反胶团萃取解读

反胶团萃取

张睿

摘要：本问介绍了反胶团萃取的基本概念及其影响反胶团萃取蛋白质的因素，并分析了动力学和热力学的理论，从而建立了平衡模型。

关键词：反胶团、萃取、平衡模型

1．研究背景

传统的分离方法，如液-液萃取技术，具有操作连续、多级分离、放大容易和便于控制等优点，在化学、化工、石化等领域得到广泛应用。但很难用于具有某些特殊性质的生化产品(如蛋白质、氨基酸等)的提取与分离，原因在于这类物质多数不溶于非极性有机溶剂，或与有机溶剂接触后会引起变性和失活。

20世纪80年代中期发展起来的反胶团萃取技术解决了这一难题。所谓反胶团，是指当油相中表面活性剂的浓度超过临界胶束浓度后，其分子在非极性溶剂中自发形成的亲水基向内、疏水基向外的具有极性内核(polar core)的多分子聚集体(aggregates)。反胶团的极性内核可以溶解某些极性物质，而且在此基础上还可以溶解一些原来不能溶解的物质，即所谓二次加溶原理。例如，反胶团的极性内核在溶解了水后，在内核中形成“水池”(water poo1)，可以进一步溶解蛋白质、核酸和氨基酸等生物活性物质。胶团的屏蔽作用，使这些生物物质不与有机溶剂直接接触，而水池的微环境又保护了生物物质的活性，从而达到了溶解和分离生物物质的目的。这种技术既利用了溶剂萃取的优点，又实现了生物物质的有效分离，作为一种新型的生物分离技术应用于蛋白质、氨基酸及药物、农药等物质的分离分析中，显示了巨大的应用潜力。[1]

2．文献综述

2.1反胶团的形成[2]

正向胶团(normal micelle)是表面活性剂分子在极性溶剂，如水中形成的一种亲水基团(头)朝外，而疏水基团(尾)朝内的具有非极性内核的多分子聚集体。洗涤剂中的表面活性剂分子在水中形成的就是这种胶团，其非极性内棱可以溶解各种油污。从而达到去污的效果。与此相反，表面活性剂在非极性溶剂如某些有机溶剂中就会形成亲水头向内和疏水尾向外的具有极性内核(polar core)的多分子聚集体(aggregates)，由于其表面活性剂的排列方向与一般的正向胶团相反，因此，称为反

胶团。示意图如图（2－1）。

图2－1 表面活性荆分子在非极性溶荆中形成的反胶目

反胶团的极性内核可以溶解某些极性物质，而且在此基础上还可以溶解一些原来不能溶解的物质，即所谓二次加溶原理。例如，反胶团的极性内核在溶解了水后，在内核形成了“水池”(water pool)，可以进一步溶解蛋白质、核酸、氨基酸等生物活性物质。由于胶团的屏蔽作用，使这些生物物质不与有机溶剂直接接触，而水池的微环境又保护了生物物质的活性，达到了藩解和分离生物物质的目的。图2－2是解释此过程的一种常用的模型一“水壳模型”的示意图。

图2－2 利用反胶团特蛋白质溶解于有机溶荆中的水壳模型

这种技术既利用了溶剂萃取的优点，又实现了生物物质的有效分离，成为一种新型的生物分离技术。

2.2 反胶团及其萃取原理

反胶团是表面活性剂溶解在有机溶剂中形成的纳米级聚集体，是一种透明、稳定的热力学体系。反胶团中表面活性剂非极性头向外与有机溶剂接触，极性头向内形成极性核，极性核溶入水后形成微“水池”。反胶团的一个重要参数是它的含水量(“水池”中溶入的水与表面活性剂的摩尔比，W0)，它决定反胶团的尺寸。在W0<10时[3]，水分子被束缚在反胶团的壁上，它的凝固点下降、共价键参数改变、

氢键破坏；只有在W。较大时，才存在自由水。当含反胶团的有机溶剂和蛋白质水溶液接触时，蛋白质在某种作用力(静电、亲和、疏水)下进入“水池”中，水和表面活性剂分子在蛋白质周围形成一个保护层，使蛋白质避免与有机溶剂接触，不致失活。

2.3 反胶团萃取蛋白质的影响因素

蛋白质的萃取受很多因素影响，这些因素包括原料液的pH值、离子强度、表面活性剂和有机溶剂种类等：蛋白质等电点、亲水性、电荷密度及分布也是影响其萃取的重要因素。

2.3.1 表面活性剂

表面活性剂是反胶团萃取的一个关键因素，不同结构的表面活性剂形成的反胶团含水量和性能有很大差别。通常希望所选表面活性剂形成极性核较大的反胶团，且反胶团与蛋白质的作用不应太强，以减少蛋白质的失活。最常用的是阴离子表面活性剂丁二酸(二)-2-乙基己基酯磺酸钠(AOT)，它形成反胶团时，不需要加入助剂。AOT反胶团体系适宜于萃取小分子量(分子量<30kDa)蛋白质(如溶菌酶、胰蛋白酶、细胞色素C等)。Somnuk等[4]用AOT-异辛烷体系进行了从发酵液中提取细胞色素C、溶解酵素、核糖核酸酶A的试验，结果三种酶的最终萃取率在70％~97％之间，并发现酶在原料液中的初始浓度对萃取率[萃入有机相的蛋白质浓度(或质量)与原料相中蛋白质浓度(或质量)的比值]没有影响。Ludger[5]等用同一反胶团体系在Graesser接触器中对溶解酵素和细胞色素C进行提取，40min后，两者的萃取率都在95％以上。AOT 反胶团体系对于分子量较大(胃蛋白酶、血红蛋白、血清蛋白等)的蛋白质萃取率很低，且易在两相界面形成不溶性凝聚物[6,7]。分子量大，蛋白质的体积就大，传递过程中障碍也大，所以萃取率相对的小。Goto[8]等合成了一系列双油基磷酸型(DOLPA、DTDPA、DEPTA)表面活性剂。他们发现，DTDPA反胶团体系对溶解酵素和细胞色素C的萃取率近乎100％，对血红蛋白(HB)的萃取率为80％；而同一条件下AOT反胶团体系对HB的萃取率仅为16％，且在两相界面上有红色不溶凝聚物出现。结果表明，决定蛋白质萃取率的一个关键因素是表面活性剂的疏水基结构，由于表面活性剂的疏水基和蛋白质的疏水部位问的作用，可显著提高蛋白质萃取率。为使大分子蛋白质溶入反胶团，所用表面活性剂有较强的疏水性是必要的，DTDPA疏水基比AOT 大，对蛋白质的输水部位作用较强，所以对血红蛋白有较好的萃取。Long等[9]用DEPTA-异辛烷萃取血红蛋白的试验。结果表明，原料相中血红蛋白浓度为

0.5mg/mL、KC1为0．2mol/L，有机相中DEPTA为0.02mol/L时，HB的萃取率在等电点附近达到97％；经紫外检测，反萃后的HB与原料相的HB谱峰无显著差异，表