第二章 研究背景與理論
2.1 反微胞萃取蛋白質
界面活性劑分子其結構為兩個不同極性的基團所組成，分別為 極 性 小 的 疏 水 基 團(hydrophobic group)以及極性大的親水性基團 (hydrophilic group) (圖 2-1)，可有效降低兩相界面間的表面張力。界 面活性劑的分類方法主要有兩種：(1)親水基團帶電性質，根據界面 活性劑溶於水時能否生成離子的情況可分為離子型與非離子型界面 活性劑，其中離子型界面活性劑又可細分為陽離子型、陰離子型，兩 性型界面活性劑(表 2-1)。(2)界面活性劑溶於水的難易程度：可由界 面活性劑所帶的親水以及疏水基團，來區分界面活性劑為較親水性或 較疏水性的，也可用HLB 數值(hydrophile-lipophile balance)來表示，
參考(表 2-2)，當 HLB 值越小，代表界面活性劑疏水程度越大。 低濃度，稱為臨界微胞濃度CMC (critical micelle concentration)。當界 面活性劑分子濃度達到CMC 值時，溶液的一些物理性質如電導度、
表面張力、滲透壓等會發生明顯的改變(圖 2-3)。
(2) 反微胞(Reverse micelle)
當界面活性劑溶於非極性的溶劑中產生聚集時 9，其結構正好與 水溶液中所形成的微胞相反(圖 2-4)，反微胞的親水端會朝內聚集成 一個可以溶解水分子的極核中心，又稱水核(water pool)，其疏水端則 分佈在反微胞的外圍。
2.1.3 反微胞萃取作用力
(1) 靜電作用力(electrostatic interactions)10
由於離子型的界面活性劑帶有電荷，故在其所形成的反微胞系統 中，若欲使水溶性的分子進入有機相中，則必需讓水溶性的分子所帶 電荷與界面活性劑相反;相對的如果當水溶性分子與界面活性劑帶有 相同的電荷時，水溶性分子就會因為與界面活性劑電荷排斥，而從反 微胞系統回到水相。藉由正負電的靜電作用力，來達到萃取的效果。
(2)疏水性作用力(hydrophobic interactions)11, 12
而對非離子型的界面活性劑而言，改變 pH 值對其萃取的效果影 響不大，亦即上述所提到的靜電作用力對非離子型的界面活性劑並非 影響其萃取的主要因素，因此有些學者認為水溶性分子的疏水基與界 面活性劑的疏水基之間的凡得瓦耳力是影響這一類界面活性劑應用 在萃取上之效率的最主要因素。
2.1.4 影響蛋白質萃取的因素
(1) 水溶液中的離子強度(ionic strength)13
當水溶液中的離子強度增加時，會導致界面活性劑的極性端與
親水性分子之間的淨電作用力降低，使得反微胞水合中心的體積變 小，亦是有機相溶解蛋白質的能力變小，這種在界面活性劑的親水端 與蛋白質表面電荷所造成的效應稱為Debye screening effect。溶在反 微胞內水分子的多寡可用W0表示，其定義為反微胞相中水與界面活 劑的莫耳數比(W0=[H2O]/[Surfactant])，當 W0值越大時，表示每個反 微胞可攜帶的水分子越多，也越有能力萃取較多或較大的親水性分 子。
但是，當溶液的離子強度小於某一極限時，無法形成反微胞及 產 生 相 分 離 現 象 ， 水 相 、 有 機 相 就 會 產 生 一 穩 定 的 乳 化 態 (microemulsion)。根據過去學者的研究 14，當水溶液中的離子濃度小 於 0.1M 時，含有界面活性劑的有機相與水相不容易回復澄清，形成 乳化態，而萃取白質的效率不高。
(2) 離子種類(Type of Electrolyte),
水溶液中鹽類的組成除了決定離子強度外，也會影響有機相與水 相之間蛋白質的萃取。有文獻指出，改變離子種類15對於蛋白質萃取 效率的影響程度為K+ < Rb+ < Cs+ < Na+ < Li+，其影響原因可能是金 屬離子電荷形成遮蔽效應，而遮蔽效應會降低萃取效果。由上述例子 中鉀離子的遮蔽效果最大，萃取效果卻最差，而鋰離子遮蔽效果最小 萃取效果最好。
(3) 水溶液的酸鹼值(pH)
水溶液中的pH 值決定了蛋白質表面電荷。當蛋白質的總靜電荷 為零時，此溶液的pH 值稱之蛋白質的等電點(isoelectric point)，簡稱
pI 點，當溶液的 pH 與 pI 相等時，其離子淨電荷為零。當蛋白質溶在 性作用(denaturation)，而造成反微胞有效回收率降低 13，也導致蛋白 質活性喪失。 sodium bis(2-ethylhexyl)sulfosuccinate (AOT)以及陽離子界面活性劑
Trioctyl methyl ammonium chloride (TOMAC) 和 Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB)這幾種 19, 20, 21。而非離子 界面活性因為靜電作用力較弱，所以改變其帶電性是影響不大的。但 是有研究指出非離子型的界面活性劑對蛋白質的活性傷害較小22，因 此更適用在生物分子上。
而界面活性劑的濃度增加可改變蛋白質進入有機相的程度多寡
23，當界面活性劑的濃度高時，有利於反微胞的正向萃取，但是對反 向萃取卻是不利的，因此在界面活性劑濃度的調整上，必須選擇適當 的濃度使正向與反向萃取效果達到最佳化。
(5) 共界面活性劑(cosurfactant)和共溶劑(cosolvent)
傳統在反向萃取蛋白質時，大都調整 pH 值或離子強度。近幾年 來有一些研究發現可用其他方式來應用在反向萃取上。例如加入一些 輔助溶劑於反微胞系統中，可以使反微胞不穩定，因而迫使蛋白質從 有機相回到水相中24:或者加入一些共界面活性劑25，改變反微胞的形 狀，亦可增加反向萃取效率。當我們在反微胞系統中加入電性相反的 界面活性劑，此時兩種界面活性劑因靜電作用而互相吸引，破壞了微 胞系統，幫助提升反向萃取效率；若是加入非離子型界面活性劑做為 共界面活性劑時，尚可以幫助蛋白質保持活性。
(6) 溫度
溫度變化對反微胞系統的物理與化學性質有相當程度的影響。當 溫度越大時其可以增加界面活性劑與蛋白質之間的疏水性作用力，可 提高蛋白質在有機相中的溶解力。因此溫度越大，對蛋白質的萃取越 高，但蛋白質可能受到溫度的影響而變性。
(7) 有機溶劑的類型
反微胞的大小會受到有機溶劑種類的影響，當然也改變了反微胞 水核中心的大小。因此不同溶劑系統所形成的反微胞結構，在對特定 生物分子進行萃取時，其生物分子在水相與有機相之間的傳遞就有很
大的差別。
2.2 親和性反微胞 (Affinity-Based Reversed Micelles)