《武汉工程大学学报》 2015年04期
17-22
出版日期：2015-04-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
ＨＰＤ—１００大孔树脂吸附葛根异黄酮的热力学和动力学
０ 引 言葛根是豆科植物野葛的干燥根. 以葛根素、大豆苷等［１］为代表的葛根异黄酮是葛根的重要有效成分，具有抗氧化、降血糖、改善心脑血管疾病［２］等作用. 目前主要通过有机溶剂提取、大孔树脂分离的方法得到纯度较高的葛根异黄酮. 葛根异黄酮的纯化多采用ＡＢ－８［３］或Ｓ－８树脂，ＣＨＩ等［４］发现葛根素在Ｓ－８树脂上的静态吸附符合Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ热力学模型，通过树脂的纯化，产物中葛根素的纯度达到４３．７５％. 易海燕等［５］从Ｄ－１０１、ＨＰＤ－１００、ＮＫＡ－９和ＡＢ－８四种树脂种筛选出ＨＰＤ－１００树脂用于分离藤茶总黄酮，饱和吸附容量大，静态洗脱率高达９７．８１％. 高丽等［６］比较了包括ＨＰＤ－１００、ＨＰＤ－４００、ＨＰＤ－５００、Ｓ－８、ＡＢ－８在内的１１种树脂对荷叶黄酮的吸附和解吸附效果，ＨＰＤ－１００对荷叶黄酮的吸附率和解吸率都较高. 综合来看，ＨＰＤ－１００对异黄酮具有较好的吸附和解吸附效果，但对吸附葛根异黄酮过程的研究鲜有报道. 本文采用ＨＰＤ－１００树脂对葛根异黄酮进行了静态吸附研究，考察了ＨＰＤ－１００吸附葛根异黄酮的热力学和动力学特性，为大孔树脂分离纯化葛根异黄酮的工业化放大化提供理论指导. １ 实验部分１．１ 仪器与试剂ＸＨ－１００Ａ微波催化合成／萃取仪（购自北京祥鹄科技发展有限公司），ＳＨＺ－Ｄ（Ⅲ）循环水式真空泵（购自巩义市予华仪器厂），旋转蒸发仪（购自上海嘉鹏科技有限公司），ＺＨＷＹ－１１０２Ｃ恒温摇床（购自上海智城分析仪器制造有限公司），ＵＶ－２４５０紫外－可见分光光度计（购自日本岛津有限公司），ＮＷ Ｕｌｔｒａ－ｐｕｒｅ ｗａｔｅｒ超纯水系统（购自力新仪器上海有限公司），ＡＬ１０４电子分析天平［购自梅特勒－托利多（上海）仪器有限公司］. 葛根，购于三九大药房，原产地：安徽大别山；葛根素，对照品，购自成都曼思特生物科技有限公司，纯度：ＨＰＬＣ分析≥（质量分数）９８％；无水乙醇，分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；ＨＰＤ－１００树脂，购自沧州宝恩吸附材料科技有限公司）. 实验中所用去离子水均由实验室超纯水系统自制. １．２ 树脂的预处理树脂用质量分数９５％（Ｖ∶Ｖ）的乙醇浸泡２４ h后，用去离子水反复淋洗，洗至无醇味，用质量分数５％的盐酸浸泡４ h，洗至中性后再用质量分数５％的ＮａＯＨ溶液浸泡４ h，洗至中性，自然晾干. １．３ 上样液的制备配制８０％（Ｖ∶Ｖ）的乙醇，采用微波法提取葛根异黄酮，提取条件：功率５００ Ｗ，温度６０ ℃，提取１５ ｍｉｎ，得到乙醇提取液. 将醇提液在７０ ℃下减压蒸馏，除去乙醇，用去离子水定容，得到葛根异黄酮的水溶液，即为上样液. １．４ 葛根异黄酮的检测精确称取葛根素对照品８．７ ｍｇ，用乙醇溶解并定容于１０ ｍＬ容量瓶中，得浓度为０．８７ ｍｇ／ｍＬ的标准品对照液. 分别移取５０、８０、１１０、１４０、１７０ ?滋Ｌ对照液于１０ ｍＬ容量瓶，定容，在２４８ ｎｍ下测量吸光度. 以吸光度为纵坐标，浓度为横坐标作图，即得葛根异黄酮的标准工作曲线：Ａ＝０．０５１ ４×Ｃ＋０．００３ ７，线性回归系数Ｒ２＝０．９９９ ２. １．５ 静态吸附水溶液中葛根异黄酮１．５．１ 静态吸附热力学实验 取１０ ｍＬ不同浓度的上样液加入盛有０．５ ｇ ＨＰＤ－１００树脂的５０ ｍＬ锥形瓶，在２９８、３０８ Ｋ和３１８ Ｋ温度下以１２０ ｒ/ｍｉｎ的速度匀速震荡. 在达到吸附平衡前，每隔一段时间测量溶液中异黄酮的浓度，得到不同时间的吸附量Ｑｔ以及平衡后的吸附量Ｑｅ［７］. Ｑｔ＝（Ｃ０－Ｃｔ）×Ｖ/ｍ （１） Ｑｅ＝（Ｃ０－Ｃｅ）×Ｖ/ｍ （２）式中Ｃ０是上样液中异黄酮的初始质量浓度（ｍｇ/ｍＬ），Ｃｔ和Ｃｅ分别是某时刻和吸附达平衡后溶液中异黄酮的质量浓度（ｍｇ/ｍＬ），Ｑｔ和Ｑｅ分别是某时刻和吸附达平衡后树脂的吸附量（ｍｇ／ｇ），Ｖ是上样液的体积（ｍＬ），ｍ是树脂的质量（ｇ）. １．５．２ 静态吸附动力学实验 配制一系列浓度的异黄酮溶液. 依次取１０ ｍＬ溶液于已处理好的０．５ ｇ ＨＰＤ－１００树脂，分别在室温条件下放入摇床振摇，每隔一段时间测定溶液中异黄酮的浓度. １．６ 大孔树脂吸附热力学及动力学模型１．６．１ 等温吸附模型 Ｌａｎｇｍｕｉｒ和Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ模型是两个典型的热力学模型［８－９］. Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型假定吸附剂表面均匀，吸附质之间没有相互作用，吸附是单层吸附，即吸附只发生在吸附剂的外表面. Ｑｍａｘ为单层饱和吸附量（ｍｇ/ｇ），表示单位吸附剂表面，全部铺满单分子层吸附剂时的吸附量. 该模型只能适用于单分子层化学吸附的情况. 其表达式为： ■=■+■（３）通过换算，变形为下式： Ｑｅ=■（４）其中ＫＬ是一个和自由能相关的常数（ＫＬ∝ｅ－ΔＧ/ＲＴ）. 以实验数据Ｑｅ对Ｃｅ作图，通过拟合，得到Ｑｍａｘ和ＫＬ的值. Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ吸附方程既可以应用于单层吸附，也可以应用于不均匀表面的吸附情况. 它能够在更广的浓度范围内很好地解释实验结果. Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ吸附方程表达式［１０-１１］为： Ｑｅ＝ＫＦ×Ｃｅ１／ｎ （５）其中Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ常数ＫＦ与温度、吸附剂种类有关；常数ｎ与吸附体系性质有关. 如果１／ｎ的值在０．１~０．５范围内，则表示吸附容易进行，如果大于２，则吸附难以进行. 以Ｑｅ对Ｃｅ作图，用（５）式拟合，可得到ＫＦ与ｎ的值. 本实验中分别采用Ｌａｎｇｍｕｉｒ和Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ两个吸附模型考察吸附过程. １．６．２ 吸附动力学模型 拟一级和拟二级动力学是两个应用比较广泛的吸附动力学模型. 拟一级动力学模型是将吸附剂视为均匀的吸附单元，是进行固液吸附体系模拟分析的常用模型之一. 其表达式如下： ｌｎ（Ｑｅ－Ｑｔ）＝ｌｎＱｅ－ｋ１ｔ （６）式中ｔ是时间（ｍｉｎ）. 通过取对数变换为下式： Ｑｔ＝Ｑｅ（１－ｅ■） （７）以Ｑｔ为纵坐标对ｔ作图，用（７）式拟合，可以判断反应是否符合拟一级动力学规律并求得反应系数ｋ１. 拟二级动力学模型表达式如（８）： ■=■+■ （８）通过换算转换为下式： Qt=■ （９）以Ｑｔ为纵坐标对ｔ作图，用（９）式拟合，可以判断反应是否符合拟二级动力学规律并求得反应系数ｋ２. 本实验采用拟一级、二级吸附动力学模型对本吸附过程进行拟合，预测吸附动力学行为. ２ 结果与讨论２．１ 静态吸附热力学模型分别在３种不同温度下测量ＨＰＤ－１００树脂在不同浓度葛根黄酮溶液中的吸附量，得到吸附等温线，用Ｌａｎｇｍｕｉｒ和Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程拟合这些曲线，得到的方程参数列于表１. 表1 两种模型方程拟合结果及参数Table 1 Fitting equation and constants in isotherm equations 由表可知，Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程相较于Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程能更好地拟合试验数据，Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型一般适用于单分子层吸附，而Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ模型可适用于不均匀表面的多分子层吸附. 吸附剂ＨＰＤ－１００是大孔吸附材料，目标物不仅会吸附在树脂表面，还可能进入材料内部空隙，从而形成多分子层吸附，所以Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程更适用于本吸附系统. 平衡吸附系数ＫＦ表示吸附量的相对大小，该数值随温度升高而降低，结合图可知，室温对该吸附过程更为有利. 一般来说，ｎ值大于１为优惠吸附，ｎ＝１为线性吸附，ｎ值小于１为非优惠吸附. 该实验中，各条件下的吸附，ｎ值都是大于１的，即为优惠吸附［１２］. 用Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程拟合得到的等温吸附曲线如图１所示. 图１ 用Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ模型拟合的ＨＰＤ－１００吸附水溶液中 葛根异黄酮的吸附等温线Ｆｉｇ．１ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｓｏｔｈｅｒｍｓ ｆｉｔｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ ｍｏｄｅｌ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅs表2 HPD-100吸附水溶液中葛根异黄酮的热力学参数Table 2 Thermodynamic parameters for the adsorption of isoflavonoids onto HPD-100 resin from aqueous solution 由图可见平衡吸附量随吸附温度升高而下降. 室温更有利于吸附的进行. 在实验范围内，ＨＰＤ－１００对异黄酮有很好的吸附效果，表现为随溶液中异黄酮的含量升高，吸附量不断升高，甚至可达７００ ｍｇ／ｇ. ２．２ 静态吸附热力学函数的计算ＨＰＤ－１００大孔吸附树脂吸附水溶液中葛根异黄酮的过程中，热力学参数吉布斯自由能ΔＧ，吸附焓变ΔＨ以及熵变ΔＳ计算方法如下［１３－１６］. ΔＧ＝－ＲＴｌｎ（Ｋｃ） （１０）其中 Ｋｃ=■ ΔＧ=ΔH-TΔS（１１）联立上述方程得到新的计算方程如下： ln(Kc)=■-■（１２）以ｌｎ（Ｋｃ）对１／Ｔ作图，根据斜率和截距求得ΔH和ΔS的值. 然后由ΔＧ=ΔH-TΔS计算得到吉布斯自由能变，计算结果列于表２. 在２９８~３１８ Ｋ温度范围内，异黄酮初始浓度从５．４６ ｍｇ／ｍＬ增加到１３．６８ ｍｇ／ｍＬ，ΔＧ值始终是负的，说明该吸附反应可自发进行. 浓度相同时，温度越低，ΔＧ值越小，即温度越小，吸附越易进行；温度相同时，异黄酮初始浓度增加，ΔＧ值也增加，说明在相对较低的浓度条件下反应进行更为彻底. 继续增加溶液中异黄酮的初始浓度，待吸附达平衡时，溶液中还有很多异黄酮未被吸附，故而 ΔＧ大于０. 在实验范围内，ΔH值是负的，说明反应是放热过程，低温有利于反应进行. 因此，从ΔＧ和ΔH值的变化来看都是低温有利于反应进行. 图１中的Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ吸附曲线也可以得到相同结论：在所有的初始浓度下，都是吸附量随温度升高而降低. Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ吸附曲线和负的反应焓变证实ＨＰＤ－１００大孔吸附树脂从水溶液中吸附异黄酮的过程是放热过程. 负的ΔS说明吸附后液固界面的混乱的降低，这是因为溶质分子由液相吸附到固－液界面时会失去一些自由度，包括分子的平动和转动，这是熵减少的过程［１７］. ２．３ 静态吸附动力学吸附量随时间的变化以及拟合结果如图２. 从各曲线可知，吸附量随接触时间的变化规律都是类似的，可以分成３个阶段［１８］：１）０~１０ ｍｉｎ，吸附量迅速增大，说明树脂上有大量的吸附位点；２）１０~３０ ｍｉｎ，吸附量增长变缓并逐渐接近平衡；３）３０~１８０ ｍｉｎ，吸附已达到平衡，此后，溶液中的异黄酮浓度和吸附量基本不变. 树脂上大量的吸附位点使得前10 min ＨＰＤ－１００迅速从溶液中吸附异黄酮. 当大部分的位点被异黄酮分子占据后，分子间的排斥力使异黄酮难于被吸附，需要较长的时间才达到吸附平衡. 当初始质量浓度小于１３．５２ ｍｇ／ｍＬ时，超过质量分数９６％的异黄酮在１８０ ｍｉｎ内被吸附. 当初始质量浓度达到 ２０．１４ ｍｇ／ｍＬ时，吸附率下降，即使吸附时间延长至２５０ ｍｉｎ，吸附率也在８５％以下. 继续增大初始液质量浓度让吸附率继续下降. 不仅如此，吸附达平衡所要的时间也增加了. 总体来说，ＨＰＤ－１００对葛根异黄酮的吸附快速有效. 表3 HPD-100吸附水溶液中葛根异黄酮的动力学参数Table 3 Kinetic constants for the adsorption of isoflavonoid on HPD-100图２ 吸附量随时间变化曲线和拟一级、拟二级方程拟合结果Ｆｉｇ．２ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｆｉｔｔｅｄ ｗｉｔｈ ｐｓｅｕｄｏ－ｆｉｒｓｔ/ ｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ吸附动力学参数如表３所示. 拟二级动力学模型的相关系数更高并且不同浓度下拟合得到的Ｑｅｃａｌ和反应实际测得的Ｑｅｅｘｐ更为接近. 拟二级模型能更好地描述吸附过程，吸附速率随浓度升高而降低. ３ 结 语本研究考察了ＨＰＤ－１００大孔吸附树脂从水溶液中吸附葛根异黄酮的热力学和动力学过程. ＨＰＤ－１００树脂对葛根异黄酮有很大的吸附容量. 将不同温度下的恒温吸附曲线与Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ等温吸附方程拟合，可以获得较好的拟合效果，Ｒ２＞０．９９，表明该吸附为不均匀表面的多分子层吸附. 在初始浓度相同的条件下，温度越高，ＨＰＤ－１００的吸附量越大. 通过计算，得到反应的热力学函数（ΔH、ΔG和ΔS），各条件下，证实吸附为放热过程，低温有利于吸附的进行. 吸附为熵减过程，吸附后系统的混乱度降低. 该吸附为迅速过程，通过动力学曲线可知，前１０ ｍｉｎ大量异黄酮被吸附在树脂上，３０ ｍｉｎ后，吸附趋于平衡. 拟二级动力学方程可以较好表述该动力学过程. 致 谢本研究工作得到了国家自然科学基金委和湖北省科技厅的资助，在此表示诚挚的感谢！