唐曉丹，趙金良，運達，杭海洋

(遼寧科技大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，遼寧鞍山，114051)

絞股藍(Gynostemma pentaphyllum)隸屬葫蘆科多年生草質(zhì)藤本植物，是我國中藥的寶貴財富，素有“南方人參”之稱。絞股藍全草可入藥，含有豐富的絞股藍皂苷、多糖、黃酮、人體必需的8種氨基酸和多種微量元素［1］?，F(xiàn)代藥理研究和臨床應(yīng)用表明，絞股藍多糖是一種藥用價值很高的活性多糖，具有抗癌、降血糖、抗衰老、調(diào)節(jié)免疫功能等作用［2－5］，有望開發(fā)成為我國特色的創(chuàng)新藥物。大孔吸附樹脂(macroporous adsorption resin，MAR)是一類具有多孔立體結(jié)構(gòu)的有機高聚物吸附劑，依靠它和被吸附分子之間的范德華引力，大比表面積進行物理吸附［6］，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域［7－9］。然而，相對于MAR的應(yīng)用研究，其理論研究卻嚴重滯后，在合成過程中和應(yīng)用選擇上缺乏理論指導(dǎo)，在分子設(shè)計上缺乏針對性，在應(yīng)用選擇上存在盲目性，這些問題已成為功能高分子科學(xué)和分離分析科學(xué)交叉領(lǐng)域的一個亟待突破的研究課題［10］。目前，國內(nèi)外關(guān)于絞股藍多糖的研究報道主要集中在提取和純化工藝上，關(guān)于樹脂吸附絞股藍多糖的理論研究卻較少。本實驗擬通過研究大孔樹脂靜態(tài)吸附與解吸性能，深入地探討吸附過程的熱力學(xué)及動力學(xué)機理。

1 儀器、試劑與方法

1.1 儀器與試劑

TU-1810紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司);SHA-l水浴恒溫振蕩器(常州國華儀器有限公司);876-1型真空干燥箱(南通科學(xué)儀器廠);KQ-250B型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司);旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海申生科技有限公司)。

絞股藍原料(陜西安國市光明飲片加工廠);D101、D201、AB-8大孔吸附樹脂(安徽三星樹脂科技有限公司);Sevage試劑［V(三氯甲烷)∶V(正丁醇)=4∶1］，其他試劑均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 絞股藍多糖的制備

稱取粉碎后絞股藍藥材700 g，按1∶5(g∶mL)比例加入體積分數(shù)95%乙醇回流提取2次，每次2 h，過濾并揮干乙醇，得絞股藍粉末647 g，用于提取絞股藍多糖。

取適量揮干后絞股藍粉末，水料比30∶1，80℃條件下提取2h，所得濾液濃縮，Sevage法脫蛋白、乙醇醇沉，真空干燥備用。用苯酚硫酸法測得該多糖純度為3.18%。

1.2.2 樹脂的預(yù)處理

樹脂均用體積分數(shù)95%的乙醇浸泡溶脹24 h后，濕法裝入玻璃層析柱中，用5倍柱體積的95%乙醇反復(fù)淋洗，水洗至無醇味，依次用5%HCl和5%NaOH溶液浸泡2～4 h，并用蒸餾水洗至中性，之后用95%乙醇洗脫，至乙醇洗脫液與水體積比1∶5混合不呈白色混濁為止，再水洗至無醇味。將處理后的樹脂真空干燥至恒重備用。

1.2.3 絞股藍多糖標準曲線的建立

采用苯酚-硫酸法定量分析絞股藍多糖。分別準確量取葡萄糖標準品配成不同濃度的標準品溶液，在490nm處測定吸光度值。通過一元線性回歸，得到絞股藍多糖標準曲線方程A=0.011c－0.057 8(R2=0.993 2)，式中:A，吸光度;c，絞股藍多糖濃度(μg/mL)。

1.2.4 靜態(tài)吸附率和解吸率的測定

準確稱取大孔干樹脂0.500 0 g，置于100 mL具塞磨口三角瓶中，分別加入25 mL 0.825 mg/mL的絞股藍多糖溶液。于25℃恒溫振蕩器上振蕩吸附20h，測定溶液中絞股藍多糖濃度，按下式計算各樹脂的平衡吸附量Qe及吸附率E%:

式中:Qe，平衡吸附量(mg/g);E，吸附率，%;c0，初始濃度(mg/mL);ce，平衡濃度(mg/mL);V，溶液體積(mL);m，樹脂質(zhì)量(g)。

取上述吸附飽和的大孔樹脂，濾紙吸干樹脂表面的殘留溶液，置于三角瓶中，各加入25 mL 60%的乙醇，于25℃恒溫振蕩器中靜態(tài)解吸20h，濾出樹脂，測定濾液中絞股藍多糖濃度，按下式計算解吸率E′:

式中:E′，解吸率，%;ce'，解吸平衡濃度(mg/mL);V′，洗脫液體積(mL);m，吸附在樹脂上的多糖總量(mg)。

1.2.5 吸附熱力學(xué)實驗

分別稱取1.000 0 g D201干樹脂加入10 mL 6種不同初始濃度的絞股藍多糖溶液，在293，298，303 K恒溫振蕩器上振蕩20 h(吸附達到平衡)，取樣分析其中絞股藍多糖濃度。

1.2.6 吸附動力學(xué)實驗

分別稱取1.000 0 g D201干樹脂加入10 mL濃度為1.65 mg/mL的絞股藍多糖溶液，于298，303，308 K恒溫振蕩器上振蕩，每隔一定時間取樣分析其中絞股藍多糖濃度，直至達到吸附平衡。

2 結(jié)果與討論

2.1 大孔樹脂對絞股藍多糖的吸附和解吸性能比較

表1是3種大孔樹脂對絞股藍多糖的靜態(tài)吸附和解吸性能。其中D201型樹脂的吸附量和吸附率均高于D101和AB-8型樹脂。雖然D201樹脂的解吸率低于其他兩種樹脂，但由于其吸附量較高，其解吸量仍比另2種樹脂高，因而選擇D201樹脂為純化絞股藍多糖的吸附劑。

表1 大孔樹脂對絞股藍多糖的靜態(tài)吸附與解吸性能

多糖類化合物是一類有機大分子，可由范德華力或氫鍵作用力與大孔樹脂產(chǎn)生吸附作用。糖類化合物分子結(jié)構(gòu)中含有較多的醇羥基和糖苷鏈，具有一定的極性。而被分離物質(zhì)與樹脂的極性是影響吸附性能的重要因素［11］。試驗選用的D201樹脂是弱極性樹脂，在吸附過程中易和多糖分子形成氫鍵而牢固結(jié)合，因而吸附量較高。

2.2 吸附等溫方程

根據(jù)靜態(tài)平衡吸附試驗測定的平衡濃度ce，得到D201樹脂的平衡吸附量 Qe，分別作 293，298，303K下的吸附等溫曲線(圖1)。由圖1可知，D201樹脂對絞股藍多糖的平衡吸附量Qe隨平衡濃度ce的增加而增大，隨溫度的升高而升高，說明吸附過程是吸熱的。

圖1 D201樹脂對絞股藍多糖的吸附等溫線

由于稀溶液相對更接近理想狀態(tài)，因此本實驗采用在稀溶液吸附平衡研究中應(yīng)用較多的Langmuir方程來描述多糖在樹脂表面的吸附行為，表達式為:

式中:Qs，樹脂的單層飽和吸附量(mg/g);Kb，常數(shù)。

用Langmuir方程對圖1數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果見表2。表2中各相關(guān)系數(shù)r均在0.99以上，說明該方程能夠很好的描述樹脂對絞股藍多糖的吸附過程，屬于單分子層吸附。其中平衡常數(shù)Kb隨著溫度升高而增大，說明樹脂表面吸附位點隨著溫度的升高而逐漸增多，吸附能力隨之增大，故升高溫度有利于吸附的進行。

表2 Langmuir擬合方程及參數(shù)

2.3 吸附熱力學(xué)性質(zhì)

吸附焓變H可根據(jù)Clausius-Clapeyron方程計算:

式中:ce，在熱力學(xué)溫度T時特定吸附量Qe下溶質(zhì)的平衡濃度(mg/mL);T，絕對溫度(K);K，常數(shù);R，理想氣體常數(shù)［8.314 kJ/(mol·K)］。

吸附自由能是吸附驅(qū)動力的體現(xiàn)，吸附反應(yīng)達到平衡時的吉布斯自由能變ΔG可由以下方程求得:

式中:Kb為吸附平衡常數(shù)(L/mol)。吸附熵變ΔS可根據(jù)Gibbs-Helmholtz方程計算:

不同吸附量下的吸附ΔH、ΔG和ΔS的數(shù)據(jù)計算結(jié)果見表3。

表3 D201樹脂對絞股藍多糖的吸附熱力學(xué)性質(zhì)

表3可知，ΔH＞0，為吸熱反應(yīng)，升溫有利于吸附。隨著絞股藍多糖濃度的增加，更多的多糖分子被吸附到樹脂上，吸附位點相對減少，強度相對減弱，相應(yīng)的熱效應(yīng)增加趨勢逐漸減弱。此時放熱效應(yīng)小于吸熱效應(yīng)，吸附為吸熱過程。

ΔG＞0，說明所有吸附過程是非自發(fā)過程。由于ΔG隨著溫度的增加逐漸減少，說明升高溫度使吸附過程的自發(fā)程度提高，由非自發(fā)向自發(fā)過程轉(zhuǎn)變。

ΔS＞0，說明吸附是熵推動過程。對于固-液交換吸附，溶質(zhì)分子由液相吸附交換到固-液界面時會失去一定的自由度。因為水的相對分子質(zhì)量和分子體積與多糖分子相比之下較小，樹脂在吸附多糖分子后，使其運動比在水溶液中更規(guī)則，即多糖分子在樹脂上的運動不如在水溶液中運動自由。因此，對于樹脂吸附應(yīng)是一個熵減少的過程，但是由于溶液中溶質(zhì)和溶劑同時存在，溶質(zhì)的吸附必然伴隨著溶劑的脫附，并且水的摩爾體積是小于吸附質(zhì)的，更多數(shù)目的水分子回到溶液中作自由運動，導(dǎo)致整個體系的混亂程度增高［12］。

2.4 Polanyi吸附勢

吸附勢是描述吸附質(zhì)在界面進行物理吸附時，每1 mol吸附質(zhì)的自由能變化，可由公式計算:

由表4可知，在等溫條件下，隨多糖濃度增加，吸附勢逐漸降低;當(dāng)初始濃度相同時，隨著溫度的升高，吸附勢升高。由吸附等溫線分析，溫度一定時，溶質(zhì)的吸附量隨濃度的增加而增加，吸附勢則隨濃度的增加而降低。

表4 D201樹脂對絞股藍多糖的吸附勢

2.5 吸附動力學(xué)性質(zhì)

計算不同時刻t時D201樹脂的吸附容量Qt，繪制不同溫度下樹脂對絞股藍多糖的吸附動力學(xué)曲線(圖2)。

圖2 不同溫度下的吸附動力學(xué)曲線

由圖2可知，在吸附初始階段，吸附速率較快，多糖分子主要是穿過液膜到達樹脂的外表面;隨著吸附過程的進行，多糖分子濃度逐漸減小，表層吸附接近飽和，多糖分子沿著樹脂微孔由表面向內(nèi)部擴散，擴散阻力不斷增加，導(dǎo)致吸附速率逐漸減小;吸附后期即3 h后，主要是在吸附劑內(nèi)表面吸附，且濃度推動力越來越小，吸附基本達到平衡。隨著溫度的升高，飽和吸附量升高，這一結(jié)果與圖1等溫曲線所反應(yīng)的結(jié)果相符。

對于吸附劑來說，它們對吸附質(zhì)的吸附往往可用不同的動力學(xué)模型進行描述。將實驗數(shù)據(jù)按照二級動力學(xué)模型進行擬合，公式為:

式中:Qe，平衡吸附量(mg/g);Qt，t時間的吸附量(mg/g);K，速率常數(shù)［g/(mg·h)］。

擬合結(jié)果見表5。結(jié)果顯示，方程相關(guān)系數(shù)較好，說明吸附過程符合二級動力學(xué)規(guī)律。

表5 D201樹脂吸附絞股藍多糖的二級動力學(xué)參數(shù)

將前180 min初始快速吸附階段的動力學(xué)數(shù)據(jù)分別按照Boyd液膜擴散模型和Kannan-Sundaram顆粒內(nèi)擴散模型來描述［13］。顆粒內(nèi)擴散模型:lg(1－F2)=－Kt/2.303;液膜擴散模型:ln(1－F)=－Kt。式中，F(xiàn)=Qt/Qe是吸附劑的吸附交換率，K(h－1)為速率常數(shù)。

分別對1g(1－F2)－t和ln(1－F)－t進行線性擬合，結(jié)果見表6。兩模型線性關(guān)系均較好，由于2條直線均未通過原點，表明顆粒內(nèi)擴散和液膜擴散對絞股藍多糖在D201樹脂上的吸附過程都有影響，吸附過程受兩者聯(lián)合控制。

表6 D201樹脂吸附絞股藍多糖的擴散模型參數(shù)

速率控制步驟的確定是研究吸附動力學(xué)的關(guān)鍵，從表6結(jié)果來看，難以比較出是液膜擴散還是顆粒內(nèi)擴散為主控步驟?；罨苁欠磻?yīng)進行所需的能量，活化能越大，反應(yīng)較難進行，反應(yīng)速率越慢，也即速率控制步驟應(yīng)具有最高的反應(yīng)活化能。利用Arrhenius方程計算活化能:

式中:Ka，吸附反應(yīng)的速率常數(shù);A，頻率因子;Ea，活化能(kJ/mol)。

由方程求得顆粒內(nèi)擴散和液膜擴散的活化能分別為76.24 kJ/mol，47.72kJ/mol，即 D201 樹脂對絞股藍多糖吸附的顆粒內(nèi)擴散活化能高于液膜擴散活化能，顆粒內(nèi)擴散速率較慢，吸附過程以顆粒內(nèi)擴散為主控速步驟。

3 結(jié)論

(1)通過對3種大孔吸附樹脂吸附性能的測定，篩選出D201樹脂對絞股藍多糖的吸附和解吸效果最好，可以有效的純化和富集絞股藍多糖。(2)D201樹脂對絞股藍多糖的吸附數(shù)據(jù)可用Langmuir經(jīng)驗公式擬合，相關(guān)性較好。(3)吸附過程為熵推動的非自發(fā)吸熱過程。(4)吸附過程符合二級動力學(xué)模型，主要受顆粒內(nèi)擴散和液膜擴散共同影響。通過計算活化能得出，顆粒內(nèi)擴散為主控速步驟，吸附反應(yīng)速率常數(shù)隨著溫度的升高而增大。參考文獻

［1］ 周建華，張興亞.絞股藍開發(fā)研究新進展及應(yīng)用［J］．食品科技，2010，35(2):74－77.

［2］ 劉青青，吳景東.絞股藍提取液對自然衰老影響的實驗研究［J］．遼寧中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報，2008，10(6):132－136.

［3］ Chi A P，Chen J P，Wang Z Z，et al.Morphological and structural characterization of polysaccharide from Gynostemma pentaphyllum Makino and its anti-exercise fatigue activity［J］．Carbohydrate Polymers，2008，74(3/4):868 －874.

［4］ Rujjanawate C，Kanjanapothi D，Amomlerdpison D.The anti-gastric ulcer effect of Gynostemma pentaphyllum Makino［J］．Phytomedicine，2004，11(5):431 －436.

［5］ Wang ZJ，Luo DH.Antioxidant activities of different fractions of polysaccharide puified from Gynostemma pentaphyllum Makino［J］．Carbohydrate Polymers，2007，68(1):54－58.

［6］ 劉鐘棟，趙玉芬，盧奎.高粱子粒淀粉表面色素的樹脂分離研究［J］．離子交換與吸附，2005，21(1):68－71.

［7］ Zhang Ying，Li Shu-fen，Wu Xi-wen，et al.Macroporous resin adsorption for purification of flavonoids in Houttuynia cordata Thunb．［J］．Chinese Journal of Chemical Engineering，2007，15(6):872－876.

［8］ 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):1 027－1 034.

［9］ Chi R A，Zhou F，Huang K，et al.Adsorption behaviors of puerarin on S－8 macroporous resin［J］．Chinese Journal of Natural Medicines，2011，9(2):120－125.

［10］ 張安杰.大孔吸附樹脂對蘆丁的吸附行為研究［D］．蘭州:蘭州理工大學(xué)，2010.

［11］ 潘見，陳強，謝慧明，等.大孔樹脂對葛根黃酮的吸附分離特性研究［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1999，15(1):236－240.

［12］ Jain C K，Singhal D C，Sharma M K.Adsorption of zinc on bed sediment of River Hindon:adsorption models and kinetics［J］．J Hazard Mater，2004，114(1 －3):231 －238.

［13］ 楊鵬波，張曉燕，叢威，等.大孔吸附樹脂吸附乳酸及乳酸與谷氨酸的分離［J］．過程工程學(xué)報，2007，7(4):767－771.