李存玉+馬赟+劉莉成+陸茜+彭國平

[摘要] 該文基于納濾分離中的溶解-擴(kuò)散效應(yīng)和電荷效應(yīng)理論，擬合傳質(zhì)系數(shù)與初始濃度的相關(guān)性，構(gòu)建預(yù)測辛弗林傳質(zhì)過程中的數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證其適用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，操作壓力與膜通量存在線性關(guān)系，隨著辛弗林濃度升高膜通量出現(xiàn)衰減。在溶解-擴(kuò)散效應(yīng)和電荷效應(yīng)的雙重作用下，其傳質(zhì)系數(shù)與初始濃度呈現(xiàn)冪函數(shù)相關(guān)，回歸系數(shù)均大于0.9，發(fā)現(xiàn)解離狀態(tài)下的辛弗林傳質(zhì)系數(shù)小于游離態(tài)及解離-游離共存態(tài)。建立的納濾傳質(zhì)預(yù)測數(shù)學(xué)模型，通過枳實(shí)提取液驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)辛弗林截留率與實(shí)驗(yàn)值接近，該模型實(shí)用可行。以辛弗林為例建立的納濾分離預(yù)測模型，解決了中藥生物堿類成分納濾分離機(jī)制不清晰的問題，為中藥生物堿類成分的常溫化精制富集提供理論和技術(shù)支撐。

[關(guān)鍵詞] 辛弗林； 納濾； 傳質(zhì)過程； 電荷效應(yīng)； 溶解-擴(kuò)散效應(yīng)

[Abstract] Based on the solution-diffusion effect and the charge effect theory in nanofiltration separation， the correlation between initial concentration and mass transfer coefficient was constructed to establish a mathematic model of synephrine in mass transfer process and verify its applicability. The experimental results showed that there was a linear relationship between operation pressure and membrane flux. Meanwhile， the membrane flux was gradually decayed with the increase of solute concentration. Besides， mass transfer coefficient and initial concentration of synephrine showed power function correlation with each other by solution-diffusion effect and the charge effect， and the regression coefficients were greater than 0.9. The mass transfer coefficient of dissociation synephrine was less than that in the state of free and free-dissociation. Moreover， on the basis of power function relationship between mass transfer coefficient and initial concentration， the results showed that the predicted rejections of synephrine from Citrus aurantium water extract by use of the mathematical model approximated well to real ones， verifying that the model was practical and feasible. The unclear separation mechanism of nanofiltration for alkaloids was clarified preliminary by the predicted model of nanofiltration separation with synephrine as the example， providing theoretical and technical support for nanofiltration separation， especially for traditional Chinese medicine with alkaloids.

[Key words] synephrine； nanofiltration； mass transfer process； charge effect； solution-diffusion effect

納濾是膜分離技術(shù)中的一種，截留相對分子質(zhì)量在100～1 000，具有分離過程可常溫操作，無熱效應(yīng)，能耗低，不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)[1]，在中藥成分的精制、分離等過程具有廣闊的應(yīng)用前景。中藥成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，且納濾在中藥制劑生產(chǎn)中尚處于初級階段，依靠納濾分離經(jīng)典模型，無機(jī)離子的細(xì)孔模型[2]、DSPM（Donnan steric partitioning pore）模型[3]等分離理論難以有效解釋其分離行為，預(yù)測其分離規(guī)律。

辛弗林是中藥陳皮、枳實(shí)中代表性的小分子生物堿，具有增強(qiáng)心血輸出量、提高總外周血管阻力而使左心室壓力及動(dòng)脈血壓上升的作用[4-5]。分子式C9H13NO2（167.21），長時(shí)間高溫、光照影響其成分穩(wěn)定性[6]。采用納濾對其富集精制將會有效避免因熱處理帶來的損失，但是其納濾分離規(guī)律及傳質(zhì)機(jī)制尚不清晰，本研究選用一種應(yīng)用廣泛的商業(yè)納濾膜，借鑒溶解-擴(kuò)散效應(yīng)和道南效應(yīng)理論[7-8]，構(gòu)建辛弗林納濾傳質(zhì)模型，預(yù)測在不同溶質(zhì)濃度和操作壓力下納濾對辛弗林的富集效果，以期提升納濾分離在中藥制藥領(lǐng)域的適用性。

1 材料

枳實(shí)藥材購自安徽亳州，批號201610901，經(jīng)南京中醫(yī)藥大學(xué)嚴(yán)輝副教授鑒定為蕓香科植物酸橙Citrus aurantium L.的干燥幼果，符合2015年版《中國藥典》相關(guān)項(xiàng)下要求。endprint

復(fù)合聚酰胺納濾膜（型號NFX，截留相對分子質(zhì)量150～300），購自南京拓鉒醫(yī)藥科技有限公司；辛弗林提取物（批號20151015，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%），購自南京澤朗生物科技有限公司；辛弗林對照品（批號110727-201107，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%），購自中國食品藥品檢定研究院；乙腈為色譜純，乙醇為分析純，水為純化水，其他試劑均為分析純。

Agilent 1100高效液相色譜儀，VWD檢測器（美國安捷倫公司）；TNZ-1納濾分離設(shè)備（南京拓鉒醫(yī)藥科技有限公司）；PB-10型pH計(jì)（德國Sartorius公司）；AL204 1/1萬電子天平（瑞士METTLER TOLEDO集團(tuán)）；KH-250B型超聲波清洗器（昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司）。

2 方法

2.1 溶液的制備

2.1.1 枳實(shí)提取液 稱取枳實(shí)藥材5 kg，加入10倍純化水提取2次，每次1 h，0.45 μm微孔濾膜過濾，合并濾液，得枳實(shí)提取液。

2.1.2 辛弗林對照品溶液 精密稱取辛弗林對照品0.010 20 g，置于10 mL量瓶中，加50%甲醇水溶液稀釋至刻度，搖勻，即得辛弗林對照品溶液（1.020 g·L-1）。

2.1.3 辛弗林提取物溶液 精密稱取辛弗林提取物適量，純化水超聲溶解混勻，配置含辛弗林質(zhì)量濃度為200 mg·L-1的水溶液。

2.2 pKa測定[9]

通過測定辛弗林pKa，分析溶質(zhì)在溶液中的存在狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)溶質(zhì)存在狀態(tài)，考察對傳質(zhì)過程的影響。由于辛弗林分子結(jié)構(gòu)中含有亞胺基團(tuán)，按照一元弱堿的pKa測定方法。精密量取系列濃度的辛弗林提取物水溶液各20 mL置于潔凈干燥的燒杯中，使用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)液滴定，采用濃度為0.100 3 mol·L-1的鹽酸滴定，每滴加1.0 mL 鹽酸記錄1次pH，繪制pH-鹽酸體積（V）曲線，待曲線斜率接近1.0時(shí)，然后將鹽酸滴加量調(diào)整為每次0.2 mL記錄1次pH，直至曲線斜率趨于無窮大，即為滴定終點(diǎn)，重復(fù)滴定操作3次，根據(jù)下式計(jì)算pKa。

2.3 納濾操作

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，取純化水清洗至中性條件下的納濾膜，組裝納濾系統(tǒng)，見圖1，根據(jù)測定的辛弗林pKa，調(diào)節(jié)辛弗林提取物溶液pH改變其存在狀態(tài)（游離、解離、游離-解離共存），將藥液置于納濾系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)平衡，待儲液罐中辛弗林濃度趨于穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)定其在納濾膜中的吸附-解吸附達(dá)到平衡時(shí)，取樣平衡液，進(jìn)而將溶液進(jìn)行納濾，待納濾完成后，取樣納濾液。其中納濾操作壓力通過調(diào)節(jié)中壓泵功率及調(diào)速閥控制濃縮液出口流量，調(diào)節(jié)壓力分別為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 MPa；辛弗林提取物溶液梯度稀釋至相應(yīng)初始質(zhì)量濃度為200，150，100，50，10 mg·L-1。

2.4 納濾分離理論[10-11]

基于納濾分離原理“溶解-擴(kuò)散效應(yīng)”，溶質(zhì)在納濾分離過程中，假設(shè)溶質(zhì)與溶劑首先與膜材質(zhì)接觸進(jìn)而溶解于膜表面，進(jìn)而通過壓力差、濃度差產(chǎn)生的化學(xué)勢推動(dòng)下透過納濾膜，該模型可以表達(dá)如下。

2.5 樣品檢測

2.5.1 色譜條件[12] Hanbon C18色譜柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流動(dòng)相甲醇-磷酸二氫鉀溶液（取磷酸二氫鉀0.6 g，十二烷基苯磺酸鈉1.0 g，冰醋酸1 mL，加超純水溶解并稀釋至1 000 mL）50∶50；檢測波長275 nm；流速1 mL·min-1；進(jìn)樣量10 μL；柱溫30 ℃。

2.5.2 線性關(guān)系 精密吸取辛弗林對照品溶液 0.05，0.10，0.20，0.50，1.00，2.00 mL 分別置于10 mL的量瓶中，甲醇定容至刻度，Agilent 1100高效液相色譜儀檢測，以峰面積為縱坐標(biāo)（Y），對照品溶液濃度為橫坐標(biāo)（X），得線性回歸方程Y=5.32X+5.57，R2=0.999 2。辛弗林在5.100～204.0 mg·L-1，線性關(guān)系良好。

2.6 納濾分離模型驗(yàn)證

取枳實(shí)提取液，采用2.5項(xiàng)下條件檢測辛弗林濃度，根據(jù)辛弗林pKa調(diào)節(jié)溶液pH使其分別以游離態(tài)、解離態(tài)及其游離態(tài)-解離態(tài)共存形式存在，0.45 μm微孔濾膜過濾，采用納濾膜對建立的納濾傳質(zhì)模型進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，操作壓力分別為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 MPa，計(jì)算辛弗林表觀截留率Ro，并與模型預(yù)測值對比，驗(yàn)證納濾傳質(zhì)模型的實(shí)用性。

3 結(jié)果

3.1 不同濃度辛弗林的pKa

辛弗林的pKa數(shù)據(jù)見表1，辛弗林在質(zhì)量濃度10～200 mg·L-1，其相應(yīng)pKa在8.25～8.84，為了考察解離、游離存在狀態(tài)對納濾傳質(zhì)系數(shù)的影響，因此分別調(diào)節(jié)辛弗林提取物水溶液環(huán)境至pH 4.0使其以解離態(tài)形式存在、pH 10使其以游離態(tài)形式存在、pH 8.5使其以解離-游離態(tài)形式共存。

3.2 辛弗林的納濾膜通量

納濾膜通量可以體現(xiàn)出其分離效率，分析不同辛弗林初始濃度和操作壓力條件下的納濾膜通量，見圖2～4，可以看出膜通量與壓力呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，由公式（2）可知納濾膜通量隨著膜兩側(cè)壓力差的增加而隨之大。

濃度對膜通量具有一定的影響，隨著初始濃度的增加，膜通量呈現(xiàn)出輕微衰減，主要是由于溶質(zhì)濃度的增加引起溶液黏度升高，同時(shí)膜污染趨勢也隨之增加，導(dǎo)致膜通量衰減。不同濃度之間的膜通量差異，隨著操作壓力的增加此現(xiàn)象愈加明顯，這主要是膜面濃差極化引起的膜污染等因素有關(guān)[13]。

對比圖2～4可發(fā)現(xiàn)，pH對辛弗林的膜通量存在一定的影響，隨著溶液pH的升高，膜通量也呈現(xiàn)出增加的趨勢，其中在酸性條件下辛弗林水溶液的膜通量低于另外2種溶液環(huán)境，推測以解離態(tài)形式存在的辛弗林相較于游離態(tài)辛弗林，與納濾膜表面存在更強(qiáng)的電荷排斥效應(yīng)，不利于進(jìn)入膜表面，從而表現(xiàn)出通量偏低的現(xiàn)象。endprint

3.3 構(gòu)建傳質(zhì)擬合模型

3.3.1 游離態(tài) 辛弗林在不同濃度條件和操作壓力條件下對ln[（1-Ro）·Jv/Ro]和Jv進(jìn)行相關(guān)性擬合，見圖5，二者具有線性相關(guān)，進(jìn)而擬合線性方程計(jì)算傳質(zhì)系數(shù)k和ln（DK/δ），見表2，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)隨著辛弗林濃度的增加其傳質(zhì)系數(shù)隨之增大，結(jié)果與納濾分離原理中的溶解-擴(kuò)散經(jīng)典模型相符。

3.3.2 解離-游離態(tài)共存 在pH 8.5條件下，辛弗林的存在狀態(tài)為解離態(tài)與游離態(tài)共存，通過ln（1-Ro）·Jv/Ro和Jv進(jìn)行相關(guān)性擬合，見圖6，相關(guān)性曲線斜率較游離態(tài)時(shí)有所增加，其傳質(zhì)系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，主要是由于在納濾分離過程中是解離-游離辛弗林共存，其中游離態(tài)辛弗林優(yōu)先接近膜表面進(jìn)而溶解并隨著壓力推動(dòng)通過納濾膜孔，解離態(tài)辛弗林因?yàn)榕c納濾膜表現(xiàn)出電荷效應(yīng)，從而難以通過納濾膜，從而呈現(xiàn)出辛弗林傳質(zhì)系數(shù)減小的趨勢，見表3，以此也可以初步判斷電荷效應(yīng)對辛弗林傳質(zhì)過程的影響程度。同時(shí)，隨著辛弗林濃度的增加其傳質(zhì)系數(shù)隨之增大，說明其分離過程是溶解-擴(kuò)散和電荷效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。

3.3.3 解離態(tài) 在pH 4.0條件下，辛弗林完全解離，ln[（1-Ro）·Jv/Ro]和Jv進(jìn)行相關(guān)性擬合，見圖7，溶液中以解離態(tài)形式存在的辛弗林因與納濾膜之間的電荷排斥，從而難以進(jìn)入納濾膜表面，較游離態(tài)中的辛弗林傳質(zhì)系數(shù)明顯下降，見表4，說明此時(shí)辛弗林的納濾分離過程中以電荷效應(yīng)為主導(dǎo)，且實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)辛弗林截留率也較其他溶液環(huán)境有明顯提升，在低濃度時(shí)其截留率高于90%。此外，ln（DK/δ）與辛弗林初始濃度大小無直接相關(guān)性，與其存在狀態(tài)存在一定相關(guān)性，游離態(tài)時(shí)高于另外解離態(tài)。

3.4 傳質(zhì)模型驗(yàn)證

分別對3種酸堿環(huán)境下的辛弗林濃度和傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，發(fā)現(xiàn)傳質(zhì)系數(shù)與溶質(zhì)濃度呈現(xiàn)冪相關(guān)，傳質(zhì)系數(shù)與初始濃度的相關(guān)性方程及l(fā)n（DK/δ），見表5，根據(jù)公式（6）計(jì)算得到在膜通量Jv和初始濃度Co條件下辛弗林表觀截留率Ro。

液相檢測枳實(shí)水提液中辛弗林的質(zhì)量濃度為165.5 g·L-1，通過操作壓力下與膜通量的轉(zhuǎn)換，對3種pH條件下的辛弗林截留率進(jìn)行擬合，進(jìn)而通過納濾分離，對比預(yù)測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)見圖8。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，辛弗林截留率的實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測值接近，其中實(shí)驗(yàn)值高于預(yù)測值，這是由于枳實(shí)提取液的多成分在膜表面的競爭溶解透過引起的。此外，枳實(shí)中含有柚皮苷、新橙皮苷等黃酮類成分，在水提液中與辛弗林可能以復(fù)合物的形式存在，引起分子團(tuán)增加，引起其表觀截留率上升。辛弗林截留率的實(shí) 驗(yàn)值操作壓力升高其增加趨勢愈加明顯，推測壓力偏高時(shí)濃差極化效應(yīng)的影響，引起辛弗林表觀截留率的升高。

4 討論

辛弗林的納濾分離過程也是溶質(zhì)分子在膜表面溶解并滲透通過膜孔的傳質(zhì)過程，其傳質(zhì)系數(shù)與其存在狀態(tài)相關(guān)，尤其以離子態(tài)形式存在的辛弗林因電荷排斥而難以接近膜表面從而保持了高截留率，且以解離態(tài)存在的辛弗林納濾傳質(zhì)系數(shù)明顯低于游離態(tài)。本文基于納濾分離理論中的溶解-擴(kuò)散效應(yīng)和電荷效應(yīng)，同時(shí)考慮成分的存在狀態(tài)，建立了中藥枳實(shí)中辛弗林的納濾分離預(yù)測模型，能夠有效的對辛弗林的截留率進(jìn)行預(yù)測，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。初步解決了因中藥成分納濾分離機(jī)制不清晰而導(dǎo)致納濾技術(shù)難以產(chǎn)業(yè)推廣的難題。

在數(shù)據(jù)擬合和分離模型構(gòu)建過程中，溶液膜通量數(shù)據(jù)與模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性直接相關(guān)，而膜污染對膜通量影響顯著，因此在對中藥提取液開展分離機(jī)制研究時(shí)，需要進(jìn)行預(yù)處理提高提取液的澄明度，從而提高模型預(yù)測的準(zhǔn)確度。納濾技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推廣過程中，仍存在設(shè)備成本偏高，增加企業(yè)負(fù)擔(dān)。中藥制劑生產(chǎn)過程中因膜組件污染引起的通量衰減，將直接影響生產(chǎn)效率。同時(shí)，納濾膜與藥液的相互作用特征（兼容性）、納濾膜完整性及其孔徑的標(biāo)準(zhǔn)化測定尚需要進(jìn)一步的規(guī)范化研究，從而保障中藥成分分離精制的高效、一致。

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[責(zé)任編輯 孔晶晶]endprint