萃取分离技术Extraction5.1概述利用物质在互不相容的两相之间溶解度的不同而使物质得到分离纯化或浓缩的方法称为萃取。目标物液体：液液萃取固体：液固萃取（浸取）有机溶剂萃取双水相萃取液膜萃取反胶束萃取超临界萃取5.2液固萃取（浸取）液固萃取，又称浸取或提取，是一种分离和富集某些天然产物、生化试剂和添加剂的有效手段。由于溶剂渗入固体试样内部是比较缓慢的过程，因此液固萃取需要较长的时间，一般需要连续萃取。浸提分为冷浸和热浸两种：冷浸法：适用于提取遇热易被破坏的物质及含淀粉、树胶、果胶、黏液质的样品。热浸法：由于提高温度有利于有效成分的溶解度故提取效果较冷浸好。该方法操作时间长，浸出溶剂用量大，往往浸出效率差，不易完全浸出，不适合有效成分含量低的原料。为了有效成分的浸出，固体样品尽量粉碎传统的液固萃取装置是利用索氏（Soxhlet）提取器浸取在食品工业中的应用食用油除了采用传统的压榨法外，常采用溶剂浸提其中所含的油脂。黄豆经溶剂浸提后，豆渣中残油量往往低于l%，远较压榨法的豆渣的残油率2%~2.5%为低。除了油料种籽可以采用浸提法抽取其所含的油脂外，有时还采用浸提法抽取鱼肝或鱼皮的油脂。常用溶剂：己烷、庚烷、环己烷速溶咖啡从咖啡豆中浸提出可溶性成分，经喷雾干燥或冷冻干燥可制得速溶咖啡。食品功能成分的提取5.3溶剂萃取法(SolventExtraction)杂质目的产物萃取剂LightphaseHeavyphase溶剂萃取过程示意图实验室溶剂萃取过程分液漏斗有机相溶剂萃取法的原理萃取是根据不同物质在两相中分配平衡的差异是实现分离的。物理萃取：利用溶剂对需分离的组分有较高的溶解能力，分离过程纯属物理过程，理论基础是分配定律；化学萃取：溶剂首先有选择性地与溶质化合或络合，从而在两相中重新分配而达到分离目的，服从相律及一般化学反应的平衡定律。溶剂萃取可分为物理萃取和化学萃取。分配定律一定T、P下，溶质在两个互不相溶的溶剂中分配，平衡时，溶质在两相中活度之比为常数。如果是稀溶液，活度可以用浓度来代替，平衡时，溶质在两相中浓度之比为常数，称为分配系数，用K为常数；应用前提条件（1）稀溶液（2）溶质对溶剂互溶没有影响（3）必须是同一分子类型，不发生缔合或离解分配比D在一定条件下，当达到萃取平衡时，被萃物质在有机相和在水相的总浓度之比。分配比随着萃取条件变化而改变,改变萃取条件，可使分配比按照所需的方向改变，从而使萃取分离更加完全。分离因子（β）分离因子表示有效成分A与杂质B的分离程度。分离效果好；β越大，D，分离效果越好。萃取率P%（ExtractabilityPercentExtration)CoVoCoVo+CwVw100%相比（两相体积比）R=V有机相溶质的量溶质在两相中的总量对于分配比D较小的物质，可以通过减小相比（即增加有机溶剂体积）来提高萃取率，但这种作用不明显。增大有机溶剂体积会使有机相中的溶质浓度降低，不利于后继分离和测定工作。通常是采用多次或连续萃取来提高萃取率。100%当相比R为199.3%若D=5，R=1/3时，一次萃取率P99.5%用同量溶剂多次萃取效果好多次萃取经n次萃取后，水相中残留溶质A的平衡浓度C分配比越大，萃取率越高；有机相的体积越大，萃取率越大；萃取率与被萃物的含量大小无关，这就是所谓的“定量分离”。影响溶剂萃取的因素根据相似相溶的原理，选择与目标产物极性相近的有机溶剂为萃取剂，可以得到较大的分配系数（根据介电常数判断极性）；有机溶剂与水不互溶，与水有较大的密度差，粘度小，表面张力适中，相分散和相分离容易；应当价廉易得，容易回收，毒性低，腐蚀性小，不与目标产物反应。有机溶剂的选择常用于生化萃取的有机溶剂有丁醇、丁酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯等水相的影响因素pH的影响影响表观分配系数（pH~K）pH低有利于酸性物质分配在有机相，碱性物质分配对弱酸随pHK,当pHpH＜pKbpH＞pKa反萃取pH＞pKbpH＜pKa萃取碱性物质酸性物质与杂质的分离程度萃取时杂质自然除去pK碱杂pHpK目标萃取时无法去除，反萃取pK碱杂pHpK目标酸性(pK酸杂pK目标)碱性(pK碱杂pK目标)碱性(pK碱杂pK目标)碱性萃取时杂质自然除去pK酸杂pHpK目标萃取时无法去除，反萃取pK酸杂pHpK目标碱性(pK碱杂pK目标)酸性(pK酸杂pK目标)酸性(pK酸杂pK目标)酸性萃取操作条件的控制温度T的影响T分子扩散速度，萃取速度T影响分配系数T影响两溶剂的互溶度影响一般生化物质的萃取在室温或较低温度下进行盐析的影响无机盐（氯化钠、硫酸铵）的作用：生物物质在水中溶解度；两相比重差两相互溶度乳化现象蛋白质等生物物质含有亲水基和亲油基两性基团，因此具有表面活性，可以降低溶剂和水的表面张力。乳化带来的问题：有机相和水相分相困难，出现夹带，收率低，纯度低。乳浊液的破坏措施：物理法：离心、加热，吸附，稀释化学法：加电解质、其他表面活性剂（十二烷基硫酸钠、溴代十五烷基吡啶）萃取方式与过程计算操作方式：单级萃取多级萃取多级错流多级逆流萃取过程：1）混和2）分离3）溶剂回收理论收率计算假定：两相中的分配很快达到平衡；两相完全不互溶，完全分离：有机相溶质的量水相溶质的量100%100%理论收率:未被萃取的分率:单级萃取理论得率:多级萃取工业上常用的连续萃取方式包括多级错流萃取和多级逆流萃取。料液经萃取后，萃余液再与新鲜萃取剂接触，再进行萃取。第一级的萃余液进入第二级作为料液，并加入新鲜萃取剂进行萃取；第二级的萃余液再作为第三级的料液，以此类推。此法特点在于每级中都加溶剂，故溶剂消耗量大，而得到的萃取剂平均浓度较稀，但萃取较完全。（1）多级错流萃取未被萃取的分率：（2）多级逆流萃取在多级逆流萃取中，在第一级中连续加入料液，并逐渐向下一级移动，而在最后一级中连续加入萃取剂，并逐渐向前一级移动。料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反，故称为逆流萃取。在逆流萃取中，只在最后一级中加入萃取剂，故和错流萃取相比，萃取剂之消耗量较少，因而萃取液平均浓度较高。多级逆流萃取图多级逆液萃取计算公式未被萃取的分率：n+1-1理论得率:n+1-15.4双水相萃取(aqueoustwo-phaseextraction)聚合物的不相容性—两种或两种以上具有一定浓度的亲水性聚合物溶液混合后静置，这些高分子聚合物出现的分相现象，其中两相体系称之为双水相系统(aqueoustwo-phasesystem,ATPS)利用双水相成相现象及待分离组分在两相间的分配系数的差异进行组分分离或水相提纯的技术成为双水相萃取技术。双水相的形成(1)互不相容（incompatibility）(2)复合凝聚（complex coacervation） (3)完全互溶（complete miscibility） PEG 聚乙二醇(polyethyleneglycol) DX 葡聚糖(dextran)Kpi 相图—把双水相体系中的组成成分，分别以不同的浓度相混，观察其成相过程，并以图的形式描 绘下来，即称为此双水相体系的相图。 曲线TKB称为双节线。双节线以下的区域为均相区,以 上的区域为两相区，即ATPS 直线TMB称为结线（系线），上相（轻相Top- phase）的组成用T点表 示，下相（重相Bottom- phase）的组成用B点表 K点称为分相临界点。系线反映的信息： 性质差异：系线的长度是衡量两相间相对差别的尺度,系线 越长,两相间的性质差别越大； 反之则越小. 临界点(criticalpoint)：当系 线长度趋于零时, 两相差别消失, 任何溶质在两相中的分配系数 均为1。 杠杆规则：系线上各点均为组成相同，而体积不同的两相。两相体积近似服从杠杆规则 BMMT 双水相萃取的机理 溶质在双水相间的分配主要由其表面性质所决定,通过 在两相间的选择性分配而得到分离。分配能力的大小 用分配系数m来表示。 CtCb 分别为溶质在上下两相的浓度，mol/L假定溶质是非电解质型的—从相2转移到相1的自由 能差为E，当系统达到平衡时，萃取的分配系数为 KTK——波尔兹曼常数；T——绝对温度； λ——为表征粒子性能的参数 影响双水相萃取的因素 高聚物相对分子质量和化学性质、被萃取 溶质粒子的大小和表面化学性质对双水相 萃取都有直接影响。 （1）成相聚合物的浓度和分子量 成相系统的总浓度：增大时,系统远离临界点,系线长度增加,两相性质的差别增大,溶质的分 配系数大于1或小于1,溶质越容易分配于其中 的某一相。 存在问题：当系线长度增加时,系统的表面张力增大,可能导致溶质在界面上的吸附. 分子量M:当成相高聚物的浓度、盐浓度、温 度等条件不变时，被分配的溶质易为相系统 中低相对分子质量的高聚物所吸引，而为高 相对分子质量的高聚物所排斥。 这一规律只表明了分配系数的变化方向，但是分配系数变化的大小主要由被分配物质 （待萃取物）的相对分子质量所决定。 通常氨基酸、小分子蛋白的分配系数受高聚物相对分子质量的影响没有大分子蛋白那么 显著。 利用这一原理分离不同相对分子质量的蛋白质可以获得较好的分离效果。 （2）盐的影响 各种离子在上下两相的分配存在微小差异，因而产 生了相间电位（道南电位），其中盐的正负离 ，则相间电位为：带电大分子的分配系数可以表示为： F——法拉第常数 ——生物大分子表面净电荷为零时的分配系数 RTFZ pro 通过调节双水相系统盐的浓度,可以有效地萃取分离不同的生物大分子。 R——气体常数 T——绝对温度 ——没有相间电位存在时正负离子的分配系数 （3）pH值pH的影响主要表现为：影响相间电位，同时还会影 响到弱酸盐的解离，如PEG/Kpi系统，pH的微小变 化可能使m变化2-3个数量级。 疏水作用和生物亲和分配如果改变成相聚合物的疏水性(引入疏水基团),会使疏 水的溶质分子的分配系数发生改变；如果在成相高聚 物分子上引入生物亲和配基，也会直接影响生物大分 子的分配系数。 （5）温度 常温操作节省冷却费用.大规模操作一般在 室温下进行 双水相萃取操作 双水相萃取步骤：双水相系统的形成； 溶质在双水相系统的分配； 双水相的分离。