双水相萃取技术研究现状与应用

1、双水相萃取技术研究现状与应用张琼琼天津科技大学摘要：双水相萃取技术是一种新型的高效温和的用于提取、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：双水相萃取；提取；分离；纯化 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，各种生化新产品不断涌现，但由于大部分的生物产品原液是具有低浓度和生物活性的，对分离条件以及环境要求及其苛刻，使得传统的液液萃取已不能适应分离要求，因此一种新型的液液分离技术-双水相萃取技术应运而生。双

2、水相萃取技术是利用组分在两水相间分配的差异而进行组分的分离提纯的技术。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的相关理论和经验，不存在有机溶剂残留问题，特别适用于生物物质的分离和提纯。目前，双水相萃取技术已被广泛应用于医药化学、细胞生物学、生物化工和食品工业等领域，被认为是生物下游工程中具有广阔前景的分离技术。 目前国内外对双水相萃取技术的研究主要集中在：(1)双水相体系成相机理及热力学模型的探索。由于双水相体系自身的复杂性，目前还没有一套完整的理论来解释双水相体系，近年来对双水相液液相平衡的热力学模型的研究非常活跃；(2)新型、高效、廉价的双水相体系

3、的开发。如用低分子有机物与无机盐所形成的双水相体系来分离提取中草药。这种双水相体系的引人，可以大大节约能耗，降低成本，简化操作流程，提高产品收率，为大规模工业化的实现提供了可能；(3)双水相萃取技术应用领域的拓展，利用其它相关技术对双水相萃取过程优化。如双水相技术与相关技术的集成问题，就充分地利用了双水相体系的技术和条件优势，为分离科学提供了新思维；(4)双水相萃取技术中体系的放大以及新工艺流程的开发等1。1 双水相萃取技术1.1 双水相体系的形成早在1896年，Beijerjnck2观察到，明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉溶液混合时，得到一种不透明的混合溶液，静置后可分为两相，上相中含有大部分的

4、明胶，下相中含有大部分琼脂（或淀粉），这种现象被称为聚合物的不相容性，从而产生了双水相。例如将2.2%（质量分数）的葡聚糖水溶液与0.72%的甲基纤维素的水溶液等体积混合静置后，可以得到两个液层，下层含有71.8%的葡聚糖，上层含有90.3%的甲基纤维素，两相的主要成分都是水。1.2 双水相体系类型在双水相体系中，常见的水溶性高聚物有：聚乙二醇（PEG）、聚丙二醇、甲基纤维素、聚丙烯乙二醇、吐温、聚氧乙烯类表面活性剂等；聚乙二醇/葡聚糖和聚乙二醇/无机盐是常用的双水相体系，由于葡聚糖价格昂贵，聚乙二醇/无机盐体系应用更为广泛，现把几种常见的双水相体系列于表1。表1 常见的双水相系统类型上相的组

5、分下相的组分非离子型聚合物/非离子型聚合物聚丙二醇甲基聚丙二醇，聚乙二醇，聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮，羟丙基葡聚糖聚乙二醇聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮，葡聚糖，聚蔗糖乙基羟乙基纤维素葡聚糖甲基纤维素葡聚糖，羟丙基葡聚糖非离子型聚合物/无机盐聚丙二醇硫酸钾聚乙二醇硫酸镁，硫酸钾，硫酸铵，硫酸钠，甲酸钠，酒石酸甲钠 高分子电解质/高分子电解质硫酸葡聚糖钠盐羧甲基纤维素钠盐羧甲基葡聚糖钠盐羧甲基纤维素钠盐非离子型聚合物/低分子量组分葡聚糖丙醇聚丙烯乙二醇磷酸钾，葡萄糖甲氧基乙二醇磷酸钾1.3 双水相萃取的基本原理3 双水相萃取与一般的水有机物萃取的原理相似，都是依据物质在两相间的选择性分配。当萃取体系的性

6、质不同，物质进入双水相体系后，由于分子问的范德华力、疏水作用、分子间的氢键、分子与分子之间电荷的作用，且标物质在上、下相中的浓度不同，从而达到分离的目的。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分配定律：K=Ci/Cb，其中Ci、Cb分别代表溶质在上相、下相中的浓度。 系统固定时，分配系数为一常数，与溶质的浓度无关。当目标物质进人双水相体系后，在上相和下相同进行选择性分配，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0.01，因此为物质分离提供了可能。1.

7、4 影响物质分配平衡的因素影响物质在双水相体系中分配的因素有很多，其中主要包括体系有机相组成(如有机物的类型、平均分子量等)、盐类(包括离子类型和浓度、电荷数、电解质强度、酸碱性等)、相比R(上下相的体积比)、溶质即目标物质的物理化学性质(包括分子量，等电点)，以及体系的温度、压力等。而这些参数并不是独立起作用的，所以要预测双水相体系间的分配系数是相当困难的。目前最常用的方法是用试验的方法来确定满足分配要求的操作条件。1.5 双水相萃取的特点4（1） 整个体系的含水量高（70%-90%），萃取是在接近生物物质生理环境条件下进行，故而不会引起生物活性物质失活或变性；（2） 单级分离提纯效率高。通

8、过选择适当的双水相系统，一般可获得较大的分配系数，也可调节被分离组分在两相中的分配系数，使目标产物有较高的效率；（3） 传质速率快，分相时间短。双水相系统中两相的含水量一般都在80%左右，界面张力远低于水-有机溶剂两相体系，故传质过程和平衡过程快速；（4） 操作条件温和，所需设备简单。整个操作过程在室温下进行，相分离过程非常温和，分相时间短。大量杂质能与所有固体物质一起去掉，大大简化分离操作过程；（5） 过程易于放大和进行连续化操作。双水相萃取易于放大，各种参数可以按比例放大而产物收率并不降低，易于与后续提纯工序直接相连接，无需进行特殊处理，这对于工业生产来说尤其有利；（6） 不存在有机溶剂残

9、留问题，高聚物一般是不挥发性物质，因而操作环境对人体无害；（7） 双水相萃取处理容量大，能耗低。主要成本消耗在聚合物的使用上，而聚合物可以循环使用，因此生产成本较低。2 双水相萃取技术进展2.1 廉价双水相体系5的开发 高聚物一高聚物(PEGDextran系列)体系为常用的双水相体系，但该体系的成相聚合物价格昂贵，在工业化大规模生产时，从经济上丧失了该体系技术上的优势，因而寻找廉价的有机物双水相体系是双水相体系的一个重要的发展方向。廉价双水相体系的开发目前主要集中在寻找一些廉价的高聚物取代现用昂贵的高聚物。用变性淀粉(PPI')、乙基羟乙基纤维素(EHEC)、糊精、麦芽糖糊精等有机物代

10、替昂贵的葡聚糖(Dextran)，羟基纤维素、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等代替聚乙二醇(PEC)已取得了阶段性的成果。研究发现由这些聚合物形成的双水相体系的相图与PEGDextran形成的双水相体系相图非常相似，其稳定性也比PEGDextran双水相体系好，并且具有蛋白质溶解度大、黏度小等优点。2.2 新的双水相系统6 新型功能双水相系统是指系统中采用的聚合物易于回收或操作简便的双水相体系。此处就温度敏感型双水相体系、表面活性剂双水相体系、亲和功能双水相体系做一简单介绍。2.2.1 温度敏感型双水相体系 因为温度敏感型聚合物分子含有的亲水基团和疏水基团， 可与水分子形成氢键，

11、 温度变化诱导可改变氢键强弱导致聚合物在溶液相中的溶解度发生变化。温度敏感型双水相体系就是根据以上原理，在相分离过程中无需进行萃取后目标物与聚合物的分离和聚合物回收再利用， 只需通过温度变化诱导，就可使聚合物从溶液相分离出来。表面活性剂类聚合物及其改性聚合物是目前应用较多的温度敏感型聚合物， 包括随机共聚物EOPO（环氧乙烷和环氧丙烷的随机共聚物）、嵌段共聚物EOPOEO 系列、吐温（Tween） 和曲拉通（Triton） 等非离子表面活性剂、阴阳离子表面活性剂等。构成的常用双水相体系如EOPO/Dex/H2O体系、EOPO/ 盐/H2O 体系、EOPOEO/磷酸盐/H2O 体系、Triton

12、/H2O 体系等。 常用的水溶性温敏聚合物是随机共聚物EOPO，其中EO（环氧乙烷） 是亲水基团， PO（环氧丙烷）是疏水基团。当温度高于临界点（即浊点） 时，EOPO 聚合物水溶液分成上、下两相， 上相近乎纯水， 下相富含聚合物（通常含EOPO 40%60%）。从而使被萃取物得到分离和纯化， 并能实现EOPO 的回收和利用。2.2.2 表面活性剂双水相体系 表面活性剂双水相体系是指采用表面活性剂为聚合物材料的双水相体系。在一定浓度和混合比范围内、无任何外加物质的条件下， 将阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠和阳离子表面活性剂溴化十二烷基三乙铵进行混合， 可以形成两个互不混溶、平衡共存的水相，两相

13、均为很稀的表面活性剂水溶液（其总质量分数在1%以下）。该双水相体系操作成本低、萃取效果好，还能保证活性被萃取物质不失活。此外，当温度高于一定值时，非离子表面活性剂Triton/Tween 等和其他聚合物或水可以形成双水相体系，上相富含表面活性剂，下相为富水相或富聚合物相。应用该体系可以分离具有一定疏水性的水溶性蛋白质，当温度高于临界点（浊点）时，包含蛋白质的表面活性剂就会从水相中分离出来，从而萃取出目标蛋白。与其他的双水相体系相比，在表面活性剂的浓度很低（质量分数为1.0%左右）时就会产生相分离，而且不需要有机溶剂。4.2.3 亲和功能双水相体系 由于杂蛋白的存在，萃取目标蛋白存在萃取专一性不

14、高的问题。为了解决此问题，近年来借鉴亲和色谱的特点，发展了一种亲和双水相萃取技术。亲和双水相萃取技术是指在两种成相聚合物混合形成双水相体系前，将一种和目标蛋白有很强亲和力的配基（如离子交换基团、疏水基团、染料配基、金属螯合物配基以及生物亲和配基）与其中一种成相聚合物共价结合，这样在双水相体系进行萃取目标蛋白时，目标蛋白质就会专一性地进入结合有配基的成相聚合物所在相中，而其他杂蛋白则进入另一相。亲和双水相不仅具有萃取系统处理量大、放大简单等优点，而且具有亲和吸附专一性，分离效率高的特点。目前，该技术已被广泛应用于乙醇脱氢酶、丙酮酸激酶和核酸内切酶等酶以及细胞、细胞器、细胞膜等粒子的提取中。3 双

15、水相萃取的应用3.1 生物工程技术中物质的提取与纯化双水相萃取技术最先应用的领域是生物产品的分离，目前，双水相萃取技术已应用于蛋白质、生物酶、菌体、细胞以及氨基酸、抗生素等生物小分子物质的分离、纯化。朱自强等用PEG 2000 8%(质量分数)、(NH4)2SO2 20(质量分数)在pH=5.0，20时直接处理青霉素G发酵液，得出分配系数K=58.39，浓缩倍数为3.53，回收率为9367，青霉素G对糖的分离因子和对杂蛋白的分离因子分别为13.36和21.9。在此基础上，再安排了青霉素G的实验小试流程，得到了青霉素G的结晶，纯度为88.48，总收率达76.567。3.2 在医药行业8的应用 双

16、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PEGDextran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。3.3 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

17、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。 曹文等将丙醇硫酸铵双水相体系应用于焦化厂废水中酚类物质的萃取分离。对于50.0 mL含酚废水，最佳硫酸铵用量为18.0 g、正丙醇用量为30mL9。张星刚等采用聚乙二醇无水硫酸钠双水相体系萃取光度法测定锌，结果表明，当PEG2000溶液用量为4.5 mL、缓冲溶液pH值为7.4时，萃取率最高。还通过研究二苯碳酰二肼(DPC)一铬(VI)配合物在PEG2000Na2SO4双水相体系中的显色和萃取分离条件，建立了集萃取分离和Cr6+测定于一身的双水相萃取光度分析方法。结果表明，PEG2000溶液用量为4.0-6.0

18、mL、Na2S04用量为1.2 g、DPC用量为0.5mL时，效果最佳9。 3.4 在药物分析10中的应用 双水相萃取技术作为一种新型的萃取技术已经成功地应用于药物分析中。 梁华正等研究有机溶剂磷酸氢二钾双水相体系对栀子黄废液中栀子苷的萃取条件，并将萃取后的栀子苷用于栀子蓝色素的生产。根据分相后上下相中栀子苷的分配系数及两相体积比，选择合适的双水相体系，并改变溶剂与废液的体积比、磷酸氢二钾加入量、废液pH值以及萃取温度等参数，研究萃取栀子苷的最佳条件。实验结果表明，乙醇磷酸氢二钾为合适的萃取体系。当双水体系总量为l0mI。时，乙醇与栀子黄废液的体积比为6:4，磷酸氢二钾1.0g，体系分相完全后

19、栀子苷分配系数(K)为4.56，两相体积比(R)为6.38，栀子黄废液pH值及萃取温度在正常条件下对K值及R值影响不大。放大实验表明，以乙醇磷酸氢二钾体系萃取栀子黄废液中的栀子苷，所得栀子苷纯度可达62.12，收率可达96.32。萃取后的栀子苷经肛葡萄糖苷酶水解精氨酸显色后得到栀子蓝色素，色价Ei盔(590nm)65.92。高云涛等利用超声提取集成丙醇一硫酸铵双水相体系对苦荞麦苗中总黄酮进行提取分离，研究丙醇一硫酸铵双水相的形成和提取条件对总黄酮得率的影响。结果表明，提取率为1.86，提取物中总黄酮含量为19.3，明显高于回流提取法。提取物对脂质过氧化具有良好的抑制作用，最大抑制率为68.2，

20、方法操作简便、条件温和，环境友好。3.5 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-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%、(NH4)2SO4质量浓度

21、20%、温度25、pH=1的条件下，金的3次萃取率超过了97%8。3.6双水相萃取与其它技术结合应用 双水相萃取技术有其独有的优点， 如能与其它技术结合应用， 萃取分离效果更佳。双水相萃取技术与超声波、微波、壳聚糖沉淀相结合应用的研究已经比较成熟， 其中与超声波分离技术结合应用得最多。滕毅等研究超声波耦合乙醇磷酸氢二钾双水相萃取技术用于提取密蒙花黄色素， 通过正交实验考察了乙醇浓度、超声时间、超声波功率对提取率的影响。结果表明， 影响密蒙黄提取率的因素显著性顺序为乙醇浓度超声波功率超声时间， 最佳提取条件为： 乙醇浓度50%、超声提取时间20min、超声波功率500W； 在此工艺条件下， 密蒙黄的萃取率达到27.1111。4 结论与展望 双水相萃取技术是近年来新发展起来的分离技术，所需设备简单、条件温和、易于操作，且可以获得较高的收率和较纯的有效成分，与常规的有机溶剂萃取技术相比较，最大的优势在于可保持生物物质的活性及构象，因此在生物技术、药物分析提取、金属分离等方面有着广阔的应用前景。但是体系自身也存在的一定的缺陷，如双聚合物体系价格较高，限制了其在工业中大规模的应用；体系的易乳化问题，