藥物萃取技術-反膠團萃取技術（制藥技術課件）

反膠團萃取概述大綱1.反膠團的形成及特征2.反膠團的構造3.反膠團的分類概述--反膠團萃取技術（萃取技術）

表面活性劑：是指具有固定的親水親油基團，在溶液的表面能定向排列，并能使表面張力顯著下降的物質。

膠束的形成：當表面活性劑在溶劑中的濃度超過臨界膠束濃度（CMC）時，表面活性劑就聚集形成膠團。1.反膠團的形成及特征（1）反膠團的形成概述--反膠團萃取技術（萃取技術）正向膠團：表面活性劑分子在極性溶劑（如水）中形成的一種親水基團朝外，而疏水基團朝內的具有非極性內核的多分子聚集體。水非極性的“核”極性“頭”非極性“尾”概述--反膠團萃取技術（萃取技術）1.反膠團的形成及特征（1）反膠團的形成反向膠團：在有機溶劑中形成親水基團向內，疏水基團向外的含有水分子內核的聚集體，即反膠團。非極性有機溶劑極性“頭”極性的“核”

po1arcore非極性“尾”反微團內溶解的水稱為微水相或水池概述--反膠團萃取技術（萃取技術）（1）反膠團的形成1.反膠團的形成及特征（3）反膠團

反膠團體系由水、有機相及表面活性劑組成，是表面活性劑分散于連續(xù)有機相中自發(fā)形成的一種具有微水池結構的油包水微乳液。反膠團：是兩性表面活性劑在非極性有機溶劑中親水性基團自發(fā)地向內聚集而成的、內含微小水滴的、空間尺度僅為納米級的集合型膠體。是一種自我組織和排列而成的，并具熱力學穩(wěn)定的有序構造。反膠團的微小界面和微小水相具有兩個特異性功能：具有分子識別并允許選擇性透過的半透膜的功能；在疏水性環(huán)境中具有使親水性大分子如蛋白質等保持活性的功能。

1.反膠團的形成及特征概述--反膠團萃取技術（萃取技術）（4）反膠團萃取技術優(yōu)點①有很高的萃取率和反萃取率并具有選擇性；②分離、濃縮可同時進行，過程簡便；③能解決蛋白質（如胞內酶）在非細胞環(huán)境中迅速失活的問題；④由于構成反膠團的表面活性劑往往具有細胞破壁功效，因而可直接從完整細胞中提取具有活性的蛋白質和酶；⑤反膠團萃取技術的成本低，溶劑可反復使用等。1.反膠團的形成及特征概述--反膠團萃取技術（萃取技術）（1）反膠團的構造2.反膠團的構造表面活性劑的不同聚集體概述--反膠團萃取技術（萃取技術）（1）反膠團的構造2.反膠團的構造正膠團、反膠團示意圖概述--反膠團萃取技術（萃取技術）

(2)形成反膠團常用的表面活性劑的種類

表面活性劑的存在是構成反膠團的必要條件，有三類表面活性劑都可在非極性溶劑中形成反膠團。

陰離子表面活性劑：AOT

陽離子表面活性劑：CTAB

非極性有機溶劑：環(huán)己烷，庚烷，辛烷等分離蛋白質時，使用最多的是陰離子型表面活性劑AOT。2.反膠團的構造概述--反膠團萃取技術（萃取技術）11陰離子表面活性劑AOT：丁二酸－2－乙基己基磺酸鈉這種表面活性劑容易獲得，其特點是具有雙鏈，極性基團較小、形成反膠團時不需加助表面活性劑，并且形成的反膠團較大，半徑為170nm，有利于大分子蛋白質進入。概述--反膠團萃取技術（萃取技術）12陽離子表面活性劑CTAB(cetyl-methyl-ammoniumbromide)溴化十六烷基三甲胺/十六烷基三甲基胺溴

CTAB溶于有機溶劑形成反膠束時，與AOT不同，還需加入一定量的助溶劑(助表面活性劑)。這是因為它們在結構上的差異造成的。概述--反膠團萃取技術（萃取技術）常用的表面活性劑及其相應的有機溶劑概述--反膠團萃取技術（萃取技術）（3）助表面活性劑

蛋白質的分子量往往很大，超過幾萬或幾十萬，使表面活性劑形成的反膠團的大小不足以包容大的蛋白質，而無法實現(xiàn)萃取，此時加入一些非離子表面活性劑，使它們插入反膠團結構中，就可以增大反膠團的尺寸，溶解相對分子質量較大的蛋白質。2.反膠團的構造概述--反膠團萃取技術（萃取技術）3.反膠團體系的分類（1）單一表面活性劑反膠團體系：①陰離子型。在反膠團萃取蛋白質使用最多的是陰離子型表面活性劑（琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸鈉，簡稱AOT）。適用于等電點較高的、相對分子量較小的蛋白質的分離。②陽離子型，如TOMAC（氯化三辛基甲銨）、CTAB（溴代十六烷基三甲胺）等。該體系適用于等電點較低的、相對分子量較大的蛋白質的分離。③非離子型表面活性劑，能形成更大的反膠團體系，能分離相對分子量更大的蛋白質，但這類體系容易乳化。概述--反膠團萃取技術（萃取技術）(2)混合表面活性劑反膠團體系：

是指兩種或兩種以上表面活性劑構成的體系，一般來說，混合表面活性劑反膠團對蛋白質有更高的分離效率。(3)親和反膠團體系：

是指除了有組成反膠團的表面活性劑以外，還有具有親和特征的助劑，它的親和配基與蛋白質特異性的結合，往往極少量親和配基的加入就可使萃取蛋白質的選擇性大大提高。概述--反膠團萃取技術（萃取技術）反膠團萃取設備大綱1.膜萃取器2.離心萃取器3.混合澄清槽反膠團萃取設備--反膠團萃取技術（萃取技術）4.微分萃取設備1.膜萃取器

（1）管狀超濾膜用管狀陶瓷超濾膜截留含有磷脂酶的反膠團，實現(xiàn)了對生物產品的部分分離。含有磷酯酶的發(fā)酵液經過泵進入到陶瓷超濾膜組件中，磷酯酶被截留在膜內，萃余相則返回到反應器，從而實現(xiàn)磷酯酶的分離。

反膠團萃取設備--反膠團萃取技術（萃取技術）（2）中空纖維膜

中空纖維管是另一類被廣泛用于液-液分離的膜萃取器。它具有很大的比表面積，且與反膠團技術相結合能減少蛋白質的失活，是一項很有實用前景的生物分離技術。

反膠團萃取設備--反膠團萃取技術（萃取技術）1.膜萃取器

2.離心萃取器

反膠團溶液-水-蛋白質所組成的萃取體系，由于表面活性劑的存在，界面張力低，易乳化。另外，由于萃取的目標產物是蛋白質，易變性失活。為了盡量避免蛋白質的變性，應盡量縮短操作時間，因而反膠團離心萃取是一項很合適的蛋白質萃取分離技術。

反膠團萃取設備--反膠團萃取技術（萃取技術）3.混合澄清槽

混合-澄清式萃取器是一種最常用的液-液萃取設備，該設備由料液與萃取劑的混合器和用于兩相分離的澄清器組成，可進行間歇或連續(xù)的液-液萃取。但該設備最大的缺點是反膠團相與水相相混合時，混合液易出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，從而增加了相分離時間。反膠團萃取設備--反膠團萃取技術（萃取技術）4.微分萃取設備（1）噴淋塔萃取器

噴淋塔是一種應用廣泛的液-液微分萃取設備，具有結構簡單和操作彈性大等優(yōu)點，在反膠團萃取方面受到了人們的關注。尤為重要的是，當用于含有表面活性劑的反膠團體系時，所需輸入的能量很低，故不易乳化，從而縮短了相分離時間。但噴淋塔的缺點是連續(xù)相易出現(xiàn)軸向反混，從而降低萃取效率。

反膠團萃取設備--反膠團萃取技術（萃取技術）（2）轉盤萃取塔

轉盤萃取塔（RDC）可用于蛋白質的萃取分離。右圖是RDC萃取蛋白質的示意圖，反膠團相為分散相，水相為連續(xù)相。轉盤塔的優(yōu)點是單位塔高的效率高、高產量、操作彈性大和低能耗等。缺點是體系易出現(xiàn)乳化和返混現(xiàn)象。反膠團萃取設備--反膠團萃取技術（萃取技術）4.微分萃取設備反膠團萃取原理反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）大綱1.反膠團萃取原理與過程3.影響反膠團萃取蛋白質的主要因素2.反膠團萃取的特點1.反膠團萃取原理與過程

從宏觀上看反膠團萃取，是有機相－水相間的分配萃取，和普通的液液萃取在操作上具有相同特征。

微觀上，是從主體水相向溶解于有機溶劑相中的反膠團微水相中的分配萃取。

從原理上，可當做“液膜”分離操作的一種。反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）（1）反膠團萃取原理

當含有蛋白質的水相與含表面活性劑的有機相接觸后，兩相界面處存在著表面活性劑，且有機相內含有反膠團。反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）（1）反膠團萃取原理1.反膠團萃取原理

蛋白質進入反膠團是協(xié)同作用。

在有機相和水相相界面間的表面活性劑，同臨近的蛋白質分子發(fā)生靜電吸引而變性，接著兩界面形成含有蛋白質的反膠團然后擴散到有機相中，從而實現(xiàn)了蛋白質的萃取。

當反膠團相與含有蛋白質的水相混合，蛋白質能溶于反膠團的“水池”中。由于水和表面活性劑在蛋白質表面形成一層“水殼”，使蛋白質不與有機相接觸而得到有效保護。反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）1.反膠團萃取原理與過程（1）反膠團萃取原理

a、水殼模型：蛋白質位于水池的中心，周圍存在的水層將其與反膠團壁隔開；反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）1.反膠團萃取原理與過程（2）反膠團溶解蛋白質的形式b、半島模型：蛋白質表面存在強烈疏水區(qū)，該區(qū)直接與有機相接觸；c、蛋白質吸附于反膠團內壁；d、蛋白質疏水區(qū)與幾個反膠團的疏水尾發(fā)生相互作用，被幾個小反膠團所“溶解”。

水相中的溶質進入反膠團相需經歷三步傳質過程：

①通過表面液膜從水相到達相界面；

②在界面處溶質進入反膠團中；

③含有溶質的反膠團擴散進入有機相。反萃取操作中溶質亦經歷相似的過程，只是方向相反，即在界面處溶質從反膠團內釋放出來。反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）（3）反膠團萃取過程1.反膠團萃取原理與過程

反膠團的微小界面和微小水相具有兩個特異性功能

(1)具有分子識別并允許選擇性透過的半透膜的功能；

(2)在疏水性環(huán)境中具有使親水性大分子如蛋白質等保持活性的功能。

反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）1.反膠團萃取原理與過程（4）反膠團溶解蛋白質的形式反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）2.反膠團萃取的特點

（1）進入有機相的生物大分子被表面活性分子所屏蔽，從而避免了與有機溶劑相直接接觸而引起的變性，失活。

（2）pH、離子強度、表面活性劑濃度等（如下表）因素會對反膠團萃取產生影響。

表1決定分配系數(shù)K的分離場-分離物質間的相互作用

對分離場（反膠團）-待分離物質（生物大分子等）的相互作用加以控制，能實現(xiàn)對目的物質高選擇性的萃取和反萃取。（3）有機相內反膠團中微水相體積最多僅占有機相的幾個百分點，所以它同時也是一個濃縮操作。

（1）水相pH值對萃取的影響

表面活性劑的極性頭是朝向反膠團的內部，使反膠團的內壁帶有一定的電荷，而蛋白質是一種兩性電解質，水相的pH值決定了蛋白質分子表面可電離基團的離子化程度，當?shù)鞍踪|所帶電荷與反膠團內所帶電荷的性質相反時，由于靜電引力，可使蛋白質轉移到反膠團中；相反，當水相pH大于等電點時，由于靜電斥力，使溶入反膠團的蛋白質反向萃取出來，實現(xiàn)了蛋白質的反萃取。反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）3.影響反膠團萃取蛋白質的主要因素（2）離子強度對萃取率的影響

離子強度的影響主要是由離子對表面電荷的屏蔽作用所決定的：a.離子強度增大后，使反膠團內表面的雙電層變薄，減弱了蛋白質與反膠團內表面之間的靜電吸引，從而減少蛋白質的溶解度；b.反膠團內表面的雙電層變薄后，也減弱了表面活性劑極性基團之間的斥力，使反膠團變小，從而使蛋白質不能進入其中；c.離子強度增加時，增大了離子向反膠團內“水池”的遷移并取代其中蛋白質的傾向，使蛋白質從反膠團內被鹽析出來；d.鹽與蛋白質或表面活性劑的相互作用，可以改變溶解性能，鹽的濃度越高，其影響就越大。反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）3.影響反膠團萃取蛋白質的主要因素（2）離子強度對萃取率的影響

如離子強度(KCl濃度)對萃取核糖核酸酶a,細胞色素c和溶菌酶的影響,在較低的KCl濃度下，蛋白質幾乎全部被萃取，當KCl濃度高于一定值時,萃取率就開始下降，直至幾乎為零。當然，不同蛋白質開始下降時的KCl濃度是不同的。反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）3.影響反膠團萃取蛋白質的主要因素（3）助表面活性劑的影響

蛋白質的分子量往往很大，超過幾萬或幾十萬，使表面活性劑形成的反膠團的大小不足以包容大的蛋白質，而無法實現(xiàn)萃取，此時加入一些非離子表面活性劑，使它們插入反膠團結構中，就可以增大反膠團的尺寸，溶解相對分子質量較大的蛋白質。（4）溶劑體系的影響

溶劑的性質，尤其是極性，對反膠團的形成和大小都有影響。常用的溶劑有：烷烴類（正己烷、環(huán)己烷、正辛烷、異辛烷等）。有時也使用助溶劑，如醇類?？梢哉{節(jié)溶劑體系的極性，改變反膠團的大小，增加蛋白質的溶解度。反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）3.影響反膠團萃取蛋白質的主要因素（5）離子種類對萃取的影響通常反膠團中表面活性劑的極性基團不是完全電離的，極性基團的電離程度愈大，反膠團內表面的電荷密度愈大，產生的反膠團也愈大。反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）3.影響反膠團萃取蛋白質的主要因素（6）溫度的影響溫度是影響蛋白質萃取率的一個重要因素。一般來說,增加溫度能夠增加蛋白質在有機相的溶解度，使反膠團的含水量下降,因而不利于蛋白質的萃取。通過提高溫度可以實現(xiàn)蛋白質的反萃取。反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）3.影響反膠團萃取蛋白質的主要因素（7）蛋白質分子量和濃度蛋白質的分子量對其萃取率有較大影響。例如溶菌酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶的分子量分別為14300、23300、35000,AOT/異辛烷反膠團萃取它們的最大萃取率分別約為100%、90%、30%,表明分子量越大的蛋白質越難萃取。用AOT反膠團體系萃取血紅蛋白時發(fā)現(xiàn),蛋白質濃度高時,萃取率降低;而蛋白質濃度低時,萃取率較高。反膠團萃取原理--反膠團萃取技術（萃取技術）3.影響反膠團萃取蛋白質的主要因素反膠團萃取在分離工藝中的應用大綱1.反膠團萃取的優(yōu)點與應用2.反膠團萃取的應用案例反膠團萃取在分離工藝中的應用--反膠團萃取技術（萃取技術）

反膠團是表面活性劑溶解在非極性有機溶劑中,當濃度超過臨界膠束濃度(CMC)后,自發(fā)形成的一種親水極性頭朝內、疏水長鏈尾朝外的納米級聚集體,其極性內核可增溶少量水,形成微“水池”。運用核磁共振、熒光色譜等手段對內核中水的特性研究表明,水池中的水與常態(tài)水相比,物理性質有所不同,它可以溶解某些親水性物質,如脂肪酶、蛋白質、核酸和氨基酸等生物活性物質,而且在此基礎上還可以溶解一些原本不能溶解的物質。反膠團萃取在分離工藝中的應用--反膠團萃取技術（萃取技術）1.反膠團萃取的優(yōu)點與應用反膠團萃取技術的應用萃取蛋白質α-淀粉酶、細胞色素c、核糖核酸酶、溶菌酶、α-胰凝乳蛋白酶、過氧化氫酶藥物反膠團超臨界CO2萃取日化行業(yè)提取化妝品原料功能性添加劑植物油、氨基酸、維生素等萃取蛋白質萃取抗體萃取抗生素反膠團萃取在分離工藝中的應用--反膠團萃取技術（萃取技術）反膠團萃取在分離工藝中的應用--反膠團萃取技術（萃取技術）（1）濃縮α-淀粉酶2.反膠團萃取的應用案例反膠團萃取在分離工藝中的應用--反膠團萃取技術（萃取技術）（2）直接提取胞內酶

如用CTAB/己醇－辛烷(1：9，V/V)體系反膠團溶液從棕色固氮菌細胞懸浮液中提取、純化胞內脫氫酶。菌體細胞在表面活性劑的作用下破裂。析出的胞內酶隨即進人反膠團的水池中，再通過加入合適的溶液改變環(huán)境，酶又能被反萃取，進入水溶液。2.反膠團萃取的應用案例

反膠團萃取的另一個應用是蛋白質的復性。重組DNA技術生產的大部分蛋白質，須溶于強變性劑中，以便從細胞中抽提出來。除去變性劑，進行復性的過程通常要在極稀的溶液中進行，以避免部分復性中間體的凝集。

利用反膠團包裹變性的蛋白質，通過調整系統(tǒng)組成的環(huán)境參數(shù)，使得每個微膠團只包裹一個蛋白質分子，然后改變膠團溶液組成進行復性，由于蛋白質被單獨裝在各個膠團中，復性時完全不接觸，避免了有害作用，使酶的活性完全恢復