第八章 反膠束萃取

第八章反膠束萃取第一頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第八章反膠束萃取

二是萃取劑問題，蛋白質(zhì)分子表面帶有許多電荷，普通的離子締合型萃取劑很難奏效。因此研究和開發(fā)易于工業(yè)化的、高效的生化物質(zhì)分離方法己成為當(dāng)務(wù)之急。

反膠束萃取法就是在這一背景下發(fā)展起來的一種新型分離技術(shù)。第二頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)概述一、反膠團(tuán)(ReversedMicelles)

兩性表面活性劑在非極性有機(jī)溶劑中親水性基團(tuán)自發(fā)地向內(nèi)聚集而成的，內(nèi)含微小水滴的，空間尺度僅為納米級的集合型膠體。是一種自我組織和排列而成的，并具熱力學(xué)穩(wěn)定的有序構(gòu)造。第三頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)概述二、反膠團(tuán)的特異性功能：

(1)具有分子識別并允許選擇性透過的半透膜的功能；

(2)在疏水性環(huán)境中具有使親水性大分子如蛋白質(zhì)等保持活性的功能。第四頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)概述三、優(yōu)點(diǎn)

(1)有很高的萃取率和反萃取率并具有選擇性；

(2)分離、濃縮可同時進(jìn)行，過程簡便；

(3)能解決蛋白質(zhì)(如胞內(nèi)酶)在非細(xì)胞環(huán)境中迅速失活的問題；第五頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)概述

(4)由于構(gòu)成反膠團(tuán)的表面活性劑往往具有細(xì)胞破壁功效，因而可直接從完整細(xì)胞中提取具有活性的蛋白質(zhì)和酶；

(5)反膠團(tuán)萃取技術(shù)的成本低，溶劑可反復(fù)使用等。第六頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

一、反膠團(tuán)的構(gòu)造1、膠團(tuán)的形成向水溶液中加入表面活性劑，當(dāng)表面活性劑的濃度超過一定的數(shù)值時，表面活性劑就會在水相中形成膠體或微膠團(tuán)，它是表面活性劑的聚集體。第七頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成將表面活性劑溶于水中，當(dāng)其濃度超過臨界膠束濃度(CMC)時，表面活性劑就會在水溶液中聚集在一起而形成聚集體，在通常情況下，這種聚集體是水溶液中的膠束，稱為正常膠束(normalmicelle)。第八頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成在膠束中，表面活性劑的排列方向是極性基團(tuán)在外，與水接觸，非極性基團(tuán)在內(nèi)，形成一個非極性的核心、在此核心可以溶解非極性物質(zhì)。第九頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成2、反膠團(tuán)的形成當(dāng)向非極性溶劑中加入表面活性劑時，如表面活性劑的濃度超過一定的數(shù)值時，也會在非極性溶劑內(nèi)形成表面活性劑的聚集體。第十頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

與在水相中不同的是，非極性溶劑內(nèi)形成的表面活性劑聚集體，其疏水性的非極性尾部向外，指向非極性溶劑，而極性頭向內(nèi)，與在水相中形成的微膠團(tuán)方向相反，因而稱之為反膠團(tuán)或反向膠團(tuán)第十一頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第十二頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

圖8-1是幾種可能的表面活性劑聚集體的微觀構(gòu)造。在反膠團(tuán)中有一個極性核心，。它包括由表面活性劑極性端組成的內(nèi)表面、平衡離子和水。此極性核具有溶解極性物質(zhì)的能力，極性核溶解水后，就形成了“水池”(waterpool)。第十三頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

這個“水池”具有極性，可以溶解具有極性的分子和親水性的生物大分子，而極性分子和/或親水性的生物大分子也因此可“溶解”在非極性的有機(jī)溶劑中。第十四頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成如蛋白質(zhì)及其他親水物質(zhì)能夠通過螯合作用進(jìn)入此“水池”。由于周圍水層和極性基團(tuán)的保護(hù)，保持了蛋白質(zhì)的天然構(gòu)型，不會造成失活。第十五頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成二、表面活性劑表面活性劑的存在是構(gòu)成反膠團(tuán)的必要條件。1、表面活性劑的組成表面活性劑是由親水憎油的極性基團(tuán)和親油憎水的非極性基團(tuán)兩部分組成的兩性分子。第十六頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成2、表面活性劑的種類（1）陰離子表面活性劑；（2）陽離子表面活性劑；（3）非離子型表面活性劑。它們都可用于形成反膠束。第十七頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成3、常見表面活性劑

AOT、CTAB(溴代十六烷基三甲銨)、TOMAC(氯化三辛基甲銨)、PTEA(磷脂酰乙醇胺)，其中以AOT最為常用。而常用于反膠團(tuán)萃取系統(tǒng)的非極性有機(jī)溶劑有環(huán)己烷、庚烷、辛烷、異辛烷、己醇、硅油等。第十八頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成（1）陰離子型在反膠束萃取蛋白質(zhì)的研究中，用得最多的是陰離子表面活性劑AOT(AerosolOT)，其化學(xué)名為丁二酸－2－乙基己基磺酸鈉，結(jié)構(gòu)式見圖。第十九頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成第二十頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成這種表面活性劑容易獲得，其特點(diǎn)是具有雙鏈，極性基團(tuán)較小、形成反膠束時不需加助表面活性劑，并且所形成的反膠束較大，半徑為170nm，有利于大分子蛋白質(zhì)進(jìn)入。第二十一頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成（2）陽離子型①CTAB(cetyl-methyl-ammoniumbromide)溴化十六烷基三甲胺/十六烷基三甲基胺溴第二十二頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成②DDAB(didodecyldimethylammoniumbromide)溴化十二烷基二甲銨第二十三頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成③TOMAC(triomethyl-ammoniumchloride)氯化三辛基甲銨第二十四頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成將陽離子表面活性劑如CTAB溶于有機(jī)溶劑形成反膠束時，與AOT不同，還需加入一定量的助溶劑(助表面活性劑)。這是因?yàn)樗鼈冊诮Y(jié)構(gòu)上的差異造成的。第二十五頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成二、反膠團(tuán)的物理化學(xué)特性及制備1．反膠團(tuán)的物理化學(xué)特性反膠團(tuán)的大小與很多因素有關(guān)，如表面活性劑和非極性有機(jī)溶劑的種類、濃度；操作時體系的溫度、壓力；微小水池中的離子強(qiáng)度等等。第二十六頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

有機(jī)溶劑相中的反膠團(tuán)一般比水相中微膠團(tuán)的空間尺寸小得多，通常為球形，有些情況下也可能成為橢球形或棒形。第二十七頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

(1)反膠團(tuán)的臨界膠團(tuán)濃度將表面活性劑在非極性有機(jī)溶劑相中能形成反膠團(tuán)的最小濃度稱為臨界膠團(tuán)濃度(CriticalMicelleConcentration，有時簡稱CMC)，第二十八頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成這是體系特性，與表面活性劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)、溶劑、溫度和壓力等因素有關(guān)。

在有機(jī)溶劑中反膠團(tuán)的表面活性劑分子締合數(shù)，與水溶液系統(tǒng)相比要小，而且疏水性的碳鏈越長締合數(shù)越小。第二十九頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

CMC的數(shù)值可通過測定各種物理性質(zhì)的突變(如表面張力、滲透壓等)來確定。由于實(shí)驗(yàn)方法不同，所得的CMC值往往難于完全一致，但是突變點(diǎn)總是落在一個很窄的濃度范圍內(nèi)，故用CMC范圍來表示更為方便。第三十頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

反膠團(tuán)不能理解為一成不變的剛性球，它的生成或解體、締合數(shù)增大或減小以及各反膠團(tuán)之間的相互作用速度很快，即反膠團(tuán)的構(gòu)成分子間能發(fā)生重組現(xiàn)象，其過渡時間很短，最大也僅為10-5s。第三十一頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

(2)反膠團(tuán)含水率W

反膠團(tuán)的大小以及反膠團(tuán)內(nèi)微水相的物理化學(xué)性質(zhì)因反膠團(tuán)含水率W的不同而差別很大。W用水和表面活性劑的濃度之比來定義，即：第三十二頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成如表面活性劑是AOT，則：W是個非常重要的參數(shù)，W越大，反膠團(tuán)的半徑越大?！八亍痹酱?，“水池”大小與溶劑和表面活性劑的種類與濃度、溫度、離子強(qiáng)度等因素有關(guān)，一般為5－20nm，其內(nèi)水池的直徑d用下式計(jì)算。第三十三頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

W含水率（watercontent）;M，ρ分別為水的相對分子質(zhì)量和密度;αsurf

界面處一個表面活性劑分子的面積;N阿佛加德羅常數(shù)

AOT在異辛烷中形成的反膠團(tuán)直徑(d)可用下述經(jīng)驗(yàn)式推算

d=0.3W+0.24(nm)d=6WMαsurfNρ第三十四頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

反膠團(tuán)“水池”中的水與普通的水在性質(zhì)上是有差異的。當(dāng)W<6-8時，微水相中的水分子被表面活性劑親水性基團(tuán)強(qiáng)烈地束縛，其表觀粘度可增大到普通水粘度的50倍，且疏水性非常強(qiáng)。第三十五頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

其冰點(diǎn)通常低于0℃。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這一部分水實(shí)際上起著使表面活性劑的親水性基團(tuán)水合化的作用。因?yàn)檫@一部分水被牢固地束縛著，所以粘度很大，流動性很差。第三十六頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

在AOT反膠團(tuán)中，水合化一分子AOT需要6-8個水分子，而其他水分子則不受束縛，可與普通水一樣自由流動，所以當(dāng)W>16時，“水池”中的水逐漸接近主體水相粘度，膠團(tuán)內(nèi)也形成二重電荷層第三十七頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成但即使當(dāng)W值很大時，水池內(nèi)水的理化性質(zhì)也不能與正常的水完全相同，特別是在接近表面活性劑親水頭的區(qū)域內(nèi)。見圖8-3。第三十八頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)分子與反膠團(tuán)直徑相比大得多時(例如，當(dāng)相對分子質(zhì)量超過100－200kD)，難于溶解到反膠團(tuán)中。當(dāng)反膠團(tuán)的含水率W較低時，反膠團(tuán)水池內(nèi)水的理化性質(zhì)與正常水相差懸殊。第三十九頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成第四十頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成2．反膠團(tuán)的制備制備反膠團(tuán)系統(tǒng)一般有以下三種方法：

(1)注入法將含有蛋白質(zhì)的水溶液直接注入到含有表面活性劑的非極性有機(jī)溶劑中去，然后進(jìn)行攪拌直到形成透明的溶液為止。這種方法的過程較快并可較好地控制反膠團(tuán)的平均直徑和含水量。第四十一頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

(2)相轉(zhuǎn)移法將酶或蛋白質(zhì)從主體水相轉(zhuǎn)移到含表面活性劑的非極性有機(jī)溶劑中形成反膠團(tuán)—蛋白質(zhì)溶液。第四十二頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

即將含蛋白質(zhì)的水相與含表面活性劑的有機(jī)相接觸，在緩慢的攪拌下，一部分蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入(萃入)有機(jī)相。此過程較慢，但最終的體系處于穩(wěn)定的熱力學(xué)平衡狀態(tài)，這種方法可在有機(jī)溶劑相中獲得較高的蛋白質(zhì)濃度。第四十三頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)反膠團(tuán)的形成

(3)溶解法對非水溶性蛋白質(zhì)可用該法。將含有反膠團(tuán)(W＝3-30)的有機(jī)溶液與蛋白質(zhì)固體粉末一起攪拌，使蛋白質(zhì)進(jìn)入反膠團(tuán)中，該法所需時間較長。含蛋白質(zhì)的反膠團(tuán)也是穩(wěn)定的，這也說明反膠團(tuán)“水池”中的水與普通水的性質(zhì)是有區(qū)別的。

第四十四頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮一、反膠團(tuán)萃取原理

從宏觀上看反膠團(tuán)萃取，是有機(jī)相-水相間的分配萃取，和普通的液液萃取在操作上具有相同特征。微觀上，如圖8-4所示，是從主體水相向溶解于有機(jī)溶劑相中納米級的、均一且穩(wěn)定的、分散的反膠團(tuán)微水相中的分配萃取。第四十五頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第四十六頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮

其特點(diǎn)是萃取進(jìn)入有機(jī)相的生物大分子被表面活性分子所屏蔽，從而避免了與有機(jī)溶劑相直接接觸而引起的變性、失活。第四十七頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮

pH、離子強(qiáng)度、表面活性劑濃度等(如表8-1所示)因素會對反膠團(tuán)萃取產(chǎn)生影響。通過對它們的調(diào)整，對分離場(反膠團(tuán))-待分離物質(zhì)(生物大分子等)的相互作用加以控制，能實(shí)現(xiàn)對目的物質(zhì)高選擇性的萃取和反萃取。第四十八頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第四十九頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮

另外，因有機(jī)相內(nèi)反膠團(tuán)中微水相體積最多僅占有機(jī)相的幾個百分點(diǎn)，所以它同時也是一個濃縮操作。如后所述，只要直接添加鹽類，就可能從已和主體水相分開的有機(jī)相中分離出含有目的物的濃稠水溶液，操作上非常簡單。第五十頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮1、三元相圖及萃取蛋白質(zhì)對一個由水、表面活性劑和非極性有機(jī)溶劑構(gòu)成的三元系統(tǒng)，存在有多種共存相，可用三元相圖表示，圖是水－AOT－異辛烷系統(tǒng)的相圖示例。第五十一頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮水－AOT－異辛烷系統(tǒng)相圖反膠束萃取蛋白質(zhì)的示意團(tuán)第五十二頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮從圖中可知，能用于蛋白質(zhì)分離的僅是位于底部的兩相區(qū)，在此區(qū)內(nèi)的三元混合物分為平衡的兩相：一相是含有極少量有機(jī)溶劑和表面活性劑的水相；一相是作為萃取劑的反膠束溶液。第五十三頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮這共存的兩相組成，用系線(圖中虛線)相連。這一體系的物理化學(xué)性質(zhì)非常適合于萃取操作，因?yàn)榻缑鎻埩υ?.1－2mN/m范圍內(nèi)，密度差為10％-20％，反膠束溶液粘度適中，大約為1mPa·s這一數(shù)量級。第五十四頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮

蛋白質(zhì)進(jìn)入反膠束溶液是一種協(xié)同過程，即在宏觀兩相(有機(jī)相和水相)界面間的表面活性劑層，同鄰近的蛋白質(zhì)發(fā)生靜電作用而變形，接著在兩相界面形成了包含有蛋白質(zhì)的反膠束，此反膠束擴(kuò)散進(jìn)入有機(jī)相中，從而實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的萃取第五十五頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮2、蛋白質(zhì)溶入反膠束溶液的推動力與分配特性（1）推動力蛋白質(zhì)溶入反膠束溶液的推動力主要包括表面活性劑與蛋白質(zhì)的靜電作用力和位阻效應(yīng)。第五十六頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮①靜電作用力：在反膠束萃取體系中，表面活性劑與蛋白質(zhì)都是帶電的分子，因此靜電相互作用肯定是萃取過程中的一種推動力。第五十七頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四其中一個最直接的因素是pH值，它決定了蛋白質(zhì)帶電基團(tuán)的離解速率及蛋白質(zhì)的凈電荷。當(dāng)pH＝pI時，蛋白質(zhì)呈電中性；pH＜pI時，蛋白質(zhì)帶正電荷；pH＞pI時，蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第五十八頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四

即隨著pH的改變，被萃取蛋白質(zhì)所帶電荷的符號和多少是不同的。因此，如果靜電作用是蛋白質(zhì)增溶過程的主要推動力，對于陽離子表面活性劑形成的反膠束體系，萃取只發(fā)生在水溶液的pH＞pI時，此時蛋白質(zhì)與表面活性劑極性頭間相互吸引，而pH＜pI時，靜電排斥將抑制蛋白質(zhì)的萃取；第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第五十九頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四對于陰離子表面活性劑形成的反膠束體系，情況正好相反。此外，離子型表面活性劑的反離子并不都固定在反膠束表面。改變水相條件(如pH值和離子種類及其強(qiáng)度等)又可使蛋白質(zhì)由有機(jī)相重新返回水相實(shí)現(xiàn)反萃取過程。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第六十頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四

②位阻效應(yīng)許多親水性物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸及氨基酸等，都可以通過溶入反膠束“水池”來達(dá)到它們?nèi)苡诜撬軇┲械哪康?。第三?jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第六十一頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四但是反膠束“水池”的物理性(大小、形狀等)及其中水的活度是可以用W的變化來調(diào)節(jié)的，并且會影響大分子如蛋白質(zhì)的增溶或排斥，達(dá)到選擇性萃取的目的，這就是所謂的位阻效應(yīng)。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第六十二頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四（2）反膠束萃取中蛋白質(zhì)的分配特性蛋白質(zhì)在兩相間的分配系數(shù)第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第六十三頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四反膠束濃度[M]與表面活性劑濃度[Ssurf]的關(guān)系為[M]=[Ssurf]/N(N為聚焦數(shù))第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第六十四頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四

3、反膠束萃取蛋白質(zhì)的動力學(xué)研究萃取和反萃取過程的動力學(xué)可為人們提供界面作用機(jī)制，從蛋白質(zhì)在兩相間的擴(kuò)散動力學(xué)，可找到萃取過程的控制步驟，對合理設(shè)計(jì)萃取系統(tǒng)和裝置具有理論指導(dǎo)意義。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第六十五頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四（1）傳遞步驟①萃取過程蛋白質(zhì)在互不相溶的兩相間的傳遞可分為三步：蛋白質(zhì)從水溶液主體擴(kuò)散到界面；在界面形成包容蛋白質(zhì)的反膠束；含有蛋白質(zhì)的反膠束在有機(jī)相中擴(kuò)散離開界面。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第六十六頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四②反萃取過程反萃過程同樣有三步：含有蛋白質(zhì)的反膠束從有機(jī)相主體擴(kuò)散到界面；包容蛋白質(zhì)的反膠束在界面崩裂；蛋白質(zhì)從界面擴(kuò)散到水溶液主體。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第六十七頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四（2）動力學(xué)方程蛋白質(zhì)進(jìn)入或離開反膠束相的傳遞通量可用下式計(jì)算：萃取過程反萃取過程第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第六十八頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四式中Kf、Kr分別為萃取及反萃取過程的表觀傳質(zhì)系數(shù)；Cw、C0分別為水相和有機(jī)相中蛋白質(zhì)濃度；m為萃取的分配系數(shù)；m’為反萃取的分配系數(shù)；t為時間?？梢酝ㄟ^實(shí)驗(yàn)求得傳質(zhì)系數(shù)，從總傳質(zhì)系數(shù)和分傳質(zhì)系數(shù)的大小可以判斷過程控制的類型。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第六十九頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四（3）萃取和反萃取的過程控制三種類型：反應(yīng)(包括相內(nèi)反應(yīng)和界面反應(yīng))控制過程；擴(kuò)散(或傳質(zhì))控制過程；混合控制過程。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第七十頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四①萃取過程

速率是由擴(kuò)散傳輸機(jī)制控制的。

Dekker等在TOMAC反膠束萃取淀粉酶時，證實(shí)了萃取過程的速率決定于淀粉酶在水相邊界層的擴(kuò)散速度。蛋白質(zhì)的大小、所帶電荷種類和電荷密度對萃取的快慢有重大影響。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第七十一頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四在TOMAC/庚烷體系中萃取和反萃取苯丙氨酸的動力學(xué)特征時，通過對傳遞通量方程進(jìn)行非線性回歸分析計(jì)算，得到前萃取過程的界面反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)8000cm4/mol.min,誤差率1000%。表明界面反應(yīng)速度非?？?，萃取過程由擴(kuò)散控制。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第七十二頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四②反萃取過程

主要由界面反應(yīng)過程控制。增大離子強(qiáng)度，即增大了AOT反膠束的剛性和穩(wěn)定性，使界面作用過程變慢，反萃速率降低。這說明了萃取與反萃取的控制過程是不同的。由于界面作用過程較慢，一般反萃取平衡所需時間要比萃取過程長。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第七十三頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四二、反膠團(tuán)的溶解作用由于反膠團(tuán)內(nèi)存在微水池，故可溶解氨基酸、肽和蛋白質(zhì)等生物分子，為生物分子提供易于生存的親水微環(huán)境。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第七十四頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四關(guān)于反膠團(tuán)溶解蛋白質(zhì)的形式，有人提出了四種模型，如圖所示。

(a)為水殼模型，蛋白質(zhì)位于水池的中心，周圍存在的水層將其與反膠團(tuán)壁(表面活性劑)隔開；第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第七十五頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四(b)蛋白質(zhì)分子表面存在強(qiáng)烈疏水區(qū)域，該疏水區(qū)域直接與有機(jī)相接觸；(c)蛋白質(zhì)吸附于反膠團(tuán)內(nèi)壁；(d)蛋白質(zhì)的疏水區(qū)與幾個反膠團(tuán)的表面活性劑疏水尾發(fā)生相互作用，被幾個小反膠團(tuán)所“溶解”。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第七十六頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四bcda第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第七十七頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四表面性質(zhì)不同的蛋白質(zhì)可能以不同的形式溶解于反膠團(tuán)相，但對于親水性蛋白質(zhì)，目前普遍接受的是水殼模型。因?yàn)樵S多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均間接地證明了水殼模型的正確性。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第七十八頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四例如：

(1)反膠團(tuán)內(nèi)酶的結(jié)構(gòu)和活性與W值密切相關(guān)，說明酶對其周圍存在的水層非常敏感；

(2)反膠團(tuán)內(nèi)酶反應(yīng)動力學(xué)行為與在正常的水相中相似，活性與pH的關(guān)系同樣表現(xiàn)為鐘狀曲線。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第七十九頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四三、影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素

蛋白質(zhì)的萃取，與蛋白質(zhì)的表面電荷和反膠束內(nèi)表面電荷間的靜電作用，以及反膠束的大小有關(guān)。所以，任何可以增強(qiáng)這種靜電作用或?qū)е滦纬奢^大的反膠束的因素，都有助于蛋白質(zhì)的萃取。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第八十頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四只要通過對這些因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究，確定最佳操作條件，就可得到合適的目標(biāo)蛋白質(zhì)萃取率，從而達(dá)到分離純化的目的。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第八十一頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第八十二頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四1、水相pH值對萃取的影響水相的pH值決定了蛋白質(zhì)表面電荷的狀態(tài)、從而對萃取過程造成影響。只有當(dāng)反膠束內(nèi)表面電荷，也就是表面活性劑極性基團(tuán)所帶的電荷與蛋白質(zhì)表面電荷相反時，兩者產(chǎn)生靜電引力，蛋白質(zhì)才有可能進(jìn)入反膠束。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第八十三頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四

對于陽離子表面活性劑、溶液的pH值需高于蛋白質(zhì)的pI值，反膠束萃取才能進(jìn)行；對于陰離子表面活性劑，當(dāng)pH＞pI時，萃取率幾乎為零，當(dāng)pH＜pI時，萃取率急劇提高，這表明蛋白質(zhì)所帶的凈電荷與表面活性劑極性頭所帶電荷符號相反，兩者的靜電作用對萃取蛋白質(zhì)有利。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第八十四頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四如果pH值很低，在界面上會產(chǎn)生白色絮凝物，并且萃取率也降低．這種情況可認(rèn)為是蛋白質(zhì)變性之故。水相pH值對幾種相對分子質(zhì)量較小的蛋白質(zhì)的萃取影響見圖。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第八十五頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四對不同相對分子質(zhì)量的蛋白質(zhì)，pH值對萃取率的影響有差異性，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)相對分子質(zhì)量增加時，只有增大(pH-pI)值的絕對值，相轉(zhuǎn)移才能順利完成。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第八十六頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四

如α-糜蛋白酶(相對分子質(zhì)量為25000)的萃取率在pH值低于pI值2-4時達(dá)到最高，而牛血清蛋白(相對分子質(zhì)量為68000)在相同的系統(tǒng)中根本不發(fā)生相轉(zhuǎn)移。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第八十七頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四這種差異性可解釋為：對于包含大蛋白分子的反膠束，其尺寸遠(yuǎn)大于“空核”的反膠束，萃取時勢必要消耗較多的能量，這些能量只能通過較強(qiáng)的靜電相互作用得到補(bǔ)償。用調(diào)節(jié)pH的作用來增加蛋白質(zhì)分子表面電荷的方法，正是達(dá)到增強(qiáng)靜電作用的一條途徑。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第八十八頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四

對那些尺寸小于“空核”的反膠束中水體積的蛋白質(zhì)，只要其所攜帶的凈電荷與表面活性劑電性相反，萃取就能發(fā)生。蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量Mr與(pH-pI)絕對值呈線性關(guān)系,這種關(guān)系，對陰離子及陽離子表面活性劑所形成的反膠束體系同樣適用。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第八十九頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四2、離子強(qiáng)度對萃取率的影響

離子強(qiáng)度對萃取率的影響主要是由離子對表面電荷的屏蔽作用所決定的：

a.離子強(qiáng)度增大后，反膠束內(nèi)表面的雙電層變薄，減弱了蛋白質(zhì)與反膠束內(nèi)表面之間的靜電吸引，從而減少蛋白質(zhì)的溶解度；第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第九十頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四

b.反膠束內(nèi)表面的雙電層變薄后，也減弱了表面活性劑極性基團(tuán)之間的斥力，使反膠束變小，從而使蛋白質(zhì)不能進(jìn)入其中；

c.離子強(qiáng)度增加時，增大了離子向反膠束內(nèi)“水池”的遷移并取代其中蛋白質(zhì)的傾向，使蛋白質(zhì)從反膠束內(nèi)被鹽析出來；第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第九十一頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四

d.鹽與蛋白質(zhì)或表面活性劑的相互作用，可以改變?nèi)芙庑阅埽}的濃度越高，其影響就越大。如離子強(qiáng)(KCl濃度)對萃取核糖酸酶a,細(xì)胞色素c和溶菌酶的影響見圖,由圖可見，在較低的KCl濃度下，蛋白質(zhì)幾乎全部被萃取，當(dāng)KCl濃度高于一定值時,萃取率就開始下降，直至幾乎為零。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第九十二頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第九十三頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四3、表面活性劑類型的影響:

前面已經(jīng)提到陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑和非離子表面活性劑都可用于形成反膠束。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第九十四頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四關(guān)鍵是應(yīng)從反膠束萃取蛋白質(zhì)的機(jī)理出發(fā)，選用有利于增強(qiáng)蛋白質(zhì)表面電荷與反膠束內(nèi)表面電荷間的靜電作用和增加反膠束大小的表面活性劑。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第九十五頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四

還應(yīng)考慮形成反膠束及使反膠束變大(由于蛋白質(zhì)的進(jìn)入)所需的能量的大小、反膠束內(nèi)表面的電荷密度等因素，這些都會對萃取產(chǎn)生影響第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第九十六頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四4、表面活性劑濃度的影響增大表面活性劑的濃度可增加反膠束的數(shù)量，從而增大對蛋白質(zhì)的溶解能力。但表面活性劑濃度過高時，有可能在溶液中形成比較復(fù)雜的聚集體，同時會增加反萃取過程的難度。因此，應(yīng)選擇蛋白質(zhì)萃取率最大時的表面活性劑濃度為最佳濃度。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第九十七頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四

總結(jié)反膠束體系對核糖核酸酶a與伴刀豆球蛋白進(jìn)行萃取的結(jié)果，得到了分配系數(shù)K同表面活性劑濃度[S]以及pH值的關(guān)系式：

1nK＝A十B*pH十(C十D*pH)ln[S]

式中系數(shù)A、B、C、D取決于蛋白質(zhì)的性質(zhì)，可通過實(shí)驗(yàn)測定。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第九十八頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四5、離子種類對萃取的影響陽離子的種類對萃取率的影響主要體現(xiàn)在改變反膠束內(nèi)表面的電荷密度上。通常反膠束中表面活性劑的極性基團(tuán)不是完全電離的，有很大一部分陽離子仍在膠團(tuán)的內(nèi)表面上(相反離子締合)。極性基團(tuán)的電離程度愈大，反膠束內(nèi)表面的電荷密度愈大，產(chǎn)生的反膠束也愈大。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第九十九頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四6、影響反膠束結(jié)構(gòu)的其他因素（1）有機(jī)溶劑的影響:

有機(jī)溶劑的種類影響反膠束的大小，從而影響水增溶的能力，所以可以利用因溶劑作用引起的不同膠束結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)選擇性增溶生物分子的目的，如α-胰凝乳蛋白酶隨溶劑的不同在反膠束中增溶的比率會出現(xiàn)顯著的差別。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第一百頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四（2）助表面活性劑的影響:

當(dāng)使用陽離子表面活性劑時，引入助表面活性劑，能夠增進(jìn)有機(jī)相的溶解容量，這多半是由于膠束尺寸增加而產(chǎn)生的。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第一百零一頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四（3）溫度的影響:

溫度的變化對反膠束系統(tǒng)中的物理化學(xué)性質(zhì)有激烈的影響，增加溫度能夠增加蛋白質(zhì)在有機(jī)相的溶解度，例如增加溫度可使α-胰凝乳蛋白酶進(jìn)入NH4-氯仿相并在轉(zhuǎn)移率上分別增加50％。第三節(jié)生理活性物質(zhì)的分離濃縮第一百零二頁，共一百一十四頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)在分離工藝中的應(yīng)用

利用圖8-8和圖8-9的靜電相互作用，通過三步分離操作(圖8-13)，分離了核糖核酸酶a，細(xì)胞色素c和溶菌酶。調(diào)整pH，進(jìn)行正萃取分離，通過控制KCl濃度，反萃取分離，能獲得較好的分離效果和收率。通過立體性相互作用(圖8-12)和靜電相互作用的組合，三步能分離溶菌酶、α-胰凝乳蛋白酶和BSA