D-101大孔吸附樹脂吸附楮實子總黃酮的熱力學(xué)、動力學(xué)研究

宗晨冉， 時振偉， 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家重點實驗室，天津 300130)

楮實子為桑科植物構(gòu)樹Broussonetiapapyrifera(L.) Vent.的成熟果實，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[1]，查爾酮、黃烷醇、二氫黃酮等是其主要藥理活性成分，具有廣闊的開發(fā)前景。大孔吸附樹脂是一種人工合成的有機高分子聚合物，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[2]，廣泛應(yīng)用于藥用植物活性成分的分離純化[3]，但目前尚無國內(nèi)外關(guān)于其對楮實子總黃酮吸附理論方面的報道。因此，本實驗在前期研究的基礎(chǔ)上[4]，研究D-101大孔吸附樹脂吸附楮實子總黃酮的熱力學(xué)、動力學(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制奠定基礎(chǔ)。

1 材料

1.1 儀器 Lambda 35型紫外可見分光光度計(美國PerkinElmer公司)；RV8型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(德國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(上海愛朗儀器有限公司)。

1.2 試劑與藥物 楮實子購自安徽省亳州市，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Broussonetiapapyrifera(L.) Vent.的成熟果實。蘆丁對照品(中國食品藥品檢定研究院，純度>95%)。Seplite D-101大孔吸附樹脂(西安藍曉科技新材料股份有限公司)。無水乙醇為分析純(天津市津東天正精細化學(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20150912，質(zhì)量分數(shù)36%～38%，北京化工廠)。

2 方法

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

2.2 線性關(guān)系考察 參考文獻[4-5]報道的方法，并作適當(dāng)修改。精密稱取5.00 mg蘆丁對照品，60%乙醇溶解并定容至50 mL量瓶中，作為對照品溶液，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波長處測定吸光度，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)線性關(guān)系良好。

2.3 樹脂預(yù)處理 95%乙醇浸泡D-101大孔吸附樹脂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 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大孔吸附樹脂對楮實子總黃酮的吸附等溫曲線

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，通過Freundlich等溫線方程可計算出3個溫度下的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，計算ΔH、ΔG、ΔS，結(jié)果見表5。由此可知，ΔH絕對值<40 kJ/mol，表明吸附過程為物理機制；ΔG<0，表明樹脂對總黃酮的吸附具有較強的推動力，并可自發(fā)進行[11]；ΔS>0，即整個吸附體系的混亂程度增加，吸附為熵驅(qū)動的過程。另外，整個吸附過程中同時存在總黃酮吸附、溶劑水脫附，故前者(自由度減少，為熵減過程)與后者(自由度增加，熵增過程)構(gòu)成總熵變，由于分子量的差異，每個總黃酮分子的吸附相應(yīng)會有多個水分子的解吸，故最終表現(xiàn)為熵增[12]。

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

3.2 吸附動力學(xué) 圖2顯示，吸附在540 min后達到平衡。

圖2 D-101大孔吸附樹脂對楮實子總黃酮的吸附動力學(xué)曲線

表6 各模型動力學(xué)參數(shù)

4 討論

當(dāng)溶液中楮實子總黃酮濃度與D-101大孔吸附樹脂界面的濃度達到動態(tài)平衡時，表明已建立吸附平衡，在吸附過程中樹脂對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)測系統(tǒng)的最終狀態(tài)，而動力學(xué)分析可確定完成吸附反應(yīng)所需要時間，本實驗采用相關(guān)系數(shù)對數(shù)據(jù)進行線性化和統(tǒng)計分析，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表示楮實子總黃酮與D-101大孔吸附樹脂的親和力，當(dāng)RL=0時為不可逆吸附，01時不利于吸附[8,13]，在本實驗溫度下D-101大孔吸附樹脂的吸附是有利的。Freundlich熱力學(xué)模型中，n代表吸附性能，0<1/n<1時為優(yōu)惠吸附，1/n=1時為不可逆吸附，1/n>1時為非優(yōu)惠吸附，本實驗中n值均大于1，可判斷為優(yōu)惠吸附，表明樹脂對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是用來判斷吸附類型[8,15-16]，在1～8 kJ/mol時為物理吸附，在實驗溫度下為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 吸附動力學(xué) 準(zhǔn)一級動力學(xué)模型的理論值Qe,t與實驗測定值Qe,e相差較大，表明吸附過程不符合準(zhǔn)一級動力學(xué)，而與準(zhǔn)二級動力學(xué)模型擬合度最高，R2均大于0.99。Elovinch動力學(xué)模型的相關(guān)性良好，表明吸附速率為先快后慢，與吸附動力學(xué)曲線一致。各動力學(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 吸附控制機理 上述動力學(xué)模型無法確定擴散機制，故采用粒內(nèi)擴散模型。如果發(fā)生粒內(nèi)擴散，則Qt對t1/2的擬合曲線為線性，并且繪圖通過原點時速率限制過程僅為粒內(nèi)擴散，否則除粒內(nèi)擴散外可能還涉及其他機制。本實驗發(fā)現(xiàn)，粒內(nèi)擴散擬合曲線沒有經(jīng)過原點，表明內(nèi)部擴散不是唯一限速步驟[18]，一般可分為3個連續(xù)步驟，即膜擴散、粒內(nèi)擴散、平衡階段，其中平衡階段被認為非?？欤荒軐⑵湟暈橄匏俨襟E。為了預(yù)測吸附過程中涉及的實際控速步驟，使用Boyd模型作進一步分析，可用于預(yù)測吸附過程中所涉及的擴散機制，而且其擬合曲線也沒有經(jīng)過原點，即液膜擴散與粒內(nèi)擴散相互作用決定了D-101大孔吸附樹脂吸附楮實子總黃酮的速率[19]。

5 結(jié)論

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

雖然本實驗探討了楮實子總黃酮的D-101大孔吸附樹脂吸附，但其不同成分之間的競爭結(jié)合位點也會對吸附產(chǎn)生一定影響。因此，仍需要進行更多相關(guān)研究，以便準(zhǔn)確預(yù)測控制該成分吸附速率擴散和動力學(xué)傳遞機制，為下一步分離純化提供理論依據(jù)。