膜技术纯化菊花总黄酮的工艺研究

易克传，曾其良，李 慧

安徽科技学院工学院，凤阳233100

膜技术纯化菊花总黄酮的工艺研究

易克传*，曾其良，李 慧

安徽科技学院工学院，凤阳233100

研究膜分离技术分离纯化菊花黄酮的工艺，以菊花总黄酮纯度和操作过程稳定性为评价指标，采用膜分离技术对菊花提取液进行处理，对膜的规格、溶液温度、操作压力和操作时间进行了优选。结果表明:选择孔径0.5 μm无机陶瓷膜，在溶液温度50℃、操作压力0.25 MPa条件下，微滤180 min能达到较好地除杂和澄清的效果;选择截留分子量为8×103的超滤膜，在溶液温度40℃、操作压力1.6 MPa条件下，超滤120 min，总黄酮纯度为19.81%。采用膜技术纯化菊花总黄酮的工艺操作简单，纯化效果高。

膜技术;陶瓷膜;超滤膜;菊花黄酮;纯化

菊花是菊科植物菊(Chrysanthmum)的头状花序，在我国绝大多数省、地区都有分布，菊花是一种常用中药，具有清热解毒、清肝明目、治头痛眩晕、提高免疫能力等作用，研究表明其有效成分主要为黄酮类化合物［1］。黄酮类化合物具有抗氧化、抗癌、防止心血管疾病、消炎、抗过敏、镇痛、抗菌、抗病毒等作用［2，3］。

目前提取黄酮类化合物的常用方法有热水法、醇法、稀碱法及溶剂法等，用于分离黄酮类化合物的方法主要有溶剂或pH梯度萃取、铅盐沉淀、硼酸络合、柱层析等方法［4-6］。这些方法存在工序复杂，耗用有机溶剂多和生产周期长的缺点。研究表明滁菊花提取液中主要含有生物碱、苷类、黄酮类、酚类等生物活性成分和一些无机小分子物质，同时含有大量的亚微粒、微粒及絮状沉淀和一些如淀粉、树胶、果胶、粘液质、蛋白质等可溶性大分子杂质。本文采用膜分离技术对滁菊花水提取液进行处理，探讨了膜技术纯化菊花总黄酮的工艺，为膜技术用于中草药深加工和工业化生产提供参考。

分离纯化工艺流程如图1所示。

图1 膜分离纯化工艺流程Fig.1 The process of membrane separation and purification

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料:干菊花 由安徽省滁州市滁菊研究所提供;芦丁对照品中国药品生物制品检定所;试剂无水乙醇、NaOH、NaNO2、Al(NO3)3等均为分析纯。

仪器:超声波逆流提取机，江苏丹阳制药机械厂;AEL－160电子天平，日本岛津公司;R－201型旋转蒸发器，北京长安科学仪器厂;电热恒温鼓风干燥箱，上海申贤恒温设备厂;Buchi mini spray dryer B-290喷雾干燥机，瑞士BUCHI实验室仪器公司; 724型分光光度计，上海光学仪器五厂;SJM-FHM无机陶瓷复合膜分离设备和SJM-UHM超滤膜分离设备，合肥世杰膜公司;陶瓷膜，材料Al2O3，19管道，长度42 cm，膜面积0.2 m2，孔径0.5 μm;超滤膜，采用聚砜卷式中空纤维膜，19管道，长度42 cm，膜面积0.2 m2，选用截留分子量3×104、1.5×104、8× 103和5×103几种膜进行试验。

1.2 目标物的测定

1.2.1 固形物得率测定

取待测液适量，经干燥得提取固形物，在恒温下称重，可计算出相应固形物得率。

1.2.2 菊花总黄酮测

按文献［7，8］的方法，测得芦丁标准溶液质量浓度与溶液吸光度值，然后用最小二乘法作线性回归处理，得到标准曲线方程:Y=96.838A-2.868(R= 0.9975)。精确称取所得提取物样品5.00 g，用体积分数为30%的乙醇完全溶解并移入100 mL定量瓶中，按照测定芦丁标准溶液吸光度的测定方法测定吸光度A，代入回归方程可求出提取物中黄酮含量。

1.3 试验方法

1.3.1 菊花提取液制备

将菊花粉碎成20目左右粗粉，以水为溶媒，用超声波逆流提取机组进行提取，提取条件为液料比20 mL/g，提取温度70℃，提取时间30 min［9］。提取液经粗滤得菊花总黄酮提取液。

1.3.2 菊花提取液纯化试验

采用无机陶瓷膜和超滤膜对滁菊花提取液进行两级处理，陶瓷膜微滤处理菊花提取液，目的是除去大量亚微粒、微粒及絮状沉淀和一些大分子物质，为超滤提供可靠的预处理;超滤膜处理陶瓷膜透过液，目的是除去料液中分子量较小的无机小分子物质［10，11］。对超滤膜截留液进行浓缩、干燥既得目标物(菊花总黄酮)。

膜孔径是影响膜分离中目标物得率和含量大小的关键因素，而溶液温度和操作压力对膜滤过程和膜通量的稳定性影响显著，因此试验中以固形物得率、菊花总黄酮含量和膜能量稳定性为指标，分别考察膜孔大小对纯化效果的影响，考察溶液温度和操作压力对纯化过程影响，以确定最佳的膜分离纯化菊花黄酮的工艺参数。

其中黄酮转移率及提取物中总黄酮含量公式如下:

黄酮转移率 =(膜透过液黄酮含量/原料液黄酮含量)×100%;

提取物中总黄酮含量 =(膜透过液中总黄酮含量/膜透过液中总固体含量)×100%。

2 结果与分析

2.1 微滤过程

2.1.1 膜孔径的选择

在操作压力为0.20 MPa、提取液温度为30℃条件下，分别选用0.1、0.2、0.5、0.8 μm的陶瓷膜对提取液依次进行错流循环过滤，考察不同膜孔径下提取液中总黄酮透过率。结果如图2所示。

图2 不同膜孔径下提取液中总黄酮透过率Fig.2 Penetration rate of chrysanthemum flavones under different pore size

由图2可看出，采用陶瓷膜处理菊花提取液时，菊花黄酮透过率与膜孔径在一定范围内成正比;当膜孔径大于0.5 μm后，随着膜孔径的增加，透过率有所减小，这与提取液中分子极性和所要透过物质分子量有关。

表1 陶瓷膜过滤前后提取液中成分变化情况Table 1 Change of extract liquid ingredients after filtration by ceramic membrane

选择孔径为0.5 μm陶瓷膜，在30℃、过滤压差为0.26 MPa，流量50 mL/s条件下对提取液进行错流循环微滤。经微滤的透过液澄清透明，提取液和透过液中总固形物和总黄酮含量见表1。

由表1可看出，经陶瓷膜处理后的透过液中固形物比原提取液中降低，而固形物中黄酮含量比原来提高，对过滤前后提取液中总黄酮含量计算，得陶瓷膜对菊花黄酮的截留率为5%。说明采用陶瓷膜处理菊花提取液，能把其中微粒、絮状沉淀等大分子杂质截留掉，而让菊花黄酮等小分子物质通过。

2.1.2 溶液温度的选择

采用孔径为0.5 μm的陶瓷膜，在操作压力为0.20 MPa条件下对不同温度提取液进行微滤，考察不同温度下膜通量随运行时间的变化关系。结果如图3所示。

图3 温度对膜通量的影响Fig.3 Effect of temperature on membrane flux

由图3可以看出，在低温操作时，温度对膜通量的影响很小;随着温度升高，特别是当温度超过40℃后随着温度升高膜通量明显增大;分析认为随温度升高，菊花提取液的黏度减小，可能使膜通量增加，应利用无机陶瓷膜耐高温的特性尽量在高温条件下操作。同时，当温度升到一定程度，容易导致蛋白质发生变性，使溶质扩散系数减小和膜表面浓差极化增加，影响对大分子杂质截留。从运行成本、操作方便以及温度过高对蛋白质等大分子有机物截留不利等方面综合考虑，确定操作温度为50℃。

2.1.3 操作压力的选择

图4 操作压力对膜通量的影响Fig.4 Effect of pressure on membrane flux

采用孔径为0.5 μm的陶瓷膜，在提取液温度为50℃条件下，进行不同操作压力提取液进行微滤，考察不同操作压力对膜通量的影响。结果如图4所示。

由图4可以看出，在较低压力下操作时，膜通量与操作压力基本上呈正比;当操作压力大于0.25 MPa以后，膜通量随压力的增加而降低。在无机膜过滤过程中，存在临界压力［12］，在临界压力之下，膜通量与操作压力呈正比例关系;高于临界压力，由于膜表面极化层逐渐形成，增大的传质动力很快被加剧的浓差极化作用所抵消，同时可能导致膜孔堵塞，使过滤压力与膜通量不再是正比例关系。因此，从减少动耗和兼顾设备生产能力的角度综合考虑，最佳操作压力为0.25 MPa。采用0.5 μm的陶瓷膜，在料液温度为50℃，操作压力为0.25 MPa下进行微滤，其膜通量随时间的变化关系见图5。

图5 微滤时间对膜通量的影响Fig.5 Effect of microfiltration time on permeate flux

由图5可见，在刚开始过滤的20 min内，膜通量由270 L/(m2·h)急剧下降至70 L/(m2·h)左右，降低了74%，这主要是由于提取液中杂质吸附在膜上引起的，随着过滤的进行，在30～180 min内，膜通量几乎不变，在较长的时间内膜通量维持在55～65 L/(m2·h)之间，过程稳定。

2.2 超滤过程

2.2.1 膜孔径的选择

分别采用截留分子量3×104、1.5×104、8×103和5×103的超滤膜对微滤后的透过液进行超滤，超滤条件是温度40℃、压力1.4 MPa。对不同膜处理所得截留液及固形物检测，结果见表2所示。

从表2可以看出，不同的规格的超滤膜组件，对菊花提取液中固形物和黄酮的截留率不同，随着膜组件截留分子量的减小，相应截留液中固形物含量增大，但当膜截留分子量小于8×103时，对黄酮截留率大于80%，截留液中固形物和黄酮含量增加不显著;同时，对所得固形物中黄酮含量分析，可知采用截留分子量为8×103的膜处理后，所得固形物中总黄酮含量为19.81%。考虑到超滤的效率和成本，所以选用截留分子量为8×103的膜作为超滤膜。

表2 不同超滤膜处理后截留液中总黄酮含量Table 2 Flavonoids contents of withheld fluid after filtration process with different ultrafiltration membrane

2.2.2 溶液温度的选择

采用截留分子量8×103的超滤膜，操作压力为1.4 MPa，进行超滤，测得不同温度下的膜通量变化，如图6所示。

图6 溶液温度对膜通量的影响Fig.6 Effect of solution temperature on permeate flux

由图6可以看出，当温度在40℃以下时，随着温度的升高，膜通量增加明显;而高于40℃时，膜通量趋于稳定。原因是初始时由于温度的升高，膜面上的大分子物质向两侧溶液中扩散速度增加，从而减轻了浓差极化和凝胶层的产生，使得膜的渗透性能提高，膜通量增加;当温度升到一定值后，溶液中一些成分发生热变性，溶解度减小，并在膜面上堆积造成膜通量下降。试验选定溶液温度是为40℃。

2.2.3 操作压力的选择

采用截留分子量8×103的超滤膜，在溶液温度40℃时，进行超滤，测得不同压力下的膜通量变化，如图7所示。

图7 操作压力对膜通量的影响Fig.7 Effect of operation pressure on permeate flux

由图7可以看出，随着操作压力的增大，料液透过膜的通量也随之增加，当压力达到1.6 MPa后，膜通量趋于稳定。原因是操作压力增大到一定程度时，增加了超滤膜和主体料液之间的浓度差，使膜面上凝胶层形成较快，增大了料液通透阻力，使膜通量稳定在一定的水平，所以选定操作压力为1.6 M Pa。

采用截留分子量为8×103膜，在溶液温度40℃、操作压力1.6 MPa条件下进行超滤，膜通量随时间的变化关系见图8。

图8 超滤时间对膜通量的影响Fig.8 Effect of ultrafiltration time on membrane flux

由图8可见，超滤过程中，膜通量除在开始有稍许下降外，膜通量的衰减变化不显著，在20～120 min内膜通量稳定在40 L/m2·h左右。由于采用了陶瓷膜进行微滤预处理，去除了大量的大分子物质，减轻了浓差极化和凝胶层阻隔作用，因而使超滤过程较为稳定。

3 结论

利用膜技术分离纯化菊花黄酮方法可行，操作简单可靠，所得产品质量好;通过试验选择最佳的工艺参数为:陶瓷膜，孔径0.5 μm，溶液温度50℃、操作压力0.25 MPa;超滤膜，截留分子量为8×103，溶液温度40℃、操作压力1.60 MPa。因此采用膜分离技术可以有效地分离纯化菊花黄酮，其操作工艺简单可靠，纯化效率高。

1 "National Chinese herbal medicine"Writing Group(《全国中草药汇编》编写组).National Chinese Herbal Medicine，next(全国中草药汇编，下).Beijing:People's Medical Publishing House，1975.789-790.

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Study of Purification of Chrysanthemum Flavonoids by Membrane Technology

YI Ke-chuan*，ZENG Qi-liang，LI Hui
College of Technology，Anhui Science and Technology University，Fengyang 233100，China

In order to determine the optimum technological parameters to separate and purify flavonoids from chrysanthemum extract solution by membrane separation technology，the microfiltration and ultrafiltration experiment were carried out to observe the purification effects on different types of membranes，different solution temperatures，different operating pressure and process time.The results showed that the optimum microfiltration condition were as follows:the membrane aperture was 0.5 μm，the filtration pressure was 0.25 Mpa，the solution temperature was 50℃ and the time was 180 min;the optimum ultrafiltration condition were as follows:the membrane withheld molecular weight was 8×103da，the operating pressure was 1.6 Mpa，the solution temperature was 40℃ and the time was 120 min and the total flavonoids purity was 19.81%.The technology is simple and have high purification efficiency.

membrane technology;ceramic membrane;ultrafiltration membrane;chrysanthemum flavonoids;purfication

1001-6880(2012)10-1449-05

2012-02-10 接受日期:2012-06-01

安徽高等学校省级自然科学重点研究项目(KJ2010A075);科技部星火计划重点项目(2010GA710009)

*通讯作者 Tel:86-532-88963253;E-mail:yikechuan@sina.com

TQ028.5+3;R284.2

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