双水相萃取技术的研究及应用

双水相萃取技术的研究及应用

摘  要：双水相萃取技术是一种高效温和的新分离技术，在生物制药、分析检测、稀有金属分析等方面均有应用，特别是在生物分离工业中，它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，从而使其能广泛应用于生物分离工程中。本文简单介绍了双水相萃取技术及其原理、特点，综述了双水相体系在生物工程、药物分析和金属分离等方面的应用，展望了双水相体系的应用前景。 

期末论文外文摘要

Research and application of aqueous two - phase system technique

Abstract: Phasepartitioning technology is a kind of high efficient mild new separation technique in biological pharmacy, analysis, testing, rare metals analysis were used, especially in biological separation industry, it and the traditional extraction and other separation technology compared with mild conditions, large quantity of operation, easy for operation, which makes its advantages such as extensively applied in biological separation engineering. This article simply introduces phasepartitioning technology and its principle, characteristics, summarized the aqueous two-phase system in biological engineering, drug analysis and metal separation of application, and looks forward to the aqueous two-phase system application prospect.

双水相萃取技术是一种高效温和的新分离技术。近年来，随着基因工程、蛋白质工程、细胞培养工程、代谢工程等高新生物技术研究工作的广泛展开，传统萃取技术已经适应不了时代的需要，一种高效温和的新型分离技术产生了——双水相萃取，该技术在生物制药、分析检测、稀有金属分析等方面均有应用，并表现出了相当好的性能，有望大规模的运用到分离提纯工艺中。本文将就双水相萃取技术的原理、特点和应用作一简述。

2  双水相萃取的原理及特点

2.1  双水乡体系的形成

早在16年, Beijerinck发现,当明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉溶液相混时,得到一个混浊不透明的溶液,随之分为两相,上相富含明胶,下相富含琼脂(或淀粉), 这种现象被称为聚合物的不相溶性（incompatibility），从而产生了双水相体系(Aqueous two phase system, ATPS)。将两种不同的水溶性聚合物的水溶液混合时，当聚合物浓度达到一定值，体系会自然的分成互不相溶的两相，这就是双水相体系。双水相体系的形成主要是由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物分子的空间阻碍作用，相互无法渗透，不能形成均一相，从而具有分离倾向，在一定条件下即可分为二相。一般认为只要两聚合物水溶液的憎水程度有所差异，混合时就可发生相分离，且憎水程度相差越大，相分离的倾向也就越大。

与一般的水—有机溶剂体系相比较，双水相体系中两相的性质差别(如密度和折射率等) 较小。由于折射率的差别甚小，有时甚至都难于发现它们的相界面。两相间的界面张力也很小，仅为10- 6 ～10 - 4N·m- 1 (一般体系为10 - 3～10 - 2N·m- 1)，界面与试管壁形成的接触角几乎是直角。

可形成双水相体系的聚合物有很多，典型的聚合物双水相体系有聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)/葡聚糖(dextran)。聚丙二醇(polypropylene glycol)/聚乙二醇和甲基纤维素(methylcellulose)/葡聚糖等。另一类双水相体系是由聚合物/盐构成的。此类双水相体系一般采用聚乙二醇(polyethylene glycol)作为其中一相成相物质，而盐相则多采用硫酸盐或者磷酸盐。

2.2双水相萃取技术的原理

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。溶质(包括蛋白质等大分子物质、稀有金属以及贵金属的络合物、中草药成分等)在双水相体系中服从Nernst[ 1]分配定律：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）系统固定时，分配系数为一常数，与溶质的浓度无关。当目标物质进入双水相体系后，在上相和下相间进行选择性分配，这种分配关系与常规的萃取分配关系相比，表现出更大或更小的分配系数。如各种类型的细胞粒子、噬菌体的分配系数都大于100或者小于0101，因此为物质分离提供了可能。水溶性两相的形成条件和定量关系常用相图来表示，以PEG/ Dextran体系的相图为例(图1[2 ] )，这两种聚合物都能与水无限混合，当它们的组成在图1曲线的上方时(用M点表示)体系就会分成两相，分别有不同的组成和密度，轻相(或称上相)组成用T点表示，重相(或称下相)组成用B表示。C为临界点，曲线TCB称为结线，直线TMB称为系线。结线上方是两相区，下方是单相区。所有组成在系统上的点，分成两相后，其上下相组成分别为T 和B。M点时两相T和B的量之间的关系服从杠杆定律，即T和B相重量之比等于系线上MB与MT的线段长度之比。

图1 　PEG/ Dextran体系的相图

2.3双水相萃取技术的特点

双水相萃取成为新兴生物技术产业研究的热点，主要是该技术对于生物物质的分离和纯化表现出特有的优点和独有的技术优势。双水相体系萃取技术具有如下特点：

(1)双水相系统之间的传质和平衡过程速度快，回收效率高，相对于某些分离过程来说，能耗小，速度快。如选择适当体系，回收率可达80%，倍数可达2~20倍；

(2)含水量高(70 %～90 %)，是在接近生理环境的温度和体系中进行萃取，会引起生物活性物质失活或变性；

(3)分相时间短，自然分相时间一般为5～15min；

(4)相体系的相间张力大大低于有机溶剂与水相之间的相间张力，相分离条件温和，因而会保持绝大部分生物分子的活性，而且可直接用在发酵液中。如潘杰等人用双水相技术直接从发酵液中将丙酰螺旋酶素与菌体分离、纯化[3]；

(5)大量杂质能与所有固体物质一同除去，使分离过程更经济；

(6)易于放大，各种参数可以按比例放大而产物收率并不降低。Albertson证明了分配系数仅与分离体积有关，这是其他过程无法比拟的，这一点对于工业应用有位有利；

(7)易于进行连续化操作[4]，设备简单，且可直接与后续提纯工序相连接，无需进行特殊处理；

(8)不存在有机溶剂残留问题，高聚物一般是不挥发性物质，因而操作环境对人体伤害很小以至基本无害；

(9)影响双水相体系的因素比较复杂，从某种意义上说，可以采取多种手段来提高选择性或提高收率；

(10)操作条件温和，整个操作过程在常温常压下进行；

(11)亲和双水相萃取技术可以提高分配系数和萃取的专一性。

由于双水相萃取具有上述优点，因此，被广泛用于生物化学、细胞生物学和生物化工等领域的产品分离和提取。

常用的双水相体系如表1 所示［5］。

2.4影响因素

物质在双水相体系中的分配系数不是一个确定的量，它要受许多因素的影响(表2) 。对于某一物质，只要选择合适的双水相体系，控制一定的条件，就可以得到合适的(较大的)分配系数，从而达到分离纯化之目的，包括直接从细胞破碎匀浆液中萃取蛋白质而无须将细胞碎片分离，改变体系的pH值和电解质浓度可进行反萃取。

表2  影响生物物质分配的主要因素

2.4.1聚合物及分子量的影响

不同聚合物的水相系统显示出不同的疏水性，水溶液中聚合物的疏水性按下列次序递增：葡萄糖硫酸盐< 甲基葡萄糖< 葡萄糖< 羟丙基葡聚糖< 甲基纤维素< 聚乙烯醇< 聚乙二醇< 聚丙三醇，这种疏水性的差异对目的产物与相的相互作用是重要的。同一聚合物的疏水性随分子量增加而增加，其大小的选择依赖于萃取过程的目的和方向，若想在上相获得较高的蛋白质收率，对于PEG聚合物,应降低它的平均分子量，相反，若想在下相获得较高的蛋白质收率，则平均分子量应增加。

2.4.2  PH值的影响

体系的pH值对被萃取物的分配有很大影响，这是由于体系的pH值变化能明显的改变两相的电位差，如体系pH 值与蛋白质的等电点相差越大，则蛋白质在两相中分配越不均匀。

2.4.3  温度的影响

分配系数对温度的变化不敏感，这是由于成相聚合物对蛋白质有稳定化作用，所以室温操作活性收率依然很高，而且室温时粘度较冷却时(4 ℃) 低，有助于相的分离并节省了能源开支。

3展望与结束语

随着新世纪高新生物技术的广泛展开，双水相萃取技术作为一种新型的分离技术，可以利用不复杂的设备、并在温和条件下进行简单的操作就可获得较高收率和有效成分，克服了常规萃取有机溶剂对生物物质的变性作用，在萃取过程中保持生物物质的活性及构象等明显的技术优势，并且取得了一些阶段性的成果，在生物工程、药物分析、金属分离等方面有着广阔的应用前景。生物技术的发展，必将促进双水相萃取体系的完善，包括新萃取体系的开发[20～22 ]、工艺优化、萃取剂回收、体系分相技术、萃取设备和基础理论研究等，从而更显示出双水相分离技术在生物物质分离的独特优点。今后，随着对双水相体系研究的深入，以及其他双水相体系的不断开发，例如离子液体双水相体系，其形成机理，热力学模型、动力学模型以及工艺技术等方面的问题最终会被突破和解决，其应用领域将进一步拓宽，双水相萃取将会成为一种优良的分离技术。

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