反胶束萃取及其应用
生化工程下游技术知识课件第八章反胶团萃取
反胶团萃取技术与其他分离技术的结合使用可以进一步提高分离效果和降低成本。
对生化工程的贡献
反胶团萃取技术的出现为生化工 程领域提供了一种新的分离纯化 手段，有助于提高产品的质量和
产量。
反胶团萃取技术可以应用于生物 医药、食品加工、环境保护等领 域，有助于推动相关产业的发展。
反胶团萃取技术还有助于促进生 化工程与其他学科的交叉融合，
反胶团萃取技术可用于细胞分离，根据细胞的不同性质实现细胞的分离和纯化。
细胞破碎
反胶团萃取也可用于细胞破碎，通过破坏细胞膜释放细胞内的内容物，用于下游 提取和纯化过程。
04 反胶团萃取的挑战与前景
反胶团萃取技术的局限性
适用范围有限
目前反胶团萃取技术主要适用于生物大分子物质的分离，对于小 分子物质的分离效果不佳。
促进相关领域发展
反胶团萃取技术的广泛应用将促进相关领域的发展，如生物制品的 分离纯化、药物制备等。
推动科技进步
反胶团萃取技术的发展将推动科技进步，为其他领域的技术创新提供 借鉴和启示。
05 结论
总结
反胶团萃取是一种有效的生化分离技术，具有高选择性、高回收率和低能耗等优点。
反胶团萃取在蛋白质、酶和其他生物分子的分离纯化方面具有广泛的应用前景。
推动学科发展。
对未来的影响
随着反胶团萃取技术的不断发展和完 善，其应用范围和应用领域将进一步 扩大。
反胶团萃取技术的深入研究将有助于 推动生化工程领域的技术创新和产业 升级，为人类社会的可持续发展做出 贡献。
反胶团萃取技术与其他技术的结合使 用将有助于解决一些传统分离方法难 以解决的问题，提高分离效果和降低 成本。
优化操作条件
通过实验研究，优化反胶 团萃取的操作条件，降低 对设备的要求，提高技术 的可操作性。
蛋白质反胶束萃取
• 离子强度
离子强度过小时，表面活性剂与溶剂相无法形成反 胶束，而形成了稳定的乳液，使其无法用于蛋白质 萃取。 离子强度增大时，它会： 1. 使反胶束内的双电层变薄，减弱蛋白质与反胶束内 表面间的静电引力，从而减小蛋白质溶解度。 2. 减弱表面活性剂之间的斥力，使胶束变小，不利于 蛋白质的溶解进入。 3. 增大了离子向反胶束内的迁移，并取代蛋白质，使 蛋白质从反胶束中析出。
蛋白质的反胶束萃取
Outline
蛋白质概述
蛋白质的常见分离方法
蛋白质反胶束萃取的原理 蛋白质反胶束萃取的应用举例 蛋白质的选择性萃取
蛋白质
化学分析试剂
化工用催化剂 …… 蛋白质
蛋白质分离上的常见问题
1 2 3 4 对温度、溶剂等敏感，易变性失活 原料中目标蛋白成分浓度小 杂质含量高，成分复杂 种类繁多，批量的特异性分离比较困难
有机相 萃取，实质上是蛋白质在 水相和反胶束内微水相间 的分配过程
水相
反胶束萃取的驱动力
静电相互作用 空间相互作用 疏水性相互作用
• 表面活性剂种类和浓度
影响反胶束萃取的因素
表面活性剂的种类： 1. 阳离子表面活性剂对表富集负电荷的蛋白质有较大分配比。 2. 阴离子表面活性剂对表富集正电荷的蛋白质有较大分配比。 表面活性剂的浓度： 1. 表面活性剂浓度增大，有利于形成更多的反胶束，可以加 速蛋白质的萃取。 2. 通过调节水率 w0，即胶束内水和表面活性剂的比，可调 节反胶束的大小。反胶束体积越大，其对大分子蛋白质的 分配比越大。
水相
反胶束分离蛋白质举例
选择性反胶束萃取
向反胶束体系加入亲和配体后，可显著增强反胶束萃 取的选择性。 如对与刀豆球蛋白A的萃取，通过向反胶束中添加生 物表面活性剂octyl β-D-glycopyran（表面活性剂总量 的2-20%），作为参比的核糖核苷酸酶不受影响，而 刀豆球蛋白A与配体发生作用使其萃取效率显著提高。 对于抗生物素蛋白的反胶束萃取，同样可以通过加入 一些亲和配体，如带生物素标记的表面活性剂，使得 抗生物素蛋白更容易地进入胶束。 ……
反胶束体系在蛋白质萃取中应用的研究进展
4 反胶束体系萃取蛋白质的影响因素
蛋白质在反胶束中的增溶作用 。与蛋白质的表 面电荷和反胶束内表面电荷间的静电作用 、蛋白质 的疏水性以及反胶束的大小等因素有关 。任何对这 些性能产生影响的因素都将对蛋白萃取产生影响 。
411 体系组成
用于蛋白质分离的反胶束体系 可以 是离 子型 的 ,也 可 以 是 非 离 子 型 的 。其 中 研 究 最 多 的 是 以 AOT为代表的阴离子微乳体系 ,主要是因为 AOT形成 反胶束时不需加助表面活性剂 。但由于它不能萃取分 子量较大的蛋白质 ,其应用受到一定的限制 ,需进行改 性或加入某些表面活性剂进行复配 。如加入具有亲和 作用的生物表面活性剂 (磷脂等 )来改善萃取性能 。
312 纯化
D ekker[18 ]等用 TOMAC /异辛烷 +非离子型表面 活性剂反胶束体系 , 使 α- 淀粉酶的浓度提高了 l7 倍 ,收率达 85 % ;王金枝 [19 ]等用十六烷基三甲基溴化 铵 ( CTAB ) /正己醇 /正辛烷反胶束体系纯化胰蛋白
酶 ,商业用酶的纯化倍数最高为 1197 倍 ,粗酶为 7115 倍 ,且粗酶纯化后比活在 200U /m g以上 。
另外 ,许多反胶束萃取的实验研究表明 ,随着表征 水池大小的参数 w0 (反胶束中水与表面活性剂摩尔浓 度之比 )的降低 ,蛋白质的萃取率也减少 ,这充分说明了 位阻效应的存在。目前常用的阴离子表面活性剂 AOT 形成的反胶束 ,由于其胶束尺寸不够大 ,直接用于相对 分子质量较大的蛋白质的萃取时 ,萃取率不高 [15] 。
第4章 反胶束萃取
其中：W0为有机相中水与表面活性剂的摩尔比， 即含水率。
生物分离工程前沿技术
表面活性剂为模板制备介孔硅材料
生物分离工程前沿技术
生物分离工程前沿技术
生物分离工程前沿技术
反胶团的溶解作用
反胶团溶解蛋白质的 形式，有人提出四种 模型：
水壳模型； 蛋白质分子表面疏水区 域直接与有机相接触； 蛋白质吸附于反胶团内 壁； 蛋白质疏水区与几个反 胶团的表面活性剂疏水 尾相互作用，被几个小 反胶团“溶解”。 对亲水性蛋白质，普遍 接受水壳模型。
生物分离工程前沿技术
生物分离工程前沿技术
3.4 反胶团萃取操作
多步Байду номын сангаас歇混合－澄清萃取操作
生物分离工程前沿技术
连续循环萃取－反萃取操作
萃取
反萃取
料液
产物1
反萃液
产物2
生物分离工程前沿技术
3.5 反胶束萃取蛋白质的应用
从发酵液中提取细胞外酶
直接提取细胞内酶
从植物中同时提取油和蛋白质 油溶于有机相，蛋白质进入内水相 纯化和分离蛋白质
生物分离工程前沿技术
反胶团萃取应用实例
反胶束萃取氨基糖苷类抗生素
阴离子表面活性剂：二—2—乙基己基磷酸钠 (NaDEHP)：
助表面活性剂：磷酸三丁酯(TBP)
正向与逆向转移的机制
– 正向转移 氨基糖苷类可被萃取入反胶束的含水内核，这 种萃取是胶束内壁与氨基糖苷类分子之间静电引力相互作 用的结果； – 逆向转移 由于形成表面活性小很多且极易溶于有机相中 的Ca(DEHP) 2 致使反胶束破裂，氨基糖苷类分子又返回水 相。
生物分离工程前沿技术
第3章 反胶团萃取 3.1 概述 传统液液有机溶剂萃取的缺点
反胶束萃取
反胶束萃取技术在蛋白质分离和酶固定化上的应用和发展The application and development of Reversed micelle technology in protein separation and enzyme immobilization2011年10月6日反胶束萃取技术在蛋白质分离和酶固定化上的应用和发展摘要：反胶束是表面活性剂在有机溶剂中自发形成的与正常胶束结构相反的纳米尺度的一种聚合体。
反胶束可用于蛋白质的分离、酶的固定化等生物上的物质的分离，是一种新型的生物分离技术，本文就该技术的原理、方法、在以上物质分离上的应用及其最新研究进展进行介绍。
关键词：反胶束；萃取；蛋白质分离；酶固定化The application and development of reversed micelle technology in protein separation and enzymeimmobilizationAbstract: Reversed micelle is surfactants in organic solvents spontaneously formed with normal glue beam structure of the opposite of a kind of nanometer scale polymers. Reverse micelle can be used for protein separation, such as enzyme immobilization of the separation of biological material, a new type of biological separation technology, this paper the principle and method of this technology in the application of more substances separation, and the latest research on progress into introduction.Keywords:reversed micelle; extraction ; protein separation; enzyme immobilization1 引言传统的液-液萃取分离技术成本低，易于操作，已广泛用于多组分物质的分离。
反胶束萃取技术及其在植物蛋白质提取中的应用研究进展
反胶束萃取技术及其在植物蛋白质提取中的应用研究进展郭珍;陈复生;李彦磊;李润洁【摘要】Reverse micelle extraction is a new separation technique suitable for macromolecular separation and purification, and has broad application prospect in the extraction of biological active substances . In this paper, the meaning,reaction mechanism and the domestic and foreign research progress of reverse micelle extraction applied to plant protein extraction are summarized, the existing problems are reviewed.%反胶束萃取是一种适合生物大分子分离纯化的新型技术,在生物活性物质的萃取上有着广泛的应用前景.文章阐述反胶束萃取的含义、反胶束萃取蛋白质机理,并对近年来国内外有关反胶束萃取在植物蛋白质提取中的应用研究进行综述,对该领域目前存在的问题进行评述和展望.【期刊名称】《食品与机械》【年(卷),期】2013(029)001【总页数】3页(P240-242)【关键词】反胶束;植物蛋白;萃取;注入法;固溶法;相转移法【作者】郭珍;陈复生;李彦磊;李润洁【作者单位】河南工业大学,河南郑州 450001;河南工业大学,河南郑州 450001;河南工业大学,河南郑州 450001;河南工业大学,河南郑州 450001【正文语种】中文反胶束萃取技术是继双水相萃取之后的一种适合生物大分子分离纯化的新型分离技术，该技术已经在食品工业、医药行业［1］，甚至纳米材料［2，3］的制备上得到了广泛的研究。
反胶束萃取技术及其在抗生素分离上的应用_李夏兰
综 述文章编号:100128689(2003)0920576203反胶束萃取技术及其在抗生素分离上的应用Technology of reversed m icelles extraction andits application i n an tibiotics separation李夏兰 翁连进L i X ia 2lan and W eng L ian 2jin(华侨大学化工学院, 泉州362011)(H uaqiao U niversity ,Chem ical Engineer Institute , Q uanzhou 362011) 摘要: 本文介绍了反胶束概念及萃取分离的基本原理,详细地介绍了反胶束萃取抗生素的国内外研究现状,对反胶束萃取分离抗生素尤其是氨基糖类抗生素提出了新思想。
关键词: 抗生素; 分离; 反胶束中图分类号: 文献标识码:A收稿日期:2003205228基金项目:2002年福建省自然基金资助课题(项目编号:E 0210019),2001年国务院侨办资助课题。
作者简介:李夏兰,女,生于1965年,副教授。
从事生物分离工程研究。
反胶束(reversed m icelles )是表面活性剂在有机溶剂中自发形成的纳米尺度的一种聚集体,是透明的、热力学稳定系统[1,2]。
表面活性剂是由亲水性的极性头部和疏水性的非极性尾部组成的两性分子。
阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂,都可以形成反胶束。
在反胶束溶液中,组成反胶束的表面活性剂其非极性端伸入有机溶剂中,而极性端则向内排列成一个极性核(po lar co re ),此极性核具有溶解水和大分子的能力(反胶束及表面活性结构见F ig .1)。
当含有此种反胶束的有机溶剂与生化物质的水溶液接触后,主要因胶束内壁电荷与生物分子之间静电引力的相互作用和极性核的胞溶作用,后者可从水相转入反胶束的极性核内。
通过控制操作条件,萃入有机相的产物又可重新返回水相。
反胶束萃取技术及应用
蛋白质溶解模型：
蛋白质或酶在静电或疏水作用下溶解于反胶束微粒,其 溶解模型通常有以下三种形式: 一、 Luisi[ 2 ]的水壳模型认为,蛋白质分子的溶解导致 反胶束的尺寸增大; 二、Martinek[ 3 ]的诱导契合模型认为,当蛋白质分子 尺寸大于反胶束微粒时,表面活性剂可在蛋白质分子诱 导下重新分配,形成更大聚集数的胶束,使蛋白质溶于 其中; 三、固定尺寸模型[ 4 ]认为蛋白质分子等于或小于反 胶束微粒尺寸时,溶解后的反胶束尺寸不变。
结束语
随着生物技术及基因工程的发展, 开发研究适合多种用途的分离 方法显得日益重要。 反胶团萃取技术的发现, 是分离技术研究领域的一项突破。该技 术应用过程中, 较少使用毒性试剂, 对人体无害, 而且反胶团溶 液可反复利用, 亲和配体的引入, 还可提高目标物的萃取率及分 离的选择性。 近年来, 反胶团及与其他技术的结合, 显示了较大的应用潜力。 与传统的分离方法相比, 反胶团萃取技术还是一个相对年轻的领 域, 某些理论和方法都是针对具体的反胶团体系而言的, 目前可 利用的反胶团体系还相当有限, 给该技术的应用带来了局限性。 随着研究的深入, 有理由相信, 反胶团技术在生物化学、有机化 学、分析化学、药物化学和日用化学等领域的应用将更为广泛。
正常胶束：表面活性剂溶于水中, 当浓度超过临界胶 束浓度(CMC)时, 就会聚集在一起而形成正常胶束，亲 水基向外、疏水基向内。 反胶团: 是指当油相中表面活性剂的浓度超过临界胶 束浓度(CMC)后, 其分子在非极性溶剂中自发形成的亲 水基向内、疏水基向外的具有极性内核(polar core) 的 多分子聚集体(aggregates) 。 反胶束的形态： 反胶束的形态：球形或近似球形，也呈柱状。
反胶束萃取技术的产生背景
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结论： 1.反胶束萃取技术可以实现 2.脂肪酶的高效纯化及回收 3.纯化倍数：15倍 回收率：80%
V水相/V有机相对回收率和纯化度的影响
参考文献
[1]刘俊果,邢建民,畅天狮,刘会洲.反胶团萃取分离纯化纳豆激酶[J]. 科学 通报，2006, 51(2): 133-137.
[2]高树刚,宋伟明,安红.混合反胶团萃取α- 淀粉酶[J]. 食品科学, 2011, 32(21): 214-217. [3] Wang W, Weber M E, Vera J H. Reverse Micellar Extraction of Amino Acids Using Dioctyldimethylammonium Chloride[J]. Ind. Eng. Chem. Res. 1995,34: 599-606. [4] Gaikaiwari R P, Wagha S A, Kulkarni B D. Efficient lipase purification using reverse micellar extraction[J]. Bioresource Technology, 2012,108: 224– 230.
食品科学 2011, 32(21): 214-217
反胶束萃取的应用实例
• 混合反胶团萃取α-淀粉酶
以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和脱水山梨醇单硬脂酸酯聚氧乙烯醚 (Tween-60)为混合表面活性剂溶于正丁醇 - 异辛烷中构成反胶团系统，萃 取纯化α- 淀粉酶
食品科学 2011, 32(21): 214-217
反胶团溶解蛋白质模型
• • • • 1.水壳模型（普遍接受） 2.蛋白质疏水部分直接与有机相接触 3.蛋白质吸附在反胶团内壁 4.蛋白质的疏水区与几个反胶团的表面活性剂疏 水尾发生相互作用，被几个小反胶团所“溶解”
反胶团溶解蛋白质机理
• 反胶团的极性内核在溶解了水后, 在内核中形成“微水池”, 可以进 一步溶解蛋白质等生物活性物质。 • 屏蔽作用使蛋白质不与有机溶剂 直接接触, 而水池的微环境又保护 了其活性, 从而达到了溶解和分离 目的
加入15%异丙醇后，不同浓度NaCl对回收率和 纯化度的影响
反萃取过程中，pH对回收率和纯化度 的影响
Bioresource Technology, 2012, 108:224–230
反胶束萃取的应用实例
• 反萃取技术对脂肪酶的高效纯化
Efficient lipase purification using reverse micellar extraction 目标函数：纯化度，回收率 变量：表面活性剂的类型和浓度，pH，离子强度，有机相/水相比例
• 反萃取技术对脂肪酶的高效纯化
Efficient lipase purification using reverse micellar extraction 目标函数：纯化度，回收率 变量：表面活性剂的类型和浓度，pH，离子强度，有机相/水相比例
原始脂肪酶培养基pH对回收率和纯化度的影响
盐浓度对回收率和纯化度的影响
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
反胶束萃取的应用实例
• 混合反胶团萃取α-淀粉酶
以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和脱水山梨醇单硬脂酸酯聚氧乙烯醚 (Tween-60)为混合表面活性剂溶于正丁醇 - 异辛烷中构成反胶团系统，萃 取纯化α- 淀粉酶
Bioresource Technology, 2012, 108:224–230
反胶束萃取的应用实例
产生背景
• 传统萃取方法（如溶剂萃取）难应用于蛋白质的 分离，原因： 1.大多数蛋白质都不溶于有机溶剂，与有机溶 剂接触，也会引起蛋白质的变性 2.萃取剂问题，蛋白质分子表面带有许多电荷， 普通的离子缔合型萃取剂很难起作用
• 反胶束萃取
反胶束
• 正常胶束：表面活性剂溶于水中, 当浓度超过临界 胶束浓度(CMC)时, 就会聚集在一起而形成正常胶 束，亲水基向外、疏水基向内。 • 反胶束: 当油相中表面活性剂的浓度超过临界胶 束浓度(CMC)时, 其分子在非极性溶剂中自发形成 的亲水基向内、疏水基向外的具有极性内核的多 分子聚集体。
反胶束的制备
• 注入法：将含蛋白质的水溶液直接注入到含表面 活性剂的非极性有机溶剂中，然后进行搅拌直至 形成透明溶液为止（过程较快、可控制平均直径 和含水量）。 • 相转移法：将含蛋白质的水相和含表面活性剂的 有机相接触，在缓慢搅拌下，一部分蛋白质转移 至有机相中。（过程较慢，处于稳定的热力学平 衡状态和获得较高的蛋白质浓度）。 • 溶解法：对非水溶性的蛋白质可用此法。将含有 反胶束的有机溶液与蛋白质固体粉末一起搅拌时 蛋白质进入反胶束中（需较长的时间）。
反胶团溶解蛋白质过程
蛋白质进入反胶束溶液是一种协同过程
蛋白质 表面活性剂
静电作用 变形 含有蛋白质的反胶束
改变水相条件（pH、离子种 类和强度）使蛋白质由有机相 返回水相，实现反萃取过程.
扩散进入有机相 蛋白质萃取
反胶束萃取的影响因素
与反胶束团有关的因素
表面活性剂的种类 表面活性剂的浓度 表面溶剂的种类 助表面活性剂及其浓度
与目标蛋白质有关的因素
蛋白质的等电点 蛋白质的大小 蛋白质的浓度 蛋白质表面的电荷分布
与水相有关的因素
pH值 离子种类 离子强度
与环境有关的因素
系统温度 系统压力
反胶束萃取的优点
• • • • 成本低，溶剂可反复使用 萃取率和反萃取率高 解决蛋白质变性、降解的问题. 从完整细胞中提取蛋白质和酶
具有工业开发前景的蛋白质分离技术
反胶束萃取体系
• 单一反胶束体系： 阴离子型：AOT(丁二酸- 2 - 乙基已基酯磺酸钠)/ 异 辛烷 阳离子型：十六烷基三甲基溴化铵(CTAB) 、二辛基 二甲基氯化铵等季铵盐 非离子型：能使反胶团变大, 从而可萃取相对分子质 量更大的蛋白质
• 混合反胶束体系：两种或两种以上表面活性剂构成 的体系，蛋白质的分离效率更高
Bioresource Technology, 2012, 108:224–230
反胶束萃取的应用实例
• 反萃取技术对脂肪酶的高效纯化
Efficient lipase purification using reverse micellar extraction 目标函数：纯化度，回收率 变量：表面活性剂的类型和浓度，pH，离子强度，有机相/水相比例