離子交換纖維吸附銀杏黃酮的動力學(xué)與熱力學(xué)研究

王曉紅， 李萬忠

（濰坊醫(yī)學(xué)院藥學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院， 山東 濰坊 261053）

離子交換纖維吸附銀杏黃酮的動力學(xué)與熱力學(xué)研究

王曉紅， 李萬忠*

（濰坊醫(yī)學(xué)院藥學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院， 山東 濰坊 261053）

目的 研究強(qiáng)堿性陰離子交換纖維對銀杏黃酮的吸附與解吸性能。方法 采用靜態(tài)的方法，考察銀杏黃酮在纖維上的吸附等溫線、 動力學(xué)曲線 及解吸 行為。 結(jié) 果 離子交 換纖維對銀 杏黃酮的吸 附較好的符合 Freundlich 方程和Langmuir方程； 吸附是自發(fā)進(jìn)行的， 吸熱和熵增的過程； 動力學(xué)數(shù)據(jù)符合準(zhǔn)二級模型， 液膜擴(kuò)散是主要的速控步驟，表觀吸附活化能為4.426 1 kJ/moL。 該纖維至少能再生 3 次。 結(jié)論 離子交換纖維對銀杏黃酮具有很好的吸附與解吸能力。

銀杏黃酮；離子交換纖維；吸附熱力學(xué)；吸附動力學(xué)

銀杏黃酮具有獨(dú)特的生理作用和藥用價值，被廣泛應(yīng)用于制藥、保健品和化妝品等領(lǐng)域。目前，銀杏黃酮的分離純化主要有離子交換樹脂和大孔樹脂吸附等方法，但都存在諸如產(chǎn)品純度不高、解吸率低和溶劑殘留等問題?？梢?，銀杏黃酮類化合物的純化分離技術(shù)存在很大的發(fā)展空間［1］。

離子 交 換 纖 維 (Ion Exchange Fiber， 簡 稱IEF) 是一種纖維狀離子交換材料， 具有吸附速度快、容易解吸、選擇性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，對銀杏黃酮具有較好的吸附效果［2］。 本實(shí)驗(yàn)對銀杏黃酮在強(qiáng)堿性陰離子交換纖維上的吸附進(jìn)行了熱力學(xué)和動力學(xué)研究，為進(jìn)一步分離純化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑 L-2000 型高效液相色譜儀 (日本日立公司)； KQ200VDE型雙頻數(shù)控超聲波清洗器 (昆山市超聲儀器有限公司)； HS260 震蕩搖床(深圳市凱銘杰儀器設(shè)備有限公司)； RE52-99 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 (上海亞榮生化儀器廠)； AL204 電子分析天平 (Mettler Toledo瑞士)。

強(qiáng)堿性陰離子交換纖維 (河南化工所， AEC= 3.6 mmoL/g)； 銀杏葉標(biāo)準(zhǔn)提取物 (長沙惠瑞生物科技有限公司，批號 20110812)； 槲皮素、 山柰酚、異鼠李素 (上海融禾醫(yī)藥科技發(fā)展有限公司，批號依次為 100413、 121211、 121230， 純度均≥98%)； 甲醇為色譜純， 其它試劑均為分析純。

1.2 總黃酮的測定 參照中國藥典 (2010 版) 的方法［3］測 定， Diamonsil C18色 譜 柱 (250 mm × 4.6 mm， 5 μm)。 以峰面積 x對進(jìn)樣的質(zhì)量數(shù) y (μg) 進(jìn)行線性回歸， 標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程分別為:槲皮素:y=6 ×10-7x+1.8 ×10-3， r=0.999 8； 山柰素:y=5 ×10-7x+4.3 ×10-3， r=0.999 9； 異鼠李素:y=6 ×10-7x+6.2 ×10-3， r=0.999 9； 線性范圍依次在0.120 7 ～0.724 1 μg； 0.083 5 ～0.500 9 μg和0.081 3 ～0.490 3 μg之間。

1.3 黃酮溶液的配制 取銀杏葉標(biāo)準(zhǔn)提取物適量，先加入70% 乙醇超聲溶解，再減壓回收至無醇味，最后加水調(diào)整所需濃度，即得。

1.4 靜態(tài)吸附平衡試驗(yàn)［4］依次稱取約 10 mg預(yù)處理［3］過的纖維于 100mL錐形瓶中， 加入一定體積不同質(zhì)量濃度的黃酮溶液， 分別控制在 288、 303、318、 333、 348 k 下靜態(tài)吸附 24 h， 測定平衡質(zhì)量濃度 Ce(mg/mL)。 根據(jù)公式 qe=V(Co-Ce)/m計(jì)算平衡吸附量 qe(mg/g)， 其中 Co為黃酮的初始質(zhì)量濃度， V為加樣體積 (mL)， m為干纖維質(zhì)量 (g)。1.5 吸附動力學(xué)試驗(yàn) 精密稱取 10 mg纖維， 加入到一定量的黃酮溶液中， 溫度分別控制在 318、333、 348 K下靜態(tài)吸附， 于不同時間點(diǎn)取樣檢測，直至吸附達(dá)平衡。 根據(jù)公式 qt=(C0V0-CtVt-∑m)/m0計(jì)算即時吸附量 qt(mg/g)， 其中 Ct和 Vt分別為 t時刻平衡濃度 (mg/mL) 和溶液體積(m L)； ∑m為已被移取的銀杏黃酮的質(zhì)量 (mg)。1.6 解吸再生試驗(yàn) 考察不同因素對解吸率的影響，確定最佳解吸條件。另取未使用過的纖維和解吸再生1次、2次、3次的纖維等量，加入相同量的黃酮溶液再次進(jìn)行吸附試驗(yàn)，考察纖維的再生性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)吸附試驗(yàn)

2.1.1 pH對吸附量的影響 取黃酮溶液， 加氨水調(diào) pH分別為 3、 5、 7、 9、 11， 在 333 K下靜態(tài)吸附至平衡。結(jié)果表明， 纖維對黃酮的吸附量隨 pH的增大而顯著增加。同時考慮到色譜柱的耐受性和分離效能，選擇最佳吸附 pH為9。

2.1.2 靜態(tài)吸附等溫線［5］根據(jù)靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)測得的平衡質(zhì)量濃度 Ce， 計(jì)算其平衡吸附量 qe， 得到了在不同溫度下纖維對銀杏黃酮的吸附等溫線(圖1)。

圖1 離子交換纖維對銀杏黃酮的吸附等溫線Fig.1 Equlibrium adsorption isotherm s curves for flavonoids on IEF

由圖1可知:同一溫度下，吸附量隨質(zhì)量濃度的增大而增加，并逐漸趨于飽和；在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，吸附量隨溫度升高而增加，表明該纖維對銀杏黃酮的吸附為一吸熱過程。這與樹脂類吸附劑對黃酮的吸附過程恰恰相反。為進(jìn)一步探討纖維對銀杏黃酮的吸附規(guī)律， 對上述等溫線進(jìn)行了 Freundlich與 Langmuir方程擬合 (表 1)。

表 1 Freund lich和 Langmuir吸附等溫方程擬合結(jié)果Tab.1 Regression equations and model parameters for Freund lich and Langmuir adsorption isothermals

表 1 中 KF、 KL和 n 為相應(yīng)方程常數(shù)， qm為飽和吸附量 (mg/g)， r為相關(guān)系數(shù)。 從表中數(shù)據(jù)可以看出 Freundlich 方程和 Langmuir方程均可以較好地擬合銀杏黃酮在纖維上的吸附規(guī)律 (r＞0.99)。溫度從 288 K升高至 348 K時， KF和 KL值均明顯升高，表明該纖維對銀杏黃酮有較高的親和力，且n 值均大于 2.5， 該吸附過程為 “優(yōu)惠吸附”。

2.2 靜態(tài)吸附動力學(xué)［5-6］對大多數(shù)反應(yīng)來說， 溫度對反應(yīng)速率的影響比質(zhì)量濃度更為顯著。圖2為不同溫度下銀杏黃酮在纖維上的吸附動力學(xué)曲線，由圖可見，纖維對黃酮的吸附速率隨著時間的增加逐漸減小，并趨于平緩，8 h基本達(dá)到平衡，4 h吸附量已達(dá)約 80%。

圖2 銀杏黃酮在陰離子交換纖維上的吸附動力學(xué)曲線Fig.2 Adsorption dynam ic cu rves for flavonoids of GBE on IEF at different tem peratures

2.2.1 動力學(xué)模型擬合 為全面研究銀杏黃酮在纖維上的吸附性能，選擇常用的吸附動力學(xué)模型: Lagergren 一級動力學(xué)、 準(zhǔn)二級動力學(xué)與二級動力學(xué)方程對吸附過程進(jìn)行擬合， 結(jié)果見表 2，k1、 k2、k3為相應(yīng)模型速率常數(shù)。 由表 2 數(shù)據(jù)可知， 準(zhǔn)二級動力學(xué)模型更適合用于描述銀杏黃酮在纖維上的吸附規(guī)律 (r＞0.99)， 由其計(jì)算出的 qe符合實(shí)測值，k值隨溫度的升高而增大，即隨著溫度的升高，吸附反應(yīng)速度加快。

表2 不同溫度下動力學(xué)模型擬合結(jié)果Tab.2 K inetic parameters at different tem peratu res

2.2.2 表觀吸附活化能 Arrhenius方程反應(yīng)出了速率常數(shù)和溫度之間的關(guān)系， 即 ln k=ln A-Ea/RT。其中 A為指前因子， Ea是活化能 (kJ/mol)。 因?yàn)榛罨艹霈F(xiàn)在 Arrhenius公式的指數(shù)項(xiàng)里， 對反應(yīng)速率的影響很大。由表2的準(zhǔn)二級動力學(xué)速率常數(shù)對溫度進(jìn)行線性擬合。由擬合曲線的斜率可以計(jì)算出銀杏黃酮在纖維上的表觀吸附活化能為4.426 1 kJ/mol。

2.2.3 吸附控制機(jī)理分析 一般吸附主要包括液膜擴(kuò)散、顆粒內(nèi)擴(kuò)散和吸附反應(yīng)3個過程，其中吸附反應(yīng)通常較快，不會過多影響到整個反應(yīng)速率。因此，為考察銀杏黃酮在纖維表面的吸附機(jī)理，研究中采用了液膜擴(kuò)散方程 -ln(1-qt/qe)=k1t和顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程 qt=k2t1/2進(jìn)行擬合。 結(jié)果見圖 3。

由圖3可知:液膜擴(kuò)散擬合線性關(guān)系較好(r＞0.99)， 顆粒內(nèi)擴(kuò)散的相關(guān)性相對較差， 但如果把曲線上各點(diǎn)按時間先后分兩段擬合，前一段則具有很好的相關(guān)性 (圖 3-c)。 說明銀杏黃酮在纖維上的整個吸附過程主要為液膜擴(kuò)散，而初始階段液膜擴(kuò)散和顆粒內(nèi)擴(kuò)散共同發(fā)揮作用。

圖 3 液膜擴(kuò)散 （a） 和顆粒內(nèi)擴(kuò)散 （b， c） 擬合曲線Fig.3 Liquid membrane diffusion model fitting plot（ a ） and intra particle diffusion model fitting p lot（ b .c）

2.3 吸附熱力學(xué)函數(shù)的計(jì)算［7-8］

2.3.1 吸附焓變ΔH 吸附過程的等量吸附焓變可由 Van't Hoff方程 進(jìn) 行 計(jì)算， 即 ln ce=-ln k0+ ΔH/RT， 其中 R為氣體常數(shù) 8.314 J(mol/K)；T為熱力學(xué)溫度 K； k0為常數(shù)。

分別設(shè)定 qe=100、 200、 300、 400 mg/g， 由Langmuir公式計(jì)算不同溫度下的 ce， 以 ln ce對 1/T進(jìn)行線性擬合， 由回歸曲線的斜率計(jì)算出 ΔH， 結(jié)果見表3。

表3 陰離子交換纖維對銀杏黃酮的吸附熱力學(xué)參數(shù)Tab.3 Thermodynam ics parameters of flavonoids on IEF

從表3的數(shù)據(jù)可以看出，該纖維在不同吸附量下ΔH均為正值，表明該吸附是吸熱過程。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)隨著吸附量的增加，ΔH有升高趨勢。初步推斷出，該纖維對黃酮的吸附在低濃度時以物理吸附為主，高濃度時以化學(xué)吸附為主，二者沒有明顯界限。

2.3.2 吸附自由能 ΔG 吸附過程的吉布斯自由能ΔG可通過 Gibbs方程衍生得到， 即 ΔG=-n RT，其中 ΔG的單位為 kJ/mol， n 為 Freundlich 方程的特征常數(shù)，ΔG與吸附量無關(guān)。

表3中ΔG均為負(fù)值， 即反應(yīng)為自發(fā)過程，說明該纖維對銀杏黃酮的吸附具有較強(qiáng)的吸附驅(qū)動力。 ΔG的絕對值隨溫度的升高而逐漸增大， 也說明升高溫度有利于黃酮的吸附。

2.3.3 吸附熵 變 ΔS 吸 附 熵 變 ΔS 可按 Gibbs-Helmholtz方程計(jì)算， 即 ΔS=( ΔH-ΔG)/T， ΔS的單位為 J/(mol·K)。

由表3可知， ΔS＞0，說明該纖維對黃酮的吸附是一熵增過程。同一溫度下，隨著吸附量的增加， ΔS值逐漸變大。

2.4 解吸再生試驗(yàn)［3］最佳解吸條件為:50%乙醇為解吸溶劑， 60 ℃， 1 mol/L鹽酸調(diào)節(jié)酸度，加入體積為 10%。在上述條件下， 1 h 內(nèi)解吸率可達(dá)90%以上。

經(jīng)考察，再生后的纖維與首次使用纖維對銀杏黃酮的飽和吸附量未見顯著差異 (P＞0.05)， 說明該纖維具有很好的再生性能。這亦與纖維線型結(jié)構(gòu)有關(guān)，與離子交換樹脂相比，其表面積毛細(xì)孔道短，所以受擴(kuò)散的影響程度較小，對吸附和解吸均有利，大大提高了純化效率?？梢灶A(yù)測，纖維的再生利用可達(dá)十到數(shù)十次之多，這將在后期的試驗(yàn)中繼續(xù)深入研究。

3 結(jié)論

3.1 離子交換纖維對銀杏黃酮具有很好的吸附作用， 吸附量可達(dá) 666.7 mg/g，遠(yuǎn)大于樹脂類離子交換劑。吸附反應(yīng)是一個自發(fā)進(jìn)行、吸熱、熵增的過程，兼有物理吸附和化學(xué)吸附。動力學(xué)過程符合準(zhǔn)二級吸附模型，吸附的速控步驟主要是液膜擴(kuò)散，同時尚受顆粒內(nèi)擴(kuò)散的影響。

3.2 離子交換纖維吸附和解吸速度快， 再生能力強(qiáng)，適合于銀杏黃酮的精制，是一種理想的吸附功能材料，本研究也為其他天然藥物活性成分分離純化提供了理論基礎(chǔ)。筆者進(jìn)一步深入進(jìn)行離子交換纖維對銀杏黃酮的動態(tài)吸附與解吸行為研究，并擇機(jī)另文發(fā)表。

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Study on static adsorption thermodynam ics and kinetics of Ginkgo flavonoids on ion exchange fiber

WANG Xiao-hong1， LIWan-zhong1*， SHAN Jing-lin1， CUINan2

(Pharmacy and Biological Science College， Weifang Medical University， Weifang 261053， China)

AIM To study the static adsorption and desorption behaviors of Ginkgo flavonoids(GF)on ion exchange fiber(IEF).METHODS At static conditions， the adsorption isotherm curves and kinetic curves of GF on IEFwere investigated and some parameterswere calculated.RESULTS The information showed that the adsorptive balance datawere correlated well to Freundlich and Langmuir equation.The adsorption was considered as a spontaneous and endothermal process.Pseudo-second-order rate modelmaybe fitted to the adsorption kinetic data well， and the adsorption processwasmainly controlled by liquidmembrane diffusion.The apparent activation energy was 4.4261KJ/mol.The fiber could be regenerated for at least three circles.CONCLUSION The IEF showed a good adsorption and desorption property of GF.The resultswere contributed to the purification of GF and other crude drugs.

Ginkgo flavonoids； ion exchange fiber； adsorption thermodynamic； adsorption kinetics

R969.1

:A

:1001-1528(2014)02-0276-04

10.3969/j.issn.1001-1528.2014.02.013

2013-04-24

國家自然科學(xué)基金 (81274049)， 濰坊市科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 (201302087)

王曉紅 (1979—) ， 女， 講師， 碩士， 研究方向: 天然藥物活性成分分離分析。 E-mail:wangxh@wfmc.edu.cn

*通信作者: 李萬忠， 男， 副教授， 碩士生導(dǎo)師， 研究方向: 藥效物質(zhì)篩選及中藥新藥。 E-mail:liwz@wfmc.edu.cn