反胶团萃取技术

食品科技学院   食安0901   刘硕   2009244040112

1．研究背景

    传统的分离方法，如液-液萃取技术，具有操作连续、多级分离、放大容易和便于控制等优点，在化学、化工、石化等领域得到广泛应用。但很难用于具有某些特殊性质的生化产品(如蛋白质、氨基酸等)的提取与分离，原因在于这类物质多数不溶于非极性有机溶剂，或与有机溶剂接触后会引起变性和失活。

20世纪80年代中期发展起来的反胶团萃取技术解决了这一难题。所谓反胶团，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(polar core)的多分子聚集体(aggregates)。反胶团的极性内核可以溶解某些极性物质，而且在此基础上还可以溶解一些原来不能溶解的物质，即所谓二次加溶原理。例如，反胶团的极性内核在溶解了水后，在内核中形成“水池”(water poo1)，可以进一步溶解蛋白质、核酸和氨基酸等生物活性物质。胶团的屏蔽作用，使这些生物物质不与有机溶剂直接接触，而水池的微环境又保护了生物物质的活性，从而达到了溶解和分离生物物质的目的。这种技术既利用了溶剂萃取的优点，又实现了生物物质的有效分离，作为一种新型的生物分离技术应用于蛋白质、氨基酸及药物、农药等物质的分离分析中，显示了巨大的应用潜力。

2. 反胶团的形成

正向胶团(normal micelle)是表面活性剂分子在极性溶剂，如水中形成的一种亲水基团(头)朝外，而疏水基团(尾)朝内的具有非极性内核的多分子聚集体。洗涤剂中的表面活性剂分子在水中形成的就是这种胶团，其非极性内棱可以溶解各种油污。从而达到去污的效果。与此相反，表面活性剂在非极性溶剂如某些有机溶剂中就会形成亲水头向内和疏水尾向外的具有极性内核(polar core)的多分子聚集体(aggregates)，由于其表面活性剂的排列方向与一般的正向胶团相反，因此，称为反胶团。示意图如图（2－1）。

http://s7/middle/7de0442bga44000d35116&690

图2－1 表面活性荆分子在非极性溶荆中形成的反胶目

反胶团的极性内核可以溶解某些极性物质，而且在此基础上还可以溶解一些原来不能溶解的物质，即所谓二次加溶原理。例如，反胶团的极性内核在溶解了水后，在内核形成了“水池”(water pool)，可以进一步溶解蛋白质、核酸、氨基酸等生物活性物质。由于胶团的屏蔽作用，使这些生物物质不与有机溶剂直接接触，而水池的微环境又保护了生物物质的活性，达到了藩解和分离生物物质的目的。图2－2是解释此过程的一种常用的模型一“水壳模型”的示意图。

http://s16/middle/7de0442bga44001d4834f&690

图2－2 利用反胶团特蛋白质溶解于有机溶荆中的水壳模型

这种技术既利用了溶剂萃取的优点，又实现了生物物质的有效分离，成为一种新型的生物分离技术。

3. 反胶团及其萃取原理

反胶团是表面活性剂溶解在有机溶剂中形成的纳米级聚集体，是一种透明、稳定的热力学体系。反胶团中表面活性剂非极性头向外与有机溶剂接触，极性头向内形成极性核，极性核溶入水后形成微“水池”。反胶团的一个重要参数是它的含水量(“水池” 中溶入的水与表面活性剂的摩尔比，W0)，它决定反胶团的尺寸。在W0<10时，水分子被束缚在反胶团的壁上，它的凝固点下降、共价键参数改变、氢键破坏；只有在W。较大时，才存在自由水。当含反胶团的有机溶剂和蛋白质水溶液接触时，蛋白质在某种作用力(静电、亲和、疏水)下进入“水池”中，水和表面活性剂分子在蛋白质周围形成一个保护层，使蛋白质避免与有机溶剂接触，不致失活。

4. 反胶团萃取蛋白质的影响因素

蛋白质的萃取受很多因素影响，这些因素包括原料液的pH值、离子强度、表面活性剂和有机溶剂种类等：蛋白质等电点、亲水性、电荷密度及分布也是影响其萃取的重要因素。

（1） 表面活性剂

表面活性剂是反胶团萃取的一个关键因素，不同结构的表面活性剂形成的反胶团含水量和性能有很大差别。

（2 ）亲和助剂

在反胶团中导入与目标蛋白有特异亲和作用的助剂可形成亲和反胶团。亲和助剂的极性头是一种亲和配基，可选择性地结合目标蛋白，该系统使蛋白质的萃取率和选择性大大提高。

（3） 水相pH值

pH值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。一定条件下，当原料相pH值小于蛋白质的等电点(PI)时，蛋白质表面带正电，如选用的反胶团内核带负电，蛋白质会在静电作用下由水相转入反胶团相，从而实现不同PI的蛋白质分离。

（4） 离子强度的影响

离子影响蛋白质表面电荷的分布及表面活性剂的电离程度，一个重要因素是萃取过程中随蛋白质一起进入反胶团极性核的离子会产生“屏蔽”作用，减小表面活性剂极性头之间的相斥力，反胶团变小，性能改变。

（5） 其它因素

温度是影响反胶团提取蛋白质的另一重要因素，温度升高使反胶团含水量W0下降，不利于蛋白质的萃取；因此升高温度可以实现蛋白质的反萃取，由于蛋白质对温度变化较为敏感，所以这种方法值得探讨。蛋白质的溶解方法[18]及其在原液相中的初始浓度也是影响其萃取的重要因素。蛋白质的溶解通常有三种方法：蛋白质的缓冲溶液直接注入反胶团相中：反胶团溶液与固相蛋白质粉末接触将蛋白质引入反胶团；蛋白质水溶液与反胶团相混合，蛋白质转移到反胶团中。第三种方法相对较慢，形成的最终体系是稳定的，它是反胶团技术用于生化分离的基础，是今后研究的重点。

5 . 开发与应用

由于反胶团具有优良的特性，其在食品工业，药物，农业化学等领域的应用得到了大量的研究和开发，并显示了巨大的应用潜力。其最早被应用于蛋白质萃取。目前应用此技术处理的蛋白质或其混合物包括仅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、过氧化氢酶等。

现阶段，关于反胶团的应用研究层出不穷。 Alexander等人研究了亲水性花青染料顺-反异构体在反胶团体系中的光谱特性；Johnston等人利用超临界CO2 体系中的反胶团成功进行了分子量为67000的牛血清白蛋白的萃取。同时，由于反胶团微乳液的液滴直径小(5-200nm)，液滴分散性好，用反胶团微乳液合成纳米粒子具有广泛的应用前景。Lepiller采用硅氧烷表面活性剂，聚合甲基丙烯酸甲酯，成功的得到高分子

量、尺寸分布窄的微纳米级球状高聚物颗粒。反胶团酶膜反应器，能够实现产物的浓缩、分离，且不用补充助表面活性剂和水，应用酶膜反应器，能够水解橄榄油、卵磷脂、生产L一色氨酸、降解农药并有望实现连续生产。但是，反胶团界面的复

杂性，表面活性剂的自聚性等都成为制约其发展的因素。今后，如何实现产物渗透和底物截留以及膜反应器连续操作的动力学研究都有待进一步的研究。

目前，反胶团技术大多还处于实验室阶段，它们的微结构与蛋白质萃取的选择性之间的规律、蛋白质与表面活性剂的相互作用、萃取机理等尚需进一步的探讨；如何萃取分子量大的蛋白质，如何最大限度的保持蛋白质的活性，也是值得研究的课题；同时反胶团技术在制备纳米粒子，模拟酶膜反应器以及用作生物探针等诸多方面都显示了强大的优势，但都需要在理论和实践方面多加探讨。可以相信，随着研究的不断深入，利用反胶团萃取技术对蛋白质等生物产品进行大规模的分离和纯化已为时不远。