大孔树脂对吴茱萸总生物碱的吸附动力学与热力学研究

Adsorption Kinetics and Thermodynamics of Alkaloids from Euodiae Fructus by Macroporous Resins

摘要

通过静态吸附与解吸试验从4种大孔树脂中筛选出AB-8树脂，优化AB-8树脂对吴茱萸总生物碱的纯化工艺，研究AB-8树脂对吴茱萸总生物碱的吸附行为，建立等温吸附模型和吸附动力学模型以探究其吸附过程。结果表明：AB-8树脂对吴茱萸总生物碱的吸附能力优于其他树脂，优化后的纯化工艺参数为进样液浓度16 µg/mL、体积5 mL、流速3.0 mL/min，洗脱剂 (乙醇) 浓度50%、体积50 mL、流速3.0 mL/min，此条件下的吸附率和解吸率分别达82.94%和91.61%；吸附热力学研究表明，其吸附为吸热过程，Freundlich模型能更好地描述其等温吸附过程；AB-8对吴茱萸总生物碱的吸附在8 h后达到平衡，吸附过程符合准二级动力学模型，且吸附过程受液膜与颗粒内扩散共同影响。相关动力学和热力学研究结果为吴茱萸总生物碱的纯化提供了理论指导和科学依据。

Abstract

AB-8 macroporous resin was evaluated for its efficacy in adsorbing and desorbing alkaloids from Euodiae Fructus, through static adsorption and desorption methods. The optimization of purification process for these alkaloids was conducted, focusing on the adsorption behavior of the AB-8 resin. Isothermal adsorption and adsorption kinetic models were established to elucidate the adsorption process. The results indicated that AB-8 resin exhibited superior adsorption capacity for alkaloids derived from Euodiae Fructus. The optimized parameters for the purification process included an injection concentration of 16 µg/mL, a volume of 5 mL, and a flow rate of 3.0 mL/min, achieving an adsorption rate of 82.94%. For desorption, an ethanol elution concentration of 50%, a volume of 50 mL, and a flow rate of 3.0 mL/min resulted in a desorption rate of 91.61%. Thermodynamic studies revealed that the adsorption process was endothermic, and the Freundlich model provided a better fit for the isothermal adsorption process. The adsorption of alkaloids by AB-8 reached equilibrium after 8 h. The kinetics of the adsorption process conformed to a quasi-second-order kinetic model and was influenced by both liquid film and particle diffusion. The kinetic and thermodynamic findings offer theoretical guidance and a scientific basis for the purification of alkaloids from Euodiae Fructus.

Graphical abstract

关键词

大孔树脂 / 吴茱萸 / 总生物碱 / 吸附动力学 / 吸附热力学

Key words

Macroporous resin / Euodiae Fructus / Total alkaloids / Adsorption kinetics / Adsorption thermodynamics

1 前 言

中药吴茱萸 (Euodiae Fructus) 为芸香科吴茱萸属植物，药用部位为干燥近成熟果实^[1]，其应用最早记载于《神农本草经》^[2]。吴茱萸的主要活性成分为生物碱类^[3]。药理学研究表明，吴茱萸生物碱具有抗肿瘤^[4-5]、抗炎镇痛^[6-7]、心血管保护^[8]以及神经保护^[9]等作用，具有巨大的开发潜力^[10]。目前，吴茱萸生物碱的提取纯化多采用高效液相色谱法^[11-13]，而较少使用大孔树脂吸附法。因此，本文在前期吴茱萸总生物碱的提取研究^[14]基础上，采用大孔树脂吸附法对其进一步纯化，并探讨其吸附行为的动力学和热力学特征，以期为吴茱萸总生物碱的纯化提供理论依据。

2 实验部分

2.1 材料与仪器

材料与试剂：江西产中花吴茱萸，经牡丹江师范学院生命科学与技术学院孙晓薇老师鉴定为芸香科吴茱萸属吴茱萸 (Euodia rutaecarpa)；吴茱萸碱对照品 (批号：RH479609，罗恩试剂)，质量分数为98%；1,4-丁二醇、甲酸，均为分析纯，上海百舜生物科技有限公司；乙酰丙酸，分析纯，上海阿拉丁生物科技有限公司；AB-8、D101、HPD100型大孔吸附树脂，东鸿化工有限公司；NKA9型大孔吸附树脂，天津光复精细化工研究所；乙腈，色谱纯，天津星马克科技发展有限公司。

仪器：AKROS中低压制备色谱仪，日本YAMAZEN公司；T6紫外-可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；ZQZY-88BN恒温振荡器，上海知楚仪器有限公司。

2.2 实验方法

2.2.1 吴茱萸总生物碱的提取

提取方法参照文献[14]，采用超声辅助低共熔溶剂法提取吴茱萸总生物碱。以乙酰丙酸和1,4-丁二醇 (摩尔比2∶1) 制备含水量为30%的低共熔溶剂，在料液比1∶40 g/mL、温度30 ℃条件下超声提取50 min，离心后取上清液，即得吴茱萸总生物碱提取液。

2.2.2 总生物碱的含量测定

以吴茱萸碱为对照品，采用紫外分光光度法在238 nm波长处测定吴茱萸提取液中总生物碱的含量。标准曲线的绘制参照文献[14]，以吴茱萸碱浓度C(μg/mL) 为横坐标，吸光度A为纵坐标绘制标准曲线。得线性回归方程A=0.0062C+2.9427 (r=0.9995)，表明吴茱萸碱在1.0~20.0 μg/mL浓度范围内线性关系良好。

2.2.3 大孔树脂的预处理

参考文献[15]方法，对AB-8、D101、HPD100和NKA9型4种大孔树脂进行预处理。经酸碱处理后的大孔树脂用纯净水洗至中性后，晾干备用。

2.2.4 大孔树脂的静态吸附与解吸附

准确称取经预处理的4种大孔树脂各1 g于锥形瓶中，分别加入已知浓度的吴茱萸总生物碱提取液10 mL，充分混匀后置于恒温振荡器中，在180 r/min、25 ℃条件下振荡吸附6 h。吸附后分别取上清液，按2.2.2方法测定总生物碱含量，并按式(1) 计算吸附率。用纯水洗涤树脂后，加入70%乙醇 (洗脱剂)，在相同条件下恒温振荡解吸6 h，分别取解吸液测定总生物碱含量，并按式(2) 计算解吸率。

A=\frac{C_{\mathrm{0}}-C_{\mathrm{1}}}{C_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}(1)

D=\frac{C_{\mathrm{2}}}{C_{\mathrm{0}}-C_{\mathrm{1}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}(2)

式中：A为树脂的吸附率，%；D为树脂的解吸率，%；C₀为提取液中吴茱萸总生物碱浓度，µg/mL；C₁为吸附后残留总生物碱浓度，µg/mL；C₂为解吸液中总生物碱浓度，µg/mL。

2.2.5 大孔树脂纯化吴茱萸生物碱的工艺优化

准确称取经过预处理的AB-8树脂8 g于中低压色谱柱中，分别考察进样液 (浓度、体积、流速) 和洗脱剂 (浓度、体积、流速) 对吸附率和解吸率的影响，以优化大孔树脂纯化吴茱萸总生物碱的工艺参数。

2.2.6 吸附热力学

准确称取AB-8树脂1 g于锥形瓶中。将吴茱萸总生物碱溶液依次稀释为2、4、6、8、10 µg/mL的浓度，分别取各浓度样品溶液10 mL加入锥形瓶中，置于恒温振荡器。分别在25、35、45 ℃条件下，以180 r/min的转速振荡吸附6 h。吸附平衡后，分别取上清液测定吴茱萸总生物碱含量，按照式(3) 计算平衡吸附量Q_e，并绘制吸附等温线。分别用Langmuir方程(式(4)) 和Freundlich方程 (式(5)) 进行拟合，以判断吸附类型。

Q_{\mathrm{e}}=\frac{C_{\mathrm{0}}-C_{\mathrm{e}}}{m}\times V(3)

\frac{C_{\mathrm{e}}}{Q_{\mathrm{e}}}=\frac{C_{\mathrm{e}}}{Q_{\mathrm{m}}}+\frac{\mathrm{1}}{Q_{\mathrm{m}}\times K_{\mathrm{L}}}(4)

\mathrm{l}\mathrm{n}{Q}_{\mathrm{e}}=\mathrm{l}\mathrm{n}{K}_{\mathrm{F}}+\frac{\mathrm{1}}{n}\mathrm{l}\mathrm{n}{C}_{\mathrm{e}}(5)

式中：Q_e为吸附平衡时的吸附量，µg/g；C₀为吴茱萸总生物碱的初始质量浓度，µg/mL；C_e为吴茱萸总生物碱平衡质量浓度，µg/mL；m为大孔树脂质量，g；V为样品溶液体积，mL；Q_m为最大吸附量，µg/g；K_L为Langmuir常数，mL/µg；K_F为Freundlich常数，µg/g；1/n为吸附指数，其值反映吸附作用的强度。

2.2.7 吸附动力学

分别使用准一级动力学模型 (式(6))、准二级动力学模型 (式(7))、Elovich吸附方程 (式(8))对实验数据进行拟合，并使用颗粒扩散动力学模型 (式(9)) 描述扩散过程^[15]，以综合判断大孔树脂吸附吴茱萸总生物碱的吸附动力学过程。准确称取经预处理的AB-8树脂1 g于锥形瓶中，加入10 mL样品溶液，分别在25、35、45 ℃条件下以180 r/min的转速振荡吸附24 h，每隔1 h取样测定。按式 (10) 计算大孔树脂的瞬时吸附量Q_t。

\mathrm{l}\mathrm{n}\left(Q_{\mathrm{e}}-Q_{\mathrm{t}}\right)=\mathrm{l}\mathrm{n}{Q}_{\mathrm{e}}-K_{\mathrm{1}}t(6)

\frac{t}{Q_t}=\frac{\mathrm{1}}{K_{\mathrm{2}}{Q}_{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}}}+\frac{t}{Q_{\mathrm{e}}}(7)

Q_t=\frac{\mathrm{1}}{\beta }\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\alpha \beta \right)+\mathrm{l}\mathrm{n}(t)(8)

Q_t=K_{\mathrm{3}}{t}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}}(9)

Q_t=\frac{C_{\mathrm{0}-}{C}_t}{m}\times Vt(10)

式中：Q_t 为瞬时吸附量，µg/g；C_t 为t时刻吴茱萸总生物碱的浓度，µg/mL；V_t 为t时刻溶液体积，mL；K₁为准一级动力学吸附速率常数，min^-1；t吸附时间，min；K₂为准二级动力学吸附平衡常数，g/(mg·min)；α为Elovich模型的初始吸附速率，µg/(g·min)；β为模型的解吸常数，µg/g；K₃为颗粒扩散动力学吸附平衡常数mg/(g·min^1/2)。

3 结果与讨论

3.1 大孔树脂的筛选

不同型号大孔树脂对吴茱萸总生物碱的吸附和解吸性能见表1。结果显示，树脂对吴茱萸总生物碱的解吸率差异不大，但吸附率差异显著。其中AB-8树脂的吸附率最高，为79.07%，这可能是由于该树脂与生物碱的极性相似且比表面积适中^[16]。因此，选择大孔树脂AB-8进行后续吸附行为的研究。

3.2 大孔树脂纯化吴茱萸总生物碱工艺优化

3.2.1 进样液浓度的影响

在进样液流速2.0 mL/min、体积5 mL条件下，探讨进样液浓度 (4、8、12、16、20 µg/mL) 对吴茱萸总生物碱吸附率的影响。由图1可知，随进样液浓度升高，吸附率呈先升高后降低的趋势，当进样液浓度为16 µg/mL时吸附率最高，达81.12%。在较低浓度下，扩散系数或传质系数较低，浓度的增大为吸附过程提供了更强的驱动力，从而使吸附率增加^[17]。而当进样液浓度过高时，由于树脂的孔径与比表面积相对有限，单位体积的吴茱萸总生物碱含量较多，流动性变差，影响了吸附过程的进行，因此吸附率下降。故确定最佳进样液浓度为16 µg/mL。

3.2.2 进样液体积的影响

在进样液流速2.0 mL/min、浓度16 µg/mL条件下，将滤出液以3mL/管的体积依次收集，测定滤出液中吴茱萸总生物碱的含量，绘制吸附曲线。由图2可知，进样液体积为5 mL时，大部分吴茱萸总生物碱被吸附；当进样液体积增至10 mL时，滤出液中吴茱萸总生物碱含量明显增加，表明大孔树脂吸附已基本饱和。故确定最佳进样液体积为5 mL。

3.2.3 进样液流速的影响

在进样液浓度16 µg/mL、体积5 mL条件下，探讨进样液流速 (2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mL/min) 对吴茱萸总生物碱吸附率的影响，结果如图3所示。随着进样液流速增大，吴茱萸总生物碱的吸附率先增后降，当进样液流速为3.0 mL/min时吸附率最高，达82.94%。这可能是由于低流速下被吸附分子与树脂活性位点互作用较多，而流速过快会导致吸附位点未被充分占据、缩短吸附饱和时间^[18]。故确定最佳进样液流速为3.0 mL/min。

3.2.4 洗脱剂浓度的影响

在进样液浓度16 µg/mL、体积5 mL、流速2.0 mL/min，洗脱剂流速2.0 mL/min条件下，考察洗脱剂浓度 (10%、30%、50%、70%、90%) 对总生物碱解吸率的影响，结果如图4所示。随着洗脱剂浓度升高，解吸率逐渐增大，当浓度为50%时解吸率达到最大值；但浓度继续升高时，洗脱剂会因极性的减小而导致更多的杂质被洗脱。故确定最佳洗脱剂浓度为50%。

3.2.5 洗脱剂体积的影响

在进样液浓度16 µg/mL、体积5 mL、流速3.0 mL/min，洗脱剂流速2.0 mL/min、浓度50%条件下，将滤出液以5mL/管的体积依次收集，考察洗脱剂体积对总生物碱解吸率的影响，结果如图5所示。随着洗脱剂体积增加，滤出液中吴茱萸总生物碱的含量的持续降低；当洗脱剂体积为50 mL时，滤出液中吴茱萸总生物碱的含量为0.158 µg/g，解吸率达到91.80%；洗脱剂体积继续增加，滤出液中吴茱萸总生物碱的含量基本稳定。故确定最佳洗脱剂体积为50 mL。

3.2.6 洗脱剂流速的影响

在进样液浓度16 µg/mL、体积5 mL、流速3.0 mL/min，洗脱剂浓度50%、体积50 mL条件下，探讨洗脱剂流速 (2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mL/min) 对吴茱萸总生物碱解吸率的影响，结果如图6所示。当洗脱剂流速较慢时，解吸率较低，长时间的相互作用不利于吴茱萸总生物碱的解吸过程；当洗脱剂流速过快时，会导致解吸不完全^[19]。当洗脱剂流速为3.0 mL/min时，解吸率达到最大值91.61%。故确定最佳洗脱剂流速为3.0 mL/min。

3.3 吸附热力学

吴茱萸总生物碱在AB-8树脂上的吸附等温线如图7所示。相同温度下，Q_e随C_e的增大而增加；相同C_e下，Q_e随温度的升高而增大。如果吸附是一个放热过程，则吸附剂表面的吸附物质在高温下的活动增加，会导致吸附剂的吸附量减少^[20]。而本研究中的结果刚好相反，因此表明该吸附是一个吸热过程。

分别采用Langmuir模型和Freundlich模型对吴茱萸总生物碱在AB-8树脂上的吸附进行拟合，结果见表2。从表2可以看出，在25、35、45 ℃下，2种模型的相关系数良好，表明二者均可用于描述所研究浓度范围内吴茱萸总生物碱的吸附过程。但在相同温度下，Freundlich模型的R²值均高于Langmuir模型，表明Freundlich模型的拟合度更好，更适用于描述吴茱萸总生物碱的吸附过程。当温度从25 ℃提高到45 ℃时，Q_m值持续升高，表明大孔树脂吸附吴茱萸总生物碱的过程为吸热过程，这与吸附等温线的结果一致。同时，K_L和K_F值均随温度升高而增大，在45 ℃时达到最大值，进一步印证了高温有利于吴茱萸总生物碱的吸附，且该过程为吸热过程。

3.4 吸附动力学

吴茱萸总生物碱在AB-8树脂上的吸附动力学曲线如图8所示。吸附量随时间的增加逐渐增大，当吸附进行至8 h时趋于平衡，吸附量不再发生明显变化，表明已基本达到饱和状态。因此，确定AB-8型大孔树脂吸附吴茱萸总生物碱的饱和时间为8 h。

吴茱萸总生物碱吸附动力学模型拟合结果见表3。从表3可以看出，准一级和准二级动力学模型的R²均>0.97，相关性良好；在相同温度下，准二级动力模型的R²均高于准一级动力学模型，因此准二级动力学模型更适于描述该吸附过程。K₁和K₂值随温度升高而增大，Q_m也随之增加，说明该吸附过程与温度呈正相关，这与热力学吸附的结果一致。Elovich模型相关性良好 (R²>0.96)，其β值随温度升高而持续降低，说明大孔树脂表面为非均匀吸附。颗粒扩散动力学模型的相关性不佳，说明颗粒内扩散不是唯一影响吸附过程的因素，液膜扩散速率也可能对吸附过程产生影响。

4 结 论

(1) 通过静态吸附与解吸试验，从AB-8、HPD100、NKA9、D101型4种树脂中筛选出AB-8型大孔吸附树脂。优化后AB-8树脂纯化吴茱萸总生物碱的工艺条件为：进样液浓度16 µg/mL、体积5 mL、流速3.0 mL/min (吸附率82.94%)；洗脱剂 (乙醇) 浓度50%、体积50 mL、流速3.0 mL/min (解吸率91.61%)。

(2) 热力学分析表明，平衡吸附量随温度升高而增大，吸附过程为一个吸热过程，Freundlich模型更适用于描述该吸附过程。

(3) 动力学结果表明，准二级动力学模型更适合用于描述大孔树脂对吴茱萸总生物碱的吸附过程，且大孔树脂吸附吴茱萸总生物碱为非均匀表面的吸附。颗粒扩散动力学模型拟合结果表明吸附受液膜扩散与颗粒内扩散协同控制。

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基金资助

黑龙江省省属高校基本科研业务费项目(1452MSYQN008)

牡丹江师范学院高等教育教学改革研究项目 (项目号25-XJ012)

牡丹江师范学院科研项目(MNUB201710)