第十章物中功能性成分的提取分离方法课件

1、第十章 谷物中功能性成分的提取分离方法.细胞破碎的作用和方法第一节 细胞破碎.机械破碎高速组织捣碎高速匀浆球磨物理破碎利用温度差利用压力差超声波化学方法，酶学破碎.利用混合物中各组分的物理化学性质 （分子的形状和大小、分子极性、吸附力、分子亲和力、分配系数等）的不同，使各组分以不同程度分布在两相中，其中一个相是固定的，称固定相，另一个相是流动的，称为流动相，当流动相流过固定相时，各组分以不同的速度移动，而达到分离的目的。 第二节 色谱分离技术.分类：按照流动相的状态分，如GC，LC等。按照固定相的形式分，如column-chromatography, paper-chromatography,

2、 thin-layer等。按照分离过程依据的物理化学性质分： 如adsorption-chromatography 、ion-exchange、molecular sieve，affinity-chromatography等。色谱分离技术.利用吸附剂对不同物质的吸附力不同、而使混合物中的各组分分离的方法。吸附色谱分离技术是各种色谱技术中应用得最早的一类。由于吸附剂来源丰富，价格低廉，易再生，装置简单，又具有一定的分辨率等优点，故至今仍广泛应用。吸附剂与被吸附物分子之间的相互作用是由范德华力所引起的，其特点是可逆的，即在一定的条件下，被吸附物可以离开吸附剂表面，这称为解吸作用。 一、吸附色谱吸附

3、色谱柱示意图.溶剂洗脱法：加入样品溶液后，连续不断地加入洗脱剂进行冲洗，最初的流出液为纯溶剂，然后是吸附力最弱的组分，以后逐次出现的物质是按吸附力由弱到强的顺序分别洗出，吸附力量强的物质最后洗脱出来。置换法前缘洗脱法 洗脱溶剂洗脱液曲线 .吸附剂与洗脱剂的选择 吸附剂应具有的性质：(1)吸附剂应有适当的吸附力，表面积大；(2)吸附剂对被分离物有足够的分辨力，即对不同物质的吸附力有所不同；(3)吸附剂对被吸附物的吸附应是可逆的，即在一定的条件下可以解吸，以便洗脱；(4)吸附剂不会溶解在所采用的溶剂中，也不会引起被吸附物的化学改变；(5)吸附剂颗粒均匀，在操作时稳定，不会破裂。 洗脱剂应具有的性质

4、：(1)洗脱剂不与吸附剂起化学反应，不会使吸附剂溶解；(2)洗脱剂对样品中各组分的溶解度大，粘度小，流动性好，容易与被洗脱组分分开；(3)洗脱剂的纯度要高，免受杂质影响。常用的洗脱剂有饱和烃、醇、酚、酮、醚、卤代烷以及水等。极性较大的洗脱能力较强。 .二、分配色谱(纸色谱,薄层色谱,GC等) 分配色谱是利用各组分的分配系数不同而予以分离的方法。 分配色谱中，通常采用一种多孔性固体支持物吸着一种溶剂作为固定相，另一种与固定相溶剂互不相溶的溶剂可以沿固定相流动，称为流动相。 当某溶质在流动相的带动下流经固定相时，该溶质在两相之间进行连续的动态分配，由于各物质有不同的分配系数，移动速率也就不相同，从

5、而达到分离的目的。 分配系数是指一种溶质在两种互不相溶的溶剂中溶解达到平衡时，该溶质在两相溶剂中的浓度比值。在色谱条件确定后分配系数是一常数，以K表示。.三、离子交换色谱 离子交换色谱是利用离子交换剂上的可解离基团（活性基团），对各种离子的亲和力不同而达到分离目的的一种色谱分离技术，广泛应用于各种物质的分离纯化。 .离子交换剂 含有若干活性基团的不溶性高分子物质，即在不溶性母体上引入若干可解离基团（活性基团）而成。 不溶性母体的高分子物质：苯乙烯树脂、酚醛树脂、纤维素、葡聚糖、琼脂糖或其它聚合物。活性基团可以是酸性基团：磺酸基(-SO3H)，磷酸基(-PO3H2)，亚磷酸基(-PO2H)，羧基

6、(-COOH)，酚羟基(-OH)等。引入酸性基团的交换剂可离解出H+，与其它阳离子交换，这类离子交换剂属于阳离子交换剂。 活性基团是碱性基团：季胺-N+(CH3)3，叔胺-N(CH3)2，仲胺-NHCH3，伯胺-NH2等含氨基的基团。引入含氨基碱性基团的交换剂，可与OH-结合后，与其它阴离子交换，这类离子交换剂属于阴离子交换剂。 . 强酸型阳离子交换剂（含有磺酸基-SO3H等）对各种正离子的亲和力次序为： Fe3+ Al3+ Zn2+ Cu2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Ba2+ Cr2+ Ca2+ Mg2+ Cs+ Rb+ K+ Na+ H+ Li+ 弱酸型阳离子交换剂（含有羧基-COO

7、H，酚羟基-OH等）对氢离子(H+)的亲和力特别高。因此转为氢型时很容易，仅需很少量的酸即可。 强碱性阴离子交换剂（含季胺-N+(CH3)3等）对各种负离子的亲和力次序为： 柠檬酸根 SO42- Cr2O4- I- NO3- CrO4- Br- SCN- Cl- HCOO- OH- F- CH3COO-弱碱性阴离子交换剂对氢氧根离子(OH -)有较高的亲和力，易于转变为羟型。阳离子只能被阳离子交换剂吸附，阴离子只能被阴离子交换剂吸附；亲和力大的易于吸附，难于洗脱，亲和力小的难于吸附，容易洗脱； .离子交换剂的选择 选择离子交换剂时应考虑下列因素：(1)样品离子带何种电荷；(2)离子的浓度；(3

8、)被分离物质相对分子量的大小；(4)离子与交换剂的亲和力大小；(5)离子交换剂及欲分离物质的物理化学特性等。 .离子交换色谱的操作 离子交换剂预处理装柱 离子交换剂转型（用适当的试剂处理，便离子交换剂所带的可交换离子转变为我们所需要的离子，如阳离子交换剂用NaOH处理，可转为Na+型，用HCl处理，则转为H+型；阴离子交换剂用NaOH处理转为OH-型，用HCl处理转为Cl-型等） 溶剂或缓冲液平衡上柱（加样）洗脱和收集（洗脱液中应含有与交换剂的亲和力较大的离子，以便把吸附在交换剂上的样品离子交换下来，样品中含有多种离子时，与交换剂亲和力小的首先被洗脱出来）再生（再次转型） .四、凝胶色谱 凝胶

9、色谱，又称为凝胶过滤、分子排阻色谱或分子筛色谱。它是指以各种凝胶为固定相，利用流动相中所含各物质的相对分子量不同而达到物质分离的一种色谱技术。 .凝胶色谱的基本原理 当含有各种组分的样品流经凝胶色谱柱时，各组分在柱内同时进行着两种不同的运动，即垂直向下的移动和无定向的分子扩散运动（布朗运动）。大分子物质由于分子直径大，不易进入凝胶颗粒的微孔，只能分布于凝胶颗粒的间隙中，所以以较快的速度流过凝胶柱；而小分子物质能够进入凝胶颗粒的微孔中，不断地进出于一个个颗粒的微孔内外，这样就使小分子物质向下移动的速度落后于大分子物质，从而使样品中各组分按相对分子量从大到小的顺序先后流出色谱柱，达到分离的目的。.

10、 Ve：洗脱体积，表示某一组分物质从加进色谱柱到最高峰出现时，所需的洗脱液体积； Vo：外体积，即为色谱柱内凝胶颗粒之间空隙的体积； Vi：内体积，即为色谱柱内凝胶颗粒内部微孔的体积。 当某组分的Ka=0时（即Ve= Vo），说明该组分分子完全不进入凝胶颗粒微孔，洗脱时最先流出；若某组分的Ka=1（即Ve= Vo+Vi）时，说明该组分分子可自由地扩散进入凝胶颗粒内部的微孔中，洗脱时，最后流出；若某组分的Ka在01之间，说明该组分分子介乎大分子和小分子之间，洗脱时Ka值小的先流出，Ka值大的后流出。 分配系数Ka.五、亲和色谱 亲和色谱是利用生物分子间所具有的专一而又可逆的亲和力而使生物分子分离

11、纯化的一种色谱技术。具有专一而又可逆的亲和力的生物分子是成对互配的，主要的有酶与底物、酶与竞争性抑制剂、酶与辅酶、抗原与抗体、DNA与RNA、激素与其受体等。在成对互配的生物分子中，可把任何一方作为固定相，而对样品溶液（流动相）中的另一方分子进行亲和色谱，达到分离纯化的目的。酶与其辅酶是成对互配的，既可把辅酶作为固定相，使样品中的酶分离纯化，也可把酶作为固定相，使样品中的辅酶分离纯化 .离心分离技术 常速离心机（低速离心机），其最大转速在8000r/min以内，相对离心力在l0000g以下 ； 高速离心机，转速：l000025000r/min，相对离心力达l0000l00000g； 超速离心机

12、，转速：2500080000r/min，最大相对离心力达500000g。按照分离要求，还可以进行差速离心 、密度梯度离心和等密度离心。 .离心条件的确定 离心力 离心时间（与颗粒的沉降时间有关） 温度和pH值（防止欲分离物质的凝集、变性和失活） n：转子每分钟转数，r/min .第三节 其他提取分离技术 超临界流体萃取技术(supercritical fluid extraction, SCFE) .超临界流体萃取技术利用超临界流体(supercritical fluid, SCF)，即其温度和压力略超过或靠近临界温度(Tc)和临界压力(pc)，介于气体和液体之间的流体作为萃取剂，从固体或液体

13、中萃取出某种高沸点或热敏性的成分，以达到分离和提纯的目的。 临界点是气、液界面刚刚消失的状态点。它的密度接近于液体，粘度接近于气体，而扩散系数大、粘度小、介电常数大等特点，使其分离效果较好，是很好的溶剂。.纯物质的压温图（CO2） .超临界流体萃取与液体溶剂萃取的比较 超临界流体萃取法液体溶剂萃取法1可选择萃取挥发性小的物质，生成超临界相在要分离的原料中加入溶剂形成二相2萃取能力由T、p控制。夹带剂研究不多萃取能力由温度及混合溶剂浓度控制，压力无影响3在常温、高压(530MPa)下操作，可处理对热不稳定的物质在常温、常压下进行4溶质、溶剂易于分离，改变压力温度即可溶质与溶剂分离常用蒸馏法，存在

14、对热稳定性问题5粘度小，扩散系数大，易达到相平衡扩散系数小，有时粘度相当高6超临界相溶质浓度小萃取相为液体，溶质浓度一般较高.超临界流体萃取工艺流程图流程：原料过筛后进入萃取釜E，C02由高压泵H加压，经过换热器R升温使其成为既具有气体的扩散性而又有液体密度的超临界流体，该流体通过萃取釜萃取出植物油料后，进入第一级分离柱S1，经减压，升温。由于压力降低，C02流体密度减小，溶解能力降低，植物油便被分离出来。C02流体在第二级分离釜S2进一步经减压，植物油料中的水分，游离脂肪酸便全部析出，纯C02由冷凝器K冷凝，经储罐M后，再由高压泵加压，如此循环使用。.膜分离技术是以选择性透过膜为分离介质，当

15、膜两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差等）时，膜两侧组份选择性地透过膜，从而达到分离、提纯的目的。膜分离技术的出现是分离技术的一个飞跃，丰富了分离手段，大大提高了过滤效率及过滤效果。通过引入膜分离技术可以替代离心、沉降、蒸发、吸附等传统的分离手段，提高生产效率、降低运行成本、简化操作。 膜分离技术.动植物体内可能存在的主要成分及其大小 组分分子量尺寸大小(m)组分分子量尺寸大小m酵母和真菌110酶104106210-310-2细菌310-110抗体300103610-41.210-3胶体10-11单糖200400810-4110-3病毒310-2310-1有机酸100500410-48

16、10-4蛋白质104106210-310-2无机离子10100210-4410-4多糖104106210-310-2.目前，以压力作为推动力的膜分离过程共有四种，以过滤孔径由小到大的顺序排列依次是：反渗透、纳滤、超滤、微滤。 . .微滤（MF）微滤可有效去除物料中的悬浮固体、细菌、胶体及固体蛋白。一般有0.1um至2um孔径的微滤膜。如果采用无机的膜材料，如不锈钢管式的微滤膜，还具有以下特点：化学稳定性好，适用于pH2-14的过滤环境。机械强度高，可承受10个大气压的内、外压，并可反向冲洗。抗微生物能力强，不与微生物发生作用，可以在生物工程及医药科学领域中应用。耐高温 ，可使用蒸汽直接消毒、灭

17、菌。孔径分布窄，分离效率高，产品质量好，收率高，生产消耗低。膜使用寿命长（7-8年），运行、清洗方便。通量恢复彻底（耐高温 、强碱性能）。 .超滤(UF)超滤是根据物料组份分子量的大小对溶液进行选择性的分离，从而实现溶液纯化、分离或浓缩等目的。分子量的范围由几千至几百万不等。主要应用于酶、蛋白质、多肽、细胞、病毒及多聚糖的纯化和浓缩，以及抗生素发酵液的澄清、脱色等领域。管式、中空纤维、卷式.纳滤(NF)纳滤可以截留分子量大于150-200的物质，而部分无机盐、小分子有机物和水则可以通过。利用纳滤膜的这一特性，可以将其应用于化学药品的浓缩及脱盐的过程中。纳滤（NF）膜介于RO与UF膜之间，对NaCl的截留率较低，只对特定的溶质