双水相萃取技术研究进展

双水相萃取技术研究进展
郭晶晶
【摘要】双水相萃取技术作为一种新型的分离技术日益受到重视，与传统的萃取及其他分离技术相比具有操作条件温和、处理量大等优点，从而使其能广泛应用于生物工程、药物分析等领域。

本文主要介绍了双水相萃取的工艺流程，综述了近年来双水相萃取技术在生物技术、医药学、离子分离等方面的应用，展望了双水相体系的应用前景。

%Aqueous two-phase extraction was a new separation technology.Owing to its characteristics of temperate condition, simple operation , big capacity and so on , it was widely applied in biological engineering , pharmaceutical analysis and other field engineering.The process of aqueous two -phase extraction technology was discussed , and the classification and application of aqueous two -phase extraction in biological technology , medicine and ion separation , etc, was described.Moreover , the prospect of aqueous two -phase extraction was also discussed.
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2014(000)019
【总页数】3页(P26-28)
【关键词】生物技术;分离技术;双水相萃取
【作者】郭晶晶
【作者单位】诺安检测服务宁波有限公司，浙江宁波 315000
【正文语种】中文
【中图分类】TQ028.3
1896年Beijerineh最早发现了双水相萃取，1956年瑞典伦德大学的Albertsson[1]重新发现，1979年德国的Kula等[2]将双水相萃取分离技术应用于生物产品的分离。

双水相萃取具有分相时间短，易于操作，投资费用少，大多数形成双水相的高聚物可回收利用等特点。

并且相对于液液萃取，双水相系统中的含水量高很多，可达70%～90%，不仅不会造成生物活性物质的变性或失活，甚至还能起到稳定和保护生物活性的作用，因此现已被广泛用于酶、蛋白质、病毒、核酸等生物产品的分离和纯化[3-4]。

主要由三部分构成:目的产物的萃取，PEG的循环，无机盐的循环。

1.1 目的产物的萃取
原料匀浆液与PEG和无机盐在萃取器中混合，然后进入分离器分相。

通过选择合适的双水相组成，一般使目标蛋白质分配到上相(PEG相)，而细胞碎片、核酸、多糖和杂蛋白等分配到下相(富盐相)。

第二步萃取是将目标蛋白质转入富盐相，方法是在上相中加入盐，形成新的双水相体系，从而将蛋白质与PEG分离，以利于使用超滤或透析将PEG回收利用和目的产物进一步加工处理。

1.2 PEG的循环
在大规模ATPE过程中，成相材料的回收和循环使用，不仅可以减少废水处理的费用，还可以节约化学试剂，降低成本。

PEG的回收有两种方法：①加入盐使目标蛋白质转入富盐相来回收PEG；②将PEG相通过离子交换树脂，用洗脱剂先洗去PEG，再洗出蛋白质。

1.3 无机盐的循环
将含无机盐相冷却，结晶，然后用离心机分离收集。

除此之外还有电渗析法、膜分
离法回收盐类或除去PEG相的盐。

2.1 双水相萃取技术在生物技术中的应用
双水相萃取技术最先应用的领域是生物产品的分离，目前，双水相萃取技术已应用于蛋白质、生物酶、菌体、细胞以及氨基酸、抗生素等生物小分子物质的分离、纯化。

彭佳黛等[6]采用PEG2000/(NH4)2SO4双水相系统萃取α-淀粉酶抑制剂,研究了
在双水相体系中在不同PEG2000质量分数、不同硫酸铵质量分数、不同氯化钠质量分数对从银针茶中分离纯化α-淀粉酶抑制剂的分配系数和活力回收率的影响。

结果表明：α-淀粉酶抑制剂主要分配于上相,当PEG2000的质量分数为16%，(NH4)2SO4的质量分数为14%，NaCl质量分数为0.0013%时,α-淀粉酶抑制剂
的萃取率最大。

Chia-Kai Su[7]在室温以及pH 10的条件下,利用16.1%的PEG和12%的硫酸盐,0.5 mol·L-1高氯酸钠组成的双水相体系成功地从鸡蛋蛋清中分离出高纯度的溶解酵素。

刘杨等[8]以PEG/硫酸钠双水相体系,经一次萃取从钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)细胞破碎液中富集分离藻蓝蛋白。

结果表明,萃取最适宜的条件为12% PEG4000,15% Na2SO4,1% KCl,藻蓝蛋白收率为91.2%,分配系数达到8.01,分离
因数达到6.33。

对于螺旋藻藻蓝蛋白的富集分离,双水相萃取法与传统的盐析沉淀
法相比,具有节省操作时间、简化操作过程、降低能耗和成本以及易于工艺放大等
优点。

Tubio等[9]研究确定了从α-胰凝乳蛋白酶(ChTRP)中分离胰岛素(TRP)的最佳条件,并将其应用到用聚乙二醇/柠檬酸钠(PEG/NaCit)双水相体系从牛胰腺中液-液萃取胰岛素。

研究发现PEG的分子量、pH和连接线长度影响TRP和ChTRP的分离。

由分子量为3 350的PEG和柠檬酸钠形成的双水相体系在pH为5.20表现为最好
的分离。

NaCl的加入量达到7%(ω)时上相/下相的体积比下降到0.1,这导致胰腺TRP在上相的回收率达到60%,是净化的3倍。

生物质量达到总体系的25%(ω)不影响产量和净化参数。

2.2 双水相萃取技术在药物提取中的应用
双水相萃取技术已经悄然渗透到药物成分的分离中,如萃取三七皂苷、四环素、橙皮苷、杜仲黄酮、灯盏花素、桃叶珊瑚甙、芦荟蒽醌、青霉素等。

谢涛等[10]以PEG/K2HPO4为双水相萃取体系，研究聚乙烯醇分子层、pH值、萃取剂等因素对萃取效果的影响。

结果表明，PEG分子量为4 000，pH=4.2～5.0，浸液与萃取剂为1：2，PEG与K2HPO4质量比为1：1时，三七总皂在上两相的分配系数为14.2，回收率为96%。

高云涛等[11]研究了灯盏花素在丙醇-硫酸铵双水相体系中的分配行为,重点对双水相的形成、硫酸铵用量和初始pH值对分配比的影响进行了研究。

在盐水相、丙醇初始体积分别为10.0 mL和4.0 mL,硫酸铵用量为3.5 g,初始pH为4.08条件下,灯盏花素的最大分配比达107.5,相应的萃取率达97.7%.在实验基础上建立了相应的“二元弱酸”分配模型。

毕鹏禹等[12]研究了双水相浮选过程中青霉素的分离行为。

在常温下,2.5 g/L青霉素水溶液300 mL、初始pH 7、(NH4)2SO4浓度350 g/L、浮选溶剂为
50%(ω)PEG1000水溶液10 mL条件下,分别研究了青霉素在双水相浮选过程中的动力学行为和分离后的赋存状态。

3种通气流速条件下的动力学研究结果表明,青霉素分离过程存在两个阶段,分别是沉淀浮选阶段和分子吸附浮选阶段,两个阶段均遵守一级动力学;双水相浮选中有机相的红外差谱表明,青霉素以离子形态直接溶解于聚乙二醇相,这是双水相浮选分离效率明显高于传统萃取技术的根本原因。

曾小军等[13]利用双水相体系萃取分离芦荟中的蒽醌,高效液相法直接测定。

萃取分离蒽醌的最佳双水相体系是PEG400/(NH4)2SO4质量比1：1,体积比1：2，
pH=9,温度50 ℃。

萃取率大于(90%以上)操作简便等优点。

该方法的相对标准偏差(RSD)<0.31%(n=5),具有良好的精密度和重现性为蒽醌萃取分离的提供了一种有效方法。

2.3 双水相萃取技术在金属离子分离中的应用
传统的金属离子溶剂萃取方法存在着溶剂污染环境、对人体有害、运行成本高、工艺复杂等缺点。

近年来，利用双水相技术萃取分离金属离子达到了较高的水平。

Silva等[14]在磷酸钾与高分子-聚氧化乙烯(1 500 g·mol-1)和三嵌段共聚物PEO(聚氧化乙烯)-PPO(聚环氧丙烷)-PEO构成的双水相体系中研究
[Fe(CN)5(NO)]2-和[Fe(CN)6]3-阴离子的分离现象。

实验使用了疏水性不同的两种共聚物,L35(50%环氧乙烷,1 900 g·mol-1)和F68(80%环氧乙烷,8 400 g·mol-1)。

研究了温度、连接线长度、相的疏水性函数在每个双水相体系中
[Fe(CN)5(NO)]2-和[Fe(CN)6]3-阴离子的分配系数。

比较阴离子的分配系数的大小L35<F68<PEO。

随着温度的升高,阴离子的分配系数降低,表明分离过程是放热过程。

热力学参数由Van’tHoff方程获得,热量计的测量表明阴离子转移到上相是由于热焓的作用。

张星刚等[15]采用聚乙二醇/无水硫酸钠双水相体系萃取光度法测定锌,结果表明,当PEG2000溶液用量为4.5 mL、缓冲溶液pH值为7.4时,萃取率最高。

还通过研究二苯碳酰二肼(DPC)-铬(Ⅵ)配合物在PEG2000/Na2SO4双水相体系中的显色和萃取分离条件,建立了集萃取分离和Cr6+测定于一身的双水相萃取光度分析方法。

结果表明,PEG2000溶液用量为4.0～6.0 mL、Na2SO4用量为1.2 g、DPC用量为0.5 mL时,效果最佳。

杜惠蓉[16]研究了在硫酸铵存在下,5-Br-PADAP乙醇体系中Ru(Ⅲ)、Pd(Ⅱ)的萃取行为以及乙醇溶液的分相条件,讨论了影响萃取率的各种因素,实验表明:85 ℃水浴中,pH为5.5～6.5内,该体系中Ru(Ⅲ)可完全被乙醇相萃取,但室温下,pH为
1.0～7.0内,Pd(Ⅱ)萃取率可达100%,而Ru(Ⅲ)不能被萃取,因此可实现Ru(Ⅲ)、
Pd(Ⅱ)混合离子的定量分离,同时建立了钌的测定方法.pH 5.80时,乙醇相中
Ru(Ⅲ)-5-Br-PADAP配合物的表观摩尔吸光系数约为1.081×105 L·mol-1·cm-1,Ru(Ⅲ)含量在0～8.00 μg/10 mL 内符合比尔定律,检出限为0.012 μg/mL。

该
法用于混合样中钌的分离测定,结果满意。

许虹[17]研究了在硫酸铵存在下,3,5-二溴水杨基荧光酮-乙醇体系萃取分离钨(Ⅵ)
的行为。

实验表明,作为萃取溶剂的乙醇,既能萃取电中性的螯合物,又能萃取带电荷的螯合物。

在pH为1～6时,W(Ⅵ)均保持很高的萃取率。

控制一定的酸度,可以实现W(Ⅵ)与Fe(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)之间的分离
吴艳平等[18]在含有一定浓度硫酸铵的条件下,乙醇水溶液能形成盐水与乙醇液-液
两相,研究了Mo(Ⅵ)与3,5-二溴水杨基荧光酮(DBSAF)形成的配合物在乙醇盐水萃取体系液-液两相中的分配行为。

试验表明,在pH 1～6范围内,硫酸铵浓度为350 g·L-1,试液中乙醇与水的体积比为3，7.1×10-4 mol·L-1 DBSAF溶液加入量为2 mL及试液总体积为10 mL 的条件下,Mo(Ⅵ)均保持很高的萃取率,用控制酸度的方法实现了Mo(Ⅵ)与常见过渡元素离子Co(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、W(Ⅵ)的定量分离,试验了钼(Ⅵ)与上述各共存离子的分离,钼(Ⅵ)的萃取率
均大于97%,而其他共存离子的萃取率均小于5%。

2.4 双水相萃取与其它技术结合应用
双水相萃取技术有其独有的优点,如能与其它技术结合应用,萃取分离效果更佳。

双
水相萃取技术与超声波、微波、壳聚糖沉淀相结合应用的研究已经比较成熟,其中
与超声波分离技术结合应用得最多。

滕毅等[19] 研究超声波耦合乙醇-磷酸氢二钾双水相萃取技术用于提取密蒙花黄色素,通过正交实验考察了乙醇浓度、超声时间、超声波功率对提取率的影响。

结果
表明,影响密蒙黄提取率的因素显著性顺序为乙醇浓度>超声波功率>超声时间,最佳
提取条件为:乙醇浓度50%、超声提取时间20 min、超声波功率500 W；在此工
艺条件下,密蒙黄的萃取率达到27.11%。

曾云龙等[20]采用微波辅助乙醇-磷酸氢二钾双水相体系从黄姜中提取总皂苷。

以
正交实验法研究了提取条件对总皂苷提取率的影响,确定了最佳提取条件:黄姜粉末
颗粒大小为80目,微波功率为390 W,微波辐射时间为5 min。

在最佳条件下,总皂苷提取率达13.32%。

双水相萃取技术是近年来新发展起来的分离技术,所需设备简单、条件温和、易于
操作,且可以获得较高的收率和较纯的有效成分,与常规的有机溶剂萃取技术相比较,最大的优势在于可保持生物物质的活性及构象,因此在生物技术、药物分析提取、
金属分离等方面有着广阔的应用前景。

但是体系自身也存在的一定的缺陷,如双聚
合物体系价格较高,限制了其在工业中大规模的应用；体系的易乳化问题,导致萃取
过程极不稳定,操作十分不方便,条件难以控制；某些高聚合物双水相体系分相时间
较长,大大降低了生产效率;此外双水相萃取缺乏理论基础,目前的研究还停留在热力学模型的探索阶段。

因此,开发廉价双水相体系及后续层析纯化工艺,降低原料成本,采用新型亲和双水相萃取技术,提高分离效率将是双水相分离技术的主要发展方向。

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