凹凸棒石的氨基硅烷化及人參提取物中農(nóng)殘吸附

陳汝珺，王亞茹，付晨偉，陳 瑾，陸正清，喻春皓*

(1. 淮陰工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院制藥工程系，江蘇 淮安 223003； 2. 江蘇省特色資源開發(fā)與藥用研究重點實驗室，江蘇 淮安223003；3. 江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

人參(PanaxginsengC. A. Mey)是藥食同源的中藥材，為人參屬植物的根莖，多年生草本植物。廣泛用于藥品、功能食品開發(fā)中，具有預(yù)防心腦血管系統(tǒng)疾病、抗腫瘤、調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)、抗癌等藥理作用[1]。現(xiàn)今，天然藥物已成為世界各國日益需求的寶貴資源，農(nóng)藥殘留的超標(biāo)卻嚴(yán)重滯后了我國中藥材創(chuàng)新發(fā)展的步伐[2]。目前中藥材中殘留農(nóng)藥主要為有機氯類、有機磷類、擬除蟲菊酯類這3類。毛翼等[3]對3種中藥材中有機氯農(nóng)藥進行水處理，結(jié)果表明水洗對部分水溶性農(nóng)藥有一定吸附效果，但對普遍使用的脂溶性農(nóng)藥效果不佳。Bamba等[4]利用光催化法降解敵草隆，發(fā)現(xiàn)了比TiO2更好的光催化劑P25 Degussa，但催化劑的分離回收仍存在問題。張民等[5]運用亞臨界丙烷萃取技術(shù)對人參提取物中有機氯農(nóng)藥殘留進行了脫除影響研究，γ-BHC、op-DDT脫除率達100 %，但DDD、β-BHC、PCNB脫除效果不佳，且無法廣泛適用于多種農(nóng)藥的脫除。因此，如何在采收、曬制、炮制、提取等藥材加工與提取物制備過程中降低其農(nóng)藥殘留成為當(dāng)前關(guān)注的熱點[6]。

凹凸棒石黏土的主要成分為凹凸棒石(Attapulgite)，隸屬海泡石族[7]，為含水富Mg、Al的硅酸礦物鹽。我國的凹凸棒石黏土礦產(chǎn)資源極其豐富，因其比表面積大而具有優(yōu)良吸附性能。1957年，Barr等[8-9]發(fā)現(xiàn)活化凹凸棒石黏土為金黃色葡萄球菌的優(yōu)良吸附劑。王志強等[10]制備了KH-550的改性凹凸棒石及應(yīng)用在環(huán)境水體中Cr6+的脫除，詳細(xì)考察了硅烷化溫度、偶聯(lián)劑用量、硅烷化時間等對Cr6+脫除的影響。胡濤等[11]用KH-570改性的凹凸棒石黏土對乙烷的平衡吸附量為35.14 mL/g，對乙烯的平衡吸附量為17.27 mL/g。朱禮文等[12]發(fā)現(xiàn)KH-602改性后的凹凸棒石黏土對印染廢水中活性藍KE-R的最大吸附量達117.65 mg/g。目前，硅烷化凹凸棒石黏土(SMA)多用于金屬離子、有機氣體、廢水等吸附，而很少用于中藥提取物農(nóng)殘脫除的研究。本文將凹凸棒石黏土進行硅烷改性，用于人參提取物中農(nóng)殘的脫除。硅烷改性是基于硅烷偶聯(lián)劑與凹凸棒石黏土間形成的-O-Si-R化學(xué)鍵進而強化其與吸附質(zhì)之間的相互作用[13]。有機硅烷為一類經(jīng)常使用的偶聯(lián)劑，與基材表面的羥基等活性基團反應(yīng)生成-O-Si-R鍵，結(jié)果形成帶有不同類型官能團R[14]，其廣泛應(yīng)用在無機材料填充劑，膠黏劑和表面處理劑等方面[15-16]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

霜霉威、異丙威、五氯硝基苯、毒死蜱、胺菊酯對照品、溴化鉀光譜純(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，人參皂苷(成都曼斯特生物科技有限公司)，凹凸棒石黏土(江蘇淮源礦業(yè)有限公司)，KH-550、KH-602、KH-792、KH-1161(山東優(yōu)索化工科技有限公司)，甲苯、鹽酸、三乙胺、乙醇為分析純(上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司)，乙腈、甲醇、正丁醇為色譜純(上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司)，實驗用水為石英亞沸騰蒸餾水。

1.2 實驗儀器

電子天平(AG135，中國)，數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(FJ300-SH，中國)，恒溫磁力攪拌器(85-2，中國)，離心機(H1850R，中國)，頂置式攪拌機(IKA，德國)，三重串聯(lián)四級桿氣相質(zhì)譜儀(Agilent 7890B，7000C，美國)，超高效液相色譜儀(Waters Acquity，美國)。

1.3 研究方法

1.3.1SMA的制備

取適量凹凸棒石黏土，加入20倍量的水，室溫攪拌處理48 h，靜置48 h，小心取中間層，補水到原體積，上述操作重復(fù)2～3次，中間層經(jīng)抽濾脫水、105℃溫度烘干、研細(xì)為末，即為純化凹凸棒石，備用。用20倍量的1 mol/L鹽酸酸化處理純化凹凸棒石，依次攪拌48 h、靜置24 h，過濾收集沉淀，用去離子水充分洗滌至中性，再經(jīng)干燥、研磨、過篩(150目)，即為酸化凹凸棒石。取適量酸化處理的凹凸棒石與10倍量的甲苯置于反應(yīng)容器中，150 r/min攪拌下依次加適量硅烷化試劑、1 mL三乙胺、回流硅烷化處理24 h，反應(yīng)畢抽濾回收甲苯，用乙醇與水交替充分洗滌以完全脫除偶聯(lián)劑與甲苯溶劑，85℃下過夜干燥，研細(xì)為末，150目過篩，即得SMA。

1.3.2農(nóng)殘分析的處理方法

賴青海等[17]將QuEChERS檢測方法與GC-MS相結(jié)合，測定人參提取物中農(nóng)藥殘留。本試驗對進行略微改進，將提取步驟由渦旋1 min改為15 000 r/min勻質(zhì)1 min，鹽析時加入檸檬酸鈉和檸檬酸氫二鈉，減少對酸堿敏感農(nóng)藥的損失。采用基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)曲線校正后，5種農(nóng)藥在0.02～1.5 mg/L線性相關(guān)良好，相關(guān)系數(shù)R2≥ 0.9963，3個添加水平(0.05，0.10，1.00 mg/kg)的平均回收率73.68%～113.61%，RSD值4.31%～11.73%，定量限3.7～66 μg/kg，其信噪比均在20以內(nèi)。儀器的精密度和供試品的穩(wěn)定性均符合標(biāo)準(zhǔn)。

準(zhǔn)確稱取1 g左右的人參提取物于50 mL聚丙烯離心管中，加入8 mL水和10 mL乙腈，置勻漿機中15 000 r/min勻漿處理1 min，依次加入1 g NaCl → 0.5 g檸檬酸鈉 → 0.2 g檸檬酸氫二鈉 → 2 g無水MgSO4，渦旋1 min，11 000 r/min轉(zhuǎn)速離心處理5 min，取5 mL上清液加入含有400 mg PSA、400 mg C18-硅膠、1.2 g 硫酸鎂的離心管內(nèi)，渦旋混勻處理1 min，11 000 r/min離心5 min，取5.0 mL上清液于收集管中，氮吹至干，1 mL乙腈溶解，0.22 μm有機膜過濾，濾液置于氣相進樣瓶中，供GC-MS/MS檢測。

1.3.3SMA對人參提取物中農(nóng)殘的吸附

準(zhǔn)確稱取1 g左右的人參提取物于50 mL離心管中，加入10 mL濃度已知的混合農(nóng)藥溶液和適量SMA，在恒溫與200 r/min攪拌條件下吸附處理2 h，11 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心處理5 min，取適量清液，用10 mL CH3CN萃取，余下與1.3.2中相同。

SMA對溶液中農(nóng)藥的吸附量(qe)及其吸附率(η)依公式(1)和(2)計算：

(1)

(2)

式中：qe為溶液中農(nóng)藥的吸附量(μg/g)，η為溶液中農(nóng)藥的吸附率(%)，Ce和C0分別為溶液中各農(nóng)藥的初始濃度和平衡濃度(mg/L)；V為溶液的總體積(mL)；W為吸附劑SMA的質(zhì)量(g)。

1.3.4材料表征

吸附劑SMA粉末的相組成采用D8 Advance型X-射線衍射儀測試，測試條件：室溫，3 kV，Cu Kα 射線，掃描范圍2θ = 5°～80°；利用Nicolet 5700傅里葉變換紅外光譜儀和KBr壓片法對SMA進行化學(xué)結(jié)構(gòu)分析。

1.3.5人參提取物中功效成分的測定方法

人參提取物中功效成分采用UPLC分析其人參皂苷含量。準(zhǔn)確稱量1 g人參根提取物置于具塞玻璃容器內(nèi)，加50 mL水飽和正丁醇，密塞，靜置過夜，超聲溶解 30 min，過濾，初濾液棄去，取25 mL續(xù)濾液蒸干，殘渣甲醇充分溶解轉(zhuǎn)入5 mL 容量瓶，甲醇稀釋至刻度，混勻，0.22 μm有機膜過濾至進樣瓶中，UPLC檢測備用。結(jié)果顯示在12 min內(nèi)有10 種人參皂苷有良好分離度，在31.94～1109.4 ng內(nèi)線性關(guān)系良好，決定系數(shù)R2均大于0.9997。

1.3.6UPLC條件

選Waters ACQUITY UPLC C18 (2.1 mm×50 mm，1.7 μm) 用作測試的色譜柱，乙腈(A)-水(B)為梯度洗脫的流動相，其梯度洗脫條件如下：0～5 min為19%A～25%A、5～8 min為25%A～34%A、8～12 min為34%A～50%A、12～15 min為50%A～80%A、15～18 min為80%A～98%A、18 ～20 min為98%A～98%A、20 ～21 min為98%A～19%A、21～25 min為19%A～19%A；203 nm的檢測波長為，0.4 mL/min的流速，1 μL的進樣量。

1.3.7GC-MS/MS條件

Agilent HP-5MS(0.25 mm × 30 m，0.25 μm)被用作GC測試的毛細(xì)管柱；其升溫程序為：40℃保持1 min→30℃/min 程序升溫至130℃→5℃/min 升溫至250℃→10℃/min 升溫至300℃→300℃保持5 min；用 99.999 %高純氦作為載氣，流速為1.2 mL/min；進樣口溫度設(shè)為290℃，不分流進樣，1 μL的進樣量；檢測器電離方式為電子轟擊電離(EI)，離子源溫度230℃，電子能量70 eV，傳輸線溫度280℃，掃描方式全掃描(SCAN)和多重反應(yīng)監(jiān)測(MRM)兩種模式。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅烷偶聯(lián)劑類型對吸附效果的影響

KH-550、KH-602、KH-792、KH-1161這4種硅烷偶聯(lián)劑的用量均為1.0 g，改性處理獲得的材料分別記為KH-550-SMA，KH-602-SMA，KH-792-SMA，KH-1161-SMA。在SMA為

0.1 g，溶液中5種農(nóng)藥的初始濃度均為2.0 mg/L時，SMAs對農(nóng)藥的吸附效果見圖1。

a: 霜霉威；b：異丙威；c：五氯硝基苯；d：毒死蜱；e：胺菊酯

由圖1可知，酸化凹凸棒石對5種農(nóng)藥的吸附率優(yōu)于純化凹凸棒石，結(jié)果顯示酸處理有助于黏土孔道內(nèi)碳酸鹽、膠結(jié)物、雜質(zhì)等的溶出，孔道被疏通，進而增大了孔容積與比表面積。4種硅烷化凹凸棒石(SMAs)對溶液中5種農(nóng)藥的吸附效果均高于75%以上，相較KH-1161-SMA的吸附率優(yōu)于其他3種SMAs。KH-1161-SMA對溶液中農(nóng)藥五氯硝基苯的吸附率從未改性的77%提高到95%。

2.2 改性劑用量對農(nóng)藥吸附的影響

為考察改性劑用量對吸附效果的影響，在5種農(nóng)藥初始濃度均為2.0 mg/L、用0.1 g 的KH-1161-SMA為吸附劑的條件下，改性劑KH-1161用量為0，0.8，1.2，1.6 g，改性后的4種SMA材料依次記為KH-1161-SMA-1～4，對農(nóng)藥的吸附效果如圖2所示。

a:霜霉威;b:異丙威;c:五氯硝基苯;d:毒死蜱;e:胺菊酯

由圖2可知，KH-1161-SMA-2對溶液中5種農(nóng)藥的吸附效果優(yōu)于其它3種SMAs，即改性劑用量為0.8 g時，吸附性能最好，qe高于164.42 μg/g。

2.3 吸附劑用量對農(nóng)藥吸附的影響

為考察KH-1161-SMA-2吸附劑用量對溶液中5種農(nóng)藥吸附的影響，在溶液中5種農(nóng)藥初始濃度為2.0 mg/L，吸附劑用量分別為0.05，0.10，

0.15，0.20 g，余下步驟按1.3.3項進行，以吸附率為縱坐標(biāo)與吸附劑用量為橫坐標(biāo)作圖，如圖3所示。

圖3 吸附劑用量對農(nóng)藥吸附的影響

如圖3所示，隨吸附劑用量增加，農(nóng)藥的吸附效果并未明顯改善，用量多于0.1 g之后，吸附率反而降低，表明溶液中5種農(nóng)藥在用量為0.1 g時，農(nóng)藥吸附效果最優(yōu)。進一步以吸附劑用量為橫坐標(biāo)與吸附量為縱坐標(biāo)作圖，如圖4所示，農(nóng)藥吸附量隨吸附劑用量增加而降低，結(jié)果顯示溶液中5種農(nóng)藥在吸附劑上的分配系數(shù)隨其顆粒增加而下降。

圖4 吸附劑用量與農(nóng)藥吸附量間的影響

2.4 吸附時間對農(nóng)藥吸附的影響

為考察吸附時間對溶液中農(nóng)藥吸附的影響，在吸附劑KH-1161-SMA-2用量為0.1 g、5種農(nóng)藥初始濃度均為2.0 mg/L的條件下，分別在不同吸附處理時間(1，3，5，9，12，15，30，45，60，90，120，150，180 min)下，進行相應(yīng)的測試。

由圖5 可知，15 min以內(nèi)吸附劑KH-1161-SMA-2對溶液中農(nóng)藥毒死蜱與五氯硝基苯的吸附速率較快，15 min時吸附率達到65%；在30 min時，溶液中5種農(nóng)藥的吸附率均超過68%；隨吸附時間增加，吸附減慢，吸附量緩慢增加；在120 min時，溶液中5種農(nóng)藥的吸附與脫附趨于平衡，吸附率均可達85%以上，而對五氯硝基苯吸附率達97%以上。張民等[5]采用亞臨界丙烷萃取去除人參提取物中有機氯農(nóng)藥時，五氯硝基苯基不能有效脫除，而本試驗可以其脫除率高達97%。

圖5 吸附時間對農(nóng)藥吸附的影響

2.5 等溫吸附模型

在提取物水溶液中SMA對5種農(nóng)藥的吸附過程為液-固吸附過程，為考察SMA對5種農(nóng)藥的吸附機制，因此在恒定溫度下測定了不同初始濃度下KH-1161-SMA-2對農(nóng)藥的平衡吸附量，進行了等溫吸附機制研究，采用Langmuir與Freundlich吸附模型對其進行了擬合分析，其方程分別為(3)與(4)：

Langmuir 方程：

(3)

Freundlich 方程：

(4)

式中，Ce為溶液中農(nóng)藥的濃度(mg/L)；qe為農(nóng)藥的吸附量(μg/g)；qm為吸附平衡時農(nóng)藥吸附量(μg/g)；KL為Langmuir模型常數(shù)(L/mg)；KF、1/n為Freundlich模型參數(shù)。

在吸附劑KH-1161-SMA-2的用量為0.1 g時，依據(jù) 5種農(nóng)藥初始濃度(1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 mg/L)條件下擬合的Freundlich等溫線與Langmuir等溫線如圖6所示，擬合參數(shù)如表1所示。

依據(jù)曲線相關(guān)性(R2)原則比較發(fā)現(xiàn)：霜霉威、異丙威、毒死蜱、胺菊酯的Langmuir等溫吸附模型優(yōu)于Freundlich等溫吸附模型，相關(guān)系數(shù)均大于0.95，推測吸附劑KH-1161-SMA-2對4種農(nóng)藥的吸附為單分子吸附；相反，五氯硝基苯的Freundlich等溫吸附模型優(yōu)于Langmuir模型，推測吸附劑KH-1161-SMA-2對五氯硝基苯的吸附為多分子吸附。Langmuir等溫模型的平衡吸附量均高于試驗吸附量，表明KH-1161-SMA-2可對含高濃度農(nóng)藥的溶液。1/n與吸附性能成反比，通常在0～1.0時吸附易于進行；大于2時，吸附難以實現(xiàn)。對溶液中5種農(nóng)藥而言，F(xiàn)reundlich方程的1/n值均在0～1.0，表明溶液中的農(nóng)藥易被SMA吸附。

(a): Langmuir等溫線; (b): Freundlich等溫線。

表1 溶液中5種農(nóng)藥的Langmuir與Freundlich等溫吸附模型參數(shù)

2.6 紅外表征

圖8和9為凹凸棒石、農(nóng)藥、SMAs及與農(nóng)藥物理吸附的紅外光譜圖。

如圖8所示，在3620～937.5，3620，3550，1650，1034，1000，937.5 cm-1等處的吸收峰分別為凹凸棒石特征峰、Al-OH伸縮振動峰、Mg-OH伸縮振動峰、-OH彎曲振動峰、Si-O伸縮振動峰、Si-O鍵伸縮振動吸收帶、Si-O-Si鍵伸縮振動峰，在酸化凹凸棒石與SMAs中均存在這些特征峰，表明SMAs中凹凸棒石的層狀結(jié)構(gòu)完整。KH-550-SMA中-CH3和-CH2的微弱伸縮振動吸收峰在2925 cm-1處，表明硅烷偶聯(lián)劑有效地偶聯(lián)在凹凸棒石的羥基上形成了新化學(xué)鍵。相較酸化凹凸棒石，SMAs中3550，1034和1650 cm-1特征峰強度明顯減弱，原因為其表面被硅烷偶聯(lián)劑覆蓋。

如圖9所示，相較于農(nóng)藥、KH-1161-SMA和凹凸棒石與農(nóng)藥間物理吸附的紅外光譜，為各自紅外光譜的簡單加和與疊加，未有新吸收峰產(chǎn)生，表明為兩種物質(zhì)的簡單物理混合。

圖8 凹凸棒石與系列SMAs的紅外光譜

圖9 農(nóng)藥、凹凸棒石及其物理吸附、KH-1161-SMA及其物理吸附的紅外光譜(光譜波數(shù)為400～4000 cm-1)

2.7 XRD表征

由圖10可知，凹凸棒石及SMAs在8.5°處均有最強吸收峰，該峰為凹凸棒石框架結(jié)構(gòu)間距的特征吸收峰。在凹凸棒石的30.9°、37.3°、41.1°、44.9°、51.1°、59.9°等處，SMAs中未出現(xiàn)，表明酸處理促使孔道內(nèi)碳酸鹽、膠結(jié)物、雜質(zhì)等有效溶出，導(dǎo)致了孔體積增大。在13.8°、16.4°處的弱吸收峰及在20°處的兩個低吸收峰，為凹凸棒石的內(nèi)部Si-O-Si晶層吸收峰。凹凸棒石和SMAs在26.6°處的中等強度吸收峰為凹凸棒石311晶面的特征吸收衍射峰。表明硅烷化處理與酸化處理未破壞凹凸棒石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，硅烷偶聯(lián)劑與凹凸棒石間的化學(xué)吸附為偶聯(lián)劑在凹凸棒石表面發(fā)生的偶聯(lián)反應(yīng)，在層間未發(fā)生相應(yīng)的硅烷化反應(yīng)。

圖10 凹凸棒石與SMAs的XRD圖譜

2.8 吸附劑對功效成分的影響

為評估吸附劑對提取物溶液中功效成分人參皂苷的影響，分析檢測了吸附劑處理前后人參提取物中功效成分的變化。吸附實驗中5種農(nóng)藥的初始濃度均為2.0 mg/L，KH-1161-SMA-2吸附劑用量為0.1 g，各種人參皂苷含量測量結(jié)果如表2所示。

表2 KH-1161-SMA-2 對人參提取物中功效成分的影響

由表2可知，經(jīng)KH-1161-SMA-2吸附處理后，人參提取物中10種人參皂苷并沒有明顯的損失，總皂苷損失率為2.78%，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 結(jié)論

硅烷偶聯(lián)劑能夠成功地接枝于凹凸棒石黏土上，制備出對人參提取物中5種農(nóng)殘有良好吸附性能的SMA。不同類型SMA對人參提取物中農(nóng)殘的吸附效果均較好，其中KH-1161-SMA吸附效果最優(yōu)，對所考察農(nóng)殘的吸附量均在164.42 μg/g以上。異丙威、霜霉威、胺菊酯、毒死蜱這4種農(nóng)藥的吸附行為符合Langmuir等溫吸附模型，五氯硝基苯的吸附行為符合Freundlich等溫吸附模型。SMA可作為一種有效脫除人參提取物及其它中藥提取物中農(nóng)藥殘留的脫除劑，其脫除農(nóng)殘的機制有待深入研究。