双水相的萃取原理及应用

双水相萃取的原理及应用

1. 引言

双水相萃取是一种常用的分离和提取技术，它利用两种不相溶的溶剂，即水相和有机相，在液-液界面上进行分相和萃取。该技术具有高效、简便、环保等特点，被广泛应用于化学、生物、环境等领域。本文将介绍双水相萃取的原理和一些常见的应用。

2. 双水相萃取的原理

双水相萃取的原理基于不同溶剂之间的亲疏水性差异，以及化合物在两种溶剂中的分配系数。在水相和有机相的界面上，亲水性较强的化合物会向水相转移，而亲水性较弱的化合物则会向有机相转移。这样，在两相之间可实现化合物的分离和富集。

3. 双水相萃取的步骤

双水相萃取通常包括以下几个步骤：

• 第一步：选择合适的水相和有机相溶剂。一般情况下，水相为水，有机相为有机溶剂如乙醚、丙酮等；

• 第二步：将待提取物溶解在适量的水相溶液中，并加入适量的有机相溶液；

• 第三步：进行充分摇匀和混合，使两相形成均匀混合体；

• 第四步：静置一段时间，使两相分离，从而形成上下两层液相；

• 第五步：将两相分离，分别收集上下相中的物质。

4. 双水相萃取的应用

4.1. 生物化学

• 蛋白质分离纯化：双水相萃取可用于蛋白质的富集和纯化，对于分子量较大的蛋白质特别有效；

• 酶的富集：通过双水相萃取，可以有效地从复杂的酶混合物中富集目标酶，提高其活性和纯度；

• 生物活性物质的提取：双水相萃取可用于提取天然产物中的生物活性物质，如草药提取液中的有效成分。

4.2. 环境科学

• 水样前处理：对于含有大量有机物的水样，双水相萃取能够有效地去除有机物，净化水质； • 环境污染物的富集：通过双水相萃取，可以将水中微量的有机污染物富集到有机相中，方便进一步分析和检测。

4.3. 化学合成

• 有机合成中的分离提取：在化学合成过程中，双水相萃取可用于分离和富集目标化合物，提高产率和纯度。

5. 结论

双水相萃取是一种高效、简便、环保的分离和提取技术，适用于多个领域。它的原理基于不同溶剂之间的亲疏水性差异，通过分配系数的差异实现化合物的分离和富集。在生物化学、环境科学和化学合成中都有广泛的应用。随着技术的不断发展，双水相萃取技术在实验室和工业中的应用前景将会更加广阔。

双水相萃取技术

早在1896年,Beijerinck发现,当明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉溶液相混时,得到一个混浊不透明的溶液,随之分为两相,上相富含明胶,下相富含琼脂(或淀粉,这种现象被称为聚合物的不相溶性(incompatibility,从而产生了双水相体系(Aqueous two

phase system,ATPS。

传统的双水相体系是指双高聚物双水相体系,其成相机理是由于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。可形成双水相体系的聚合物有很多,典型的聚合物双水相体系有聚乙二醇(polyethylene glycol,略作PEG/葡聚糖(dextran,聚丙二醇(polypropylene glycol/聚乙二醇和甲基纤维素(methylcellulose/葡聚糖等。另一类双水相体系是由聚合物/盐构成的。此类双水相体系一般采用聚乙二醇(polyethylene glycol作为其中一相成相物质,而盐相则多采用硫酸盐或者磷酸盐。

萃取原理

双水相萃取与水-有机相萃取的原理相似,都是依据物质在两相间的选择性分配。当萃取体系的性质不同时,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因素的影响,使其在上、下相中的浓度不同。物质在双水相体系中分配系数K可用下式表示:

K= C上/ C下

其中K为分配系数,C上和C下分别为被分离物质在上、下相的浓度。

分配系数K等于物质在两相的浓度比,由于各种物质的K值不同,可利用双水相萃取体系对物质进行分离。其分配情况服从分配定律,即,“在一定温度一定压强下,如果一个物质溶解在两个同时存在的互不相溶的液体里,达到平衡后,该物质在两相中浓度比等于常数”,分离效果由分配系数来表征。 由于溶质在双水相系统两相间的分配时至少有四类物质在两个不同相系统共存,要分配的物质和各相组分之间的相互作用是个复杂的现象,它涉及到氢键、电荷相互作用、范德华力、疏水性相互作用以及空间效应等,因此,可以预料到溶质在双水相系统中两相间的分配取决于许多因素,它既与构成双水相系统组成化合物的分子量和化学特性有关,也与要分配物质的大小、化学特性和生物特性相关。

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　

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