第28卷 第1期 2014钲 3月 齐鲁工业大学学报 JOURNAL OF QILU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo1.28 No.1 Mar. 2014 文章编号:1004—4280(2014)O1—0023—05 双水相萃取的应用研究进展 姜秀敏 ,卢艳敏 ,张 雷 (1.齐鲁工业大学食品与生物工程学院,山东济南250353; 2.齐鲁工业大学体育与文化产业学院,山东济南250353) 摘要:双水相萃取是一种新型的用于提取、分离、纯化的技术,目前的研究证明双水相萃取已经应用于生物分子分 离、污水处理、贵金属分离、生物合成、检测等方面,而且由于其本身的易于扩大,成本低、快速、高效等优势,应用前 景会更加广阔。 关键词:双水相;提取;分离;纯化 中图分类号:TS202.3 文献标识码:A The appfication research and progress of aqueous two-phase Extraction JIANG Xiu.min ,LU Yan.min ,ZHANG Lei ,TAN Cong—ping ,LIANG Yan ,CUI Bo (1.College of Food and Biology Engineering,Qilu University of Technology,Jinan 250353,China; 2.College of Spots and Culture Industry,Qilu University of Technology,Jinan 250353,China) Abstract:Aqueous two-phase extraction is a new kind of technology for extraction,separation and purii— fcation.As shown in previous aqueous two—phase extraction has been used in biological molecular separa— tion,wastewater treatment,separation of precious metals,biosynthesis and detection,etc.Because of its ad- vantages on easy to expand,low cost,fast and eficient,its applicatifon prospect will be much broader. Key words:aqueous two—phase system;extraction;separation;purification 双水相是指某些高聚物之间或高聚物与无机盐 之间在水中以一定的浓度混合而形成互不相容的两 量以及聚合物部分间的相互作用,聚合物混合物的 成相归因于聚合物的高分子量以及聚合物部分间的 相互作用; 1.2高聚物/无机盐双水相体系 相。由于溶质在两相间的分配系数的差异而进行萃 取的方法即为双水相萃取….双水相萃取被广泛用 于生物化学、细胞生物学和生物化工等领域的产品 分离和提取中。 对于高聚物来说,使用较多的是PEG,对于成 相盐来说,盐的类型和浓度都会影响成相,通常在单 一的聚合物一水体系中足够高浓度的盐能导致相分 的上相。 1双水相体系的分类 目前来说,双水相体系共分为五类: 1.1 高聚物/高聚物双水相体系 离,产生一个高盐低聚合物的下相和低盐高聚合物 1.3 亲水性低分子有机物/无机盐双水相体系 C2H5OH/K2CO3、1一propano/(NH4)2SO4、2一 PEG/Dextran,PEG/ ̄基纤维素糖,PEG/变性淀 粉等;聚合物混合物的成相归因于聚合物的高分子 收稿日期:2013—10—29 propanol/k2HPO4、acetone/NaCl。目前对这一体系 的相分离现象的解释主要是无机盐、有机溶剂与水 基金项目:山东省高等学校科技计划项目(J11LC12) 作者简介:姜秀敏(1989一),女,山东省菏泽市人,齐鲁工业大学硕士研究生,研究方向:功能食品与食品添加剂 齐鲁工业大学学报 第28卷 分子缔合竞争的结果l2 J。 1.4表面活性剂双水相体系 正负离子表面活性剂双水相体系 J、非离子表 面活性剂双水相体系 和正离子型表面活性剂双 水相体系。 1.5 离子液体/盐双水相体系 2双水相萃取的应用 2.1 在生物大分子分离纯化方面的应用 蛋白质、酶、多糖、核酸等大分子物质可以利用 双水相进行分离、纯化,双水相体系由于其温和的特 性,能够保持酶本身应有的活性,所以利用双水相萃 取技术分离纯化酶得到广泛的应用。 Amid等 人研究了利用表面活性剂/盐双水相 体系纯化鹊肾树叶中的丝氨酸蛋白酶,在提取条件: 31%普朗尼克L61,0.3%KNO ,50%原料提取液 (pH7.0)下,酶的纯化倍数和得率分别达到10.3, 92%。 Nandini等 人用PEG6000/Na2 HPO4双水相对 脂肪酶进行提取,得出脂肪酶活性回收率是116%, 纯化倍数2.25。 JianMin X等 人先用双水相在18% PEG2000,25%硫酸铵,pH 3.0,0.3 M NaC1的条件 下提取芦荟多糖,接着用膜超滤分离纯化芦荟多糖。 Loc等人 人首先利用40%PEG/18%K3PO4 (pH7.0)双水相室温下纯化仅一淀粉酶,酶的分配得 率是93.45%,比活364.36 U/mg蛋白,浓缩蛋白酶 的上相以7:3的体积比与30%K PO 混合,经过两 步纯化,酶的纯化倍数达到3.56,回收率59.37%。 2.2在天然产物中提取小分子物质方面的应用 天然产物中存在许多对人体有益的活性小分子 物质,但是提取一直以来都是高投入低回收,目前许 多活性物质大多数是利用化学合成来满足人们的需 求,但是化学合成物质的效果和天然活性成分比,仍 有一定的差距,人们一直在寻找能够同时达到高提 取率和高纯度的方法,以降低成本。目前有很多关 于双水相分离纯化活性小分子的研究。 Tianwei T等 人用60%(v/v)C2H5OH/15% (w/v)磷酸盐形成的双水相体系从乌拉尔甘草提取 液中分离甘草酸,在此条件下甘草酸的回收率为 92%,纯化倍数2/6。 Guo等¨。。人用(NH4)2SO4/C2H5OH双水相体 系结合超声提取丹参中的紫草酸B,在最佳条件 22%(w/w)(NH4)2SO4/30%(w/w)C2H5OH、料液 比10、超声功率572.1 W,超声时间42.2 min, 25 qC,pH2.0下,紫草酸B的得率为42.49 mg/g,纯 度达到55.28%(w/w)。 C16udio等 人利用离子液体/无机盐双水相 体系从天然产物中提取没食子酸,结果表明,在低 pH下不带电荷的没食子酸趋向于离子液富集相,并 且在酸性条件下提取率得到提高。 Wu等¨ 人通过响应面法优化双水相提取谷胱 甘肽,得出最优提取条件是:PEG分子量6000、10% PEG、14%Dextran、pH5.2、温度32℃。此时,谷胱 甘肽的提取率高达83.55%。 Zhang等 人用阳离子(SDS)和阴离子 (CATB)表面活性剂双水相体系提取茶氨酸,在 SDS/CTAB比值2.8/7.2时,茶氨酸提取率高达 95.2%。 2.3在医药行业的应用 双水相体系不仅可以用于分离医药行业需要的 细胞,还可以用来高效的提取抗生素。抗生素不仅 能杀灭细菌,而且对支原体、衣原体等致病微生物也 具有良好的抑制及杀灭效果。所以双水相萃取技术 在医药行业得到广泛认可。 Sousa等 人利用免疫亲和性PEG/Dextran双 水相体系从脐带血中分离造血干细胞/源细胞,针对 造血干细胞CD34表面抗原的单克隆抗体用于直接 分离脐带血中的造血干细胞到PEG相中,干细胞的 回收率达到95%,纯化因子达到245。 刘庆芬等 研究表明亲水性离子液体1一丁基 一3一甲基咪唑四氟硼BF 和NaH PO 形成的双水相 体系能够快速从青霉素水溶液中萃取青霉素G,最 佳条件为NaH PO4・2H O 36%~38%(w/w)、青霉素 浓度50000 ug/mL、离子液40%一45%(v/v),萃取 率可高达93.7%。 马春宏等 钊人用亲水性离子液体四氟硼酸1一 丁基一3一甲基咪唑(BF4)和NaH PO 组成的双水 相体系萃取分离四环素,结果显示离子液体1。0~ 2.0 mL,四环素1.8 mL,NaH2PO4质量分数33.3% ~38.5%下,四环素的萃取率高于95%。 2.4在废水处理方面的应用 工厂排放的废水中往往既含有大量的对环境污 染性极大的物质,如酚类物质及一些镉等金属污染 物,也含有一些可以回收循环利用的物质,所以对废 水的处理意义重大,亟需一种快速高效的方法来解 决这些问题。近年来,很多研究者开始利用双水相 进行废水处理。 曹文等 人用正交实验优化1一propanol/ 第1期 姜秀敏,等:双水相萃取的应用研究进展 (NH ) SO 双水相体系去除医药、橡胶等行业生产 过程中排放的废水中的对氨基酚,得出最佳条件:1 -propanol 20 mL、15 g(NH4)2SO4 pH4.5,连续萃取 3次,对氨基酚萃取率高达99.41%。 张焱等¨ 人利用1-propanol/(NH )2SO 双水 相体系除去电镀废水中镉缔合物。萃取原理是利用 Cd(II)与乙基紫(EV)、KI缔合后,加入1一propanol一 水双水相体系萃取分离镉,无EV的情况下,镉的萃 取率只有68%,而加入毫克级用量的EV后,镉能够 完全分离。 草甘膦废水是化工农药行业生产草甘膦粉剂、 水剂过程中排出的高浓度有机废水,其中笛有1% ~2%的草甘膦或其铵盐,接近饱和的NaC1及少量 三乙胺等胺类杂质 。余龙等 人利用草甘膦生 产废水中接近饱和的NaC1与1一propanol结合形成 双水相体系,以此达到分离富集草甘膦生产废水中 草甘膦铵盐的目的。最佳条件下,草甘膦铵盐双水 相萃取效率高达90.7%。 2.5 在手性分子识别分离方面的应用 手性分子,是化学中结构上镜像对称而又不能 完全重合的分子。手性分子在药力、毒性等方面往 往存在差别,有的甚至作用相反,所以获得药物的单 一旋光手性化合物意义重大。目前,利用双水相分 离手性分子达到了较高水平。 王珍等 ¨人用含手性选择剂B一环糊精的30% (w/w)PEG 2000/20%(w/w)(NH4)2SO4双水相体 系手性萃取拆分扁桃酸外消旋体,结果表明双水相 体系具有很强的手性分离能力,最佳条件下分离因 子高达2.46,上、下相对应体过剩值分别为42.13% 和40.43%。 Chen等 人用含有手性选择剂B一环糊精和 HP一13一环糊精的PEG/(NH ) SO 双水相体系提取 苯丙氨酸对映体,在最优的手性提取条件下对映选 择性达到1.53。最佳条件是:30%PEG2000,20% (NH ):SO ,手性选择剂(p一环糊精:HP—p一环糊精 =1:1)浓度0.01 mol/L,苯丙氨酸浓度3.0 mol/L, 温度25℃,pH 5.5。 2.6在生物合成方面的应用 许多生物反应过程存在产物的反馈抑制高浓度 的产物抑制细胞的生长,降低生物催化剂的活 力 ,目的产物往往和大量的底物、副产物混杂在 一起,反应体系的组成极其复杂,产物分离困难,分 离时间长,分离效率低,制约着生物技术产业化的快 速发展 J。双水相的出现帮助人们解决了这些复 杂的问题。 朱建航等 人利用双水相体系耦合酶法合成 头孢氨苄,最终选择20%(w/w)PEG400和12% MgSO ,头孢氨苄的分配系数是6.1,苯甘氨酸甲酯 的分配系数为1.5,7一ADCA的分配系数为1.2。且 青霉素酰化酶的分配系数小于0.01。这种分配特 性有利于耦合反应,在此方法下,头孢氨苄的产率达 到60%,远大于水系20%的产率。 蔡晓生l2 利用双水相共聚合成阴离子型聚丙 烯酰胺,利用偶氮类引发剂引发丙烯酞胺(AM)进 行双水相共聚合,得到了稳定的阴离子型聚丙烯酞 胺(APAM)水分散液。 2.7在测定方面的应用 刘奇等l2 人用c H OH/(NH ):SO 双水相体 系以及分光光度法测定粮食中微量钼,原理是在 pH3的条件下,钼与钼与水杨基荧光酮形成1:2的 稳定红色络合物,在双水相体系的乙醇相中,该络合 物的最大吸收波长为516 nm,与单一水溶液中络合 物相比,红移了2 nm波长。此方法的方法的检出限 (3S/N)为0.06 mg/L。回收率为97.4%一100. 1%。 龙文清 等人用C H OH/(NH ) s0 双水相 体系萃取、荧光法测定 一萘乙酸,在最佳体系条件 下,测定o【一萘乙酸的线性范围2.4x10~~5.2x10 mol/L,检出限7.8×10一mol/L,回收率95%~ 103%,相对标准偏差2.2%~4.3%。 唐仕松等 人用2一propanol/(NH ) SO 双水 相体系选择性分离富集维生素B12并且用电热原 子吸收法测定,萃取后富集倍数为1 1.8,检测线性 范围2~100 L,检出限为0.6 g/L(3or,n=11), 相对标准偏差为2.8%(50 gZL,n=9)。加标回收 率在97%~104%。 2.8在贵金属分离方面的应用 贵金属的分离提取及纯化技术主要有火法和湿 法两类,但是这两种方法的成本高、收率低,所以用 经济有效、环境友好的方法提取贵金属是大家共同 追求的目标,双水相以其独特的优势逐渐被使用在 贵金属提取纯化方面。 高云涛 。。用1一propanol/盐双水相体系和盐诱 导浮选分离法实现了铂、钯、锗、铱、金、锇、等贵金属 元素的分离,改变了传统较难分离惰性贵金属铑、铱 等的情况,并且此种方法易于扩大化。 张磊_3 用氧化酸浸泡除去处理成70—200目 的废弃电子印刷线路板中的其它金属后,用王水溶 解剩余含金固体,在PEG2000质量浓度15%、 (NH ):SO 质量浓度20%、温度25 oC、pH=1的条 26 齐鲁工业大学学报 第28卷 件下,金的3次萃取率超过了97%。 2.9和其它技术的结合 郅文波等 人利用双水相体系在高速逆流色 谱仪中分离鸡蛋清中的蛋白质,第一步成功分离细 胞色素C、溶菌酶和血红蛋白,接着在15%PEG1/ 17%K PO 盐双水相体系下成功分离了卵白蛋白、 溶菌酶和卵转铁蛋白。 翟素玲等 人将PEG/dextran双水相体系耦 合电泳初步探索了苯丙氨酸和色氨酸的分离。 周安存等 人集成c2H OH/(NH ) SO 按时 双水相体系与微波提取分离石榴皮多酚,提取率达 到18.33%,多酚在除提物中的含量75.36%。 董娜等 人把双水相和壳聚糖沉淀相结合分 离纯化猪胃蛋白酶,最佳条件下,纯化倍数达到 7.83。 罗凯文等 人用C H3OH/(NH4)2SO4铵双水 相体系在加热回流的条件下纯化防己粉末中粉防己 碱,防己得率为19.80 m g,纯度为20.30%。 3结论与展望 双水相由于具有条件温和、易于放大、提取量大 等特有的优势,目前已经应用在化学、生物、医药等 各个行业,和其它方法的结合也弥补了很多生产中 的不足,不仅快速高效,而且能够降低成本,减少工 艺。但是也存在一些局限性,如对于有些物质来说, 双水相萃取能够达到极高的提取率,但是引入的物 质使得后序处理比较麻烦,在人们对生活环境要求 越来越高的前提下,研究开发出更多新型廉价易于 处理的环境友好的双水相体系意义相当重大。对某 些双水相体系的分配机理目前还缺乏一定的研究, 所以需要更进一步的探索,用理论来指导实践。 参考文献: 邓静,吴华昌,赵树进.双水相技术在酶分离纯化中的运用 [J].氨基酸和生物资源,2004,26(1):72—75. 李丽敏,尚庆坤.亲水有机溶剂/无机盐双水相萃取技术在分 离提纯生物物质中的应用[J].光谱实验室,2011,28(6):3073 -3078. 周莉,汤皎宁,黄成等.SDS/CPC混合表面活性剂双水相体系 [J].深圳大学学报理工版,2007,24(1):59—63. 藤弘霓,管玉翠.非离子型表面活的双相性质及萃取作用[J]. 化工学报,2003,54(11):1646—1649. 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