大孔樹脂法純化辣椒堿的工藝研究

朱 華，王海翔，任旭桐，王歲樓

（中國(guó)藥科大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 211198）

辣椒堿別稱辣椒素，是一類可以從茄科植物辣椒果實(shí)里提取分離的香草酰胺類生天然生物堿，成熟辣椒果實(shí)中的胚座組織中辣椒堿含量最多，還有一小部分存在于果皮和種子之中[1]。辣椒堿類化合物屬于香草酸的同源同系物，其同系物目前有20多種被發(fā)現(xiàn)，絕大部分為辣椒堿和二氫辣椒堿（大約占同系物總量90%以上），其余一些極少量同系物分別為降二氫辣椒堿、高辣椒堿、高二氫辣椒堿Ⅰ、高二氫辣椒堿Ⅱ、壬酰香莢蘭胺、辛酰香莢蘭胺和癸酰香莢蘭胺[2-4]。

研究表明，辣椒堿具有長(zhǎng)效鎮(zhèn)痛、抗菌消炎、促進(jìn)食欲、改善消化等藥理作用，對(duì)帶狀瘡疹后神經(jīng)痛、牛皮癬、皮膚搔癢癥、糖尿病性神經(jīng)痛等癥狀均具有明顯的治療效果[5-7]，還可廣泛用于食品工業(yè)、軍事彈藥、有害生物防治等領(lǐng)域[8-11]。辣椒堿粗品中有一些酚類物質(zhì)能拮抗辣椒堿對(duì)神經(jīng)肽的作用，會(huì)加劇疼痛和炎癥反應(yīng)，所以辣椒堿經(jīng)純化后才有更好的應(yīng)用價(jià)值。然而，價(jià)格昂貴的高純辣椒堿的全球市場(chǎng)缺口非常大[8]，為了改變這種現(xiàn)狀，提取高純度的辣椒堿勢(shì)在必行。純化辣椒堿類化合物的方法很多，其中包括如超臨界二氧化碳流體萃取法[9]、高速逆流色譜法[10]、離子交換樹脂法[11]、硅膠正相層析[12]和反相C18法[13]等，然而以上方法存在處理量小、工藝繁瑣和生產(chǎn)成本高等問題。

大孔吸附樹脂為吸附型和篩選性原理相結(jié)合的高分子分離材料，其理化性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于酸、堿及有機(jī)溶劑，與傳統(tǒng)吸附劑相比，它具有選擇性好、吸附容量大、解析條件溫和、機(jī)械強(qiáng)度高、耐污染、成本低廉、可以多次反復(fù)使用、再生比較容易等優(yōu)點(diǎn)[14-15]。選用大孔樹脂法作為進(jìn)一步純化辣椒堿的材料，通過試驗(yàn)選擇合適的大孔樹脂，并根據(jù)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)吸附解析試驗(yàn)來確定純化的最優(yōu)工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

辣椒堿標(biāo)準(zhǔn)品（97%），南京景竹生物科技有限公司提供；辣椒堿粗提浸膏，實(shí)驗(yàn)室自制；S-8型、AB-8型和D101型大孔樹脂，天津市海光化工有限公司提供；鹽酸，南京化學(xué)試劑股份有限公司提供；氫氧化鈉、乙醇，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。

TU-1810型紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)品；HZQ-F160型全溫振蕩培養(yǎng)箱，蘇州培英實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 辣椒堿含量測(cè)定

參考相關(guān)文獻(xiàn)[16-17]，采用紫外分光光度法，以280 nm為吸收波長(zhǎng)，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為A=9.391C+0.056 8（R2=0.9995），在 0.01～0.05 mg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)對(duì)辣椒堿進(jìn)行測(cè)定，精密度、準(zhǔn)確度均良好。式中A為吸光度，C為辣椒堿質(zhì)量濃度（mg/mL），R為相關(guān)性系數(shù)。

1.2.2 大孔樹脂預(yù)處理

按照文獻(xiàn)[18-19]，稱取100.0 g大孔樹脂放入燒杯中，用體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇溶液浸泡24 h后，真空抽濾后不斷用無水乙醇溶液沖洗大孔樹脂，觀察濾液遇水不會(huì)出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象后用純凈水不斷淋洗，洗至大孔樹脂沒有乙醇味道，待其干燥。配制500 mL 5%的鹽酸溶液，放入干燥后的大孔樹脂浸泡3 h后進(jìn)行抽濾，用純凈水不斷沖洗，將酸液洗盡，待流出液為中性即可，再配制500 mL 5%氫氧化鈉溶液，將大孔樹脂放入溶液，待3 h后過濾用純凈水不斷沖洗，將堿液洗盡，待其完全干燥，備用。

1.2.3 大孔樹脂靜態(tài)吸附解析試驗(yàn)

（1） 大孔樹脂種類的篩選。將S-8，AB-8和D101 3種型號(hào)樹脂分別進(jìn)行預(yù)處理，干燥至恒質(zhì)量后，精確稱取這3種樹脂各5.0 g依次放入250 mL具塞錐形瓶中，分別量取100 mL相同質(zhì)量濃度的辣椒堿粗提品溶液倒入裝有樹脂的3個(gè)錐形瓶中。在室溫下，放入全溫振蕩培養(yǎng)箱中進(jìn)行靜態(tài)吸附，保持恒速振搖24 h確保達(dá)到吸附平衡，充分吸附后真空抽濾，收集各樹脂濾液，根據(jù)濾液吸光度，可算出每種樹脂的吸附量和吸附率。再將經(jīng)過充分吸附的樹脂濾干分別放入3個(gè)錐形瓶中，依次倒入50 mL體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇溶液，在室溫下，放入全溫振蕩培養(yǎng)箱保持恒速振搖10 h，進(jìn)行靜態(tài)解析。待解析完全后過濾，根據(jù)濾液吸光度，可算出每種樹脂的解析率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)其類型進(jìn)行選擇，相關(guān)計(jì)算公式如下：

式中：C0——辣椒堿浸膏原料液質(zhì)量濃度，mg/mL；

C1——吸附平衡后溶液質(zhì)量濃度，mg/mL；

C2——解析后溶液質(zhì)量濃度，mg/mL；

V1——辣椒堿浸膏原料液體積，mL；

V2——解析液體積，mL；

W——樹脂質(zhì)量，g。

（2）不同上柱液質(zhì)量濃度對(duì)樣品吸附效果的影響。精確稱量5.0 g經(jīng)過預(yù)處理、恒質(zhì)量至干燥的AB-8型樹脂分別放入6只250 mL的錐形瓶里，依次加入150 mL質(zhì)量濃度為0.111，0.273，0.476，0.727，0.812，0.906 mg/mL的上柱液（通過辣椒堿粗提浸膏配制），于室溫下放入全溫振蕩培養(yǎng)箱中，保持恒速振搖24 h，待吸附平衡后，測(cè)定吸附液吸光度根據(jù)公式可算出吸附量和吸附率。

（3）不同乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)樣品解析效果的影響。精確稱量5.0 g經(jīng)過預(yù)處理恒質(zhì)量至干燥的AB-8型樹脂分別放入7只250 mL錐形瓶里，依次加入質(zhì)量濃度為0.273 mg/mL的辣椒堿原料液，在室溫放入全溫振蕩培養(yǎng)箱中保持恒速振搖24 h，靜態(tài)吸附，待吸附平衡后將吸附飽和的樹脂過濾干燥，依次加入150 mL體積分?jǐn)?shù)為40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%乙醇溶液，于室溫下放入全溫振蕩培養(yǎng)箱中振搖10 h，靜態(tài)解析。待解析完全后，根據(jù)解析液的吸光度可算出在不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下AB-8型大孔樹脂的解析率。

1.2.4 大孔樹脂動(dòng)態(tài)吸附解析試驗(yàn)

（1）上柱量對(duì)吸附效果的影響。稱取經(jīng)過預(yù)處理、恒質(zhì)量至干燥的AB-8型大孔樹脂預(yù)先裝柱，當(dāng)樹脂加到預(yù)定的20 mL后，緩慢加入純凈水，重復(fù)多次，待大孔樹脂柱之間沒有空隙充分壓緊后，準(zhǔn)備上樣，用辣椒堿粗提浸膏配制質(zhì)量濃度為0.727 mg/mL的原料液100 mL，開始上樣，上柱時(shí)應(yīng)沿管壁緩慢加入，否則會(huì)使大孔樹脂表層松散，漂浮在溶液中。待吸附后收集濾液，每20 mL收集1管，待100 mL原料液流盡后分別測(cè)其吸光度，由濾液中辣椒堿的含量分析可得合適的上柱量體積。

（2）洗脫劑質(zhì)量濃度對(duì)洗脫效果的影響。稱取經(jīng)過預(yù)處理、恒質(zhì)量至干燥的AB-8型大孔樹脂預(yù)先裝柱，當(dāng)樹脂加到預(yù)定的20m L后，用辣椒堿粗提浸膏配制60 mL質(zhì)量濃度為0.727 mg/mL的原料液開始上樣，待吸附平衡后，緩慢倒入純凈水至流出液沒有顏色后，選擇體積分?jǐn)?shù)為70%，80%，90%的乙醇溶液150 mL分批進(jìn)行洗脫，控制2 mL/min的洗脫速度，每隔5 min用試管收集1次洗脫液，待150 mL洗脫液流盡后分別測(cè)其吸光度，以洗脫液體積（mL） 為橫坐標(biāo)、洗脫液中辣椒堿的質(zhì)量濃度（mg/mL）為縱坐標(biāo)，繪制曲線。

（3）洗脫速度對(duì)洗脫效果的影響。稱取經(jīng)過預(yù)處理、恒質(zhì)量至干燥的AB-8型大孔樹脂預(yù)先裝柱，當(dāng)樹脂加到預(yù)定的20 mL后，用辣椒堿粗提浸膏配制60 mL質(zhì)量濃度為0.727 mg/mL的原料液開始上樣，待吸附平衡后，緩慢倒入純凈水至流出液沒有顏色后，用150 mL體積分?jǐn)?shù)為80%的乙醇分別以1，2，3 mL/min速度依次洗脫。洗脫液每流出10mL就用試管收集1次，當(dāng)洗脫液流盡后分別測(cè)吸光度，以洗脫液體積（mL） 為橫坐標(biāo)、洗脫液中辣椒堿的質(zhì)量濃度（mg/mL）為縱坐標(biāo)，繪制曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 大孔樹脂靜態(tài)吸附解析條件的確定

2.1.1 大孔樹脂種類的篩選

將S-8，AB-8和D101這3種類型樹脂按照1.2.3（1） 的方法處理后，計(jì)算每種樹脂吸附量、吸附率和解析率。根據(jù)這3個(gè)指標(biāo)，綜合分析這3種樹脂對(duì)辣椒堿原料液溶液吸附和解析的效果。

大孔樹脂種類的篩選見表1。

表1 大孔樹脂種類的篩選

如表1所示，樹脂吸附能力大小依次為AB-8＞D101＞S-8，說明AB-8型大孔樹脂易吸附辣椒堿物質(zhì)，而S-8型大孔樹脂的解析率最大，但它的吸附能力最差，根據(jù)對(duì)3種類型樹脂的吸附和解析能力相互比較，綜合分析選用AB-8型大孔樹脂進(jìn)行下一步純化工藝。

2.1.2 上柱液（原料液）質(zhì)量濃度的確定

取AB-8型大孔樹脂，按上述步驟1.2.3（2）試驗(yàn)。

上柱液質(zhì)量濃度對(duì)辣椒堿解析效果的影響見表2。

表2 上柱液質(zhì)量濃度對(duì)辣椒堿解析效果的影響

由表2可以看出，AB-8型大孔樹脂的吸附量跟著辣椒堿上柱液質(zhì)量濃度的增大而變大，吸附率卻隨著其質(zhì)量濃度的增加先上升后下降，說明吸附率受質(zhì)量濃度影響較大，在辣椒堿原料液質(zhì)量濃度為0.727 mg/mL時(shí)，AB-8型大孔樹脂的吸附率最大，為57.12%。高于這個(gè)質(zhì)量濃度樹脂的吸附率不再上升而是逐漸開始下降，吸附量的增加也慢慢趨于平衡，因此試驗(yàn)選擇辣椒堿上柱液質(zhì)量濃度為0.727 mg/mL。

2.1.3 乙醇體積分?jǐn)?shù)的確定

取AB-8型大孔樹脂，按上述步驟1.2.3（3）試驗(yàn)。

不同乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)解析效果的影響見表3。

表3 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)解析效果的影響

由表3可看出，乙醇體積分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，此時(shí)解析率最大為65.75%；當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，解析率最小為38.36%，說明80%的乙醇解析效果最佳；當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)低于80%時(shí)，解析率整體呈一個(gè)上升的趨勢(shì)，說明乙醇體積分?jǐn)?shù)越低越不利于解析過程的進(jìn)行；當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)高于80%的時(shí)候，解析率慢慢開始下降，逐漸趨于平緩，因?yàn)槔苯穳A屬于極性化合物，不同體積分?jǐn)?shù)乙醇溶液極性也各不相同，恰好80%的乙醇溶液的極性和辣椒堿較為相似，所以有最佳解析狀態(tài)，故選用80%乙醇作為試驗(yàn)的洗脫劑。

2.2 大孔樹脂動(dòng)態(tài)吸附解析條件的確定

2.2.1 上柱量的確定

取AB-8型大孔樹脂，按上述步驟1.2.4（1）試驗(yàn)。

上柱液體積對(duì)辣椒堿吸附效果的影響見圖1。

圖1 上柱液體積對(duì)辣椒堿吸附效果的影響

由圖1看出，隨著上柱液體積的增加，流出液中辣椒堿質(zhì)量濃度也呈上升的趨勢(shì)，當(dāng)上柱液體積高于60 mL的時(shí)候，辣椒堿流出液質(zhì)量濃度上升較為緩慢最后趨向平衡，所以上柱量體積為60 mL時(shí)吸附效果較好。

2.2.2 洗脫劑體積分?jǐn)?shù)的確定

取AB-8型大孔樹脂，按上述步驟1.2.4（2）試驗(yàn)。

洗脫液體積分?jǐn)?shù)對(duì)辣椒堿洗脫效果的影響見圖2。

圖2 洗脫液體積分?jǐn)?shù)對(duì)辣椒堿洗脫效果的影響

由圖2看出，乙醇體積分?jǐn)?shù)為80%和90%時(shí)，洗脫液中辣椒堿質(zhì)量濃度較大，說明辣椒堿能較多地被洗脫下來，將兩者洗脫液中辣椒堿的質(zhì)量濃度進(jìn)行比較分析，體積分?jǐn)?shù)為80%乙醇的洗脫效果優(yōu)于90%乙醇，故試驗(yàn)選擇80%乙醇作為洗脫劑。

2.2.3 洗脫流速的確定

取AB-8型大孔樹脂，按上述1.2.4（3）試驗(yàn)。

洗脫速度對(duì)辣椒堿洗脫效果的影響見圖3。

圖3 洗脫速度對(duì)辣椒堿洗脫效果的影響

由圖3看出，當(dāng)洗脫液體積不斷增加時(shí)，辣椒堿質(zhì)量濃度先上升再下降最后逐漸趨于穩(wěn)定，洗脫速度越慢，洗脫效果就越好，洗脫下來的辣椒堿質(zhì)量濃度就越多，當(dāng)洗脫速度達(dá)到3 mL/min，曲線峰值較低說明辣椒堿未達(dá)到吸附平衡就被洗脫下來，以1 mL/min的速度洗脫辣椒堿能被較多地洗脫下來，故試驗(yàn)選擇1 mL/min作為洗脫流速。

3 結(jié)論

試驗(yàn)系統(tǒng)研究了大孔樹脂純化辣椒堿的方法，通過對(duì)S-8，AB-8和D101這3種不同型號(hào)大孔樹脂的吸附及解析能力進(jìn)行考查。結(jié)果顯示，AB-8型大孔樹脂各方面性能較為突出，通過樹脂靜態(tài)和動(dòng)態(tài)吸附解析試驗(yàn)確定了辣椒堿最佳純化工藝：采用預(yù)先處理好的AB-8型樹脂裝柱，用3 BV質(zhì)量濃度為0.727 mg/mL原料液過柱，待吸附平衡后，用7.5 BV體積分?jǐn)?shù)為80%的乙醇溶液以1 mL/min的速度洗脫。該優(yōu)化條件對(duì)辣椒堿純化效果明顯。大孔樹脂柱反復(fù)使用多次后，可根據(jù)樹脂吸附情況進(jìn)行再生處理。