大孔树脂在天然产物提取分离中的应用

文章编号:1673-2103(2007)02-0081-03大孔树脂在天然产物提取分离中的应用谭胜兵(1.枣庄学院生命科学系,山东枣庄277160;2.中国海洋大学食品科学与工程学院,山东青岛266003)摘 要:综述了大孔树脂的应用原理及方法研究,并介绍了大孔树脂在天然产物不同活性成分提取分离过程中的应用概况.关键词:大孔树脂;天然产物;活性成分;提取分离中图分类号:TS202 文献标识码:A大孔树脂是一种不溶于酸、碱及各种有机溶剂的有机高分子聚合物,应用大孔树脂进行分离的技术是20世纪60年代末发展起来的继离子交换树脂后的分离新技术之一.大孔树脂的孔径与比表面积都比较大,在树脂内部具有三维空间立体孔结构,由于具有物理化学稳定性高、比表面积大、吸附容量大、选择性好、吸附速度快、解吸条件温和、再生处理方便、使用周期长、宜于构成闭路循环、节省费用等诸多优点,近年来广泛用于天然产物的提取分离工作中,得到了普遍认可和重视.1 原理及方法学研究1.1 原理吸附是指一种或多种物质分子附着在另一种物质(一般是固体)表面的过程.吸附是界面现象,是被吸附分子在界面上的浓聚.通常人们把活性炭、硅胶、吸附树脂等比表面相当大的物质称为吸附质.大孔吸附树脂为吸附性和筛选性原理相结合的分离材料,是以苯乙烯和丙烯酸酯为单体,加入二乙烯苯为交联剂,甲苯、二甲苯为致孔剂,它们相互交联聚合形成了多孔骨架结构.一般为白色的球状颗粒,直径一般在0.3~1.25m m之间,是一类不含离子交换基团的交联聚合物,它不溶于酸、碱及有机溶剂,不受无机盐类及强离子低分子化合物的影响.与以往使用的离子交换树脂分离原理不同,它本身具有的吸附性是由于范德华力或产生氢键的结果,通过它巨大的比表面进行物理吸附而工作的,使有机化合物根据吸附力及其分子量大小可以经一定溶剂洗脱而分开,达到分离、纯化、除杂、浓缩等不同目的[1].1.2 大孔吸附树脂的预处理及再生大孔树脂一般含有未聚合的单体、制孔剂、引发剂及其分解物、分散剂和防腐剂等脂溶性杂质,因而购来的树脂要除去可能存在的毒性有机残留物,应先进行预处理.一般选用甲醇、乙醇或丙酮连续洗涤数次,洗至加适量蒸馏水至中性即可[2].树脂用久了吸附的杂质就会增多,降低其吸附能力,故使用适量水洗至无白色浑浊现象,再用蒸馏水洗至无醇味即可.树脂再生所用的溶剂有乙醇、甲醇、丙酮、异丙醇及稀酸、稀碱溶液等,分为简单再生和强化再生.简单再生的方法是用不同浓度的溶剂按极性从大到小梯度洗脱,再用2~3树脂床体积(B V)的稀酸、稀碱溶液浸泡洗脱,水洗至pH 值中性即可使用.树脂经过几次简单的再生后,如果吸附性能下降较多需强化再生.强化再生的方法是先用不同浓度的有机溶剂洗脱,然后反复用大体积的稀酸、稀碱溶液交替强化洗脱,再水洗至PH值中性即可使用[3].1.3 大孔吸附树脂的型号选择[4]国内外使用的树脂种类众多,型号各异,性能差异较大.大孔吸附树脂是一类新型的非离子型高分子吸附剂,树脂通常依其极性分为非极性、弱极性、极性三类,树脂的结构一般为苯乙烯、丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯、丙烯酸或氧化氮类.树脂吸附性能的优劣是由其化学和物理结构决定的,同一型号大孔吸附树脂上的吸附能力有差异,不同树脂结构对不同物质吸附效果不同.一般大孔吸附树脂吸附符合以下规律:非极性物质在极性介质(水)内被非极性吸附剂吸附,极性物质在非极性介质中被极型吸附剂吸附,带强极性基团的吸附剂在非极性溶剂里能很好地吸附极性化合物.聚苯乙烯型树脂一般适用于非极性和弱极性的化合物如皂苷类和黄酮类;聚丙烯酸类树脂,一般带有酯基或酰氨基,对中极性和极性化合物如黄酮甾醇和酚类的吸附较好.1.4 吸附及解吸的影响因素1.4.1 树脂结构的影响大孔树脂的吸附性能主要取决于吸附剂的表面性质,即树脂的极性(功能基)和空间结构(孔径、比表面积、孔容),一般非极性化合物在水中可以为非极性树脂吸附,极性树脂则易在水中吸附极性物质.刘国庆[5]等在研究大孔树脂对大豆乳清废水中异黄酮的吸附特性时发现,由于加热、碱溶工艺81第29卷第2期Vol.29 No.2 菏泽学院学报Journal of Heze University2007年4月Apr. 2007收稿日期:2007-03-19作者简介:谭胜兵(1979-),男,山东成武县人,助教,在读硕士研究生,研究方向:食品科学.使一部分黄酮苷生成了苷元,故而非极性和弱极性大孔树脂有利于异黄酮的吸附,而且解吸容易.韩金玉[6]等研究了5种大孔树脂,发现弱极性树脂AB-8适合银杏内酯和白果内酯的分离.潘见[7]等研究了10种大孔树脂,发现极性和弱极性树脂有利于葛根异黄酮的吸附与解吸,且较高的比表面积、较大的孔径、较小的孔容有利于吸附.1.4.2 被分离的化合物结构的影响一般来说,被分离化合物的极性的强弱和分子体积大小直接影响到吸附效果.极性较强的分子一般适于在中极性的树脂上分离,极性弱的分子适于在非极性树脂上分离.欧来良[8]等研究发现葛根素的分子结构有一个极性糖基(Glu)和一个非极性黄酮母核,结构总体显示弱极性,同时又具有酚羟基结构,可以作为一个良好的氢键供体,所以弱极性且具有氢键受体结构的吸附树脂,对葛根素具有较好的分离效果.同时,由于有机物通过树脂的网孔扩散到树脂网孔内表面而被吸附,因此树脂吸附能力的大小与分子体积密切相关.如潘见[7]等发现对于分子体积较大的葛根黄酮各组分,孔径小于10nm的树脂吸附量都不高.朱浩[9]等探讨了LD605型大孔树脂纯化具有不同母核结构有效部位的特性,发现以药材计吸附能力,生物碱>黄酮>酚性成分>无机物,以指标成分计,为黄酮>生物碱>酚性成分>无机物.1.4.3 洗脱剂的影响常见的洗脱剂有甲醇、乙醇、丙酮等,在实际工作中乙醇应用较多.通常情况下洗脱剂极性越小,其洗脱能力越强,一般先用蒸馏水洗脱,再用浓度逐渐增高的乙醇、甲醇洗脱.对于有些具有酸碱性的物质还可以用不同浓度的酸、碱液结合有机溶剂进行洗脱.任海[10]等研究发现大孔树脂提取分离麻黄碱时,盐酸的洗脱效果明显优于有机溶剂,而0.02mol/L的盐酸与甲醇不同比例混合时洗脱率明显提高.朱英[11]等用大孔树脂分离油茶皂苷和黄酮时发现,体积分数20%、30%的乙醇洗脱液主要含黄酮,而体积分数40%、50%、95%的乙醇洗脱液主要含油茶皂苷.1.4.4 上样溶剂的影响通常一种成分在某种溶剂中溶解度大,则在该溶剂中,树脂对该物质的吸附能力小,反之亦然.一般而言,碱性物质在碱液中吸附,酸液中解吸;酸性物质在酸液中吸附,碱液中解吸.例如用D140树脂吸附分离银杏总黄酮时,何琦等[12]发现随着p H的增加吸附量增加,但p H达到4以后,吸附量则随pH的增加而减少,最适合的pH值为3~14.同时树脂的吸附量与上样溶液的浓度成反比,通常以较低浓度进行吸附较为有利,如果上样溶液浓度偏高,则吸附量会显著减少,萧伟祥等[13]用NKA-9树脂对绿茶浸提液中的茶多酚进行吸附分离时,随上样溶液中茶多酚浓度的增加,吸附量会降低.1.4.5 吸附温度的影响大孔树脂的吸附作用主要是由于它具有巨大的表面积,是一种物理吸附,低温不利于吸附,但在吸附过程中又会放出一定的热量,所以操作温度对其吸附也有一定的影响.潘廖明[14]等对LSA8型树脂进行吸附动力学及热力学特性的研究,得到该树脂在不同温度下对大豆异黄酮的吸附等温线,分析知该树脂在35 时对大豆异黄酮具有较好的吸附效果.1.4.6 其它影响因素提取液在上柱之前一般要经过预处理,预处理不好则会使大孔树脂吸附的杂质过多,从而降低其对有效成分的吸附.洗脱液的流速、树脂的粒径、树脂柱的高度也会产生一些影响,通常较高的洗脱液流速、较小的树脂粒径和较低的树脂高度有利于增大吸附速度,但同时也使单柱的吸附量有所降低.玻璃柱的粗细也会影响分离效果,当柱子太细,洗脱时,树脂易结块,壁上易产生气泡,流速会逐渐降为零.1.5 有机溶剂残留的控制大孔树脂技术虽然被广泛应用,但大孔树脂有机溶剂残留物的安全问题存在很多争论,因此国家药监局对大孔树脂的应用已初步制订了相应的质量标准及规范技术文件,规定对大孔树脂可能带来的有机溶剂残留物进行检测,对其残留量加以控制.袁海龙[15]等采用毛细管气相色谱法,配以顶空进样对D-101大孔树脂可能带来的7种残留物进行测定,取得了很好的效果.陆宇照[16]等的研究也表明以醇处理及酸碱处理好的D-101型大孔树脂提取中药是安全可靠的.2 大孔吸附树脂在天然产物活性成分研究中的应用2.1 黄酮(甙)类黄酮类化合物存在于许多植物中,品种结构繁多,最有代表性的是银杏叶提取物(GBE).银杏叶提取物药效确切,已成为世界上著名的单味药物.国外用溶剂萃取法提取[17],工艺步骤较长,溶剂消耗量大,其质量标准是黄酮甙含量24%,萜内酯含量6%[18].陈冲等[19]应用大孔树脂提取GBE,既达到其质量标准,又降低了成本.他们将银杏叶用体积分数65%的乙醇回流提取,减压浓缩,加ZTC澄清剂水沉降后,再将水沉降液上大孔树脂柱,用p H=3的盐酸溶液洗涤13倍量,p H=3的体积分数25%的乙醇洗涤7.5倍量,然后用体积分数70%的乙醇洗脱,减压浓缩,喷雾干燥得到淡黄色的银杏叶提取物,其黄酮含量稳定在26%以上,内酯含量稳定在6%以上.史作清等[20]又研制出ADS-17、ADS-21、ADS-F8等大孔树脂,使GBE的生产具有更大的灵活性,其中ADS-17对黄酮类化合物具有很好的选择性,可得到黄酮甙含量较高的GBE.应用大孔树脂提取其它植物总黄酮也多有报道.2.2 皂甙类和其它甙类在苷类物质的提取物中,往往伴随着诸如糖类等亲水性较强的植物成分,给苷类成分的分离纯化增加了难度.近年来,大孔树脂在此类成分的分离纯化中得到了广泛应用.刘中秋等[21]研究了用大孔树脂富集纯化毛冬青总皂甙的工艺条件及参数,他们取毛冬青样品液47mL(6.43g/mL)上大孔树脂柱,用蒸馏水100mL,体积分数50%的乙醇100mL依次洗脱,毛冬青总皂甙富集于体积分数50%的乙醇洗脱液中,822007年 菏泽学院学报 第2期且除杂质能力强,洗脱率达95%,体积分数50%的乙醇洗脱液干燥后,总固物中毛冬青总皂甙纯度可达57.5%.大孔树脂提取其它甙类也时有报道,例如从甜叶菊干中提取甜味菊苷[22]、从刺人参叶中提取刺人参苷[23],从丝瓜中提取丝瓜皂苷[24]等.2.3 生物碱类生物碱又名有机碱,广泛分布于多种植物中,绝大多数具有显著生理活性.生物碱的分离可用阳离子交换树脂,但洗脱时需用酸、碱或盐类洗脱剂,这将会给后面的分离造成麻烦,而吸附树脂可避免引入外来杂质的问题.张红等[25]考察了7种大孔树脂发现,AB-8吸附及解吸效果较好,是一种较适宜的吸附剂,并对其工艺进行考察,结果27 、1mol/L 盐离子浓度、p H8的水相为最佳上样条件,洗脱剂为pH3的氯仿与乙醇(体积比为1!1)混合溶剂.秦学功、元英进[26]应用DF01型树脂能直接从苦豆籽浸取液中吸附分离生物碱,在室温、吸附液pH为10,NaCl浓度为1.0mol/L,吸附流速为5BV/h条件下,对总生物碱的吸附量可达到17mg/mL以上.在室温、2.5B V/h的解吸流速下,以p H为3,体积比为80!20的乙醇:水为解吸液,可使解吸率达到96%以上.2.4 其它活性成分黄园等[27]用明胶沉淀法、醇调pH值法、聚酰胺法以及大孔吸附树脂法对大黄提取液中总蒽醌进行纯化,研究表明4种纯化方法所得纯化液的固体物收率明显降低,而对总蒽醌的保留率具有显著的差异,以Resin∀、#两种大孔吸附树脂最高,保留率分别为93.21%和95.63%.叶毓琼、黄荣[28]对绞股兰水煎液中的微量元素铁、铜、锰、锌的6种形态(悬浮态、可溶态、稳定态、不稳定态、有机态、无机态)进行形态分析时,应用Amberli teXAD-2大孔吸附树脂分离有机态和无机态,发现溶液p H4.5时回收率较理想,无机淋洗剂为体积分数1%的硝酸,有机淋洗剂应用乙醇-甲醇26mol/L氨水体系.综上,大孔树脂在天然产物提取分离上的应用日益增多,其优点在于树脂在提取黄酮类、生物碱类、苷类等天然活性成分时,条件温和,设备简单,操作方便,同时可避免有机溶剂带来的环保、成本昂贵等问题,以及可以避免由于加热、化学处理过程而造成的生物活性降低.参考文献:[1] 王冬梅.大孔吸附树脂在药用植物有效成分分离中的应用[J].西北林学院学报,2002,17(1):60.[2] 中国医学科学院药物研究所植化室.大孔吸附树脂在中草药化学成分提取分离中的一些应用[J].中草药,1980,11(3):138.[3] 李文亮,韩继福.S-8大孔吸附树脂对大豆异黄酮吸附饱和度的研究[J].中国油脂,2003,28(5):71.[4] 顾觉奋.大网格聚合物吸附剂及其在抗生素分离、提纯、精制上的应用[J].南京药学院学报,1980,15(2):80.[5] 刘国庆,朱翠萍,王占生.大孔树脂对大豆乳清废水中异黄酮的吸附特性研究[J].离子交换与吸附,2003,19(3):229.[6] 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