第4章 反胶束萃取
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
水相pH ， 蛋白质pI
当蛋白质与表面活性剂 电荷相反时，易溶于反 胶束，分配系数较大。 否则，蛋白质不溶于反 胶团
蛋白质在反胶 团中溶解
在两相间的分配系数
4.3.2 位阻效应 许多亲水性物质，如蛋白质、核酸及氨基酸 等生物大分子的分子较大，当反胶团直径较小 时，会对蛋白质产生空间排阻作用，从而使蛋 白质在反胶团中的溶解度降低，这种现象称为 位阻效应。 反胶团的“水池”直径受含水率W的调节， 当水溶液中盐浓度较高时，无机盐对反胶团产 生脱水作用，使W下降，反胶团尺度减小，位阻 效应加强，蛋白质的萃取率明显降低。
何谓胶团、反胶团 • 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(polarcore) 的多分子聚集体
反胶团萃取
• 反胶团是表面活性剂分子溶 于非极性溶剂中自发形成的 聚集体 ,其中表面活性剂的 极性头朝内而非极性头朝外 与有机溶剂接触。 • 反胶团内可溶解少量水而形 成微型水池，蛋白质进入微 水池中，可随反胶团转入有 机溶剂，但不与有机溶剂直 接接触，反胶团萃取就是利 用这一特性进行蛋白质分离 的方法，反胶团溶液是宏观 上透明均一的热力学稳定体 系。
5.2离子强度对萃取率的影响
a.离子强度增大后，反胶束内表面的双电层变薄，
减弱了蛋白质与反胶束内表面之间的静电吸引， 从而减少蛋白质的溶解度； •b.反胶束内表面的双电层变薄后，也减弱了表面 活性剂极性基团之间的斥力，使反胶束变小，从 而使蛋白质不能进入其中； •c.离子强度增加时，增大了离子向反胶束内“水 池”的迁移并取代其中蛋白质的倾向，使蛋白质 从反胶束内被盐析出来； •d.盐与蛋白质或表面活性剂的相互作用，可以改 变溶解性能，盐的浓度越高，其影响就越大
反胶束萃取,蛋白质,萃取
反胶束萃取,蛋白质,萃取
反胶束萃取是一种常用的蛋白质萃取方法。
胶束是稳定的胶体粒子，由Surfactant（表面活性剂）分子聚集形成的。
通常在常规的胶束萃取中，表面活性剂会用于分离或提取目标分子，例如蛋白质。
反胶束萃取则与之不同，它将胶束翻转，使表面活性剂分子的疏水区域朝外，疏水区域包裹着疏水性物质，如蛋白质。
这种方法提取的蛋白质具有好的纯度和高的活性，且不含显著的表面活性剂残留。
因此，反胶束萃取越来越被广泛应用于生物技术领域中的蛋白质分离和纯化过程。
反胶束萃取
传统的萃取法难以应用于蛋白质的 提取分离。
分离对象的特性； 萃取剂的问题。
在这一背景下发展起来了一种新的 萃取分离技术—反胶束萃取。
1977年，瑞士Luisi等人首次提出用反胶 束萃取蛋白质； 到80年代，荷兰Van’t Riet和Dekker、 美国 Gokelen 、 Hatton 首先进行了反胶 束萃取蛋白质的研究。 近年来该项研究已在国内外深入展开。
该法的优点： 成本低、溶剂可反复使用； 萃取率和反萃取率都很高； 有可能解决外源蛋白的降解问题； 构成反胶束的表面活性剂往往具有溶解 细胞的能力，可直接从整细胞中提取蛋 白质和酶。
二、反胶束溶液形成的条件和特性
反胶束溶液是透明的、热力学稳定的 系统。反胶束（ reversed micelle ）是表 面活性剂分散于连续有机相中一种自发形 成的纳米尺度的聚集体。
对于阳离子表面活性剂，溶液pH>pI
时，反胶束萃取才可进行；而对于阴离子
表面活性剂，pH<pI时才可。
图5 pH值对蛋白质萃取率的影响
对不同相对分子量的蛋白质，pH值对 萃取率的影响有差异性，当蛋白质相对分 子量增加时，只有增大（pH-pI）的绝对 ห้องสมุดไป่ตู้，相转移才能完成。
eg. α－糜蛋白酶（相对分子量为 25000 ） 的萃取率在 |pH-pI| 为 2-4 时达到最高；而牛血 清蛋白（相对分子量为68000）在相同的系统中 根本不发生相转移。
反胶束“水池”的物理性能会影响蛋白
质的增溶或排斥，达到选择性萃取的效 果，具体由Ｗ来调节，这就是所谓的 “位阻效应”。
四、反胶束萃取蛋白质的影响因素
水相pH值
离子强度 表面活性剂类型、浓度
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
反胶束萃取方法步骤
随着基因工程和细胞工程的发展，尽管传统的分离方法 （如溶剂萃取技术）已在抗生素等物质的生产中广泛应 用，并显示出优良的分离性能，但它却难以应用于蛋白 质的提取和分离。其主要原因有两个：一是被分离对 象—蛋白质等在40~50℃便不稳定，开始变性，而且绝大 多数蛋白质都不溶于有机溶剂，若使蛋白质与有机溶剂 接触，也会引起蛋白质有变性；二是萃取剂问题，蛋白 质分子表面带有许多电荷，普通手离子缔合型萃取剂很 难奏效。因此研究和开发易于工业化的、高效的系列化 物质分离方法已民为当务之急。反胶束萃取法就是在这 一背景下发型起来的一种新型分离技术。
当W0超过60（最大含水量）时，透明的反胶束溶液将 变浑浊，并发生分相。对于季铵盐形成的反胶束， W0一般小于3。在列平衡水相存在的情况下，W0可以 人为地在一定范围内调节。
9.2 反胶束萃取蛋白质的基本原理
9.2.1 三元相图及萃取蛋白质 对一个由水、表面活性剂和非极性有机
溶剂构成的三元系统，存在有多种共存 相，可用三元相图表示，如图10.5是水AOT-异辛烷系统的相图示例。
由于实验方法不同，所得的CMC值往往给于完全一致， 但是突变点总是落在一个很窄的浓度范围内，故用 CMC范围来表示更为方便。
表9.2是几种类型表面活性剂的CMC值，可以看出， CMC值与活性剂的结构有一定的联系。在非极性溶剂 中CMC值的变化范围是
1.0×10-4~1.0×10-3mol/L。
9.1.3 胶束与反胶束的形成
9.2.3 蛋白质溶入反胶束溶液的推动力与 分配特性
9.2.3.1 推动力 蛋白质溶入反胶束溶液的推动力主要包
括表面活性剂与蛋白质的静电作用力和 位阻效应。
（1）静电作用力
在反胶束萃取体系中，表面活性剂与蛋白质都是带电 的分子，因此静电相互作用肯定是萃取过程中的一种 推动力。其中一个最直接的因素是pH值，它决定了蛋 白质带电基团的离解速率及蛋白质的净电荷。
反胶束萃取的原理(一)
反胶束萃取的原理(一)反胶束萃取定义反胶束萃取（Reverse Micelle Extraction）是一种利用胶束的特殊结构，将一种化学物质从水相转移到油相中的分离技术。
胶束结构胶束是由一种或多种表面活性剂分子在溶液中形成的微小结构，它具有以下特征：•头部亲水性，尾部亲油性•在适当条件下，表面活性剂分子自组装形成球形、柱形等微小结构•表面活性剂分子排列方式决定胶束内部空间反胶束萃取原理当一种化学物质在水相中与表面活性剂分子相互作用时，会形成一种被包裹在胶束内部的胶束化合物。
这时，通过调节表面活性剂浓度，可以使胶束化合物在胶束内部达到热力学平衡状态。
在接下来的操作中，我们将油相注入水相中，萃取胶束化合物。
当油相中含有胶束化合物时，胶束分离出来，在油相中被稳定的悬浮。
这一过程就是反胶束萃取。
应用反胶束萃取技术在生物化学、药物化学、工业化学等领域中得到广泛应用。
例如，可以通过反胶束萃取将酶从水相中萃取到油相中，从而达到酶的分离和纯化；也可以利用反胶束萃取将有机物从废水中萃取出来。
结论反胶束萃取技术是一种利用胶束特殊结构，实现化学物质转移的分离技术。
在实际应用中，要根据反胶束萃取原理选择合适的表面活性剂和操作条件，以达到最佳分离效果。
实验步骤反胶束萃取实验步骤如下：1.准备含有目标化学物质的水相溶液。
2.选择合适的表面活性剂和油相，并在适当条件下，将表面活性剂分子自组装形成反胶束。
3.将水相和油相混合，形成胶束化合物悬浮液。
4.离心分离，将胶束分离出来。
5.用油相洗涤胶束，将萃取出的目标化学物质从胶束中转移到油相。
6.从油相中分离出目标化学物质。
优缺点反胶束萃取技术具有以下优缺点：优点：•适用于分离亲水性和亲油性化学物质•目标化学物质得到很好的分离和纯化•操作简单，可扩展到工业应用缺点：•表面活性剂的结构和稳定性对萃取效果较为敏感•操作要求高，对仪器设备的要求较高结语反胶束萃取技术是一种常用的分离和纯化技术，在生物化学、药物化学、工业化学等领域中应用广泛。
反胶束萃取的基本原理
反胶束萃取的基本原理胶束萃取是一种常见的提取和分离技术，广泛应用于分析化学和生物化学领域。
它以胶束作为载体，通过液液分配的原理，将目标物质从一种溶液转移到另一种溶液中进行分离。
胶束是一种由表面活性剂分子组成的微小团簇。
在溶液中，这些表面活性剂分子聚集在一起形成胶束结构，其中亲水头部朝向溶液中，疏水烃尾部朝向内部。
这样的排列方式使得胶束具有两个不同的区域：水相区和疏水相区。
在胶束萃取中，根据溶液中目标物质的亲水性和疏水性，选择合适的胶束和溶剂。
一般来说，胶束中的亲水头部对水溶液中的亲水性物质有较强的亲和力，而疏水烃尾部对疏水物质具有较强的亲和力。
胶束萃取的基本原理是利用胶束结构中疏水相区域提供的微环境，将目标物质迁移到疏水相中。
当胶束与溶液混合时，目标物质会在胶束结构中寻找适合其亲和性的环境。
一旦目标物质进入胶束的疏水相区域，它会与胶束分子的疏水尾部相互作用，并被封闭在胶束的内部。
这个过程称为胶束内萃取。
胶束内萃取的重要因素包括胶束的构型、目标物质的溶解度、胶束的浓度和温度等。
胶束构型的选择和调整可以通过改变表面活性剂种类、浓度和添加其他物质来实现。
溶解度对胶束内萃取的效果有重要影响，如果目标物质不溶于胶束的疏水区域，胶束内萃取将无法进行。
此外，胶束萃取还可以利用胶束与胶束之间的相互作用来实现从溶液中分离目标物质的目的。
胶束聚集体包裹胶束中的目标物质，形成复合胶束结构。
这些复合胶束可以通过凝聚、离心沉降、过滤等操作分离出来，从而实现目标物质的富集和分离。
总的来说，胶束萃取的基本原理是利用胶束结构的特性和胶束与目标物质之间的相互作用，实现从一种溶液中将目标物质转移到另一种溶液中的分离过程。
该技术在分析化学和生物化学领域有广泛应用，对于提取和富集目标物质具有重要意义。
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生物分离工程前沿技术
表 面 活 性 剂 极 性 头 的 面 积 为 As (m /m ol), 水 的 摩 尔 体 积 为 VH
2
2
(m /m ol), O
3
W 0为 反 胶 束 所 含 水 分 子 数 与 表 面 活 性 剂 分 子 数 之 比 ， 反 胶 束 内 水 池 的 半 径 为 R m、 表 面 积 为 Am、 体 积 为 V m , 每 个 胶 束 平 均 含 有 n m ol 表 面 活 性 剂 分 子 ， 则 ： V m = n W 0V H 2 O = A m = n As 上两式相除得到： Rm = 3 W 0V H 2 O As 4 3
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3.4 反胶团萃取操作
多步间歇混合－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
பைடு நூலகம்
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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
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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
蛋白质与有机溶剂接触，易引起蛋白质变性 蛋白质分子表面带有许多电荷，普通的离子缔 合型萃取剂很难奏效
与一般有机溶剂萃取的区别：
利用表面活性剂在有机相中形成反胶团 （reversed micelles)，从而在有机相内形成分 散的亲水微环境。 生物分子可溶解在反胶团的亲水微环境中，消 除了蛋白质类生物活性物质难溶解在有机相中， 或在有机相中发生变性的现象。
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反胶团萃取存在的主要问题
表面活性剂污染
可用的表面活性剂不多
AOT，萃取效率不高，分相时间长 原因：在非极性溶剂中的溶解度不够高，而在水中 有相当的溶解
反萃取困难 蛋白质的变性
蛋白质与离子型表面活性剂形成复合物而失活
生物分离工程前沿技术
蛋白质在反胶束内的溶解作用，与蛋白质的表面电荷 和反胶束内表面电荷间的静电作用，以及反胶束的大 小有关。因此，任何可以增强这种静电作用或导致形 成较大的反胶团因素，均有助于蛋白质的萃取。
生物分离工程前沿技术
形成反胶束的方法
相转移法．将含有蛋白质的水溶液与含表面活 性剂的有机相接触，在缓慢搅拌下，部分蛋白 质移人有机相中，直到萃取平衡状态 注入法 向含有表面活性剂的有机相中注入含蛋 白质的水溶液 溶解法对于水不溶性蛋白质，将含水的反胶束 有机溶剂与蛋白质固体粉末一齐搅拌，形成含 蛋白质的反胶束
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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。
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表面活性剂 表面活性剂的种类会影响反胶束的大小和形状， 而其中的疏水部分对反胶束的影响最大
反胶团含水率降低，反胶团直径减小，空间排阻作 用增大，蛋白质萃取率降低； 蛋白质相对分子量增大，空间排阻作用增大，蛋白 质萃取率降低。
疏水性相互作用 蛋白质的疏水性影响其在反胶团中的溶解形式， 因而影响其萃取率。 水相中离子
生物分离工程前沿技术
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3.3 影响反胶束萃取蛋白质的因素
反胶束的大小
反胶束的大小和形状随着表面活性剂-溶剂系统 的变化而变化，同时也受水相离子强度和操作 温度的影响； 反胶束的大小一般为纳米级微粒，直径介于 10～200nm； 离子型表面活性剂形成的反胶束中约有50～ 100个表面活性剂分子，而阳离子型的一般低 于50个； 反胶束的大小一般由实验测定，也可通过计算 推定。
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疏水非 极性尾
亲水极 性头
pool
一种阴离子型 表面活性剂
可游离 离子
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形状：多为球形或近球形。 反胶团内溶解的水通常称为微水相或“水池”。 大小：与溶剂和表面活性剂的种类与浓度、温 度、离子强度等有关。一般为5~20nm。 常用于制备反胶团的表面活性剂是AOT(琥珀 酸二辛酯磺酸钠)。AOT在异辛烷中形成的反 胶团直径为：
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3.2 反胶团及其基本性质 正胶团
向水中加入表面活性剂，浓 度达到一定值后，将发生表 面活性剂分子的缔合或自聚 集，形成正胶团。 表面活性剂在水溶液中形成 胶团的最低浓度称为临界胶 团浓度（CMC）。
反胶团
向有机溶剂中加入表面活性 剂（琥珀酸二辛酯磺酸钠， AOT），浓度超过一定值时， 形成反胶团。
Rm
3
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pH
反胶团萃取一般使用离子型表面活性剂，所形 成反胶团内表面带负电荷（琥珀酸二辛酯磺酸 钠，AOT）或正电荷（氯化三辛基甲铵， TOMAC）。当水相pH偏离蛋白质等电点时，蛋 白质带正电荷或负电荷，与表面活性剂间的静 电相互作用影响其萃取率。
理论上，蛋白质所带电荷与表面活性剂相反时， 易溶于反胶团，反之，则不能溶解。
离子强度增大，反胶束内表面的双电层变薄，减弱了 蛋白质与反胶束内表面之间的静电引力，降低了蛋白 质在反胶束中的溶解度
生物分离工程前沿技术
反胶束内表面的双电层变薄后，也减弱了表面活性剂 极性基团之间的斥力，使大分子蛋白质进入胶束的阻 力增大； 离子强度增大后，增大了盐分向内反胶束内“水池” 迁移并取代蛋白质的倾向，使蛋白质从反胶束中盐析 出来； 盐与蛋白质或表面活性剂的相互作用，可改变蛋白质 的溶解性，盐浓度越高，影响越大； 与形成反胶束的表面活性剂带有相反电荷的离子对萃 取的影响大于带相电荷的离子，价数相同的条件下， 离子半径越大，影响越大；离子半径相近时，价数越 高，影响越大。不同离子对反胶束的影响强度基本与 感胶离子序一致。
d m 0.3W0 2.4
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。