膜分離技術(shù)純化絞股藍(lán)皂苷

易克傳, 岳鵬翔, 李 慧

(1.安徽科技學(xué)院 工學(xué)院, 安徽 鳳陽(yáng) 233100; 2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院, 安徽 合肥 230036)

絞股藍(lán)(Gynostemma)為葫蘆科絞股藍(lán)屬植物，現(xiàn)代藥理研究表明其主要藥效成分為絞股藍(lán)皂苷，具有抑制腫瘤、防止衰老、降血脂、增強(qiáng)免疫、防治糖皮質(zhì)激素不良反應(yīng)、保護(hù)心臟和肝臟、降血糖、鎮(zhèn)靜止痛及抗?jié)兊茸饔肹1-3]. 自1976年以來(lái)，日本學(xué)者已從絞股藍(lán)中分離出80多種皂苷，其中6種與人參皂苷結(jié)構(gòu)相同，許多絞股藍(lán)皂苷水解產(chǎn)生的次級(jí)苷、苷元和次級(jí)苷元與人參皂苷的水解產(chǎn)物相同，被譽(yù)為“南方人參”. 近年來(lái)，絞股藍(lán)皂苷廣泛應(yīng)用于保健食品、醫(yī)藥及化妝品等領(lǐng)域. 目前國(guó)內(nèi)外多采用甲醇和乙醇加熱回流法對(duì)絞股藍(lán)皂苷進(jìn)行提取，該法不僅會(huì)消耗大量有機(jī)溶劑，增加生產(chǎn)成本，而且不利于連續(xù)操作，所得皂苷純度也不高[4]. 本試驗(yàn)采用陶瓷膜和超濾膜對(duì)絞股藍(lán)提取液進(jìn)行兩級(jí)過(guò)濾，探討了膜分離技術(shù)分離純化絞股藍(lán)皂苷的工藝，為膜技術(shù)應(yīng)用于中草藥深加工提供參考.

1 膜分離純化機(jī)理

膜分離是以外界能量或壓力差為推動(dòng)力，利用膜組件對(duì)組分中分子量大的物質(zhì)進(jìn)行選擇性截留，而讓溶劑和小分子物質(zhì)透過(guò)，從而對(duì)雙組分或多組分的溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離和提純. 膜分離過(guò)程具有常溫操作，多數(shù)過(guò)程無(wú)相變，能耗低，分離效率高等特點(diǎn)[5-7].

因絞股藍(lán)提取液中所含成分較復(fù)雜，既含有生物堿、苷類、黃酮類、酚類等生物活性成分和一些無(wú)機(jī)小分子物質(zhì)，同時(shí)又含有大量的亞微粒、微粒及絮狀沉淀和一些如淀粉、樹膠、果膠、粘液質(zhì)、蛋白質(zhì)等可溶性大分子雜質(zhì)，因此考慮先采用陶瓷膜微濾處理股藍(lán)提取液，以除去大量亞微粒、微粒及絮狀沉淀和一些大分子物質(zhì)，為超濾提供可靠的預(yù)處理；然后用超濾膜處理陶瓷膜透過(guò)液，以除去料液中分子量較小的無(wú)機(jī)小分子物質(zhì)，所得截留液經(jīng)濃縮、干燥即為目標(biāo)物(絞股藍(lán)總皂苷).

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

絞股藍(lán)干葉，購(gòu)于湖北省咸豐縣綠緣富硒絞股藍(lán)有限公司；人參皂苷Rb1標(biāo)準(zhǔn)品：對(duì)照品，中國(guó)藥品生物制品檢定所；試劑：甲醇、高氯酸、冰醋酸、香草醛等均為分析純.

AEL-160型電子天平，日本島津；R-201型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，北京長(zhǎng)安科學(xué)儀器廠；超聲波逆流提取機(jī)，江蘇丹陽(yáng)制藥機(jī)械廠；Buchi mini spray dryer B-290型噴霧干燥機(jī)，瑞士；724型分光光度計(jì)，上海光學(xué)儀器五廠；SJM-FHM型無(wú)機(jī)陶瓷復(fù)合膜分離設(shè)備和SJM-UHM型超濾膜分離設(shè)備，合肥世杰膜公司生產(chǎn).

2.2 膜的選擇

陶瓷膜：其主要作用是去除提取液中大分子物質(zhì)，為超濾作預(yù)處理，選擇材料Al2O3，19 管道，長(zhǎng)度42 cm，膜面積0.2 m2，孔徑0.5 μm；超濾膜：采用聚砜卷式中空纖維膜，19 管道，長(zhǎng)度42 cm，膜面積0.2 m2，選用截留分子量5×104，3×104，1.5×104和8×103幾種膜進(jìn)行試驗(yàn).

2.3 目標(biāo)物的測(cè)定

1)固形物得率測(cè)定. 取待測(cè)液適量，經(jīng)干燥得提取固形物，在恒溫條件下稱重，可計(jì)算出相應(yīng)固形物得率.

2)皂苷含量測(cè)定[8-9]. 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：精密稱取人參皂苷Rb1標(biāo)準(zhǔn)品10 mg，加入5 mL容量瓶中，用醇溶解稀釋至刻度，搖勻，得到質(zhì)量濃度為2 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液. 精密吸取標(biāo)準(zhǔn)溶液100 μL置于10 mL具塞試管中，精密加入5%香草醛冰醋酸溶液0.4 mL，高氯酸1.6 mL，密封，搖勻. 于60 ℃水浴中保溫加熱15 min，取出，立即放入水浴中冷卻至室溫，加入10 mL冰醋酸，搖勻，置比色皿中在波長(zhǎng)400～600 nm進(jìn)行掃描，其均在550 nm處有最大吸收，故確定檢測(cè)波長(zhǎng)為550 nm. 分別精密吸取標(biāo)準(zhǔn)溶液0，50，100，150，200，250 μL置于6個(gè)10 mL具塞試管中，按波長(zhǎng)測(cè)定的操作，在550 nm處測(cè)定吸收值，空白試劑為參比，測(cè)得數(shù)據(jù)如表1.

表1 人參皂苷Rb1標(biāo)準(zhǔn)品吸光度值Tab.1 Absorbance of standard Ginsenoside Rb1

以溶液的吸光度值A(chǔ)和皂苷質(zhì)量濃度Y(μg/mL) 用最小二乘法做線性回歸處理，得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程：Y=80.249A-0.254(R=0.999 8).

樣品皂苷的測(cè)定：精密稱取所得固形物適量M(mg)，制成60 mg/mL樣品的甲醇溶液，搖勻. 精密吸取以上溶液0.10 mL，加入15 mL具塞試管內(nèi)，以下操作同于標(biāo)準(zhǔn)曲線，在同條件下測(cè)定吸光度，代入回歸方程可求出固形物皂苷含量m(mg).

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1絞股藍(lán)提取液制備

將絞股藍(lán)葉粉碎成20目左右的粗粉，以水為溶媒，用超聲波逆流提取機(jī)進(jìn)行提取，提取條件為料液比1 g∶35 mL，提取溫度80 ℃，提取時(shí)間50 min[10]. 提取液經(jīng)粗濾得絞股藍(lán)皂苷提取液.

2.4.2絞股藍(lán)皂苷純化試驗(yàn)

分別采用陶瓷膜和超濾膜對(duì)絞股藍(lán)提取液進(jìn)行兩級(jí)過(guò)濾，對(duì)影響分離純化的操作壓力、溶液溫度和膜孔大小等因素進(jìn)行研究，以確定膜分離純化過(guò)程中的最佳工藝參數(shù).

3 結(jié)果與分析

3.1 微濾過(guò)程

在40 ℃，過(guò)濾壓差0.24 MPa，流量50 mL/s條件下對(duì)提取液進(jìn)行錯(cuò)流循環(huán)微濾. 經(jīng)微濾的透過(guò)液澄清透明，濁度為3.4，呈淡黃色，于15 ℃放置15 d濁度和色度不變. 原提取液和透過(guò)液中總固形物和總皂苷含量見表2.

表2 微濾前后提取液中成分變化情況Tab.2 Change of extract liquid ingredients after filtration %

陶瓷膜對(duì)絞股藍(lán)皂苷的截留率=(提取液質(zhì)量×提取液皂苷含量-透過(guò)液質(zhì)量×透過(guò)液皂苷含量)/提取液質(zhì)量×提取液皂苷含量.

經(jīng)計(jì)算陶瓷膜對(duì)絞股藍(lán)皂苷的截留率小于6%，說(shuō)明通過(guò)微濾可把提取液中的懸浮雜質(zhì)基本除去，而有效成分損失較少. 陶瓷膜微濾過(guò)程中，膜通量隨時(shí)間的變化關(guān)系見圖1.

圖1 微濾時(shí)間對(duì)膜通量的影響Fig.1 Effect of filtration time on permeate flux

由圖1可見，在剛開始的12 min內(nèi)膜通量由200 L·m-2·h-1下降到50 L·m-2·h-1左右，降低了75%，這是由于提取液中雜質(zhì)在膜上的吸附所引起的，但在隨后20～80 min內(nèi)，膜通量幾乎不變，維持在40～50 L·m-2·h-1，過(guò)程穩(wěn)定.

3.2 超濾過(guò)程

3.2.1操作壓力對(duì)膜通量的影響

用截留分子量5×104的超濾膜，在溶液溫度30 ℃時(shí)，進(jìn)行超濾，測(cè)得不同壓力下的膜通量如圖2 .

圖2 操作壓力對(duì)膜通量的影響Fig.2 Effect of operation pressure on permeate flux

由圖2可見，隨著操作壓力的增大，料液透過(guò)通量也隨之增加，當(dāng)壓力達(dá)到 0.80 MPa 后，超濾通量趨于穩(wěn)定. 原因是操作壓力增大到一定程度時(shí)，增加了超濾膜和主體料液之間的濃度差，使膜面上凝膠層形成較快，增大了料液通透阻力，使?jié)B透通量穩(wěn)定在一定水平. 所以選定操作壓力為0.80 MPa.

3.2.2溶液溫度對(duì)膜通量的影響

采用截留分子量5×104的超濾膜，操作壓力為0.80 MPa，不同溶液溫度的膜通量如圖3.

圖3 溶液溫度對(duì)膜通量的影響Fig.3 Effect of solution temperature on permeate flux

由圖3可見，溫度在40 ℃以下時(shí)，隨溫度升高，膜通量增加明顯，而高于40 ℃時(shí)，膜通量趨于穩(wěn)定. 原因是初始時(shí)由于溫度的升高，膜面上的大分子物質(zhì)向兩側(cè)溶液中擴(kuò)散速度增加，從而減輕了濃差極化和凝膠層的產(chǎn)生，使得膜的滲透性能提高，膜通量增加；當(dāng)溫度升到一定值后，溶液中一些成分發(fā)生熱變性，從而使其溶解度迅速減小，并在膜面堆積，造成膜通量下降. 試驗(yàn)選定溶液溫度為40 ℃.

3.2.3膜孔徑對(duì)純化效果的影響

分別采用截留分子量5×104、3×104、1.5×104和8×103的超濾膜對(duì)經(jīng)微濾后的透過(guò)液進(jìn)行超濾，超濾條件是溫度40 ℃、壓力0.80 MPa. 對(duì)各種條件下所得截留液及固形物檢測(cè)，結(jié)果見表3.

表3 不同超濾膜處理后截留液中有效成分含量

Tab.3 Effective components content of withheld fluid after filtration process with different ultrafiltration membranes

超濾膜的截留分子量5×1043×1041.5×1048×103截留液中固形物含量/%1.452.712.93.56截留液中皂苷含量/%0.191.100.750.43固形物中皂苷含量/%1040.5726.0025.03皂苷截留率/%17.5867.0380.7778.67

皂苷截留率=(截留液質(zhì)量×相應(yīng)截留液中皂苷含量)/(陶瓷膜透過(guò)液質(zhì)量×透過(guò)液皂苷含量).

從表3可看出，不同規(guī)格的超濾膜組件，對(duì)絞股藍(lán)提取液中固形物和皂苷的截留率不同，隨著膜組件截留分子量的增大，相應(yīng)截留液中固形物含量減小；對(duì)皂苷截留率分析，當(dāng)膜截留分子量小于3×104時(shí)，對(duì)皂苷截留率均較大，在膜截留分子量為1.5×104時(shí)最大；對(duì)所得固形物中皂苷含量分析，采用截留分子量為3×104的膜處理后，所得固形物中皂苷含量即皂苷純度最高，為40.57%. 考慮到超濾的效率和成本，選用截留分子量為3×104的膜.

超濾過(guò)程中，截留分子量為3×104超濾膜的通量隨時(shí)間的變化關(guān)系見圖4.

圖4 超濾時(shí)間對(duì)膜通量的影響Fig.4 Effect of ultrafiltration time on permeate flux

由圖4可見，超濾過(guò)程中，膜通量除在開始有稍許波下降外，膜通量的衰減變化不顯著，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)膜通量穩(wěn)定在35～40 L·m-2·h-1. 由于采用微濾預(yù)處理，去除了大量的大分子物質(zhì)，減輕了濃差極化和凝膠層阻隔作用，因而使超濾過(guò)程較為穩(wěn)定.

4 結(jié) 論

利用膜技術(shù)分離純化絞股藍(lán)皂苷方法可行，操作簡(jiǎn)單可靠，產(chǎn)品質(zhì)量好；通過(guò)試驗(yàn)選擇最佳的工藝參數(shù)為：陶瓷膜，孔徑0.5 μm，溶液溫度40 ℃，過(guò)濾壓差0.24 MPa；超濾膜，截留分子量為3×104，溶液溫度40 ℃，操作壓力0.80 MPa.