李辰，吳家強，徐學(xué)濤，梁健欣，梁春嬋

（1.五邑大學(xué) 生物科技與大健康學(xué)院，廣東 江門 529020；2.廣東杰士農(nóng)業(yè)科技有限公司，廣東 江門 529000）

我國海藻資源豐富，利用海藻資源開發(fā)的海藻肥是一種生態(tài)、環(huán)保、高效的新型生物肥，具有廣闊的應(yīng)用前景[1].甜菜堿是海藻的主要功能成分之一，具有保護肝臟、降血脂、抗氧化、提高免疫力等作用[2-4]，可作為制藥工業(yè)的原料.甜菜堿的季胺鹽結(jié)構(gòu)使其具有抗高鹽和抗干旱的能力，可作為植物生長調(diào)節(jié)劑中的主要活性物質(zhì)之一[5-7]，也是評價海藻肥品質(zhì)的關(guān)鍵成分[8].甜菜堿還具有保濕功能，它在水溶液中極易形成氫鍵，其特性粘度和表觀比重遠高于甘油，可用作保濕護膚品.此外，甜菜堿本身所攜帶的氨基和羧基使其成為一種兩性離子表面活性劑.甜菜堿的分析方法主要有比色法[5]、非水滴定法、重量法等，大型儀器分析方法主要有薄層掃描法、高效液相色譜法[9-10]、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[11-12]等，但大型儀器檢測方法價格昂貴，且樣品前處理繁瑣、分析流程較長、對操作技能要求高，本文采用紫外法檢測甜菜堿含量.目前，以陰陽離子交換樹脂聯(lián)用提高海藻提取物中甜菜堿純度的方法鮮見報道.本文以我國南海海域馬尾藻為研究對象，初步考察了海藻中甜菜堿的提取分離純化工藝，以期提高海藻的資源利用率.

1 儀器與試劑

1.1 儀器

UV5100紫外可見分光光度計（上海元析儀器有限公司）；BSA224S-CW電子分析天平（賽多利斯）；QE-50粉碎機（浙江屹立工貿(mào)有限公司）；SHA-L恒溫振蕩器（常州澳華儀器有限公司）；ZNCL-BS磁力攪拌器（杭州瑞佳精密儀器公司）；TD5A-WS離心機（湖南湘儀）；RE-2000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮）.

1.2 試劑與材料

甜菜堿標準品（廣州分析測試中心科力技術(shù)開發(fā)公司，批號ZBW110894）；雷氏鹽（四硫氰基二氨合鉻酸氨，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司）；乙醚、丙酮、氫氧化鈉和鹽酸均為分析純，廣州化學(xué)試劑廠；氯化鈉，分析純，天津百世化工有限公司；氨水，分析純，汕頭西隴科學(xué)股份有限公司；無水乙醇，分析純，廣州金華大化學(xué)試劑有限公司.

海藻原料2016年采自中國南海，由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)譚志遠教授鑒定為馬尾藻屬（Scagassum），樣本存放于廣東杰士農(nóng)業(yè)科技有限公司樣品室.由于海藻表面附著有鹽等雜質(zhì)，故需先充分洗滌除去鹽分及泥沙，再置于60 ℃烘箱中干燥至恒重，經(jīng)粉碎機粉碎，過60目篩后密封保存?zhèn)溆?；D101和AB-8大孔吸附樹脂（鄭州勤實科技有限公司）；732和717離子交換樹脂（國藥集團化學(xué)試劑有限公司）.

2 實驗方法

2.1 甜菜堿的測定方法

參照文獻[5]方法進行甜菜堿含量檢測.

2.2 溶液配制

1）甜菜堿標準溶液a（約1.00 mg/mL）：準確稱量0.1000 g甜菜堿標準品，溶于蒸餾水中，轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中，定容，用于繪制標準曲線；甜菜堿標準溶液b（10.00 mg/mL）：準確稱量甜菜堿標準品0.1000 g，用適量去離子水溶解并定容于100 mL容量瓶中，搖勻，即為10.00 mg/mL的甜菜堿標準品溶液，用于樹脂吸附和解吸附實驗.

2）雷氏鹽飽和液（15.00 mg/mL）：準確稱量1.5000 g雷氏鹽，加入適量蒸餾水，用攪拌器攪拌溶解45 min，過濾后用濃鹽酸酸化到pH值為1.0（雷納克酸季胺化合物在pH=1.0時，沉淀最完全），蒸餾水定容至100 mL容量瓶，用于沉淀季胺化合物，此試劑須現(xiàn)用現(xiàn)配.

2.3 甜菜堿的分離純化

1）樹脂預(yù)處理 分別選用732陽離子樹脂和717陰離子樹脂，以及大孔吸附型樹脂AB-8和D101進行海藻甜菜堿的分離純化.按常規(guī)方法將陰陽離子交換樹脂先后用酸堿處理后，以蒸餾水洗至中性，待用.酸堿的用量均為加入樹脂體積的2倍.大孔吸附樹脂用95%乙醇浸泡24 h后，用乙醇洗至加入3倍量的蒸餾水無混濁，再用蒸餾水洗至無醇味即可，待用.

2）靜態(tài)吸附、解吸附實驗 稱取上述4種預(yù)處理好的樹脂各2.50 g，分別置入100 mL具塞三角瓶中，精確量取10.02 mg/mL甜菜堿標準溶液b各10.00 mL，在30℃搖床振蕩吸附3 h，待吸附達平衡后，測定各溶液中甜菜堿的濃度C（emg/mL）.濾除甜菜堿吸附殘液，以適量蒸餾水清洗樹脂后，向各樹脂中加入5%氨水溶液各10.00 mL，振蕩解吸附3 h，待解吸附平衡后，測定氨水解吸液中甜菜堿的含量C（dmg/mL）.樹脂的單位吸附量Q（mg）、吸附率E（%）及解吸附率D（%）計算如下：

式中，C0為甜菜堿的初始濃度（mg/mL）；Ce為甜菜堿的平衡濃度（mg/mL）；Vi為加入的甜菜堿溶液的體積（mL）；W為樹脂的質(zhì)量（g）；Cd為解吸液中甜菜堿濃度（mg/mL）.

在篩選出適宜的732陽離子交換樹脂后，繼續(xù)考察吸附液的pH值（3.0，5.0，7.0，9.0，11.0），以及解吸液氨水的濃度（1%、3%、5%、7%、9%）對吸附和解吸附的影響.

3）動態(tài)吸附、解吸附曲線 稱取已預(yù)處理好的732樹脂2.00 g于玻璃層析柱（?10×300 mm）中，加入10.02 mg/mL甜菜堿標準溶液b 20.00 mL，以2 BV/h（BV為樹脂床體積）的流速進行動態(tài)吸附，收集流出液.測定不同流出液中甜菜堿的濃度，繪制動態(tài)吸附曲線.待吸附飽和后，將5%的氨水溶液按2 BV/h流速通過已吸附飽和的732樹脂，測定不同解吸液中甜菜堿的濃度，繪制動態(tài)解吸附曲線.

4）陰陽離子柱串聯(lián)吸附 鑒于甜菜堿在酸性條件下為陽離子型化合物，可考慮用717樹脂吸附甜菜堿提取液中的陰離子雜質(zhì)，以進一步純化提取物中甜菜堿的含量.海藻樣品經(jīng)水提取濃縮后，加入適量乙醇調(diào)至80%乙醇溶液，靜置10 h，將醇沉濾液的pH值調(diào)至3.0，分3組進行實驗：第1組僅過732陽離子樹脂作為參照組；第2組先過732陽離子樹脂再過717陰離子樹脂；第3組先過717陰離子樹脂再過732陽離子樹脂，以考察不同串聯(lián)吸附方式對純化甜菜堿的影響.上述3組樹脂柱吸附飽和后，均以5%氨水洗脫得洗脫液，收集流出的洗脫液，每5 mL接一份，根據(jù)動態(tài)解吸附曲線檢測結(jié)果合并不同洗脫液中甜菜堿含量高的部分（即前20 mL），經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓濃縮至近干，濃縮液轉(zhuǎn)移至表面皿干燥至恒重，稱重并按2.1方法檢測其甜菜堿含量，比較不同串聯(lián)方式的影響.

3 結(jié)果與討論

3.1 甜菜堿標準曲線

按2.2方法配制的甜菜堿標準溶液a濃度為1.050 mg/mL，準確量取該溶液1.00 mL、1.50 mL、2.00 mL、2.50 mL、3.00 mL、3.50 mL，依次分別加入蒸餾水2.50 mL、2.00 mL、1.50 mL、1.00 mL、0.50 mL、0 mL，得到甜菜堿系列標準溶液（濃度范圍0.300～1.050 mg/mL），再加入雷氏鹽經(jīng)冷凍沉淀、離心、萃取后在525 nm下測量吸光度.以吸光度為縱坐標（Y）、甜菜堿濃度為橫坐標（X,mg/mL） 進行線性回歸，得其線性方程：Y=0.2542X-0.0038，線性相關(guān)系數(shù)R為0.997.

3.2 甜菜堿分離純化結(jié)果

3.2.1 樹脂靜態(tài)吸附和解吸附篩選結(jié)果

按2.3方法測定4種樹脂對甜菜堿粗提取液的靜態(tài)吸附、解吸附效果，結(jié)果列于表1.可看出：732陽離子交換樹脂的吸附和解吸附效果均較好，樹脂單位吸附量為36.79 mg，吸附率為91.47%，解吸附率為75.20%；717陰離子樹脂的吸附和解吸附效果次之；其他兩種大孔吸附樹脂對甜菜堿的吸附率均小于50%，解吸附率小于38%.故以吸附和解吸附性能較好的732陽離子交換樹脂進行后續(xù)實驗.這主要與甜菜堿結(jié)構(gòu)中的氮原子更易帶正電荷有關(guān)，該結(jié)論可由甜菜堿質(zhì)譜正離子掃描模式得到驗證[11-12].

表1 4種樹脂的靜態(tài)吸附和解吸附結(jié)果

3.2.2 吸附液pH值對732樹脂吸附性能的影響

不同pH值的吸附液對732陽離子交換樹脂吸附甜菜堿的影響如圖1所示.由圖1可見：1）在中性和酸性條件下，732陽離子交換樹脂對甜菜堿的吸附率在90%以上，單位吸附量也相應(yīng)較高；2）吸附液酸性越高，732陽離子交換樹脂的吸附效果越好，故后續(xù)實驗選擇吸附液pH=3.0，此時吸附率可達95%；3）732陽離子交換樹脂的吸附效果隨pH值的升高而降低，這可能緣于甜菜堿在酸性條件下分子呈開環(huán)狀態(tài)，其陽離子狀態(tài)利于交換吸附，而在堿性條件下，甜菜堿本身的電離受抑制，分子呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致甜菜堿與732樹脂間的離子交換受影響，吸附率降低.

3.2.3 解吸液氨水濃度對732樹脂甜菜堿解吸附率的影響

以氨水作解吸劑，不同的氨水濃度對甜菜堿的解吸附結(jié)果見圖2：1）低濃度的氨水即可得到較好的洗脫效果，說明堿性條件下甜菜堿容易成環(huán)利于洗脫；2）隨氨水濃度的增大解吸附率也增大，當(dāng)氨水濃度超過5%時，解吸附率的增長幅度開始減小.由于堿性較強不利于后續(xù)處理，故動態(tài)解吸實驗采用5%的氨水溶液.

圖1 吸附液pH值對732樹脂吸附甜菜堿性能的影響

3.2.4 動態(tài)吸附和解吸附曲線

甜菜堿標準溶液b（10.02 mg/mL）流出液體積與吸附殘液中甜菜堿濃度關(guān)系如圖3-a所示：該濃度吸附液處理15 mL甜菜堿溶液時，基本不發(fā)生泄漏；繼續(xù)上柱吸附液到20 mL后，甜菜堿開始泄露，且穿透變化迅速；吸附液達30 mL后完全穿透，不再吸附；繼續(xù)上柱吸附液會導(dǎo)致原吸附在732樹脂上的甜菜堿有少量洗脫損失.以5%的氨水溶液洗脫上述吸附飽和的732樹脂，流出液體積與洗脫液中甜菜堿的濃度關(guān)系如圖3-b所示：洗脫液到20 mL時甜菜堿已基本洗脫完全，解吸率達99%，即具有較好的解吸附效果.

圖2 氨水濃度對732樹脂甜菜堿解吸附率的影響

圖3 甜菜堿動態(tài)吸附和解吸附曲線

3.3 陰陽離子樹脂串聯(lián)方式對吸附解吸附效果的影響

分別采用單一陽離子樹脂和陰陽離子樹脂串聯(lián)的方式來研究實驗海藻樣品的吸附和解吸附性能，比較其對甜菜堿的分離效果.經(jīng)樹脂分離純化后的海藻提取物樣品的質(zhì)量與甜菜堿的含量列于表2.實驗發(fā)現(xiàn)：1）僅過陽離子柱的最終產(chǎn)物是淡黃色的固體，而過陰陽兩種離子交換樹脂的流出液，無論兩種樹脂的吸附順序如何，經(jīng)濃縮后均得到白色固體，說明提取物中的有色雜質(zhì)可能為陰離子，且可被717樹脂吸附去除；2）不同串聯(lián)方式下，最終純化提取物中甜菜堿的含量差別較大，其中717+732效果最好，其浸膏中的甜菜堿含量可達7.95%，這可能是由于吸附液中的雜質(zhì)首先被陰離子樹脂吸附后，樣品基質(zhì)變得更為簡單，干擾離子占據(jù)樹脂吸附位點的幾率大幅下降，具體機理有待于進一步研究.

表2 樹脂串聯(lián)方式對甜菜堿吸附和解吸附效果的影響

4 結(jié)論

本文考察了4種樹脂對甜菜堿的吸附、解吸附效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)離子交換樹脂比大孔吸附樹脂更適于甜菜堿的分離純化；732陽離子樹脂對甜菜堿的吸附能力較佳，其在pH=3.0的酸性條件下吸附率較高，單位吸附量為38 mg，5%的氨水對該樹脂的解吸附效果較好；陰、陽兩種離子交換樹脂柱串聯(lián)純化的效果明顯優(yōu)于僅過陽離子樹脂，且先過陰離子樹脂除雜再用陽離子樹脂的吸附、解吸附的串聯(lián)吸附法效果最佳.本文方法有望用于批量甜菜堿類似物的分離與純化，也適用于天然產(chǎn)物中在特定條件下呈離子型的化合物.