硅膠吸附甘油磷脂酰膽堿的動(dòng)力學(xué)和焓變的研究

張康逸 張麗霞 王興國(guó) 屈凌波 劉元法

(河南省農(nóng)科院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究所1，鄭州 450002)

(鄭州大學(xué)化學(xué)系2，鄭州 450001)

(江南大學(xué)食品學(xué)院3，無(wú)錫 214122)

硅膠吸附甘油磷脂酰膽堿的動(dòng)力學(xué)和焓變的研究

張康逸1,2張麗霞1王興國(guó)3屈凌波2劉元法3

(河南省農(nóng)科院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究所1，鄭州 450002)

(鄭州大學(xué)化學(xué)系2，鄭州 450001)

(江南大學(xué)食品學(xué)院3，無(wú)錫 214122)

主要研究硅膠吸附L-α-GPC的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性對(duì)吸附過(guò)程的控制，發(fā)現(xiàn)界面擴(kuò)散控制速率模型1-3(1-X)2/3+2(1-X)能很好的擬合硅膠的吸附過(guò)程。通過(guò)Freundlich方程和Langmuir方程對(duì)吸附平衡模擬，得到了Langmiur方程擬合硅膠吸附L-α-GPC的吸附等溫線，計(jì)算出不同溫度條件下的回歸方程，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，并證實(shí)了硅膠的吸附為放熱反應(yīng)。同時(shí)，利用Clausius-Clapeyron方程計(jì)算出3個(gè)吸附量的硅膠吸附熱力學(xué)參數(shù)分別為80、160和240 mg/g，焓變(ΔHAm)分別為24.85、23.82、22.72 kJ/mol。研究結(jié)果為進(jìn)一步探討工業(yè)化硅膠柱色譜制備高純L-α-GPC提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考。

甘油磷脂酰膽堿 硅膠柱色譜 動(dòng)力學(xué) 熱力學(xué)參數(shù)

甘油磷脂酰膽堿(L-alpha glycerylphosphorylcholine,L-α-GPC)由膽堿、甘油和磷酸鹽組成，是乙酰膽堿和磷脂酰膽堿合成的膽堿源[1-2]。在治療人體大腦的精神混亂和神經(jīng)混亂方面具有重要的醫(yī)藥應(yīng)用價(jià)值，如治療阿爾茨海默氏癥、小腦性共濟(jì)失調(diào)、精神分裂癥和雙相情感障礙等，但是就作為藥用原料及相關(guān)研究而言需要較高純度的L-α-GPC[3-5]。硅膠柱層析純化制備高純L-α-GPC，具有產(chǎn)品純度高、回收率高、操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)性使用，以及和甘油磷脂酰乙醇胺(L-alpha glycerylphosphorylethanolamine,L-α-GPE)同步分離等優(yōu)勢(shì)[6-7]。因此，研究硅膠吸附L-α-GPC的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性對(duì)吸附過(guò)程的控制具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

本研究采用非均相未反應(yīng)核收縮模型[8]對(duì)硅膠的吸附過(guò)程進(jìn)行模擬，并對(duì)硅膠吸附動(dòng)力學(xué)中的速度控制模型進(jìn)行探討。分別用Freundlich方程[9]、Langmuir方程[10]對(duì)吸附平衡模擬，結(jié)合Clausius-Clapeyron[11]方程研究硅膠吸附L-α-GPC的熱力學(xué)特性。通過(guò)對(duì)柱色譜中硅膠填料的吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)研究，為L(zhǎng)-α-GPC純化的中試試驗(yàn)，以及工業(yè)化硅膠柱色譜制備提供重要的技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑

L-α-GPC(純度，99.8%)：自制；L-α-GPC(99%)標(biāo)準(zhǔn)品：Sigma公司(St. Louis, MO, USA)；硅膠(柱色譜級(jí)；粒徑75～150 μm；孔徑20～30 nm；pH 6～7；含水量3%，比表面積600～800 m2/g)：青島海洋化工；甲醇：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 儀器

DSHZ-300多用途水浴恒溫振動(dòng)器：江蘇太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)儀器廠；Waters1525高效液相色譜儀，美國(guó)Waters公司；GT16-3高速臺(tái)式離心機(jī)：北京時(shí)代北利離心機(jī)有限公司；MixPlus漩渦震蕩器：合肥艾本森科學(xué)儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 原料預(yù)處理

L-α-GPC溶液配置：稱取一定量制備的L-α-GPC樣品，甲醇溶解，稀釋成不同濃度的溶液。

硅膠的活化：稱取150 g硅膠，放入托盤(pán)中，在120 ℃的烘箱中，干燥30 min進(jìn)行活化。

1.2.2 硅膠吸附率和吸附量測(cè)定

準(zhǔn)確稱取活化的硅膠2 g放入100 mL具塞三角瓶中，加入50 mL濃度16.6 mg/mL的L-α-GPC溶液；在25 ℃，在95 r/min的恒溫水浴震蕩器上搖，均勻吸附；20 min取樣，HPLC-ELSD分析L-α-GPC濃度。

硅膠吸附率和吸附量計(jì)算公式：

(1)

(2)

式中：X和Qe，分別為吸附率和吸附量/mg/g，活化硅膠重量計(jì)；C0為吸附原液中L-α-GPC的質(zhì)量濃度/mg/mL；C為吸附后溶液中L-α-GPC的質(zhì)量濃度/mg/mL；Ce為溶液平衡濃度/mg/mL；V為溶液的體積/mL；W為硅膠的干重/g。

1.2.3 靜態(tài)吸附平衡

精確稱取2 g活化硅膠(按1.2.2方法處理)置于100 mL的錐形瓶中，分別加入50 mL質(zhì)量濃度16.6 mg/mL的L-α-GPC溶液；在25 ℃，在95 r/min的恒溫水浴震蕩器上搖，均勻吸附；HPLC-ELSD分析L-α-GPC濃度，確定吸附達(dá)到平衡所需的時(shí)間。

1.2.4 靜態(tài)吸附等溫線測(cè)定

稱取2 g活化硅膠(按1.2.2方法處理)置于100 mL的錐形瓶中，加入L-α-GPC溶液50 mL；放在298、308、318 K的恒溫水浴震蕩器中，在95 r/min的轉(zhuǎn)速下震蕩吸附，吸附平衡后，取上清液，用HPLC-ELSD測(cè)定平衡時(shí)濃度(Ce)，計(jì)算平衡吸附量(Qe)，以平衡吸附量(Qe)對(duì)平衡濃度(Ce)作靜態(tài)吸附等溫線。

1.3 HPLC-ELSD

色譜條件：硅膠柱，ZORBAXRX-SIL(4.6×250 nm，5 μm)，柱溫35 ℃，漂移管溫度30 ℃；采用二元梯度洗脫，流動(dòng)相A(甲醇∶水=8∶1，V∶V)，流動(dòng)相B(甲醇)，流速1.0 mL/min；A相的梯度，開(kāi)始10 min，以40%梯度增加到60%，保持5 min，之后3 min，以60%梯度降低到40%；進(jìn)樣量20 μL。樣品的定性通過(guò)標(biāo)樣保留時(shí)間比對(duì)，定量采用標(biāo)樣外標(biāo)法。L-α-GPC標(biāo)準(zhǔn)曲線：Y=9.273 9X-8.379 9(R2=0.991)，L-α-GPC質(zhì)量濃度(1 mg/mL≤CGPC≤4 mg/mL)。

1.4 未反應(yīng)核收縮模型模擬硅膠吸附過(guò)程

L-α-GPC在硅膠內(nèi)進(jìn)行吸附時(shí)，由于硅膠本身參與了吸附，它的內(nèi)部條件會(huì)隨時(shí)間變化，因此硅膠的吸附過(guò)程具有穩(wěn)態(tài)特征。當(dāng)L-α-GPC在硅膠內(nèi)吸附時(shí)，假設(shè)它首先在硅膠表面進(jìn)行吸附，當(dāng)硅膠表面吸附點(diǎn)吸附完全后，L-α-GPC會(huì)隨溶劑繼續(xù)向硅膠內(nèi)部擴(kuò)散，逐漸形成吸附層。未吸附的硅膠層與已吸附的硅膠層在性質(zhì)方面發(fā)生了巨大變化，這種變化使硅膠變成了一個(gè)非均相體系。吸附層形成后，L-α-GPC通過(guò)該吸附層繼續(xù)向未吸附的硅膠層擴(kuò)散，并將已吸附層向未吸附層推進(jìn)，未吸附層逐步縮小，使整個(gè)吸附過(guò)程具有了非均相未反應(yīng)核收縮模型的特征, 硅膠吸附L-α-GPC的未反應(yīng)核模型見(jiàn)圖1。

圖1 硅膠吸附的未反應(yīng)核收縮模型

根據(jù)這一假設(shè)，硅膠的吸附過(guò)程可能有3個(gè)速度控制步驟：(1)L-α-GPC通過(guò)硅膠與溶液的界面到達(dá)硅膠表面擴(kuò)散速度控制步驟；(2)L-α-GPC與硅膠吸附點(diǎn)的吸附速度控制步驟; (3)L-α-GPC進(jìn)入硅膠內(nèi)部的速度控制步驟。一般情況，硅膠表面吸附點(diǎn)吸附L-α-GPC的速度比通過(guò)硅膠與溶液界面到達(dá)硅膠表面的擴(kuò)散速度快，也比進(jìn)入硅膠內(nèi)部的速度快。因此，硅膠吸附L-α-GPC的速度控制模型僅能是界面擴(kuò)散控制或者進(jìn)入硅膠內(nèi)部的速度控制。

假設(shè)：(1)忽略吸附過(guò)程溫度波動(dòng)；(2)L-α-GPC的吸附速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過(guò)未飽和吸附層的擴(kuò)散速度；(3)硅膠顆粒是具有中心對(duì)稱的球形體；(4)硅膠吸附L-α-GPC的吸附量和孔隙率呈線性關(guān)系；(5) 吸附過(guò)程在擬穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行；(6)L-α-GPC通過(guò)飽和吸附層和未飽和吸附層的擴(kuò)散系數(shù)相同。

依據(jù)上述假設(shè)，未吸附的硅膠固體顆粒表面上L-α-GPC的濃度c1等于零。假設(shè)在一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)吸附層的擴(kuò)散是擬穩(wěn)態(tài)過(guò)程，即通過(guò)吸附層的擴(kuò)散時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸附層的厚度明顯改變的時(shí)間。L-α-GPC吸附速率相對(duì)于時(shí)間t通過(guò)吸附層的擴(kuò)散密度J1有如下關(guān)系：

(3)

且：

(4)

(5)

(6)

即：

(7)

吸附量的變化可通過(guò)未吸附硅膠顆粒的球形半徑的變化來(lái)表征。因?yàn)椋?/p>

(8)

式中：ρs、rp分別為L(zhǎng)-α-GPC的摩爾密度和未吸附硅膠顆粒半徑。為了確定吸附量與吸附時(shí)間的依賴關(guān)系，考慮化學(xué)計(jì)量后，對(duì)式(8)兩邊求導(dǎo)，可表示為：

(9)

將式(9)代入式(7)可得：

(10)

兩邊整理：

(11)

將此式在rp0與rp之間以及t=0和t之間積分得到：

(12)

硅膠的活性點(diǎn)完全吸附所需總時(shí)間t*，即rp=0時(shí)，所需的時(shí)間t*為：

(13)

吸附率X用未吸附硅膠顆粒的球形半徑的變化來(lái)表征：

(14)

將吸附時(shí)間用吸附率X表達(dá)，最終得到t/t*與X的關(guān)系：

(15)

通過(guò)t對(duì)1-3(1-X)2/3+2(1-X)作圖可以判定速度控制模型是否是界面擴(kuò)散控制。

如果速度控制模型是L-α-GPC進(jìn)入硅膠內(nèi)部的速度控制，通過(guò)上述相類似的方法建立如下關(guān)系式：

(16)

通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于吸附過(guò)程，不同的速率控制模型，吸附量與吸附時(shí)間之間的關(guān)系不同，通過(guò)測(cè)定不同時(shí)間的吸附量，再根據(jù)上述3個(gè)關(guān)系式，即可以計(jì)算出硅膠吸附L-α-GPC的速率控制模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅膠吸附動(dòng)力學(xué)

硅膠吸附L-α-GPC的吸附量隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖2。從圖中可以看出，硅膠在初始階段快速吸附，然后逐漸趨緩，總的硅膠吸附量一直在增加，在4 min達(dá)到吸附平衡。

圖2 吸附量與時(shí)間的關(guān)系

2.2 吸附速率控制模型

界面擴(kuò)散控制速率模型：選擇非均相未反應(yīng)核收縮模型對(duì)圖2的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)前面推導(dǎo)的界面擴(kuò)散控制速率模型的動(dòng)力學(xué)方程(15)，以1-3(1-X)2/3+2(1-X)對(duì)t作圖，結(jié)果如圖3。圖中顯示，1-3(1-X)2/3+2(1-X)與t有很好的線性關(guān)系，回歸方程為Y=-0.006 92+0.218 97X，線性相關(guān)系數(shù)R2為0.996 21，這都說(shuō)明了界面擴(kuò)散控制速率模型為硅膠吸附L-α-GPC的擴(kuò)散速度控制模式。

圖3 1-3(1-X)2/3+2(1-X)與吸附時(shí)間t的關(guān)系

硅膠吸附速率控制模型：根據(jù)前面推導(dǎo)的速度控制模型動(dòng)力學(xué)方程(16)，以吸附率X對(duì)吸附時(shí)間t作圖，結(jié)果如圖4。圖中顯示吸附率X與t不成線性關(guān)系，這也說(shuō)明了L-α-GPC進(jìn)入硅膠內(nèi)部的速度控制模式不是真實(shí)的硅膠吸附速率控制模型。

圖4 吸附率X與吸附時(shí)間t的關(guān)系

通過(guò)對(duì)2種硅膠吸附L-α-GPC過(guò)程的速率控制模型進(jìn)行分析，確定了硅膠吸附速率控制模型為界面擴(kuò)散控制速率模式。

2.3 靜態(tài)吸附平衡

靜態(tài)平衡曲線可以判斷硅膠吸附L-α-GPC的吸附平衡時(shí)間，從圖5中可以看出，甲醇溶液中L-α-GPC的濃度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，在4 min內(nèi)，濃度從16.6 mg/mL降低到4.3 mg/mL，然后趨于平衡。這說(shuō)明在4 min硅膠吸附L-α-GPC達(dá)到吸附平衡。

圖5 溶液中L-α-GPC濃度隨吸附時(shí)間的變化

2.4 硅膠吸附熱力學(xué)模型

硅膠吸附平衡模型確定：在設(shè)定的298、308和318 K 3個(gè)溫度下，Ce吸附平衡濃度用HPLC-ELSD測(cè)定，Qe用公式計(jì)算，對(duì)Ce和Qe做圖，硅膠吸附L-α-GPC的吸附等溫線如圖6。

圖6 硅膠的吸附等溫線

Freundlich方程進(jìn)行吸附平衡模擬：

(17)

兩邊取對(duì)數(shù)得：

(18)

Langmiur方程進(jìn)行吸附平衡模擬：

(19)

取倒數(shù)得：

(20)

分別用Freundlich方程中的(lgQe)～(lgCe)，Langmiur方程中的(1/Qe)～(1/Ce)數(shù)據(jù)作圖進(jìn)行吸附平衡模擬，通過(guò)線性回歸方程參數(shù)和相關(guān)系數(shù)R2來(lái)判定模擬的準(zhǔn)確性，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出298、308和318K 3個(gè)溫度下Freundlich方程和Langmiur方程對(duì)硅膠吸附等溫線的模擬，F(xiàn)reundlich模擬出來(lái)的回歸方程相關(guān)系數(shù)比較低，證明了這種模擬方法不適合硅膠吸附，Langmiur方程模擬的結(jié)果比較令人滿意，不同溫度條件下，回歸方程的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上。因此，在目前的試驗(yàn)條件下，用 Langmiur方程能更好的對(duì)硅膠吸附L-α-GPC的吸附等溫線進(jìn)行擬合。

表1 吸附方程的參數(shù)

在本研究用Langmiur方程對(duì)298、308和318K 3個(gè)溫度條件的硅膠吸附等溫線進(jìn)行了擬合。根據(jù)圖6可以得到不同溫度下的回歸方程：

從圖6可以看出，上樣濃度相同時(shí)，隨著溫度的升高，硅膠的吸附能力下降，這說(shuō)明溫度升高降低硅膠對(duì)L-α-GPC的吸附，這說(shuō)明硅膠的吸附為放熱反應(yīng)。

硅膠吸附熱力學(xué)分析：

Clausius-Clapeyron方程：

(21)

固定上樣量(固定上樣濃度和上樣體積進(jìn)行控制)，由lnCe對(duì)1/T作圖。

圖7 硅膠吸附等容線

圖7為硅膠吸附等容線，在80、160和240 mg/g 3個(gè)上樣量條件下，lnCe對(duì)1/T作圖，進(jìn)行線性回歸，根據(jù)公式(21)計(jì)算不同上樣量的硅膠吸附熱力學(xué)參數(shù)焓變(ΔHAm)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同上樣量的硅膠吸附熱

3 結(jié)論

通過(guò)研究自制樣品L-α-GPC的硅膠吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)，發(fā)現(xiàn)界面擴(kuò)散控制速率模型1-3(1-X)2/3+2(1-X)能很好的擬合硅膠的吸附過(guò)程。同時(shí)，用Langmiur方程對(duì)硅膠吸附L-α-GPC的吸附等溫線進(jìn)行了擬合，計(jì)算出不同溫度條件下的回歸方程，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，并且證實(shí)了硅膠的吸附為放熱反應(yīng)。最后，利用Clausius-Clapeyron方程計(jì)算出80、160和240 mg/g 3個(gè)吸附量的硅膠吸附熱力學(xué)參數(shù)，焓變(ΔHAm)分別為24.85、23.82、22.72 kJ/mol。

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Kinetics ofL-alpha Glycerylphosphorylcholine Adsorption by Silica Gel and Enthalpy Change

Zhang Kangyi1,2Zhang Lixia1Wang Xingguo3Qu Lingbo2Liu Yuanfa3

(Henan Academy of Agricultural Sciences Institute of Agricultural Products Processing1, Zhengzhou 450002)(Zhengzhou University Department of Chemistry2, Zhengzhou 450001)(Jiangnan University，School of Food Science and Technology3, Wuxi 214122)

The control of adsorption process of silica gel on the kinetics and thermodynamic of adsorption of L-alpha glycerylphosphorylcholine (L-α-GPC) was studied. The results showed that the adsorption process of silica gel can be well governed by interface diffusion control rate model 1-3(1-X)2/3+2(1-X). The adsorption isotherm ofL-α-GPC by silica gel could be described with the equation of Langmiur through the stimulation of adsorption balance by Freundlich and Langmuir equations, and then regression equation under different temperature conditions was calculated (related coefficient was above 0.99), and silica gel adsorption was identified as exothermic reaction. The silica gel adsorption thermodynamic parameters of three absorption measurements were 80, 160 and 240 mg/g respectively by Clausius-Clapeyron equation, and the adsorption enthalpy change (ΔHAm) was 24.85, 23.82, 22.72, respectively. The results provided the basic data and theoretical support for further exploration on the industrialized preparation of high purityL-α-GPC by silica gel column chromatography.

L-alpha glycerylphosphorylcholine, silica gel column chromatography, kinetics, thermodynamic parament

TS229

A

1003-0174(2016)03-0047-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(31301502),河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院優(yōu)秀青年科技基金(2013YQ25)

2014-07-09

張康逸，男，1981年出生，博士，脂質(zhì)科學(xué)

劉元法，男，1974年出生，教授，油脂加工