双水相萃取技术在食品工业中应用(精)

粮食与油脂 6 2011年第 9期

双水相萃取技术在食品工业中应用

孙晨

(河南工业大学化学与化工学院, 河南郑州450001

摘要:在食品工业, 双水相萃取技术与传统萃取相比具有很多优势。该文介绍双水相萃取技术

及其原理、特点, 综述双水相萃取技术在食品工业中应用, 并展望其应用前

景。关键词:双水相萃取; 萃取技术; 食品工业

Application of aqueous two-phase extraction in food industry

SUN Chen

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Henan University of Technology,

Henan Zhengzhou 450001, China Abstract :Compared with conventional technology, aqueous two– phase extraction has many advantages

in food industry. In this paper, the principle and characteristics of aqueous two–phase extraction technology and its application in food have been reviewed. In the end, the foreground was prospected. Key words:aqueous two– phase extraction; extraction technology; food industry中图分类号:TS201.1

文献标识码:A

文章编号:1008― 9578(2011 09― 0006― 03收稿日期:2011–08–02作者简介:孙晨 (1979~ , 女, 博士, 讲师, 从事分离科学研究。

在现代食品工业, 萃取分离是生产工艺中较常用

分离操作方法。传统有机溶剂萃取法有其自身局限胜, 如操作过程需外加萃取剂, 产品与萃取剂存在二次分离问题等; 而大多数食品营养成分, 如维生素、蛋白质等均具有不稳定性特点, 各国政府对食品溶剂残留、污染物控制制定严格法律法规, 因此在食品工业生产中需采用一些特殊新型萃取技术。双水相萃取技术是利用组分在两水相间分配差异而进行组分分离提纯技术。由于双水相萃取分离过程条件温和、可调节因素多、易于放大和操作, 并可借助传统溶剂萃取相关理论和经验, 不存在有机溶剂残留问题; 因此, 特别适于对生物活性物质分离和提纯。 1 双水相萃取 (ATPE 技术

双水相体系是指某些有机物之间或有机物与无机盐之间, 在水中以适当浓度溶解后形成互不相溶两相或多相体系。双水相体系萃取分离原理是基于物质在双水相体系中选择性分配, 当物质进入双水相体系后, 在上相与下相间进行选择性分配, 从而使物质分离。

双水相体系主要分为高聚物双水相、表面活性剂双水相、离子液体双水相及低分子有机物 /无机盐双水相等几大类型。最早应用的高聚物体系包括羧甲基纤维素钠、聚乙二醇 (PEG 、葡聚糖 (dextran 、聚丙二醇等, 其中常用双水相组合是 PEG/dextran体系和 PEG/无机盐体系。由于 PEG/无机盐体系萃取专一性更高, 而葡聚糖价格昂贵, 因此工业上一般用 PEG/dextran 体系小规模分离生物大分子, 用PEG/无机盐体系大规模提纯酶等〔1〕。

早期对双水相体系开发利用仅局限于高分子体系。近年研究表明, 表面活性剂在适当条件下也能形

成双水相, 且这种双水相在分离选择性方面具有比高

分子双水相更优越特点〔2~5〕。离子液体双水相体系结合离子液体和双水相体系优点, 也是倍受国内外研究者青睐研究热点; 离子液体双水相体系应用主要包括抗生素、蛋白质、食用色素及其它生物活性物质萃取分离〔6~10〕。

从溶液理论而言, 当两种有机物或有机物与无机盐混合时, 是分相还是混合成一相, 取决于混合时熵变和分子间相互作用力。由于双水相体系本身复杂性, 体系熵很难准确计算, 分子间相互作用力也不清楚, 所以双水相形成机理很复杂。对于高聚物双水相体系, 用传统理论解释, 是由于界面张力等因素形成两相之间不对称, 使在空间上产生阻隔效应, 令两相间无法相互渗透, 不能形成均一相, 从而具有分离倾向, 一般这种分离倾向大小与形成双水相两种物质疏水性呈线性关系。而对于有无机盐存在双水相体系, 及表面活性剂双水相体系, 成相原理包括盐析效应、胶束平衡共存、疏水效应等〔11〕。

双水相萃取主要具有如下基本特点:(1 含水量高 (70%~90% , 是在接近生理环境温度和体系中进行萃取, 不会引起生物活性物质失活或变性; (2 分相时间短、操作条件温和、整个操作过程在常温常压下进行; (3 不存在有机溶剂残留问题, 凝聚相一般是不挥发性物质, 操作环境对人体无害; (4 能进行萃取性生物转化, 且酶在高聚物溶液中比在缓冲液中更稳定、活性更大, 因生物反应和生物产物提取同时进行, 尤其适于连续生产; (5 回收率高, 提纯倍数达 2~20倍, 亲和萃取可大大提高分配系数和萃取专一性。

以上特点表明, 双水相萃取在提纯食品中具有生

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物活性物质方面, 与其它方法相比, 具有许多优势。因此双水相萃取技术在食品工业、生物工程等领域具有巨大应用前景。

2 双水相萃取技术在食品工业中应用

双水相萃取在生物和食品工业等领域研究和应用发展较快, 到目前为止, 双水相萃取应用及研究主要集中在以下几个方面。

2.1 萃取酶和蛋白质

这是双水相体系在生物和食品工业中萃取应用最早和最多方面, 工业上已有一些常用双水相体系用于从发酵液或细胞中分离提取蛋白质和酶。

李静等〔12〕对三种双水相体系进行研究, 通过制作相图, 分析得出 PEG/(NH 4 2SO 4双水相体系是萃取糖化酶最合适体系。研究 PEG 分子量、 PEG 溶液浓度、 (NH4 2SO 4溶液浓度对糖化酶分配系数、回收率影响, 确定萃取糖化酶最佳条件, 即 PEG 分子量为 20 000、 PEG 溶液浓度为 28%、 (NH4 2SO 4溶液浓度为 20%时, 分配系数为 0.15, 糖化酶回收率最高为 96.1%。涂绍勇等〔13〕利用PEG600/(NH 4 2SO 4双水相系统萃取木瓜蛋白酶。结果发现在 PEG600百分含量为 27%、 (NH4 2SO 4百分含量为 21%、 pH 7.0和温度 60℃时, 木瓜蛋白酶分配系数达到最大, 为 9.28。李波等〔14〕用双水相萃取法从工业粗酶粉中分离纯化α–淀粉酶。实验表明, 由 21%~22%(w/w PEG400和

14%~17%(w/w (NH4 2SO 4所组成双水相体系, 在室温下对α–淀粉酶的酶活回收率可达 94.84%, 分配系数可达 17.1。另外, 还有双水相萃取果胶酶、无花果蛋白酶、粗状假丝酵母脂肪酶等研究, 也都取得满意结果〔15~17〕。

双水相体系萃取蛋白报道也很多。王巍杰等〔18〕运用双水相技术分离提取钝顶螺旋藻中藻蓝蛋白, 对构成双水相体系中不同分子量 PEG 和酒石酸钾钠浓度影响进行分析。确定双水相组成体系为 16% (w/w PEG2000和25%(w/w 酒石酸钾钠、 pH 值为 6.0, 在此体系中藻蓝蛋白主要分布在上相, 最高纯度 3.69、分配系数 20.7、回收率 94.56%。多次双水相萃取有利于藻蓝蛋白纯度提高, 3次双水相萃取后, 藻蓝蛋白纯化倍数达 4.15。Long 等〔19〕研究胶状金纳米粒子在聚乙二醇 /葡聚糖双水相系统中分离蛋白质影响, 通过结合金纳米粒子大幅提高蛋白质分离, 推动双水相萃取和其它生物技术偶联。

2.2 萃取氨基酸

双水相体系萃取不仅对大分子物质分离纯化具有优势, 近年也不断开发适于小分子物质的双水相萃取体系。如孙晨等〔20〕用阴阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB 和十二烷基硫酸钠 (SDS 表面活性剂体系形成双水相, 萃取大