聚合物反胶团萃取氨基酸的研究_王运东
第34卷第5期2002年9月
四川大学学报(工程科学版)
JO UR NAL OF SICHUAN UNIVERSITY (ENGINEERING SCIENCE EDITION)
Vol. 34No. 5Sept. 2002
文章编号:1009-3087(2002) 05-0075-05
聚合物反胶团萃取氨基酸的研究
王运东1, 施长云1, GAN Quan 2, 戴猷元1
(1. 清华大学化学工程系, 北京100084; 2. 英国贝尔法斯特女王大学化工系, 英国)
摘 要:利用德国BASF 公司生产的Pluronic 型和Pluronic R 型两类嵌段聚合物制备聚合物反胶团萃取氨基酸(L -苯丙氨酸和L-异亮氨酸) , 探讨了聚合物反胶团对氨基酸的萃取平衡特性。实验表明, 聚合物反胶团对氨基酸的萃取平衡时间与纯有机溶剂的物理萃取相比差别很小, 溶质在反胶团外壳部分与其内部水池间的平衡分配系数K 都普遍较大, 另外, 当氨基酸水溶液的p H 值接近等电点时, 反胶团萃取达到最佳效果。通过理论分析得到如下推断:聚合物反胶团对两亲性氨基酸的增溶主要在其外壳部分, 很可能是包裹在聚氧丙烯外壳内或缠绕在聚氧丙烯链之间; 亲油作用和氢键作用是聚合物反胶团萃取的主要推动力。关键词:EO x PO y EO x ; PO x EO y PO x ; 聚合物反胶团; 加溶作用; 氨基酸中图分类号:TQ 028. 32
文献标识码:A
Extraction of Amino Acids by Polymeric Reverse Micelles
WANG Yun -dong , S HI Chang -yun , GAN Quan , DAI You -yuan
(1. Dept. of Chem. Eng. , Tsinghua Uni v. , Beijing 100084, China;
2. School of Chem. Eng. , The Queen . s Univ. of Belfas t, Belfast, Northern Ireland, UK)
1
1
2
1
Abstract:Polymeric reverse micelles were formed with polyoxyalkylene block copolymers as surfactant and 1-octanol as cosolvent in the polyoxyalkylene block copolymers/1-octanol/p-xylene system. The polyoxyalkylene block copolymers consist of hydrophilic poly(ethylene oxide) (PEO) and hydrophobic poly(propylene oxide) (PPO) . Two types of copoly -mers, PEO-PPO-PE O-type and PPO-PEO-PPO-type triblock c opolymers were used. Our present interests are focused on the separation of amino acids by the polymeric reverse micelle solutions. Extrac tion equilibrium partition of a mino acids be tween polymeric reversed micelle solutions and water was investigated to study the extrac tion behaviors. The copolymer type and aqueous phase pH affects the extraction process. A model for solute solubilization by the poly -meric reverse micelles was proposed. The model of polymeric reversed micelles to solubilize amino acid is most probably as follows:Amino acid is surrounded in the poly (propylene oxide) hydrophobic coronas or twined round by the poly (propylene oxide) chains. The driving force for this process is mainly due to hydrophobic interaction and hydrogen bond -ing interaction.
Key words:EO x PO y E O x , PO x EO y PO x , polymeric reverse micelles, solubilization, amino acid
众所周知, 两亲性的小分子表面活性剂或大分
收稿日期:2002-04-30
基金项目:国家自然科学基金资助项目(29836130)
作者简介:王运东(1961-) , 男, 博士, 副教授. 研究方向:化工计
算流体力学.
子嵌段聚合物能分别在水相和油相中形成正向或反向微胶团。由于胶团内核的加溶特性, 胶团在分离或提纯过程中能起到载体的作用。单个正向微胶团
一般含有一个憎水的核和一个亲水的晕, 而反向微胶团则会形成亲水的核和憎水的晕。由于反胶团内
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核的极性, 水很容易被加溶到其溶液中。有研究报道加溶的水在微观黏度、酸度和极性上与主体水有所不同。含水的反向微胶团在小分子催化剂、生化高分子及膜研究等领域中起着很重要的作用。
一些含有双烷基链和极性头的阴离子表面活性剂如丁二酸二(2-乙基己基) 酯磺酸钠(AOT) 等形成的反胶团目前已得到了广泛的研究。在过去的30年中, 研究者运用核磁共振(NMR)、荧光色谱、光闪射(SAXS 、SANS) 等手段对此类反胶团内核中的加溶水的特性作了较深入的研究。然而, 由亲水性的聚氧乙烯基(PEO) 和憎水性的聚氧丙烯基(PPO) 或聚氧丁烯基(PBO) 构成的聚烷氧基嵌段聚合物直到最近几年才引起人们的广泛兴趣。PEO-PPO -PEO 型嵌段聚合物由于其在洗涤、乳化、消泡、分散等方面的广泛的应用, 最近几年成为人们争相报道的热点:它们一般都具有表面活性, 随着聚合物浓度或温度的不同可形成不同结构的聚集体。E x P y E x 型两亲嵌段聚合物的水溶液行为目前研究较多, 与之形成鲜明对比的是, 其非水溶液特性则研究不多, 而反向构造的PO x E O y PO x 型聚合物的非水溶液特性的研究则更少。作者也研究了聚合物反胶团的形成及其影响因素[7-9], 并利用聚合物反胶团进行了萃取苯酚的实验研究。本文以L-苯丙氨酸和L-异亮氨酸水溶液为对象, 系统地进行了聚合物反胶团萃取平衡分配实验研究, 讨论影响萃取平衡的因素, 为进一步研究和开发聚合物反胶团萃取过程打下基础。
[1-6]
min, 再逐滴加水直到出现乳白色, 反滴1~5L l 左右的相应浓度的聚合物溶液使其澄清。达到终点时, 可以确定加溶水量W o 。用Karl-Fisher 滴水仪测定水含量。实验表明, 两种方法的偏差小于1. 0j 。反胶团粒径由准弹性光散射(QuasiElastic Light Scat -tering) 测定。
表1 嵌段聚合物的性质
Tab. 1
Properties of the polyoxyalkylene block copolymers used
Chemical formul a EO 6PO 34EO 6EO 8PO 50EO 8PO 14EO 24PO 14PO 19EO 33PO 19
Average molecular wei ght [**************]0
P PO /%80806060
Cl oud Point in 1%aqueous HLB solution/e
32264640
1~71~77~127~12
Polymer notation (B ASF) PE6200PE920017R425R4
1. 3 萃取平衡实验
用移液管移取等体积的聚合物有机溶液和不同浓度的溶质水溶液, 置于干燥洁净的锥形瓶中, 将锥形瓶放入HZS-H 超级恒温水浴摇床进行振荡1h 。当两相达到分配平衡后取出静置30min 分层, 用20ml 注射器取出萃余水相。经分析得出萃余水相溶质浓度后, 利用物料平衡求出有机相中溶质的浓度, 选用目前常用的计算胶团萃取量的方法由下式得出:K x
]
aq. in
-C a aq. f aq. i n C a
=(tot ) (V () -K a o /w V so l v ) aq. f
N S C a
(1)
当溶质在油相的溶解度极低时, 可进一步简化为:
K x
]
aq. in
-C a aq. f aq. in C a
=() ()
N S tot C a aq. f
1 实验部分
1. 1 实验材料
实验中选用4种有代表性的EO x PO y E O x 型聚烷氧基三嵌段聚合物进行研究。Pluronic PE6200和
PE9200具有EO x PO y EO x 型结构, 17R4和25R4具有PO x EO x PO x 型结构, 由BASF 在英格兰的分公司提供, 聚合物特性如表1所示。对二甲苯(纯度大于99%) 由英格兰化学公司提供, 正辛醇(纯度大于99%) 由美国Aldrith 化学公司提供, 实验用去离子水经电池净水仪处理, 其电导率小于3L s #cm -1。其它药品皆为分析纯。
1. 2 实验仪器和方法
在带磨口塞的试管中分别配制不同浓度的聚合物有机溶液, 每支约5~10g, 密封, 置于温控摇床中恒温。向溶液中滴加水, 每次5~10L l, 每滴加一次后-1(2)
氨基酸的浓度用茚三酮显色法在VIS-723型可见光分光光度计上进行比色分析[10]。
2 结果与讨论
图1(a) 分别为PE6200、PE9200、25R4和17R4对L-苯丙氨酸的萃取平衡曲线。为了便于随后考察氨基酸在反胶团中加溶的方式, 图中纵坐标K 由本文式(1) 给出, 公式推导见文献[11]。为简单起见, 这里简称为/界面分配系数0。图中横坐标C aq 为水相中氨基酸的初始浓度。比较可以发现, 以上4种嵌段聚合物反胶团体系都对氨基酸有萃取作用。当水溶液中溶质的初始浓度较低时, /界面分配系数0K 明显偏高。另外可以发现K 值都在100以上, K
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升高, K 值曲线都趋于平缓, 图中显示, 当初始溶质浓度超过0. 6mmol/l 时, K 值基本上保持为常数。与PE6200、PE9200、25R4、17R4对应的K 值分别为135、340、175、190。图1(b) 为PE6200、PE9200、25R4、17R4对L-异亮氨酸萃取的/界面分配系数0K 与水相L-异亮氨酸浓度C aq 的关系。有机相组成皆为10%(wt)聚合物/10%(wt) 正辛醇/对二甲苯。与前面的图比较可发现, 聚合物反胶团萃取L-异亮氨酸时的K 值比萃取L-苯丙氨酸时的K 值大。当K 值达到平台时, 与PE6200、PE9200、25R4、17R4对应的值分别为750、1350、1050、800
。
克服厚厚的反胶团外壳的阻力而进入水池的过程, 理论分析, 其达平衡时间应比普通的物理分配平衡时间要长。实验事实与理论分析的差异表明溶质在
反胶团中的加溶位置可能主要不在反胶团核心的水池里。
公式(1) 是Hatton 等人[11]为AOT 反胶团萃取蛋白质提出的加溶模型。模型的提出建立在以下的假设基础之上:
1) 萃取平衡时, 溶质主要分布在4个不同的区域, 即外部水溶液相、胶团水池、有机连续相和/反胶团表面0(即有机连续相中的水/油界面) 。对于本论文研究的聚合物反胶团萃取过程, 如此划分4个区域, 基本上是合理的。但是, 由于非离子型的嵌段聚合物构成的反胶团除了其核心水池外, 还含有厚厚的由聚氧丙烯基构成的外壳空间, 而且, 准弹性光散射(QE LS) 测定的粒径结果可知, 其外壳占据的空间远比水池的体积大(对于球形胶团, 当其聚集数N agg 为1000时, 胶团外壳占据的体积比水池体积大60倍以上; 当N agg 不到1000时, 此比值还会增大) , 因此将上述的4个区域中的/反胶团表面0改为/反胶团水池外围0更符合聚合物反胶团本身的特点; 2) /水池0被认为是一种/平均0的加溶环境, 忽略反胶团之间的复杂的聚并和溶解过程, 并且认为胶体中的水在加溶能力上与过剩的水溶液相相当。这一假设忽略了众多的影响因素, 其合理性还有待考证;
3) 溶质在有机连续相和水相间的分配系数K a o/w 不受胶团的影响。这一假设的前提是cmc 值
图1 氨基酸在聚合物反胶团相和水相之间的分配Fig. 1 Partition coefficient of amino acids between poly -meric reverse micellar phase and aqueous phase
较小, 这对于嵌段聚合物/对二甲苯体系中形成的反胶团是合理的, 因为非离子型嵌段聚合物在有机相
中的cmc 值比离子型的AOT 的cmc 要小。另外就是假设有机相完全不溶于水, 必须指出, 这一假设为实验数据的处理带来了不确定性。但对于几乎不溶于水的氨基酸溶质和非极性很强的对二甲苯有机溶剂而言误差不大;
4) 胶团表面遵循/表面单层模型0, 假设有机连续相中的水/油界面被表面活性剂分子单层覆盖, 溶质在反胶团界面上的聚集被认为是一种分配。界面上水分子的吸附量为0, 油的吸附量也被忽略。对于聚合物反胶团溶液, 当反胶团中的加溶水量达到极限值, 反胶团被膨胀至最大, 因近似遵循/表面单层模型0。对于界面上水分子的吸附量为0的假设, 由于对非离子型反胶团的一个普遍认可的观点是反图2为PE6200、PE9200、25R4、17R44种嵌段聚合物反胶团溶液对L-苯丙氨酸和L-异亮氨酸萃取时, pH 值对/界面分配系数0K 的影响。由图可以发现, 随pH 值的改变, 该萃取过程的K 值出现了一个极值区间, 当溶质为L-苯丙氨酸时, K 的极大值约在pH=5. 5时出现; 而对于L-异亮氨酸, 则约在pH=6. 0时达到K 的极大值。
研究发现, 溶质在油水相之间的物理分配与其在聚合物反胶团相和水相之间的分配, 两者达平衡时间相差很小。由胶团粒径分析可知, 非离子型的嵌段聚合物形成的反胶团, 其聚氧丙烯/外壳0所占据的空间远远超过其核心水池的体积。若溶质主要
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也是可以接受的。另外, 由于对二甲苯是非渗透性油,
因此忽略界面上油的吸附量是合理的。
大, 当溶质浓度逐渐增大时, 溶质进入反胶团内部水池的增加趋势比外壳中溶质分子的增加趋势大(因为前者的基数小) , 故K 值逐渐下降, 当两者的增加趋势相当时, K 值趋于稳定;
3) 对于分子量较小且不含苯环的L-异亮氨酸, 由于其缠绕在聚氧丙烯链间时所遇到的方位阻力较小, 因而与其对应的K 值较大;
4) 由于极性很强的水分子主要被加溶到反胶团内部而形成水池, 与两亲性氨基酸的加溶方式有所不同, 因此水加溶能力突出的正式嵌段聚合物PE6200和反式25R4在氨基酸加溶过程中却并非最好。相反含较长聚氧丙烯链的PE9200(分子中PO 数为50) , 由于提供了更大的外壳缠绕空间, 使其对氨基酸的加溶能力较大。
图2 pH 值对聚合物反胶团萃取氨基酸的影响Fig. 2 Effect of pH on amino acid extraction by
polymeric reversed micelles
综合上面的分析, 式(1) 赖以建立的4点假设前提对本实验体系基本上是适合的, 只是对式中K 的含义的描述有所不同。此处K 的准确定义应为/萃取达平衡时, 溶质在反胶团聚氧丙烯外壳处(反胶团水池周围) 与反胶团水池内分配的比值0。由前述的实验结果可以发现, 根据(1) 式计算出的/界面分配系数0K 都在100以上, 最大值甚至出现了2500。这表明溶质进入反胶团内部水池的分率与其在反胶团水池外围(聚氧丙烯外壳处) 的相比很少。综合萃取动力学曲线分析, 可以推断, 氨基酸在反胶团中的加溶位置主要在反胶团水池外围, 即厚厚的聚氧丙烯外壳处。有可能形成与常见的非离子型表面活性剂水溶液胶团的加溶相类似的结构, 即溶质被包裹在反胶团的聚氧丙烯外壳中或缠绕在聚氧丙烯链之间。可由图3示意。现在, 可以利用上面的加溶模型来进一步解释前述的实验现象。
1) 由于溶质主要加溶在反胶团外壳部分, 故其达平衡时间与纯有机溶剂物理萃取比较差别不大, 但毕竟还有少量溶质分子进入反胶团内部的水池里, 再者, 溶质分子在聚氧丙烯外壳间的包裹也还会遇到一定的阻碍, 所以其达萃取分配平衡时间比后者还是稍长一些;
2) 当被萃溶质浓度较低时, 溶质进入反胶团内
图3 聚合物反胶团加溶模型
F ig. 3 Model of solute solubilization by polymeric re -versed micelles
3 结 论
初步研究了聚合物反胶团萃取氨基酸的平衡影响因素, 探讨了聚合物反胶团对氨基酸的萃取特性。实验表明, 聚合物反胶团对氨基酸的萃取平衡时间与纯有机溶剂的物理萃取相比差别很小, 溶质在反胶团外壳部分与其内部水池间的平衡分配系数K 都普遍较大, 另外, 当氨基酸水溶液的pH 值接近等电点时, 反胶团萃取达到最佳效果。通过理论分析得到如下推断:聚合物反胶团对两亲性氨基酸的加溶主要在其外壳部分, 很可能是包裹在聚氧丙烯外壳内或缠绕在聚氧丙烯链之间; 亲油作用和氢键作用是聚合物反胶团萃取的主要推动力。参考文献:
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(编辑 黄小川)