大葉藻總黃酮的大孔樹脂純化工藝

孫京沙，張朝輝*

（中國海洋大學食品科學與工程學院，山東 青島 266003）

大葉藻（Zostera marina L.）是單子葉植物，隸屬于眼子菜大葉藻屬 ，地方名為海馬藺、海帶草、海苫房草[1]，分布于我國河北、遼寧和山東等沿海地區(qū)，朝鮮、日本、俄羅斯等地也有分布。大葉藻屬于多年生草本植物，作為海草床的一部分，對生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性有重要作用，同時也具有一定的經(jīng)濟和生態(tài)價值。目前，國內(nèi)學者對大葉藻的研究相對較少，主要集中在形態(tài)、生態(tài)作用、抗鹽機理等方面[2-4]。國外學者對大葉藻的研究較多，在生理[5-6]、生態(tài)繁殖[7]、海草床恢復[8-10]等方面都比較深入。

黃酮類化合物泛指兩個具有酚羥基的苯環(huán)（A-環(huán)與B-環(huán)）通過中央三碳原子相互連結(jié)而成的一系列化合物[11]。黃酮類化合物又稱生物類黃酮，廣泛地存在于植物的葉、花、果實等各個部位，是一類植物次生代謝產(chǎn)物[12]，具有抗氧化[13]、降血糖[14]、降血脂[15]等多種生物功效。大葉藻中總黃酮化合物，在國內(nèi)外已有研究，黃媛媛[16]、Jin等[17]對大葉藻中總黃酮的結(jié)構(gòu)及其抗氧化活性作了相關(guān)的研究，黃媛媛主要對鑒定了大葉藻乙酸乙酯相中的每個黃酮化合物個體結(jié)構(gòu)，而本實驗是對大葉藻總黃酮進行純化。

大孔吸附樹脂的原理是選擇性吸附中藥及其復方的有效成分，從而達到提取精制的目的。與傳統(tǒng)吸附劑相比，它具有選擇性好、吸附容量大、解吸容易、機械強度高、耐污染、可以多次反復使用、再生比較容易等優(yōu)點。目前已被廣泛應(yīng)用于多種植物黃酮類化合物的分離提純中[18-19]。

目前大葉藻不被充分利用，完全未發(fā)揮其在營養(yǎng)學方面的價值，在一些沿海區(qū)域只是利用大葉藻來建造海草房，用海草來構(gòu)建房屋的房頂。黃酮化合物已引起了國內(nèi)外專家人士的廣泛關(guān)注，研究方法也已日趨成熟，但是對于黃酮化合物的開發(fā)一般只限于陸生的高等植物，海洋中的植物還沒有充分開發(fā)利用，本實驗主要就海洋中的高等植物——大葉藻，利用大孔吸附樹脂純化其中的黃酮化合物，為大葉藻黃酮類化合物的進一步開發(fā)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大葉藻采于山東青島棧橋附近海，將采回的大葉藻用自來水沖掉泥沙，清水浸泡5 h除去草面的鹽。撈出后除去表面附著物，風干表面水分，后放入55℃烘箱烘干。將烘干的大葉藻用搗碎機研磨成粉末，過40 目篩，保存于陰暗干燥處備用。

蘆丁標準品 南京替斯艾么中藥研究所；亞硝酸鈉、硝酸鋁、鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇等均為國產(chǎn)分析純；D101-1、D101、DM130、DM301、AB-8大孔吸附樹脂 安徽三星樹脂科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SHA-B恒溫振蕩器 江蘇常州國華電器有限公司；722s可見光分光光度計、pH計 上海精密科學儀器有限公司；AL204電子天平 梅特勒-托利多（上海）有限責任公司；DHG-903電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 德國Heidolph公司；恒流泵 保定蘭格恒流泵有限公司；真空冷凍干燥機 北京思達興業(yè)儀器有限公司；BSZ-100自動部分收集器 上海青浦瀘西儀器制造廠。

1.3 方法

1.3.1 大葉藻總黃酮的提取

稱取大葉藻粉末，按料液比1∶30（g/mL）的比例加入蒸餾水，80℃浸提3次，每次1 h，離心合并上清液，再用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至適當?shù)馁|(zhì)量濃度（1.25 mg/mL），冷藏備用。

1.3.2 大葉藻總黃酮含量的測定

1.3.2.1 標準曲線的繪制

以蘆丁作為標準品，按照文獻[20]配制一定梯度的標準溶液，用紫外-可見分光光度計在510 nm波長處測定吸光度，以吸光度A為縱坐標，蘆丁質(zhì)量濃度C/（mg/mL）為橫坐標，繪制標準曲線。其回歸方程和相關(guān)系數(shù)為：A=13.392 9C－0.006 7，R2=0.999 9。

1.3.2.2 上樣液總黃酮質(zhì)量濃度的測定

取適量上樣液代替標準溶液，用紫外-可見分光光度計在510 nm波長處測定吸光度，帶入回歸方程計算總黃酮質(zhì)量濃度。

1.3.2.3 樣品純度的測定

精確稱取一定量凍干后的樣品粉末，用蒸餾水溶解并定容至25 mL，取適量溶液按照上述操作測定吸光度，計算黃酮質(zhì)量濃度，并按照式（1）計算凍干樣品中總黃酮的純度。

式中：c為液體中黃酮質(zhì)量濃度/（mg/mL)；V為液體體積/mL；m為稱取的凍干樣品的質(zhì)量/mg。

1.3.3 大孔吸附樹脂預(yù)處理

按照文獻[21]進行預(yù)大孔吸附樹脂預(yù)處理，備用。

1.3.4 大孔吸附樹脂的篩選

1.3.4.1 靜態(tài)吸附和解吸

稱取1.0 g經(jīng)過預(yù)處理的各樹脂，置于100 mL的錐形瓶中，加入大葉藻總黃酮上樣液30 mL，密封，恒溫（25℃）振蕩24 h，取上清液，測定樣品中總黃酮的平衡時質(zhì)量濃度，并按式（2）（3）計算各種樹脂對大葉藻總黃酮的吸附量和吸附率。將上述充分吸附后的樹脂過濾，置于錐形瓶中，再加入體積分數(shù)70%的乙醇30 mL，密封后，恒溫（25℃）振蕩，解吸24 h，過濾，測定洗脫液中總黃酮的質(zhì)量濃度，并按式（4）（5）計算各種樹脂的靜態(tài)解吸率和總黃酮的回收率。

式中：C0為上樣液起始質(zhì)量濃度/（mg/mL）；C1為上樣液平衡質(zhì)量濃度/（mg/mL）；C2為洗脫液質(zhì)量濃度/（mg/mL）；V1為吸附液體積/mL；V2為洗脫液體積/mL；M為樹脂質(zhì)量/g。

1.3.4.2 靜態(tài)吸附和解吸動力學

取預(yù)處理好的大孔樹脂1.0 g于100 mL錐形瓶中，準確加入大葉藻總黃酮上樣液30 mL，密封，恒溫 （25℃）振蕩24 h，以大孔樹脂與上樣液接觸為0時刻，每隔一定時間取樣，測定樣液剩余總黃酮的質(zhì)量濃度。以樹脂對黃酮吸附量對時間作圖，繪制大孔樹脂靜態(tài)動力學吸附曲線。

吸附24 h后，將樹脂過濾，放入錐形瓶中，加入乙醇，搖勻，密封，恒溫（25℃）振蕩24 h，每隔一定時間取解吸液，測定解吸液的總黃酮質(zhì)量濃度，以洗脫液總黃酮質(zhì)量濃度對時間作圖，繪制大孔樹脂靜態(tài)動力學解吸曲線。

1.3.4.3 混合樹脂的吸附與解吸

根據(jù)文獻[22]，將上述方法選出的最優(yōu)的兩種樹脂按照不同的比例混合，準確稱取1.0 g放入錐形瓶中，量取質(zhì)量濃度相同大葉藻總黃酮溶液進行吸附和解吸，計算不同比例混合樹脂的吸附率和解吸率，比較其吸附和解吸效果。

1.3.5 不同條件下大孔吸附樹脂對大葉藻總黃酮純化工藝的影響

用篩選出的最佳混合比例的大孔吸附樹脂進行大葉藻總黃酮純化工藝的研究。通過靜態(tài)實驗，分別考察上樣液pH值、上樣液質(zhì)量濃度對樹脂吸附性能的影響，洗脫劑體積分數(shù)對樹脂解吸性能的影響；通過動態(tài)實驗，分別考察上樣量、上樣流速對樹脂吸附性能的影響，洗脫體積、洗脫流速對解吸性能的影響。

1.3.6 工藝驗證

按照上述所確定的最佳純化大葉藻總黃酮的吸附和解吸條件，進行實驗。將洗脫液旋蒸濃縮后，冷凍干燥。測定并計算凍干樣品中總黃酮的純度。

2 結(jié)果與分析

2.1 大葉藻總黃酮含量測定

未經(jīng)純化的大葉藻總黃酮凍干后，經(jīng)測定，純度為（12.66±0.42）%。

2.2 大孔吸附樹脂的篩選

2.2.1 靜態(tài)吸附和解吸實驗

依據(jù)靜態(tài)實驗中，大孔吸附樹脂的吸附率和解吸率來選擇樹脂型號，吸附樹脂是利用吸附的可逆性分離植物有效成分。由于樹脂極性不同，解吸的難易程度也不同，故解吸率也是篩選大孔樹脂的又一關(guān)鍵因素[23]。

表1 5種不同樹脂對大葉藻總黃酮的吸附和解吸效果Table1 Results of adsorption and desorption for flavonoids from Zostera marina L.by five macroporous resins

由表1可知，在樹脂用量相同的情況下，各樹脂對大葉藻總黃酮的吸附和解吸效果不一。其中，D101-1型樹脂對大葉藻總黃酮的吸附率最高，達（58.08±0.49）%，而解吸率最高的是AB-8型樹脂，達（92.39±1.27）%，總黃酮回收率由高到低樹脂依次是D101-1、AB-8。因此，本實驗預(yù)將采用D101-1樹脂和AB-8樹脂按一定比例混合作為大葉藻總黃酮的純化樹脂，希望可以選擇出分離純化大葉藻總黃酮效果最好的混合樹脂比例。

2.2.2 靜態(tài)吸附和解吸動力學實驗

僅用樹脂的平衡吸附量、吸附率和解吸率來評價其吸附和解吸性能是不全面的，合適的樹脂不僅具有較大的吸附量，良好的解吸率，同時應(yīng)該具有較快的吸附速率和解吸速率，所以又研究其靜態(tài)吸附動力學和解吸動力學特性。由圖1和圖2可知，D101-1和AB-8兩種大孔樹脂對大葉藻總黃酮的吸附和解吸都可視為快速平衡型。從圖1可知，在起始階段，吸附量增加較快，在7 h時基本接近平衡。7 h時，D101-1和AB-8的吸附量分別為19.17 mg/g和15.85 mg/g。從圖2可知，在解吸過程中，4 h以后，洗脫液中的總黃酮質(zhì)量濃度增加趨勢很緩慢，說明4 h時，解吸基本接近平衡。

圖1 D101-1和AB-8兩種大孔樹脂靜態(tài)動力學吸附曲線Fig.1 Static adsorption curves of D101-1 and AB-8 macroporous resins

圖2 D101-1和AB-8兩種大孔樹脂靜態(tài)動力學解吸曲線Fig.2 Static desorption curves of D101-1 and AB-8

綜合以上分析可知，兩種吸附樹脂吸附和解吸動力學曲線的走向趨勢基本一致。在吸附實驗，7 h時基本達到平衡狀態(tài)；解吸實驗中，在4 h時基本達到平衡狀態(tài)。所以，在下述的靜態(tài)實驗中，將選擇7 h作為吸附時間，4 h作為解吸時間。

2.3 混合樹脂的吸附與解吸

表2 不同混合比例樹脂的吸附與解吸對比Table2 Comparison of adsorption and desorption capacities of D101-1:AB-8 mixtures in different proportions

從表2可以看出，吸附率較高的D101-1與AB-8大孔樹脂質(zhì)量比為2∶3、1∶1；而解吸率較高的D101-1與AB-8大孔樹脂質(zhì)量比為3∶2、2∶3。對效果較好的樹脂選用總黃酮回收率進行考察，綜合考慮，確定D101-1和AB-8質(zhì)量比2∶3混合作為大葉藻總黃酮的樹脂材料。

2.4 不同條件對大孔吸附樹脂純化大葉藻總黃酮工藝的影響

2.4.1 上樣液pH值對吸附率影響

圖3 上樣液pH值對吸附率的影響Fig.3 Effect of sample pH on adsorption rate

由圖3可知，在酸性環(huán)境下，大孔樹脂吸附率高于中性環(huán)境，當溶液pH值為3時，大孔樹脂對大葉藻總黃酮有最佳吸附率，0.5 g的大孔樹脂的吸附率是（36.23±2.09）%。這是因為黃酮為多羥基酚類，呈弱酸性，故在酸性或弱酸性條件下易被吸附，而酸性過強時黃酮分子易形成佯鹽，偏堿性時黃酮分子羥基去離子化，黃酮化合物形成離子型結(jié)構(gòu)，故都不易被吸附[24]。因此，選樣品溶液pH值為3作為最佳實驗條件。

2.4.2 上樣液質(zhì)量濃度對吸附率的影響

樹脂吸附目標產(chǎn)物時，存在著一個吸附平衡，該平衡和料液質(zhì)量濃度有很大的關(guān)系。尤其是當樹脂的吸附平衡是受液膜擴散控制時，料液質(zhì)量濃度對樹脂吸附平衡影響更大[25]。黃建明等[26]研究表明如果上樣液濃度過低提純時間增加，效率降低；上樣液質(zhì)量濃度過高則泄漏早，處理量小，樹脂的再生周期短。

圖4 上樣液質(zhì)量濃度對樹脂吸附性能的影響Fig.4 Effect of sample concentration on adsorption properties

由圖4可知，隨著溶液的質(zhì)量濃度增加，大孔樹脂的吸附率逐漸降低，吸附量先增長后趨于平緩。當大葉藻總黃酮溶液的質(zhì)量濃度為1.25 mg/mL時，黃酮吸附量的增加率最大，吸附量也基本達到飽和，所以從節(jié)約黃酮溶液和樹脂的角度考慮，選擇最適上樣質(zhì)量濃度為1.25 mg/mL。

2.4.3 洗脫劑對解吸率的影響

大孔樹脂常用的洗脫劑是低級醇、酮或其水溶液，如甲醇、乙醇、丙醇和丙酮?？紤]到實際生產(chǎn)安全性等方面要求，本實驗使用乙醇作為洗脫劑[27]。由于乙醇毒性低，易于回收，選擇不同體積分數(shù)的乙醇溶液作為洗脫溶劑。

圖5 乙醇體積分數(shù)對解吸率的影響Fig.5 Effect of ethanol concentration on desorption rate

充分吸附后的樹脂，用不同體積分數(shù)（40%、50%、60%、70%、80%）的乙醇溶液進行洗脫，結(jié)果如圖5所示，隨著洗脫劑濃度體積分數(shù)的增加，解吸率也在不斷的升高，當洗脫劑的體積分數(shù)接近70%時，對大葉藻總黃酮的解吸率較高，解吸率可達到92.61%；當體積分數(shù)大于70%時，解吸率逐漸降低。本實驗采用乙醇體積分數(shù)70%。

2.4.4 最佳上樣量的確定

取大葉藻總黃酮的上樣液若干，以2 BV/h的流速通過層析柱，每0.5 BV為一個收集段，測定每段收集液中總黃酮的質(zhì)量濃度，繪制泄露曲線，結(jié)果見圖6。

圖6 總黃酮的泄露曲線Fig.6 Leakage curve of flavonoids

如圖6所示，當上樣量為6 BV時，總黃酮的泄漏率開始明顯的增加，上樣量越大，流出液中大葉藻總黃酮質(zhì)量濃度越大，浪費原料；反之，上樣量太小，樹脂處理量較小，工作效率低。綜合考慮，應(yīng)選擇上樣量為6 BV。

2.4.5 最佳上樣流速的確定

分別以1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 BV/h的流速，上樣6 BV，質(zhì)量濃度為1.25 mg/mL的上樣液進行動態(tài)吸附，用4 BV蒸餾水洗柱，并將吸附過程的流出液和水洗液收集在一起作為吸附殘液，記錄殘液體積，測定殘液總黃酮吸光度，計算吸附總量，結(jié)果見圖7。

圖7 上樣流速對樹脂吸附性能的影響Fig.7 Effect of sample laoding flow rate on adsorption quantity

由圖7可知，隨著吸附流速增加，樹脂吸附量逐漸下降。流速過快，會提前泄漏；流速低，有利于總黃酮的充分吸附，但會影響生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)周期延長，成本增加。流速在1～3 BV/h時，吸附總量均大于70 mg。綜合考慮下，選擇上樣流速為3 BV/h即可。

2.4.6 最佳洗脫體積的確定

按確定的最佳吸附條件上柱，用體積分數(shù)70%的乙醇，以2 BV/h的流速洗脫，每0.5 BV為一個收集段收集洗脫液，檢測每段收集液中總黃酮的質(zhì)量濃度，繪制洗脫曲線，結(jié)果見圖8。

圖8 洗脫曲線Fig.8 Dynamic desorption curve

由圖8可知，當洗脫體積到達3.5 BV后，洗脫液質(zhì)量濃度接近0且基本不再變化，說明3.5 BV基本洗脫完全，但為了保證樹脂吸附的總黃酮徹底洗脫下來，在后續(xù)的實驗中將用5 BV作為最佳的洗脫體積。

2.4.7 最佳洗脫流速的確定

按確定的最佳吸附條件上柱，用體積分數(shù)70%的乙醇，以2 BV/h的流速洗脫，用70%的乙醇溶液分別按1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 BV/h的速率進行洗脫，洗脫液用量為5 BV。測定洗脫液總黃酮的質(zhì)量濃度，計算解吸率，結(jié)果見圖9。

圖9 洗脫流速對樹脂解吸性能的影響Fig.9 Effect of elution flow rate on desorption rate

由圖9可知，由于洗脫體積都是用的5 BV，所以洗脫流速對解吸率的影響不大，流速在小于等于3 BV/h時，解吸率都在90%之上，故為了保證洗脫時間不至過長，選用3 BV/h作為最佳洗脫流速。

2.5 工藝驗證實驗

經(jīng)過上述試驗，確定的大葉藻總黃酮純化的最佳工藝條件為D101-1和AB-8大孔吸附樹脂質(zhì)量比2∶3、上樣量6 BV、上樣流速3 BV/h、上樣液pH 3、上樣液質(zhì)量濃度1.25 mg/mL、洗脫液體積分數(shù)70%乙醇、洗脫體積5 BV、洗脫流速3 BV/h，在以上條件下進行實驗。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過純化后，樣液中的總黃酮回收率可達到（59.47±0.68）%，凍干樣品純度由原來的（12.66±0.42）%上升至（51.25±1.26）%。經(jīng)驗證實驗確定該條件可行，可作為工業(yè)生產(chǎn)的參考工藝。

3 結(jié) 論

通過對5種不同型號的大孔吸附樹脂和混合樹脂的靜態(tài)吸附和解吸實驗，研究了大葉藻總黃酮的純化工藝條件，實驗表明：D101-1和AB-8大孔吸附樹脂以2∶3比例混合、上樣量6 BV、上樣流速3 BV/h、上樣液pH 3、上樣液質(zhì)量濃度1.25 mg/mL、洗脫液乙醇體積分數(shù)70%、洗脫體積5 BV、洗脫流速3 BV/h，凍干后總黃酮的純度由原來的（12.66±0.42）%上升至（51.25±1.26）%，提高接近4倍，本研究結(jié)果為大葉藻總黃酮的純化提供新方法，具有較好的應(yīng)用價值。

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