生物工业下游技术第六章双水相萃取法.ppt

第六章 双水相萃取法 谢 虹 普通的有机溶剂萃取法难于应用 于蛋白质的分离： 许多蛋白质都有极强的亲水性，不溶于有机溶剂； 蛋白质在有机溶剂相中易变性失活。 因此基因工程产品的商业化迫切需要开发适合大规模生产的、经济简便的、快速高效的分离纯化技术。 其中双水相萃取技术(two-aqueous phase extraction,ATPS)，又称水溶液两相分配技术(Partion of two aqueous phase extraction)是近年来出现的引人注目、极有前途的新型分离技术。 双水相 溶液的分相不一定完全依赖于有机溶剂，在一定的条件水相可以形成两相或多相； 1896年Bei jerinck 观察到把明胶和可溶性淀粉的水溶液混合时，溶液分成两相，上相含有大部分明胶，下相含有大部分可溶性淀粉。 双水相萃取法和传统的分离方法(如盐 析或有机溶剂沉淀等)相比也有很大的优势， 如以β-半乳糖苷酶为例，用沉淀或双水相萃 取纯化的比较见下表。 用此法来提纯的酶已达数十种，其分离过程也达到相当规模，如乙醇脱氢酶的分离已达到几十千克湿细胞规模，β-半乳糖苷酶的提取也到了中试规模等。 第一节 双水相分离理论 一、双水相的形成  当两种聚合物互相混合，分层或混合，取决于： ?体系熵的增加； ?分子之间作用力。 两种被混合分子间如存在空间排斥力，它 们的线团结构无法相互渗透，在达到平衡后就 有可能分成两相，形成双水相。 聚合物的不相溶性 当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于相对分子质量较大，分子间的相互排斥作用与混合过程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相。 在生化工程中广泛应用的双水相体系有： 聚乙二醇（PEG）/葡聚糖(Dex)体系，该双水相的上相富含PEG，下相富含Dex。 除双聚合物系统外，聚合物与无机盐的混合溶液也可形成双水相，例如，PEG/磷酸钾(KPi)、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠等常用于生物产物的双水相萃取。PEG/无机盐系统的上相富含PEG，下相富含无机盐。 三、物质在两相中的分配 双水相中的分配平衡 与溶剂萃取相同，溶质在双水相中的分配系数也用m=c2/c1表示。为简便起见，用c1 和c2分别表示平衡状态下下相和上相中溶质的总浓度。 已有的大量研究表明，生物分子的分配系数取决于溶质与双水相系统间的各种相互作用，其中主要有静电作用、疏水作用和生物亲和作用等。因此，分配系数是各种相互作用的和: 这些系统复杂性表现在如下的一些例子中：在一相中引入疏水性基团会影响离子的分配和电位，在大分子(亲水聚合物或蛋白质溶质)结构中构象的变化，能使另一些原子暴露在微环境中。这些事实导致只能用实验的方法来确定满足分配要求的操作条件。 聚合物组成的影响 双水相系统作为一种成功的萃取方法，很大程度上取决于使用的聚合物类型，当两种不同聚合物的溶液混合时，可能存在三种情况： 例如，PEG/KPi系统中上、下相(或称轻重相)的PEG和磷酸钾浓度以及Cl离子在上、下相中的分配平衡随添加NaCl浓度的增大而改变。这种相组成即相性质的改变直接影响蛋白质的分配系数。 离子强度对不同蛋白质的影响程度不同，利用这一特点，通过调节双水相系统中的盐浓度，可有效地萃取分离不同的蛋白质。 欲提取的酶与细胞碎片应分配在不同的相中； 酶的分配系数应足够大，经过一次萃取，就能得到较高的收率； 两相用离心机很容易分离。 何谓双水相萃取？ 双水相体系可分为那几类？目前常用的体系有那两种？ 为什么说双水相萃取适用于生物活性大分子物质分离？ 影响双水相萃取的因素有那些？当电解质存在，pH是如何影响双水相萃取的？ 用双水相萃取细胞破碎（匀浆）液时，一般是把目标产物分布在上相，而细胞碎片、杂蛋白等杂质分布在下相，为什么？ 何谓双水相亲和萃取？ 从辣椒中提取辣椒红色素 辣椒红色素是从辣椒中提取的一种天然色系，属于类胡萝卜系色素由于它颜色鲜艳，色调多样，一经问世，便深受人们的喜爱。 辣椒红色素广泛应用于医药、高级化妆品中还广泛泛用于食品中的饮料、果汁、果酒、汽水、糕点等，因此具有很重要的生产价值，辣椒红色素对人体无任何副作用，因此国际上规定ADI(人体每日允许摄入量)为“不限制”。 辣椒的主要成分是辣椒素和辣椒色素，以及具有特殊香味的挥发物。辣椒中产生辣椒味的物质是辣椒碱，