第三章 萃取分离法-2讲义

第三章萃取分离法

第二节双水相萃取

一、双水相萃取简介

常用的溶液萃取法能用来提取生物大分子如蛋白质吗？

大部分萃取采用一个是水相，另一个是有机相，蛋白质遇到有机溶剂，易变性失活。有些蛋白质有极强地亲水性，不能溶于有机溶剂。通常的溶剂萃取法应用于提取生物大分子是有困难的；但双水相萃取法含水量高，接近生理的环境中进行萃取，不会引起生物活性物质失活或变性。

双水相系统：因两种水溶性聚合物的水溶液，或一种水溶性聚合物水溶液与盐溶液混合时的不相容性而形成有明显界面的两相系统。

双水相萃取(Aqueous two-phase extraction)是利用物质在互不相溶的两个水相之间分配系数的差异实现分离的方法。

葡聚糖（Dextran）与聚乙二醇（PEG）按一定比例与水混合，溶液混浊，静置平衡后，分成互不相溶的两相，上相富含PEG，下相富含葡聚糖，见下图：

二、双水相萃取的发展历史

1. 1896年荷兰微生物学家Berjerinck发现琼脂水溶液与可溶性淀粉或明胶水溶液混合时形成双水相现象。

2. 1956年瑞典Lund大学的Albertsson教授及其同事开始对双水相系统进行比较系统研究。测定了许多双水相系统的相图，考察了蛋白质、核酸、病毒、细胞及

细胞颗粒在双水相中的分配行为，为双水相萃取系统的发展奠定了基础。只局限于实验室内的测定和理论研究。

3. Kula教授研究小组对双水相的应用、工艺流程、操作参数、工程设备、成本分析等进行了大量研究，在应用上获得成功。1978年首先将双水相萃取技术用于酶的大规模分离纯化，建成了一套工业装置，达到20kg/h的处理能力，分离纯化了几十种酶，也应用于基因工程产品的分离。

双水相萃取可分离多肽、蛋白质、酶、核酸、病毒、细胞、细胞器、细胞组织，以及重金属离子等，近年来，还应用于一些小分子，如抗生素、氨基酸和植物的有效成分等的分离纯化。作为反应系统用于酶反应，生物转化，发酵的产物生产与分离的集成

三、双水相系统及成相机理

1. 双聚合物双水相体系

两种水溶性聚合物溶液混合，形成单一相还是两相，主要取决于两种因素：

系统熵的增加，熵的增加与分子数目有关，而与分子大小无关；

分子间的作用力，分子之间的相互作用力可看作分子中各基团相互作用力之和，随分子量的增加而增加。

分子量大的聚合物以摩尔计的相互作用能超过混合熵的增加而起主导作用，进而决定聚合物溶液混合发生的现象。

当两种聚合物之间互不相容，而排斥，它们的线团结构无法互相渗透，导致一种分子为同种分子所包围，在达到平衡后，形成了互不相容的各自富含单一种聚合物的两相。

2. 高聚物/无机盐双水相体系

某些水溶性聚合物溶液与某些盐溶液混合，两者浓度达到一定值时，也会分为两相，形成聚合物-盐双水相系统。机理不清楚。一种解释为…盐析‟作用。无机盐和简单的有机盐均可，其成相相对能力与其盐析能力次序基本一致。阴离子作用比阳离子重要。多原子离子比单原子离子更有效，成相浓度低。

大而电荷密度低的单原子阴离子容易与PEG分子中的氧偶极子发生作用，成相浓度高，无法使用。但它们可以作为中性盐添加组分加入聚合物/聚合物和聚合物/盐系统中，用于改变分配系数。对于聚合物/盐系统，因盐比葡聚糖便宜得多，使得聚乙二醇(PEG)/盐系统具有工业上应用优势。

PEG = 聚乙二醇(polyethylene glycol)

非离子型的水溶性聚合物，环氧乙烷与水或乙二醇逐步加成聚合而成。PEG-400、600、800。

无毒、无刺激性，具有良好的水溶性，并与许多有机物组份有良好的相溶性。它们具有优良的润滑性、保湿性、分散性、粘接剂、抗静电剂及柔软剂等，在化妆品、制药、化纤、橡胶、塑料、造纸、油漆、电镀、农药、金属加工及食品加工

等行业中均有着极为广泛的应用。

DX = 葡聚糖(dextran)

四、常见的双水相体系

A：两者均为非离子性聚合物；B：种非离子性聚合物，另一种为带电荷的聚电解质；C：两者均为聚电解质；D：一种聚合物，另一种为盐；E：一种聚合物，另一种为有机小分子。

双聚合物的双水相系统：

一般认为, 只要两种聚合物水溶液的水溶性有所差异,混合时就可发生相分离,并且水溶性差别越大,相分离倾向也就越大。

聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dextran，DEX),

聚乙二醇/聚乙烯醇,

聚乙烯醇/甲基纤维素,

聚丙二醇/葡聚糖，

聚丙二醇/甲氧基聚乙二醇等。

聚合物-低相对分子量化合物体系：

PEG/磷酸钾、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠、PEG/葡萄糖等。

上相富含PEG,下相富含无机盐或葡萄糖。与一般的水一有机溶剂体系相比较,双水相体系中两相的性质差别(如密度和折射率等)较小。折射率差别甚小,有时甚至都难于发现它们的相界面。两相间的界面张力也很小,仅为10-5～10-4N/m

(一般体系为10-3～2×10-2N/m)

五、双水相相平衡关系

水溶性两相的形成条件和定量关系可以用相图表示，上图为PEG/DEX体系相图。这两种聚合物都能与水无限混合，当它们的组成在图中曲线的上方时(用M点表示)体系就会分成两相，在曲线下方时体系为单一的均相。当分成两相时，则分别有不同的组成和密度，轻相或称上相组成用T点表示。由图可见，上相主要含PEG，下相主要含Dextran。C点位临界点，曲线TCB称为结线，直线TMB 称为系线。结线上方是两相区，下方是单相区。

系线反映的信息

杠杆规则：系线上各点均为分成组成相同，而体积不同的两相。两相体积近似服从杠杆规则

性质差异：系线的长度是衡量两相间相对差别的尺度，系线越长，两相间的性质差别越大；反之则越小.

临界点(critical point)：当系线长度趋于零时, 两相差别消失,任何溶质在两相中的分配系数均为1。如K点。

当生物物质进入双水相体系后，在上相和下相间进行选择性分配，表现出一定的分配系数。该分配系数在很大浓度范围内与浓度无关，而与被分离物质本身的性质及特定的双水相体系性质有关。不同的物质在特定体系中有着不同的分配系数。

六、影响物质分配平衡的因素

1. 聚合物及其分子量的影响

不同聚合物的水相系统显示出不同的疏水性，水溶液中聚合物的疏水性按下列次序递增:

葡萄糖硫酸盐< 甲基葡萄糖< 葡萄糖< 羟丙基葡聚糖< 甲基纤维素< 聚乙烯醇< 聚乙二醇< 聚丙三醇

同一聚合物的疏水性随分子量增加而增加，其大小的选择依赖于萃取过程的目的