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食品分離技術(shù)第一章 緒論第一節(jié) 分離技術(shù)的概念分離過(guò)程就是通過(guò)一定的手段，將混合物分成互不相同的幾種產(chǎn)品的操作過(guò)程，它包括提取和除雜兩個(gè)部分。分離技術(shù)是一門研究如何從混合物中把一種或幾種物質(zhì)分離出來(lái)的科學(xué)技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)混合物的分離，需要某種專門的設(shè)備和專門的過(guò)程，并且要提供相應(yīng)的能量和物質(zhì)。這是因?yàn)槲镔|(zhì)的混合過(guò)程是一個(gè)熵的增加過(guò)程，可以自發(fā)地進(jìn)行；而從混合物中進(jìn)行分離，是一個(gè)熵減少的過(guò)程。熵減的過(guò)程必須要有外加能量才能進(jìn)行。第二節(jié) 分離技術(shù)的分類及特點(diǎn)所有的分離技術(shù)，都可以分為機(jī)械分離和傳質(zhì)分離兩大類。機(jī)械分離處理的是兩相或者兩相以上的混合物，其目的是簡(jiǎn)單地將各相加以分離，過(guò)程中不涉及傳質(zhì)過(guò)程。如：過(guò)濾、沉降、離心分離、旋風(fēng)分離等。傳質(zhì)分離過(guò)程的特點(diǎn)是過(guò)程中有傳質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生。傳質(zhì)分離技術(shù)處理的物料可以是均相體系，也可以是非均相體系。傳質(zhì)分離過(guò)程包括平衡分離過(guò)程和速率分離過(guò)程。平衡分離過(guò)程是指借助于分離媒介（熱能、溶劑、吸附劑），使均相混合物變成兩相系統(tǒng)，再以各處組分?jǐn)U散速度的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)分離的過(guò)程。如：閃蒸、萃取、精餾、吸附、吸收、離子交換、結(jié)晶以及泡沫分離等。速率分離控制分離過(guò)程則主要是根據(jù)混合物中各個(gè)組分?jǐn)U散速度的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)分離的過(guò)程。如：反滲透、超濾、電流等，分離過(guò)程所處理的原料產(chǎn)品通常屬于同一相態(tài)，僅僅是組成上存在差異，利用濃度差、壓力差以及溫度差等作為分離推動(dòng)力。如果按分離性質(zhì)分類則有：物理分離法：以被分離對(duì)象在物理性質(zhì)方面的差異作為分離依據(jù)，采用有效的化學(xué)手段進(jìn)行分離，包括熱擴(kuò)散法、梯度磁性分離法以及過(guò)濾、沉淀、離心分離等各種機(jī)械分離法?；瘜W(xué)分離法：依據(jù)被分離對(duì)象在化學(xué)性質(zhì)方面的差異，采用有效的化學(xué)手段進(jìn)行分離的技術(shù)，如沉淀分離法、溶劑萃取法、離子交換技術(shù)等。物理化學(xué)分離法：被分離對(duì)象中，有時(shí)存在著不止一個(gè)特征方面的差異，包括在物理和化學(xué)方面的差異，據(jù)此可以采用物理手段與化學(xué)手段相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)行分離。一般來(lái)說(shuō)，被分離組分之間的性質(zhì)差別越大越多，分離的手段越多，分離越容易，分離得到的結(jié)果越精細(xì)，產(chǎn)品越好。第三節(jié) 分離技術(shù)與食品工業(yè)食品分離技術(shù)是指各種分離技術(shù)（包括物理的、化學(xué)的以及物理化學(xué)的）在食品科學(xué)與食品工程中的應(yīng)用。其重要性表現(xiàn)在：食品分離技術(shù)是食品工業(yè)的基礎(chǔ)。食品分離技術(shù)能提高食品原料的綜合利用程度。食品分離技術(shù)能保持和改進(jìn)食品的營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味。食品分離技術(shù)使產(chǎn)品符合食品衛(wèi)生要求?，F(xiàn)代食品分離技術(shù)能改變食品行業(yè)的生產(chǎn)面貌。第四節(jié) 食品分離過(guò)程的特點(diǎn)及其方法一、 食品分離過(guò)程的特點(diǎn)(1) 食品分離技術(shù)的分離對(duì)象各類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。(2) 產(chǎn)品質(zhì)量與分離過(guò)程關(guān)系密切。(3) 食品安全性要求高。(4) 食品在分離過(guò)程中易腐敗變質(zhì)。二、 食品分離方法的確定(1) 查找分離組分的基礎(chǔ)性研究資料，包括待分離組分的相對(duì)分子質(zhì)量、化學(xué)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)以及生物活性等。(2) 選擇和確立對(duì)該組分進(jìn)行定性、定量測(cè)定的方法，目的在于能對(duì)分離效率有一個(gè)有效的評(píng)價(jià)。(3) 了解原料的我以及待分離組分的存在和含量情況。(4) 確定選用分離技術(shù)并對(duì)分離條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)選擇。(5) 對(duì)分離效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。(6) 中間試驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的放大設(shè)計(jì)。第五節(jié) 食品分離技術(shù)的平價(jià)及其發(fā)展趨向一、 食品分離技術(shù)的評(píng)價(jià)1. 分離效率及其選擇性2. 產(chǎn)品質(zhì)量3. 產(chǎn)品的安全性4. 生產(chǎn)工藝的簡(jiǎn)化5. 生產(chǎn)成本二、 食品分離技術(shù)的發(fā)展趨向1. 傳統(tǒng)分離技術(shù)的發(fā)展2. 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模分離技術(shù)的放大和應(yīng)用3. 生物大分子分離技術(shù)獲得較大的進(jìn)展4. 新型分離技術(shù)的開(kāi)發(fā)第二章 沉淀分離技術(shù)第一節(jié) 沉淀分離的目的及其方法沉淀是指溶液中的溶質(zhì)在適當(dāng)條件下由液相變成而析出的過(guò)程。分離過(guò)程中采用沉淀技術(shù)，目的有兩個(gè)：通過(guò)沉淀使目標(biāo)成分達(dá)到濃縮和去雜質(zhì)的目的；通過(guò)沉淀可將已純化的產(chǎn)品由液態(tài)變成固態(tài)，有利于保存和進(jìn)一步的加工處理。應(yīng)用沉淀分離技術(shù)時(shí)，應(yīng)考慮三個(gè)因素：沉淀的方法和技術(shù)應(yīng)具有一定的選擇性；注意到所選用的沉淀方法對(duì)目標(biāo)成分的活性和化學(xué)結(jié)構(gòu)是否有破壞作用；要考慮殘留在目標(biāo)成分中的沉淀劑對(duì)人體是否有害。沉淀分離技術(shù)通常包括：(1) 無(wú)機(jī)沉淀劑沉淀分離法通常以鹽類作為沉淀劑的一類沉淀方法，如鹽析法，多用于各種蛋白質(zhì)和酶類的分離純化，以及某些金屬離子的去除。常用的沉淀劑有：硫酸銨、碳酸銨、硫酸鈉、檸檬酸鈉、氯化鈉(2) 有機(jī)沉淀劑沉淀分離法以有機(jī)溶劑作為沉淀劑的一種沉淀分離方法，多用于生物小分子、多糖及核酸類產(chǎn)品的分離；有時(shí)也用于蛋白質(zhì)的沉淀和金屬離子的去除；用于酶的沉淀分離時(shí)，易導(dǎo)致酶的失活。常用的沉淀劑有：丙酮、乙醇、甲醇(3) 非離子多聚體沉淀劑沉淀分離法采用非離子型的多聚體作為目標(biāo)成分的沉淀劑，適用于生物大分子的沉淀分離，如酶、核酸、蛋白質(zhì)、病毒、細(xì)菌等。典型的非離子多聚體是聚乙二醇（PEG）(4) 等電點(diǎn)沉淀法利用兩性電解質(zhì)在等電點(diǎn)狀態(tài)下的溶解度最低而沉淀析出的原理。適用于氨基酸、蛋白質(zhì)及其他屬于兩性電解質(zhì)組分的沉淀分離，如大豆蛋白“堿提酸沉”。(5) 共沉淀分離法又稱為生物鹽復(fù)合沉淀法，用于多種化合物告別是一些小分子物質(zhì)的沉淀。它是利用沉淀的同時(shí)對(duì)其他待分離成分吸附共沉淀而達(dá)到除雜的目的。(6) 變性沉淀分離法又稱為選擇性變性沉淀法，是利用特定條件使目標(biāo)成分變性導(dǎo)致其性質(zhì)的改變?nèi)缛芙舛认陆刀靡苑蛛x。適用于一些變性條件差異較大的蛋白質(zhì)和酶類的分離純化。采用的變性條件有pH值、溫度的改變以及添加劑、利用酶的作用等，如腐竹的生產(chǎn)可以說(shuō)是利用大豆蛋白質(zhì)的熱變性而進(jìn)行分離的一個(gè)例子。第二節(jié) 無(wú)機(jī)沉淀劑沉淀分離法一、 金屬鹽類沉淀分離法利用金屬離子與酸根在形成鹽類時(shí)溶解度低而得以沉淀分離。檸檬酸發(fā)酵工業(yè)中應(yīng)用得較多的是鈣鹽法。分兩具步驟：鈣鹽中和，發(fā)酵液去除菌體后，加入碳酸鈣形成檸檬酸鈣沉淀。酸解，用硫酸處理，使之生成硫酸鈣沉淀。在蔗糖生產(chǎn)過(guò)程中，利用生成碳酸鈣沉淀或亞硫酸沉淀來(lái)進(jìn)行糖的除雜和澄清。谷氨酸能與Zn2（鋅鹽法）、Ca2（鈣鹽法）、Co2、Cu2等金屬離子作用生成谷氨酸鹽沉淀，因此也可用于從發(fā)酵液中分離谷氨酸。影響此類沉淀效果的因素主要是溫度和pH值。采用此沉淀方法，常有共沉淀作用和吸附作用發(fā)生，并且一些金屬鹽（硫酸鈣）的溶解度也比較大，因此分離效果不是很理想，一般用作初步分離，并且通常是與其他分離方法配合使用。二、 鹽析法應(yīng)用于蛋白質(zhì)和酶類的分離（粗提純階段）。鹽析法的特點(diǎn)：成本低，不需特別的設(shè)備，操作簡(jiǎn)單、安全，對(duì)一些生物活性成分的破壞作用小。（一） 鹽析原理在低鹽濃度下，蛋白質(zhì)和酶類的溶解度隨著鹽的濃度提高而增大，這個(gè)過(guò)程稱為鹽溶。這主要是中性鹽離子對(duì)蛋白質(zhì)分子表面活性基團(tuán)及水活度的影響：無(wú)機(jī)鹽離子在蛋白質(zhì)表面上吸附，使顆粒帶相同電荷而互相排斥。無(wú)機(jī)鹽離子增加了蛋白質(zhì)的親水性，改善了與水膜的結(jié)合，增加了蛋白質(zhì)分子與溶劑分子相互的作用力，使蛋白質(zhì)的溶解度增加。當(dāng)鹽濃度增加到一定程度時(shí)，在鹽離子的作用下，水活度大大降低，同時(shí)蛋白質(zhì)表面的電荷被大量中和，蛋白質(zhì)分子外表的水化膜被破壞，蛋白質(zhì)分子相互聚焦而沉淀析出，這就是鹽析。在一定的pH值和溫度條件下，改變鹽的離子強(qiáng)度I值，使不同溶質(zhì)在不同的離子強(qiáng)度下有最大的析出，這種方法稱為KS分段鹽析法。保持溶液的離子強(qiáng)度不變，改變?nèi)芤旱膒H值和溫度，使不同溶質(zhì)在不同的pH值和溫度條件下有最大的析出，這種方法稱為分段鹽析法。一般來(lái)說(shuō)，高價(jià)陰離子如硫酸根、磷酸根等有較高的KS（鹽析常數(shù)，數(shù)值越大，鹽析效果越好）值，而高價(jià)陽(yáng)離子如鎂離子、鈣離子等，則會(huì)有較低的KS值。（二） 鹽析分離法中鹽的選擇在蛋白質(zhì)的鹽析中，以硫酸銨、硫酸鈉應(yīng)用最廣。雖然磷酸鹽的鹽析效果比硫酸銨好，但硫酸銨的最大優(yōu)點(diǎn)是溫度系數(shù)小，溫度的變化引起溶液性質(zhì)的改變不大，且其溶解度大，應(yīng)用于許多蛋白質(zhì)和酶的鹽析時(shí)，對(duì)蛋白質(zhì)和酶變性的影響較小，并且硫酸銨價(jià)格低廉。硫酸銨用于蛋白質(zhì)鹽析時(shí)，最大的缺點(diǎn)是除了緩沖能力較小外，還由于含氮，因此影響到蛋白質(zhì)的定量分析。硫酸鈉由于不含氮，因此不影響蛋白質(zhì)的定量測(cè)定，但其缺點(diǎn)是在30以下溶解度，需在30以上操作效果才好，不利于保持酶的活性。（三） 影響鹽析效果的因素1. 蛋白質(zhì)濃度蛋白質(zhì)濃度高，鹽的用量少，但如果各種蛋白質(zhì)的KS值比較接近，會(huì)發(fā)生比較嚴(yán)重的共沉作用；蛋白質(zhì)濃度過(guò)低時(shí)，鹽的用量增大，但共沉作用小，選擇性較好。2. 離子強(qiáng)度和離子類型采用低離子強(qiáng)度先分離出一種蛋白質(zhì)，再逐漸增加離子強(qiáng)度，分離出第二種乃至更多種蛋白質(zhì)，這就是分析鹽析法。3. 離子類型通常認(rèn)為離子半徑小，帶較高電荷的離子鹽析效果較好，離子半徑大、帶低電荷的離子鹽析效果較差。4. pH值一般選擇在兩性分子的等電點(diǎn)處的pH值下進(jìn)行。5. 溫度在低離子強(qiáng)度下，蛋白質(zhì)的溶解度隨著溫度升高而增大；在高離子強(qiáng)度下，則隨著溫度的升高而下降。對(duì)于酶類，鹽析時(shí)應(yīng)在較低溫度下操作，以最大限度保持酶的活性。（四） 鹽析后的脫鹽處理常用的脫鹽處理方法：透析法、電滲析法和葡聚糖凝膠過(guò)濾法。（五） 硫酸銨飽和度的調(diào)整方法當(dāng)鹽析要求飽和度高而又不宜增大溶液的體積時(shí)，可直接加入硫酸銨固體鹽；當(dāng)鹽析要求的飽和度不高，又必須防止?jié)舛冗^(guò)高時(shí)，通常是采用加入飽和硫酸銨溶液法。第三節(jié) 有機(jī)沉淀劑沉淀分離法一、 基本原理及其特點(diǎn)無(wú)機(jī)沉淀劑沉淀分離法的最大缺點(diǎn)就是分離的選擇性和靈敏度都比較差。與無(wú)機(jī)沉淀劑相比，有沉淀劑的優(yōu)點(diǎn)在于：選擇性比較高，即一定濃度的有機(jī)沉淀劑只沉淀分離某一種或某一類溶質(zhì)組分。沉淀后所得產(chǎn)品不需脫鹽，殘留的沉淀劑通過(guò)揮發(fā)而易去除。有機(jī)沉淀劑的缺點(diǎn)是對(duì)某些具有生物活性的大分子物質(zhì)如酶類具有失活作用，因而常常需要低溫下操作。有機(jī)沉淀分離法之所以能將溶質(zhì)如酶和蛋白質(zhì)等從溶液中沉淀出來(lái)，主要原因在于：有機(jī)溶劑改變了溶液的介電常數(shù)。脫水作用。二、 有機(jī)沉淀劑的選擇（一） 沉淀金屬離子的有機(jī)沉淀劑主要有生成螯合物的有機(jī)沉淀劑、生成離子締合物的有機(jī)沉淀劑，生成三元絡(luò)合物的有機(jī)沉淀劑。常見(jiàn)有：羥基肟類，氨基酸類。（二） 沉淀有機(jī)成分的有機(jī)沉淀劑食品中蛋白質(zhì)和酶的沉淀多用乙醇，雖然甲醇、丙酮也能使用主，但甲醇、丙酮都有一定的毒性。乙醇還可以作為核酸、核苷酸、氨基酸、果膠等成分的沉淀劑。（三） 影響沉淀效果的因素1. 金屬離子當(dāng)溶液中有一些金屬離子存在時(shí)，能降低大分子溶質(zhì)的溶解度，同時(shí)不影響目標(biāo)成分的生物活性，可使有機(jī)溶劑的用量減少。如Zn2、Ca2在一定的pH條件下能與呈陰離子狀態(tài)的質(zhì)形成復(fù)合物，這種復(fù)合物在水和有機(jī)溶液中的溶解度明顯降低。2. 鹽的濃度溶液太大或太小，對(duì)溶液都有不良的影響。沉淀蛋白質(zhì)和多糖時(shí)，有機(jī)溶劑中鹽的濃度以不超過(guò)5%為宜。3. 溶質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量與有機(jī)溶劑用量一般來(lái)說(shuō)，待分離組分的相對(duì)分子質(zhì)量越小，有機(jī)溶劑的用量越多。不同濃度的有機(jī)溶劑能使溶質(zhì)中不同的組分先后沉淀，因而能直到分步沉淀的效果。4. 溫度在有機(jī)溶劑存在時(shí)，蛋白質(zhì)的溶解度隨著溫度降低而降低。低溫對(duì)于提高沉淀效果是比較有利的。5. pH值對(duì)于兩性電解質(zhì)，選擇其等電點(diǎn)處的pH值可最大限度地進(jìn)行溶液。第四節(jié) 等電點(diǎn)沉淀分離法一、 等電點(diǎn)沉淀分離的基本原理等電點(diǎn)沉淀分離法主要是利用兩性電解質(zhì)分子在電中性時(shí)溶解度最低，不同的兩性電解質(zhì)有不同的等電點(diǎn)而進(jìn)行分離的一種方法。能使兩性電解質(zhì)處于電荷為零的pH值，即為兩性電解質(zhì)的等電點(diǎn)pI。二、 蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)沉淀分離通常在偏酸性溶液中帶正電，在偏堿性溶液中帶負(fù)電。蛋白質(zhì)在其等電點(diǎn)處的凈電荷為零，因而容易相互聚集成為較大的顆粒而沉淀?！皦A提酸沉”法分離大豆蛋白，脫脂豆粉蛋白質(zhì)大部分能溶于稀堿（pH9.09.1）溶液中，用稀堿溶液將大豆蛋白最大量地浸提出來(lái)，然后離心除去不溶性成分，用HCl溶液調(diào)整溶液的pH值至4.3左右，使蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)狀態(tài)下沉淀。第五節(jié) 其他沉淀分離技術(shù)一、 變性沉淀分離法1. 變性沉淀分離的原理利用生物大分子對(duì)物理、化學(xué)等外部環(huán)境因子敏感性的差異而選擇性地使一種組分發(fā)生變性形成沉淀，而讓另一些組分保持不變性，這樣就可以達(dá)到分離和除雜、提純的目的。2. 酶和蛋白質(zhì)變性的概念及影響因子蛋白質(zhì)的變性通常是指二、三、四級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)物理、化學(xué)性質(zhì)的改變及生物功能的改變，變性不涉及一級(jí)結(jié)構(gòu)的破壞。如果變性因子去除后，變性了的生物大分子能恢復(fù)原來(lái)的基本構(gòu)象，其性能也與變性前相差不大時(shí)，此種變化稱為可逆變性。相反則稱為不可逆變性。影響蛋白質(zhì)變性的因子包括溫度、pH值以及其他的化學(xué)因子。(1) 溫度在較高溫度的作用下，使得維持蛋白質(zhì)二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)的弱鍵發(fā)生了斷裂，破壞了肽鏈原來(lái)特有的排列和空間結(jié)構(gòu)，使原來(lái)在大分子內(nèi)部的極性基團(tuán)轉(zhuǎn)到分子的表面，促進(jìn)了蛋白質(zhì)分子的相互凝集而沉淀。(2) pH值大部分蛋白質(zhì)在pH410的范圍內(nèi)是比較穩(wěn)定，超過(guò)這個(gè)范圍就會(huì)發(fā)生變化。變性的原因在于酸堿的作用使蛋白質(zhì)分子內(nèi)的基團(tuán)帶電性質(zhì)發(fā)生了變化，從而破壞了靜電引力所形成的鍵，導(dǎo)致原來(lái)構(gòu)象發(fā)生了變化。每一種酶都有一個(gè)活性表現(xiàn)最大的pH值，稱為酶的最適pH值。(3) 其他化學(xué)因子包括酸類、醇類、酰胺類、二脲、鹽酸胍、氯仿、酚、表面活性劑等。與蛋白質(zhì)高度結(jié)合，可將蛋白質(zhì)的亞基拆散從而引起蛋白質(zhì)變性。酶的作用，常常也使得蛋白質(zhì)變性沉淀而得到分離。如凝乳酶對(duì)牛乳中的酪蛋白作用，可使之成為干酪而得以分離。3. 蛋白質(zhì)變性后性質(zhì)的改變(1) 生物活性喪失(2) 物理化學(xué)性質(zhì)改變4. 變性沉淀分離的方法(1) 熱變性沉淀分離利用各種蛋白質(zhì)對(duì)熱穩(wěn)定性不同的特點(diǎn)，使蛋白質(zhì)組分之間得以分離，同時(shí)使蛋白質(zhì)與水及其他可溶性物質(zhì)分離開(kāi)來(lái)，此法常用于組織化植物蛋白生產(chǎn)。腐竹的生產(chǎn)是利用大豆蛋白質(zhì)分子的熱變性原理進(jìn)行的。熱變性時(shí)，大豆蛋白質(zhì)分子間通過(guò)其副價(jià)鍵聚集而形成蛋白質(zhì)聚合體，在豆?jié){煮沸的溫度下，大豆蛋白進(jìn)一步膠粘聚集成膜，疏水性增加，最后從溶液中分離出來(lái)。(2) 選擇性的酸堿變性沉淀分離利用酸堿變性原理，調(diào)節(jié)溶液pH值，可以有選擇地除去雜蛋白，有利于提高酶制劑的比活和純度。此方法在生化制備中經(jīng)常使用。(3) 利用酶作用進(jìn)行變性分離凝乳酶催化牛乳酪蛋白的沉淀。在凝乳酶的作用下，牛乳形成凝塊或凝膠的過(guò)程分兩步：凝乳酶首先把酪蛋白部分降解改性，然后，經(jīng)過(guò)改性了的酪蛋白聚集成膠束并進(jìn)一步形成凝膠而沉淀。(4) 利用表面活性劑或有機(jī)溶劑引起變性在制備核酸時(shí)，可加入含水酚、氯仿以及十二烷基磺酸鈉等試劑，可有選擇地使蛋白質(zhì)發(fā)生變性沉淀，達(dá)到去除雜質(zhì)、提純核酸的目的。二、 生成鹽類復(fù)合物沉淀分離法生物大分子都可以生成鹽類復(fù)合物，此類鹽類復(fù)合物溶解度很低，易于沉淀析出而得以分離。(1) 金屬?gòu)?fù)合鹽法(2) 有機(jī)鹽法苦味酸、苦酮酸、單寧、茶多酚（包括兒茶素）等可與蛋白質(zhì)形成復(fù)合鹽類并沉淀而得以分離。(3) 無(wú)機(jī)鹽法三、 非離子型聚合物沉淀分離法沉淀劑主要有聚乙二醇（PEG）。廣泛用于細(xì)菌、病毒、核酸、蛋白質(zhì)和酶的沉淀分離。PEG在濃度達(dá)20%時(shí)，粘度仍不大，同時(shí)對(duì)蛋白質(zhì)有保護(hù)作用，分離的選擇性又比硫酸銨、丙酮的分離效果好，有時(shí)甚至可以與凝膠過(guò)濾相比，加上操作方法簡(jiǎn)單，可處理量大。沉淀機(jī)理的幾種解釋：認(rèn)為沉淀的產(chǎn)生是由于聚合物與大分子共沉而形成沉淀。聚合物與生物大分子以氫鍵結(jié)合形成復(fù)合物而沉淀。聚合物與生物大分子爭(zhēng)奪水分子，水分子在生物大分子以及聚合物之間發(fā)生重新分配，生物大分子產(chǎn)生脫水而沉淀。聚合物對(duì)生物大分子的空間排斥作用，使生物大分子被聚集在一起而引起沉淀。優(yōu)點(diǎn)：操作條件溫和，不會(huì)引起生物大分子的變性。具有較高的沉淀分離效果，成本低。沉淀分離的選擇性較好，用不同的濃度可沉淀不同的組分，因而分段分離的選擇性較好。沉淀后的多聚物易于去除，也可以回收。用PEG沉淀生物大分子時(shí)，其效果與如下因素有關(guān)：沉淀劑的相對(duì)分子質(zhì)量越大，沉淀效果越好，但聚乙二醇相對(duì)分子質(zhì)量超過(guò)20000時(shí)，由于粘性太大而不易操作，一般使用的相對(duì)分子質(zhì)量是20006000左右。生物大分子的相對(duì)分子質(zhì)量越大，沉淀效果越好，若低于20000，效果不明顯。生物大分子的濃度如太稀時(shí)，效果也不明顯，但蛋白質(zhì)濃度太高，各組分之間的互相作用系數(shù)也越大，反而影響分離效果，所以以小于10mg/mL為宜。當(dāng)溶液中的離子強(qiáng)度大時(shí)，使用的沉淀劑的濃度可明顯降低。也就是說(shuō)，有其他離子的存在，可提高PEG的分離效率。當(dāng)生物大分子處于等電點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，使用的沉淀劑濃度也會(huì)有明顯的降低，即在兩性分子的等電點(diǎn)下，PEG的分離效果得到提高。第三章 超臨界流體萃取技術(shù)第一節(jié) 概述一、 超臨界萃取及超臨界流體的概念超臨界萃取是以臨界流體作為萃取劑，在臨界溫度和臨界壓力附近的條件狀態(tài)下，從液體或固體中萃取出待分離的組分，又稱為壓力流體萃取，越臨界氣體萃取、超臨界溶劑萃取等。超臨界流體是指處于超過(guò)物質(zhì)本身的臨界溫度和臨界壓力狀態(tài)時(shí)的液體。穩(wěn)定的純物質(zhì)都具有固定的臨界點(diǎn)，包括臨界壓力pc、臨界溫度Tc和臨界密度c。對(duì)于稍為超過(guò)其臨界點(diǎn)即在臨界點(diǎn)附近的超臨界流體，操作溫度或壓力的微小變化，都會(huì)引起流體密度的很大變化，同時(shí)會(huì)引起其溶解能力的變化。因此，利用超臨界流體的此種特性，在高密度條件（低溫、高壓）下，溶解也所需要的組分，然后改變操作條件（提高溫度或降低壓力），在低密度條件下將萃取出來(lái)的成分與萃取劑分離，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)分離過(guò)程。二、 超臨界流體萃取技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀第二節(jié) 超臨界流體萃取的基本原理及特征一、 超臨界流體的基本性質(zhì)（一） 超臨界流體的臨界點(diǎn)二氧化碳是最常用到的超臨界萃取介質(zhì)，這是因?yàn)樗呐R界溫度（31.1）最接近常溫，臨界壓力約為7.38MPa，容易達(dá)到，并且具備了無(wú)毒無(wú)臭和防氧化及來(lái)源方便等優(yōu)點(diǎn)，因此是最常用的萃取劑，在食品行業(yè)中尤其重要。一般地說(shuō)，操作溫度是高出流體臨界值的10100，壓力為530MPa。（二） 超臨界流體的性質(zhì)超臨界流體在密度上接近于液體，因此，對(duì)固體、液體的溶解度也與液體相接近，密度越大，溶解能力也越強(qiáng)。又由于超臨界流體在粘度上接近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)比液體大100倍，因此，滲透性極佳，能夠更快地完成傳質(zhì)過(guò)程而達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)高效的分離過(guò)程。（三） 超臨界流體的溶解能力超臨界流體的溶解度隨密度的增大而增大。根據(jù)“相似相溶”的原則，選用的超臨界流體在化學(xué)性質(zhì)上與待分離組分的性質(zhì)越相似時(shí)，超臨界流體對(duì)分離組分的溶解能力就越大。二、 超臨界液體萃取的特征(1) 超臨界流體的溶解能力隨著其密度的增大而提高。(2) 在接近臨界點(diǎn)處只要溫度和壓力有微小的變化，超臨界流體的密度和溶解度都會(huì)有較大變化。(3) 萃取過(guò)程完成后，超臨界流體由于狀態(tài)的改變，很容易從分離成分中脫除，不給產(chǎn)品和食品原料造成污染。(4) 超臨界流體萃取技術(shù)中所選用的萃取劑，其臨界溫度不過(guò)高也不過(guò)低，并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有無(wú)腐蝕性。(5) 超臨界流體萃取技術(shù)屬于高壓技術(shù)，需要相應(yīng)的高壓設(shè)備。三、 超臨界液體的選擇超臨界流體萃取的工藝過(guò)程中，對(duì)超臨界流體的要求，第一是具有良好的溶解性能，第二還要求其具備良好的選擇性。提高超臨界流體選擇性的原則有兩條：工藝中的操作溫度與超臨界流體的溫度接近；超臨界流體的化學(xué)性質(zhì)與待萃取成分的化學(xué)性質(zhì)相似。對(duì)于超臨界流體的具體要求，還有如下幾點(diǎn)：作為超臨界流體的萃取劑，應(yīng)該是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒性和無(wú)腐蝕性，不易燃和不易爆。超臨界流體的操作溫度就接近于常溫，以節(jié)約能源，并使操作溫度低于待分離成分的分解溫度。超臨界流體的操作壓力就盡可能的低，以降低壓縮機(jī)的動(dòng)力消耗。對(duì)于待分離成分要有較高的選擇性和較高的溶解度。來(lái)源廣泛，價(jià)格便宜。以CO2最為常用，對(duì)食品分離尤為重要，是因?yàn)椋篊O2的臨界溫度為常溫（31.4），操作溫度接近于常溫，對(duì)熱敏性的食品原料無(wú)破壞性作用。CO2的臨界壓力為7.4MPa，比較容易達(dá)到。CO2的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不燃燒、不爆炸、無(wú)腐蝕性。CO2無(wú)色、無(wú)毒、無(wú)臭，對(duì)于食品和醫(yī)藥等行業(yè)無(wú)污染之慮。CO2具有防氧化和抵制好氣性微生物活動(dòng)的作用，因此食品物料在分離過(guò)程中不易腐變，對(duì)分離過(guò)程有利。CO2容易提到較純的產(chǎn)品，來(lái)源方便，價(jià)格便宜。第三節(jié) 超臨界流體萃取的工藝流程及在食品工業(yè)中的應(yīng)用一、 超臨界流體萃取的典型流程超臨界液體萃取過(guò)程分萃取和分離兩個(gè)階段。在萃取階段，超臨界流體有最大的密度，對(duì)待分離組分有最大的溶解度，因而能將所需組分從物料中萃取出來(lái)。在分離階段，超臨界流體的密度變化到最小，對(duì)其中已萃取出來(lái)的組分溶解度也最小，使之析出而實(shí)現(xiàn)分離。根據(jù)對(duì)過(guò)程中超臨界流體密度調(diào)控的方法不同，上述過(guò)程可分為等溫變壓法、等壓變溫法、吸附法3個(gè)基本流程。1. 等溫變壓法通過(guò)壓力的變化引起超臨界流體密度的變化，使得組分從超臨界流體中析出分離。萃取劑經(jīng)壓縮達(dá)到最大溶解能力的狀態(tài)點(diǎn)（即超臨界狀態(tài)）后加入到萃取器中與物料接觸進(jìn)行萃取。當(dāng)萃取了溶質(zhì)的超臨界流體通過(guò)膨脹閥進(jìn)入分離槽后，壓力下降，超臨界流體密度也下降，對(duì)其中溶質(zhì)的溶解度跟著下降。溶質(zhì)于是析出并在槽底部收集取出。釋放了溶質(zhì)后的萃取劑經(jīng)壓縮機(jī)升溫加壓后再送回萃取槽中循環(huán)使用。2. 等壓變溫法超臨界流體的壓力保持一定，而利用溫度的變化，引起超臨界流體對(duì)溶質(zhì)溶解度的變化，從而實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)與超臨界流體的分離的過(guò)程。降溫升壓萃取劑，處于超臨界狀態(tài)，被送入到萃取槽中與物料接觸進(jìn)行萃取。然后，萃取了溶質(zhì)的超臨界流體經(jīng)加熱器升溫后在分離槽析出溶質(zhì)。作為萃取劑的氣體經(jīng)冷卻器等降溫升壓后送回萃取槽循環(huán)使用。3. 吸附法將萃取了溶質(zhì)的超臨界流體，再通過(guò)一種吸附分離器，這種吸附分離器中裝有吸吸附溶質(zhì)而不吸附萃取劑的吸附劑。當(dāng)萃取了溶質(zhì)的超臨界流體通過(guò)這種吸附分離器后，溶質(zhì)便 與萃取劑即超臨界流體分離，萃取劑經(jīng)過(guò)壓縮后循環(huán)使用。二、 超臨界流體萃取技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用1. 植物油的提取2. 咖啡豆和茶葉中咖啡堿的提取(1) 水洗流程CO2將咖啡堿萃取出來(lái)后，在水洗塔用水洗脫，使咖啡堿轉(zhuǎn)入水相，CO2則循環(huán)使用。水相中的咖啡堿可用蒸餾法分離。(2) 吸附流程萃取了咖啡堿的CO2經(jīng)過(guò)活性炭柱，其中咖啡堿被活性炭吸附而與CO2分離，經(jīng)解吸后即得到咖啡堿，而CO2則回到萃取器中循環(huán)使用。3. 啤酒花有效成分的提取4. 處理食品原料5. 去除煙草中的尼古丁6. 從木漿廢液中提取香草醛7. 生化制品及天然產(chǎn)物的分離提取第四章 反相微膠團(tuán)萃取與雙水相萃取技術(shù)第一節(jié) 反相微膠團(tuán)萃取技術(shù)一、 反相微膠團(tuán)的概念及分離原理（一） 反相微膠團(tuán)萃取的概念在水溶液中形成膠體或微膠團(tuán)，是由于表面活性劑中極性基團(tuán)定向排列的結(jié)果。由于在水溶液中加入表面活性劑而形成的膠體中，表面活性劑的極性基團(tuán)（即疏水性部分）則靠?jī)?nèi)而互相聚集成一種微膠團(tuán)。如果溶劑為非極性液體，當(dāng)加入表面活性劑到一定濃度時(shí)，由于表面活性劑的極性和非極性基團(tuán)的定向排列，也會(huì)形成微膠團(tuán)結(jié)構(gòu)。但是這種微膠團(tuán)結(jié)構(gòu)與上述的微膠團(tuán)結(jié)構(gòu)相反，表面活性劑的非極性基團(tuán)部分朝外，即朝向非極性溶劑部分，而極性基團(tuán)部分則朝內(nèi)，因而形成一種與水相微膠團(tuán)結(jié)構(gòu)反向的聚集體，這種聚集體就稱為反相微膠團(tuán)。在反相微膠團(tuán)中，表面活性劑的極性基團(tuán)部分圍成一個(gè)極性核心，稱為水池。這個(gè)水池包括表面活性劑的極性基團(tuán)內(nèi)表面和其中的水分，以及溶解于水中的離子等。具有親水性的生物大分子就可以溶解于水池中的水分而被以微膠團(tuán)的形式萃取出來(lái)。將待分離組分以微膠團(tuán)的形式進(jìn)行萃取的過(guò)程，稱為微膠團(tuán)萃取或膠團(tuán)萃取，如果待分離組分是崒反相微膠團(tuán)的形式被萃取，就稱為反相微膠團(tuán)萃取。（二） 反相微膠團(tuán)萃取的原理在反相微膠團(tuán)萃取過(guò)程中，蛋白質(zhì)或酶等生物大分子主要以水殼的形式存在于反相微膠團(tuán)中的極性核心部分，能避免與有機(jī)溶劑的直接接觸，因而可以盡量保持整個(gè)萃取過(guò)程中生物大分子活性不喪失，這樣就實(shí)現(xiàn)了既能溶出酶及蛋白質(zhì)等生物大分子，又能與水分相分離，并盡可能地保存了這些生物大分子的生物活性。關(guān)于蛋白質(zhì)及酶等生物大分子是以何種形式被反相微膠團(tuán)牟機(jī)理，有三種不同的見(jiàn)解：水殼模型：在反相微膠團(tuán)中，由表面活性劑的極性部分圍成一個(gè)中心，中心為水等極性溶劑占有，生物大分子就溶解于其中，并且在生物大分子周圍包膜著一層水殼，對(duì)生物大分子起保護(hù)作用。生物大分子雖然溶解于由表面活性劑極性部分圍成的中心，但在中心部分生物大分子是以被吸附的狀態(tài)附著于膠團(tuán)的極性壁上。生物大分子的極性部分與多個(gè)微膠團(tuán)的非極性部分連接，由此形成生物大分子溶解于多個(gè)微膠團(tuán)之間的一種狀態(tài)。二、 影響反相微膠團(tuán)形成的因素1. 表面劑和溶劑的種類表面劑要形成反相微膠團(tuán)，在溶劑中的濃度必須達(dá)到一定值，否則就不能形成微膠團(tuán)，這個(gè)形成微膠團(tuán)所必需的最低濃度值，叫做表面活性劑形成微膠團(tuán)的臨界濃度（CMC）。最常用的表面活性劑為丁二酸二異辛酯磺酸鈉（AOT），溶劑通常為異辛烷。2. 水相的酸堿度反相微膠團(tuán)內(nèi)水相的酸堿度，主要影響到生物大分子的荷電性，進(jìn)而影響到生物大分子與反相微膠團(tuán)的結(jié)合。因?yàn)锳OT屬于陰離子型表面活性劑，其親水部分帶負(fù)電荷，形成的反相微膠團(tuán)內(nèi)表面帶負(fù)電。當(dāng)反相微膠團(tuán)內(nèi)水相的pH值小于生物大分子的等電點(diǎn)pI時(shí)，可使生物大分子帶正電，這樣生物大分子可與反相微膠團(tuán)中帶負(fù)電性的內(nèi)表面相吸，形成比較穩(wěn)定的含生物大分子的反相微膠團(tuán)，可以較容易地進(jìn)行萃取。3. 水相中離子強(qiáng)度反相微膠團(tuán)中的水相的離子強(qiáng)度對(duì)反相微膠團(tuán)萃取的影響，可以用鹽溶和鹽析現(xiàn)象來(lái)解析。在低離子強(qiáng)度下，酶和蛋白質(zhì)等生物大分子表面上的荷電性和親水性得到了改善，溶解度上升，與反相微膠團(tuán)內(nèi)表面的結(jié)合力增強(qiáng)。當(dāng)水相中的離子強(qiáng)度增加到一定程度時(shí)，由于抵消了生物大分子表面上的電荷，并且由于離子的水化作用而使蛋白質(zhì)分子表面上的水膜消失，減少了與反相微膠團(tuán)內(nèi)表面的結(jié)合作用，從而降低了溶解度，使分離效率降低。4. 0值的大小反相微膠團(tuán)中的水分含量通常用非極性溶液中的水濃度和表面活性劑濃度比0來(lái)表示。0越大，反相微膠團(tuán)內(nèi)的水分含量就越多，形成的反相微膠團(tuán)的半徑就越大。能溶解水溶性成分的量就越多。三、 反相微膠團(tuán)分離方法反相微膠團(tuán)分離過(guò)程分兩步：第一步是含生物大分子的反相微膠團(tuán)的形成，第二步是反相微膠團(tuán)的破乳及生物大分子的釋放。形成含生物大分子的反相微膠團(tuán)的方法：1. 相轉(zhuǎn)移法通過(guò)將含生物大分子的水相與溶解有表面活性劑的有機(jī)相接觸，緩慢地?cái)嚢琛?. 注入法通過(guò)將含有生物大分子的水溶液注入含有表面活性劑的有機(jī)相中。3. 溶解法對(duì)于固體粉末中含有生物大分子，或不溶于水的生物大分子，可采用溶解法進(jìn)行。先制備好含水的反相微膠團(tuán)的有機(jī)溶液，然后把含生物大分子的固體粉末加進(jìn)此種反相微膠團(tuán)的有機(jī)溶液中，同時(shí)攪拌，生物大分子慢慢地即可進(jìn)入到反相微膠團(tuán)內(nèi)的水中心而實(shí)現(xiàn)萃取過(guò)程。制備了含生物大分子的反相微膠團(tuán)后，可參考液膜分離的方法，將混合液送入到澄清器中，使反相微膠團(tuán)與外相的機(jī)溶劑分離。然后對(duì)溶解有生物大分子的反相微膠團(tuán)進(jìn)行破乳以其中的生物大分子，破乳的原理和方法有化學(xué)破乳和物理破乳等。四、 影響反相微膠團(tuán)萃取效果的因素1. 水相pH值pH值對(duì)萃取率的影響主要體現(xiàn)在改變蛋白質(zhì)的表面電荷上。當(dāng)pHpI時(shí)，表面帶負(fù)電荷，而AOT是一種陰離子表面活性劑，它的形成的反相微膠團(tuán)的內(nèi)表面帶負(fù)電荷，由于蛋白質(zhì)表面的負(fù)電荷與反相微膠團(tuán)表面電荷之間的排斥作用，使蛋白質(zhì)的萃取率幾乎為零。在pHpI時(shí)，蛋白質(zhì)表面帶正電荷，這時(shí)蛋白質(zhì)表面與反相微膠團(tuán)內(nèi)表面之間的吸引力，蛋白質(zhì)的萃取率接近100%。2. 鹽濃度鹽濃度（離子強(qiáng)度）對(duì)蛋白質(zhì)萃取的影響來(lái)自兩方面：離子強(qiáng)度增大時(shí)，反相微膠團(tuán)內(nèi)表面的雙電層變薄，使蛋白質(zhì)表面與反相微膠團(tuán)表面間的靜電引力下降；反相微膠團(tuán)內(nèi)表面的雙電層變薄后，也減小了表面活性劑極性頭之間的斥力，從而使反相微膠團(tuán)變小。3. 蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量大于30000時(shí)，最大萃取率小于60%。4. 陽(yáng)離子種類陽(yáng)離子種類對(duì)萃取的影響主要體現(xiàn)在改變反相微膠團(tuán)內(nèi)表面的電荷密度上。通常反相微膠團(tuán)中表面活性劑的極性部分不會(huì)是完全電離的，有很大一部分陽(yáng)離子仍在膠團(tuán)的內(nèi)表面上。極性部位的電離程度越大，反相微膠團(tuán)內(nèi)表面的電荷密度越大，產(chǎn)生的反相微膠團(tuán)也越大。第二節(jié) 雙水相萃取技術(shù)一、 雙水相體系概念把兩種或兩種以上具有一定濃度的親水性聚合物溶液混合后靜置，這些親水性高分子聚合物并不混為一相，而是分成多個(gè)液相，這種現(xiàn)象稱之為聚合物的不相容性。由于這些聚合物都是以水作為溶劑的，因此形成上述的兩個(gè)相體系就稱為雙水相體系。利用雙水相的成相現(xiàn)象及待分離組分在兩相間分配系數(shù)的差異，進(jìn)行組分分離或提純的技術(shù)就叫做雙水相萃取技術(shù)。聚合物的不相容性主要是由于聚合物分子間的空間阻礙作用，使互相之間無(wú)法滲透而分離成多相。二、 雙水相萃取的特點(diǎn)及其應(yīng)用雙水相萃取技術(shù)主要應(yīng)用于生物大分子的分離和提純，如酶、蛋白質(zhì)、核酸、病毒和細(xì)胞等。因?yàn)榇朔N分離技術(shù)對(duì)于生物大分子的活性具有良好的效果。雙水相分離技術(shù)中的聚合物多數(shù)為聚乙二醇類大分子。在生化分離中應(yīng)用得較多的為聚乙二醇（PEG）/萄取糖（DEX）和聚乙二醇（PEG）/無(wú)機(jī)鹽體系。雙水相萃取技術(shù)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 體系的含水量多達(dá)70%90%，兩相界面的張力極低，有助于保持學(xué)生物質(zhì)的活性和相間的質(zhì)量傳遞。(2) 上下相密度差小，一般為102g/cm3左右，是水的密度的百分之一。(3) 分相時(shí)間短，對(duì)于聚合物/無(wú)機(jī)鹽體系，分相時(shí)間為515min；對(duì)于聚合物/聚合物體系，自然分相時(shí)間為560min。(4) 雙水相萃取易于連續(xù)操作和工程放大，可直接線性放大40000倍。(5) 雙水相萃取處理容量大，能耗低。成本主要消耗在聚合物的使用上，而聚合物可循環(huán)使用，因此生產(chǎn)成本較低。利用雙水相萃取技術(shù)從微生物破碎細(xì)胞中分離多種酶的結(jié)果表明：(1) 大多數(shù)情況下，目標(biāo)產(chǎn)物的回收率高于90%。(2) 目標(biāo)產(chǎn)物的分配系數(shù)多在120范圍，一般大于3。(3) 大量雜質(zhì)蛋白能夠與所有固體物質(zhì)一起被去除，與其他常用固液分離方法相比，雙水相萃取法可省去一到兩步過(guò)程。三、 影響組分在雙水相系統(tǒng)中分配的主要因子1. 聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量的增加，生物大分子或顆粒在該聚合物相中的分配系數(shù)會(huì)下降。對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量大的蛋白質(zhì)，PEG相對(duì)分子質(zhì)量的增加對(duì)其分配系數(shù)的影響比對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量小的蛋白質(zhì)的影響更大。PEG的相對(duì)分子質(zhì)量磊的細(xì)胞碎片的分配行為影響也非常顯著。2. 成相溶液的濃度當(dāng)成相溶液的濃度接近于臨界點(diǎn)時(shí)，可溶性組分如蛋白質(zhì)等，會(huì)均勻地分配于兩相之中；當(dāng)該濃度遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)則走向于一側(cè)分配。當(dāng)聚合物濃度增加時(shí)，細(xì)胞器、細(xì)胞碎片等顆粒物質(zhì)通常更走向于相界面分配。3. pH值pH值對(duì)組分在雙水相分配行為的影響較為復(fù)雜。主要是pH值的變化能夠影響蛋白質(zhì)中可解離基團(tuán)的離解度，使得蛋白質(zhì)表面所帶電荷量發(fā)生改變。4. 無(wú)機(jī)鹽在PEG/DEX體系中，加入無(wú)機(jī)鹽會(huì)使兩相間形成電位差，這對(duì)屬于兩性電解質(zhì)的生物大分子如蛋白質(zhì)、酶和核酸等的分配行為產(chǎn)生很大影響。加入適當(dāng)?shù)柠}類可促進(jìn)帶相反電荷蛋白質(zhì)組分的分離，但是隨著鹽濃度的增加，這種作用。當(dāng)鹽濃度很大時(shí)，由于鹽析作用，蛋白質(zhì)易于分配于上相，分配系數(shù)幾乎隨著鹽濃度的成對(duì)數(shù)地增大。對(duì)于PEG/無(wú)機(jī)鹽體系，鹽濃度的增加會(huì)使下相體積增大，也使細(xì)胞碎片趨于向PEG相分配。5. 溫度溫度的變化可以改變相的組成。溫度升高時(shí)，兩相中蛋白質(zhì)的分布趨于一致。增加聚合物的濃度，可以使溫度作用降低或消失。四、 聚合物和鹽的回收再利用對(duì)于PEG循環(huán)使用的最好辦法是：直接重復(fù)利用一級(jí)萃取時(shí)的終了PEG相。如果目標(biāo)產(chǎn)物在PEG相中，則在PEG相加鹽形成新的雙水相，反萃取使得PEG與目標(biāo)產(chǎn)物分離。但此法的不足之處在于：由于反復(fù)的使用，PEG相中可能含有大量的蛋白酶和其他雜質(zhì)，這對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的分離不利。此外回收聚合物的方法還有：超濾法、離心法、清洗法、酶沉淀法、離子交換吸附法等。鹽的回收：最常用的是通過(guò)冷卻鹽相至6，使得鹽結(jié)晶析出，然后用離心或過(guò)濾等方法收集；也可用電滲析的方法回收鹽類以及對(duì)PEG相除鹽。五、 雙水相萃取技術(shù)的新發(fā)展1. 雙水相萃取與細(xì)胞破碎過(guò)程相結(jié)合2. 親和雙水相萃取3. 雙水相萃取與膜分離相結(jié)合4. 使用帶配基的吸附劑微粒特異性吸附待分離的生物大分子5. 雙水相萃取與生物轉(zhuǎn)化相過(guò)程相結(jié)合第五章 膜分離技術(shù)第一節(jié) 概述一、 膜分離技術(shù)的發(fā)展二、 膜分離技術(shù)的原理用天然或人工合成的高分子膜，以外加壓力或化學(xué)位差為推動(dòng)力，對(duì)雙組分或多組分的溶液進(jìn)行分離、分組、提純和富集的方法，統(tǒng)稱為膜分離法。用半透膜把容器隔開(kāi)，膜的一側(cè)是溶液，另一側(cè)是純水，或者膜的兩側(cè)是濃度不同的溶液。小分子溶質(zhì)透過(guò)膜向純水側(cè)移動(dòng)，而純水透過(guò)膜向溶液移動(dòng)，此種現(xiàn)象稱為滲析（或透析）。如果僅有溶液中的溶劑透過(guò)膜向純水側(cè)移動(dòng)，而溶質(zhì)不透過(guò)膜，這種分離現(xiàn)象稱為滲透。只能使溶劑或溶質(zhì)透過(guò)的膜稱為半透膜。如果半透膜只能使某些溶質(zhì)或溶劑透過(guò)，而不能使另一些溶質(zhì)溶劑透過(guò)，稱之為膜的選擇透過(guò)性。屬于滲析的分離方法有：電滲析、壓滲析、滲析、熱滲析；屬于滲透的分離方法有：電滲透、反滲透、滲透、熱滲透。引起上述分離的推動(dòng)力各有不同，有電位差、壓力差、濃度差、溫度差。三、 膜分離技術(shù)的分類按膜的不同可分固膜及液膜兩大類。固膜包括：氣體滲透、反滲透、超濾、滲析、電滲析。液膜包括：液膜、固定液膜。氣體滲透的推動(dòng)力為分壓差。反滲透的推動(dòng)力為壓力差（110MPa）。超濾的推動(dòng)力是壓力關(guān)（0.11MPa）。滲析的推動(dòng)力為濃度差。電滲析的推動(dòng)力為電位差。液膜分離法是利用液體把被分離物包裹成乳化型液膜而被分離。四、 膜分離技術(shù)的特點(diǎn)膜分離技術(shù)一般在常溫下操作，不需要加熱，被分離的物質(zhì)能保持原來(lái)的性質(zhì)，能保持食品原有的色、香、味、營(yíng)養(yǎng)和口感；能保持生物物質(zhì)的活性。其選擇性強(qiáng)，操作過(guò)程簡(jiǎn)單，適用范圍廣。五、 膜的分類和性質(zhì)常用的膜分為微孔膜、非多孔性膜、非對(duì)稱膜（包括醋酸纖維素膜、芳香聚酰胺膜、聚砜膜等）、離子交換膜等固相膜以及液膜。1. 微孔膜分無(wú)機(jī)物與高分子聚合物兩類。一類是由氧化鋁、氮化硅、碳、鎢、鎳、鋁及多種有機(jī)高分子等微細(xì)粉末在高溫下燒結(jié)而成，用于氣體、液體中微粒分離。另一類是由纖維素的聚合物制成，用于微孔過(guò)濾或超濾。2. 非多孔性膜又稱均質(zhì)膜，其結(jié)構(gòu)較為致密。其特點(diǎn)為分離系數(shù)較高，但滲透系數(shù)較低。主要有硅橡膠膜，適用于氣體分離和滲透蒸發(fā)，用于氣調(diào)保鮮有較好的效果。3. 非對(duì)稱膜是一種復(fù)合膜，由極薄的活化皮層和較厚的多孔支撐層組成，由同一材料或不同材料復(fù)合而成。皮層的分離特性與滲透性能均較好，用作超濾和反滲透膜。(1) 醋酸纖維膜（CA）(2) 芳香聚酰胺膜(3) 聚砜膜4. 離子交換膜是一種帶電基團(tuán)的聚合膜，分陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜。陽(yáng)交換膜帶有陽(yáng)離子交換基團(tuán)，帶負(fù)電荷，能選擇性地吸附陽(yáng)離子并使之通過(guò)，對(duì)陰離子則產(chǎn)生排斥現(xiàn)象。與之相反，陰離子交換膜帶有陰離子交換基團(tuán)，帶正電荷，能選擇性地吸附陰離子，并使之通過(guò)而排斥陽(yáng)離子。離子交換膜主要用于電滲析。常用的有聚乙烯膜或聚氯乙烯膜。陽(yáng)離子交換基團(tuán)為磺酸和磷酸型，陰離子交換基團(tuán)為季胺、叔胺和仲胺等。5. 液膜按使用條件不同，分液體表面活性劑膜和多孔聚合物固定液膜兩種。(1) 液體表面活性劑膜由溶劑、表面活性劑和添加劑組成。溶劑分油溶性溶劑和水溶劑兩大類。表面活性劑有促進(jìn)膜過(guò)程乳化和選擇性分離作用。添加劑包括載體和膜穩(wěn)定劑等。載體的作用是使分離組分與載體在液膜的一端形成結(jié)合體，然后在液膜中擴(kuò)散，及至擴(kuò)散至液膜的另一側(cè)時(shí)將分離組分釋放，載體再返回與其他分離組分結(jié)合。載體的類型依據(jù)分離組分的特點(diǎn)來(lái)選擇。膜穩(wěn)定劑的作用為提高膜的穩(wěn)定性。此外尚有增稠劑。成膜的方法是：將成膜劑倒入分離液中，高速攪拌使之乳化，乳化液外層即為液膜，液膜分油包水型和水包油型兩類。水溶性分離液采用油溶性成膜劑，乳化后形成油包水型液膜；油溶性分離液則采用水溶性成膜劑，形成水包油型液膜。(2) 多孔聚合物固定液膜采用多孔聚合物如微孔聚丙烯薄膜等作為固定膜，然后用有機(jī)膜液體將其孔隙填充，制成多孔聚合物固定膜。這種液膜幾何構(gòu)型穩(wěn)定，可直接用連續(xù)分離過(guò)程。按膜的材料不同，固相膜可分為纖維素酯類和非纖維素酯類膜。按膜斷面的物理形態(tài)，可將膜分為對(duì)稱膜、非對(duì)稱膜和復(fù)合膜。對(duì)稱膜又稱為均質(zhì)膜。非對(duì)稱膜指膜的斷面不對(duì)稱，這種膜具有極薄的表面活性層（或致密層）及其下部的多孔支撐層。復(fù)合膜是用兩種不同的膜材料，分別制成表面活性層和多孔支撐層。按膜的形狀，可將膜分為平板膜、管式膜和中空纖維膜。按膜的制備方法，有澆鑄膜，又稱流涎膜，常用于非對(duì)稱膜和復(fù)合膜多孔支撐層的制作。除些之外，還具有標(biāo)準(zhǔn)孔徑的核徑跡蝕刻膜和經(jīng)拉伸成孔的拉伸膜，這兩種膜用于微孔過(guò)濾和超濾等過(guò)程。按孔徑大小來(lái)劃分，孔徑在0.00010.001m的稱為反滲透膜；孔徑在0.0010.1m的稱為超濾膜；，孔徑在0.110m的稱為微孔膜。孔徑的測(cè)定可用最大氣泡點(diǎn)法、標(biāo)準(zhǔn)尺寸粒子法或細(xì)菌過(guò)濾法測(cè)定。第二節(jié) 反滲透分離技術(shù)一、 反滲透膜的透過(guò)機(jī)理（一） 氫鍵理論及結(jié)合水空穴有序擴(kuò)散模型在醋酸纖維素膜中，由于氫鍵和范德華力的作用，大分子之間是牢固結(jié)合的，形成晶相區(qū)域和非晶相區(qū)域。在非晶相區(qū)，水與醋酸纖維素羰基上的氧原子形成氫鍵，形成所謂的“結(jié)合水”。當(dāng)醋酸纖維吸附了第一層水分子后，會(huì)引起水分子熵值的極大下降，類似于冰的構(gòu)造。與醋酸纖維不能形成氫鍵的離子或分子不能透過(guò)結(jié)合水區(qū)域，而能和膜產(chǎn)生氫鍵的中分子（如水、酸等）可以進(jìn)入結(jié)合水區(qū)域，并進(jìn)行遷移通過(guò)膜。在壓力作用下，溶液中的水分子和醋酸纖維素的羰基上的原子形成氫鍵，而原來(lái)水分子間形成的氫鍵被斷開(kāi)，水分子解離出來(lái)和羰基上的原子形成氫鍵。這樣連續(xù)的氫鍵形成與斷開(kāi)，使水分子進(jìn)入膜的多孔層，由于多孔層含有大量的毛細(xì)管水，水分子能暢通流出膜外。這種離子或分子的遷移稱為孔穴擴(kuò)散。（二） 優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流理論當(dāng)溶液與高分子多孔膜接觸時(shí)，如果膜的化學(xué)性質(zhì)使膜對(duì)溶質(zhì)負(fù)吸附，對(duì)水優(yōu)先吸附，那么在膜與溶液界面附近的溶質(zhì)濃度會(huì)急劇下降，在界面上形成被吸附的純水層，由于壓力作用將其通過(guò)膜表面的毛細(xì)孔，即可獲得純水。當(dāng)膜表面毛細(xì)孔徑為純水層的2倍時(shí)，每個(gè)毛細(xì)孔就得到最大的流量純水，此時(shí)該毛細(xì)孔徑稱為“臨界孔徑”。（三） 溶解擴(kuò)散理論溶劑與溶質(zhì)透過(guò)膜的機(jī)理是由于溶劑與溶質(zhì)在膜中的溶解。在化學(xué)位差的推動(dòng)力作用下，使之透過(guò)膜。（四） 反滲透膜的其他透過(guò)理論(1) 擴(kuò)散細(xì)孔流理論膜表面存在細(xì)孔，水和溶質(zhì)能通過(guò)細(xì)孔，并在溶解、擴(kuò)散的雙重作用下透過(guò)膜。(2) 自由體積理論聚合物在自由體積是系指無(wú)水時(shí)未被高分子占據(jù)的空間。水的自由體積是指水溶脹時(shí)膜中純水所占的空間。水可在膜的自由體積中遷移，而鹽只能在水的自由體積中遷移，多而使膜具有選擇透過(guò)性。(3) 離子性膜的透過(guò)機(jī)理二、 反滲透分離原理一個(gè)容器中間用半透膜分隔為兩部分，一邊是水，一邊是溶液。當(dāng)兩邊液體上部壓力p1p2時(shí)，由于水的化學(xué)勢(shì)1大于溶液的化學(xué)勢(shì)2，引起水向溶液方向滲透。如果增加溶液上方壓力p2，當(dāng)p2與p1之差等于某一數(shù)值時(shí)，水就不會(huì)向溶液方向滲透，溶液中的水也不會(huì)作反向滲透，兩邊處于滲透平衡狀態(tài)。這時(shí)p2p1稱為溶液的滲透壓。當(dāng)p2繼續(xù)增大，使p2p1時(shí)，則溶液一側(cè)的水就會(huì)透過(guò)半透膜向水側(cè)方向滲透。此時(shí)水滲透方向正好與上述過(guò)程的方向相反，稱為反滲透。這會(huì)使溶液中的水分子與溶質(zhì)分離，溶液不斷地增濃。利用反滲透原理就可將溶液的不同組分分離。要進(jìn)行反滲透分離，就必須向溶液施加一個(gè)比溶液滲透壓大的壓力，同時(shí)選擇一個(gè)滲透選擇性能良好的半透膜。反滲透是在常溫和大氣壓下收集透過(guò)膜的產(chǎn)物。產(chǎn)物中富集了混合物中一種或多種組分，而在高分壓側(cè)留下其他組分的濃縮溶液。反滲透方法適用于無(wú)機(jī)或有機(jī)物質(zhì)的水溶液或非水溶液的分離。利用溶劑或溶質(zhì)對(duì)膜的選擇性滲透原理。在反滲透過(guò)程中雖然與膜的微孔孔徑大小有一定的關(guān)系，但主要的是受膜材料的化學(xué)性質(zhì)影響，主要決定于膜的選擇性。當(dāng)膜表面孔直徑小于溶劑分子或溶質(zhì)分子直徑時(shí)，溶質(zhì)依然可以分離。這說(shuō)明篩分過(guò)濾原理對(duì)反滲透是不適用的。三、 反滲透分離溶質(zhì)的物理化學(xué)準(zhǔn)則（一） 溶質(zhì)、溶劑、聚合物的相互作用（二） 分離有機(jī)溶質(zhì)的物理化學(xué)準(zhǔn)則（三） 分離無(wú)機(jī)溶質(zhì)的物理化學(xué)準(zhǔn)則四、 反滲透分離溶質(zhì)的影響因素五、 反滲透基本遷移議程六、 影響反滲透操作的因素(1) 濃度差極化當(dāng)溶質(zhì)不透過(guò)膜（或只有少量透過(guò)）面溶劑卻透過(guò)膜發(fā)生遷移時(shí)，在溶液與膜的界面上，溶質(zhì)逐漸積累。當(dāng)其濃度超過(guò)主體液濃度時(shí)，產(chǎn)生了界面與主體液之間的濃度梯度，引起溶質(zhì)從界面向主體液擴(kuò)散，這種現(xiàn)象稱為濃度差極化。其結(jié)果會(huì)引起滲透壓增加，這就使有限的操作壓力減少，引起透過(guò)通量減少。濃度差極化現(xiàn)象主要由界面溶液的邊界層厚度來(lái)控制。一般可以通過(guò)提高主體溶液的流速，或增加其湍流程度來(lái)減輕濃差極化現(xiàn)象的影響。(2) 膜的壓實(shí)當(dāng)反滲透壓力較高時(shí)，會(huì)使膜產(chǎn)生變形，不透過(guò)物在膜表面沉積而被壓實(shí)，影響透過(guò)的通量。改進(jìn)的方法為提高膜的機(jī)械強(qiáng)度，減少膜的變形。同時(shí)定期進(jìn)行反沖洗，恢復(fù)膜原有的孔隙。(3) 膜的降解膜的降解包括化學(xué)降解和生物降解兩種?？赏ㄟ^(guò)選用化學(xué)性能穩(wěn)定的膜材料解決化學(xué)降解問(wèn)題。生物降解是微生物在膜上繁殖的結(jié)果，可用清洗可消毒的方法處理，如用甲醛溶液對(duì)膜進(jìn)行消毒。(4) 膜的結(jié)垢垢主要由懸浮物、離子化合物或鹽類物質(zhì)構(gòu)成。懸浮物可通過(guò)預(yù)處理除去，離子化合物或鹽類物質(zhì)可通過(guò)添加螯合劑除去。七、 膜材料目前工業(yè)上應(yīng)用膜材料主要有