离子液体固载型大孔树脂富集刺五加中异嗪皮啶的研究

马春慧，罗一贵，李俊含，黄永鑫，姜宁，郭文琪

(东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150040)

刺五加(Acanthopanaxsenticosus)是指五加科植物刺五加的干燥根或者茎[1]，生长于我国东北、河北、山西等地区，在俄罗斯远东针叶林地区和朝鲜半岛北部部分地区亦有分布[2]。刺五加中的生物活性成分有苷类、黄酮类、多糖类和高级脂肪酸等[3]，其中刺五加苷具有多种药理作用。刺五加苷对心脑血管的改善作用已经过初步的试验验证，刺五加苷B1和异嗪皮啶对血浆蛋白有一定的结合作用，能实现在生物体内的高效转运[4]。不仅如此，刺五加苷还有着对失眠症的改善作用，在针对小鼠的睡眠剥夺实验中，注射刺五加提取物的小鼠神经递质的分泌显著提高，缓解了失眠症状，改善了睡眠质量[5]。而异嗪皮啶作为刺五加苷类提取物中的重要成分，在医药领域的应用得到了充分的研究。在体外环境下，异嗪皮啶对人乳腺癌细胞有一定的诱导凋亡作用[6],并且异嗪皮啶和刺五加苷类物质一样有催眠镇静的作用，能作为安眠物质改善睡眠[7]。

刺五加苷B1的水解反应采用的催化剂多为无机酸碱[8]，不仅不易回收造成环境污染，且水解耗时较长。现今水解产物异嗪皮啶的富集多采用大孔树脂吸附法[9]，可根据其极性强弱的不同，有针对性地用于目标产物的分离和纯化等过程。

离子液体(IL)是一类常温下呈液态，阴阳离子结构可设计的绿色溶剂。可通过物理或化学法把离子液体固载于大孔树脂上，再改变离子液体的组成引入不同的酸碱位点，进而制备保留离子液体特性的固载型树脂材料[10]。这不仅解决了因离子液体高黏度带来的溶解问题，同时也很好地应对了均相催化体系中离子液体回收难的问题。迄今为止，离子液体在分离天然活性产物中已有了较多的应用，离子液体固载型大孔树脂已被广泛地应用于天然产物的吸附分离。Ren等[11]把六氟磷酸盐固定在Diaion HP20、AB-8、D101等多种预处理除杂后的树脂上，并利用所得材料用于环境中4种除草剂的分离和洗脱，为处理农残废水提供了新的解决方案。Cho等[12]利用三烷基胺将季铵盐离子液体固定在氯丙基化的MCM-41分子筛上，用于催化碳酸亚乙酯和甘油酯交换合成碳酸甘油酯的反应，得到的材料可循环使用3次，并且催化活性没有下降。

本研究采用聚合法制备固载离子液体的AB-8大孔树脂，对其进行红外表征证明离子液体已成功固载于大孔树脂表面，可将其应用于富集刺五加异嗪皮啶。在吸附过程中，因大部分刺五加苷B1被水解生成异嗪皮啶，从而一步完成了对刺五加苷B1的水解和对异嗪皮啶的富集这两个过程。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

刺五加干燥根茎，购自东北地区的三棵树药材市场，粉碎至180～250 μm待用。AB-8型大孔吸附树脂，购自玛雅试剂有限公司。不同类型离子液体：1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑硝酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑对甲苯磺酸盐和1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐，均购自上海成捷化学有限公司。

HZS-11A型水浴振荡器，哈尔滨东联电子有限公司；FTIR 650红外光谱仪，天津港东科技有限公司。

1.2 试验材料预处理

大孔树脂预处理：选用吸附异嗪皮啶效果最好的AB-8型大孔树脂，将该树脂置于无水乙醇中浸泡12 h。浸泡后用蒸馏水清洗数次，直至洗出液无乙醇气味，再将树脂材料浸没于蒸馏水中备用。

刺五加原料含水率的测定：将粉碎处理后的刺五加原料在105 ℃干燥箱中烘干2～4 h，质量恒定后计算含水率。样品做3个平行。

刺五加提取液的制备：在烧杯中加入适量刺五加原料，用50%乙醇(料液比1∶10，g∶mL)浸泡一昼夜，然后加热回流2 h。过滤后，再对提取液进行减压蒸馏回收。待所得液体醇味消失之后，加水稀释至0.5 g/mL。抽滤后得到刺五加提取液，遮光下于冷柜中保存，供后续大孔树脂吸附时使用。

大孔树脂固载离子液体吸附剂的制备：在500 mL三口烧瓶中加入适量氯甲基化大孔树脂(CMAR)，用乙腈溶胀过夜。这之后分别与溶有5个梯度剂量的离子液体(相对于所用CMAR质量分数的4%，8%，12%，16%和20%)的无水乙醇混合。设定磁力搅拌器加热温度为353 K，并同时通氮气，加热搅拌6 h，再用乙醇和蒸馏水依次清洗产物，得到固载离子液体吸附剂。

在电力体制改革之前，我国电力行业处于管制状态，电力行业的投资、电量、电价均处于政府管制之下。当前电力市场化模式下，各省市场价格与管制价格均有一定差异，如何解决搁浅成本是每个省面临的问题。理论上，可以出售发电厂，形成资产价值，与账面价值比较，差额部分通过电价分摊，从电费中回收。

1.3 红外表征

取少量固载[C4mim]HSO4离子液体的大孔树脂干燥产物([C4mim]HSO4@AB-8)，与KBr以质量比1∶100混合研磨，压片后于红外光谱仪上分析检测。

1.4 试验方法

1.4.1 静态吸附与解吸测定

各取5.00 g种类不同的离子液体固载的大孔树脂，放于锥形瓶中，添加20 mL刺五加提取液，恒温水浴震荡后取上层清液，用于异嗪皮啶质量浓度的测定。随后将树脂从吸附液中滤出，用蒸馏水清洗数次，再放入装有95%乙醇的锥形瓶中，恒温303 K水浴震荡解吸12 h。之后取样测算各解吸液中异嗪皮啶的质量浓度，进行3次平行试验。计算不同种类固载型大孔树脂对异嗪皮啶的吸附量(公式1)、吸附率(公式2)和解吸率(公式3)：

(1)

(2)

(3)

式中：Qe为平衡吸附量，mg/g；Vi为提取液的体积，mL；Ce为吸附平衡后溶液中异嗪皮啶的质量浓度，mg/mL；C0为刺五加原液中异嗪皮啶的质量浓度，mg/mL；W为树脂质量，g；E为吸附率，%；D是解吸率，%；Vd为解吸液的体积，mL；Cd为解吸液中异嗪皮啶的质量浓度，mg/mL。

1.4.2 水解动力学

将100 mL 50%乙醇提取的刺五加提取液中加入适量[C4mim]HSO4@AB-8，于圆底烧瓶中加热回流4 h后过滤，将[C4mim]HSO4@AB-8从反应体系中分离。每小时用注射器抽取1 mL提取液，经滤膜过滤后，通过高效液相色谱(HPLC)检测异嗪皮啶的增量情况，确定最佳水解时间。

1.4.3 静态吸附动力学

称取5.00 g固载[C4mim]HSO4的AB-8大孔树脂于锥形瓶中，加入25 mL刺五加提取液，设定水浴震荡温度为298 K。分别在10，20，40，80，120，160和200 min时取少许上清液，用于异嗪皮啶质量浓度的测定。每个样品做3个平行。

将刺五加提取液分别稀释成质量浓度为0.50，1.54，2.62，3.16，3.62和4.15 mg/mL的溶液，准确称取5.00 g[C4mim]HSO4负载的大孔树脂吸附剂，分别加入稀释液中。并于303，308和313 K共3个温度梯度进行恒温水浴振荡(150 r/min)，静态吸附14 h后，然后测定Ce，计算得到Qe。每个样品做3个平行。

1.4.5 动态吸附与解吸

取50 mL 固载[C4mim]HSO4的大孔树脂吸附剂，湿式装柱。用标准体积的刺五加提取液过柱，并以不同的流速测试过柱效果。当动态吸附到达均衡点，用蒸馏水不断淋洗层析柱，采用不同体积分数梯度的乙醇反复淋洗。测定流出液和洗脱液中异嗪皮啶的质量浓度，同时以得到的结果为依据来进行异嗪皮啶吸附量和解析率的计算。得到计算结果后对上样体积、流速、洗脱液体积分数等条件进行改进，得到动态吸附条件的最优组合。每个样品做3个平行。

2 结果与分析

2.1 红外测定分析结果

离子液体、预处理后的大孔树脂和固载离子液体的大孔树脂的红外谱图见图1。由图1可知，在1 069 cm-1离子液体咪唑环的特征峰非常明显，说明离子液体已成功固载于大孔树脂表面；3 000 cm-1附近有一个略微鼓起的弧形峰，应为离子液体中所含阴离子的特征基团；而固载离子液体的大孔树脂样本在701 cm-1的吸收峰明显高于未固载离子液体的大孔树脂。由此可知，离子液体减弱了大孔树脂的苯环结构间稳定的键合作用，初步推测其成功固载于大孔树脂表面。

图1 离子液体、预处理后的大孔树脂与固载离子液体的大孔树脂的红外谱图Fig. 1 Infrared spectra of ionic liquid and macroporous resin before or after immobilization with ionic liquid

2.2 离子液体固载型大孔树脂的筛选

5种离子液体固载AB-8大孔树脂的静态吸附与解吸量的对比研究结果见图2。由图2可知，AB-8型大孔树脂固载1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐吸附剂的吸附量和解吸量均为最高。

图2 5种离子液体固载AB-8大孔树脂的静态吸附与解吸Fig. 2 Absorption and analysis of static data of 5 kinds of ionic liquids immobilized on AB-8 macroporous resin

2.3 水解动力学结果分析

水解反应动力学试验：60 min水解后异嗪皮啶的质量浓度为0.592 mg/g，120 min后为0.643 mg/g，180 min后为0.660 mg/g，最终在240 min达到平衡，异嗪皮啶的质量浓度为0.681 mg/g。由此可知，水解反应在一开始时速度很快，异嗪皮啶的增量随着时间增加而增加，在反应进行到240 min达到平衡。其原因可能是在水解反应伊始，刺五加苷B1的量较多，主反应水解得到的异嗪皮啶的量大于逆反应消耗的量，而在240 min时，异嗪皮啶水解产生和反应消耗的量达到平衡。出于节能和提高水解效率的原因，选择最佳水解时间为240 min。

2.4 吸附及解吸动力学结果分析

精准称量5.00 g[C4mim]HSO4@AB-8固载大孔树脂，放入锥形瓶中，再加20 mL刺五加提取液，经恒温水浴震荡，每隔一定时间取上清液用于异嗪皮啶的质量浓度的测定，并以此为依据计算吸附量，绘制吸附动力学曲线(图3)。随后将吸附饱和的树脂从吸附液中倒出，用蒸馏水清洗数次。再以95%乙醇为溶剂，在设定温度为303 K的恒温水浴器中震荡12 h，每隔一定时间取样测定吸液中异嗪皮啶的质量浓度，用于计算解吸量(图3)。

图3 吸附-解吸动力学曲线图Fig. 3 Adsorption-desorption kinetic curves

由图3可知，异嗪皮啶的吸附量随时间增加而增加，并且在0～80 min时增幅显著，此阶段材料对异嗪皮啶的吸附速率逐步变大。这是因为吸附进程刚开始时可供异嗪皮啶结合的活性位点数量较多，树脂中的微小孔隙未被占据，因而吸附速度较快。80 min后，异嗪皮啶从树脂表面逸散到孔隙内部时受到了一定阻力且活性吸附位点减少，因此吸附速率减缓。120 min后曲线逐渐平缓，吸附近似达到平衡。固载[C4mim]HSO4的AB-8大孔树脂在0～50 min时解吸速率较快，此时异嗪皮啶的解吸速率随时间增加而增加，是解吸液与树脂材料间异嗪皮啶浓度差别较大且异嗪皮啶更易溶于乙醇所致[16]。而在50 min之后解吸速率显著减缓，在120 min之后解吸曲线整体趋于平缓，此时可以认为该过程达到了解吸-吸附平衡。

2.5 吸附等温线结果分析

AB-8型大孔树脂固载[C4mim]HSO4吸附刺五加提取液中异嗪皮啶的静态吸附所得数据绘制成的等温线见图4。当吸附温度为303 K时异嗪皮啶吸附量最大，313 K时最小。说明：在较低的吸附温度，AB-8型大孔树脂固载[C4mim]HSO4吸附剂对异嗪皮啶的吸附有推动作用，即异嗪皮啶在树脂表层的吸附过程为放热反应过程；同样温度下，异嗪皮啶的吸附量随质量浓度的升高渐渐增加，但吸附速率略有下降，表明AB-8型大孔树脂固载[C4mim]HSO4吸附剂的吸附能力受样品质量浓度影响较大，低浓度时吸附更快。从曲线图趋势能够看出[C4mim]HSO4@AB-8对异嗪皮啶的吸附属于单分子层物理吸附。

图4 异嗪皮啶吸附等温线Fig. 4 Adsorption isotherm curve of isotriazine

2.6 动态吸附解析结果分析

在动态吸附与解析全过程中，上样流速对异嗪皮啶吸附量的影响见图5a，上样体积对异嗪皮啶吸附量的影响见图5b，乙醇体积分数和流速对异嗪皮啶解析率的影响分别见图5c和5d。在动态吸附过程中，随上样流速的增加，异嗪皮啶的吸附量先升高再减少，在2.5 BV/h流速下吸附量最大(BV为填充满层析柱中树脂空隙所需提取物的体积，mL)；随上样体积的增加，异嗪皮啶的吸附量也是先增后减，上样体积为3 BV时吸附量最大，此时达到异嗪皮啶的泄漏点(泄漏点为流出液中异嗪皮啶的浓度为上样液中异嗪皮啶浓度的10%时)。在解析过程中，随着乙醇体积分数的增加，异嗪皮啶的解析率先增后减，且乙醇体积分数选择为75%时洗脱效率最高；随着洗脱流速的增加，异嗪皮啶的解析率也先增后减，且洗脱流速选择2.5 BV/h时，洗脱效率最高。将流出液收集浓干，终产物中异嗪皮啶纯度为28.7%。

图5 动态吸附与解析曲线Fig. 5 Dynamic adsorption-desorption curves

3 结 论

1)采用聚合法将离子液体固载到作为吸附剂的AB-8型大孔树脂上，通过红外谱前后对比得知离子液体已成功固定在大孔树脂表面。

2)将所得材料用于水解刺五加苷B1，并同时富集水解产物异嗪皮啶，通过对异嗪皮啶吸附量的测定，筛选出最优的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢根离子液体，对其吸附与解吸特性进行探究，得出最优的试验条件为：在反应温度为303 K时静态吸附2 h，吸附量为101.2 mg/g。动态吸附时最佳上样流速为2.5 BV/h，最佳上样体积为每小时3 BV。过柱流程完成后再以体积分数75%乙醇为洗脱液进行洗脱和进一步纯化过程，最终得到的产品纯度为28.7%。