膜技術(shù)純化菊花總黃酮的工藝研究

易克傳，曾其良，李 慧

安徽科技學院工學院，鳳陽233100

膜技術(shù)純化菊花總黃酮的工藝研究

易克傳*，曾其良，李 慧

安徽科技學院工學院，鳳陽233100

研究膜分離技術(shù)分離純化菊花黃酮的工藝，以菊花總黃酮純度和操作過程穩(wěn)定性為評價指標，采用膜分離技術(shù)對菊花提取液進行處理，對膜的規(guī)格、溶液溫度、操作壓力和操作時間進行了優(yōu)選。結(jié)果表明:選擇孔徑0.5 μm無機陶瓷膜，在溶液溫度50℃、操作壓力0.25 MPa條件下，微濾180 min能達到較好地除雜和澄清的效果;選擇截留分子量為8×103的超濾膜，在溶液溫度40℃、操作壓力1.6 MPa條件下，超濾120 min，總黃酮純度為19.81%。采用膜技術(shù)純化菊花總黃酮的工藝操作簡單，純化效果高。

膜技術(shù);陶瓷膜;超濾膜;菊花黃酮;純化

菊花是菊科植物菊(Chrysanthmum)的頭狀花序，在我國絕大多數(shù)省、地區(qū)都有分布，菊花是一種常用中藥，具有清熱解毒、清肝明目、治頭痛眩暈、提高免疫能力等作用，研究表明其有效成分主要為黃酮類化合物［1］。黃酮類化合物具有抗氧化、抗癌、防止心血管疾病、消炎、抗過敏、鎮(zhèn)痛、抗菌、抗病毒等作用［2，3］。

目前提取黃酮類化合物的常用方法有熱水法、醇法、稀堿法及溶劑法等，用于分離黃酮類化合物的方法主要有溶劑或pH梯度萃取、鉛鹽沉淀、硼酸絡(luò)合、柱層析等方法［4-6］。這些方法存在工序復(fù)雜，耗用有機溶劑多和生產(chǎn)周期長的缺點。研究表明滁菊花提取液中主要含有生物堿、苷類、黃酮類、酚類等生物活性成分和一些無機小分子物質(zhì)，同時含有大量的亞微粒、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)。本文采用膜分離技術(shù)對滁菊花水提取液進行處理，探討了膜技術(shù)純化菊花總黃酮的工藝，為膜技術(shù)用于中草藥深加工和工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

分離純化工藝流程如圖1所示。

圖1 膜分離純化工藝流程Fig.1 The process of membrane separation and purification

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料:干菊花 由安徽省滁州市滁菊研究所提供;蘆丁對照品中國藥品生物制品檢定所;試劑無水乙醇、NaOH、NaNO2、Al(NO3)3等均為分析純。

儀器:超聲波逆流提取機，江蘇丹陽制藥機械廠;AEL－160電子天平，日本島津公司;R－201型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，北京長安科學儀器廠;電熱恒溫鼓風干燥箱，上海申賢恒溫設(shè)備廠;Buchi mini spray dryer B-290噴霧干燥機，瑞士BUCHI實驗室儀器公司; 724型分光光度計，上海光學儀器五廠;SJM-FHM無機陶瓷復(fù)合膜分離設(shè)備和SJM-UHM超濾膜分離設(shè)備，合肥世杰膜公司;陶瓷膜，材料Al2O3，19管道，長度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，長度42 cm，膜面積0.2 m2，選用截留分子量3×104、1.5×104、8× 103和5×103幾種膜進行試驗。

1.2 目標物的測定

1.2.1 固形物得率測定

取待測液適量，經(jīng)干燥得提取固形物，在恒溫下稱重，可計算出相應(yīng)固形物得率。

1.2.2 菊花總黃酮測

按文獻［7，8］的方法，測得蘆丁標準溶液質(zhì)量濃度與溶液吸光度值，然后用最小二乘法作線性回歸處理，得到標準曲線方程:Y=96.838A-2.868(R= 0.9975)。精確稱取所得提取物樣品5.00 g，用體積分數(shù)為30%的乙醇完全溶解并移入100 mL定量瓶中，按照測定蘆丁標準溶液吸光度的測定方法測定吸光度A，代入回歸方程可求出提取物中黃酮含量。

1.3 試驗方法

1.3.1 菊花提取液制備

將菊花粉碎成20目左右粗粉，以水為溶媒，用超聲波逆流提取機組進行提取，提取條件為液料比20 mL/g，提取溫度70℃，提取時間30 min［9］。提取液經(jīng)粗濾得菊花總黃酮提取液。

1.3.2 菊花提取液純化試驗

采用無機陶瓷膜和超濾膜對滁菊花提取液進行兩級處理，陶瓷膜微濾處理菊花提取液，目的是除去大量亞微粒、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;超濾膜處理陶瓷膜透過液，目的是除去料液中分子量較小的無機小分子物質(zhì)［10，11］。對超濾膜截留液進行濃縮、干燥既得目標物(菊花總黃酮)。

膜孔徑是影響膜分離中目標物得率和含量大小的關(guān)鍵因素，而溶液溫度和操作壓力對膜濾過程和膜通量的穩(wěn)定性影響顯著，因此試驗中以固形物得率、菊花總黃酮含量和膜能量穩(wěn)定性為指標，分別考察膜孔大小對純化效果的影響，考察溶液溫度和操作壓力對純化過程影響，以確定最佳的膜分離純化菊花黃酮的工藝參數(shù)。

其中黃酮轉(zhuǎn)移率及提取物中總黃酮含量公式如下:

黃酮轉(zhuǎn)移率 =(膜透過液黃酮含量/原料液黃酮含量)×100%;

提取物中總黃酮含量 =(膜透過液中總黃酮含量/膜透過液中總固體含量)×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 微濾過程

2.1.1 膜孔徑的選擇

在操作壓力為0.20 MPa、提取液溫度為30℃條件下，分別選用0.1、0.2、0.5、0.8 μm的陶瓷膜對提取液依次進行錯流循環(huán)過濾，考察不同膜孔徑下提取液中總黃酮透過率。結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同膜孔徑下提取液中總黃酮透過率Fig.2 Penetration rate of chrysanthemum flavones under different pore size

由圖2可看出，采用陶瓷膜處理菊花提取液時，菊花黃酮透過率與膜孔徑在一定范圍內(nèi)成正比;當膜孔徑大于0.5 μm后，隨著膜孔徑的增加，透過率有所減小，這與提取液中分子極性和所要透過物質(zhì)分子量有關(guān)。

表1 陶瓷膜過濾前后提取液中成分變化情況Table 1 Change of extract liquid ingredients after filtration by ceramic membrane

選擇孔徑為0.5 μm陶瓷膜，在30℃、過濾壓差為0.26 MPa，流量50 mL/s條件下對提取液進行錯流循環(huán)微濾。經(jīng)微濾的透過液澄清透明，提取液和透過液中總固形物和總黃酮含量見表1。

由表1可看出，經(jīng)陶瓷膜處理后的透過液中固形物比原提取液中降低，而固形物中黃酮含量比原來提高，對過濾前后提取液中總黃酮含量計算，得陶瓷膜對菊花黃酮的截留率為5%。說明采用陶瓷膜處理菊花提取液，能把其中微粒、絮狀沉淀等大分子雜質(zhì)截留掉，而讓菊花黃酮等小分子物質(zhì)通過。

2.1.2 溶液溫度的選擇

采用孔徑為0.5 μm的陶瓷膜，在操作壓力為0.20 MPa條件下對不同溫度提取液進行微濾，考察不同溫度下膜通量隨運行時間的變化關(guān)系。結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度對膜通量的影響Fig.3 Effect of temperature on membrane flux

由圖3可以看出，在低溫操作時，溫度對膜通量的影響很小;隨著溫度升高，特別是當溫度超過40℃后隨著溫度升高膜通量明顯增大;分析認為隨溫度升高，菊花提取液的黏度減小，可能使膜通量增加，應(yīng)利用無機陶瓷膜耐高溫的特性盡量在高溫條件下操作。同時，當溫度升到一定程度，容易導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生變性，使溶質(zhì)擴散系數(shù)減小和膜表面濃差極化增加，影響對大分子雜質(zhì)截留。從運行成本、操作方便以及溫度過高對蛋白質(zhì)等大分子有機物截留不利等方面綜合考慮，確定操作溫度為50℃。

2.1.3 操作壓力的選擇

圖4 操作壓力對膜通量的影響Fig.4 Effect of pressure on membrane flux

采用孔徑為0.5 μm的陶瓷膜，在提取液溫度為50℃條件下，進行不同操作壓力提取液進行微濾，考察不同操作壓力對膜通量的影響。結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，在較低壓力下操作時，膜通量與操作壓力基本上呈正比;當操作壓力大于0.25 MPa以后，膜通量隨壓力的增加而降低。在無機膜過濾過程中，存在臨界壓力［12］，在臨界壓力之下，膜通量與操作壓力呈正比例關(guān)系;高于臨界壓力，由于膜表面極化層逐漸形成，增大的傳質(zhì)動力很快被加劇的濃差極化作用所抵消，同時可能導(dǎo)致膜孔堵塞，使過濾壓力與膜通量不再是正比例關(guān)系。因此，從減少動耗和兼顧設(shè)備生產(chǎn)能力的角度綜合考慮，最佳操作壓力為0.25 MPa。采用0.5 μm的陶瓷膜，在料液溫度為50℃，操作壓力為0.25 MPa下進行微濾，其膜通量隨時間的變化關(guān)系見圖5。

圖5 微濾時間對膜通量的影響Fig.5 Effect of microfiltration time on permeate flux

由圖5可見，在剛開始過濾的20 min內(nèi)，膜通量由270 L/(m2·h)急劇下降至70 L/(m2·h)左右，降低了74%，這主要是由于提取液中雜質(zhì)吸附在膜上引起的，隨著過濾的進行，在30～180 min內(nèi)，膜通量幾乎不變，在較長的時間內(nèi)膜通量維持在55～65 L/(m2·h)之間，過程穩(wěn)定。

2.2 超濾過程

2.2.1 膜孔徑的選擇

分別采用截留分子量3×104、1.5×104、8×103和5×103的超濾膜對微濾后的透過液進行超濾，超濾條件是溫度40℃、壓力1.4 MPa。對不同膜處理所得截留液及固形物檢測，結(jié)果見表2所示。

從表2可以看出，不同的規(guī)格的超濾膜組件，對菊花提取液中固形物和黃酮的截留率不同，隨著膜組件截留分子量的減小，相應(yīng)截留液中固形物含量增大，但當膜截留分子量小于8×103時，對黃酮截留率大于80%，截留液中固形物和黃酮含量增加不顯著;同時，對所得固形物中黃酮含量分析，可知采用截留分子量為8×103的膜處理后，所得固形物中總黃酮含量為19.81%?？紤]到超濾的效率和成本，所以選用截留分子量為8×103的膜作為超濾膜。

表2 不同超濾膜處理后截留液中總黃酮含量Table 2 Flavonoids contents of withheld fluid after filtration process with different ultrafiltration membrane

2.2.2 溶液溫度的選擇

采用截留分子量8×103的超濾膜，操作壓力為1.4 MPa，進行超濾，測得不同溫度下的膜通量變化，如圖6所示。

圖6 溶液溫度對膜通量的影響Fig.6 Effect of solution temperature on permeate flux

由圖6可以看出，當溫度在40℃以下時，隨著溫度的升高，膜通量增加明顯;而高于40℃時，膜通量趨于穩(wěn)定。原因是初始時由于溫度的升高，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;當溫度升到一定值后，溶液中一些成分發(fā)生熱變性，溶解度減小，并在膜面上堆積造成膜通量下降。試驗選定溶液溫度是為40℃。

2.2.3 操作壓力的選擇

采用截留分子量8×103的超濾膜，在溶液溫度40℃時，進行超濾，測得不同壓力下的膜通量變化，如圖7所示。

圖7 操作壓力對膜通量的影響Fig.7 Effect of operation pressure on permeate flux

由圖7可以看出，隨著操作壓力的增大，料液透過膜的通量也隨之增加，當壓力達到1.6 MPa后，膜通量趨于穩(wěn)定。原因是操作壓力增大到一定程度時，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，使膜通量穩(wěn)定在一定的水平，所以選定操作壓力為1.6 M Pa。

采用截留分子量為8×103膜，在溶液溫度40℃、操作壓力1.6 MPa條件下進行超濾，膜通量隨時間的變化關(guān)系見圖8。

圖8 超濾時間對膜通量的影響Fig.8 Effect of ultrafiltration time on membrane flux

由圖8可見，超濾過程中，膜通量除在開始有稍許下降外，膜通量的衰減變化不顯著，在20～120 min內(nèi)膜通量穩(wěn)定在40 L/m2·h左右。由于采用了陶瓷膜進行微濾預(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，因而使超濾過程較為穩(wěn)定。

3 結(jié)論

利用膜技術(shù)分離純化菊花黃酮方法可行，操作簡單可靠，所得產(chǎn)品質(zhì)量好;通過試驗選擇最佳的工藝參數(shù)為:陶瓷膜，孔徑0.5 μm，溶液溫度50℃、操作壓力0.25 MPa;超濾膜，截留分子量為8×103，溶液溫度40℃、操作壓力1.60 MPa。因此采用膜分離技術(shù)可以有效地分離純化菊花黃酮，其操作工藝簡單可靠，純化效率高。

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Study of Purification of Chrysanthemum Flavonoids by Membrane Technology

YI Ke-chuan*，ZENG Qi-liang，LI Hui
College of Technology，Anhui Science and Technology University，F(xiàn)engyang 233100，China

In order to determine the optimum technological parameters to separate and purify flavonoids from chrysanthemum extract solution by membrane separation technology，the microfiltration and ultrafiltration experiment were carried out to observe the purification effects on different types of membranes，different solution temperatures，different operating pressure and process time.The results showed that the optimum microfiltration condition were as follows:the membrane aperture was 0.5 μm，the filtration pressure was 0.25 Mpa，the solution temperature was 50℃ and the time was 180 min;the optimum ultrafiltration condition were as follows:the membrane withheld molecular weight was 8×103da，the operating pressure was 1.6 Mpa，the solution temperature was 40℃ and the time was 120 min and the total flavonoids purity was 19.81%.The technology is simple and have high purification efficiency.

membrane technology;ceramic membrane;ultrafiltration membrane;chrysanthemum flavonoids;purfication

1001-6880(2012)10-1449-05

2012-02-10 接受日期:2012-06-01

安徽高等學校省級自然科學重點研究項目(KJ2010A075);科技部星火計劃重點項目(2010GA710009)

*通訊作者 Tel:86-532-88963253;E-mail:yikechuan@sina.com

TQ028.5+3;R284.2

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