双水相萃取技术发展

双水相萃取技术发展

摘要：双水相萃取技术作为一项新的分离技术，与传统的萃取及其它分离技术相比具有操作条件温和、处理 量大、易于连续操作等优点。广泛应用于生物化学、细胞生物学、生物化工和食品化工等领域，并取得了许多成功的范例。因此双水相萃取技术日益受到重视。

关键字：双水相萃取、 双水相萃取技术原理

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。而达到分离目的。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。 连接双节线上的两点的直线称为系线，它由三点确定, 即M(初始混合物组成情况) 、T (上相组成情况) 、B (下相组成情况) ，其中T/B互为共扼相。系线越长，两相间的差别越大，当系线长度趋向零时，两相差别消失。系线上系统的总浓度不同，但均分成组成相同体积不同的两相，两相体积服从杠杆规则：ＶＴ／ＶＢ＝ＢＭ／ＭＴ

双水相萃取技术的形成及发展

早在1896年，Beijerinck 观察到，明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉溶液混合时，得到一种不透明的混合溶液，静置后可分为两相，上相中含有大部分的明胶， 下相中含有大部分琼脂( 或淀粉) ，这种现象被称为聚合物的不相容性，从而产生了双水相。例如将2．2％( 质量分数) 的葡聚糖水溶液0．72％的甲基纤维素的水溶液等体积混合静置后， 可以得到两个液层， 下层含有71．8％的葡聚糖，上层含有9 0．3％的甲基纤维素，两相的主要成分都是水。1955 年, 瑞典Lund 大学学者Albertson 首次利用 双水相技术来分离生物分子, 他将双水相

分配技术应用于色谱法从单细胞藻类中分离淀粉核, 此后他 和他的同事们做了大量有关双水相萃取技术的工 作, 主要研究了聚乙二醇( PEG) / 葡聚糖双水相系统 和PEG/ 无机盐系统在生物分离纯化中的应用。20世纪70年代以后，Hustedt 、Kula 和 Johan$son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”。自 20 世纪 80 年代中期以来, 各国学者开展了进一步的研究工 作, 各类用于计算生物物质在双水相系统分配系 数的模型也时有报道, 诸如 Baskir 晶体吸附模 型、Hayne 模型、Pitzer 模型、Gross-man 自 由体积模型等, 但结果均难以令人满意。1989 年, Diamond 等 以 Flory-Huggins 理论为基础, 用把相间电势表达为上下相浓度差的二次函数来 关联分配系数的方法, 提出了能对肽和蛋白质在 聚合物/ 聚合物/ 水体系的分配系数很好关联的 Diamond-Hsu 模型。近年来, 双水相萃取技术的 分离对象进一步扩大, 已包括了抗生素、多肽和氨基酸、重金属离子和植物有效成分 中的小分子物质。Pessoa 等通过引入对 聚合物水溶性和预分离物质( 氨基酸、肽、蛋白质) 的水化壳进行描述的因子得到了 Flory-Huggins 改进模型, 此模型很好地模拟了 73 种由 PEG/ Dex 组成的双水相体系的相平衡和分配系数。

双水相萃取技术的应用

1）、双水相萃取与生命科学

已成功应用于蛋白质、生物 酶、菌体、细胞、细胞器、亲水性生物大分子、氨基酸、抗生素以及生物小分子等的分离、纯化。特别是近年来, 国内外在此方面的研究有很大的进展。 例如 Mnica 等利用聚乙二醇 ( 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% NaC,l 活性酶的产率可达 98% 。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。

2）、双水相萃取与天然药物

目前, 活 性成分的提取分离技术还有待发展, 双水相萃取技术作为一种新型的萃取技术已经成功的应用于天然产物 的分离纯化。 近几年有关双水相提取天然药物中有效成分的报道也逐年增多。甘草的主要成分 甘草皂甙, 又称 甘草酸 (G lycyrrhizic acid), 采用乙醇 /磷酸氢二钾双水相体系萃取, 分配系数达到

12. 8, 回收率可达 98. 3% 。天然产物有效成分含量低, 难于富集, 体系复杂, 大分子与小分子、生命与非生命物质共存, 特别是存在 结构异构体等都使分离提纯工作的难度加大。ATPE 技术在天然产物的分离和纯化等方面还有待进一步 研究。

3）、双水相萃取与金属分离及络合物

双水相还可用于稀有金属／贵金属分离，传统的溶剂萃取方法存在着溶剂污染环境，对人体有害，运行成本高，工艺复杂等缺点。双水相技术萃取技术引到该领域 ，无疑是金属 分离的一种新技术，在聚乙二醇 2000／硫酸按 ／偶 氮胂(IlI)双水相体系中，实现了Ti(Ⅳ) 与 Zr(IV)的分离叼； 在聚乙二醇2000／硫酸钠 ／硫氰酸钾双水相体系中，实现了Co(Ⅱ) 、Ni(Ⅱ) 、Mo(Ⅵ) 等金属离子 的定量分离。在聚乙二醇／硫酸钠双水相体系中 ，实现了从碱性氰化液中萃取分离金。

4）、 双水相萃取与发酵工程

对于发酵液中成分比较复杂，目标产物含量低 ，而传统的分离纯化方法步骤繁琐 ，导致产品回收卒低，成本居高不下。日前国内外已经有利用双水相休系从发酵液萃取分离目标产物的报道和研究 ，并取得了一些成绩。Pan 等l 】利用PEG 1500／Nail2PO 体系从 Trichoderma koningii发酵液中分离纯化 I8一术糖苷酶，该酶主要分配在下相，下相酶活回收率 96．3，纯化倍数 33。

双水相萃取技术与其他生物分离技术的集成

双水相萃取技术与其他相关的生物分离技术进行有效组合，实现了不同技术间的相互渗透、相互融合，充分体现了集成化的优势，进一步提高分离效率 或解决各自存在的难点问题。双水相萃取与相关技术的集成可以归纳成为以下3个方面：a 、与温度诱导相分离、磁场作用、超声波作用、气溶胶技术等常规技术实现集成化，改善了双水相萃取技术中诸如成 相聚合物同收困难、相分离时间较长、易乳化等问题，为双水相苹取技术的进一步成熟、完善奠定了基础。b 、与色谱技术等新型生化分离技术实现过程集成，充分融合了双方的优势，既提高了分离效率，又简化了分离流程。c/将生物转化、化学渗透释放和电泳等技术引入双水相分配，给已有的技术赋予了新的内涵，为新分离过程的诞生提供了新的思路。

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