团萃 取或胶团萃取,如果待分离 组分是以反相微胶团的形 式被萃取,就称之为反向微 胶团萃取或反相微胶团萃 取。

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关于蛋白质及酶等生物大分子是以何种形式被反相胶 团萃取的机理,有三种不同的见解。 – 一种认为是在反相胶团中,由表面活性剂的极性部分 围成一个中心,中心为水等极性溶剂占有,生物大分 子就溶解于其中,并且在生物大分子周围包膜着一层 水壳，对生物大分子起保护作用。此种见解即是所 谓的水壳模型。见4-2(a,b); – 第二种见解认为是生物大分子虽然溶解于由表面活 性剂极性部分围成的中心部分,但在中心部分生物大 分子是以被吸附的状态附着于胶团的极性壁上。见 图4-2(c); – 第三种见解则认为生物大分子的非极性部分与多个 微胶团的非极性部分连接,由此形成生物大分子溶解 于多个微胶团之间的一种状态。见图4-2(d)。上述 几种见解中，以所谓的“水壳模型”解释具有较多 的说服力。

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6.2:影响反相微胶团形成的因素 1、表面活性剂和溶剂的种类 表面活性剂要形成反相微胶团,在溶剂中的浓度必须达 到一定值,否则就不能形成微胶团,这个形成微胶团所必需 的最低浓度值,叫做表面活性剂形成微胶团的临界浓度 (CMC)。不同的表面活性剂的CMC值在0.1-1.0mmol/l之 间,随温度、压力和溶剂的变化而变化。最常用的表面活 性剂为丁二酸二异辛酯磺酸钠(Aerosol OT,简称AOT),分 子式为:

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溶剂通常为

异辛烷 (2.2,4-三甲基戊烷)。 AOT能溶解于有机溶 液中,也能溶解于水中, 并形成微胶团。AOT 在形成反相微胶团时的 W0较大,其值可达60。 因此在微胶团内就可以 溶解较多的生物大分子 而提高了萃取效率。

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2、水相的酸碱度 微胶团内水相的酸碱度,主要影响 到生物大分子的荷电性,进而影响到 生物大分子与微胶团的结合。因为 AOT属于阴离子型表面活性剂,其亲 水部分带负电荷，形成的微胶团内 表面带负电。当微胶团内水相的pH 值小于生物大分子的等电点(pI) 时,可使生物大分子带正电,这样生物 大分子可与微胶团中带负电性的内 表面相吸而形成比较稳定的含生物 大分子的微胶团,可以较易地进行萃 取。当微胶团内水相中的pH大于生 物大分子的等电点时,生物大分子带 负电，较难与微胶团内壳相结合而 呈较低溶解甚至是不溶解状态，分 离效率下降。利用此原理,通过调节 水相中的pH值,就可达到分离溶液 中不同组分的生物大分子。

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3、水相中的离子强度 微胶团 中水相的 离子强度 对反相微胶团萃取的影响,可 以用前面第二章中的盐溶和 盐析现象来解释 。在低离子 强度下,酶和蛋白质等生物大 分子表面上的荷电性和亲水 性得到了改善,溶解度上升,与 微胶团内表面的结合力增强。 当水相中的离子强度增加到 一定的程度时,由于抵消了生 物大分子表面上的电荷,并且 由于离子的水化作用而使蛋 白质分子表面上的水膜消失， 减少了与微胶团内表面的结 合作用,从而降低了溶解度。 使分离效率降低

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4、W0值大小 反向微胶团的形成、大小及形状,与表面活性剂的种类、 浓度以及操作时的温度、压力等有关。反相微胶团一般 比水相微胶团要小,其分子聚集数一般都小于50。而水相 微胶团的分子聚集数在50-100之间。反相微胶团中的水 分含量通常用非极性溶剂中的水浓度和表面活性剂浓度 之比W0来表示: W0=[H2O]/[表面活性剂] W0值越大,反相微胶团内的水分含量就越多，形成的反 相微胶团的半径就越大。能溶解水溶性成分的量就越多。 因此,W0大小可以反映出反相微胶团的大小和溶解能力。

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W0值的大小,也 直接影响到反相微 胶团的萃取效率。 W0太小,说明微胶 团内的水分含量不 高,对生物大分子 的溶解度下降,甚 至当W0过小时,形 成的微胶团太小, 生物大分子就根本 无法进入反相微胶 团内,这就必然影 响到萃取效率。图 表示了W0和蛋白 质溶解度之间的关 系。

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5:蛋白质分子量对萃取率的影响 蛋白质的分子量对最大 萃取率的影响见图。当 蛋白质的分子量大于 30,000时,最大萃取率小 于 50%, 效 果 明 显 下 降 。 因此如何

使反相胶团变 得足够大,使其能包住 蛋白质,是反相胶团萃 取中有待解决的一个重 要课题。

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6: 阳离子种类对萃取率的影 响 K+,Na+,Ca2+这三种阳离子 对溶菌酶萃取率的影响见图。 在0.1~0.8mol/L浓度范围内, 溶菌酶的萃取率几乎不随 NaCl和CaCl2的浓度变化而 变化,一直保持在较高状态。 阳离子种类对萃取率的影 响主要体现在改变反相胶团 内表面的电荷密度上。通常 反相胶团中表面活性剂的极 性部分不会是完全电离的,有 很大一部分阳离子仍在胶团 的内表面上。极性部位的电 离程度愈大,反相胶团内表面 的电荷密度愈大,产生的反相 胶团也愈大。表面活性剂电 离的程度与离子种类有关。

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表为同一离子强度下的四种离子对反相胶团中W0的影响。 极性部位的电荷密度按K+,Ca2+,Na+,Mg2+顺序逐渐增大,电 离程度也相应地逐渐增大。 水相为MgCl2溶液时,水相混浊,不能很好地分相,这可能是因 为极性部位的电荷密度太大,以致有些AOT溶于水相,形成 乳状液。水相为NaCl或CaCl2溶时,萃取率基本上不随盐浓 度变化而变化,这是因为Na+和Ca2+存在时,反相微胶团内表 面的电荷密度较大,以致在盐浓度较高时,胶团的大小及胶团 表面间的静电引力仍足以使蛋白质能溶于反相微胶团中。

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6.3:反相微胶团分离方法 反相微胶团分离过程分3步: – 第一步是选择有利于形成油包水和适当wo值的表面活性剂 (HLB为3-6) , – 第二步是含生物大分子的反相微胶团的形成, – 第二步是反相微胶团的破乳及生物大分子的释放。 形成含生物大分子的反相微胶团的方法有多种,最常用到三种: (1)相转移法:通过将含生物大分子的水相与溶解有表面活性 剂的有机相接触,缓慢的搅拌,在形成反向微胶团的同时，其中 的生物大分子即转入到反相微胶团中,直到处于萃取平衡状态 为止。 (2)注入法:通过将含有生物大分子的水溶液注入到含有表面 活性剂的有机相中而实现萃取过程.

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