大孔吸附樹脂在天然產(chǎn)物的分離純化中的應(yīng)用進(jìn)展

胡迎麗，夏 璐，雷福厚

（廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，林產(chǎn)化學(xué)與工程國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西林產(chǎn)化學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530006)

大孔吸附樹脂也被稱為大孔樹脂，是于20世紀(jì)60年代產(chǎn)生的一種新型高分子吸附材料，外形為球狀顆粒，具有大孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，粒度集中在0.25～0.84mm，對有機(jī)物和金屬無機(jī)物有一定的吸附能力。不同極性的樹脂，對不同種類的化合物的選擇性不同，樹脂的比表面積和孔徑大小決定了其吸附容量。一般來說，樹脂的吸附是物理吸附，易洗脫，樹脂本身也很容易再生[1-2]。近年來，大孔吸附樹脂在天然產(chǎn)物提取純化方面的應(yīng)用，對于保健食品及藥物的研發(fā)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，因此關(guān)于這方面的研究報道越來越深入。本文主要綜述了近年來大孔吸附樹脂在天然產(chǎn)物分離純化中的應(yīng)用新進(jìn)展，以期為天然產(chǎn)物有效成分的分離、提取、純化的深入研究提供一些思路。

1 大孔吸附樹脂的預(yù)處理及再生

預(yù)處理對大孔吸附樹脂的吸附有重要的作用。新制備的大孔吸附樹脂一般含有未聚合的單體、致孔劑、分散劑等脂溶性物質(zhì)，使用前需要進(jìn)行預(yù)處理以除去雜質(zhì)。通常使用丙酮、甲醇或乙醇洗滌數(shù)次，必要時需要用鹽酸、氫氧化鈉或其他酸堿洗滌，最后用蒸餾水洗至中性。

樹脂的再生處理通常是用不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇洗滌數(shù)次，必要時也可用鹽酸、氫氧化鈉溶液做進(jìn)一步處理。劉海燕等人[3]通過正交實(shí)驗(yàn)，對CT-101樹脂的再生工藝進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在乙醇濃度為60%、氫氧化鈉濃度為4%、體積配比為3∶7的條件下，再生效果最佳。此外，張華等人[4]用經(jīng)過4種方法預(yù)處理的AB-8大孔樹脂純化貝母多糖，發(fā)現(xiàn)在無水乙醇中浸泡24h，再用4%的HCl、NaOH溶液各浸泡3h，每次用蒸餾水洗滌至中性的條件下處理的樹脂，對多糖的純化效果最佳。

2 影響大孔吸附樹脂分離效果的因素

2.1 大孔吸附樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)

大孔吸附樹脂是一類具有較大比表面積、多孔立體結(jié)構(gòu)的吸附劑，它的吸附能力是由其極性、比表面積、孔容、孔徑，以及能否與被吸附成分形成氫鍵等因素決定的，使用前應(yīng)對大孔吸附樹脂型號進(jìn)行篩選，以使吸附效果達(dá)到最佳。根據(jù)大孔樹脂所選用的單體結(jié)構(gòu)和極性不同，可將大孔樹脂分為由偶極矩很小的單體聚合制得的不帶有任何功能基團(tuán)的非極性大孔樹脂如D-101、HPD-100等；由含有酯基的單體聚合而成的中極性大孔樹脂如AB-8、X-5等；由含有酰胺基、氰基、酚羥基等極性功能基團(tuán)的單體聚合而成的極性大孔樹脂如S-8、NKA-9等，表1列出了一些常用的大孔樹脂型號及其適用范圍。

表1 常用大孔樹脂型號及適用范圍

2.2 被分離物質(zhì)的性質(zhì)

大孔樹脂的吸附效果，與被分離物質(zhì)的分子量和極性有直接關(guān)系。在同一種樹脂中，樹脂對具有較大分子量的化合物有強(qiáng)吸附作用，且對化合物的吸附力隨著其極性的增加而增加，化合物與樹脂之間能否產(chǎn)生氫鍵作用，也會對吸附量有影響。崔新梅等人[10]考察了6種大孔樹脂對敗醬草黃酮的純化效果。敗醬草黃酮因含有酚羥基而具有極性，由此確定了極性樹脂S-8對敗醬草黃酮的吸附性能相對較好。

2.3 樣品濃度

上樣濃度也是影響樹脂吸附量的重要因素。若上樣液過稀、溶液黏度較小，會因傳質(zhì)不徹底而導(dǎo)致泄漏；若上樣液太濃、上樣黏度較大，則樹脂吸附的物質(zhì)分子過多，某些沒來得及被吸附的成分就會流出來，因此，這兩種情況均不能達(dá)到最大吸附量。在使用D-101型大孔樹脂分離純化川麥冬須根總黃酮的實(shí)驗(yàn)中，李沛霞等人[11]發(fā)現(xiàn)，黃酮的吸附量隨著上樣液質(zhì)量濃度的增加而提高，吸附量在上樣液濃度為0.73mg·mL-1時達(dá)到最高，繼續(xù)增加濃度，吸附量呈下降趨勢。同樣，彭焱等人[12]在LSA-21型樹脂純化白及多酚的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)吸附量隨著上樣液濃度的增加而逐漸增大，上樣液濃度達(dá)到0.6g·L-1之后，吸附量不再增加。

2.4 溫度

一般來說，隨著溫度升高，被吸附的化合物在溶液中的溶解度會變大，樹脂對化合物分子的吸附作用會降低，因此，使用大孔吸附樹脂時，一般是在低溫下吸附，高溫下解吸。但也有些過程與之相反，因此在實(shí)際應(yīng)用中，要注意溫度的影響。莫天錄等人[13]考察了XDA-1樹脂在不同溫度下對綠茄葉黃酮粗提取物的靜態(tài)吸附、動態(tài)吸附與解吸性能，發(fā)現(xiàn)黃酮在低溫時較穩(wěn)定，25℃時的吸附率可達(dá)到最高，繼續(xù)升高溫度，黃酮的吸附率降低。

2.5 pH值

天然產(chǎn)物中的許多化學(xué)成分都有一定的酸堿性，因此pH值是影響大孔樹脂分離純化效果的重要因素。通常情況下，酸性化合物在酸性溶液中容易被吸附，堿性化合物在堿性溶液中能夠很好地被吸附，中性化合物則在中性條件下更容易被吸附。蒲忠慧等人在使用AB-8型大孔樹脂純化川芎總生物堿的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，pH值在3～9之間時，樹脂對總生物堿的吸附量隨著pH值的升高而增加，pH值超過9之后，樹脂對總生物堿的吸附量降低，所以最佳的上樣pH值為9。蘭雪萍等人[14]在使用大孔吸附樹脂提取分離金銀花中綠原酸的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，pH=2時，有一定酸性的綠原酸的吸附量達(dá)到最大值，隨著pH值繼續(xù)增加，吸附量逐漸降低。

2.6 洗脫溶劑

大孔樹脂吸附有效成分后，需對其進(jìn)行洗脫并測定其洗脫率。選擇合適的洗脫劑，可以提高樹脂的洗脫率，且不會對大孔樹脂的再次使用產(chǎn)生較大的影響。一般情況，使用極性小的洗脫劑對非極性和弱極性大孔樹脂進(jìn)行洗脫，用極性較大的洗脫劑對中極性或極性較大的大孔樹脂進(jìn)行洗脫。在分離純化川麥冬須根總黃酮的實(shí)驗(yàn)中，李沛霞等人發(fā)現(xiàn)，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，D-101大孔樹脂對總黃酮的解吸率逐漸增加，當(dāng)使用體積分?jǐn)?shù)為70%的乙醇時，總黃酮的解吸率達(dá)到最高，繼續(xù)增加乙醇的體積分?jǐn)?shù)，解吸率基本不變。

2.7 其他因素

樹脂的粒徑、樹脂柱的徑高比、上樣流速、洗脫流速等因素，都會影響大孔樹脂對有效成分的吸附。對這些因素進(jìn)行調(diào)整并優(yōu)化，提高分離效果的同時還可以節(jié)約時間。在茶皂素提取條件的優(yōu)化及純化研究中，孫萬里等人發(fā)現(xiàn)，隨著上樣流速增大，茶皂素在樹脂內(nèi)的擴(kuò)散速度變慢，導(dǎo)致了吸附率減小，考慮到吸附穩(wěn)定性，最終選擇8mL·min-1作為上樣流速。劉翠玲等人[15]利用HPD-300型大孔樹脂純化結(jié)球菊苣總苷，實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：洗脫流速越慢，解吸率越高，綜合考慮其他因素，選擇2.0mL·min-1作為最佳洗脫流速。

3 大孔吸附樹脂在天然產(chǎn)物成分分離純化中的應(yīng)用

3.1 黃酮類

黃酮類化合物能夠抗衰老，防止細(xì)胞退化，降低心腦血管疾病的發(fā)生，其強(qiáng)大的抗氧化能力吸引了國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行廣泛和深入的研究。在大孔樹脂純化淫羊藿總黃酮的實(shí)驗(yàn)中，楊茹等人[16]從5種大孔樹脂中篩選出了HPD100作為最優(yōu)型號樹脂，并對其吸附動力學(xué)和熱力學(xué)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)淫羊藿中的5種代表性黃酮均符合擬二級動力學(xué)模型，總黃酮的熱力學(xué)過程符合Langmuir等溫模型，最適吸附溫度為25℃。Wu等人比較了3種不同的大孔吸附樹脂對藜麥總黃酮的吸附和解吸性能，最終選擇D-101大孔吸附樹脂作為藜麥總黃酮的較好分離材料，純化后藜麥總黃酮的含量由7.09%提高到28.48%，工藝穩(wěn)定可靠。Dong等人[17]選用XAD-16樹脂和SP-825樹脂，對光果甘草中的黃酮類化合物進(jìn)行純化，可使黃酮類化合物顯著富集，生物活性明顯提高。綜上所述，大孔吸附樹脂在黃酮類化合物分離純化方面的應(yīng)用廣泛且效果明顯，成本相對較低，環(huán)境污染小，易于放大到工業(yè)生產(chǎn)中，具有很好的應(yīng)用前景。

3.2 生物堿類

絕大多數(shù)生物堿具有顯著的生理活性，是很多中草藥和藥用植物的有效成分，其種類較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有一定的堿性，可與酸成鹽。陽離子交換樹脂可用于分離純化生物堿，但是洗脫時需用酸、堿或鹽類洗脫劑，給后面的分離帶來困難；采用大孔樹脂、用乙醇洗脫，可避免引入雜質(zhì)，因此受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。李巖等人[18]研究了不同特性的大孔樹脂對天仙子總生物堿的吸附效果，發(fā)現(xiàn)LS-A5B型大孔吸附樹脂的吸附能力強(qiáng)，吸附后天仙子中的生物堿含量比富集前提高了18倍。Yang等人[19]考察了6種大孔樹脂對苦參中的喹諾酮類生物堿的吸附特性，發(fā)現(xiàn)AB-8樹脂具有最好的吸附和解吸性能，在AB-8樹脂填充柱上進(jìn)行了動態(tài)吸附和解吸實(shí)驗(yàn)，最終產(chǎn)品中苦參堿、氧化苦參堿和槐定堿的含量分別從9.30%、8.39%和9.84%，提高到22.22%、21.44%和28.02%。在7種大孔樹脂富集純化烏頭6種生物堿的性能評價實(shí)驗(yàn)中，Liu等人[20]發(fā)現(xiàn)NKA-Ⅱ型樹脂對6種烏頭生物堿的吸附和解吸能力最好，烏頭草中6種生物堿的含量由5.87%提高到60.3%，回收率為75.8%。與其他提取生物堿的方法相比，大孔吸附樹脂的洗脫方式簡單，毒性小，可避免引入脂溶性成分或水溶性雜質(zhì)，因此是提取生物堿的較理想方法。

3.3 皂苷類

皂苷類化合物能夠活血化瘀，預(yù)防高血壓和心腦血管疾病，近年來大孔吸附樹脂在皂苷分離純化中的應(yīng)用也較為成熟廣泛。黃曉亮等人選用D-101型大孔樹脂用于分離純化匙羹藤中的總皂苷，在動態(tài)吸附和解析實(shí)驗(yàn)中，確定在上樣濃度3mg·mL-1、樹脂上樣量5mg·g-1、洗脫劑為90%乙醇的工藝條件下，匙羹藤粗提物中的皂苷含量是純化前的1.7倍。智秀娟等人[21]篩選出SP-700型大孔樹脂用于分離純化苦蕎總皂苷，在動態(tài)洗脫實(shí)驗(yàn)中，使用體積分?jǐn)?shù)分別為50%和70%的乙醇溶液進(jìn)行分段洗脫時，洗脫率最高可達(dá)88.9%。洗脫液旋干后得到的皂苷含量較提取液中的皂苷含量提高了2倍。Zhou等人[22]從麥冬須根中富集總甾體皂甙，在XAD-7HP樹脂柱上進(jìn)行動態(tài)吸附和解吸。在優(yōu)化的動態(tài)條件下，樹脂富集部分的TSS含量由粗提物中的1.83%提高到13.86%，回收率為82.68%。Wang等人[23]用7種樹脂分離純化云南重樓甾體皂苷，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)D-101大孔樹脂對甾體皂苷的吸附和解吸性能最好，甾體皂苷的含量較提取液中的含量提高了4.83倍，回收率為85.47%。

3.4 多糖類

多糖是一類重要的活性成分，具有抗炎、抗凝血、抗腫瘤、降血糖、提高免疫力等作用。與傳統(tǒng)的脫色、脫蛋白方法相比，利用大孔樹脂技術(shù)除去多糖中的色素和蛋白質(zhì)，可以極大地縮短時間，簡化工藝。古靜燕等人[24]比較了4種大孔吸附樹脂對金針菇粗多糖中蛋白的去除效果，篩選出了效果最佳的樹脂LS-46D，在上樣量為1.5BV、洗脫劑用量2BV、洗脫速度1.5BV、上樣液pH=6.0的最佳工藝條件下，多糖純度從22.4%提高到58.3%。楊波等人[25]使用AB-8大孔吸附樹脂分離純化玉竹多糖，在上樣濃度為1.0 mg·mL-1、75%乙醇洗脫、流速1.0mL·min-1、洗脫液體積為上樣量的10BV的最佳工藝條件下，玉竹粗多糖的純度從65.23%提高到78.64%。此外，He等人通過靜態(tài)和動態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，建立了一種簡單有效的NKA-9型樹脂同時脫色、脫蛋白的方法，并與傳統(tǒng)的兩步法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，經(jīng)NKA-9樹脂吸附后，蛹蟲草多糖的脫色率為80.69%，脫蛋白率為62.51%，多糖回收率為78.08%。進(jìn)一步的光譜分析結(jié)果表明，吸附后蛹蟲草多糖的結(jié)構(gòu)保持不變，但用傳統(tǒng)的兩步法則會檢測到一些試劑殘留物。Yang等人[26]也提出了一種用大孔樹脂純化南瓜渣發(fā)酵液中粗多糖的新方法。在6種不同極性的樹脂對粗多糖同時脫色脫蛋白的評價實(shí)驗(yàn)中，篩選出了最優(yōu)的S-8樹脂進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，色素和蛋白質(zhì)的吸附率分別為84.3%和75.9%，多糖的回收率為84.7%，S-8樹脂表現(xiàn)出比其他傳統(tǒng)方法更高的純化效率。大孔樹脂應(yīng)用于多糖成分的提取，大大縮短了工藝時間，可達(dá)到脫色、脫蛋白的目的，更加適于工業(yè)化的連續(xù)生產(chǎn)。

3.5 其他

大孔吸附樹脂對鞣質(zhì)、色素、醌類、有機(jī)酸、苯丙素類等其他天然產(chǎn)物的活性成分，也有一定的分離純化效果。王宏等人[27]選用AB-8型大孔吸附樹脂，對黑枸杞中的花青素進(jìn)行吸附，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明吸附符合Elovich動力學(xué)模型和Freundlich等溫吸附模型，吸附過程為多層吸附，可自發(fā)進(jìn)行。在比較4種大孔吸附樹脂對決明子總蒽醌的吸附效果實(shí)驗(yàn)中，鄢勝君等人[28]發(fā)現(xiàn)，AB-8型大孔吸附樹脂的吸附、解吸能力最強(qiáng)，在上樣液質(zhì)量濃度為0.65mg·mL-1、上樣流速1.0mL·min-1、10倍量80%乙醇洗脫、流速1.0mL·min-1的工藝條件下，總蒽醌含量從5.59%上升到20%左右，達(dá)到了較好的純化效果。李珊等人[29]考察了8種大孔樹脂對野山杏果肉總有機(jī)酸的吸附效果，發(fā)現(xiàn)AB-8型大孔樹脂可有效富集野山杏果肉的總有機(jī)酸成分，在總有機(jī)酸上樣量為475mL、上樣流速0.0672BV·min-1、50%乙醇洗脫的條件下，總有機(jī)酸含量提高了53.23%。Liu等人[30]比較了9種大孔樹脂對紫莖澤蘭提取物中綠原酸的吸附性能，發(fā)現(xiàn)NKA-Ⅱ型樹脂具有較好的吸附解吸性能，純化后產(chǎn)物中綠原酸的含量提高到22.17%，回收率為82.41%。

4 相關(guān)吸附機(jī)理及模型

使用大孔吸附樹脂作為吸附劑時，需要探究其吸附機(jī)理，以提高分離純化效率。相關(guān)文獻(xiàn)大多是從樹脂吸附物質(zhì)的吸附動力學(xué)、熱力學(xué)等方面，對大孔樹脂靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中的吸附機(jī)理進(jìn)行初步探索。做等溫吸附曲線時，常用Langmuir和Freundlich等溫吸附模型來擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷吸附狀態(tài)是傾向單分子層吸附還是多層吸附。吸附動力學(xué)研究，通常采用擬一級動力學(xué)、擬二級動力學(xué)、Elovich模型來擬合數(shù)據(jù)，通過描述吸附速率來分析吸附質(zhì)與吸附劑的關(guān)系。顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型和Boyd模型則用來判斷吸附質(zhì)是外擴(kuò)散、液膜擴(kuò)散、顆粒內(nèi)擴(kuò)散、與吸附劑內(nèi)部活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)還是某兩種擴(kuò)散方式結(jié)合的擴(kuò)散狀態(tài)。為了更深入地探究吸附機(jī)理，可以從熱力學(xué)數(shù)據(jù)ΔH、ΔG、ΔS來分析。表2列出一些常用的大孔樹脂用于分離純化天然產(chǎn)物時，擬合效果最優(yōu)的等溫吸附曲線、動力學(xué)模型、熱力學(xué)數(shù)據(jù)。

表2 常用樹脂吸附不同物質(zhì)的等溫吸附曲線、熱力學(xué)和動力學(xué)研究

5 存在的問題與展望

為了提高天然產(chǎn)物活性成分的分離純化效果，實(shí)驗(yàn)中往往會將一種大孔樹脂與其他不同類型的樹脂混用，或?qū)⒋罂讟渲c一些現(xiàn)代分析技術(shù)聯(lián)用，如大孔樹脂與亞臨界水萃取法、高速逆流色譜法、超聲波輔助法、制備型高效液相色譜法等聯(lián)用。這些方法拓寬了大孔樹脂在分離天然產(chǎn)物方面的應(yīng)用范圍，也使得分離純化的效果更好。

盡管大孔樹脂在分離純化天然產(chǎn)物方面顯示了獨(dú)特的優(yōu)越性，但在使用過程中也存在很多問題。制備的大孔樹脂往往殘留很多未反應(yīng)完全的單體、致孔劑、分散劑等有機(jī)試劑，因此需要進(jìn)行預(yù)處理。但對樹脂預(yù)處理的研究相對欠缺，會對后續(xù)工藝產(chǎn)生影響。此外大孔樹脂的再生方法單一，再生效果較差，勢必會影響大孔樹脂的重復(fù)使用和對天然產(chǎn)物的吸附率。另一方面，天然產(chǎn)物的成分復(fù)雜，大孔樹脂對天然產(chǎn)物活性成分的吸附和解吸終點(diǎn)很難判斷。目前，對大孔樹脂分離天然產(chǎn)物的研究大多仍局限于實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的參數(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中可能并不適用，這些問題都需要進(jìn)行更深入的研究。