2005-3-28 1
2.3 反胶团萃取
? 反胶团（ reversed micelles） 是两性表面活性
剂在非极性有机溶剂中亲水性基团自发地向
内聚集而成的，内含微小水滴的，空间尺度
仅为纳米级的集合型胶体。是一种自我组织
和排列而成的，并具热力学稳定的有序构造。
2005-3-28 2
? 反胶团的微小界面和微小水相具有两个特异性功能：
①具有分子识别并允许选择性透过的半透膜的功能；
②在疏水性环境中具有使亲水性大分子如蛋白质等保
持活性的功能。
? 因此，反胶团可作为
? 生物膜的简化模型；
? 作为显示酶类性质的一种模型进行基础性研究；
? 作为具有新型功能的疏水性反应场；
? 作为酶和微生物的一种新型的固定化方法；
? 作为微小型的生物反应器；
? 在生物技术领域中作为生理活性物质以及生物活性大
分子的特异性分离场（分离、浓缩等方法）。
2005-3-28 3
2.3.1 反胶团萃取技术的特点
? 反胶团萃取技术的突出优点
①有很高的萃取率和反萃取率并具有选择性；
②分离、浓缩可同时进行，过程简便；
③能解决蛋白质（如胞内酶）在非细胞环境中
迅速失活的问题；
④表面活性剂往往具有细胞破壁功效，可直接
从完整细胞中提取具有活性的蛋白质和酶；
⑤成本低，溶剂可反复使用等。
2005-3-28 4
2.3.2 反胶团的形成
? 反胶团的构造
? 当向水溶剂中加入表面活性剂时，如表面活性剂的
浓度超过一定的数值时，形成 正胶团（ normal
micelle） 。
? 当向非极性溶剂中加入一定量的表面活性剂时，会
形成 反胶团 或 反向胶团（ reversed micelles） 。
? 在反胶团中有一个极性核心，它包括由表面活性剂
极性端组成的内表面、平衡离子和水，被称之为
“水池”（ water pool） 。这个“水池”具有极性，
可以溶解具有极性的分子和亲水性的生物大分子。
2005-3-28 5
? 常用的表面活性剂
? AOT（ Aerosol OT），其化学名称是琥珀酸二（ 2-
乙基己基）酯磺酸钠（ Sodium di-2-ethyl-
hexylsulfosuccinate），结构式下
? CTAB（溴代十六烷基三甲铵）,TOMAC（氯化三
辛基甲铵）,PTEA（磷脂酰乙醇胺）。
? 常用的非极性有机溶剂
? 有 环己烷、庚烷、辛烷、异辛烷、己醇、硅油 等。
2005-3-28 6
? 反胶团的物理化学特性
? CMC （ critical micelle concentration）
0.1～ 1.0 mmol/L的范围内。
? 反胶团含水率 W
? W用水和表面活性剂的浓度之比来定义，即
W＝ c水 ／ c表
? W是个非常重要的参数, W越大, 反胶团的半径越
大 。
? 反胶团“水池”中的水与普通水差异大。当 W＜ 6～
8时，微水相中的水分子被表面活性剂亲水性基团强
烈地束缚，其表观粘度可增大到普通水粘度的 50倍，
且疏水性非常强。另外，其冰点通常低于 0℃ 。这一
部分水实际上起着使表面活性剂的亲水性基团水合
化的作用。因为这一部分水被牢固地束缚着，所以
粘度很大，流动性很差。
2005-3-28 7
? 在 AOT反胶团中，水合化一分子 AOT需要
6～ 8个水分子，而其他水分子则不受束缚，
可与普通水一样自由流动，所以当 W＞ 16时，
“水池”中的水逐渐接近主体水相粘度，胶
团内也形成双电层。
图 2-14 胶团变化示意图
2005-3-28 8
? 反胶团的制备
1.液液接触法
? 即将含蛋白质的水相与含表面活性剂的有机相接触。
2.注入法
? 将含有蛋白质的水溶液直接注入到含有表面活性剂的
非极性有机溶剂中去。这种方法的过程较快并可控制
反胶团的平均直径和含水量。
3.溶解法
? 对非水溶性蛋白质可用该法 。 将含有反胶团 （ W＝
3～ 30） 的有机溶液与蛋白质固体粉末一起搅拌, 使
蛋白质进入反胶团中, 该法所需时间较长 。 含蛋白质
的反胶团也是稳定的 。
2005-3-28 9图 2-15 蛋白质溶解方式示意图
2005-3-28 10
2.3.3 反胶团萃取蛋白质的基本原理
? 反胶团萃取是有机相 -水相间的分配萃取。
? 是从主体水相向溶解于有机溶剂相中反胶团微水相
中的分配萃取。
? 同时也是一个
浓缩操作。
? 改变水相条件
可实现反萃取。
图 2-16 反胶团萃取蛋白质的示意图
2005-3-28 11
,水壳, 模型 （ water-shell mode））
? 蛋白质向非极性溶剂中反胶团的纳米级水池中的溶
解，有图 2-17所示的四种可能。
① 大分子蛋白质被
封闭在“水池”中
② 蛋白质中的亲脂部
分直接与非极性溶
剂的碳氢化合物相
接触
③ 蛋白质被吸附在微
胶团的“内壁”上
④ 蛋白质被几个微胶
团所溶解，
图 2-17 蛋白质向反胶团溶解的可能模型
2005-3-28 12
? 酶、蛋白质萃取特性
? 分离场（胶团） -分离目标物质（蛋白质））间的相
互作用及其影响因素等见表 2-4。
表 2-4 决定分配系数 K的分离场 -分离物质间相互作用
相互作用 分离场 分离物质
静电性相互作用 pH,盐的种类和离子强度 pI,表面电荷
液状离子交换体浓度, 胶
团内双重电荷层
立体性相互作用 胶团尺度, 含水率 W,表 分子量
面活性剂浓度
疏水性相互作用 溶剂, 胶团亲水疏水基, 亲水疏水残基
含水率
特异性相互作用 亲和配体 构象
2005-3-28 13
? 下面以研究得较多的 AOT／ 异辛烷体系为对
象，以立体性、静电性、疏水性相互作用的
分离特性及效果作以下的归纳。
? 酶、蛋白质等生物大分子的空间尺度与反胶
团的大小相接近。因而包括立体性相互作用
在内，表 5-11中所有的相互作用关系虽都很
重要，但在多数场合下，是它们之间的复合
作用占主导地位。有些蛋白质其构象很小的
变化就可能对这些相互作用的结果产生很大
的影响。
2005-3-28 14
1.静电性相互作用
? 以细胞色素 C,溶菌酶, 核糖核酸酶 a为例，考察它
们从主体水相向反胶团内微水相中的萃取或反方向
的反萃取时静电性相互作用以及 pH对这种作用的影
响。
① 对于 Mr＜ 20000小分子蛋白质,pH＞ pI时，蛋白质
不能溶入胶团内，但在等电点附近，急速变为可溶。
当 pH＜ pI时，即在蛋白质带正电荷的 pH范围内，它
们几乎完全溶入胶团内。
2005-3-28 15
图 2-18 pH对蛋白质萃取率的影响
2005-3-28 16
②蛋白质相对分子质量增大到一定程度，即使将 pH向酸
性一侧偏离 pI,萃取率也会降低（即立体性相互作用
效果增大）。
③相对分子质量更大的 BSA,全 pH范围内几乎都不能萃
取（即静电相互作用效果无限小，可忽略不计）。此
时,AOT浓度如较通常条件（ 50～ 100mmol/L）增加
到 200～ 500mmol/L,逐渐变为可萃取。
④降低 pH,正电荷量增加，似乎有利于萃取率的提高。
事实上，缓慢减小 pH,萃取率从某一 pH开始，急速
减小。这被认为是蛋白质的 pH变性所造成的。蛋白质
和微量的 AOT在静电、疏水性等的相互作用下，在水
相中生成了复合体而变性。
2005-3-28 17
⑤ 添加 KCl等无机盐，萃取率下降（图 2-19）。
图 2-19 盐浓度对蛋白质溶解率的影响
2005-3-28 18
? 而且，它对有机相具有脱水作用（ W减小，见下
图），使立体性相互（排斥）作用增大。
图 2-20 盐浓度对反胶团含水率的影响
AOT（ mmol／ L）＝（○） 50
（△） 100,（□） 200,（◇） 300
2005-3-28 19
2.立体性相互作用
? 随着蛋白质分子量的增大，蛋白质分子和胶团间的立
体性相互作用增加，萃取率有下降趋势。用动态光散
射法测定，发现反胶团粒径存在一粒径分布，胶团的
粒径分布（分离场）随盐浓度和 AOT浓度的增加而
发生显著的变化。与蛋白质溶入与否没有关系。
? 分离场不受蛋白质种类的影响，可通过控制反胶团粒
径，高效分离纯化蛋白质。
? 随着蛋白质分子量的增加,分配系数 KpI迅速下降，
相对分子质量 20000左右的蛋白质的高效分离是可能
的。
? 萃取溶入胶团的蛋白质的种类和相对分子质量不同，
分离场的特性（胶团平均直径和含水率）几乎不变。
2005-3-28 20
3.其他的相互作用
? 疏水性相互作用对蛋白质分配特性的影响不大
2005-3-28 21
2.3.4 反胶团萃取过程
? 多步间歇混合／澄清萃取过程
? 图 2-21是在 pH 9时，核糖核酸酶的溶解率很
小，保留在水相而与其他两种蛋白质分离；
相分离得到的反胶团相（含细胞色素 C和溶菌
酶）与 0.5 mol/L的 KCl水溶液接触后，细胞色
素 C被反萃到水相，而溶菌酶的保留在反胶团
相。此后，含有溶菌酶的反胶团相与 2.0
mol/L KCl,pH 11.5的水相接触，将溶菌酶反
萃回收到水相中。
2005-3-28 22
图 2-21 反胶团萃取分离
蛋白质的工艺过程
2005-3-28 23
? 连续循环萃取 -反萃取过程
? 图 2-22为连续循环萃取 -反萃取过程，该过程由两个
混合／澄清单元构成，左侧单元用于反胶团萃取，经
沉降澄清器后反胶团相进入右侧单元的混合器进行反
萃取。
图 2-22 连续循环萃取与反萃取过程示意图
2005-3-28 24
2.4 超临界流体萃取
? 超临界流体萃取 supercritical fluid extraction,SCFE，
也叫 气体萃取 gas extraction,流体萃取 fluid
extraction,稠密气体萃取（ dense gas extraction）
或蒸馏萃取（ destraction），由于萃取中的一个重要
因素是压力，有效的溶剂萃取过程也可以在非临界状
态下实现，因此广义地也称之为 压力流体萃取
pressure fluid extraction。 它是利用 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，从固体或液体中萃
取出某种高沸点或热敏性成分，以达到分离和提纯的
目的。
2005-3-28 25
? 作为一个分离过程，超临界流体萃取过程介
于蒸馏和液 -液萃取过程之间。即此过程同时
利用了蒸馏和萃取的现象 —— 蒸汽压和相分
离均在起作用。
? 超临界流体萃取，是适用面很广的一门新型
分离技术。超临界流体萃取的操作需在高压
下运行，但因萃取溶剂是“气体”，操作中
可以方便地改变其压力和温度，还可改变超
临界流体的组成，因此能自由地改变它对物
质的溶解能力。萃取、分离和溶剂回收都能
在很低的温度下进行。
2005-3-28 26
2.4.1 超临界 CO2的溶剂特征
? 超临界 CO2的相图
? 利用不同密度下的
CO2对物质溶解能
力的差异就可以实
现萃取和分离的操
作，即通过压力或
温度的改变就可能
有效地萃取和分离
溶质。
图 2-23 CO2的相图
2005-3-28 27
? 萃取溶剂 CO2的性质
表 2-5 一些超临界萃取溶剂的临界点性质
溶剂 临界温度 临界压力 临界密度
(℃ ) (MPa) (kg/m3)
乙烷 32.3 4.88 203
丙烷 96.9 4.26 220
丁烷 152.0 3.80 228
乙烯 9.9 5.12 227
氨 132.4 11.28 235
二氧化碳 31.3 7.38 460
二氧化硫 157.6 7.88 525
水 374.3 22.11 326
氟里昂 -13 28.8 33.9 578
2005-3-28 28
? CO2在工业上应用广泛。它无毒，无腐蚀性，
不可燃烧，纯度高且价格低。又有优良的传
质性能，扩散系数大，粘度低，而且和其他
用做超临界流体的溶剂相比,CO2具有相对
较低的临界压力和临界温度，适合于处理某
些热敏性生物制品和天然物产品。
? 在超临界流体萃取技术的应用中，某些场合
的目的是得到萃取物，而在另一些场合下，
是为获得萃取后的余留物质，萃取物则为其
次。超临界 CO2（ supercritical carbon
dioxide,SC-CO2）萃取技术适用于上述两种
情况。
2005-3-28 29
? 将 1≤Tr≤1.4，
1＜ pr＜ 5的区
域作为 SC-CO2
的工作区。
图 2-24 SC-CO2对
比压力、对比温度、
对比密度关系
2005-3-28 30
? 溶质在 SC-CO2中的分配平衡及萃取动力学与
溶质在 SC-CO2中的扩散系数及 SC-CO2的粘
度有关。如图 2-25所示,SC-CO2中溶质的扩
散系数为温度和压力的函数。溶质在 SC-CO2
中的扩散系数比在通常液体中高出 50～ 100倍。
因此，对动物或植物组织中有效成分进行萃
取时，具有相当高的质量传递速率。
2005-3-28 31图 2-25 SC-CO2中溶质的扩散系数
2005-3-28 32
? SC-CO2的粘度在（ 0.03～ 0.09）× 10-3 Pa·s
的范围内，与通常的有机溶剂粘度（ 0.2～
3.0）× 10-3 Pa·s相比，仅为后者的几十分之
一。这使得 SC-CO2萃取有可能在相对较短
的时间内完成。
2005-3-28 33
2.4.2 SC-CO2萃取以及拖带剂的作用
? 添加拖带剂即辅助溶剂（ entrainer）以增加
物质的溶解度和萃取选择性，是实际运行中
常用的方法之一。
? 如在 CO2中添加约 14%的丙酮后，甘油酯的
溶解度增加了 22倍。
? 纯 CO2几乎不能从咖啡豆中萃取咖啡因，但
在加湿（水）的 SC-CO2中，因为生成了具
有极性的 H2CO3,在一定的条件下，能选择
性地溶解萃取极性的咖啡因。
2005-3-28 34
2.4.3 SC-CO2萃取流程
? SC-CO2萃取基本工艺流程
? 超临界萃取工艺过程主要由萃取釜和分离
釜二部分组成，并适当配合压缩装置和热
交换设备所构成。对于原料为固体的萃取
过程可归纳为 3种基本工艺流程 —— 等温法、
等压法和吸附法。图 2-26表示基本流程示
意图。
2005-3-28 35
图 2-26 超临界 CO2流体萃取的三种基本流程
（ a）等温法 T1＝ T2 p1＞ p2 1— 萃取釜； 2— 减压阀； 3— 分离釜； 4— 压缩机
（ b）等压法 T1＜ T2 p1＝ p2 1— 萃取釜； 2— 加热器； 3— 分离釜； 4— 高压泵；
5— 冷却器
（ c）吸附法 T1＝ T2 p1＝ p2 1— 萃取釜； 2— 吸附剂； 3— 分离釜； 4— 高压泵
2005-3-28 36
? 上述工艺过程
原理可以用萘
的溶解度与超
临界 CO2温度
和压力关系图
加以说明 。
图 2-27 萘在超临界 CO2
中溶解度等压线图
2005-3-28 37
? 对比等温、等压和吸附 3种基本流程的能耗可
见，吸附法理论上不需压缩能耗和热交换能耗，
应是最省能的过程。但该法只适用于可使用选
择性吸附方法分离目标组分的体系，绝大多数
天然产物分离过程很难通过吸附剂来收集产品，
所以吸附法只能用于少量杂质脱除过程。
? 温度变化对 CO2流体的溶解度影响远小于压力
变化的影响。等压法实用价值较少。
? 通常超临界 CO2萃取过程大多采用改变压力的
等温法流程。
2005-3-28 38
? 固相物料超临界 CO2萃取工艺过程
? 1,固相物料的萃取过程
图 2-28 固体物料超临界 CO2萃取工业化流程
2005-3-28 39
2.超临界 CO2萃取与其他分离技术的联用
? 超临界萃取工艺流程可通过多级分离釜将产
品分成若干部分。但传统分离釜只是一个空
的高压容器，利用不同分离压力来达到分步
解析结果，所以产品往往是不同馏分的混合
物。由于天然产物组成复杂，近似化合组分
多，因此单独采用超临界萃取（ SFE）技术
常常满足不了对产品纯度要求。为此，人们
开发了 SFE与其他分离手段的联用工艺技术。
2005-3-28 40
① 超临界萃取和精馏联用
? 是将超临界萃取与精密分馏相结合，在萃取的同时
将产物按其性质和沸程分成若干不同的产品。具体
工艺流程是将填有多孔不锈钢填料的高压精馏塔代
替分离釜，沿精馏塔高度有不同控温段（见图 2-
29）。萃取产物在分离解析的同时，利用塔中的温
度梯度，改变 CO2流体的溶解度，使较重组分凝析而
形成内回流，产品各馏分沿塔高进行气 — 液平衡交
换，分馏成不同性质和沸程的化合物。
? 通过这种联用技术，可大大提高分离效率，如在鱼
油精制中，采用该技术可得二十碳五烯酸（ EPA）
和二十二碳六烯酸（ DHA）纯度达到 90％以上的产
品。在日本该联用技术应用于辛香料的萃取 — 分离
也有多篇专利技术。
2005-3-28 41
图 2-29 超临界 CO2萃取与精密分馏塔联用示意图
2005-3-28 42
② 超临界萃取与尿素包合技术联用
? 又称超临界萃取结晶法 。利用尿素可与脂肪
酸化合物形成包合物，而且分子结构和不饱
和度不同的化合物与尿素的包合程度不同这
一特性来实现组分的分离，可用于从鱼油中
提纯 EPA和 DHA。
③ 超临界萃取与色谱分离联用
? 如从向日葵种子中提取维生素 E时同硅胶吸附
柱联用；
? 从美丽猪屎豆种子中萃取单猪屎豆碱时同离
子交换柱联用。
2005-3-28 43
? 液相物料的超临界 CO2流体萃取
? 固相物料的超临界 CO2萃取只能采用间歇式操
作，即萃取过程中萃取釜需要不断重复装料 -
充气，升压 -运转 -降压，放气 -卸料 -再装料的
操作。因此，装置处理量少，萃取过程中能耗
和 CO2气耗较大，以至产品成本较高。
? 液相物料超临界 CO2萃取有下列特点。
①萃取过程可以连续操作
②实现萃取过程和精馏过程一体化，可以连续
获得高纯度和高附加值的产品。
2005-3-28 44图 2-30 液相物料连续逆流萃取塔
该 装 置 有
效 利 用 于
超临界 CO2
萃 取 和 精
馏 分 离 过
程, 达到
进 一 步 分
离, 纯化
的目的 。
2005-3-28 45
2.4.4 SC-CO2萃取技术的应用
? 生物活性物质和生物制品的提取
? SC-CO2萃取技术主要应用于有害成分成分的脱除、
有效成分的提取、食品原料的处理等几个方面。例
如：用 SFE从咖啡、茶中脱咖啡因；啤酒花萃取；
从植物中萃取风味物质；从各种动植物中萃取各种
脂肪酸、提取色素；从奶油和鸡蛋中去除胆固醇等。
? 自 1978年德国 HAG公司第一套超临界 CO2萃取咖
啡因工业化装置问世以来，世界各国纷纷推出各具
特色的实用化装置，萃取釜规模从 200L到 7m3不等，
主要以食品工业的应用为主。
2005-3-28 46
1,脱咖啡因
? 超临界流体萃取技术得到最早大规模的工业化应用
的是天然咖啡豆的脱咖啡因。
图 2-31 用 SF-CO2法从咖啡豆中脱出咖啡因工艺流程
2005-3-28 47
2.啤酒花萃取
? 图 2-32为啤酒花萃取流程。普通的有机溶剂萃取法
制取的啤酒花萃取液为暗绿色膏状（即啤酒花浸
膏），含有许多不纯物质，而且还残留有机溶剂。
液体 CO2和 SC-CO2抽提的酒花萃取物颜色为微榄
绿，在 20～ 25MPa,40℃ 萃取 4h,浸膏得率可 14
％,α-酸提取率近 99%，硬树脂萃取率仅为 5.2%，
而且不萃取农药，芳香成分不氧化。
2005-3-28 48
图 2-32 SC-CO2萃取啤酒花的生产装置流程示意图
2005-3-28 49
表 2-6 萃取物的分析结果（％）
成分 原料 萃余物 萃取液 萃取率
水分 6.0 5.4 7.0
树脂含量 30.3 4.3 90.0 89.9
软树脂 26.6 1.3 84.8 96.5
α-酸 12.6 0.2 41.2 98.9
β-酸 14.0 1.1 43.6 94.4
硬树脂 3.7 3.0 5.2
2005-3-28 50
3,其他
? 从工业性应用的萃取分离角度,SC-CO2萃取技术在
医药、食品、化妆品等工业领域中有较宽的应用面
① 医药工业
? 酶、维生素等的精制回收
? 动植物中药效成分的萃取（生物碱、生育酚,EPA、
DHA,鸦片、吗啡、精油等）
? 医药品原料的浓缩、精炼、脱溶剂
? 脂质棍合物的分离、精制（甘抽酯、脂肪酸、卵磷
脂）
? 酵母、菌体产物的萃
2005-3-28 51
② 食品工业
? 植物油脂的萃取（大豆、向日葵、棕榈、可可
豆、咖啡豆等）
? 动物油脂的萃取（鱼油、肝油等）
? 奶脂中脱除胆固醇等
? 食品脱脂（炸土豆片、油炸食品、无脂淀粉）
? 咖啡、红茶脱咖啡因、酒花萃取
? 香辛料萃取（胡椒、肉豆蔻、肉桂等）
? 植物色素的萃取（辣椒、栀子等）
? 共沸混合物分离，含醇饮料的软化
? 脱色、脱臭，烟草脱尼古丁
2005-3-28 52
③ 化妆品 及香料工业
? 天然香料萃取，合成香料的分离和精制
? 化妆品原料萃取，精制（界面活性剂、脂肪酸脂、
甘油单酯等）
2005-3-28 53
? 超临界状态下的酶促反应
? 除了用 SC-CO2作萃取剂外，作为特殊的非水相的
酶反应溶剂，近年来受到越来越多的关注。许多酶
蛋白在 SC-CO2中不失去活性，且有催化功能。由
于在自然界中酶的催化反应是在水相介质中进行的，
所以酶在 SC-CO2介质中的催化行为，引起人们的
强烈兴趣。根据目前的工作,SC-CO2作为酶催化
反应的介质有以下优点：
2005-3-28 54
①脂溶性底物和产物可溶于 SC-CO2中，酶蛋白
不溶解，有利于三者的分离。
②产品回收时，不需要处理大量的稀水溶液，
因而不产生废水污染问题。
③与其他非水相有机溶剂中的酶催化反应相比，
SC-CO2更适合与生物、食品相关的产品体系，
产物分离简单。
④与萃取一样,SO-CO2中的质量传递速度快，
在临界点附近，溶解能力和介电常数对温度
和压力敏感，可控制反应速度和反应平衡。
? 目前研究的有酯化反应、酯水解反应等。反
应条件温和，部分反应如表 5-14所示。
2005-3-28 55
? SC-CO2的细胞破壁技术
? SC-CO2渗透力强，能快速渗入细胞内并达到细胞
内外压力平衡。此时如突然降压，由于细胞内外压
差较大，细胞剧烈膨大而发生胀裂。 SC-CO2的以
下一些性质有利于细胞破碎：
①在近临界点,SC-CO2的微小压力变化导致其体积
变化很大，其能量变化很大，所以 SC-CO2可破坏
较厚的细胞壁，如常见的酵母等。
② SC-CO2对细胞壁中的少量脂类有萃取作用，会破
坏细胞壁的化学结构，造成细胞壁在某些位置上的
损坏。这种方式破坏的细胞壁碎片较大，使下游分
离过程易于进行。
③ CO2节流膨胀是吸热降温过程，这个性质可防止通
常破碎过程的升温而引起的热敏性物质的破坏。
2.3 反胶团萃取
? 反胶团（ reversed micelles） 是两性表面活性
剂在非极性有机溶剂中亲水性基团自发地向
内聚集而成的，内含微小水滴的，空间尺度
仅为纳米级的集合型胶体。是一种自我组织
和排列而成的，并具热力学稳定的有序构造。
2005-3-28 2
? 反胶团的微小界面和微小水相具有两个特异性功能：
①具有分子识别并允许选择性透过的半透膜的功能；
②在疏水性环境中具有使亲水性大分子如蛋白质等保
持活性的功能。
? 因此，反胶团可作为
? 生物膜的简化模型；
? 作为显示酶类性质的一种模型进行基础性研究；
? 作为具有新型功能的疏水性反应场；
? 作为酶和微生物的一种新型的固定化方法；
? 作为微小型的生物反应器；
? 在生物技术领域中作为生理活性物质以及生物活性大
分子的特异性分离场（分离、浓缩等方法）。
2005-3-28 3
2.3.1 反胶团萃取技术的特点
? 反胶团萃取技术的突出优点
①有很高的萃取率和反萃取率并具有选择性；
②分离、浓缩可同时进行，过程简便；
③能解决蛋白质（如胞内酶）在非细胞环境中
迅速失活的问题；
④表面活性剂往往具有细胞破壁功效，可直接
从完整细胞中提取具有活性的蛋白质和酶；
⑤成本低，溶剂可反复使用等。
2005-3-28 4
2.3.2 反胶团的形成
? 反胶团的构造
? 当向水溶剂中加入表面活性剂时，如表面活性剂的
浓度超过一定的数值时，形成 正胶团（ normal
micelle） 。
? 当向非极性溶剂中加入一定量的表面活性剂时，会
形成 反胶团 或 反向胶团（ reversed micelles） 。
? 在反胶团中有一个极性核心，它包括由表面活性剂
极性端组成的内表面、平衡离子和水，被称之为
“水池”（ water pool） 。这个“水池”具有极性，
可以溶解具有极性的分子和亲水性的生物大分子。
2005-3-28 5
? 常用的表面活性剂
? AOT（ Aerosol OT），其化学名称是琥珀酸二（ 2-
乙基己基）酯磺酸钠（ Sodium di-2-ethyl-
hexylsulfosuccinate），结构式下
? CTAB（溴代十六烷基三甲铵）,TOMAC（氯化三
辛基甲铵）,PTEA（磷脂酰乙醇胺）。
? 常用的非极性有机溶剂
? 有 环己烷、庚烷、辛烷、异辛烷、己醇、硅油 等。
2005-3-28 6
? 反胶团的物理化学特性
? CMC （ critical micelle concentration）
0.1～ 1.0 mmol/L的范围内。
? 反胶团含水率 W
? W用水和表面活性剂的浓度之比来定义，即
W＝ c水 ／ c表
? W是个非常重要的参数, W越大, 反胶团的半径越
大 。
? 反胶团“水池”中的水与普通水差异大。当 W＜ 6～
8时，微水相中的水分子被表面活性剂亲水性基团强
烈地束缚，其表观粘度可增大到普通水粘度的 50倍，
且疏水性非常强。另外，其冰点通常低于 0℃ 。这一
部分水实际上起着使表面活性剂的亲水性基团水合
化的作用。因为这一部分水被牢固地束缚着，所以
粘度很大，流动性很差。
2005-3-28 7
? 在 AOT反胶团中，水合化一分子 AOT需要
6～ 8个水分子，而其他水分子则不受束缚，
可与普通水一样自由流动，所以当 W＞ 16时，
“水池”中的水逐渐接近主体水相粘度，胶
团内也形成双电层。
图 2-14 胶团变化示意图
2005-3-28 8
? 反胶团的制备
1.液液接触法
? 即将含蛋白质的水相与含表面活性剂的有机相接触。
2.注入法
? 将含有蛋白质的水溶液直接注入到含有表面活性剂的
非极性有机溶剂中去。这种方法的过程较快并可控制
反胶团的平均直径和含水量。
3.溶解法
? 对非水溶性蛋白质可用该法 。 将含有反胶团 （ W＝
3～ 30） 的有机溶液与蛋白质固体粉末一起搅拌, 使
蛋白质进入反胶团中, 该法所需时间较长 。 含蛋白质
的反胶团也是稳定的 。
2005-3-28 9图 2-15 蛋白质溶解方式示意图
2005-3-28 10
2.3.3 反胶团萃取蛋白质的基本原理
? 反胶团萃取是有机相 -水相间的分配萃取。
? 是从主体水相向溶解于有机溶剂相中反胶团微水相
中的分配萃取。
? 同时也是一个
浓缩操作。
? 改变水相条件
可实现反萃取。
图 2-16 反胶团萃取蛋白质的示意图
2005-3-28 11
,水壳, 模型 （ water-shell mode））
? 蛋白质向非极性溶剂中反胶团的纳米级水池中的溶
解，有图 2-17所示的四种可能。
① 大分子蛋白质被
封闭在“水池”中
② 蛋白质中的亲脂部
分直接与非极性溶
剂的碳氢化合物相
接触
③ 蛋白质被吸附在微
胶团的“内壁”上
④ 蛋白质被几个微胶
团所溶解，
图 2-17 蛋白质向反胶团溶解的可能模型
2005-3-28 12
? 酶、蛋白质萃取特性
? 分离场（胶团） -分离目标物质（蛋白质））间的相
互作用及其影响因素等见表 2-4。
表 2-4 决定分配系数 K的分离场 -分离物质间相互作用
相互作用 分离场 分离物质
静电性相互作用 pH,盐的种类和离子强度 pI,表面电荷
液状离子交换体浓度, 胶
团内双重电荷层
立体性相互作用 胶团尺度, 含水率 W,表 分子量
面活性剂浓度
疏水性相互作用 溶剂, 胶团亲水疏水基, 亲水疏水残基
含水率
特异性相互作用 亲和配体 构象
2005-3-28 13
? 下面以研究得较多的 AOT／ 异辛烷体系为对
象，以立体性、静电性、疏水性相互作用的
分离特性及效果作以下的归纳。
? 酶、蛋白质等生物大分子的空间尺度与反胶
团的大小相接近。因而包括立体性相互作用
在内，表 5-11中所有的相互作用关系虽都很
重要，但在多数场合下，是它们之间的复合
作用占主导地位。有些蛋白质其构象很小的
变化就可能对这些相互作用的结果产生很大
的影响。
2005-3-28 14
1.静电性相互作用
? 以细胞色素 C,溶菌酶, 核糖核酸酶 a为例，考察它
们从主体水相向反胶团内微水相中的萃取或反方向
的反萃取时静电性相互作用以及 pH对这种作用的影
响。
① 对于 Mr＜ 20000小分子蛋白质,pH＞ pI时，蛋白质
不能溶入胶团内，但在等电点附近，急速变为可溶。
当 pH＜ pI时，即在蛋白质带正电荷的 pH范围内，它
们几乎完全溶入胶团内。
2005-3-28 15
图 2-18 pH对蛋白质萃取率的影响
2005-3-28 16
②蛋白质相对分子质量增大到一定程度，即使将 pH向酸
性一侧偏离 pI,萃取率也会降低（即立体性相互作用
效果增大）。
③相对分子质量更大的 BSA,全 pH范围内几乎都不能萃
取（即静电相互作用效果无限小，可忽略不计）。此
时,AOT浓度如较通常条件（ 50～ 100mmol/L）增加
到 200～ 500mmol/L,逐渐变为可萃取。
④降低 pH,正电荷量增加，似乎有利于萃取率的提高。
事实上，缓慢减小 pH,萃取率从某一 pH开始，急速
减小。这被认为是蛋白质的 pH变性所造成的。蛋白质
和微量的 AOT在静电、疏水性等的相互作用下，在水
相中生成了复合体而变性。
2005-3-28 17
⑤ 添加 KCl等无机盐，萃取率下降（图 2-19）。
图 2-19 盐浓度对蛋白质溶解率的影响
2005-3-28 18
? 而且，它对有机相具有脱水作用（ W减小，见下
图），使立体性相互（排斥）作用增大。
图 2-20 盐浓度对反胶团含水率的影响
AOT（ mmol／ L）＝（○） 50
（△） 100,（□） 200,（◇） 300
2005-3-28 19
2.立体性相互作用
? 随着蛋白质分子量的增大，蛋白质分子和胶团间的立
体性相互作用增加，萃取率有下降趋势。用动态光散
射法测定，发现反胶团粒径存在一粒径分布，胶团的
粒径分布（分离场）随盐浓度和 AOT浓度的增加而
发生显著的变化。与蛋白质溶入与否没有关系。
? 分离场不受蛋白质种类的影响，可通过控制反胶团粒
径，高效分离纯化蛋白质。
? 随着蛋白质分子量的增加,分配系数 KpI迅速下降，
相对分子质量 20000左右的蛋白质的高效分离是可能
的。
? 萃取溶入胶团的蛋白质的种类和相对分子质量不同，
分离场的特性（胶团平均直径和含水率）几乎不变。
2005-3-28 20
3.其他的相互作用
? 疏水性相互作用对蛋白质分配特性的影响不大
2005-3-28 21
2.3.4 反胶团萃取过程
? 多步间歇混合／澄清萃取过程
? 图 2-21是在 pH 9时，核糖核酸酶的溶解率很
小，保留在水相而与其他两种蛋白质分离；
相分离得到的反胶团相（含细胞色素 C和溶菌
酶）与 0.5 mol/L的 KCl水溶液接触后，细胞色
素 C被反萃到水相，而溶菌酶的保留在反胶团
相。此后，含有溶菌酶的反胶团相与 2.0
mol/L KCl,pH 11.5的水相接触，将溶菌酶反
萃回收到水相中。
2005-3-28 22
图 2-21 反胶团萃取分离
蛋白质的工艺过程
2005-3-28 23
? 连续循环萃取 -反萃取过程
? 图 2-22为连续循环萃取 -反萃取过程，该过程由两个
混合／澄清单元构成，左侧单元用于反胶团萃取，经
沉降澄清器后反胶团相进入右侧单元的混合器进行反
萃取。
图 2-22 连续循环萃取与反萃取过程示意图
2005-3-28 24
2.4 超临界流体萃取
? 超临界流体萃取 supercritical fluid extraction,SCFE，
也叫 气体萃取 gas extraction,流体萃取 fluid
extraction,稠密气体萃取（ dense gas extraction）
或蒸馏萃取（ destraction），由于萃取中的一个重要
因素是压力，有效的溶剂萃取过程也可以在非临界状
态下实现，因此广义地也称之为 压力流体萃取
pressure fluid extraction。 它是利用 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，从固体或液体中萃
取出某种高沸点或热敏性成分，以达到分离和提纯的
目的。
2005-3-28 25
? 作为一个分离过程，超临界流体萃取过程介
于蒸馏和液 -液萃取过程之间。即此过程同时
利用了蒸馏和萃取的现象 —— 蒸汽压和相分
离均在起作用。
? 超临界流体萃取，是适用面很广的一门新型
分离技术。超临界流体萃取的操作需在高压
下运行，但因萃取溶剂是“气体”，操作中
可以方便地改变其压力和温度，还可改变超
临界流体的组成，因此能自由地改变它对物
质的溶解能力。萃取、分离和溶剂回收都能
在很低的温度下进行。
2005-3-28 26
2.4.1 超临界 CO2的溶剂特征
? 超临界 CO2的相图
? 利用不同密度下的
CO2对物质溶解能
力的差异就可以实
现萃取和分离的操
作，即通过压力或
温度的改变就可能
有效地萃取和分离
溶质。
图 2-23 CO2的相图
2005-3-28 27
? 萃取溶剂 CO2的性质
表 2-5 一些超临界萃取溶剂的临界点性质
溶剂 临界温度 临界压力 临界密度
(℃ ) (MPa) (kg/m3)
乙烷 32.3 4.88 203
丙烷 96.9 4.26 220
丁烷 152.0 3.80 228
乙烯 9.9 5.12 227
氨 132.4 11.28 235
二氧化碳 31.3 7.38 460
二氧化硫 157.6 7.88 525
水 374.3 22.11 326
氟里昂 -13 28.8 33.9 578
2005-3-28 28
? CO2在工业上应用广泛。它无毒，无腐蚀性，
不可燃烧，纯度高且价格低。又有优良的传
质性能，扩散系数大，粘度低，而且和其他
用做超临界流体的溶剂相比,CO2具有相对
较低的临界压力和临界温度，适合于处理某
些热敏性生物制品和天然物产品。
? 在超临界流体萃取技术的应用中，某些场合
的目的是得到萃取物，而在另一些场合下，
是为获得萃取后的余留物质，萃取物则为其
次。超临界 CO2（ supercritical carbon
dioxide,SC-CO2）萃取技术适用于上述两种
情况。
2005-3-28 29
? 将 1≤Tr≤1.4，
1＜ pr＜ 5的区
域作为 SC-CO2
的工作区。
图 2-24 SC-CO2对
比压力、对比温度、
对比密度关系
2005-3-28 30
? 溶质在 SC-CO2中的分配平衡及萃取动力学与
溶质在 SC-CO2中的扩散系数及 SC-CO2的粘
度有关。如图 2-25所示,SC-CO2中溶质的扩
散系数为温度和压力的函数。溶质在 SC-CO2
中的扩散系数比在通常液体中高出 50～ 100倍。
因此，对动物或植物组织中有效成分进行萃
取时，具有相当高的质量传递速率。
2005-3-28 31图 2-25 SC-CO2中溶质的扩散系数
2005-3-28 32
? SC-CO2的粘度在（ 0.03～ 0.09）× 10-3 Pa·s
的范围内，与通常的有机溶剂粘度（ 0.2～
3.0）× 10-3 Pa·s相比，仅为后者的几十分之
一。这使得 SC-CO2萃取有可能在相对较短
的时间内完成。
2005-3-28 33
2.4.2 SC-CO2萃取以及拖带剂的作用
? 添加拖带剂即辅助溶剂（ entrainer）以增加
物质的溶解度和萃取选择性，是实际运行中
常用的方法之一。
? 如在 CO2中添加约 14%的丙酮后，甘油酯的
溶解度增加了 22倍。
? 纯 CO2几乎不能从咖啡豆中萃取咖啡因，但
在加湿（水）的 SC-CO2中，因为生成了具
有极性的 H2CO3,在一定的条件下，能选择
性地溶解萃取极性的咖啡因。
2005-3-28 34
2.4.3 SC-CO2萃取流程
? SC-CO2萃取基本工艺流程
? 超临界萃取工艺过程主要由萃取釜和分离
釜二部分组成，并适当配合压缩装置和热
交换设备所构成。对于原料为固体的萃取
过程可归纳为 3种基本工艺流程 —— 等温法、
等压法和吸附法。图 2-26表示基本流程示
意图。
2005-3-28 35
图 2-26 超临界 CO2流体萃取的三种基本流程
（ a）等温法 T1＝ T2 p1＞ p2 1— 萃取釜； 2— 减压阀； 3— 分离釜； 4— 压缩机
（ b）等压法 T1＜ T2 p1＝ p2 1— 萃取釜； 2— 加热器； 3— 分离釜； 4— 高压泵；
5— 冷却器
（ c）吸附法 T1＝ T2 p1＝ p2 1— 萃取釜； 2— 吸附剂； 3— 分离釜； 4— 高压泵
2005-3-28 36
? 上述工艺过程
原理可以用萘
的溶解度与超
临界 CO2温度
和压力关系图
加以说明 。
图 2-27 萘在超临界 CO2
中溶解度等压线图
2005-3-28 37
? 对比等温、等压和吸附 3种基本流程的能耗可
见，吸附法理论上不需压缩能耗和热交换能耗，
应是最省能的过程。但该法只适用于可使用选
择性吸附方法分离目标组分的体系，绝大多数
天然产物分离过程很难通过吸附剂来收集产品，
所以吸附法只能用于少量杂质脱除过程。
? 温度变化对 CO2流体的溶解度影响远小于压力
变化的影响。等压法实用价值较少。
? 通常超临界 CO2萃取过程大多采用改变压力的
等温法流程。
2005-3-28 38
? 固相物料超临界 CO2萃取工艺过程
? 1,固相物料的萃取过程
图 2-28 固体物料超临界 CO2萃取工业化流程
2005-3-28 39
2.超临界 CO2萃取与其他分离技术的联用
? 超临界萃取工艺流程可通过多级分离釜将产
品分成若干部分。但传统分离釜只是一个空
的高压容器，利用不同分离压力来达到分步
解析结果，所以产品往往是不同馏分的混合
物。由于天然产物组成复杂，近似化合组分
多，因此单独采用超临界萃取（ SFE）技术
常常满足不了对产品纯度要求。为此，人们
开发了 SFE与其他分离手段的联用工艺技术。
2005-3-28 40
① 超临界萃取和精馏联用
? 是将超临界萃取与精密分馏相结合，在萃取的同时
将产物按其性质和沸程分成若干不同的产品。具体
工艺流程是将填有多孔不锈钢填料的高压精馏塔代
替分离釜，沿精馏塔高度有不同控温段（见图 2-
29）。萃取产物在分离解析的同时，利用塔中的温
度梯度，改变 CO2流体的溶解度，使较重组分凝析而
形成内回流，产品各馏分沿塔高进行气 — 液平衡交
换，分馏成不同性质和沸程的化合物。
? 通过这种联用技术，可大大提高分离效率，如在鱼
油精制中，采用该技术可得二十碳五烯酸（ EPA）
和二十二碳六烯酸（ DHA）纯度达到 90％以上的产
品。在日本该联用技术应用于辛香料的萃取 — 分离
也有多篇专利技术。
2005-3-28 41
图 2-29 超临界 CO2萃取与精密分馏塔联用示意图
2005-3-28 42
② 超临界萃取与尿素包合技术联用
? 又称超临界萃取结晶法 。利用尿素可与脂肪
酸化合物形成包合物，而且分子结构和不饱
和度不同的化合物与尿素的包合程度不同这
一特性来实现组分的分离，可用于从鱼油中
提纯 EPA和 DHA。
③ 超临界萃取与色谱分离联用
? 如从向日葵种子中提取维生素 E时同硅胶吸附
柱联用；
? 从美丽猪屎豆种子中萃取单猪屎豆碱时同离
子交换柱联用。
2005-3-28 43
? 液相物料的超临界 CO2流体萃取
? 固相物料的超临界 CO2萃取只能采用间歇式操
作，即萃取过程中萃取釜需要不断重复装料 -
充气，升压 -运转 -降压，放气 -卸料 -再装料的
操作。因此，装置处理量少，萃取过程中能耗
和 CO2气耗较大，以至产品成本较高。
? 液相物料超临界 CO2萃取有下列特点。
①萃取过程可以连续操作
②实现萃取过程和精馏过程一体化，可以连续
获得高纯度和高附加值的产品。
2005-3-28 44图 2-30 液相物料连续逆流萃取塔
该 装 置 有
效 利 用 于
超临界 CO2
萃 取 和 精
馏 分 离 过
程, 达到
进 一 步 分
离, 纯化
的目的 。
2005-3-28 45
2.4.4 SC-CO2萃取技术的应用
? 生物活性物质和生物制品的提取
? SC-CO2萃取技术主要应用于有害成分成分的脱除、
有效成分的提取、食品原料的处理等几个方面。例
如：用 SFE从咖啡、茶中脱咖啡因；啤酒花萃取；
从植物中萃取风味物质；从各种动植物中萃取各种
脂肪酸、提取色素；从奶油和鸡蛋中去除胆固醇等。
? 自 1978年德国 HAG公司第一套超临界 CO2萃取咖
啡因工业化装置问世以来，世界各国纷纷推出各具
特色的实用化装置，萃取釜规模从 200L到 7m3不等，
主要以食品工业的应用为主。
2005-3-28 46
1,脱咖啡因
? 超临界流体萃取技术得到最早大规模的工业化应用
的是天然咖啡豆的脱咖啡因。
图 2-31 用 SF-CO2法从咖啡豆中脱出咖啡因工艺流程
2005-3-28 47
2.啤酒花萃取
? 图 2-32为啤酒花萃取流程。普通的有机溶剂萃取法
制取的啤酒花萃取液为暗绿色膏状（即啤酒花浸
膏），含有许多不纯物质，而且还残留有机溶剂。
液体 CO2和 SC-CO2抽提的酒花萃取物颜色为微榄
绿，在 20～ 25MPa,40℃ 萃取 4h,浸膏得率可 14
％,α-酸提取率近 99%，硬树脂萃取率仅为 5.2%，
而且不萃取农药，芳香成分不氧化。
2005-3-28 48
图 2-32 SC-CO2萃取啤酒花的生产装置流程示意图
2005-3-28 49
表 2-6 萃取物的分析结果（％）
成分 原料 萃余物 萃取液 萃取率
水分 6.0 5.4 7.0
树脂含量 30.3 4.3 90.0 89.9
软树脂 26.6 1.3 84.8 96.5
α-酸 12.6 0.2 41.2 98.9
β-酸 14.0 1.1 43.6 94.4
硬树脂 3.7 3.0 5.2
2005-3-28 50
3,其他
? 从工业性应用的萃取分离角度,SC-CO2萃取技术在
医药、食品、化妆品等工业领域中有较宽的应用面
① 医药工业
? 酶、维生素等的精制回收
? 动植物中药效成分的萃取（生物碱、生育酚,EPA、
DHA,鸦片、吗啡、精油等）
? 医药品原料的浓缩、精炼、脱溶剂
? 脂质棍合物的分离、精制（甘抽酯、脂肪酸、卵磷
脂）
? 酵母、菌体产物的萃
2005-3-28 51
② 食品工业
? 植物油脂的萃取（大豆、向日葵、棕榈、可可
豆、咖啡豆等）
? 动物油脂的萃取（鱼油、肝油等）
? 奶脂中脱除胆固醇等
? 食品脱脂（炸土豆片、油炸食品、无脂淀粉）
? 咖啡、红茶脱咖啡因、酒花萃取
? 香辛料萃取（胡椒、肉豆蔻、肉桂等）
? 植物色素的萃取（辣椒、栀子等）
? 共沸混合物分离，含醇饮料的软化
? 脱色、脱臭，烟草脱尼古丁
2005-3-28 52
③ 化妆品 及香料工业
? 天然香料萃取，合成香料的分离和精制
? 化妆品原料萃取，精制（界面活性剂、脂肪酸脂、
甘油单酯等）
2005-3-28 53
? 超临界状态下的酶促反应
? 除了用 SC-CO2作萃取剂外，作为特殊的非水相的
酶反应溶剂，近年来受到越来越多的关注。许多酶
蛋白在 SC-CO2中不失去活性，且有催化功能。由
于在自然界中酶的催化反应是在水相介质中进行的，
所以酶在 SC-CO2介质中的催化行为，引起人们的
强烈兴趣。根据目前的工作,SC-CO2作为酶催化
反应的介质有以下优点：
2005-3-28 54
①脂溶性底物和产物可溶于 SC-CO2中，酶蛋白
不溶解，有利于三者的分离。
②产品回收时，不需要处理大量的稀水溶液，
因而不产生废水污染问题。
③与其他非水相有机溶剂中的酶催化反应相比，
SC-CO2更适合与生物、食品相关的产品体系，
产物分离简单。
④与萃取一样,SO-CO2中的质量传递速度快，
在临界点附近，溶解能力和介电常数对温度
和压力敏感，可控制反应速度和反应平衡。
? 目前研究的有酯化反应、酯水解反应等。反
应条件温和，部分反应如表 5-14所示。
2005-3-28 55
? SC-CO2的细胞破壁技术
? SC-CO2渗透力强，能快速渗入细胞内并达到细胞
内外压力平衡。此时如突然降压，由于细胞内外压
差较大，细胞剧烈膨大而发生胀裂。 SC-CO2的以
下一些性质有利于细胞破碎：
①在近临界点,SC-CO2的微小压力变化导致其体积
变化很大，其能量变化很大，所以 SC-CO2可破坏
较厚的细胞壁，如常见的酵母等。
② SC-CO2对细胞壁中的少量脂类有萃取作用，会破
坏细胞壁的化学结构，造成细胞壁在某些位置上的
损坏。这种方式破坏的细胞壁碎片较大，使下游分
离过程易于进行。
③ CO2节流膨胀是吸热降温过程，这个性质可防止通
常破碎过程的升温而引起的热敏性物质的破坏。
