大孔樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮吸附分離特性及工藝研究

袁茹楠,胡浩斌,2,*,韓舜禹,王宗博

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070;2.隴東學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,甘肅慶陽(yáng) 745000;3.慶陽(yáng)市中凱農(nóng)產(chǎn)品有限責(zé)任公司,甘肅慶陽(yáng) 745000)

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大孔樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮吸附分離特性及工藝研究

袁茹楠1,胡浩斌1,2,*,韓舜禹1,王宗博3

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070;2.隴東學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,甘肅慶陽(yáng) 745000;3.慶陽(yáng)市中凱農(nóng)產(chǎn)品有限責(zé)任公司,甘肅慶陽(yáng) 745000)

探討了大孔吸附樹(shù)脂富集甘草渣中總黃酮的吸附分離特性并確定純化工藝。通過(guò)對(duì)5種樹(shù)脂進(jìn)行靜態(tài)吸附解吸實(shí)驗(yàn),篩選出適宜的大孔樹(shù)脂(AB-8和SP825)對(duì)其熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行考察,并優(yōu)化分離純化工藝條件。動(dòng)力學(xué)研究表明,擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能很好的描述2種大孔樹(shù)脂(AB-8和SP825)的整個(gè)吸附過(guò)程。熱力學(xué)研究表明,2種樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的吸附符合Freundlich等溫吸附方程,吸附過(guò)程是放熱的,而且是物理吸附的過(guò)程。AB-8大孔樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的最佳分離純化工藝為:甘草渣提取液上樣濃度1.089 mg/mL,上樣體積2 BV,上樣流速3 mL/min,之后用3 BV 80%乙醇洗脫,洗脫流速1.5 mL/min,此時(shí)解吸率達(dá)91.67%,此條件純化后總黃酮的純度提高到53.43%。AB-8大孔樹(shù)脂用于甘草渣總黃酮的純化效果最佳。

大孔吸附樹(shù)脂,甘草渣,總黃酮,吸附特性,純化

甘草(Glycyrrhiza)又名甜草根、靈通、國(guó)老等,豆科蝶形花亞科甘草屬多年生草本植物[1],也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的“食藥同源”植物。甘草中主要有效成分是甘草酸和黃酮類(lèi)化合物[2]。甘草黃酮具有抑菌、抑酶、抗腫瘤、抗HIV、抗心律失常、抗氧化、保肝等多種藥理功能[3-7],可廣泛應(yīng)用于食品、藥品、化妝品等領(lǐng)域。長(zhǎng)期以來(lái),工業(yè)化生產(chǎn)著重提取甘草中的甘草酸為主要藥效成分[8],將提取后的殘?jiān)鼜U棄。研究表明[9-10],殘?jiān)缓罅奎S酮類(lèi)化合物,其結(jié)構(gòu)與甘草中的黃酮類(lèi)化合物基本相同,這造成甘草資源的極大浪費(fèi)。因此,合理、有效的開(kāi)發(fā)甘草資源,對(duì)甘草資源進(jìn)行深加工和綜合利用就顯得十分重要[10]。

大孔吸附樹(shù)脂是近年來(lái)發(fā)展的一類(lèi)有機(jī)高聚物吸附劑,是結(jié)合了吸附性與篩選性的多孔材料。由于其不溶于酸堿、穩(wěn)定性強(qiáng)、比表面積大、吸附解吸容易、可重復(fù)利用、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[11-12],近年來(lái)廣泛應(yīng)用于中藥材有效成分的純化分離[13]。本文比較5種不同類(lèi)型的樹(shù)脂,通過(guò)對(duì)甘草渣總黃酮的靜態(tài)吸附解吸實(shí)驗(yàn)選擇適宜的樹(shù)脂,探究了2種較優(yōu)樹(shù)脂的吸附解吸條件,建立熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。此外,優(yōu)化AB-8大孔樹(shù)脂純化工藝條件,為甘草渣總黃酮的提取分離提供技術(shù)參數(shù),也促進(jìn)了甘草資源的有效利用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘草渣 由慶陽(yáng)市中凱農(nóng)產(chǎn)品有限責(zé)任公司提供。經(jīng)除雜、晾干后用粉碎機(jī)粉碎過(guò)60目篩,備用;蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品購(gòu)自中國(guó)藥品生物制品研究所。AB-8、S-8和D4020大孔樹(shù)脂 山東西亞化學(xué)工業(yè)有限公司,SP825和XAD-16大孔樹(shù)脂 鄭州勤實(shí)科技有限公司。

氫氧化鉀、無(wú)水乙醇、氫氧化鈉等 分析純,西安化學(xué)試劑廠。

NJL07-5型實(shí)驗(yàn)室超聲微波爐 南京杰全微波設(shè)備有限公司;7230G型可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;CHA-S氣浴恒溫振蕩器 江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠;RE-5203型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠;FZ102型微型植物試樣粉碎機(jī) 北京中興偉業(yè)儀器有限公司;SHZ-D型循環(huán)水式真空泵 河南省鞏義市英峪儀器一廠;BS110S型電子天平 北京賽多利斯天平有限公司;DZF-6020型真空干燥箱 上海一恒科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品溶液的提取 精確稱取6.0 g烘干的甘草渣粉(60目),置于500 mL燒杯中,加入300 mL 80%乙醇水溶液,超聲-微波協(xié)同提取30 min,過(guò)濾,濾渣再加入200 mL 80%乙醇水溶液提取1次,合并2次提取液。在0.05 MPa、65 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)1 h回收乙醇,得到甘草渣總黃酮浸膏,陰涼避光處常溫晾干備用。

1.2.2 總黃酮的含量 取矢量甘草總黃酮浸膏用乙醇溶解,并配成一定濃度的溶液備用。準(zhǔn)確吸取1.0 mL提取液,置于10 mL的容量瓶,加入0.5 mL的KOH溶液作為顯色劑,室溫放置5 min,用80%的乙醇定容,搖勻。在最大吸收峰409 nm處測(cè)定吸光度。確定總黃酮的含量。

1.2.3 樹(shù)脂的篩選 將5種大孔樹(shù)脂(AB-8、SP825、XAD-16、S-8和D4020)用無(wú)水乙醇浸泡24 h,之后用去離子水洗至完全無(wú)醇味,用5%的NaOH(m/m)浸泡6 h,用去離子水洗至濾液近中性,之后用5%的HCl(v/v)浸泡6 h,之后用去離子水洗至濾液近中性[14]。

1.2.4 樹(shù)脂對(duì)總黃酮的靜態(tài)吸附率與解吸率測(cè)定

1.2.4.1 樹(shù)脂靜態(tài)吸附量測(cè)定 準(zhǔn)確稱取2.0 g經(jīng)預(yù)處理過(guò)的樹(shù)脂,裝入帶磨口塞的三角瓶中,準(zhǔn)確加入過(guò)量(約30 mL)已知濃度的甘草渣總黃酮樣品溶液。振蕩24 h,轉(zhuǎn)速150 r/min,溫度30 ℃,過(guò)濾,測(cè)定濾液中剩余總黃酮濃度C2(mg/mL),做3個(gè)平行,按下式計(jì)算吸附率(%)和吸附量(mg/mL):

式中：E:吸附率(%)；C:吸附前溶液濃度(mg/mL)；C2:吸附后溶液濃度(mg/mL)；Q:吸附量(mg/mL)；V1:溶液體積(mL)；W:樹(shù)脂體積(g)。

1.2.4.2 樹(shù)脂靜態(tài)解吸率測(cè)定 吸附飽和的樹(shù)脂,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%乙醇浸泡振搖24 h,過(guò)濾,測(cè)定濾液中甘草渣總黃酮濃度C1(mg/mL),按下式計(jì)算解吸率。

式中：P:解吸率(%)；C1:流出液的濃度(mg/mL)；V2:洗脫液體積(mL)。

1.2.5 樹(shù)脂靜態(tài)吸附解吸實(shí)驗(yàn)

1.2.5.1 大孔樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn) 精密稱取已預(yù)處理的樹(shù)脂(AB-8和SP825)約2.0 g,置于不同的錐形瓶?jī)?nèi),加入已知濃度的甘草渣總黃酮的粗提液。將錐形瓶用塞子密封,置于恒溫振蕩器。整個(gè)吸附過(guò)程溫度為30 ℃,轉(zhuǎn)速為150 r/min持續(xù)1440 min。分別在2、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、120、180、240、360、480、720、1440 min時(shí)取出1 mL提取液,測(cè)定每個(gè)樣品中總黃酮的含量并且分別建立每種樹(shù)脂的動(dòng)力學(xué)方程。

1.2.5.2 大孔樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn) 精確稱取2種大孔樹(shù)脂各2.0 g,分別轉(zhuǎn)移至5個(gè)100 mL的錐形瓶中,每個(gè)錐形瓶的樹(shù)脂用不同濃度(0.0070、0.0158、0.0299、0.0536、0.0932 mg/mL)的總黃酮提取液(30 mL)浸泡,在不同的溫度(分別為25、35、45、55 ℃)分別進(jìn)行恒溫振蕩,轉(zhuǎn)速為150 r/min。吸附時(shí)間由吸附動(dòng)力學(xué)決定。上清液中即為總黃酮的含量。根據(jù)此建立吸附熱力學(xué)方程。

1.2.5.3 大孔樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的解吸實(shí)驗(yàn) 稱取6份一定量的樹(shù)脂,以動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)得到的最佳條件充分吸附。將溶液移除,殘?jiān)Ａ粼跓瓋?nèi),此時(shí)達(dá)到吸附平衡。用不同濃度的乙醇水溶液(0%、20%、40%、60%、80%和100%)與上述吸附平衡的6組大孔樹(shù)脂混合。將所有的錐形瓶置于恒溫振蕩器上,45 ℃,150 r/min振蕩120 min。之后按順序提取1 mL溶液測(cè)定其解析率。

表1 5種樹(shù)脂的吸附率及解吸率
Table 1 The adsorption and desorption rate of the five macroporous resins to total flavones from Glycyrrhiza residues

種類(lèi)樹(shù)脂極性平衡濃度(μg/mL)吸附量(μg/g)吸附率(%)解吸率(%)S-8極性1130c18710c3740b6850dAB-8弱極性1790a19460b4215a8652aSP825弱極性1730a20520a4419a8139bXAD-16弱極性1770a19870b4301a7702cD4020非極性1530b8700d1740c7830bc

注:同一列數(shù)字后的不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著,圖2、圖3、圖5～圖9同。

稱取一定量樹(shù)脂,適宜溫度吸附最佳時(shí)間,用80%的乙醇解吸。置于恒溫振蕩器中,調(diào)節(jié)不同溫度25、35、45、55 ℃,150 r/min振蕩120 min。即得出樹(shù)脂的解析率和最佳解吸溫度。

1.2.6 實(shí)驗(yàn)中所用到的方程

擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型[15]ln(qe-qt)=-k1t+lnqe

粒子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型qt=kd×t1/2+c

式中：qt,qe,qm分別代表在t時(shí),吸附平衡時(shí),梯度洗脫最大時(shí)樹(shù)脂對(duì)總黃酮吸附量(mg/g干樹(shù)脂)；Ce:吸附平衡時(shí)總黃酮的濃度(mg/mL)；C:粒子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型的常數(shù)；K1,K2,Kd分別代表吸附過(guò)程中擬一級(jí),擬二級(jí),粒子擴(kuò)散方程中的常量；KL:樹(shù)脂與黃酮的相關(guān)系數(shù)(mL/mg)；KF:樹(shù)脂的吸附量；1/n:樹(shù)脂的吸附強(qiáng)度；R:通用氣體常數(shù)(8.314 J/mol·K)；T:吸附溫度(K)；A:為常數(shù)。

1.2.7 樹(shù)脂動(dòng)態(tài)吸附分離甘草渣總黃酮工藝參數(shù)考察 通過(guò)樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn),篩選出一種最佳的樹(shù)脂。對(duì)其進(jìn)行上樣液濃度、上樣流速、洗脫劑的濃度和洗脫流速等工藝參數(shù)的考察。將預(yù)處理好的樹(shù)脂,濕法裝入玻璃柱中。柱床體積為16 mL。將一定濃度甘草渣總黃酮的粗體液上樣,上樣體積為2 BV[17],控制流速。之后用不同濃度的乙醇進(jìn)行洗脫,控制流速。最后分別測(cè)定吸附率和解吸率。

1.2.8 純度的測(cè)定 總黃酮粗體液經(jīng)過(guò)上述最佳工藝純化,收集洗脫液在0.05 MPa、65 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)1 h回收乙醇,陰涼避光處晾干。精確稱取0.2 g純化后干燥的總黃酮粉末,用80%的乙醇溶解定容至100 mL。準(zhǔn)確吸取1 mL置于10 mL的容量瓶?jī)?nèi),加入0.5 mL的KOH顯色,室溫放置5 min,定容,在409 nm處測(cè)定吸光度。按下式計(jì)算總黃酮的純度。

式中：n:稀釋倍數(shù)(mL)；V:溶液體積(mL)；X:比色液中總黃酮的含量(mg/mL)；A:取樣體積(mL)；m:稱取純化后總黃酮重量(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)脂篩選的結(jié)果

5種大孔樹(shù)脂的吸附率、解吸率測(cè)定如下表1。

由表1可知,在同一條件下進(jìn)行靜態(tài)吸附解吸實(shí)驗(yàn),由于大孔樹(shù)脂極性、比表面積等物理化學(xué)性質(zhì)不同,吸附解吸的能力也不同。弱極性樹(shù)脂AB-8、SP825、XAD-16平衡濃度和吸附率顯著高于極性樹(shù)脂S-8和非極性樹(shù)脂D4020,且非極性樹(shù)脂D4020樹(shù)脂的吸附率最差,不足20%。AB-8和SP825樹(shù)脂的解吸率顯著高于其他類(lèi)型樹(shù)脂,超過(guò)80%。XAD-16樹(shù)脂的吸附率也相對(duì)較高,但不易洗脫。D4020樹(shù)脂的吸附率和解吸率都較低。綜合考慮,AB-8和SP8252種樹(shù)脂是較為適宜純化分離甘草渣總黃酮的樹(shù)脂類(lèi)型。

2.2 2種樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的吸附動(dòng)力學(xué)研究

圖1 2種樹(shù)脂的吸附曲線Fig.1 The adsorption curve of the two macroporous resins to total flavones from Glycyrrhiza residues注:圖A為吸附曲線。圖B為粒子擴(kuò)散曲線。圖B中的黑色粗線代表吸附的不同階段。

2種樹(shù)脂的吸附動(dòng)力學(xué)曲線見(jiàn)圖1。在吸附過(guò)程中,2種樹(shù)脂表現(xiàn)出三個(gè)階段的變化,在40 min后達(dá)到吸附平衡。第一階段,AB-8和SP825樹(shù)脂的吸附能力在前10 min表現(xiàn)出線性快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。第二階段(10～40 min),2種樹(shù)脂都有緩慢的增長(zhǎng)。最后一個(gè)階段,2種樹(shù)脂從40 min至1440 min達(dá)到吸附平衡。表明AB-8和SP825樹(shù)脂都是快速吸附樹(shù)脂。

表2 動(dòng)力學(xué)方程及相關(guān)系數(shù)
Table 2 The Dynamic equations and associated model parameters

樹(shù)脂動(dòng)力學(xué)方程相關(guān)系數(shù)R2動(dòng)力學(xué)參數(shù)AB-8lnqe-qt()=-k1t+lnqey=0157221-e-015368x()098803K1=015368 Qe=015722tqt=1k2q2e×t+1qey=59544x+371611099993K2=09546 Qe=016790qt=kd×t1/2+cy=000211x+011588061220Kd=000211 c=011588SP825lnqe-qt()=-k1t+lnqey=0150931-e-014258x()096500K1=014258 Qe=015093tqt=1k2q2e×t+1qey=624921x+3271753099999K2=11939 Qe=01600qt=kd×t1/2+cy=000212x+010908062057Kd=000212 c=010908

2種樹(shù)脂的粒子擴(kuò)散曲線(坐標(biāo)t1/2和qt)如圖1B所示。在實(shí)驗(yàn)所選時(shí)間內(nèi),曲線表現(xiàn)出很弱的線性趨勢(shì)。整個(gè)過(guò)程分為三個(gè)階段,表明2種樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的吸附過(guò)程包括多重?cái)U(kuò)散。這三階段的擴(kuò)散包括邊界層擴(kuò)散階段(0～10 min),逐漸吸附階段(10～40 min)和平衡階段(40～1440 min)。由于曲線并不是過(guò)原點(diǎn)的一條直線。因此,邊界層擴(kuò)散和顆粒內(nèi)擴(kuò)散并不是控制吸附過(guò)程的限速步驟[18]。因?yàn)橄嚓P(guān)性較差,不能用粒子內(nèi)擴(kuò)散模型很好的描述2種樹(shù)脂吸附的過(guò)程[19]。

為了闡明2仲樹(shù)脂的吸附性能和機(jī)理,選擇擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程、擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和粒子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型來(lái)擬合吸附過(guò)程。所得的方程及其參數(shù)總結(jié)在表2中。根據(jù)其良好的相關(guān)系數(shù),選擇擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程作為2種樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮吸附過(guò)程最有可能的模型。

2種樹(shù)脂對(duì)總黃酮的吸附40 min后達(dá)到平衡,2種樹(shù)脂的吸附量分別為:AB-8樹(shù)脂153.50 μg/g,SP825樹(shù)脂146.00 μg/g。作為比較,根據(jù)擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,2種樹(shù)脂的理論吸附量分別為:AB-8樹(shù)脂167.90 μg/g,SP825樹(shù)脂160.00 μg/g。計(jì)算值很符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,說(shuō)明擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型很適合預(yù)測(cè)2種樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的吸附過(guò)程。

2.3 2種樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的吸附解吸

溫度和乙醇濃度對(duì)2種樹(shù)脂解吸過(guò)程的影響如圖2所示。

圖2 2種樹(shù)脂的解吸曲線Fig.2 The desorption curve of the two macroporous resins to total flavones from Glycyrrhiza residues

結(jié)果表明,乙醇濃度和解吸溫度顯著影響樹(shù)脂的解吸過(guò)程。隨著乙醇濃度的增加,2種樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的解吸率隨之增加。AB-8樹(shù)脂的解吸率由0.65%增加到99.66%,SP825樹(shù)脂的解吸率由0.65%增加到98.31%。用80%的乙醇解吸時(shí),解吸率顯著的高于60%的乙醇解吸,且解吸率高達(dá)80%。出于對(duì)乙醇成本和后期濃縮蒸發(fā)耗能耗時(shí)的綜合考慮,樹(shù)脂對(duì)總黃酮解吸時(shí)選擇80%的乙醇。事實(shí)上,這一結(jié)果與一些酚類(lèi)和黃酮的解吸研究的結(jié)果一致[20]。與此同時(shí),隨著解吸溫度的升高,2種樹(shù)脂的解吸率有顯著提高。當(dāng)溫度從25 ℃升高到55 ℃時(shí)樹(shù)脂的解吸率均有提高:AB-8樹(shù)脂的解吸率由75.78%增加到95.34%,SP825樹(shù)脂的解吸率由63.52%增加到83.53%。隨后解吸率不會(huì)隨著溫度的升高而進(jìn)一步增加。

總之,以上動(dòng)力學(xué)和解吸的結(jié)果表明這2種樹(shù)脂都有相似的吸附解吸特性和良好的吸附能力。AB-8和SP825大孔樹(shù)脂都是聚苯乙烯型樹(shù)脂。研究表明[21],聚苯乙烯型樹(shù)脂能夠較好實(shí)現(xiàn)對(duì)總黃酮的分離。與此同時(shí),樹(shù)脂相似的化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)對(duì)樹(shù)脂的吸附能力都很關(guān)鍵[15]。黃酮擁有兩個(gè)苯環(huán)可以吸附適宜顆粒大小、比表面積、孔徑的非極性,弱極性和中等極性的物質(zhì)。黃酮中的π-π共軛和樹(shù)脂的苯環(huán)是2種樹(shù)脂的吸附過(guò)程中的主要原因[22]。因此,大孔樹(shù)脂對(duì)總黃酮的吸附習(xí)性與其化學(xué)組成和物理特性有著協(xié)同作用。

2.4 2種樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的吸附熱力學(xué)研究

吸附溫度對(duì)2種大孔樹(shù)脂吸附能力的影響見(jiàn)圖3。隨著吸附溫度的升高,2種樹(shù)脂的吸附率也隨之顯著下降。AB-8樹(shù)脂的吸附率由34.59%下降到19.20%,SP825樹(shù)脂的吸附率由40.98%下降到23.46%。

圖3 2種樹(shù)脂的熱力學(xué)曲線Fig.3 The Adsorption thermodynamics on two macroporous resins

繼續(xù)對(duì)2種樹(shù)脂進(jìn)行吸附熱力學(xué)研究。AB-8樹(shù)脂和SP825樹(shù)脂的吸附等溫線如圖4所示。隨著溫度的逐漸升高,AB-8樹(shù)脂和SP825樹(shù)脂的qe明顯下降。

圖4 2種樹(shù)脂的吸附等溫線Fig.4 The adsorption isotherm of the two macroporous resins to total flavones from Glycyrrhiza residues

通過(guò)對(duì)Langmuir方程和Freundlich方程的擬合,如下表3所示,Langmuir方程對(duì)樹(shù)脂擬合相關(guān)性并不是很好。AB-8樹(shù)脂和SP825樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的Freundlich熱力學(xué)模型如下表4所示。在不同溫度下,Freundlich熱力學(xué)模型都能很好的描述吸附平衡過(guò)程。

根據(jù)范德霍夫方程,AB-8樹(shù)脂和SP825樹(shù)脂的焓變(ΔH)分別為-0.0050 kJ/mol和-0.0071 kJ/mol。2種樹(shù)脂的焓變(ΔH)是負(fù)值,說(shuō)明樹(shù)脂的吸附過(guò)程是放熱的,低溫更適宜樹(shù)脂的吸附[23]。不同溫度下的ΔG值也均為負(fù)值,表明吸附過(guò)程是自發(fā)進(jìn)行的。與此同時(shí),XAD-16和SP825樹(shù)脂的焓變(ΔH)的絕對(duì)值都小于43 kJ/mol,表明樹(shù)脂的物理結(jié)構(gòu)是決定甘草渣總黃酮在樹(shù)脂表面吸附的重要因素[24]。

表3 Langmuir熱力學(xué)方程及相關(guān)系數(shù)
Table 3 The Langmuir thermodynamics equations and associated model parameters

樹(shù)脂溫度(K)Langmuir熱力學(xué)模型KLqmR2AB-82981444720410309960030814954203757099488318107542040690985733284557406498088258SP8252981897550367509973430817549403672099379318103989045610978633285665206449091633

表4 Freundlich熱力學(xué)方程及相關(guān)系數(shù)
Table 4 The Freundlich thermodynamics equations and associated model parameters

樹(shù)脂溫度(K)Freundlich熱力學(xué)模型KF1/nR2ΔH(kJ/mol)AB-82981368507073099565308123890697509958931813274076000996373281608208738099650-00050SP8252981170406441099592308115130653409971631814990076840995243281807308508099612-00071

2.5 AB-8大孔樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的純化工藝研究

由于大孔吸附樹(shù)脂不同的物理化學(xué)性質(zhì),其對(duì)甘草渣黃酮的吸附解吸能力具有一定的差異。靜態(tài)吸附解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如上表1所示,3種弱極性樹(shù)脂AB-8、SP825、XAD-16的平衡濃度和吸附率顯著的高于其他樹(shù)脂,AB-8和SP825樹(shù)脂的解吸率顯著高于XAD-16。但是,樹(shù)脂的解吸率對(duì)于樹(shù)脂對(duì)總黃酮的純化至關(guān)重要,AB-8樹(shù)脂的解吸率顯著的高于SP825樹(shù)脂,所以選擇AB-8大孔樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮進(jìn)行純化。

2.5.1 上樣流速的影響 控制不同的粗提液上樣速度分別為1.5、3、6 mL/min。粗提液上樣流速對(duì)樹(shù)脂吸附過(guò)程的影響如下圖5所示。甘草渣總黃酮的提取液上樣流速對(duì)樹(shù)脂的吸附特性的影響較為突出。當(dāng)流速超過(guò)3 mL/min時(shí),樹(shù)脂的吸附率有明顯的下降。當(dāng)粗提液流速為1.5 mL/min和3 mL/min時(shí),樹(shù)脂對(duì)總黃酮的吸附率顯著的高于其他流速。出于節(jié)約時(shí)間的角度考慮,選擇最佳上樣流速為3 mL/min。

圖5 流速對(duì)吸附率的影響Fig.5 Influence of flow velocity on adsorption rate

2.5.2 上樣液濃度的影響 上樣液濃度對(duì)樹(shù)脂純化過(guò)程的影響也較為明顯。提取不同濃度的甘草渣總黃酮粗提液,以3 mL/min的流速上樣,上樣液濃度對(duì)樹(shù)脂吸附過(guò)程的影響如下圖6所示。在較低濃度時(shí),樹(shù)脂的吸附率隨濃度的增加而升高,當(dāng)濃度到達(dá)1.089 mg/mL時(shí),吸附率最大。當(dāng)甘草渣總黃酮的濃度大于1.089 mg/mL時(shí),樹(shù)脂對(duì)其的吸附能力下降?？傸S酮濃度太大會(huì)使雜質(zhì)的質(zhì)量隨之增加,與黃酮競(jìng)爭(zhēng)吸附。使得樹(shù)脂吸附飽和甚至降低[25]。因此,適宜大孔樹(shù)脂純化甘草渣總黃酮的上樣液濃度為1.089 mg/mL。

圖6 上樣液濃度對(duì)吸附率的影響Fig.6 Influence of sample concentration on adsorption rate

2.5.3 洗脫劑濃度的影響 由于黃酮類(lèi)物質(zhì)易溶于醇,選擇乙醇作為洗脫劑。乙醇濃度對(duì)樹(shù)脂解吸率的影響如圖7所示。隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的不斷增加,解吸率也越來(lái)越高。乙醇的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)60%時(shí),解吸率的增加較為平緩。當(dāng)用無(wú)水乙醇洗脫時(shí),解吸率達(dá)到99.23%。出于對(duì)乙醇成本和后期蒸發(fā)的綜合考慮,若選擇100%的乙醇洗脫,耗費(fèi)的乙醇量較多,且洗脫后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)所需的時(shí)間較長(zhǎng)。我們選擇80%的乙醇作為洗脫劑,此時(shí),AB-8大孔樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的解吸率達(dá)到83.42%。

圖7 洗脫劑濃度對(duì)解吸率的影響Fig.7 Influence of eluant concentration on desorption rate

2.5.4 洗脫流速的影響 洗脫的流速對(duì)大孔樹(shù)脂純化過(guò)程也有較顯著的影響,如圖8所示?？刂?0%乙醇洗脫劑的流速分別為1.5、3、6 mL/min。隨著洗脫劑的流速的加快,解吸率下降較為明顯。若流速太快,總黃酮來(lái)不及洗脫下來(lái),解吸率自然較低。當(dāng)洗脫的流速為1.5 mL/min時(shí),其解吸率顯著的高于其他流速。若選擇更低的流速,在洗脫過(guò)程中會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間。綜合考慮,選擇80%乙醇洗脫劑對(duì)總黃酮的洗脫流速為1.5 mL/min較為適宜,此時(shí)樹(shù)脂的解吸率為91.67%。

圖8 流速對(duì)解吸率的影響Fig.8 Influence of flow velocity on desorption rate

2.5.5 解吸曲線 由圖9可以看出,用80%的乙醇對(duì)總黃酮進(jìn)行洗脫。洗脫峰較為明顯,也較為對(duì)稱,沒(méi)有拖尾現(xiàn)象。當(dāng)洗脫到20 mL時(shí),流出液的濃度達(dá)到最大。之后隨著洗脫體積的增加,總黃酮的含量下降。3 BV(48 mL)時(shí),流出液中黃酮的濃度已經(jīng)很低了,說(shuō)明3 BV 80%的乙醇就可以將樹(shù)脂上吸附的大部分黃酮洗脫下來(lái)。

圖9 洗脫曲線Fig.9 Desorption curve

2.5.6 AB-8大孔樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮的純化效果 依照上述最佳純化工藝條件,對(duì)甘草渣粗提物進(jìn)行純化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表5。甘草渣粗提物的總黃酮純度是47.70%,純化后總黃酮的純度可達(dá)53.43%。

表5 純化前后總黃酮的純度
Table 5 Purities of flavonoids before and after optimized purification using AB-8 resin

成分粗提物總黃酮純化后總黃酮總黃酮含量(mg/g)47705343總黃酮純度(%)47705343

3 結(jié)論

通過(guò)比較不同類(lèi)型的樹(shù)脂對(duì)甘草渣總黃酮進(jìn)行靜態(tài)吸附解吸實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明AB-8和SP825這2種弱極性的樹(shù)脂對(duì)其吸附和解吸的能力較好,其吸附率分別為42.15%和44.19%,解吸率分別為86.52%和81.39%,優(yōu)于相同實(shí)驗(yàn)條件下的其他樹(shù)脂,出于吸附和解吸的綜合考慮所以選擇AB-8和SP825這2種樹(shù)脂研究其動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性。動(dòng)力學(xué)模型分析表明,擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程是描述2種樹(shù)脂吸附解吸過(guò)程的最佳模型,相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.99993和0.9999。進(jìn)一步通過(guò)等溫線模型分析,表明不同溫度下Freundlich熱力學(xué)模型適宜預(yù)測(cè)2種樹(shù)脂的吸附平衡。在25 ℃的吸附條件下,AB-8和SP825樹(shù)脂的擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.99565和0.99592,而且吸附過(guò)程是放熱的,是物理吸附的過(guò)程。總之,大孔樹(shù)脂能夠顯著的富集總黃酮,其化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)都能影響樹(shù)脂的吸附解吸能力。

選擇AB-8大孔樹(shù)脂,對(duì)其進(jìn)行上樣液濃度、上樣流速、洗脫劑的濃度和洗脫流速等工藝參數(shù)進(jìn)行考察。確定最佳純化工藝條件為:甘草渣提取液濃度1.089 mg/mL,上樣體積2 BV,上樣流速3 mL/min,3 BV 80%乙醇洗脫,洗脫流速1.5 mL/min,此時(shí)解吸率高達(dá)91.67%。總黃酮的含量由純化前的477.0 mg/g提高到純化后的534.3 mg/g,富集效果良好。該工藝操作簡(jiǎn)單、重復(fù)率好,是AB-8大孔樹(shù)脂分離純化甘草渣總黃酮的有效途徑。

[1]谷會(huì)巖. 中國(guó)甘草資源生態(tài)學(xué)研究[D]. 哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2001:5-10.

[2]崔永明. 甘草次生代謝產(chǎn)物分離純化研究[D]. 武漢:華中科技大學(xué),2005:1-20.

[3]Kim Y W,Ki S H,Lee J R,et al. Liquiritigenin,an aglycone of liquiritin in Glycyrrhiza Radix,prevents acute liver injuries in rats induced by acetam inophen with or without buthionine sulfoximine[J]. Chemico-biological interactions,2006,161(2):125-138.

[4]趙虹,蔣江濤,鄭秋生. 甘草查爾酮A藥理作用研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)中藥雜志,2013,38(22):3814-3818.

[5]吳碧華,龍存國(guó). 甘草總黃酮清除羥自由基作用的體外實(shí)驗(yàn)探討[J]. 川北醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),2001,16(3):3-5.

[6]Tamir S,Eizenberg M,Somjen D,et al. Estrogen-like activity of glabrene and other constituents isolated from licorice root[J]. Journal Steroid Biochemistry and Molecular Biology,2001,78(3):291-298.

[7]方詩(shī)琦,冷康,段金廣,等. 甘草藥渣中黃酮類(lèi)成分及其抗氧化活性的研究[J]. 中成藥,2015,37(11):2443-2448.

[8]Zhou B,Zhang J Z,WuS S,et al. The influence of compatibility of processed radix aconite kusnezoffii on the pharmacokinetic of four components in Glycyrrhiza uralensis Fisch[J]. Journal of Ethnopharmacology,2015,169(2):1-7.

[9]Trupti W C,Virednra K R. Separation of glycyrrhizic acid from

licorice root extract using macroporous resin[J]. Food and Bioproducts Processing,2015,93(12):51-57.

[10]馬彩梅. 甘草及甘草渣的綜合利用研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2015,13(1):121-122.

[11]李俶,倪永年,李莉. 大孔吸附樹(shù)脂分離純化槲寄生中黃酮的研究[J]. 食品科學(xué),2008,29(2):68-71.

[12]Dong Y,Zhao M M,SunD G. Absorption and desorption behaviour of the flavonoids from Glycyrrhiza glabra L. leaf on macroporous adsorption resins[J]. Food Chemistry,2015,168(2):538-545.

[13]王國(guó)軍,唐輝,張淑蘭,等. 大孔樹(shù)脂純化核桃隔膜總黃酮的工藝研究[J]. 中草藥,2013,44(19):2688-2692.

[14]洪雪娥,高蔭榆,羅麗萍,等. 大孔樹(shù)脂對(duì)薯蔓黃酮吸附分離特性研究[J]. 食品科學(xué),2006,27(10):423-427.

[15]Lin L Z,ZhaoH F,Ding Y,et al. Macroporous resin purification behavior of phenolics and rosmarinic acid from Rabdosia serra(Maxim)Hara leaf[J]. Food Chemistry,2012,130(1):417-424.

[16]Gulay B,Beguma,Yakupa M. Adsorption kinetics and thermodynamic parameters of cationic dyes from aqueous solutions by using a new strong cation-exchange resin[J]. Chemical Engineering Journal,2009,152(2-3):339-346.

[17]廉宜君,孫萍,陳韓英,等. 大孔樹(shù)脂吸附解吸甘草黃酮效果研究[J]. 中國(guó)中醫(yī)藥信息雜志,2013,20(9):49-52.

[18]Guo B,Hong L,Jiang H X. Macroporous,poly(calcium acrylate-divinylbenzene)bead-A selective orthophosphate sorbent[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research,2003,42(22):5559-5567.

[19]Ayrancie,Hoda N. Adsorption kinetics and isotherms of pesticides onto activated carbon-cloth[J]. Chemosphere,2005,60(11):1600-1607.

[20]Silva E M,Rogez H,Silva Iq,et al. Improving the desorption of Inga edulis flavonoids from macroporous resin:Towards a new model to concentrate bioactive compounds[J]. Food and Bioproducts Processing,2012,167(4):358-364.

[21]Francisco A,Tomas B,Blazquzema,et al. A comparative study of different amberlite XAD resins in flavonoid analysis[J]. Phytochemical Analysis,1992,3(4):178-181.

[22]Liu Y F,Liu J X,Chen X F,et al. Preparative separation and purification of lycopene from tomato skins extracts by macroporous adsorption resins[J]. Food Chemistry,2010,123(4):1027-1034.

[23]Gokmen V,Serpen A. Equilibrium and kinetic studies on the adsorption of dark colored compounds from apple juice using adsorbent resins[J]. Journal of Food Engineering,2002,53(3):221-227.

[24]董媛媛,鄧翀,柴思佳. 大孔樹(shù)脂吸附南五味子總?cè)频膭?dòng)力學(xué)和熱力學(xué)分析[J]. 中國(guó)實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志,2014,20(17):5-9.

[25]焦巖,王振宇. 大孔樹(shù)脂純化大果沙棘果渣總黃酮的工藝研究[J]. 食品科學(xué),2010,31(16):16-20.

Absorption and desorption behaviour of the total flavones from Glycyrrhiza residues on macroporous adsorption resins

YUAN Ru-nan1,HU Hao-bin1,2，*,HAN Shun-yu1,WANG Zong-bo3

(1.College of Food Science and Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;2.College of Chemistry and Chemical Engineering,Longdong University,Qingyang 745000,China;3.Qingyang Zhongkai Agricultural Products Limited Liability Company,Qingyang 745000,China)

The adsorption and desorption behaviours of macroporous resins for enriching total flavonoids fromGlycyrrhizaresidues were investigated. Five macroporous resins were studied using the static adsorption method. Additionally two representative resins(AB-8 and SP825)were chosen for adsorption thermodynamics and kinetics model studies,the conditions for purifying were optimized. The kinetics results showed that the whole adsorption process can be described better by the pseudo-second order kinetics model. The thermodynamics results showed that the adsorption process fited the Freundlich isothermal model,the adsorption of the representative resins was an exothermic and physical adsorption process. The optimum process conditions for purifying the total flavonoids fromGlycyrrhizaresidues using AB-8 resin were determined as follows:sample concentration of 1.089 mg/mL,flow velocity of 3 mL/min,sample volume of 2 BV,and amount of 80% ethanol as desorption solvent 3 BV,flow velocity of 1.5 mL/min. By this time the desorption rate was 91.67%. The purity was increased to 53.43%,which showed that AB-8 macroporou resin had better adsorption property. It can be used to purify and separate total flavonoids fromGlycyrrhizaresidues.

macroporous adsorption resins;Glycyrrhizaresidues;total flavonoids;adsorption behaviours;purification

2016-04-27

袁茹楠(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：營(yíng)養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué),E-mail:18153950877@163.com。

*通訊作者:胡浩斌(1969-)，男，博士，教授，研究方向：營(yíng)養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)，E-mail:2396402556@qq.com。

甘肅省科技支撐項(xiàng)目(1604NKCM082) ；慶陽(yáng)市科技合作項(xiàng)目(kh2014-03)。

TS201.1

B

1002-0306(2016)23-0199-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.23.029