大孔吸附树脂对绞股蓝多糖的吸附*

唐晓丹，赵金良，运达，杭海洋

(辽宁科技大学化学工程学院，辽宁鞍山，114051)

绞股蓝(Gynostemma pentaphyllum)隶属葫芦科多年生草质藤本植物，是我国中药的宝贵财富，素有“南方人参”之称。绞股蓝全草可入药，含有丰富的绞股蓝皂苷、多糖、黄酮、人体必需的8种氨基酸和多种微量元素［1］。现代药理研究和临床应用表明，绞股蓝多糖是一种药用价值很高的活性多糖，具有抗癌、降血糖、抗衰老、调节免疫功能等作用［2－5］，有望开发成为我国特色的创新药物。大孔吸附树脂(macroporous adsorption resin，MAR)是一类具有多孔立体结构的有机高聚物吸附剂，依靠它和被吸附分子之间的范德华引力，大比表面积进行物理吸附［6］，现已广泛应用于医药工业和食品工业等领域［7－9］。然而，相对于MAR的应用研究，其理论研究却严重滞后，在合成过程中和应用选择上缺乏理论指导，在分子设计上缺乏针对性，在应用选择上存在盲目性，这些问题已成为功能高分子科学和分离分析科学交叉领域的一个亟待突破的研究课题［10］。目前，国内外关于绞股蓝多糖的研究报道主要集中在提取和纯化工艺上，关于树脂吸附绞股蓝多糖的理论研究却较少。本实验拟通过研究大孔树脂静态吸附与解吸性能，深入地探讨吸附过程的热力学及动力学机理。

1 仪器、试剂与方法

1.1 仪器与试剂

TU-1810紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司);SHA-l水浴恒温振荡器(常州国华仪器有限公司);876-1型真空干燥箱(南通科学仪器厂);KQ-250B型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司);旋转蒸发器(上海申生科技有限公司)。

绞股蓝原料(陕西安国市光明饮片加工厂);D101、D201、AB-8大孔吸附树脂(安徽三星树脂科技有限公司);Sevage试剂［V(三氯甲烷)∶V(正丁醇)=4∶1］，其他试剂均为分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 绞股蓝多糖的制备

称取粉碎后绞股蓝药材700 g，按1∶5(g∶mL)比例加入体积分数95%乙醇回流提取2次，每次2 h，过滤并挥干乙醇，得绞股蓝粉末647 g，用于提取绞股蓝多糖。

取适量挥干后绞股蓝粉末，水料比30∶1，80℃条件下提取2h，所得滤液浓缩，Sevage法脱蛋白、乙醇醇沉，真空干燥备用。用苯酚硫酸法测得该多糖纯度为3.18%。

1.2.2 树脂的预处理

树脂均用体积分数95%的乙醇浸泡溶胀24 h后，湿法装入玻璃层析柱中，用5倍柱体积的95%乙醇反复淋洗，水洗至无醇味，依次用5%HCl和5%NaOH溶液浸泡2～4 h，并用蒸馏水洗至中性，之后用95%乙醇洗脱，至乙醇洗脱液与水体积比1∶5混合不呈白色混浊为止，再水洗至无醇味。将处理后的树脂真空干燥至恒重备用。

1.2.3 绞股蓝多糖标准曲线的建立

采用苯酚-硫酸法定量分析绞股蓝多糖。分别准确量取葡萄糖标准品配成不同浓度的标准品溶液，在490nm处测定吸光度值。通过一元线性回归，得到绞股蓝多糖标准曲线方程A=0.011c－0.057 8(R2=0.993 2)，式中:A，吸光度;c，绞股蓝多糖浓度(μg/mL)。

1.2.4 静态吸附率和解吸率的测定

准确称取大孔干树脂0.500 0 g，置于100 mL具塞磨口三角瓶中，分别加入25 mL 0.825 mg/mL的绞股蓝多糖溶液。于25℃恒温振荡器上振荡吸附20h，测定溶液中绞股蓝多糖浓度，按下式计算各树脂的平衡吸附量Qe及吸附率E%:

式中:Qe，平衡吸附量(mg/g);E，吸附率，%;c0，初始浓度(mg/mL);ce，平衡浓度(mg/mL);V，溶液体积(mL);m，树脂质量(g)。

取上述吸附饱和的大孔树脂，滤纸吸干树脂表面的残留溶液，置于三角瓶中，各加入25 mL 60%的乙醇，于25℃恒温振荡器中静态解吸20h，滤出树脂，测定滤液中绞股蓝多糖浓度，按下式计算解吸率E′:

式中:E′，解吸率，%;ce'，解吸平衡浓度(mg/mL);V′，洗脱液体积(mL);m，吸附在树脂上的多糖总量(mg)。

1.2.5 吸附热力学实验

分别称取1.000 0 g D201干树脂加入10 mL 6种不同初始浓度的绞股蓝多糖溶液，在293，298，303 K恒温振荡器上振荡20 h(吸附达到平衡)，取样分析其中绞股蓝多糖浓度。

1.2.6 吸附动力学实验

分别称取1.000 0 g D201干树脂加入10 mL浓度为1.65 mg/mL的绞股蓝多糖溶液，于298，303，308 K恒温振荡器上振荡，每隔一定时间取样分析其中绞股蓝多糖浓度，直至达到吸附平衡。

2 结果与讨论

2.1 大孔树脂对绞股蓝多糖的吸附和解吸性能比较

表1是3种大孔树脂对绞股蓝多糖的静态吸附和解吸性能。其中D201型树脂的吸附量和吸附率均高于D101和AB-8型树脂。虽然D201树脂的解吸率低于其他两种树脂，但由于其吸附量较高，其解吸量仍比另2种树脂高，因而选择D201树脂为纯化绞股蓝多糖的吸附剂。

表1 大孔树脂对绞股蓝多糖的静态吸附与解吸性能

多糖类化合物是一类有机大分子，可由范德华力或氢键作用力与大孔树脂产生吸附作用。糖类化合物分子结构中含有较多的醇羟基和糖苷链，具有一定的极性。而被分离物质与树脂的极性是影响吸附性能的重要因素［11］。试验选用的D201树脂是弱极性树脂，在吸附过程中易和多糖分子形成氢键而牢固结合，因而吸附量较高。

2.2 吸附等温方程

根据静态平衡吸附试验测定的平衡浓度ce，得到D201树脂的平衡吸附量 Qe，分别作 293，298，303K下的吸附等温曲线(图1)。由图1可知，D201树脂对绞股蓝多糖的平衡吸附量Qe随平衡浓度ce的增加而增大，随温度的升高而升高，说明吸附过程是吸热的。

图1 D201树脂对绞股蓝多糖的吸附等温线

由于稀溶液相对更接近理想状态，因此本实验采用在稀溶液吸附平衡研究中应用较多的Langmuir方程来描述多糖在树脂表面的吸附行为，表达式为:

式中:Qs，树脂的单层饱和吸附量(mg/g);Kb，常数。

用Langmuir方程对图1数据进行拟合，结果见表2。表2中各相关系数r均在0.99以上，说明该方程能够很好的描述树脂对绞股蓝多糖的吸附过程，属于单分子层吸附。其中平衡常数Kb随着温度升高而增大，说明树脂表面吸附位点随着温度的升高而逐渐增多，吸附能力随之增大，故升高温度有利于吸附的进行。

表2 Langmuir拟合方程及参数

2.3 吸附热力学性质

吸附焓变H可根据Clausius-Clapeyron方程计算:

式中:ce，在热力学温度T时特定吸附量Qe下溶质的平衡浓度(mg/mL);T，绝对温度(K);K，常数;R，理想气体常数［8.314 kJ/(mol·K)］。

吸附自由能是吸附驱动力的体现，吸附反应达到平衡时的吉布斯自由能变ΔG可由以下方程求得:

式中:Kb为吸附平衡常数(L/mol)。吸附熵变ΔS可根据Gibbs-Helmholtz方程计算:

不同吸附量下的吸附ΔH、ΔG和ΔS的数据计算结果见表3。

表3 D201树脂对绞股蓝多糖的吸附热力学性质

表3可知，ΔH＞0，为吸热反应，升温有利于吸附。随着绞股蓝多糖浓度的增加，更多的多糖分子被吸附到树脂上，吸附位点相对减少，强度相对减弱，相应的热效应增加趋势逐渐减弱。此时放热效应小于吸热效应，吸附为吸热过程。

ΔG＞0，说明所有吸附过程是非自发过程。由于ΔG随着温度的增加逐渐减少，说明升高温度使吸附过程的自发程度提高，由非自发向自发过程转变。

ΔS＞0，说明吸附是熵推动过程。对于固-液交换吸附，溶质分子由液相吸附交换到固-液界面时会失去一定的自由度。因为水的相对分子质量和分子体积与多糖分子相比之下较小，树脂在吸附多糖分子后，使其运动比在水溶液中更规则，即多糖分子在树脂上的运动不如在水溶液中运动自由。因此，对于树脂吸附应是一个熵减少的过程，但是由于溶液中溶质和溶剂同时存在，溶质的吸附必然伴随着溶剂的脱附，并且水的摩尔体积是小于吸附质的，更多数目的水分子回到溶液中作自由运动，导致整个体系的混乱程度增高［12］。

2.4 Polanyi吸附势

吸附势是描述吸附质在界面进行物理吸附时，每1 mol吸附质的自由能变化，可由公式计算:

由表4可知，在等温条件下，随多糖浓度增加，吸附势逐渐降低;当初始浓度相同时，随着温度的升高，吸附势升高。由吸附等温线分析，温度一定时，溶质的吸附量随浓度的增加而增加，吸附势则随浓度的增加而降低。

表4 D201树脂对绞股蓝多糖的吸附势

2.5 吸附动力学性质

计算不同时刻t时D201树脂的吸附容量Qt，绘制不同温度下树脂对绞股蓝多糖的吸附动力学曲线(图2)。

图2 不同温度下的吸附动力学曲线

由图2可知，在吸附初始阶段，吸附速率较快，多糖分子主要是穿过液膜到达树脂的外表面;随着吸附过程的进行，多糖分子浓度逐渐减小，表层吸附接近饱和，多糖分子沿着树脂微孔由表面向内部扩散，扩散阻力不断增加，导致吸附速率逐渐减小;吸附后期即3 h后，主要是在吸附剂内表面吸附，且浓度推动力越来越小，吸附基本达到平衡。随着温度的升高，饱和吸附量升高，这一结果与图1等温曲线所反应的结果相符。

对于吸附剂来说，它们对吸附质的吸附往往可用不同的动力学模型进行描述。将实验数据按照二级动力学模型进行拟合，公式为:

式中:Qe，平衡吸附量(mg/g);Qt，t时间的吸附量(mg/g);K，速率常数［g/(mg·h)］。

拟合结果见表5。结果显示，方程相关系数较好，说明吸附过程符合二级动力学规律。

表5 D201树脂吸附绞股蓝多糖的二级动力学参数

将前180 min初始快速吸附阶段的动力学数据分别按照Boyd液膜扩散模型和Kannan-Sundaram颗粒内扩散模型来描述［13］。颗粒内扩散模型:lg(1－F2)=－Kt/2.303;液膜扩散模型:ln(1－F)=－Kt。式中，F=Qt/Qe是吸附剂的吸附交换率，K(h－1)为速率常数。

分别对1g(1－F2)－t和ln(1－F)－t进行线性拟合，结果见表6。两模型线性关系均较好，由于2条直线均未通过原点，表明颗粒内扩散和液膜扩散对绞股蓝多糖在D201树脂上的吸附过程都有影响，吸附过程受两者联合控制。

表6 D201树脂吸附绞股蓝多糖的扩散模型参数

速率控制步骤的确定是研究吸附动力学的关键，从表6结果来看，难以比较出是液膜扩散还是颗粒内扩散为主控步骤。活化能是反应进行所需的能量，活化能越大，反应较难进行，反应速率越慢，也即速率控制步骤应具有最高的反应活化能。利用Arrhenius方程计算活化能:

式中:Ka，吸附反应的速率常数;A，频率因子;Ea，活化能(kJ/mol)。

由方程求得颗粒内扩散和液膜扩散的活化能分别为76.24 kJ/mol，47.72kJ/mol，即 D201 树脂对绞股蓝多糖吸附的颗粒内扩散活化能高于液膜扩散活化能，颗粒内扩散速率较慢，吸附过程以颗粒内扩散为主控速步骤。

3 结论

(1)通过对3种大孔吸附树脂吸附性能的测定，筛选出D201树脂对绞股蓝多糖的吸附和解吸效果最好，可以有效的纯化和富集绞股蓝多糖。(2)D201树脂对绞股蓝多糖的吸附数据可用Langmuir经验公式拟合，相关性较好。(3)吸附过程为熵推动的非自发吸热过程。(4)吸附过程符合二级动力学模型，主要受颗粒内扩散和液膜扩散共同影响。通过计算活化能得出，颗粒内扩散为主控速步骤，吸附反应速率常数随着温度的升高而增大。参考文献

［1］ 周建华，张兴亚.绞股蓝开发研究新进展及应用［J］．食品科技，2010，35(2):74－77.

［2］ 刘青青，吴景东.绞股蓝提取液对自然衰老影响的实验研究［J］．辽宁中医药大学学报，2008，10(6):132－136.

［3］ Chi A P，Chen J P，Wang Z Z，et al.Morphological and structural characterization of polysaccharide from Gynostemma pentaphyllum Makino and its anti-exercise fatigue activity［J］．Carbohydrate Polymers，2008，74(3/4):868 －874.

［4］ Rujjanawate C，Kanjanapothi D，Amomlerdpison D.The anti-gastric ulcer effect of Gynostemma pentaphyllum Makino［J］．Phytomedicine，2004，11(5):431 －436.

［5］ Wang ZJ，Luo DH.Antioxidant activities of different fractions of polysaccharide puified from Gynostemma pentaphyllum Makino［J］．Carbohydrate Polymers，2007，68(1):54－58.

［6］ 刘钟栋，赵玉芬，卢奎.高粱子粒淀粉表面色素的树脂分离研究［J］．离子交换与吸附，2005，21(1):68－71.

［7］ Zhang Ying，Li Shu-fen，Wu Xi-wen，et al.Macroporous resin adsorption for purification of flavonoids in Houttuynia cordata Thunb．［J］．Chinese Journal of Chemical Engineering，2007，15(6):872－876.

［8］ Liu Y F，Liu J X，Chen X F，et al.Preparative separation and purification of lycopene from tomato skins extracts by macroporous adsorption resins［J］．Food Chemistry，2010，123(4):1 027－1 034.

［9］ Chi R A，Zhou F，Huang K，et al.Adsorption behaviors of puerarin on S－8 macroporous resin［J］．Chinese Journal of Natural Medicines，2011，9(2):120－125.

［10］ 张安杰.大孔吸附树脂对芦丁的吸附行为研究［D］．兰州:兰州理工大学，2010.

［11］ 潘见，陈强，谢慧明，等.大孔树脂对葛根黄酮的吸附分离特性研究［J］．农业工程学报，1999，15(1):236－240.

［12］ Jain C K，Singhal D C，Sharma M K.Adsorption of zinc on bed sediment of River Hindon:adsorption models and kinetics［J］．J Hazard Mater，2004，114(1 －3):231 －238.

［13］ 杨鹏波，张晓燕，丛威，等.大孔吸附树脂吸附乳酸及乳酸与谷氨酸的分离［J］．过程工程学报，2007，7(4):767－771.