張康逸 張麗霞 王興國 屈凌波 劉元法

(河南省農科院農副產品加工研究所1，鄭州 450002)

(鄭州大學化學系2，鄭州 450001)

(江南大學食品學院3，無錫 214122)

硅膠吸附甘油磷脂酰膽堿的動力學和焓變的研究

張康逸1,2張麗霞1王興國3屈凌波2劉元法3

(河南省農科院農副產品加工研究所1，鄭州 450002)

(鄭州大學化學系2，鄭州 450001)

(江南大學食品學院3，無錫 214122)

主要研究硅膠吸附L-α-GPC的動力學和熱力學特性對吸附過程的控制，發(fā)現(xiàn)界面擴散控制速率模型1-3(1-X)2/3+2(1-X)能很好的擬合硅膠的吸附過程。通過Freundlich方程和Langmuir方程對吸附平衡模擬，得到了Langmiur方程擬合硅膠吸附L-α-GPC的吸附等溫線，計算出不同溫度條件下的回歸方程，相關系數(shù)均在0.99以上，并證實了硅膠的吸附為放熱反應。同時，利用Clausius-Clapeyron方程計算出3個吸附量的硅膠吸附熱力學參數(shù)分別為80、160和240 mg/g，焓變(ΔHAm)分別為24.85、23.82、22.72 kJ/mol。研究結果為進一步探討工業(yè)化硅膠柱色譜制備高純L-α-GPC提供了基礎數(shù)據(jù)和理論參考。

甘油磷脂酰膽堿 硅膠柱色譜 動力學 熱力學參數(shù)

甘油磷脂酰膽堿(L-alpha glycerylphosphorylcholine,L-α-GPC)由膽堿、甘油和磷酸鹽組成，是乙酰膽堿和磷脂酰膽堿合成的膽堿源[1-2]。在治療人體大腦的精神混亂和神經混亂方面具有重要的醫(yī)藥應用價值，如治療阿爾茨海默氏癥、小腦性共濟失調、精神分裂癥和雙相情感障礙等，但是就作為藥用原料及相關研究而言需要較高純度的L-α-GPC[3-5]。硅膠柱層析純化制備高純L-α-GPC，具有產品純度高、回收率高、操作簡單、可重復性使用，以及和甘油磷脂酰乙醇胺(L-alpha glycerylphosphorylethanolamine,L-α-GPE)同步分離等優(yōu)勢[6-7]。因此，研究硅膠吸附L-α-GPC的動力學和熱力學特性對吸附過程的控制具有重要的指導價值。

本研究采用非均相未反應核收縮模型[8]對硅膠的吸附過程進行模擬，并對硅膠吸附動力學中的速度控制模型進行探討。分別用Freundlich方程[9]、Langmuir方程[10]對吸附平衡模擬，結合Clausius-Clapeyron[11]方程研究硅膠吸附L-α-GPC的熱力學特性。通過對柱色譜中硅膠填料的吸附動力學和熱力學研究，為L-α-GPC純化的中試試驗，以及工業(yè)化硅膠柱色譜制備提供重要的技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑

L-α-GPC(純度，99.8%)：自制；L-α-GPC(99%)標準品：Sigma公司(St. Louis, MO, USA)；硅膠(柱色譜級；粒徑75～150 μm；孔徑20～30 nm；pH 6～7；含水量3%，比表面積600～800 m2/g)：青島海洋化工；甲醇：國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 儀器

DSHZ-300多用途水浴恒溫振動器：江蘇太倉市實驗儀器廠；Waters1525高效液相色譜儀，美國Waters公司；GT16-3高速臺式離心機：北京時代北利離心機有限公司；MixPlus漩渦震蕩器：合肥艾本森科學儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 原料預處理

L-α-GPC溶液配置：稱取一定量制備的L-α-GPC樣品，甲醇溶解，稀釋成不同濃度的溶液。

硅膠的活化：稱取150 g硅膠，放入托盤中，在120 ℃的烘箱中，干燥30 min進行活化。

1.2.2 硅膠吸附率和吸附量測定

準確稱取活化的硅膠2 g放入100 mL具塞三角瓶中，加入50 mL濃度16.6 mg/mL的L-α-GPC溶液；在25 ℃，在95 r/min的恒溫水浴震蕩器上搖，均勻吸附；20 min取樣，HPLC-ELSD分析L-α-GPC濃度。

硅膠吸附率和吸附量計算公式：

(1)

(2)

式中：X和Qe，分別為吸附率和吸附量/mg/g，活化硅膠重量計；C0為吸附原液中L-α-GPC的質量濃度/mg/mL；C為吸附后溶液中L-α-GPC的質量濃度/mg/mL；Ce為溶液平衡濃度/mg/mL；V為溶液的體積/mL；W為硅膠的干重/g。

1.2.3 靜態(tài)吸附平衡

精確稱取2 g活化硅膠(按1.2.2方法處理)置于100 mL的錐形瓶中，分別加入50 mL質量濃度16.6 mg/mL的L-α-GPC溶液；在25 ℃，在95 r/min的恒溫水浴震蕩器上搖，均勻吸附；HPLC-ELSD分析L-α-GPC濃度，確定吸附達到平衡所需的時間。

1.2.4 靜態(tài)吸附等溫線測定

稱取2 g活化硅膠(按1.2.2方法處理)置于100 mL的錐形瓶中，加入L-α-GPC溶液50 mL；放在298、308、318 K的恒溫水浴震蕩器中，在95 r/min的轉速下震蕩吸附，吸附平衡后，取上清液，用HPLC-ELSD測定平衡時濃度(Ce)，計算平衡吸附量(Qe)，以平衡吸附量(Qe)對平衡濃度(Ce)作靜態(tài)吸附等溫線。

1.3 HPLC-ELSD

色譜條件：硅膠柱，ZORBAXRX-SIL(4.6×250 nm，5 μm)，柱溫35 ℃，漂移管溫度30 ℃；采用二元梯度洗脫，流動相A(甲醇∶水=8∶1，V∶V)，流動相B(甲醇)，流速1.0 mL/min；A相的梯度，開始10 min，以40%梯度增加到60%，保持5 min，之后3 min，以60%梯度降低到40%；進樣量20 μL。樣品的定性通過標樣保留時間比對，定量采用標樣外標法。L-α-GPC標準曲線：Y=9.273 9X-8.379 9(R2=0.991)，L-α-GPC質量濃度(1 mg/mL≤CGPC≤4 mg/mL)。

1.4 未反應核收縮模型模擬硅膠吸附過程

L-α-GPC在硅膠內進行吸附時，由于硅膠本身參與了吸附，它的內部條件會隨時間變化，因此硅膠的吸附過程具有穩(wěn)態(tài)特征。當L-α-GPC在硅膠內吸附時，假設它首先在硅膠表面進行吸附，當硅膠表面吸附點吸附完全后，L-α-GPC會隨溶劑繼續(xù)向硅膠內部擴散，逐漸形成吸附層。未吸附的硅膠層與已吸附的硅膠層在性質方面發(fā)生了巨大變化，這種變化使硅膠變成了一個非均相體系。吸附層形成后，L-α-GPC通過該吸附層繼續(xù)向未吸附的硅膠層擴散，并將已吸附層向未吸附層推進，未吸附層逐步縮小，使整個吸附過程具有了非均相未反應核收縮模型的特征, 硅膠吸附L-α-GPC的未反應核模型見圖1。

圖1 硅膠吸附的未反應核收縮模型

根據(jù)這一假設，硅膠的吸附過程可能有3個速度控制步驟：(1)L-α-GPC通過硅膠與溶液的界面到達硅膠表面擴散速度控制步驟；(2)L-α-GPC與硅膠吸附點的吸附速度控制步驟; (3)L-α-GPC進入硅膠內部的速度控制步驟。一般情況，硅膠表面吸附點吸附L-α-GPC的速度比通過硅膠與溶液界面到達硅膠表面的擴散速度快，也比進入硅膠內部的速度快。因此，硅膠吸附L-α-GPC的速度控制模型僅能是界面擴散控制或者進入硅膠內部的速度控制。

假設：(1)忽略吸附過程溫度波動；(2)L-α-GPC的吸附速度遠遠大于通過未飽和吸附層的擴散速度；(3)硅膠顆粒是具有中心對稱的球形體；(4)硅膠吸附L-α-GPC的吸附量和孔隙率呈線性關系；(5) 吸附過程在擬穩(wěn)態(tài)條件下進行；(6)L-α-GPC通過飽和吸附層和未飽和吸附層的擴散系數(shù)相同。

依據(jù)上述假設，未吸附的硅膠固體顆粒表面上L-α-GPC的濃度c1等于零。假設在一段時間內通過吸附層的擴散是擬穩(wěn)態(tài)過程，即通過吸附層的擴散時間遠遠小于吸附層的厚度明顯改變的時間。L-α-GPC吸附速率相對于時間t通過吸附層的擴散密度J1有如下關系：

(3)

且：

(4)

(5)

(6)

即：

(7)

吸附量的變化可通過未吸附硅膠顆粒的球形半徑的變化來表征。因為：

(8)

式中：ρs、rp分別為L-α-GPC的摩爾密度和未吸附硅膠顆粒半徑。為了確定吸附量與吸附時間的依賴關系，考慮化學計量后，對式(8)兩邊求導，可表示為：

(9)

將式(9)代入式(7)可得：

(10)

兩邊整理：

(11)

將此式在rp0與rp之間以及t=0和t之間積分得到：

(12)

硅膠的活性點完全吸附所需總時間t*，即rp=0時，所需的時間t*為：

(13)

吸附率X用未吸附硅膠顆粒的球形半徑的變化來表征：

(14)

將吸附時間用吸附率X表達，最終得到t/t*與X的關系：

(15)

通過t對1-3(1-X)2/3+2(1-X)作圖可以判定速度控制模型是否是界面擴散控制。

如果速度控制模型是L-α-GPC進入硅膠內部的速度控制，通過上述相類似的方法建立如下關系式：

(16)

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，對于吸附過程，不同的速率控制模型，吸附量與吸附時間之間的關系不同，通過測定不同時間的吸附量，再根據(jù)上述3個關系式，即可以計算出硅膠吸附L-α-GPC的速率控制模型。

2 結果與討論

2.1 硅膠吸附動力學

硅膠吸附L-α-GPC的吸附量隨時間變化曲線見圖2。從圖中可以看出，硅膠在初始階段快速吸附，然后逐漸趨緩，總的硅膠吸附量一直在增加，在4 min達到吸附平衡。

圖2 吸附量與時間的關系

2.2 吸附速率控制模型

界面擴散控制速率模型：選擇非均相未反應核收縮模型對圖2的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)前面推導的界面擴散控制速率模型的動力學方程(15)，以1-3(1-X)2/3+2(1-X)對t作圖，結果如圖3。圖中顯示，1-3(1-X)2/3+2(1-X)與t有很好的線性關系，回歸方程為Y=-0.006 92+0.218 97X，線性相關系數(shù)R2為0.996 21，這都說明了界面擴散控制速率模型為硅膠吸附L-α-GPC的擴散速度控制模式。

圖3 1-3(1-X)2/3+2(1-X)與吸附時間t的關系

硅膠吸附速率控制模型：根據(jù)前面推導的速度控制模型動力學方程(16)，以吸附率X對吸附時間t作圖，結果如圖4。圖中顯示吸附率X與t不成線性關系，這也說明了L-α-GPC進入硅膠內部的速度控制模式不是真實的硅膠吸附速率控制模型。

圖4 吸附率X與吸附時間t的關系

通過對2種硅膠吸附L-α-GPC過程的速率控制模型進行分析，確定了硅膠吸附速率控制模型為界面擴散控制速率模式。

2.3 靜態(tài)吸附平衡

靜態(tài)平衡曲線可以判斷硅膠吸附L-α-GPC的吸附平衡時間，從圖5中可以看出，甲醇溶液中L-α-GPC的濃度隨著時間的延長逐漸降低，在4 min內，濃度從16.6 mg/mL降低到4.3 mg/mL，然后趨于平衡。這說明在4 min硅膠吸附L-α-GPC達到吸附平衡。

圖5 溶液中L-α-GPC濃度隨吸附時間的變化

2.4 硅膠吸附熱力學模型

硅膠吸附平衡模型確定：在設定的298、308和318 K 3個溫度下，Ce吸附平衡濃度用HPLC-ELSD測定，Qe用公式計算，對Ce和Qe做圖，硅膠吸附L-α-GPC的吸附等溫線如圖6。

圖6 硅膠的吸附等溫線

Freundlich方程進行吸附平衡模擬：

(17)

兩邊取對數(shù)得：

(18)

Langmiur方程進行吸附平衡模擬：

(19)

取倒數(shù)得：

(20)

分別用Freundlich方程中的(lgQe)～(lgCe)，Langmiur方程中的(1/Qe)～(1/Ce)數(shù)據(jù)作圖進行吸附平衡模擬，通過線性回歸方程參數(shù)和相關系數(shù)R2來判定模擬的準確性，結果見表1。

由表1可以看出298、308和318K 3個溫度下Freundlich方程和Langmiur方程對硅膠吸附等溫線的模擬，F(xiàn)reundlich模擬出來的回歸方程相關系數(shù)比較低，證明了這種模擬方法不適合硅膠吸附，Langmiur方程模擬的結果比較令人滿意，不同溫度條件下，回歸方程的相關系數(shù)均在0.99以上。因此，在目前的試驗條件下，用 Langmiur方程能更好的對硅膠吸附L-α-GPC的吸附等溫線進行擬合。

表1 吸附方程的參數(shù)

在本研究用Langmiur方程對298、308和318K 3個溫度條件的硅膠吸附等溫線進行了擬合。根據(jù)圖6可以得到不同溫度下的回歸方程：

從圖6可以看出，上樣濃度相同時，隨著溫度的升高，硅膠的吸附能力下降，這說明溫度升高降低硅膠對L-α-GPC的吸附，這說明硅膠的吸附為放熱反應。

硅膠吸附熱力學分析：

Clausius-Clapeyron方程：

(21)

固定上樣量(固定上樣濃度和上樣體積進行控制)，由lnCe對1/T作圖。

圖7 硅膠吸附等容線

圖7為硅膠吸附等容線，在80、160和240 mg/g 3個上樣量條件下，lnCe對1/T作圖，進行線性回歸，根據(jù)公式(21)計算不同上樣量的硅膠吸附熱力學參數(shù)焓變(ΔHAm)，結果見表2。

表2 不同上樣量的硅膠吸附熱

3 結論

通過研究自制樣品L-α-GPC的硅膠吸附動力學和熱力學，發(fā)現(xiàn)界面擴散控制速率模型1-3(1-X)2/3+2(1-X)能很好的擬合硅膠的吸附過程。同時，用Langmiur方程對硅膠吸附L-α-GPC的吸附等溫線進行了擬合，計算出不同溫度條件下的回歸方程，相關系數(shù)均在0.99以上，并且證實了硅膠的吸附為放熱反應。最后，利用Clausius-Clapeyron方程計算出80、160和240 mg/g 3個吸附量的硅膠吸附熱力學參數(shù)，焓變(ΔHAm)分別為24.85、23.82、22.72 kJ/mol。

[1]Sigala S, Imperato A, Rizzonelli P, et al.L-alpha glycerylphosphorylcholine antagonizes scopolamine induced amnesia and enhances hippocampal cholinergic transmission in the rat [J]. Europen Journal of Pharmacology, 1992, 211(3):351-358

[2]Brownawell A M, Carmines E L, Montesano F, et al. Safety assessment of AGPC as a food ingredient [J]. Food and Chemical Toxicology, 2011, 49(6): 1303-1315

[3]Gozzoli M, Scolastico C. A process for the preparation ofL-alpha glycerylphosphorylcholine [P]. UK Patent, UK 2 058 792. 1981

[4]Ziegenfuss T, Landis J, Hofheins J. Acute supplementation with L-alpha glycerylphosphorylcholine augments growth hormone response to, and peak force production during, resistance exercise [J]. International Journal of Sport Nutrition and Exercise Metabolism, 2008(5):15

[5]De J M M M. Cognitive improvement in mild to moderate alzheimer's dementia after treatment with the acetylcholine precursor choline alfoscerate: a multicenter, double blind, randomized, placebo controlled trial [J]. Clinical Therapeutics, 2003, 25: 178-193

[6]Gunawan S, Kasim N S, Ju Y H. Separation and purification of squalene from soybean oil deodorize distillate[J].Separation Purification Technology, 2008, 2(60): 128-135

[7]Shin S J, Park C E, Baek N I, et al. Betulinic and oleanolic acids isolated from forsythia suspensa vahl inhibit urease activity of helicobacter pylori [J]. Biotechnology and Bioprocess Engineering, 2009, 14(2): 140-145

[8]Levenspiel O. Chemical reaction engineering [A]. 2rd Ed, Wiley, New York,1972

[9]Safarik I, Rego L F T, Borovska M, et al. New magnetically responsive yeast-based biosorbent for the efficient removal of water-soluble dyes [J]. Enzyme and Microbial Technology, 2007, 40(6): 1551-1556

[10]Kargi F, Cikla S. Biosorption of zinc(II) ions onto powdered waste sludge (PWS): kinetics and isotherms [J]. Enzyme Microbial Technology, 2006, 38(5): 705-710

[11]?engel YA, Boles MA. Thermodynamics an engineering approach. mcgraw-hill series in mechanical engineering (3rd ed.) [D]. Boston, 2009.

Kinetics ofL-alpha Glycerylphosphorylcholine Adsorption by Silica Gel and Enthalpy Change

Zhang Kangyi1,2Zhang Lixia1Wang Xingguo3Qu Lingbo2Liu Yuanfa3

(Henan Academy of Agricultural Sciences Institute of Agricultural Products Processing1, Zhengzhou 450002)(Zhengzhou University Department of Chemistry2, Zhengzhou 450001)(Jiangnan University，School of Food Science and Technology3, Wuxi 214122)

The control of adsorption process of silica gel on the kinetics and thermodynamic of adsorption of L-alpha glycerylphosphorylcholine (L-α-GPC) was studied. The results showed that the adsorption process of silica gel can be well governed by interface diffusion control rate model 1-3(1-X)2/3+2(1-X). The adsorption isotherm ofL-α-GPC by silica gel could be described with the equation of Langmiur through the stimulation of adsorption balance by Freundlich and Langmuir equations, and then regression equation under different temperature conditions was calculated (related coefficient was above 0.99), and silica gel adsorption was identified as exothermic reaction. The silica gel adsorption thermodynamic parameters of three absorption measurements were 80, 160 and 240 mg/g respectively by Clausius-Clapeyron equation, and the adsorption enthalpy change (ΔHAm) was 24.85, 23.82, 22.72, respectively. The results provided the basic data and theoretical support for further exploration on the industrialized preparation of high purityL-α-GPC by silica gel column chromatography.

L-alpha glycerylphosphorylcholine, silica gel column chromatography, kinetics, thermodynamic parament

TS229

A

1003-0174(2016)03-0047-06

國家自然科學基金(31301502),河南省農業(yè)科學院優(yōu)秀青年科技基金(2013YQ25)

2014-07-09

張康逸，男，1981年出生，博士，脂質科學

劉元法，男，1974年出生，教授，油脂加工