AB-8大孔吸附树脂吸附知母皂苷动力学分析

作者：李庆国， 张延敏， 李卫民， 胡家敏， 郭秋平

【摘要】 【目的】考察AB-8大孔吸附树脂对知母溶液中皂苷吸附的动力学过程。【方法】通过静态吸附、单次动态吸附和串联动态吸附实验，采用紫外分光光度法测定知母皂苷的含量，绘制静态吸附曲线和动态吸附曲线。【结果】静态吸附实验中，Lagergren方程参数Kad=0.018 6，r=0.998 6，Dumwals-Wagner方程参数K=0.008 1，r=0.995 8。动态吸附过程存在泄露现象，穿透点在600mL（0.1g/mL）。【结论】AB-8大孔吸附树脂对知母皂苷的吸附机理是前期以液膜扩散为主，后期以颗粒内扩散为主。动态吸附的泄露问题可通过串联吸附柱加以解决，此方法可以作为中试模型。
【关键词】 AB-8大孔吸附树脂； 知母/化学； 皂苷/分析； 吸附动力学； 分光光度法，紫外线

　　知母为百合科植物知母Anemarrhena asphodeloides Bge.的干燥根茎，具有“除邪气、下水、补不足，益气”的功效［1-2］。现代研究表明，知母具有抗病原微生物、抗血小板聚集、降血糖、抗炎、抗衰老、降低转氨酶等多种活性［3-4］。知母中总皂苷含量为9.0%~9.5%。但是，知母皂苷的提取分离和检测难度较大，现今在工业上还没有实现大规模的生产［5］。研究发现AB-8 树脂对皂苷有特殊的选择性，适合从水溶液中提取皂苷和某些有机物质［6］。本实验选用AB-8大孔吸附树脂，考察其对知母皂苷的吸附动力学特性，为实现大规模的知母皂苷生产提供理论依据。现报道如下。
　　1 材料与方法
　　1.1 仪器 UV-2100型紫外分光光度计（尤尼柯上海仪器有限公司）；Supelclean LC-18柱（3mL Tubes）；DKZ-1型电热恒温振荡水槽（上海精宏实验设备有限公司），BSZ-160F型电脑自动部分收集器（上海精科实业有限公司）。
　　1.2 试剂 0.1g/mL知母提取液（自备）；AB-8型大孔吸附树脂（南开大学化工厂）；知母皂苷A3对照品（中国固体制剂制造技术国家工程研究中心，批号为1353-050814）；香草醛、冰醋酸、高氯酸、甲醇（分析纯）。
　　1.3 静态吸附实验 准确称取预处理好的AB-8大孔吸附树脂4.0g（抽滤至干），装入具塞磨口三角瓶中，精密加入0.1g/mL知母醇提液60 mL（知母醇提液是用体积分数70%乙醇提取知母后，将药液回收乙醇并浓缩至每毫升含0.1g药材的水溶液）；置电热恒温振荡水槽中，在25℃、120r/min条件下振荡，定时取样；取样时间分别为0、5、10、15、20、30、60、90、120、180min……直至吸附平衡。
　　1.4 动态吸附实验 准确称取AB-8大孔吸附树脂10g（抽滤至干），湿法装柱；小柱直径6mm，上样800mL知母提取液，流速为1mL/min，分段收集流出液，每5min收集1次样品。
　　1.5 动态串联组合吸附实验 第1步：分别准确称取AB-8大孔吸附树脂10g（抽滤至干）3份，湿法装柱，小柱直径6mm，分别为柱1、柱2、柱3；柱1上样800mL知母提取液，流速为1mL/min，分段收集流出液，每5min收集1次样品，绘出线1。
　　
　　第2步：柱1流出来的800mL液体，前150mL由于浓度较低，丢弃；后650mL上柱2，流速1mL/min，每5min收集1次样品，绘出线2。待吸附完全后，用400mL知母提取原液继续上柱2，流速为1mL/min，每5min收集1次样品，绘出线3。
　　
　　第3步：在柱2先上样的650mL的流出液丢弃；后上样的400mL流出液上柱3，控制流速为1mL/min，每5min收集1次样品，绘出线4。继续上知母提取原液400mL进行吸附，直到饱和。
　　1.6 分析方法［7-8］ 精密移取0.5mL样品过Supelclean LC-18（3mL）小柱，滤过，滤液弃去，再用适量蒸馏水洗脱小柱，弃去蒸馏水洗脱液，然后分别用体积分数为30％甲醇2mL、4mL洗脱；收集甲醇洗脱液，置带塞试管中，挥干后，加50g/L香草醛—冰醋酸0.2mL，高氯酸0.8mL摇匀，70℃水浴15min，取出，冰浴5min后，加入5mL冰醋酸，摇匀，即得。于545nm波长处测定吸光度，设空白对照。
　　
　　标准曲线的绘制：精密称取知母皂苷A3 2.9mg置25mL容量瓶中，用甲醇溶解并稀释至刻度，摇匀，分别精密移取对照品溶液0.5、1、2、3、4、5mL置带塞试管中，挥干后，按香草醛—高氯酸显色法在545nm处测定吸光度。以吸光度为横坐标，知母皂苷A3质量为纵坐标，线性回归，绘制标准曲线。经计算得回归方程，Y=0.747 7X－0.103 6，R=0.999 9，知母皂苷A3在0.058~0.58mg范围内具有良好的线性关系。
　　2 结果
　　2.1 静态吸附实验 结果见图1。
　　
　　由吸附量w随时间t变化曲线可知：初始阶段上升曲线很陡，吸附速率很大。0～60min为快速吸附阶段，60～240min为未饱和吸附阶段，240min后为饱和吸附阶段。静态吸附速率可以用以下两个公式表示：
　　
　　（1） Lagergren一级速率方程推导出液膜扩散参数：lg（1 -F） = -Kadt /2.303
　　
　　式中F=wt/we代表t时刻的吸附分数，Kad为吸附速率常数（min-1） ，we 和wt 分别为吸附平衡和t时刻的吸附量。
　　
　　（2） Dumwals-Wagner二级速率方程推导出颗粒内扩散参数：lg（1-F2 ） =-Kt/ 2.303
　　
　　式中F= wt/we代表t时刻的吸附分数， K为颗粒内扩散速率常数（min- 1） 。液膜扩散方程和颗粒内扩散方程的动力学参数见表1。 　　综合图1和表1数据分析，前60min的颗粒内扩散模型相关系数小于0.99，而其液膜扩散模型拟合曲线的相关系数大于0.99，表明这个阶段主要控制吸附速率的因素是液膜扩散 。60～240min阶段，颗粒内扩散模型拟合曲线相关系数大于0.99，液膜扩散模型相关系数小于0.99，表明这个阶段主要控制吸附速率的因素是颗粒内扩散，但由于图中直线没有经过原点，表明颗粒内扩散不是唯一控制的因素。
　　表1 AB-8吸附树脂对知母皂苷的吸附动力学参数（略）
　　Table 1 Kinetic parameter of AB-8
　　2.2 动态吸附实验 图2是泄漏率［p泄漏=c/cc（流出液浓度/原液浓度）］与动态吸附时间的关系图。从曲线可以看出，吸附从一开始就有泄漏，但前300min的泄漏量比较小，特别是前150min的泄漏更小，表明此阶段树脂对知母皂苷的吸附能力非常强。600min为吸附穿透点，600min以后流出液浓度增加迅速，800min左右达到吸附平衡。600min时，吸附量为600mL原液（0.1g/mL），单位树脂吸附量为60mL（0.1g/mL）。
　　2.3 串联动态吸附穿透曲线 根据图3曲线可以看出，柱1吸附的穿透点在600mL，饱和吸附原液800mL；柱2吸附柱1的漏出液后，再吸附400mL原液；柱3吸附柱2的漏出液后，再吸附原液400mL。柱3的漏出液被再生的柱1继续吸附，由3根树脂柱组成一个串联系统，如此循环操作。每根柱至少吸附原液400mL（0.1g/mL），单位树脂吸附量为40mL（0.1g/mL）。
　　图1 AB-8静态吸附曲线（略）
　　Figure 1 Static absorption curve of AB-8
　　图2 动态吸附穿透曲线（略）
　　Figure 2 Breakthrough curve of dynamic　absorption
　　图3 串联动态吸附穿透曲线（略）
　　Figure 3 Breakthrough curve of dynamic absorption in series
　　3 讨论
　　
　　通过静态和动态吸附实验发现，AB-8大孔吸附树脂对知母皂苷具有很好的吸附效果。吸附机理上，吸附初期以液膜扩散为主，吸附后期以颗粒内扩散为主。由于提取液为混合物，除了有知母皂苷吸附外，还有其他成分吸附，吸附曲线不过原点。中药吸附的动力学过程具有复杂性，还需要进一步深入探讨。
　　
　　理论动态吸附模型是对称的S型曲线，实际动态吸附曲线不呈S 型曲线，且存在漏液现象。通过吸附柱的串联可以解决吸附漏液现象，提高吸附率。串联吸附模型可以作为中试放大的参考模型。
【参考文献】
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