[科普中国]-反胶团萃取

简介

反胶团萃取（reversed micellar extraction）的研究始于20世纪70年代，是一种发展中的生物分离技术。反胶团萃取的本质仍是液-液有机溶剂萃取，但与一般有机溶剂萃取所不同的是，反胶团萃取利用表面活性剂在有机相中形成的反胶团（reversed micelles），从而在有机相内形成分散的亲水微环境，使生物分子在有机相（萃取相）内存在于反胶团的亲水微环境中，消除了生物分子，特别是蛋白质类生物活性物质难于溶解在有机相中或在有机相中发生不可逆变性的现象。反胶团萃取研究的历史较短，技术尚不成熟。

原理反胶团是表面活性剂分子在非极性溶剂中自发形成的聚集体。其中，表面活性剂分子的亲水基向内、非极性的疏水基朝外，形成球状的极性核，核内溶解一定数量的水后，形成了宏观上透明均一的热力学稳定的微乳状液，微观上恰似纳米级大小的微 型“水池”。这些“水池”可溶解某些蛋白质，使其与周围的有机溶剂隔离，从而避免蛋白质的失活。通过改变操作条件，又可使溶解于“水池”中的蛋白质转移到水相中，这样就实现了不同性质蛋白质间的分离或浓缩。胶团是表面活性剂分子在极性溶剂中形成的一种亲水基团朝外，而疏水基团朝内的具有非极性内核的多分子聚集体。与此相反，反胶团是表面活性剂分子在非极性溶剂如某些有机溶剂中形成的一种亲水基团朝内，而疏水基团朝外的具有极性内核的多分子聚集体。反胶团的内核可以不断溶解某些极性物质，而且还可以溶解一些原来不能溶解的物质，因此具有二次增溶作用 。

影响因素1、表面活性剂的种类和组成

在反胶团萃取过程中，通常希望所选择的表面活性剂能形成体积较大的反胶团，以利于萃取分子量大的蛋白质，且蛋白质与反胶团间的相互作用不应太强，以减少蛋白质的失活。常见的表面活性剂是AOT（丁二酸-二-2-乙基己酯磺酸钠）、TOMAC（三辛基甲基氯化氨）等离子型表面活性剂，这些表面活性剂易于形成较大的反胶团和易于相分离等优点，但对于分子量大于30000Da的蛋白质萃取效率较差，且酶在反胶团中的稳定性也不高。为此，人们尝试使用其他表面活性剂的可能。采用含磷酸基团的表面活性剂代替AOT，对几种蛋白进行萃取，发现AOT难以萃取的血红蛋白用此基团有较高的萃取率，并且所需的表面活性剂浓度较低。在反胶团中加入亲和配基，通过配基与蛋白质之间的特异性作用，可大大提高过程传质推动力，并提高萃取选择性。例如，向 AOT/异辛烷系统引入辛基-β-D-吡喃葡萄糖，可使伴刀豆球蛋白A的萃取选择性提高10倍，其萃取的pH范围也变宽。当向水相中加入自由配基时，萃取率会受到抑制。

2、离子强度

调节水相离子强度是实现蛋白质萃取/反萃循环的另一重要方法。一般认为，增大离子强度将减弱与反胶团内表面间的静电引力，使蛋白质的溶解度减小。另外，离子强度增大后，将减弱表面活性剂极性头间的排斥，导致反胶团变小，使蛋白质不能进入反胶团中。因此，在低离子强度下萃入反胶团相中的蛋白质，可以通过使其与另一离子强度较高的水相接触而发生反萃。由于蛋白质的性质不同，其在反胶团相中的溶解度达到最低时所对应的最小离子强度也不相同，利用这种差别，即可实现不同蛋白质间的分离和浓缩。特别是当几种蛋白质间的等电点差别不大时，这种方法尤为有效。

3、水相的pH

控制水相的pH是实现蛋白质的萃取/反萃循环的重要方法之一。pH对蛋白质萃取过程的影响主要体现在改变蛋白质的表面电荷上。以AOT/异辛烷形成的反胶团为例，在离子强度一定时，当pH大于蛋白质的等电点时，蛋白质表面带负电荷，反胶团内表面的净电荷为负，这样就因异性电荷相吸而使蛋白质由水相转入到反胶团相。通过调节水相的pH，使其小于蛋白质的等电点，就可以使蛋白质又从有机相转入水相，从而实现不同性质（不同等电点）蛋白质间的分离。一般说来，蛋白质的分子量越大，其在反胶团中达到最大溶解度时所对应的pH与其等电点的偏离也越大。值得注意的是，pH的改变不应过于剧烈，否则易引起蛋白质的变性 。忽略pH的测量，酶的离子基团受微环境的影响，其电离状态对底物的内部作用及产物抑制有重要影响。在反胶团溶液中酶保持活性的最适pH范围比水溶液中要宽。1

应用1、萃取蛋白质

反胶团萃取用于蛋白质分离的研究最多。应用此技术处理的蛋白质或其混合物包括α-淀粉酶、细胞色素C、核糖核酸酶、溶菌酶、α-胰凝乳蛋白酶、脂肪酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶和过氧化氢酶等。

（1）分离蛋白质混合物

分子质量相近的蛋白质，等电点（isoelectricpoint）或其他因素的不同会引起溶解度的差别，从而可利用反胶团溶液的选择性予以分离。已用AOT/异辛烷体系，实现了α-核糖核酸酶、细胞色素C和溶菌酶的分离，此体系还用于分离牛血清蛋白、α-胰蛋白酶等。

（2）浓缩α-淀粉酶

用混合-澄清槽萃取器将反胶团萃取和反萃取结合在一起，以TOMAC/异辛烷+非离子型表面活性剂Rewopal HV5为循环萃取剂，使α-淀粉酶的浓度提高了17倍，收率达85%。用十二烷基二甲基苄基氯化铵（DMBAC）/正庚烷体系萃取α-淀粉酶，单级萃取收率达78%，能实现连续操作。用Aliquat 336/异辛烷体系提纯α-淀粉酶，其活力回收率可达85%。

（3）提取胞内酶及胞外酶

已用 AOT/异辛烷体系，从发酵液中回收了碱性蛋白酶，酶的提取率可达50%。用CTAB/己醇-辛烷体系提取和纯化棕色固氮菌的胞内脱氢酶，完整的细胞在表面活性剂的作用下溶解，析出酶进入反胶团的“水池”中，再通过选取适当的反萃取方法，回收高浓度的活性酶。

2、在日化行业中的应用

反胶团萃取技术在日化行业中，可用于一些化妆品原料及功能性添加剂如植物油、氨基酸及维生素等的提取。

（1）从植物中同时提取油和蛋白质

用烃类有机溶剂提取植物种籽，如花生、大豆、葵花籽中的油时，残渣中含有质量分数为30%-50%的蛋白质。目前这些高营养物质的渣饼用作饲料，提高利用价值是一个有意义的课题。如用烃类为溶剂的反胶团溶液为提取剂，油被直接萃入到有机油，蛋白质溶入反胶团的“水池”中。先用水溶液反萃取得到蛋白质，冷却使表面活性剂沉淀分离，最后蒸馏将油与烃类分离。已用AOT/异辛烷体系同时萃取了花生油和花生蛋白。

（2）萃取氨基酸及维生素等功能性添加剂

氨基酸是一类具有广泛应用价值的生化产品，以往主要采用离子交换法和结晶沉淀法对含氨基酸的料液进行分离和浓缩，然而这种方法只能间歇生产。采用反胶团萃取可望对氨基酸的分离实现连续生产。已用二异辛基磷酸铵反胶团，在胱氨酸母液中萃取精氨酸和组氨酸，还用二（2-乙基己基）磷酸铵形成的反胶团来萃取赖氨酸。用Pluronic型和Pluronic R型两类嵌段聚醚反胶团萃取了L-苯丙氨酸和L-异亮氨酸，用AOT/正戊烷体系萃取水溶性维生素。利用超临界CO2/微乳（反胶团）萃取技术，还可以研究海星甾体活性成分在超临界CO2微乳多相体系中溶解平衡与萃取过程，建立甾体成分多技术集成的制备工艺，所制备的甾体物质可用作抗病毒药物、生物农药和消毒日用品的中间体。

（3）油脂的水解和合成

由于脂酶性质稳定，价格便宜，能够催化有工业价值的反应如低级、高级脂肪的转化，且脂肪酸和酯在反胶团中溶解性好，反胶团酶体系可广泛用于油脂的水解和合成。如有报道在AOT反胶团酶体系中合成了甘油酯、在反胶团酶体系中进行了橄榄油的催化水解。2