微滤膜分离提纯苦楝素的研究

王龙德，崔 鹏，路绪旺，佟 玲，姚路路

1淮南师范学院化学与化工系，淮南232001; 2合肥工业大学化工学院安徽省可控化学与材料化工重点实验室，合肥230009

微滤膜分离提纯苦楝素的研究

王龙德1*，崔 鹏2，路绪旺2，佟 玲1，姚路路2

1淮南师范学院化学与化工系，淮南232001;2合肥工业大学化工学院安徽省可控化学与材料化工重点实验室，合肥230009

通过对不同孔径和材质的微孔滤膜对苦楝提取液过滤分离比较，优选出孔径为0.45 μm的聚醚砜微滤膜对苦楝提取液具有良好的过滤性能。确定的膜分离提纯苦楝素优化工艺条件是:在料液浓度为0.374 mg/ mL，料液温度35℃，操作压力差为0.08 MPa，循环流量为0.15 L/h，pH=7.0，苦楝素的转移率为99.4%，除杂率为8.3%，通量为147.2 L/m2·h，苦楝素的纯度为由提取液的0.89%，提高到了8.79%。

苦楝;苦楝素;膜分离;提纯

苦楝(Melia azedarach L.)是一种常见的楝科楝属植物，落叶乔木，广泛分布于我国南部地区。苦楝中含有很多种活性成分，其最主要活性成分苦楝素(toosendanin)可作为中药用于驱蛔、抗菌［1-3］，同时苦楝素也是一种具有广阔发展前景的杀虫剂［4，5］。与化学农药相比，苦楝素作为植物性农药具有安全、高效、无毒、无污染、残效期短、杀灭多种农业害虫等优越性等特点，对预防病虫害效果更佳［6-8］。因而，苦楝素农药被认为是一种极具开发前景的植物源生物农药。

膜分离技术(Membrane Separation Technique，MST)是一项新兴的高效分离技术，已被国际公认为是20世纪末到21世纪中期最有发展前途的一项重大高新生产技术。与传统分离方法(蒸发、萃取)相比，它是在常温下操作，没有相变，最适宜对热敏性物质和生物活性物质的分离和纯化;具有高效、节能、工艺过程简单，投资少，污染小等优点，因而具有广泛的应用前景［9］。然而，研究用膜分离技术分离纯化楝科植物方面，研究报道尚很少见［10］。本文考察膜分离技术对苦楝素的分离效果，比较不同型号膜材料及膜孔径对苦楝素的分离性能，并对分离效果较好的膜材料进行分离条件研究，优化提取工艺参数，为研究苦楝素的提纯分离方法提供参考。

1 实验部分

1.1 仪器、材料和试剂

主要仪器:紫外-可见分光光度计(UV751GD，上海精密科学仪器有限公司);KQ5200DE型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司);循环水式多用真空泵(SHB-II型，郑州长城科工贸有限公司);旋转式蒸发器(RE-52，上海安亭科学仪器厂); YP1201N型电子秤(上海精密科学仪器有限公司);蠕动泵(BT-200B数显恒流泵)，上海青浦沪西仪器厂，TDL-5-A型离心机。原料与试剂:新苦楝树皮，购于安徽省涡阳县林业局，烘干、粉碎备用;无水乙醇，甲醇，对-二甲氨基苯甲醛。微孔滤膜:混合纤维素酯膜(CA-CN)，上海半岛实业有限公司净化器材厂;聚醚砜膜(PES)、聚丙烯膜(PP)、聚偏二氟乙烯膜(PVDF)、聚酰胺(尼龙)6膜(JN6)，北京海成世洁过滤器材有限公司。

1.2 苦楝素的定量分析方法

苦楝素的定量分析中常采用对-二甲氨基苯甲醛-硫酸显色法［11］。用10%硫酸溶解0.745 g的对-二甲氨基苯甲醛，定容于100 mL容量瓶中，得显色液。取膜分离后的苦楝素提取液0.2 mL，加入3.8 mL甲醇，再加4 mL显色剂，放置30 min后，用紫外分光光度计于512 nm处测定吸光度，根据吸光度计算苦楝素的浓度:C=1.92×A×20，式中:C为苦楝素的浓度(mg/mL);A为吸光度;1.92为线性方程中a值(0.52)的倒数。

1.3 实验方法

1.3.1 苦楝素样品液的制备

称取40 g粉碎的苦楝树皮，按料液比为1∶10加400 mL70%(体积比)乙醇-水溶液，超声提取40 min，提取温度为70℃，超声频率40 KHz，超声功率100 W。离心15 min，抽滤。重复超声提取4次，合并滤液，用于膜分离提纯苦楝素。

1.3.2 膜分离提纯苦楝素

1.3.2.1 实验步骤

实验采用错流微滤，料液流速及过滤压差由进口压力与阀门控制。实验中采用不同膜材料及膜孔径，选取最佳膜材料及膜孔径后，进行料液浓度与进口压力来优化微滤过程。连接好微滤装置，将料液1L放入烧杯，经蠕动泵压入膜组件，当膜通量基本达到稳定状态后，停泵，量取截留液与透过液，并各取一定量作为实验分析。以苦楝素转移率与除杂率为主要指标进行优化选择，苦楝素转移率YA计算公式如下:

式中CA为膜透过液苦楝素浓度，mg/mL;VP为膜透过液体积，mL;CFA为喂料液苦楝素浓度，mg/ mL;VF为喂料液体积，mL。

采用重量法定义苦楝素除杂率I，计算公式如下:

I(%)=(WF－WP)/(WF×100%)，式中WF为喂料液质量，mg/mL;WP为膜透过液质量，mg/ mL。

苦楝素纯度计算公式如下:PT=(CTVT)/WT× 100%，式中CT为苦楝素浓度，mg/mL;VT为流出液体积，mL;WT为体积为VT的溶液的固形物质量，mg。

1.3.2.2 膜通量计算

实验中所用的微孔滤膜直径均为50 mm，有效膜直径为40 mm。膜通量采用单位时间内单位透过面积通过的苦楝素渗透液体积来表示，膜通量计算公式如下:

上式中:VP为膜透过液体积，mL;t为收集膜渗透液体积量VP所需时间，s。

2 结果与讨论

2.1 膜材料的筛选

实验选取孔径均为0.22 μm的微孔滤膜进行过滤实验。实验溶液浓度为1.134 mg/mL，采用全回流方式循环运行，操作压力0.08 MPa，考察膜通量随运行时间的变化关系，至通量基本不变为止，每10 min取样测定一次，实验结果如图1和图2所示。

图1和图2表明，苦楝素在微滤膜过程中，容易透过曲径结构的亲水的混合纤维素脂膜和聚醚砜膜，而较难通过曲径结构的疏水的聚偏氟乙烯膜、聚丙烯膜以及既疏水又亲水的尼龙微滤膜。对于疏水的的曲径微滤膜，溶剂化作用［12］使得疏水的苦楝素与微滤膜有较强的相互作用，过滤效果较差;但对于亲水的曲径微孔滤膜，疏水的苦楝素与微滤膜之间的引力很小，因此也容易透过［13］。由图1和图2可知，经膜过滤后除杂率和总固量变化不是很大，而聚醚砜膜的苦楝素转移率最大。综合考虑，苦楝提取液采用聚醚砜膜过滤时，在保持较高通量的同时对苦楝素具有很好的转移效果，因此选取聚醚砜膜进行优化提纯苦楝素。

2.2 膜孔径的选择

选取0.10、0.22、0.45、0.65 μm聚醚砜膜进行膜分离提纯实验，取一份样品浓度为0.374 mg/mL的苦楝素提取液进行全回流方式循环运行，操作压力为0.08 MPa，考察膜通量随运行时间变化关系，至通量基本不变为止，每10 min测定一次，结果如图3和图4所示。

由图3可以看出，孔径0.22 μm的微滤膜通量最高，这可能是因为膜孔径较大，苦楝提取液中大分子物质及微粒易进入膜孔道内，造成膜孔堵塞导致通量急剧下降，达到稳定通量时间也较短。孔径为0.22 μm和0.45 μm的膜由于孔径较小，大分子物质及微粒刚开始主要在膜面吸附从而形成一层凝胶层，随着过滤的继续进行，凝胶层中一些细小颗粒又开始向膜孔道内传质，造成膜孔堵塞，致使孔径稍大的0.45 μm膜通量较大。孔径为0.10 μm由于孔径很小，极易形成滤饼层，膜通量下降很快，容易达到稳定过滤。

由图4可以看出，0.45 μm膜通量与总苦楝素转移率相比之下较高，除杂率反而在所有膜孔径当中最低，这与苦楝素难以纯化有一定的关系。对于纯溶剂而言，膜孔径越大，膜渗透通量也越大，因此过滤时在保证能截留所需粒子或大分子溶质前提下，应尽量选择孔径或截留分子量大的膜，以得到较高的通量［14］。实际应用中，由于多种因素的影响，导致膜通量与膜的孔径并不一定成比例［15］。膜孔径越大，粒子更易进入膜孔内造成污染，其渗透通量甚至低于小孔径膜。综合考虑，选取0.45 μm膜进行优化。

2.3 操作压力对膜通量的影响

实验通过改变不同的压力差，并测量膜通量，实验结果如图5和图6所示。

从图5和图6可以看出，在不同的压力下，膜通量随压力的增加先增大后降低。图6表明膜两端压力差超过0.10 MPa时，通量随压力增加略有降低。出口压力一定，随着进口压力的增加，膜表面流速增加，高的流速具有高的剪切力，可以带走膜面的悬浮颗粒等组分，不利于凝胶层的形成，但是泵的能耗增加，同时在较高的压力下，由于设备原因系统压力不稳定，影响实验的准确性。综合考虑，膜的压差选取0.08 MPa。

2.4 循环流量对膜通量的影响

由于膜装置的料液循环流量与膜面流速成正比，所以可用其来代表膜面流速。图7为微滤膜，25℃，过滤压差0.08 MPa的条件下不同循环流量对膜通量的影响。

从图7可见，膜通量随着流量的增加先增大后减小。这是由于较高的剪切速度可以有效地提高膜通量［16，17］，但过高的膜面流速会使单位时间循环量增大而膜通量减小。因此，本体系的适宜流速选择为0.15 L/h。

2.5 料液浓度对膜通量的影响

在选择0.45 μm微滤膜的条件下，配制不同浓度的料液，按上述方法进行微滤，结果如图8和图9所示。

由图8、图9可以看出，在料液浓度为0.374 mg/mL时达到最佳的通量与较好的苦楝素透过率与杂质去除率。在较低的浓度范围内，膜通量随浓度的增加而迅速降低，由于不生成滤饼层，膜的通量决定于膜孔的吸附与堵塞机理［18］。料液浓度较大时，在相同的操作条件下，易形成“凝胶层”从而使得膜孔径进一步缩小，流量迅速降低，所以料液浓度适中，改善膜通量及膜参数的优化非常重要［19］。

2.6 温度对膜通量的影响

在操作压力0.08 MPa时，研究温度对溶液膜通量变化的影响，结果见图10。

图10 膜通量与温度的变化关系Fig.10 Effect of temperature on membrane flux

由图10可知，随着温度的升高，膜通量先增大后减小。产生这一现象的原因可能是:当温度逐渐升高时，苦楝提取液的粘度随之降低，同时在膜中的扩散系数增大，流动性变好，也可使大分子物质形成的动态膜减薄，减弱了形成浓度差极化层的倾向，使得苦楝提取液透过膜的速率增大;当温度过高时，膜污染层的固形物更易压实，渗透通量的增大加剧了浓差极化，膜通量反而减小，故需综合加以考虑［20］。实验考虑到升温和保温所需能耗较大，选取35℃过滤苦楝提取液。此时，膜通量为147.2 L/m2·h，苦楝素转移率为99.4%，除杂率约为8.3%。

3 结论

采用微孔滤膜分离提纯苦楝素，实验以提高苦楝素的纯度和转移率为研究目标，系统考察了不同条件对微滤膜分离苦楝素的影响。研究结果如下:通过对不同孔径和材质的微孔滤膜对苦楝提取液过滤分离比较，优选出孔径为0.45 μm的聚醚砜微滤膜对苦楝提取液具有良好的过滤性能。确定的优化工艺条件是:在料液浓度为0.374 mg/mL，料液温度35℃，操作压力差为0.08 MPa，循环流量为0.15 L/ h，pH=7.0，苦楝素的转移率为99.4%，除杂率为8.3%，通量为147.2 L/m2·h，苦楝素的纯度为由提取液的0.89%，提高到了8.79%。

1 Liang Y(梁媛)，Ye F(叶非).Research progress on active components and reaction mechanisms of botanical pesticides.Pestic Sci Admin(农药科学与管理)，2006，27:34-40.

2 Jiang P(姜萍)，Ye HL(叶汉玲)，An XN(安鑫南).Studies on extraction of extractives from Melia azedarach L.and its bacteriostatic activity.Chem Ind Forest Prod(林产化学与工业)，2004，24:23-27.

3 Mula MS，Su T.Activity and biological effects of neem products against neem arthropods of medical and veterinary importantee.J Am Mosq Control Assoc，1999，15:133-152.

4 Liu QS(刘清术)，Liu QG(刘前刚)，Chen HR(陈海荣)，et al.Advance，development trend and perspective of studies on biopesficides.Agrochem Res Appl(农药研究与应用)，2007，11:17-22.

5 Zhu CX(朱昌雄)，Bai XS(白新盛)，Zhang M(张木).The status quo of development and perspective of biopesticide.Shanghai Environ Sci(上海环境科学)，2002，21:654-657.

6Luo XD(罗晓东)，Wu SH(吴少华)，Ma YB(马云保)，et al.Tetranortritepenoids from insecticidal fraction of Azadirachta indica.Nat Prod Res Dev(天然产物研究与开发)，2000，3:9-13.

7 Li SS，Deng JZ，Zhao SX.Minor phenolic constituents of China berry tree(Melia azedarach).Chin Tradit Herb Drugs(中草药)，2000，31:86-89.

8Wang ZG(王争刚)，Lu XW(路绪旺)，Cui P(崔鹏).Adsorption and purification of toosendan in by macroporous resin.Nat Prod Res Dev(天然产物研究与开发)，2008，20: 1080-1083.

9 Wang ZB(王志斌)，Yang ZW(杨宗伟)，Xing XL(邢晓林)，et al.Development and application of membrane separation technology.J Filtr Sep(过滤与分离)，2008，18:19-23.

10 Wang ZG(王争刚).Study on separation and purification of toosendanin extraction solution.Hefei:Hefei University of Technology，Master.2009.

11 Jiang P(姜萍)，An XN(安鑫南).Comparative study on extraction methods of toosendanin.Chem Ind Forest Prod(林产化学与工业)，2005，25:79-82.

12 Liu ZZ(刘忠洲)，Xu SG(续曙光)，Li SD(李锁定).Membrane fouling and cleaning in UF and MF.Technol Water Treat(水处理技术)，1997，23:187-193.

13 Liu TS(刘陶世)，Zhao XH(赵新慧)，Duan JA(段金廒).Influence of material and configuration of microfiltration membranes on preparation of mono-ammonium glycyrrhizinate liposome by membrane extrusion method.Chin Tradit Patent Med(中成药)，2008，30:185-189.

14 Li YY(李媛媛)，Gao YX(高彦祥).Application of membrane filtration methods for gardenia yellow pigment processing.Food Sci(食品科学)，2006，27:113-117.

15 Tu YF(涂云飞)，Du XF(杜先锋)，Zhang XB(张雪波)，et al.Applying micro-filtration of ceramic membrane to sasanquasaponin of the crude extracts.Membrane Sci Technol(膜科学与技术)，2008，28:64-67.

16 Xu NP(徐南平)，Xing WH(邢卫红)，Zhao YJ(赵宜江).Inorganic membrane separation technology and application.Beijing:Chemical Industry Press，2003.

17 Chu JS(储金树)，Wang Z(王湛)，Cui YJ(崔彦杰).Influence of operating conditions on flux in stirring dead-end microfiltration.Technol Water Treat(水处理技术)，2007，33: 71-74.

18 Song H(宋航)，Fu C(付超)，Shi YF(石炎福).Analysis on fouling resistance and calculation of flux for microfiltration.J Chem Eng Chin Univ(高校化学工程学报)，1999，13:315-321.

19 Fu GH(付高辉)，Zhang XM(张雪梅).Research on dynamic membrane micro-filtration performance of rate.Chem Eng (化学工程)，2005，33:40-42.

20 Huang JL(黄江丽)，Shi HC(施汉昌)，Qian Y(钱易).Research on concentration of making-paper black liquid by micro-porous membrane technique.Membr Sci Technol(膜科学与技术)，2004，24:14-16.

Separation and Purification of Toosendanin Extraction Solution by Microfiltration Membrane Technology

WANG Long-de1*，CUI Peng2，LU Xu-wang2，TONG Ling1，YAO Lu-lu21Department of Chemistry and Chemical Engineering，Huainan Normal College，Huainan 232001，China;2School of Chemical Engineering，Hefei University of Technology，Anhui Key laboratory of Controllable Chemical Reaction＆Material Chemical Engineering，Hefei 230009，China

The experimental study of toosendanin enrichment from extracts of Melia azedarach by membrane filtration was performed using polyethersulfone microfiltration membrane with average pore size of 0.45 μm.Under optimized concentration of 1.134 mg/mL，pH=7.0，circulation flow rate 0.15 L/h，operating pressure of 0.08 MPa，temperature 35℃，the toosendanin transfer rate was 99.4%with 8.3%impurity decrease.Microfiltration flux reached up to 147.2 L/m2· h and toosendanin concentration increased from 0.89%to 8.79%.

Melia azedarach;toosendanin;membrane separation;purification

1001-6880(2011)04-0742-05

2010-01-08 接受日期:2010-08-25

安徽省高等学校科研项目(KJ2009B264Z)

*通讯作者 E-mail:ldwang72@126.com

R284.2

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