離子交換樹脂對馬尾松松針中莽草酸的分離純化

陳 英，劉成國，2，*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術(shù)學院，湖南長沙 410128;2.食品科學與生物技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南長沙 410128)

莽草酸為白色結(jié)晶粉末，化學名為3，4，5－三羥基－1－環(huán)己烯－1－羧酸，化學式為 C7H10O5，相對分子質(zhì)量為174.15，化學結(jié)構(gòu)式如圖1。它易溶于水，在室溫下100mL水中能溶解18g莽草酸粉末，溶于甲醇、乙醇、乙酸乙酯等強極性溶劑，不溶于石油醚、苯和氯仿等溶劑，熔點為190℃左右。

莽草酸的分子結(jié)構(gòu)中三個羥基、一個雙鍵和一個羧基，是弱酸性的有機酸，可以成酯，也可以成鹽，也能發(fā)生加成反應，具有手性異構(gòu)體。它具有抗炎、鎮(zhèn)痛作用、抗血小板聚集、抗癌、抗病毒等藥理作用［1－3］。同時，它是合成多種物質(zhì)的原料，如多種生物堿、吲哚衍生物、芳香氨基酸和手性藥物(抗癌藥、抗病毒藥)等，是一種重要的天然活性產(chǎn)物?，F(xiàn)在莽草酸因是抗禽流感H5N1和甲型H1N1流感有效藥物的關(guān)鍵中間體而備受關(guān)注。

圖1 莽草酸的化學結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structure of the shikimate

目前，制藥工業(yè)用的莽草酸主要采用有機溶劑萃取法和硅膠柱層析法提取分離。但這些方法存在溶劑消耗量大，分離時間長，成本高，操作安全性差等缺點。在現(xiàn)代分離技術(shù)中離子交換樹脂被廣泛的應用。為了尋找一中新型的、操作方便、成本低且實用的提取分離方法，本實驗研究了4種離子交換樹脂分離純化馬尾松松針提取液中莽草酸的效果，篩選出了效果較好的樹脂類型，并進一步研究了該樹脂動分離純化馬尾松松針提取液中莽草酸的最佳工藝參數(shù)，為從馬尾松松針中提取分離純化莽草酸實行工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬尾松松針 采自湖南省郴州市臨武縣，采摘時間8月下旬;D301大孔樹脂、331弱堿性陰離子交換樹脂 安徽三星樹脂科技有限公司;D101大孔樹脂、717強堿性陰離子交換樹脂、732強酸性陽離子交換樹脂、無水乙醇、氫氧化鈉、濃鹽酸、磷酸溶液等均為分析純 國藥集團化學試劑有限公司。

一次性無菌注射器 圣光醫(yī)用制品有限公司;希波氏一次性針頭過濾器(0.45μm) 北京英偉達科技有限公司;Agilent LC1100高效液相色譜儀 安捷倫科技公司;DZKW－S－4電熱恒溫水浴鍋 北京市永光明醫(yī)療儀器廠;SHZ－D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預處理 將新鮮成熟的馬尾松松針采回后，篩選除去枯黃和病老的部位，清水洗凈并瀝干水分，放入(65±1)℃的烘箱內(nèi)烘48h，自然冷卻，粉碎過40目，貯藏于廣口瓶內(nèi)備用。

1.2.2 提取液的制備 準確稱取經(jīng)1.2.1節(jié)處理后的馬尾松松針粉末7.50g，加入料液比為1∶30的22%的乙醇溶液，采用100W超聲波15min輔助條件水浴提取馬尾松松針中的莽草酸，提取溫度為69℃，提取總時間為28min。然后抽真空過濾，將濾液用3.5mmol/L的磷酸溶液定容至250mL，此為馬尾松松針提取液，經(jīng)測定該提取液中莽草酸的質(zhì)量濃度為1.5mg/mL，冷藏備用。該制備工藝參數(shù)是根據(jù)本實驗室之前的實驗結(jié)果。

1.2.3 樹脂的預處理 離子交換樹脂首先用飽和的食鹽水浸泡22h，然后用去離子水洗至水相中無黃色雜志流出，陰離子交換樹脂先用4%的氫氧化鈉溶液浸泡4h，用去離子水洗至中性，接著用4%的鹽酸溶液浸泡3h，用去離子水洗至中性，最后再用4%的氫氧化鈉溶液浸泡6h，用去離子水洗至中性備用;陽離子交換樹脂按先酸－堿－酸順序浸泡處理，浸泡方法與陰離子交換樹脂處理的方法相同。大孔樹脂先用無水乙醇浸泡24h，然后用1份無水乙醇和3份去離子水混合物洗至不產(chǎn)生白色渾濁物后，用去離子洗凈大孔樹脂中的乙醇備用。

1.2.4 樹脂型號的篩選

1.2.4.1 靜態(tài)吸附率的測定［4］準確稱取2.0g經(jīng)1.2.3節(jié)處理后的吸干明水的4種不同型號的離子交換樹脂分別放入4個250mL的具塞錐形瓶中，并分別精確加入50mL 1.2.2節(jié)的提取液，蓋緊瓶塞，在25℃恒溫條件下，置于搖床以100r/min振蕩24h，使樹脂充分吸附莽草酸后，過濾，分別測定濾液中莽草酸的質(zhì)量濃度，按式1計算樹脂對莽草酸的吸附量及式2計算樹脂對莽草酸的吸附率［5］。

式中，Qt:吸附量(mg/g樹脂);E:吸附率(%);C0:莽草酸溶液的起始濃度(mg/mL);Ct:平衡溶液中莽草酸的濃度(mg/mL);V1:加入提取液的體積(mL);M:離子交換樹脂的質(zhì)量(g)。

1.2.4.2 靜態(tài)解吸率的測定［6］將吸附莽草酸達到平衡的樹脂放入另外4個具塞錐形瓶中，分別加入100mL 3%的氫氧化鈉溶液，置于恒溫振蕩器中振蕩24h，溫度為25℃，振蕩頻率100r/min，使莽草酸充分解吸。過濾，測定濾液中莽草酸鈉的質(zhì)量濃度，并按式3計算樹脂的解吸率。

式中，E':解吸率(%);C:解吸液濃度(mg/mL);C0:吸附前莽草酸的濃度(mg/mL);Ce:吸附達平衡時莽草酸的濃度(mg/mL);V2:洗脫液體積(mL);V1:加入提取液的體積(mL)。

1.2.5 動態(tài)吸附－解吸實驗

1.2.5.1 上樣液質(zhì)量濃度對動態(tài)吸附的影響 將按1.2.3處理好的331陰離子交換樹脂裝入層析柱中，柱床體積為5mL，分別將質(zhì)量濃度為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mg/mL的莽草酸提取液上柱，流速控制為2.0mL/min進行動態(tài)吸附，分別收集流出液，測定流出液中莽草酸的質(zhì)量濃度，并計算不同質(zhì)量濃度的上樣液331陰離子交換樹脂的吸附量。

1.2.5.2 上樣液的流速對動態(tài)吸附的影響 將質(zhì)量濃度為1.5mg/mL的莽草酸提取液上柱，分別控制上樣液以 7.0、5.0、3.0、2.0、1.0mL/min 的流速通過層析柱進行動態(tài)吸附，并分別收集流出液，測定流出液中莽草酸的質(zhì)量濃度，并計算不同流速經(jīng)過的331弱堿性陰離子交換樹脂的吸附量。

1.2.5.3 吸附泄漏曲線 將50mL的質(zhì)量濃度為1.5mg/mL的莽草酸提取液，以2.0mL/min的流速通過層析柱，分段收集流出液，每段收集1BV即5mL，測定流出液中莽草酸的質(zhì)量濃度，以流出液的柱床體積為橫坐標，以流出液中莽草酸的質(zhì)量濃度為縱坐標繪制吸附泄漏曲線。

1.2.5.4 解吸洗脫劑質(zhì)量分數(shù)對動態(tài)解吸的影響樹脂吸附飽和后，用2BV的去離子水以8.0mL/min的流速洗柱，然后分別吸取50mL 1%、2%、3%、4%的氫氧化鈉溶液依次以2mL/min的流速通過層析柱，分別收集解吸洗脫液，測定流出液中莽草酸鈉的質(zhì)量濃度。

1.2.5.5 洗脫流速對動態(tài)解吸的影響 樹脂吸附飽和后，用2BV的去離子水以8.0mL/min的流速洗柱，用2%的氫氧化鈉溶液分別以8.0、4.0、2.0、1.0mL/min的流速對樹脂柱進行洗脫，分別收集流出液，測定流出液中莽草酸的質(zhì)量濃度，并計算不同洗脫流速對吸附飽和的331弱堿性陰離子交換樹脂的解吸率。

1.2.5.6 洗脫曲線 樹脂吸附飽和，用2BV的去離子水以8.0mL/min的流速洗柱后，加入50mL的2%的氫氧化鈉溶液，以4.0mL/min的流速通過層析柱，分段收集流出液，每段收集1BV，測定流出液中莽草酸的質(zhì)量濃度，以流出液的柱床體積為橫坐標，以流出液中莽草酸的質(zhì)量濃度為縱坐標繪制洗脫曲線。

1.2.6 莽草酸質(zhì)量濃度的測定

1.2.6.1 98%的莽草酸標準貯備液的配制 精密稱取98%的莽草酸標準品10.00mg，置于50mL的容量瓶中，加入3.5mmol/L磷酸水溶液溶解，冷卻至室溫定容，搖勻備用，貯備液濃度為200μg/mL。

1.2.6.2 莽草酸標準曲線的繪制 采用高效液相色譜儀測定莽草酸的含量，其色譜條件為［7］:色譜柱:Agilent C18柱(5μm，46mm ×150mm)，流速0.8mL/min，進樣體積10μL，檢測波長為215nm，柱溫為25℃，流動相為3.5mmol/L磷酸水溶液，進色譜柱前，以甲醇平衡30min。

準確吸取1.2.6.1配制的標準貯備液0.50、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0mL 放入 10mL 的比色管中，3.5mmol/L磷酸水溶液定容，經(jīng)0.45μm的微孔濾膜過濾后，分別進樣，測定色譜峰峰面積，并以色譜峰峰面積縱坐標，對應標準品的濃度為橫坐標，繪制標準曲線。

1.2.6.3 樣品中的莽草酸的測定 精確吸取已預處理好的樣品測試液10μL，分別進入高效液相色譜儀，測定色譜峰峰面積，從標準曲線中查出莽草酸的質(zhì)量濃度。

1.2.7 莽草酸純度和提取率的計算 將過量的732強酸性陽離子交換樹脂加入收集的洗脫液中，置入恒溫振蕩器中振蕩2h，溫度為25℃，振蕩頻率100r/min，使洗脫液與732強酸性陽離子交換樹脂進行充分的交換，過濾，濾液即為莽草酸的純化液，測定純化液的質(zhì)量濃度，并將其冷凍干燥至質(zhì)量恒定，準確稱取干燥粉末適量(m1)mg，用3.5mmol/L的磷酸溶液定容后按1.2.6.3的方法測定莽草酸的含量(m2)mg，純度計算公式見式4，得率計算公式見式5。

式5中，c1:上樣液的中莽草酸的質(zhì)量濃度(mg/mL);v1:上樣液的體積(mL);c2:純化液中莽草酸的質(zhì)量濃度(mg/mL);v2:純化液的體積(mL)。

1.2.8 統(tǒng)計分析 用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹脂型號的確定

考察了不同型號的樹脂對莽草酸的靜態(tài)吸附－解吸的影響，記錄實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖2所示。

莽草酸為弱電解質(zhì)，溶液中存在氫離子、莽草酸根子離子、莽草酸分子三個形式的物質(zhì)，因而影響樹脂的對莽草酸的吸附性能的因素很多，樹脂的吸附形式與被吸附物質(zhì)的性質(zhì)相同或相似時吸附效果好，樹脂比表面積大時它吸附量也跟著增大等，因此選擇樹脂時要將各種因素綜合考慮。莽草酸的存在形式為離子和強極性分子，這有利于離子交換樹脂的吸附。由圖2可知，D301、D101這兩個型號的大孔吸附樹脂的吸附率很小，不適合馬尾松松針提取液中莽草酸的吸附。強堿性陰離子交換樹脂717對馬尾松松針提取液中莽草酸的吸附率雖然比較高，但是它對馬尾松松針提取液中莽草酸的解吸率比同樣有著較高吸附率的弱堿性陰離子交換樹脂331的解吸率要低，即717強堿性陰離子交換樹脂對莽草酸的吸附力較大不易洗脫，因此選擇331弱堿性陰離子交換樹脂。

圖2 不同型號的樹脂對馬尾松松針提取液中莽草酸的吸附率及解析率的比較Fig.2 Comparison of adsorption and desorption rates of different types of adsorption resins

2.2 331弱堿性陰離子交換樹脂動態(tài)吸附－解吸條件優(yōu)化的實驗結(jié)果

2.2.1 上樣液質(zhì)量濃度對331陰離子交換樹脂動態(tài)吸附的影響 測定不同上樣液的質(zhì)量濃度對331陰離子交換樹脂對莽草酸的吸附性能的影響，記錄實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同上樣液的質(zhì)量濃度對331陰離子交換樹脂吸附量的影響Fig.3 Effect of shikimate concentration on the adsorption of 331 anion exchange resin

由圖3可以看出，隨著上樣液的質(zhì)量濃度的增加，331陰離子交換樹脂對馬尾松松針提取液中莽草酸的吸附量呈現(xiàn)先增加后緩慢的減少的趨勢，當上樣液的質(zhì)量濃度在0.5～1.5mg/mL時，樹脂的吸附量隨著質(zhì)量濃度增加而增加，當進一步增加上樣液的質(zhì)量濃度時，樹脂的吸附量出現(xiàn)緩慢下降的趨勢。原因可能是［8］，開始時莽草酸的質(zhì)量濃度低時樹脂沒有全部進行吸附，隨著質(zhì)量濃度的增大，樹脂逐漸吸附飽和，莽草酸分子之間的競爭吸附增強，而導致部分莽草酸分子沒機會與樹脂進行吸附交換就穿透流出，因而當質(zhì)量濃度到達一定程度后再增加就會出現(xiàn)樹脂的吸附量逐漸減少的現(xiàn)象，因此上樣液的質(zhì)量濃度不宜太高，所以上樣液的質(zhì)量濃度選擇為1.5mg/mL較為合適。

2.2.2 上樣液的流速對331陰離子交換樹脂動態(tài)吸附的影響 測定不同上樣液的流速對331陰離子交換樹脂對莽草酸的吸附性能的影響，記錄實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 上樣液的流速對331陰離子交換樹脂的吸附量的影響Fig.4 Effect of flow rate on the adsorption of 331 anion exchange resin

由圖4可知，隨著上樣液流速的增加，331陰離子交換樹脂對馬尾松松針提取液中莽草酸的吸附量逐漸下降，其可能存在原因是［9］，隨著流速的增加，上樣液在樹脂內(nèi)的停留時間減少，固定相和流動相之間的相互作用不充分導致流動相中的莽草酸還沒來得及跟樹脂內(nèi)表面接觸就已經(jīng)穿透流出，使吸附量變小，因此上樣液的流速以慢速較為適宜，當流速為1mL/min時，樹脂的吸附量最大，但流速太慢會延長分離純化的時間，降低生產(chǎn)效率，不利于工業(yè)化生產(chǎn)，當流速為2mL/min時，樹脂的吸附量從20.79mg/g下降到20.48mg/g，僅下降了0.31mg/g，但速度卻提高了一倍，因此綜合考慮，上樣液的流速選擇為2mL/min較為適宜。

2.2.3 吸附泄露曲線 考察上樣液的體積對331陰離子交換樹脂動態(tài)吸附的影響，記錄實驗數(shù)據(jù)，并繪制泄露曲線如圖5所示。

圖5 331陰離子交換樹脂吸附莽草酸的泄漏曲線Fig.5 Breakthrough curve of shikimic acid from the Pine Needles on 331 anion exchange resin

一般情況下流出液中目標物質(zhì)的質(zhì)量濃度達到上樣液中目標物質(zhì)的質(zhì)量濃度的1/10時，認為達到了該目標物質(zhì)的泄露點［10］。在樹脂的動態(tài)吸附中，上樣液首先與層析柱上面的樹脂接觸，并先達到對目標物的吸附飽和狀態(tài)，然后這種飽和狀態(tài)逐漸向下移動，當所有樹脂吸附到一定程度時，目標物開始泄露時，停止上樣，這時達到了吸附的最佳過程［11］。由圖5可知，當上樣液的質(zhì)量濃度為1.5mg/mL時，331陰離子交換樹脂對馬尾松松針提取液中莽草酸吸附的泄露點為4BV左右，所以331陰離子交換樹脂吸附分離純化1.5mg/mL馬尾松松針的莽草酸提取液的最佳量為4BV，此時樹脂的吸附達到最佳。2.2.4 洗脫劑的質(zhì)量分數(shù)對331陰離子交換樹脂洗脫性能的影響 考察不同解吸洗脫劑質(zhì)量分數(shù)對331陰離子交換樹脂動態(tài)解吸的影響，實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 洗脫液氫氧化鈉的不同質(zhì)量分數(shù)對331陰離子交換樹脂洗脫的影響Fig.6 Effect of eluent concentration on desorption rate of shikimic acid from the Pine Needles on 331 anion exchange resin

由圖6可以看出，依次用50mL的1%和2%氫氧化鈉溶液分別洗過裝有吸附莽草酸飽和的331陰離子交換樹脂的層析柱后，再用50mL的3%和4%氫氧化鈉溶液分別洗脫時，洗脫液中沒有檢測到莽草酸的含量，說明2%氫氧化鈉溶液對331陰離子交換樹脂吸附莽草酸的洗脫效果較好，再進一步增加氫氧化鈉的質(zhì)量分數(shù)時并沒有促進莽草酸的進一步洗脫，因此洗脫液氫氧化鈉溶液的質(zhì)量分數(shù)選擇2%較為適宜。

2.2.5 洗脫流速對331陰離子交換樹脂動態(tài)解吸的影響 測定洗脫劑的不同流速對331陰離子交換樹脂對莽草酸的動態(tài)解吸性能的影響，記錄實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 洗脫液的流速對331陰離子交換樹脂的解吸率的影響Fig.7 Effect of flow rate of eluent on desorption rate of shikimic acid from the Pine Needles on 331 anion exchange resin

由圖7可知，2%的氫氧化鈉溶液的洗脫流速越快，331陰離子交換樹脂對莽草酸的解吸率越低，這是因為在洗脫液體積一定的情況下，隨著流速的增加，洗脫液在樹脂內(nèi)的停留時間減少，洗脫液還未充分萃取樹脂吸附的莽草酸就已經(jīng)穿透流出，使解吸率變小，因此洗脫液的流速以慢速較為適宜，但洗脫速度太慢會加長洗脫時間，所以應當綜合考慮解吸率和洗脫時間來決定洗脫速度。由圖7可看出，當流速為1mL/min時，樹脂的解吸率最大，而洗脫液的流速為2～4mL/min時，樹脂的解吸率下降的趨勢不明顯，從99.48%下降到98.63%，僅下降了0.85%，但速度卻提高了4倍，因此綜合考慮，洗脫液的流速選擇為4mL/min較為適宜。

2.2.6 洗脫曲線 考察解吸液的體積對331陰離子交換樹脂對莽草酸動態(tài)解吸性能的影響，記錄實驗數(shù)據(jù)，并繪制洗脫曲線如圖8所示。

圖8 331陰離子交換樹脂吸附馬尾松松針提取液中莽草酸的洗脫曲線Fig.8 Desorption curve of shikimic acid from the Pine Needles on 331 anion exchange resin

由圖8表明，當洗脫劑2%的氫氧化鈉溶液的量小于3BV時，隨著洗脫劑用量的增加，流出液中莽草酸的質(zhì)量濃度不斷增加，當洗脫液的用量大于3BV時，隨著洗脫液用量的增加，流出液中莽草酸的質(zhì)量濃度逐漸減少，當洗脫液的用量達到8BV時，莽草酸基本被洗凈。

2.3 莽草酸純度的檢測

馬尾松松針提取液中的莽草酸經(jīng)331陰離子交換樹脂純化后，測得純化后莽草酸的純度為90%，純化過程中莽草酸的提取率為90.9%，較原提取液中莽草酸的純度25%提高了3.6倍，說明331陰離子交換樹脂對馬尾松松針提取液中莽草酸的分離純化效果較好，能大幅度提高馬尾松松針提取液中莽草酸的含量。

3 結(jié)論

本實驗采用樹脂對馬尾松松針提取液中的莽草酸進行了吸附－解吸實驗，選出了對莽草酸吸附－解吸性能最佳的樹脂，并對其動態(tài)吸附－解吸純化工藝條件進行了研究。采用靜態(tài)吸附－解吸法對4種不同型號的樹脂進行篩選，確定了331陰離子交換樹脂為純化馬尾松松針提取液中莽草酸的理想樹脂。并對影響331陰離子交換樹脂動態(tài)吸附－解吸效果的因素進行了優(yōu)化實驗，得到了331陰離子交換樹脂純化馬尾松松針提取液中莽草酸的動態(tài)吸附－解吸的最佳工藝條件，結(jié)果表明，上樣液的質(zhì)量濃度為1.5mg/mL、上樣液的流速為2mL/min、上樣液體積為4BV條件下吸附，以2BV去離子水沖洗樹脂柱、用8BV 2%的氫氧化鈉溶液以4mL/min的流速洗脫時純化效果最佳。經(jīng)處理后的馬尾松松針提取液中莽草酸的純化提取率和純度分別達到90.9%和90%，取得了較好的純化效果。

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