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        D-101大孔吸附樹(shù)脂吸附楮實(shí)子總黃酮的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)研究

        2021-10-26 12:55:42宗晨冉時(shí)振偉張馨潔劉占軍
        中成藥 2021年10期
        關(guān)鍵詞:去離子水大孔熱力學(xué)

        宗晨冉, 時(shí)振偉, 丁 沖, 張馨潔, 劉占軍, 李 洋*

        (1.華北理工大學(xué)藥學(xué)院,河北 唐山 063210;2.河北工業(yè)大學(xué),省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300130)

        楮實(shí)子為??浦参飿?gòu)樹(shù)Broussonetiapapyrifera(L.) Vent.的成熟果實(shí),經(jīng)洗凈、曬干后除去灰白色膜狀宿萼和雜質(zhì)獲得,被《中國(guó)藥典》收錄,用于治療肝腎不足、腰膝酸軟、虛勞骨蒸、頭暈?zāi)炕?、目生翳膜、水腫脹滿(mǎn)[1],查爾酮、黃烷醇、二氫黃酮等是其主要藥理活性成分,具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。大孔吸附樹(shù)脂是一種人工合成的有機(jī)高分子聚合物,為多孔立體結(jié)構(gòu),具有選擇性高、吸附速度快、成本低、溶劑消耗少、容易再生等顯著優(yōu)點(diǎn)[2],廣泛應(yīng)用于藥用植物活性成分的分離純化[3],但目前尚無(wú)國(guó)內(nèi)外關(guān)于其對(duì)楮實(shí)子總黃酮吸附理論方面的報(bào)道。因此,本實(shí)驗(yàn)在前期研究的基礎(chǔ)上[4],研究D-101大孔吸附樹(shù)脂吸附楮實(shí)子總黃酮的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué),以期為該成分分離純化提供理論依據(jù),也為深入研究其藥理作用機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

        1 材料

        1.1 儀器 Lambda 35型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(美國(guó)PerkinElmer公司);RV8型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(德國(guó)IKA公司);ME155DU型電子天平[梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司];P120H超聲波清洗器(德國(guó)Elma公司);ZD-85型汽浴恒溫振蕩器(常州榮華儀器制造有限公司);A-1000S水流抽氣機(jī)(上海愛(ài)朗儀器有限公司)。

        1.2 試劑與藥物 楮實(shí)子購(gòu)自安徽省亳州市,經(jīng)華北理工大學(xué)藥學(xué)院劉占軍教授鑒定為??浦参飿?gòu)樹(shù)Broussonetiapapyrifera(L.) Vent.的成熟果實(shí)。蘆丁對(duì)照品(中國(guó)食品藥品檢定研究院,純度>95%)。Seplite D-101大孔吸附樹(shù)脂(西安藍(lán)曉科技新材料股份有限公司)。無(wú)水乙醇為分析純(天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠);NaNO2為分析純(天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠);Al(NO3)3·9H2O為分析純(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所);NaOH為分析純(天津市永大化學(xué)試劑有限公司);HCl為分析純(批號(hào)20150912,質(zhì)量分?jǐn)?shù)36%~38%,北京化工廠)。

        2 方法

        2.1 總黃酮提取 楮實(shí)子按料液比1∶35加入80%乙醇,在40 ℃、59 kHz下超聲提取30 min,過(guò)濾后收集濾液,重復(fù)3次,合并濾液,濃縮濾液并回收乙醇,過(guò)濾除去濾液中不溶物,置于4 ℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

        2.2 線(xiàn)性關(guān)系考察 參考文獻(xiàn)[4-5]報(bào)道的方法,并作適當(dāng)修改。精密稱(chēng)取5.00 mg蘆丁對(duì)照品,60%乙醇溶解并定容至50 mL量瓶中,作為對(duì)照品溶液,精密量取1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 mL至25 mL量瓶中,去離子水定容至8 mL,加入1 mL 5%NaNO2溶液,搖勻后反應(yīng)6 min,再加入1 mL 10%Al(NO3)3溶液,搖勻后反應(yīng)6 min,再加入10 mL 4%NaOH溶液,去離子水定容后反應(yīng)15 min,在510 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度,以其為縱坐標(biāo)(A),蘆丁質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(X)進(jìn)行回歸,得方程為A=12.723X-0.012 1(R2=0.999 0),在0.004~0.028 mg/mL范圍內(nèi)線(xiàn)性關(guān)系良好。

        2.3 樹(shù)脂預(yù)處理 95%乙醇浸泡D-101大孔吸附樹(shù)脂4 h后,乙醇洗至流出液與去離子水按1∶3比例混合后不渾濁,去離子水洗至無(wú)醇味,3%HCl溶液浸泡3 h,去離子水洗至中性,5%NaOH溶液浸泡3 h后,去離子水洗至中性[6],測(cè)得其含水量為68.07%。

        3 結(jié)果

        3.1 吸附熱力學(xué)

        3.1.1 吸附等溫曲線(xiàn) 圖1顯示,Qe隨著Ce、溫度增加而升高,故適當(dāng)增加溫度、藥物質(zhì)量濃度利于吸附。

        圖1 D-101大孔吸附樹(shù)脂對(duì)楮實(shí)子總黃酮的吸附等溫曲線(xiàn)

        表1 Langmuir方程及參數(shù)

        表2 Freundlich方程及參數(shù)

        表3 Dubinin-Radushkevich方程及參數(shù)

        表4 Temkin-Pyzhev方程及參數(shù)

        當(dāng)Qe分別為2、4、6、8、10 mg/g時(shí),通過(guò)Freundlich等溫線(xiàn)方程可計(jì)算出3個(gè)溫度下的lnCe,相關(guān)系數(shù)分別為0.984 1、0.999 8、0.988 9、0.969 6、0.948 1,計(jì)算ΔH、ΔG、ΔS,結(jié)果見(jiàn)表5。由此可知,ΔH絕對(duì)值<40 kJ/mol,表明吸附過(guò)程為物理機(jī)制;ΔG<0,表明樹(shù)脂對(duì)總黃酮的吸附具有較強(qiáng)的推動(dòng)力,并可自發(fā)進(jìn)行[11];ΔS>0,即整個(gè)吸附體系的混亂程度增加,吸附為熵驅(qū)動(dòng)的過(guò)程。另外,整個(gè)吸附過(guò)程中同時(shí)存在總黃酮吸附、溶劑水脫附,故前者(自由度減少,為熵減過(guò)程)與后者(自由度增加,熵增過(guò)程)構(gòu)成總熵變,由于分子量的差異,每個(gè)總黃酮分子的吸附相應(yīng)會(huì)有多個(gè)水分子的解吸,故最終表現(xiàn)為熵增[12]。

        表5 D-101大孔吸附樹(shù)脂吸附楮實(shí)子總黃酮的熱力學(xué)參數(shù)

        3.2 吸附動(dòng)力學(xué) 圖2顯示,吸附在540 min后達(dá)到平衡。

        圖2 D-101大孔吸附樹(shù)脂對(duì)楮實(shí)子總黃酮的吸附動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)

        表6 各模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)

        4 討論

        當(dāng)溶液中楮實(shí)子總黃酮濃度與D-101大孔吸附樹(shù)脂界面的濃度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),表明已建立吸附平衡,在吸附過(guò)程中樹(shù)脂對(duì)總黃酮的吸附速率取決于溶液中后者質(zhì)量濃度及前者吸附容量或吸附劑特性。熱力學(xué)數(shù)據(jù)可從初始非平衡模式預(yù)測(cè)系統(tǒng)的最終狀態(tài),而動(dòng)力學(xué)分析可確定完成吸附反應(yīng)所需要時(shí)間,本實(shí)驗(yàn)采用相關(guān)系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性化和統(tǒng)計(jì)分析,以確定“最佳擬合”模型。

        4.3.1 吸附熱力學(xué) Langmuir熱力學(xué)模型中RL表示楮實(shí)子總黃酮與D-101大孔吸附樹(shù)脂的親和力,當(dāng)RL=0時(shí)為不可逆吸附,01時(shí)不利于吸附[8,13],在本實(shí)驗(yàn)溫度下D-101大孔吸附樹(shù)脂的吸附是有利的。Freundlich熱力學(xué)模型中,n代表吸附性能,0<1/n<1時(shí)為優(yōu)惠吸附,1/n=1時(shí)為不可逆吸附,1/n>1時(shí)為非優(yōu)惠吸附,本實(shí)驗(yàn)中n值均大于1,可判斷為優(yōu)惠吸附,表明樹(shù)脂對(duì)總黃酮具有良好的吸附作用[14],與RL一致。Dubinin-Radushkevich熱力學(xué)模型中Ea是用來(lái)判斷吸附類(lèi)型[8,15-16],在1~8 kJ/mol時(shí)為物理吸附,在實(shí)驗(yàn)溫度下為4 kJ/mol左右,表明它為物理吸附。Temkin-Pyzhev熱力學(xué)模型中RT/bT隨著溫度的升高而增加,為吸熱吸附[17]。

        4.3.2 吸附動(dòng)力學(xué) 準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的理論值Qe,t與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值Qe,e相差較大,表明吸附過(guò)程不符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué),而與準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合度最高,R2均大于0.99。Elovinch動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)性良好,表明吸附速率為先快后慢,與吸附動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)一致。各動(dòng)力學(xué)模型在較低溫度下相關(guān)性均較好,并且隨著溫度升高而降低。

        4.3.3 吸附控制機(jī)理 上述動(dòng)力學(xué)模型無(wú)法確定擴(kuò)散機(jī)制,故采用粒內(nèi)擴(kuò)散模型。如果發(fā)生粒內(nèi)擴(kuò)散,則Qt對(duì)t1/2的擬合曲線(xiàn)為線(xiàn)性,并且繪圖通過(guò)原點(diǎn)時(shí)速率限制過(guò)程僅為粒內(nèi)擴(kuò)散,否則除粒內(nèi)擴(kuò)散外可能還涉及其他機(jī)制。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),粒內(nèi)擴(kuò)散擬合曲線(xiàn)沒(méi)有經(jīng)過(guò)原點(diǎn),表明內(nèi)部擴(kuò)散不是唯一限速步驟[18],一般可分為3個(gè)連續(xù)步驟,即膜擴(kuò)散、粒內(nèi)擴(kuò)散、平衡階段,其中平衡階段被認(rèn)為非???,不能將其視為限速步驟。為了預(yù)測(cè)吸附過(guò)程中涉及的實(shí)際控速步驟,使用Boyd模型作進(jìn)一步分析,可用于預(yù)測(cè)吸附過(guò)程中所涉及的擴(kuò)散機(jī)制,而且其擬合曲線(xiàn)也沒(méi)有經(jīng)過(guò)原點(diǎn),即液膜擴(kuò)散與粒內(nèi)擴(kuò)散相互作用決定了D-101大孔吸附樹(shù)脂吸附楮實(shí)子總黃酮的速率[19]。

        5 結(jié)論

        Freundlich模型、Dubinin-Radushkevich模型、Temkin-Pyzhev模型均能很好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)溫度下楮實(shí)子總黃酮被D-101大孔吸附樹(shù)脂吸附的過(guò)程,R2均大于0.98,即為優(yōu)惠吸附(吸附利于進(jìn)行)和物理吸附,并且吸附熱隨覆蓋的厚度線(xiàn)性遞減。熱力學(xué)參數(shù)ΔH>0,ΔG<0,ΔS>0,表明吸附可自發(fā)進(jìn)行,為吸熱熵增過(guò)程,并且楮實(shí)子總黃酮吸附與溶劑水的解吸同時(shí)進(jìn)行。動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合度最高,R2均大于0.990 0,能很好地表述吸附過(guò)程,吸附過(guò)程為先快吸附后慢吸附,而且液膜擴(kuò)散和粒內(nèi)擴(kuò)散相互作用控制吸附速率。

        雖然本實(shí)驗(yàn)探討了楮實(shí)子總黃酮的D-101大孔吸附樹(shù)脂吸附,但其不同成分之間的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合位點(diǎn)也會(huì)對(duì)吸附產(chǎn)生一定影響。因此,仍需要進(jìn)行更多相關(guān)研究,以便準(zhǔn)確預(yù)測(cè)控制該成分吸附速率擴(kuò)散和動(dòng)力學(xué)傳遞機(jī)制,為下一步分離純化提供理論依據(jù)。

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