D-101大孔吸附树脂吸附楮实子总黄酮的热力学、动力学研究

宗晨冉， 时振伟， 丁 冲， 张馨洁， 刘占军， 李 洋*

(1.华北理工大学药学院，河北 唐山 063210；2.河北工业大学，省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130)

楮实子为桑科植物构树Broussonetiapapyrifera(L.) Vent.的成熟果实，经洗净、晒干后除去灰白色膜状宿萼和杂质获得，被《中国药典》收录，用于治疗肝肾不足、腰膝酸软、虚劳骨蒸、头晕目昏、目生翳膜、水肿胀满[1]，查尔酮、黄烷醇、二氢黄酮等是其主要药理活性成分，具有广阔的开发前景。大孔吸附树脂是一种人工合成的有机高分子聚合物，为多孔立体结构，具有选择性高、吸附速度快、成本低、溶剂消耗少、容易再生等显著优点[2]，广泛应用于药用植物活性成分的分离纯化[3]，但目前尚无国内外关于其对楮实子总黄酮吸附理论方面的报道。因此，本实验在前期研究的基础上[4]，研究D-101大孔吸附树脂吸附楮实子总黄酮的热力学、动力学，以期为该成分分离纯化提供理论依据，也为深入研究其药理作用机制奠定基础。

1 材料

1.1 仪器 Lambda 35型紫外可见分光光度计(美国PerkinElmer公司)；RV8型旋转蒸发仪(德国IKA公司)；ME155DU型电子天平[梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司]；P120H超声波清洗器(德国Elma公司)；ZD-85型汽浴恒温振荡器(常州荣华仪器制造有限公司)；A-1000S水流抽气机(上海爱朗仪器有限公司)。

1.2 试剂与药物 楮实子购自安徽省亳州市，经华北理工大学药学院刘占军教授鉴定为桑科植物构树Broussonetiapapyrifera(L.) Vent.的成熟果实。芦丁对照品(中国食品药品检定研究院，纯度>95%)。Seplite D-101大孔吸附树脂(西安蓝晓科技新材料股份有限公司)。无水乙醇为分析纯(天津市津东天正精细化学试剂厂)；NaNO2为分析纯(天津市北方天医化学试剂厂)；Al(NO3)3·9H2O为分析纯(天津市光复精细化工研究所)；NaOH为分析纯(天津市永大化学试剂有限公司)；HCl为分析纯(批号20150912，质量分数36%～38%，北京化工厂)。

2 方法

2.1 总黄酮提取 楮实子按料液比1∶35加入80%乙醇，在40 ℃、59 kHz下超声提取30 min，过滤后收集滤液，重复3次，合并滤液，浓缩滤液并回收乙醇，过滤除去滤液中不溶物，置于4 ℃下保存备用。

2.2 线性关系考察 参考文献[4-5]报道的方法，并作适当修改。精密称取5.00 mg芦丁对照品，60%乙醇溶解并定容至50 mL量瓶中，作为对照品溶液，精密量取1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 mL至25 mL量瓶中，去离子水定容至8 mL，加入1 mL 5%NaNO2溶液，摇匀后反应6 min，再加入1 mL 10%Al(NO3)3溶液，摇匀后反应6 min，再加入10 mL 4%NaOH溶液，去离子水定容后反应15 min，在510 nm波长处测定吸光度，以其为纵坐标(A)，芦丁质量浓度为横坐标(X)进行回归，得方程为A=12.723X-0.012 1(R2=0.999 0)，在0.004～0.028 mg/mL范围内线性关系良好。

2.3 树脂预处理 95%乙醇浸泡D-101大孔吸附树脂4 h后，乙醇洗至流出液与去离子水按1∶3比例混合后不浑浊，去离子水洗至无醇味，3%HCl溶液浸泡3 h，去离子水洗至中性，5%NaOH溶液浸泡3 h后，去离子水洗至中性[6]，测得其含水量为68.07%。

3 结果

3.1 吸附热力学

3.1.1 吸附等温曲线 图1显示，Qe随着Ce、温度增加而升高，故适当增加温度、药物质量浓度利于吸附。

图1 D-101大孔吸附树脂对楮实子总黄酮的吸附等温曲线

表1 Langmuir方程及参数

表2 Freundlich方程及参数

表3 Dubinin-Radushkevich方程及参数

表4 Temkin-Pyzhev方程及参数

当Qe分别为2、4、6、8、10 mg/g时，通过Freundlich等温线方程可计算出3个温度下的lnCe，相关系数分别为0.984 1、0.999 8、0.988 9、0.969 6、0.948 1，计算ΔH、ΔG、ΔS，结果见表5。由此可知，ΔH绝对值<40 kJ/mol，表明吸附过程为物理机制；ΔG<0，表明树脂对总黄酮的吸附具有较强的推动力，并可自发进行[11]；ΔS>0，即整个吸附体系的混乱程度增加，吸附为熵驱动的过程。另外，整个吸附过程中同时存在总黄酮吸附、溶剂水脱附，故前者(自由度减少，为熵减过程)与后者(自由度增加，熵增过程)构成总熵变，由于分子量的差异，每个总黄酮分子的吸附相应会有多个水分子的解吸，故最终表现为熵增[12]。

表5 D-101大孔吸附树脂吸附楮实子总黄酮的热力学参数

3.2 吸附动力学 图2显示，吸附在540 min后达到平衡。

图2 D-101大孔吸附树脂对楮实子总黄酮的吸附动力学曲线

表6 各模型动力学参数

4 讨论

当溶液中楮实子总黄酮浓度与D-101大孔吸附树脂界面的浓度达到动态平衡时，表明已建立吸附平衡，在吸附过程中树脂对总黄酮的吸附速率取决于溶液中后者质量浓度及前者吸附容量或吸附剂特性。热力学数据可从初始非平衡模式预测系统的最终状态，而动力学分析可确定完成吸附反应所需要时间，本实验采用相关系数对数据进行线性化和统计分析，以确定“最佳拟合”模型。

4.3.1 吸附热力学 Langmuir热力学模型中RL表示楮实子总黄酮与D-101大孔吸附树脂的亲和力，当RL=0时为不可逆吸附，01时不利于吸附[8,13]，在本实验温度下D-101大孔吸附树脂的吸附是有利的。Freundlich热力学模型中，n代表吸附性能，0<1/n<1时为优惠吸附，1/n=1时为不可逆吸附，1/n>1时为非优惠吸附，本实验中n值均大于1，可判断为优惠吸附，表明树脂对总黄酮具有良好的吸附作用[14]，与RL一致。Dubinin-Radushkevich热力学模型中Ea是用来判断吸附类型[8,15-16]，在1～8 kJ/mol时为物理吸附，在实验温度下为4 kJ/mol左右，表明它为物理吸附。Temkin-Pyzhev热力学模型中RT/bT随着温度的升高而增加，为吸热吸附[17]。

4.3.2 吸附动力学 准一级动力学模型的理论值Qe,t与实验测定值Qe,e相差较大，表明吸附过程不符合准一级动力学，而与准二级动力学模型拟合度最高，R2均大于0.99。Elovinch动力学模型的相关性良好，表明吸附速率为先快后慢，与吸附动力学曲线一致。各动力学模型在较低温度下相关性均较好，并且随着温度升高而降低。

4.3.3 吸附控制机理 上述动力学模型无法确定扩散机制，故采用粒内扩散模型。如果发生粒内扩散，则Qt对t1/2的拟合曲线为线性，并且绘图通过原点时速率限制过程仅为粒内扩散，否则除粒内扩散外可能还涉及其他机制。本实验发现，粒内扩散拟合曲线没有经过原点，表明内部扩散不是唯一限速步骤[18]，一般可分为3个连续步骤，即膜扩散、粒内扩散、平衡阶段，其中平衡阶段被认为非常快，不能将其视为限速步骤。为了预测吸附过程中涉及的实际控速步骤，使用Boyd模型作进一步分析，可用于预测吸附过程中所涉及的扩散机制，而且其拟合曲线也没有经过原点，即液膜扩散与粒内扩散相互作用决定了D-101大孔吸附树脂吸附楮实子总黄酮的速率[19]。

5 结论

Freundlich模型、Dubinin-Radushkevich模型、Temkin-Pyzhev模型均能很好地拟合实验温度下楮实子总黄酮被D-101大孔吸附树脂吸附的过程，R2均大于0.98，即为优惠吸附(吸附利于进行)和物理吸附，并且吸附热随覆盖的厚度线性递减。热力学参数ΔH>0，ΔG<0，ΔS>0，表明吸附可自发进行，为吸热熵增过程，并且楮实子总黄酮吸附与溶剂水的解吸同时进行。动力学实验结果显示，准二级动力学模型拟合度最高，R2均大于0.990 0，能很好地表述吸附过程，吸附过程为先快吸附后慢吸附，而且液膜扩散和粒内扩散相互作用控制吸附速率。

虽然本实验探讨了楮实子总黄酮的D-101大孔吸附树脂吸附，但其不同成分之间的竞争结合位点也会对吸附产生一定影响。因此，仍需要进行更多相关研究，以便准确预测控制该成分吸附速率扩散和动力学传递机制，为下一步分离纯化提供理论依据。