第四章反相微胶团萃取与双水相萃取技术精选文档.ppt

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1、第四章反相微胶团萃取与双水相萃取技术本讲稿第一页，共三十九页在在水水溶溶液液中中形形成成的的胶胶体体或或微微胶胶团团，是是由由于于表表面面活活性性剂剂中中极极性基团性基团定向定向排列的结果排列的结果。在在这这种种由由于于在在水水溶溶液液中中加加入入表表面面活活性性剂剂而而形形成成的的胶胶体体结结构构中中，表表面面活活性性剂剂的的极极性性基基团团（即即亲亲水水性性部部分分）朝朝外外，即即靠靠向向水水溶溶液液；而而非非极极性性基基团团（即即疏疏水水性性部部分分）则则靠靠内内而而互互相相聚聚集集成成一种一种微胶团微胶团结构。结构。4.1 反相微胶团萃取技术的概念及分离原理反相微胶团萃取技术的概念及分

2、离原理本讲稿第二页，共三十九页如果如果溶剂溶剂为为非极性溶液非极性溶液，当加入，当加入表面活性剂表面活性剂至一定浓度至一定浓度时，由于表面活性剂的时，由于表面活性剂的极性极性和和非极性基团非极性基团的定向排列，也会形的定向排列，也会形成成微胶团结构微胶团结构。但是这种微胶团结构与上述的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相反，表面活性剂，表面活性剂的的非极性基团部分朝外非极性基团部分朝外，即朝向，即朝向非极性溶剂非极性溶剂部分；部分；而极性基团而极性基团部分则朝内，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，因而形成一种与水相微胶团结构反向的聚集体，这种聚集体就称为这种

3、聚集体就称为反相微胶团反相微胶团。反相微胶团萃取技术的概念及分离原理反相微胶团萃取技术的概念及分离原理本讲稿第三页，共三十九页本讲稿第四页，共三十九页 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。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。本讲稿第五页，共三十九页关于蛋白质及酶等生物大分子萃取机理的三种不同见解关于蛋白质

4、及酶等生物大分子萃取机理的三种不同见解u 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；u 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；u 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。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。本讲稿第六页，共三十九页表面活性剂 表面活性剂是由亲水憎油的极性基团和亲油憎水的非极性基

5、团两部分组成的两性分子，可分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和非离子型表面活性剂。常用的表面活性剂及相应的有机溶剂见下表。本讲稿第七页，共三十九页在反相微胶团萃取蛋白质的研究中，用得最多的是阴离子表面活性剂AOT(AerosolOT，丁二酸-2-乙基己基磺酸钠)。这这种种表表面面活活性性剂剂容容易易获获得得，其其特特点点是是具具有有双双链链，极极性性基基团团较较小小、形形成成反反微微胶胶团团时时不不需需加加助助表表面面活活性性剂剂，并并且且所所形形成成的的反反胶胶 束束 较较 大大，半半 径径 为为170nm，有有利利于于大大分分子子蛋白质进入蛋白质进入。本讲稿第八页，共三十九页(1)CT

6、AB(cetyl-methyl-ammoniumbromide)溴化十六烷基三甲胺溴化十六烷基三甲胺/十六烷基三甲基胺溴十六烷基三甲基胺溴(2)DDAB(didodecyldimethylammoniumbromide)溴化十二烷基二甲铵溴化十二烷基二甲铵常使用的阳离子表面活性剂本讲稿第九页，共三十九页(3)TOMAC(triomethyl-ammoniumchloride)氯化三辛基甲铵氯化三辛基甲铵将将阳阳离离子子表表面面活活性性剂剂如如CTAB溶溶于于有有机机溶溶剂剂形形成成反反胶胶束束时时，与与AOT不不同同，还还需需加加入入一一定定量量的的助助溶溶剂剂(助助表面活性剂表面活性剂)。本

7、讲稿第十页，共三十九页bac微胶团与反相微胶团的形成微胶团与反相微胶团的形成本讲稿第十一页，共三十九页 微胶团：微胶团：微胶团：微胶团：表面活性剂的极性头朝外，疏水的尾部朝内，中间形成非极性的“核”。水非极性的“核”极性“头”非极性“尾”本讲稿第十二页，共三十九页反相微胶团：反相微胶团：反相微胶团：反相微胶团：表面活性剂的极性头朝内，疏水的尾部向外，中间形成极性的“核”。有机溶剂极性“头”极性的“核”非极性“尾”本讲稿第十三页，共三十九页本讲稿第十四页，共三十九页4.2 影响反相微胶团形成的因素影响反相微胶团形成的因素 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

8、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50100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。本讲稿第十五页，共三十九页4.2 影响反相微胶团形成的因素影响反相微胶团形成的因素 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

9、度(CMC)。不同的表面活性剂的CMC值在0.1-1.0 mmol/L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：1、表面活性剂和溶剂的种类本讲稿第十六页，共三十九页本讲稿第十七页，共三十九页溶溶 剂剂通通常常为为异异 辛辛 烷烷(2.2,4-三三甲甲基基戊戊烷烷)。AOT能能溶溶解解于于有有机机溶溶液液中中，也也能能溶溶解解于于水水中中，并并形形成成微微胶胶团团。AOT在在形形成成反反相相微微胶胶团团时时的的W0较较大大，其其值值可可达达60。因因此此在在微微胶胶团团内内就就可可以以溶溶解解较较多多的的生生物物大

10、大分分子子而而提提高了萃取效率。高了萃取效率。本讲稿第十八页，共三十九页 微微微微胶胶胶胶团团团团内内内内水水水水相相相相的的的的酸酸酸酸碱碱碱碱度度度度，主主主主要要要要影影影影响响响响到到到到生生生生物物物物大大大大分分分分子子子子的的的的荷荷荷荷电电电电性性性性，进进进进而而而而影影影影响响响响到到到到生物大分子与微胶团的结合。生物大分子与微胶团的结合。生物大分子与微胶团的结合。生物大分子与微胶团的结合。因因因因为为为为AOTAOT属属属属于于于于阴阴阴阴离离离离子子子子型型型型表表表表面面面面活活活活性性性性剂剂剂剂，其其其其亲亲亲亲水水水水部部部部分分分分带带带带负负负负电电电电荷荷

11、荷荷，形形形形成成成成的的的的微微微微胶团内表面带负电。胶团内表面带负电。胶团内表面带负电。胶团内表面带负电。当当当当微微微微胶胶胶胶团团团团内内内内水水水水相相相相的的的的pHpH值值值值小小小小于于于于生生生生物物物物大大大大分分分分子子子子的的的的等等等等电电电电点点点点（pIpI）时时时时，可可可可使使使使生生生生物物物物大大大大分分分分子子子子带带带带正正正正电电电电，这这这这样样样样生生生生物物物物大大大大分分分分子子子子可可可可与与与与微微微微胶胶胶胶团团团团中中中中带带带带负负负负电电电电性性性性的的的的内内内内表表表表面面面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

12、地进行萃取。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。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。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。当当当当微微微微胶胶胶胶团团团团内内内内水水水水相相相相中中中中的的的的pHpH大大大大于于于于生生生生物物物物大大大大分分分分子子子子的的的的等等等等电电电电点点点点时时时时，生生生生物物物物大大大大分分分分子子子子带带带带负负负负电电电电，较较较较难难难难与与与与微微微微胶胶胶胶团团团团内内内内壳壳壳壳相相相相结结结结合合合合而而而而呈呈呈呈较较较较低低低低溶溶溶溶解解解解甚甚甚甚至至至至是是是

13、是不不不不溶溶溶溶解解解解状状状状态态态态，分分分分离离离离效率下降。效率下降。效率下降。效率下降。2、水相的酸碱度通过调节水相中通过调节水相中通过调节水相中通过调节水相中pHpH值，达到分离溶液中不同组分的生物大分子。值，达到分离溶液中不同组分的生物大分子。值，达到分离溶液中不同组分的生物大分子。值，达到分离溶液中不同组分的生物大分子。本讲稿第十九页，共三十九页2、水相的酸碱度本讲稿第二十页，共三十九页 在在在在低低低低离离离离子子子子强强强强度度度度下下下下，酶酶酶酶和和和和蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质等等等等生生生生物物物物大大大大分分分分子子子子表表表表面面面面上上上上的的的的荷荷荷荷电电

14、电电性性性性和和和和亲亲亲亲水水水水性性性性得得得得到到到到了了了了改改改改善善善善，溶溶溶溶解解解解度度度度上上上上升升升升，与与与与微微微微胶胶胶胶团团团团内内内内表表表表面面面面的的的的结结结结合合合合力增强力增强力增强力增强。当当当当水水水水相相相相中中中中的的的的离离离离子子子子强强强强度度度度增增增增加加加加到到到到一一一一定定定定的的的的程程程程度度度度时时时时，由由由由于于于于抵抵抵抵消消消消了了了了生生生生物物物物大大大大分分分分子子子子表表表表面面面面上上上上的的的的电电电电荷荷荷荷，并并并并且且且且由由由由于于于于离离离离子子子子的的的的水水水水化化化化作作作作用用用用而

15、而而而使使使使蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质分分分分子子子子表表表表面面面面上上上上的的的的水水水水膜膜膜膜消消消消失失失失，减减减减少少少少了了了了与与与与微微微微胶胶胶胶团团团团内内内内表表表表面面面面的的的的结结结结合合合合作作作作用用用用，从而从而从而从而降低了溶解度降低了溶解度降低了溶解度降低了溶解度，使，使，使，使分离效率降低分离效率降低分离效率降低分离效率降低。3、水相中的离子强度本讲稿第二十一页，共三十九页3、水相中的离子强度本讲稿第二十二页，共三十九页4、W0值大小 WW0 0值值值值的的的的大大大大小小小小，也也也也直直直直接接接接影影影影响响响响到到到到反反反反相相相相微微微微

16、胶胶胶胶团团团团的的的的萃萃萃萃取取取取效效效效率率率率。WW0 0太太太太小小小小，说说说说明明明明微微微微胶胶胶胶团团团团内内内内的的的的水水水水分分分分含含含含量量量量不不不不高高高高，对对对对生生生生物物物物大大大大分分分分子子子子的的的的溶溶溶溶解解解解度度度度下下下下降降降降，甚甚甚甚至至至至当当当当WW0 0过过过过小小小小时时时时，形形形形成成成成的的的的微微微微胶胶胶胶团团团团太太太太小小小小，生生生生物物物物大大大大分分分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。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。子就根本无法进入反相微胶团内，这就必然影响到

17、萃取效率。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。下图表示了下图表示了下图表示了下图表示了WW0 0和蛋白质溶解度之间的关系。和蛋白质溶解度之间的关系。和蛋白质溶解度之间的关系。和蛋白质溶解度之间的关系。本讲稿第二十三页，共三十九页4、W0值大小本讲稿第二十四页，共三十九页4.3 影响反相微胶团萃取效果的因素影响反相微胶团萃取效果的因素本讲稿第二十五页，共三十九页 水相的pH值决定了蛋白质表面电荷的状态、从而对萃取过程造成影响。只有当反相微胶团内表面电荷，也就是表面活性剂极性基团所带的电荷与蛋白质表面电荷相反时，两者产生静电引力，蛋白质才有可能进入反相微胶团。对于阳离子表面活性剂

18、、溶液的pH值需高于蛋白质的pI值，反胶束萃取才能进行；对于阴离子表面活性剂，当pHpI时，萃取率几乎为零，当pHpI时，萃取率急剧提高。1.水相pH值对萃取的影响本讲稿第二十六页，共三十九页本讲稿第二十七页，共三十九页2.离子强度对萃取率的影响a.离子强度增大后，反相微胶团内表面的双电层变薄，减弱了蛋白质与反相微胶团内表面之间的静电吸引，从而减少蛋白质的溶解度；b.反相微胶团内表面的双电层变薄后，也减弱了表面活性剂极性基团之间的斥力，使反相微胶团变小，从而使蛋白质不能进入其中；c.离子强度增加时，增大了离子向反相微胶团内“水池”的迁移并取代其中蛋白质的倾向，使蛋白质从反相微胶团内被盐析出来；

19、d.盐与蛋白质或表面活性剂的相互作用，可以改变溶解性能，盐的浓度越高，其影响就越大。本讲稿第二十八页，共三十九页本讲稿第二十九页，共三十九页3.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。本讲稿第三十页，共三十九页4.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这三种阳离子对溶菌酶萃取率的影响见图所示所示。在在0.10.8mol/L浓度范围内，溶菌酶的萃取率几

20、乎不随浓度范围内，溶菌酶的萃取率几乎不随NaCl和和CaCl2浓度变化而变化，一直保持在较高状态。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度愈大,反相胶团内表面的电荷密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。产生的反相胶团也愈大。表面活性

21、剂电离的程度与离子种类有关。表面活性剂电离的程度与离子种类有关。本讲稿第三十一页，共三十九页4.阳离子种类对萃取率的影响本讲稿第三十二页，共三十九页4.阳离子种类对萃取率的影响表为同一离子强度下的四种离子对反相胶团中表为同一离子强度下的四种离子对反相胶团中W0的影响。极的影响。极性部位的电荷密度按性部位的电荷密度按K+、Ca2+、Na+、Mg2+顺序逐渐增大，电离顺序逐渐增大，电离程度也相应地逐渐增大。程度也相应地逐渐增大。水相为水相为MgCl2溶液时，水相混浊，不能很好地分相，这可溶液时，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，以致有些能是因为极性部位的电荷密度太大，以

22、致有些AOT溶于水相溶于水相,形成乳状液。水相为形成乳状液。水相为NaCl或或CaCl2溶时，萃取率基本上不随溶时，萃取率基本上不随盐浓度变化而变化，这是因为盐浓度变化而变化，这是因为Na+和和Ca2+存在时存在时,反相微胶团内反相微胶团内表面的电荷密度较大，以致在盐浓度较高时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。间的静电引力仍足以使蛋白质能溶于反相微胶团中。本讲稿第三十三页，共三十九页4.阳离子种类对萃取率的影响本讲稿第三十四页，共三十九页5.影响的其他因素1）有机溶剂的影响）有机溶剂的影响:有机溶剂的种

23、类影响反胶束的大小，从有机溶剂的种类影响反胶束的大小，从而影响水增溶的能力，所以可以利用因溶剂作用引起的不同而影响水增溶的能力，所以可以利用因溶剂作用引起的不同胶束结构实现选择性增溶生物分子的目的，如胶束结构实现选择性增溶生物分子的目的，如-胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶随溶剂的不同在反胶束中增溶的比率会出现显著的差别。随溶剂的不同在反胶束中增溶的比率会出现显著的差别。2）助表面活性剂的影响）助表面活性剂的影响:当使用阳离子表面活性剂时，引入当使用阳离子表面活性剂时，引入助表面活性剂，能够增进有机相的溶解容量，这多半是由于助表面活性剂，能够增进有机相的溶解容量，这多半是由于胶束尺寸增加而产生的。胶束

24、尺寸增加而产生的。本讲稿第三十五页，共三十九页3）温度的影响）温度的影响:温度的变化对反胶束系统中的物理化学性质有温度的变化对反胶束系统中的物理化学性质有激烈的影响，增加温度能够增加蛋白质在有机相的溶解度，例激烈的影响，增加温度能够增加蛋白质在有机相的溶解度，例如增加温度可使如增加温度可使-胰凝乳蛋白酶进入胰凝乳蛋白酶进入NH4-氯仿相并在转移氯仿相并在转移率上分别增加率上分别增加50。4）蛋白质分子量的影响：当蛋白质分子量大于）蛋白质分子量的影响：当蛋白质分子量大于30000时，最大萃时，最大萃取率低于取率低于60%，萃取效果明显下降。因此，如何使反相微胶团，萃取效果明显下降。因此，如何使反

25、相微胶团变得足够大，使其能包裹住蛋白质，是反相微胶团萃取中需要变得足够大，使其能包裹住蛋白质，是反相微胶团萃取中需要解决的一个重要课题。解决的一个重要课题。本讲稿第三十六页，共三十九页4.4 反相微胶团分离方法反相微胶团分离方法反相微胶团分离过程分反相微胶团分离过程分3步步:第一步是选择有利于形成油包水和适当第一步是选择有利于形成油包水和适当wo值的表面活性剂值的表面活性剂(HLB为为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。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

26、多种形成含生物大分子的反相微胶团的方法有多种,最常用到三种最常用到三种:(1)相相转转移移法法:通通过过将将含含生生物物大大分分子子的的水水相相与与溶溶解解有有表表面面活活性性剂剂的的有有机机相相接接触触,缓缓慢慢的的搅搅拌拌,在在形形成成反反向向微微胶胶团团的的同同时时，其其中中的的生生物物大大分分子子即即转转入入到到反反相相微胶团中微胶团中,直到处于萃取平衡状态为止。直到处于萃取平衡状态为止。(2)注注入入法法:通通过过将将含含有有生生物物大大分分子子的的水水溶溶液液注注入入到到含含有有表表面面活活性性剂的有机相中而实现萃取过程剂的有机相中而实现萃取过程.本讲稿第三十七页，共三十九页(3)

27、溶溶解解法法:对对于于固固体体粉粉末末中中含含有有的的生生物物大大分分子子,或或水水不不溶溶性性的的生生物物大大分分子子,可可采采用用溶溶解解法法进进行行。过过程程是是先先制制备备好好含含水水(W0=330左左右右)的的反反相相微微胶胶团团的的有有机机溶溶液液,然然后后把把含含生生物物大大分分子子的的固固体体粉粉末末加加进进此此种种反反相相微微胶胶团团的的有有机机溶溶液液中中,同同时时搅搅拌拌,慢慢慢慢地地,生生物物大大分分子子即即可可进进入入到到反反相相微微胶胶团团内的水中心而实现萃取过程。内的水中心而实现萃取过程。本讲稿第三十八页，共三十九页 反相微胶团技术目前仍限于实验室研究，没有商品化产品报道，而在食品科学上研究则起步更晚。主要问题有：(1)对反相微胶团萃取的机理不清楚，尤其是酶在其中的作用机理；(2)缺乏合适的满足食品工业需要的天然安全反相微胶团体系。通过进一步对萃取动力学的热力学过程的认识，特别是随着新型天然安全反相微胶团体系的开发，则可在油脂水解、植物蛋白和油脂的分离、发酵滤液的提取上实现工业化生产，届时将会引起食品工业产生深刻而广泛的变革。展 望本讲稿第三十九页，共三十九页