Fe3O4-PSF磁性復合超濾膜分離麥冬多糖

謝慧明，李 超，潘 見，張仕發，伍志剛，朱瑩瑩

(合肥工業大學 農產品生物化工教育部工程研究中心，安徽 合肥 230009)

Fe3O4-PSF磁性復合超濾膜分離麥冬多糖

謝慧明，李 超，潘 見，張仕發，伍志剛，朱瑩瑩

(合肥工業大學 農產品生物化工教育部工程研究中心，安徽 合肥 230009)

以原位生成法制得Fe3O4-PSF(聚砜)磁性復合超濾膜。改變磁場強度和壓力，以截留率為考察指標，確定膜截留分子質量為30000D和10000D時對應的值分別為0.1T、0.4MPa和0.8T、0.5MPa。對麥冬多糖提取液(含量為91.68%)進行連續性分離，并對分離后樣品進行測定，GPC軟件分析A、C、D 3樣品結果：A樣品Mw為32610D，分子質量30000D以上的麥冬多糖的含量85.6%；C樣品Mw為24069，分子質量10000～30000D的麥冬多糖的含量達87.6%；D樣品Mw為8664，分子質量1000～10000D的麥冬多糖含量達88.7%。

Fe3O4-PSF磁性復合超濾膜；麥冬多糖；連續性分離；超濾；高效凝膠液相色譜

麥冬多糖是從傳統中藥百合科植物麥冬中提取的一種活性多糖，藥理作用主要集中在免疫活性、抗心肌缺血、降血糖、耐缺氧和抗過敏等方面[1]，麥冬多糖的分子質量范圍分布很廣，不同分子質量大小和分子質量范圍的麥冬多糖所具有的藥理作用不同[2-4]，例如，分子質量10000D以下的麥冬多糖可保護心肌細胞，同時有抑制心肌缺血造成的自由基生成增加和清除氧自由基的作用。因此，將麥冬多糖按分子質量大小分級分離，從麥冬提取液中得到不同分子質量范圍的麥冬多糖，可以使其發揮自己本身的功效，提高麥冬多糖的經濟價值。

超濾技術已廣泛應用于食品、中藥多糖分離等方面[3]。目前，在超濾膜的性能改進方面已做了大量的研究，其中合肥工業大學農產品生物化工教育部工程研究中心開發的Fe3O4-PSF磁性超濾膜[5]引起了人們廣泛的興趣，本實驗擬采用自制的Fe3O4-PSF磁性復合超濾膜對麥冬多糖實現按分子質量大小連續性分離，并用高效凝膠液相色譜對分離結果進行測定。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

FeCl2·4H2O(AR) 上海山海工學團實驗二廠；系列標準右旋糖酐對照品(Mw分別為5000、10000、20000、30000、40000D) 上海迅騰化學有限公司西南分公司；疊氮化鈉、無水乙醇、氫氧化鈉(均為分析純)。

多功能膜分離設備、超濾系統 自制；UV1600紫外-可見分光光度計 北京瑞利分析儀器公司；1100型高效液相色譜儀、Shodex OHPak SB-803HQ凝膠色譜柱Agilent公司；聚砜(PSF)超濾膜(MW為40000D) 安得膜分離技術工程(北京)有限公司。

1.2 麥冬多糖提取液的制備

具體流程：麥冬粉碎，并用80%乙醇60℃回流提取6h，殘渣烘干；將殘渣用水提法提取，條件為料液比1:10(g/mL)、浸泡時間150min、提取溫度90℃、提取180min；濃縮并過3層紗布，除去不溶性顆粒雜質，濃縮液用無水乙醇、丙酮、乙醚依次洗滌，除去蛋白和醇溶性雜質[6]。得麥冬多糖提取液。

1.3 Fe3O4-PSF磁性超濾膜的制備

采用原位生成法制備磁性復合膜[5]：以聚砜超濾膜(截留分子質量為40000D)為基體膜，將基體膜在無水乙醇溶液中浸潤10min后置于自制的超濾膜制備裝置中，反應器由聚砜超濾膜分隔為兩部分，在膜兩側的容器中分別加入0.2mol/L的FeCl2乙醇溶液和2mol/L的NaOH水溶液(圖1)。反應時，Fe2+和OH－沿聚砜超濾膜孔道相向擴散，在膜孔中反應生成Fe3O4磁性粒子，45min后停止反應，將復合膜取出，經洗滌、浸泡、干燥后即得Fe3O4-PSF磁性復合超濾膜，保存備用。

圖1 Fe3O4-PSF磁性復合超濾膜的制備Fig.1 Schematic diagram for the reaction device used in this study for preparing Fe3O4-PSF magnetic composite ultrafiltration membrane

1.4 磁性復合膜截留分子質量的測定

由于生產的超濾膜總是有一個孔徑分布，而且這個分布還相當寬，因此對任何標準分子質量基準物質的截留率都不可能達到100%，所以定義截留率為90%時能被膜截留的基準物質的分子質量為膜的截留分子質量[7]。本實驗選擇右旋糖酐作為基準物質，分子質量分別為5000、10000、20000、30000、40000D。

用自制的超濾膜對糖酐水溶液進行錯流過濾，操作溫度為25℃，壓力0.15MPa。待流量穩定后，分別收集20mL的原液和濾液，采用紫外分光光度計在波長195nm處測定溶液的吸光度，然后據式(1)計算截留率[6]。

式中：R為截留率；C透為透過液濃度/(mol/L)；C原為原料液濃度/(mol/L)。

根據朗伯-比爾定律A=abc(A為吸光度；a為摩爾吸光系數；b為液層厚度；c為溶液濃度)，所以根據吸光度即可計算截留率，由此確定超濾膜的截留分子質量。

1.5 對應截留分子質量的壓力、磁場強度值的確定

用超濾膜對右旋糖酐標準品(重均分子質量Mw分別為10000、30000D)水溶液進行錯流過濾，改變壓力大小和磁場強度兩個因素，待流量穩定后，分別收集20mL原液和濾液，測定溶液的吸光度。然后據式(1)計算截留率。以對兩個標準品的截留率為考察指標，確定膜截留分子質量在10000、30000D時對應的壓力大小和磁場強度。

1.6 麥冬多糖的超濾分離

取按1.2節制備的麥冬多糖提取液1200mL，在25℃條件下，用磁性復合膜，改變壓力、磁場強度將膜截留分子質量調至3 0 0 0 0 D，待穩定后進行反復超濾30min，分別截得截留液A和透過液B。將透過液B在同樣的條件下，改變壓力和磁場強度將膜截留分子質量調至10000D，待穩定后進行反復超濾30min。分別截得截留液C和透過液D。將截留液A、截留液C和透過液D進行減壓濃縮，冷凍干燥，得3種分子質量分布范圍的麥冬多糖產品。

1.7 分離后麥冬多糖分子質量的測定

1.7.1 標準曲線

色譜條件：色譜柱為Shodex OHPak SB-803HQ；流動相為質量分數0.71%硫酸鈉溶液(內含質量分數0.02%疊氮鈉)；柱溫35℃；流速0.5mL/min。

對照品溶液的制備[8-10]：取右旋糖酐標準品(重均分子質量Mw分別為5000、10000、20000、30000、40000D)適量，加流動相制成每1mL中約含10mg的溶液，振搖，室溫放置過夜，作為供試品溶液，取系列對照品溶液分別進樣，記錄洗脫峰的保留時間，由GPC專用軟件繪制標準曲線[11-13]，以標準分子質量的對數值為縱坐標，以相應色譜峰的保留時間為橫坐標進行線性回歸，得標準曲線。

1.7.2 樣品的測定

樣品溶液的制備：取麥冬多糖適量，加流動相制成每1mL中約含10mg的溶液，振搖，室溫放置過夜，作為供試樣品溶液。進樣，記錄色譜圖，根據供試品的保留時間，采用GPC專用軟件計算樣品各組分的重均

分子質量及其分子質量分布[14-16]。

2 結果與分析

2.1 麥冬多糖提取液的結果

苯酚-硫酸比色法[2]測定麥冬多糖提取液的浸膏中麥冬多糖的含量達91.68%。

2.2 Fe3O4-PSF磁性超濾膜的表征

按照參考文獻[5]進行表征，按照1.4節對膜的截留分子質量進行測定，得出磁性復合膜的截留分子質量約為33000D。

2.3 對應截留分子質量的壓力和磁場強度值的確定

2.3.1 膜截留分子質量為30000D對應壓力和磁場強度的確定

2.3.1.1 壓力對截留率的影響

采用單因素試驗，選取磁場強度為0.1T，超濾壓力分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6MPa，考察磁性復合膜截留率的變化情況，結果如圖2所示。當壓力達到0.6MPa時，自制的的磁性復合膜出現破裂的現象。由圖2可知，在0.1T條件下，隨著壓力的增加，截留率呈上升趨勢，且在0.4MPa和0.5MPa條件下，膜的截留率為90.1%和91.2%，考慮到二者變化不是很大和磁性復合膜的耐壓能力，故選取0.4MPa為膜截留分子質量30000D時的超濾壓力。

圖2 壓力對截留率的影響Fig.2 Effect of ultrafiltration pressure on retention rate

2.3.1.2 磁場強度對截留率的影響

圖3 磁場強度對截留率的影響Fig.3 Effect of magnetic intensity on retention rate

選擇超濾壓力為0.4MPa，在0～1.0T范圍內改變磁場強度，考察磁性復合超濾膜截留率的變化，結果如圖3所示。由圖3可知，在0.4MPa條件下，由于膜孔徑隨著磁場的增大而減小[7]，使其對30000D的基準物質的截留率逐漸增大，當磁場強度在0.1T時，截留率已經達到89.8%，所以選擇0.1T為膜截留分子質量30000D時的磁場強度。

2.3.2 膜截留分子質量為10000D的壓力、磁場強度的確定

2.3.2.1 壓力對截留率的影響

采用單因素試驗，選取磁場強度為0.7T，超濾壓力分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5MPa，考察磁性復合膜截留率的變化情況，結果如圖2所示。由圖2可知，在0.7T條件下，隨著壓力的增加，截留率呈上升趨勢，且0.5MPa條件下，膜的截留率超過90%，故選取0.5MPa為膜截留分子質量10000D時的超濾壓力。

2.3.2.2 磁場強度對截留率的影響

選擇超濾壓力為0.5MPa，在0～1.0T范圍內改變磁場強度，考察磁性復合超濾膜截留率的變化，結果如圖3所示。由圖3可知：在0.5MPa條件下，隨著磁場強度的增加，膜的截留率不斷上升，當磁場強度增加到0.7T以后，上升幅度趨于平緩，且當在0.8T時為90.4%，所以選擇0.8T為膜截留分子質量10000D時的磁場強度。

2.3.3 0.4MPa、0.1T和0.5MPa、0.8T條件下膜孔徑的測定

圖4 在0.4MPa、0.1T條件下的膜截留分子質量測定Fig.4 Determination of membrane MWCO under the conditions of 0.4 MPa and 0.1 T

圖5 在0.5MPa、0.8T條件下的膜截留分子質量測定Fig.5 Determination of membrane MWCO under the conditions of 0.5 MPa and 0.8 T

按照1.4節，分別在0.4MPa、0.1T和0.5MPa、0.8T條件下，對膜的截留分子質量進行測定結果如圖4、5所示。

以截留率達到90%對應的分子質量定義為膜的截留分子質量。由圖4可以看出，磁性復合膜的截留分子質量約為30000D，即膜截留分子質量為30000D時對應的壓力和磁場強度分別為0.4MPa和0.1T。

同理，由圖5可以看出，在0.5MPa、0.8T條件下，磁性復合膜的截留分子質量約為10000D，即膜截留分子質量為10000D時對應的壓力和磁場強度分別約為0.5MPa和0.8T。

2.4 麥冬多糖的超濾分離結果

按1.6節操作，將壓力和磁場強度調至0.4MPa、0.1T，對將1200mL(浸膏40g)原料液進行超濾分離后，得截留液A(浸膏14.12g)和透過液B(浸膏24.73g)，將壓力和磁場強度調至0.5MPa、0.8T，對B進行超濾分離后，得截留液C(浸膏5.50g)和透過液D(浸膏17.34g)。

2.5 分離產物分子質量的測定

2.5.1 標準曲線

以標準品的Mw的對數值為縱坐標，保留時間tR為橫坐標，用GPC軟件得到標準回歸曲線：lg(Mw)= 6.9761－0.15tR，R=0.998。

2.5.2 樣品的測定

采用高效凝膠色譜法測定超濾實驗所得3種分離產物A、C和D的重均分子質量和分子質量累積分布曲線圖。

表1 A、C、D 3樣品的重均分子質量、數均分子質量和分布寬度測定結果Table1 Determination of Mw, Mn and Mw/Mn of three separated fractions

圖6 各樣品的分子質量累積分布曲線Fig.6 Cumulative weight distribution curve of fraction A, C and D

圖6 顯示：A樣品中，重均分子質量平均值為32610D，分子質量分布寬度為1.52左右，從分子質量累積分布曲線可以得到，曲線與重均分子質量對數值在4.5～5下包含的面積(陰影部分)為85.6%，因此分子質量在30000～100000D之間的麥冬多糖的含量達85.6%。

C樣品中，重均分子質量平均值為24069D，分子質量分布寬度為1.48，從分子質量累積分布曲線可以得到，重均分子質量對數值在4～4.5包含的面積(陰影部分)為87.2%，因此分子質量在10000～30000D之間的麥冬多糖的含量達到87.2%。

D樣品中，重均分子質量平均值為8664D，分子質量分布寬度在1.42，重均分子質量對數值在3～4包含的面積(陰影部分)為88.7%，分子質量在1000～10000D之間的麥冬多糖含量達88.7%。

綜上所述，應用一張磁性超濾膜，通過改變壓力大小和磁場強度，可以較好的實現對麥冬多糖提取液按分子質量大小進行連續性分離。

3 結 論

以原位生成法制得磁性復合膜，對麥冬多糖進行超濾分離。以截留率為指標，通過改變磁場強度和超濾壓力，確定了膜截留分子質量為30000D時對應的磁場強度為0.1T、超濾壓力為0.4MPa；膜截留分子質量為10000D時對應的磁場強度為0.8T、超濾壓力為0.5MPa。

對中藥麥冬多糖溶液(純度為91.68%)進行連續性分離，得到3種分離產物A、C和D。

采用高效凝膠色譜對樣品進行測定，GPC分析結果得：A樣品中，重均分子質量為32610D，分子質量在30000D以上的麥冬多糖的含量達85.6%；C樣品中，重均分子質量為24069，分子質量在10000～30000D之間的麥冬多糖的含量達87.6%；D樣品中，重均分子質量8664D，分子質量在1000～10000D之間的麥冬多糖含量達88.7%。

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Using Fe3O4-PSF Magnetic Composite Ultrafiltration Membrane for the Separation of Ophiopogon japonicus Polysaccharides

XIE Hui-ming，LI Chao，PAN Jian，ZHANG Shi-fa，WU Zhi-gang，ZHU Ying-ying
(Engineering Research Center of Bio-process, Ministry of Education, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

A Fe3O4-PSF magnetic composite ultrafiltration membrane with a molecular weight cutoff (MWCO) of 33000 D was obtained by in-situ generation method. The effects of magnetic intensity and ultrafiltration pressure on retention rate were dealt with under MWCOs of 30000 and 10000 D, and it was found that the optimal magnetic intensity and ultrafiltration pressure were 0.1 T and 0.4 MPa for 30000 D MWCO ultrafiltration and 0.8 T and 0.5 MPa for 10000 D MWCO ultrafiltration, respectively. The polysaccharide-rich extract from Ophiopogon japonicus prepared in this study was continuously separated using the two MWCOs, and the fractions (A, C and D) obtained were subjected to the determination of molecular weight based on the use of the GPC software. Fraction A exhibited a molecular weight of 32610 D, and contained 85.6% polysaccharides having a molecular weight exceeding 30000 D. The molecular weight of fraction C was 24069 D, and it contained as high as 87.6% polysaccharides having a molecular weight varying from 10000 to 30000 D. Fraction D had a molecular weight of 8664 D, and the content of polysaccharides having a molecular weight varying from 1000 to 10000 D in it was as high as 88.7%.

Fe3O4-PSF magnetic composite ultrafiltration membrane；Ophiopogon japonicus polysaccharide；continuous separation；utrafiltration；HPGPC

R284.2

A

1002-6630(2010)22-0041-05

2009-12-24

國家“863”計劃項目(2007AA100404)

謝慧明(1955—)，女，教授，碩士，研究方向為農產品加工及貯藏。E-mail：panxie@163.com