反胶团萃取幻灯片.pptVIP

三、反胶团萃取 反胶团萃取(Reversed micellar extraction)的分离原理是表面活性剂在非极性的有机相中超过临界胶团浓度而聚集形成反胶团,在有机相内形成分散的亲水微环境。许多生物分子如蛋白质是亲水憎油的,一般仅微溶于有机溶剂,而且如果使蛋白质直接与有机溶剂相接触,往往会导致蛋白质 的变性失活,因此萃取过程中所用的溶剂必须既能溶解蛋白质又能与水分层,同时不破坏蛋白质的生物活性。反胶团萃取技术正是适应上述需要而出现的。 1、反胶团形成过程及其特性 从胶体化学可知,向水溶液中加入表面活性剂,当表面活性剂的浓度超过一定值时,就会形成胶体或胶团,它是表面活性剂的聚集体。在这种聚集体中,表面活性剂的极性头向外,即向水溶液,而非极性尾向内。当向非极性溶剂中加入表面活性剂时,如果表面活性剂的浓度超过一定值,也会在溶剂内形成表面活性剂的聚集体,称这种聚集团为反胶团。在这种聚集体中，表面活性剂的憎水的非极性尾向外,与在水相中所形成的胶团反向。 下图为几种可能的表面活性剂聚集体的构型。从图中可看出。在反胶团中有一个极性核心,它包括了表面活性剂的极性头所组成的内表面、抗衡离子和水,被形象地称为“水池”。由于极性分子可以溶解在 “水池”中,也因此可溶解在非极性的溶剂之中。 胶团的大小和形状与很多因素有关,既取决于表面活性剂和溶剂的种类和浓度,也取决于温度、压力、离子强度、表面活性剂和溶剂的浓度等因素。典型的水相中胶团内的聚集数是50~100,其形状可以是球形、椭球形或是棒状。反胶团直径一般为5~20nm,其聚集数通常小于50,通常为球 形,但在某些情况下,也可能为椭球形或棒状。 实验中观察到,对于大多数表面活性剂,要形成胶团,存在一个临界胶团浓度(CMC),即要形成胶团所必需的表面活性剂的最低浓度。低于此值则不能形成胶团。这个数值可随温度、压力、溶剂和表面活性剂的化学结构而改变,一般为0.1~1.0mmol/L。 2、反胶团中生物分子的溶解 由于反胶团内存在微水池这一亲水微环境,可溶解氨基酸、肽和蛋白质等生物分子。因此,反胶团萃取可用于氨基酸、肽和蛋白质等生物分子的分离纯化,特别是蛋白质类生物大分子。对于蛋白质的溶解方式,已先后提出了四种模型,见图。图(a)为水壳模型;(b)为蛋白质中的疏水部 分直接与有机相接触;(c)为蛋白质被吸附在胶团的内壁上;(d)为蛋白质的疏水区与被几个反胶团的表面活性剂疏水尾发生作用,并被反胶团所溶解。上述四种模型中,现在被多数人所接受的是水壳模型,尤其对于亲水性蛋白质。因为弹性光散射等许多实验研究均间接地证明了水壳模型的正确性。由图可知,在水壳模型中,蛋白质居于“水池”的中心,而此水 壳层则保护了蛋白质,使它的生物活性不会改变。 生物分子溶解于反胶团相的主要推动力是表面活性剂与蛋白质的静电相互作用。反胶团与生物分子间的空间阻碍作用和疏水性相互作用对生物分子的溶解度也有重要影响。 3、反胶团萃取过程及其应用 用反胶团技术萃取蛋白质时,用以形成反胶团的表面活性剂起着关键作用。现在多数研究者采用AOT为表面活性剂。AOT是琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸钠或丁二酸二异辛酯磺酸钠(Aerosol OT)。溶剂则常用异辛烷 (2,2,4-二甲基戊烷)。AOT作为反胶团的表面活性剂是由于它具有两个优点:一是所形成的反胶团的含水量较大,非极性溶剂中水浓度与表面活性剂浓度之比可达50~60;另一点是AOT形成反胶团时,不需要助表面活性剂。AOT的不足之处是不能萃取分子量较大的蛋白质,且沾染产品。如何进一步选择与合成性能更为优良的表 面活性剂将是今后应用研究的一个重要方面。 反胶团萃取可采用各种传统的液液萃取中普遍使用的微分萃取设备(如喷淋塔)和混合/澄清型萃取设备。需要指出的是,反胶团萃取技术仍处于起步阶段,尚未得到大规模工业应用。在此只能就一些研究结果加以介绍。 下图是多步间歇混合/澄清萃取过程,采用反胶团萃取分离核糖核酸酶、细胞色素C和溶菌酶等三种蛋白质。在pH=9时,核糖核酸酶的溶解度很小,保留在水相而与其他两种蛋白质分离;相分离得到的反胶团相(含细胞色素C和溶菌酶)与0.5mol/dm3的KCl水溶液接触后,细胞色素C被反萃到水相,而溶菌酶保留在反胶团相;此后,含有溶菌酶的反胶团相与2.0mol/dm3KCl,pH值为11.5的水相接触,将溶菌酶反萃回收到水相中。 利用中空纤维膜组件可以进行生物分子的反胶团萃取。中空纤维膜材料多为聚丙烯等疏水材料,孔径在微米级,以保证生物分子和含有生物分子的反胶团的较大通量。反胶团膜萃取