第２１卷第４期
２０１１年８月 广东石油化工学院学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０Ｉ．２ｌ Ｎｏ．４
Ａｕｇ．２０１１
双水相萃取在生物技术中的应用
范芳
（广东石油化工学院化学与生命科学学院，广东茂名５２５０００）
摘要：双水相萃取技术是一项新的分离技术，因其具有独有的特点，应用越来越广泛，在生物技术领域中的应用最为普遍。 主要介绍了双水相的种类及应用特点，展示了近三年来双水相萃取技术在生物技术中的应用，最后探讨了双水相萃取技术 的应用前景。 关键词：双水相萃取；生物技术；应用 中图分类号：Ｑ８１９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—６５９０（２０１１）０４—１３０２０—０４
０ 引言
在１８９６年，Ｂｅｉｊｅｒｏｎｃｋ将琼脂水溶液与可溶性淀粉或明胶水溶液混合，形成了互不相容的两相，从而双水
相萃取技术诞生。但双水相萃取技术真正应用是在２０世纪６０年代，１９５６年瑞典伦德大学的Ａｌｂｅｒｔｓｓｏｎ成功
地利用双水相体系分离叶绿素，这解决了蛋白质变性和沉淀的问题 。１９７９年德国Ｋｕｌａ等人将双水相萃取
分离技术应用于生物酶的分离，为以后双水相在应用生物蛋白质、酶分离纯化奠定了基础 。迄今，双水相
萃取技术成功应用于生物技术、药物提取、金属离子分离等方面，而在生物技术中的应用最为普遍。
１双水相的种类
双水相萃取中使用的双水相是由两种互补相容的高分子溶液或者互补相容的盐溶液和高分子溶液组
成。而最常见的就是聚乙二醇（ＰＥＧ）／葡聚糖（Ｄｅｘｔｒａｎ）和ＰＥＧ／无机盐（硫酸盐、磷酸盐等）体系。其它类型
如表１所示： 表１ 常见双水相萃取溶液体系的类型ｂ
除了表１所示外，还有被称为智能聚合物的双水相体系。智能聚合物又称刺激一响应型聚合物（ｓｔｉｍ． ｕｌｕｓ—ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ ｐ０１）砌ｅｒｓ）或环境敏感聚合物（ｅｎｖｉｍ砌ｅｎ—ｔａｌｌｙ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）…。智能聚合物是一种功能高分
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高等分离工程课程论文
双水相萃取技术的发展与应用 随着基因工程、蛋白质工程、细胞培养工程、代谢工程等高新生物技术研究工作的广泛展开，各种生化新产品不断涌现，对生化分离技术也提出了越来越高的要求。但由于大部分的生物产品原液是具有低浓度和生物活性的，对分离条件以及环境要求及其苛刻，使得传统的液液萃取已不能适应分离要求，因此一种新型的液液分离技术-双水相萃取技术应运而生，双水相萃取技术是利用组分在两水相间分配的差异而进行组分的分离提纯的技术。由于双水相萃取分离过程条件温和、可调节因素多、易于放大和操作，并可借助传统溶剂萃取的相关理论和经验，不存在有机溶剂残留问题，特别适用于生物物质的分离和提纯。目前，双水相萃取技术已被广泛地应用于医药化学、细胞生物学、生物化工和食品工业等领域，被认为是生物工程中一种具有广阔应用前景的分离技术，在电化学生物传感器中生物活性分子的制备中至关重要。
1 双水相萃取的基本要点
1.1 双水相萃取的原理
双水相萃取是依据物质在两相间的选择性分配，但萃取体系的性质不同。当物质进入双水相体系后，由于表面性质、电荷作用和各种力(如憎水键、氢键和离子键等)的存在和环境的影响，使其在上、下相中的浓度不同。 对于某一物质， 2 只要选择合适的双水相体系，控制一定的条件，就可以得到合适的分配系数，从而达到分离纯化之目的。
将两种不同的水溶性聚合物的水溶液混合时，当聚合物浓度达到一定值，体系会自然的分成互不相溶的两相，这就是双水相体系。双水相体系的形成主要是由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物分子的空间阻碍作用，相互无法渗透，不
能形成均一相，从而具有分离倾向，在一定条件下即可分为二相。一般认为只要两聚合物水溶液的憎水程度有所差异，混合时就可发生相分离，且憎水程度相差越大，相分离的倾向也就越大。
1.2 双水相的种类
双水相萃取中使用的双水相是由两种互不相溶的高分子溶液或者互不相溶的盐溶液和高分子溶液组成。最常见的就是聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dextran)和PEG/无机盐(硫酸盐、磷酸盐等)体系,其次是聚合物/低分子量组分、离子液体体系和高分子电解质/高分子表面活性剂体系。此外,还有被称为智能聚合物的双水相体系,智能聚合物又称刺激-响应型聚合物(Stimulus-responsive polymers)或环境敏感聚合物(Environmentally-sensitive polymers)。智能聚合物是一种功能高分子材料,当外界环境(如温度、pH值、离子强度、外加试剂、光、电场或磁场等)发生微小变化时,聚合物分子的微观结构会发生快速、可逆的转变,使其从亲水性变为疏水性。智能聚合物的双水相体系有:温度敏感型双水相体系、酸度敏感型双水相体系、光响应型双水相体系、亲和功能双水相体系。
综 述食品工业科技Vol.28,No.10,2007
2007年第10期235 双水相萃取技术的研究进展及应用江 咏,李晓玺,李 琳,胡松青(华南理工大学轻工与食品学院,广东广州510640) 摘 要:介绍了双水相萃取技术(ATPE)的应用现状,综述了近年来双水相萃取技术的相关研究进展。针对双水相系统(ATPS)的经济适用性问题,对新型ATPS相组成材料的研究取得了极大的发展;为了提高双水相萃取技术的选择性和分离效率,在组成传统ATPS的聚合物上偶联亲和配基的亲和ATPS也得到关注;双水相萃取技术的发展趋势还体现在与其他生物分离技术的结合以及萃取机理和热力学模型的优化上。 关键词:双水相萃取,蛋白质,分离纯化 Abstrac:tTheapplicationsoftheaqueoustwo-phaseextraction(ATPE)intheseyearsweresummarized,andtheadvancesontheresearchofATPEwerereviewed1Thenovelaqueoustwo-phasesystemsweredevelopedbyusingthecheaperphaseformingpolymer1Inordertomiprovetheselectivityandseparationefficiency,theaffinityextractionusingaqueoustwo-phasesystems(ATPS)whichlinksaffinityligandtopolymerintraditionalATPSgotprogressed1TheintegrationwithrelatedtechniqueswasalsothedevelopmentdirectionofATPE,whichovercamesomeshortcomingsinsingleATPE1AlthoughtheapplicationoftheextractionequipmentsandcontinuousoperationtechniqueinATPEindicatedthattheindustrializationsofAPTEweregrowingup,establishingthethermodynamicmodelsandtheoriesaboutthepartitioningofsoluteinATPSneedtobeoptmiized1 Keywords:aqueoustwo-phaseextraction;protein;separationandpurification 中图分类号:TS20111 文献标识码:A 文章编号:1002-0306(2007)10-0235-04收稿日期:2007-03-27作者简介:江咏(1984-),男,硕士研究生。基金项目:国家自然科学基金重点项目(20436020)和广东省自然科学基金团队项目(05200617)资助。分离纯化出高纯度有生物活性的蛋白质一直是项艰巨的工作。由于蛋白质的市场价格昂贵,提高回收率能带来巨大的经济效益,所以有关蛋白质在分离纯化中的失活及其对策在近年来受到很大的关注。双水相萃取是通过溶质在两水相之间分配系数的差异而进行萃取的技术,其应用于蛋白质的分离纯化具有以下优势:体系含水量高,可达80%以上,萃取环境和操作条件温和,蛋白质在其中不易失活;界面张力远远低于水-有机溶剂两相体系的界面张力,有助于强化相际间的质量传递;易于按比例放大和进行连续性操作等[1]。正是由于双水相萃取技术的诸多优势,现已被广泛用于蛋白质的分离纯化,取得了很好的成效。近年来,双水相萃取技术的分离对象进一步扩大,已包括了多肽、氨基酸、植物有效成分、重金属离子和抗生素等。1 双水相萃取技术在生物分离工程中的应用1956年,瑞典Lund大学学者Albertson首次利用双水相萃取技术分离生物分子,开始对ATPS进行比较系统的研究,测定了许多ATPS的相图,考察了蛋白质、核酸、病毒、细胞及细胞颗粒在ATPS中的分配行为,为发展双水相萃取技术奠定了坚实的基础[2]。20世纪70年代以后,Hustedt、Kula和Johansson等人将双水相萃取技术应用于生物产品分离,他们从工艺流程、操作参数、成本分析等方面对双水相萃取技术的工业应用进行了分析和尝试[3]。自20世纪80年代初期起,双水相萃取技术开始应用于工业生产,国内也开展了相关研究[1,4]。表1为近年来双水相萃取技术在生物分离工程中的部分应用实例。2 双水相萃取技术的发展趋势211 新型双水相成相材料的开发在生物分离工程中常用的ATPS有两类:非离子型聚合物/非离子型聚合物/水系统和非离子型聚合物/无机盐/水系统。在实际应用中,这两类ATPS各有优缺点:前者体系对生物活性物质变性作用低、界面吸附少,但是所用的聚合物(如葡聚糖)成本较高,而且体系黏度大,在工业化大规模生产时从经济角度丧失了该系统的优势;后者成本相对低,黏度小,但是由于高浓度的盐废水不能直接排入生物氧化池,使其可行性受到环保限制,且有些对盐敏感的生物物质会在这类体系中失活。因此,研究成相材料、建立新型ATPS
介绍你所知道的新型分离技术。
双水相萃取：
双水相萃取是两种水溶性不同的聚合物或者一种聚合物和无机盐的混合溶液,在一的浓度下, 体系就会自然分成互不相容的两相。被分离物质进入双水相体系后由于表面性质电荷间作用和各种作用力(如憎水键、氢键和离子键)等因素的影响,
在两相间的分配系数K 同, 导致其在上下相的浓度不同, 达到分离目的。现在双水相萃取已被广泛用于蛋白质、酶、核酸、病毒、细胞、细胞器等生物产品的分离和纯化，并逐步向工业化生产迈进，展现了在食品工业、生物学研究和生物工程方面的巨大应用前景，将有力推动生物技术的发展。
利用聚乙二醇( PEG ) /磷酸盐双水相体系提取天然发酵物中的碱性木聚糖酶,
确定最佳体系是22% PEG6000, 10% K2HPO4和12% NaCl活性酶的产率可达98% 。除此以外,在近几年的报道中双水相萃取已用于多种蛋白质和生物酶的分离, 如牛血清蛋白( BSA )、牛酪蛋白、- 乳球蛋白、血清蛋白; - 淀粉酶和蛋白酶、胆固醇氧化酶、脂肪酶、磷酸甘油酸激酶( PGK )和磷酸甘油醛脱氢酶( GAPDH )、葡糖淀粉酶、L- 天门冬酰胺酶等都在双水相体系中得到较好的分离。- 内酰胺类包括青霉素和头孢菌素, 是应用广泛的抗生素药物; 大环内酯类抗生素如:
红霉素和乙酰螺旋霉素都利用ATPE 技术得到了较好的收率; 在多肽类抗生素中,
用双水相体系对万古霉素的提取也得到了满意的结果。
双水相萃取技术的特点
ATPE 作为一种新型的分离技术, 对生物物质、天然产物、抗生素等的提取、纯化表现出以下优势:
(1)含水量高( 70% -90% ), 在接近生理环境的体系中进行萃取, 不会引起生物活性物质失活或变性;
(2)可以直接从含有菌体的发酵液和培养液中提取所需的蛋白质, 还能不经过破碎直接提取细胞内酶, 省略了破碎或过滤等步骤;
(3)分相时间短, 自然分相时间一般为5 m in -15 m in;
