大孔樹脂吸附知母總皂苷的動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)研究

胡洋葉，王玉蓉，韓振蘊(yùn)

(1.北京中醫(yī)藥大學(xué)，北京 100102;2.北京中醫(yī)藥大學(xué)東方醫(yī)院，北京 100078)

知母系百合科植物知母(Anemarrhena asphodeloides Bge.)的干燥根莖，具有清熱瀉火、生津潤(rùn)燥的功效，主要含有甾體皂苷和知母多糖等有效成分［1－2］。現(xiàn)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、降低轉(zhuǎn)氨酶等多種活性［3－4］。李慶國(guó)［5］等曾考察了 AB －8 大孔樹脂對(duì)知母提取液中知母總皂苷的吸附動(dòng)力學(xué)過程，但未用擬一級(jí)、擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合;在考察四種大孔樹脂吸附知母提取液中總皂苷的熱力學(xué)現(xiàn)象時(shí)未涉及AB－8型大孔樹脂［6］。本文通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)吸附解吸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AB－8型大孔樹脂能很好地純化知母總皂苷，并對(duì)其吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，旨為大孔吸附樹脂分離純化知母總皂苷的大規(guī)模生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 儀器與試藥

1.1 儀器 752紫外可見分光光度計(jì);Sartorius BS110S型電子分析天平;SHA－CII恒溫水浴振蕩器。

1.2 試藥 知母皂苷A－Ⅲ對(duì)照品(上海融禾醫(yī)藥科技有限公司，批號(hào)100420，純度＞98%);知母飲片(北京同仁堂望京店);茴香醛、硫酸、無水乙醇、甲醇(分析純);乙醇(藥用);D101、AB －8、D3520、D4020、NKA－9型大孔樹脂(天津海光化工有限公司)。

2 方法

2.1 樹脂預(yù)處理 大孔樹脂分別用95%乙醇浸泡24h，充分溶脹，用乙醇洗至加適量蒸餾水無白色渾濁現(xiàn)象時(shí)為止，最后用蒸餾水洗至無醇味，備用。

2.2 樹脂篩選

2.2.1 靜態(tài)試驗(yàn) 量取各種不同型號(hào)的大孔樹脂各10mL，分別置于100mL具塞三角瓶中，加入40mL知母提取液溶液(0.2g/mL)，置電熱恒溫振蕩槽中，在298K、120r/min條件下振蕩24h，充分吸附后，濾過，測(cè)定吸附殘液中總皂苷含量。吸干樹脂表面水分，精密加入95%乙醇50mL，同條件下振蕩24h，充分解吸后，濾過，測(cè)定洗脫液中總皂苷含量。

2.2.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn) 取20mL D101、AB－8樹脂濕法裝柱(徑高比1∶8)，分別加入知母提取液40mL(生藥0.2g/mL)以1mL/min的流速上樣吸附，收集下口流出液，分別依次用3BV去離子水和3BV 95%乙醇以1mL/min的流速洗脫，收集乙醇洗脫液。測(cè)定吸附殘液和洗脫液中總皂苷含量，計(jì)算兩種型號(hào)大孔樹脂的吸附解吸率。

2.3 靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué) 取10mL AB－8樹脂于100mL錐形瓶中，加入60mL知母提取液(知母總皂苷濃度為9.83mg/mL)，置電熱恒溫振蕩槽中，在298K、120r/min條件下振蕩，取樣時(shí)間分別為 5、10、15、20、30、60、90、120、180、240、360min，直至達(dá)到吸附平衡。測(cè)定吸光度，計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)刻(t)的溶質(zhì)濃度Ct(mg/mL)，并根據(jù)公式(1)計(jì)算即時(shí)吸附量Qt(mg/mL):

式中，Qt為即時(shí)吸附量(mg/mL)，C0和Ct為溶液初始時(shí)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻(t)的溶質(zhì)濃度(mg/mL)，V為溶液體積(mL)，v為樹脂體積(mL)。

2.4 靜態(tài)吸附熱力學(xué) 在293K、298K、303K、308K下分別進(jìn)行如下試驗(yàn):取AB－8樹脂5份(每份5mL)于100mL錐形瓶中，加入含知母總皂苷濃度分別為8.582 8、9.546 1、10.509 5、11.560 4、12.523 8mg/mL的提取液30mL，在恒溫振蕩器中振蕩24h，待吸附平衡后，測(cè)定吸光度，計(jì)算平衡濃度Ce(mg/mL)，并根據(jù)公式(2)計(jì)算平衡吸附量Qe(mmol/mL):

式中，Qe為平衡吸附量(mmol/mL)，Ce為吸附平衡時(shí)的溶質(zhì)濃度(mg/mL)，M為知母皂苷A－Ⅲ的摩爾質(zhì)量(740g/mol)。

2.5 測(cè)定方法 先將待測(cè)液溶劑蒸干，殘?jiān)铀?0mL溶解，水溶液用水飽和正丁醇萃取3次，每次15mL，回收正丁醇，殘?jiān)眉状既芙舛ㄈ荩倬芤迫∫欢w積于10mL具塞試管中揮干，精密加入0.5%茴香醛硫酸溶液0.5mL，振搖，置100℃水浴中加熱5min后立即置冰水浴冷卻5min，取出，精密加入無水甲醇10mL，搖勻，以知母皂苷A－Ⅲ為對(duì)照品在429nm下測(cè)定吸光度，隨行空白。

3 結(jié)果與討論

3.1 樹脂篩選 取 D101、D3520、D4020、NKA －9、AB－8型大孔樹脂，按2.2項(xiàng)下方法測(cè)定，結(jié)果見表1和表2。

表1 不同大孔吸附樹脂靜態(tài)篩選結(jié)果

結(jié)果表明，D101、AB－8型大孔樹脂靜態(tài)吸附量和吸附解吸率均較其他樹脂為高。

表2 不同樹脂動(dòng)態(tài)篩選結(jié)果

結(jié)果表明，AB－8型大孔樹脂動(dòng)態(tài)吸附量和解吸率優(yōu)于D101型。故選用AB－8型大孔樹脂，并進(jìn)一步研究其吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特征。

3.2 靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)性質(zhì)

3.2.1 吸附動(dòng)力學(xué)曲線 描繪AB－8型大孔樹脂吸附知母總皂苷的吸附動(dòng)力學(xué)曲線。Qt隨t的變化曲線見圖1。由圖1可知，0～30min為快速吸附階段，30～240min為未飽和吸附階段，240min后為飽和吸附階段。

3.2.2 吸附動(dòng)力學(xué)模型 采用擬1級(jí)、2級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型和顆粒內(nèi)擴(kuò)散Kannan方程［7］對(duì)本吸附過程進(jìn)行擬合，可預(yù)測(cè)吸附動(dòng)力學(xué)行為。

擬1級(jí)Lagergren方程是進(jìn)行固液吸附體系模擬分析的常用模型之一，其表達(dá)式為:

式中，KL為擬1級(jí)速率常數(shù)(min－1)。

圖1 AB－8樹脂對(duì)知母總皂苷的吸附動(dòng)力學(xué)曲線

擬2級(jí)動(dòng)力學(xué)方程模型可以用McKay方程描述，其表達(dá)式為:

式中，KM為擬 2 級(jí)速率常數(shù)(mL·mg－1·min－1)。

顆粒內(nèi)擴(kuò)散Kannan方程表達(dá)式為:

式中，KP為顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)(mg·min－0.5·mL－1);C為常數(shù)。如果吸附過程為顆粒內(nèi)擴(kuò)散控制，則 Qt應(yīng)與 t0.5呈直線關(guān)系，斜率即 KP。

AB－8型大孔樹脂吸附知母總皂苷過程以擬一級(jí)和擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合，結(jié)果見表3。由表3可知，擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能很好地描述該吸附動(dòng)力學(xué)行為(r＞0.99)，Qe的理論值與實(shí)驗(yàn)值更為接近。由圖2可知，吸附過程的0 ～30min 和30 ～240min Qt均對(duì) t0.5呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(r＞0.99)，表明顆粒內(nèi)擴(kuò)散是吸附速率的控制步驟，但直線均不經(jīng)過原點(diǎn)，說明顆粒內(nèi)擴(kuò)散控制不是唯一的，吸附速率還受液膜擴(kuò)散的影響。

表3 AB－8大孔樹脂吸附知母總皂苷擬一級(jí)和擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)

圖2 知母總皂苷吸附過程顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型(Kannan)的線性擬合

3.3 靜態(tài)吸附熱力學(xué)性質(zhì)

3.3.1 靜態(tài)吸附等溫線 描繪AB－8型大孔樹脂吸附知母總皂苷過程的靜態(tài)吸附等溫線，結(jié)果見圖3。由圖3可知，在293K、298K、303K、308K 下，AB －8樹脂吸附知母總皂苷的等溫線呈相似的變化趨勢(shì)，即Qe隨著Ce的增大而增大，且Qe隨著溫度的升高而升高，表明AB－8樹脂對(duì)知母總皂苷的吸附過程屬于吸熱過程。

3.3.2 等溫吸附模型的擬合 常用的等溫吸附模型有以下兩種［8］:

式中，KL、Qm、n、KF均為等溫吸附特征常數(shù)。

圖3 AB－8樹脂對(duì)知母總皂苷的靜態(tài)吸附等溫線

擬合AB－8型大孔樹脂吸附知母總皂苷過程的等溫吸附模型，如表4所示。表明Langmuir模型能很好地?cái)M合AB－8樹脂對(duì)知母總皂苷的等溫吸附過程(r＞0.98)，樹脂的飽和吸附量(Qm)和Langmuir系數(shù)(KL)均隨著溫度的升高而升高，表明吸附過程是吸熱過程，高溫有利于吸附。

3.3.3 吸附熱力學(xué)參數(shù) 吸附焓變(ΔH)、吸附自由能變(ΔG)、吸附熵變(ΔS)分別可根據(jù)以下3個(gè)方程［9］計(jì)算:

式中，R 為理想氣體常數(shù)(8.314J·mol－1·K－1)，T為絕對(duì)溫度(K)，K0為常數(shù)。

AB－8樹脂對(duì)知母總皂苷的吸附熱力學(xué)參數(shù)見表5。由表5可知，不同初始質(zhì)量濃度下的ΔH均為正值，表明該過程為吸熱過程，高溫有利于吸附的進(jìn)行，這與吸附等溫線得出的結(jié)論相一致。不同溫度下的ΔG均為負(fù)值，表明吸附是自發(fā)進(jìn)行的過程，ΔG隨著溫度的升高而降低，說明升溫有利于吸附，其絕對(duì)值均小于20kJ/mol，說明AB－8樹脂對(duì)知母總皂苷的吸附屬于物理吸附。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)ΔS＞0，表明吸附是熵推動(dòng)過程，固－液界面上分子運(yùn)動(dòng)更為混亂，有更多水分子雜亂地由固體表面向溶液中運(yùn)動(dòng)。

表4 不同溫度下的Langmuir和Freundlich吸附等溫方程參數(shù)

表5 AB－8樹脂對(duì)知母總皂苷的吸附熱力學(xué)參數(shù)

4 結(jié)論

本研究采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)吸附解吸試驗(yàn)篩選了樹脂種類，初步表明AB－8型樹脂對(duì)知母總皂苷的吸附量和解吸率均高于其他樹脂。

吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)研究表明，與擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(r=0.986 6)相比，擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(r=0.999 3)能更好地描述AB－8樹脂對(duì)知母總皂苷的吸附動(dòng)力學(xué)行為，且吸附速率受液膜擴(kuò)散和顆粒內(nèi)擴(kuò)散的共同影響，其中顆粒內(nèi)擴(kuò)散是控制步驟。在本實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，Langmuir模型能更好地?cái)M合AB－8樹脂對(duì)知母總皂苷的等溫吸附過程(r＞0.98)，ΔH為正值，表明該過程為吸熱過程，高溫有利于吸附的進(jìn)行;ΔG絕對(duì)值小于20kJ/mol，表明該過程為可逆的物理吸附過程。

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