大孔树脂吸附知母总皂苷的动力学与热力学研究

胡洋叶，王玉蓉，韩振蕴

(1.北京中医药大学，北京 100102;2.北京中医药大学东方医院，北京 100078)

知母系百合科植物知母(Anemarrhena asphodeloides Bge.)的干燥根茎，具有清热泻火、生津润燥的功效，主要含有甾体皂苷和知母多糖等有效成分［1－2］。现代研究表明，知母具有抗病原微生物、抗血小板聚集、降血糖、抗炎、抗衰老、降低转氨酶等多种活性［3－4］。李庆国［5］等曾考察了 AB －8 大孔树脂对知母提取液中知母总皂苷的吸附动力学过程，但未用拟一级、拟二级动力学模型进行拟合;在考察四种大孔树脂吸附知母提取液中总皂苷的热力学现象时未涉及AB－8型大孔树脂［6］。本文通过静态和动态吸附解吸试验发现，AB－8型大孔树脂能很好地纯化知母总皂苷，并对其吸附动力学和热力学特征进行系统研究，旨为大孔吸附树脂分离纯化知母总皂苷的大规模生产提供理论依据。

1 仪器与试药

1.1 仪器 752紫外可见分光光度计;Sartorius BS110S型电子分析天平;SHA－CII恒温水浴振荡器。

1.2 试药 知母皂苷A－Ⅲ对照品(上海融禾医药科技有限公司，批号100420，纯度＞98%);知母饮片(北京同仁堂望京店);茴香醛、硫酸、无水乙醇、甲醇(分析纯);乙醇(药用);D101、AB －8、D3520、D4020、NKA－9型大孔树脂(天津海光化工有限公司)。

2 方法

2.1 树脂预处理 大孔树脂分别用95%乙醇浸泡24h，充分溶胀，用乙醇洗至加适量蒸馏水无白色浑浊现象时为止，最后用蒸馏水洗至无醇味，备用。

2.2 树脂筛选

2.2.1 静态试验 量取各种不同型号的大孔树脂各10mL，分别置于100mL具塞三角瓶中，加入40mL知母提取液溶液(0.2g/mL)，置电热恒温振荡槽中，在298K、120r/min条件下振荡24h，充分吸附后，滤过，测定吸附残液中总皂苷含量。吸干树脂表面水分，精密加入95%乙醇50mL，同条件下振荡24h，充分解吸后，滤过，测定洗脱液中总皂苷含量。

2.2.2 动态试验 取20mL D101、AB－8树脂湿法装柱(径高比1∶8)，分别加入知母提取液40mL(生药0.2g/mL)以1mL/min的流速上样吸附，收集下口流出液，分别依次用3BV去离子水和3BV 95%乙醇以1mL/min的流速洗脱，收集乙醇洗脱液。测定吸附残液和洗脱液中总皂苷含量，计算两种型号大孔树脂的吸附解吸率。

2.3 静态吸附动力学 取10mL AB－8树脂于100mL锥形瓶中，加入60mL知母提取液(知母总皂苷浓度为9.83mg/mL)，置电热恒温振荡槽中，在298K、120r/min条件下振荡，取样时间分别为 5、10、15、20、30、60、90、120、180、240、360min，直至达到吸附平衡。测定吸光度，计算对应时刻(t)的溶质浓度Ct(mg/mL)，并根据公式(1)计算即时吸附量Qt(mg/mL):

式中，Qt为即时吸附量(mg/mL)，C0和Ct为溶液初始时和对应时刻(t)的溶质浓度(mg/mL)，V为溶液体积(mL)，v为树脂体积(mL)。

2.4 静态吸附热力学 在293K、298K、303K、308K下分别进行如下试验:取AB－8树脂5份(每份5mL)于100mL锥形瓶中，加入含知母总皂苷浓度分别为8.582 8、9.546 1、10.509 5、11.560 4、12.523 8mg/mL的提取液30mL，在恒温振荡器中振荡24h，待吸附平衡后，测定吸光度，计算平衡浓度Ce(mg/mL)，并根据公式(2)计算平衡吸附量Qe(mmol/mL):

式中，Qe为平衡吸附量(mmol/mL)，Ce为吸附平衡时的溶质浓度(mg/mL)，M为知母皂苷A－Ⅲ的摩尔质量(740g/mol)。

2.5 测定方法 先将待测液溶剂蒸干，残渣加水10mL溶解，水溶液用水饱和正丁醇萃取3次，每次15mL，回收正丁醇，残渣用甲醇溶解定容，再精密移取一定体积于10mL具塞试管中挥干，精密加入0.5%茴香醛硫酸溶液0.5mL，振摇，置100℃水浴中加热5min后立即置冰水浴冷却5min，取出，精密加入无水甲醇10mL，摇匀，以知母皂苷A－Ⅲ为对照品在429nm下测定吸光度，随行空白。

3 结果与讨论

3.1 树脂筛选 取 D101、D3520、D4020、NKA －9、AB－8型大孔树脂，按2.2项下方法测定，结果见表1和表2。

表1 不同大孔吸附树脂静态筛选结果

结果表明，D101、AB－8型大孔树脂静态吸附量和吸附解吸率均较其他树脂为高。

表2 不同树脂动态筛选结果

结果表明，AB－8型大孔树脂动态吸附量和解吸率优于D101型。故选用AB－8型大孔树脂，并进一步研究其吸附动力学和热力学特征。

3.2 静态吸附动力学性质

3.2.1 吸附动力学曲线 描绘AB－8型大孔树脂吸附知母总皂苷的吸附动力学曲线。Qt随t的变化曲线见图1。由图1可知，0～30min为快速吸附阶段，30～240min为未饱和吸附阶段，240min后为饱和吸附阶段。

3.2.2 吸附动力学模型 采用拟1级、2级吸附动力学模型和颗粒内扩散Kannan方程［7］对本吸附过程进行拟合，可预测吸附动力学行为。

拟1级Lagergren方程是进行固液吸附体系模拟分析的常用模型之一，其表达式为:

式中，KL为拟1级速率常数(min－1)。

图1 AB－8树脂对知母总皂苷的吸附动力学曲线

拟2级动力学方程模型可以用McKay方程描述，其表达式为:

式中，KM为拟 2 级速率常数(mL·mg－1·min－1)。

颗粒内扩散Kannan方程表达式为:

式中，KP为颗粒内扩散速率常数(mg·min－0.5·mL－1);C为常数。如果吸附过程为颗粒内扩散控制，则 Qt应与 t0.5呈直线关系，斜率即 KP。

AB－8型大孔树脂吸附知母总皂苷过程以拟一级和拟二级动力学模型拟合，结果见表3。由表3可知，拟二级动力学方程能很好地描述该吸附动力学行为(r＞0.99)，Qe的理论值与实验值更为接近。由图2可知，吸附过程的0 ～30min 和30 ～240min Qt均对 t0.5呈现良好的线性关系(r＞0.99)，表明颗粒内扩散是吸附速率的控制步骤，但直线均不经过原点，说明颗粒内扩散控制不是唯一的，吸附速率还受液膜扩散的影响。

表3 AB－8大孔树脂吸附知母总皂苷拟一级和拟二级动力学模型参数

图2 知母总皂苷吸附过程颗粒内扩散模型(Kannan)的线性拟合

3.3 静态吸附热力学性质

3.3.1 静态吸附等温线 描绘AB－8型大孔树脂吸附知母总皂苷过程的静态吸附等温线，结果见图3。由图3可知，在293K、298K、303K、308K 下，AB －8树脂吸附知母总皂苷的等温线呈相似的变化趋势，即Qe随着Ce的增大而增大，且Qe随着温度的升高而升高，表明AB－8树脂对知母总皂苷的吸附过程属于吸热过程。

3.3.2 等温吸附模型的拟合 常用的等温吸附模型有以下两种［8］:

式中，KL、Qm、n、KF均为等温吸附特征常数。

图3 AB－8树脂对知母总皂苷的静态吸附等温线

拟合AB－8型大孔树脂吸附知母总皂苷过程的等温吸附模型，如表4所示。表明Langmuir模型能很好地拟合AB－8树脂对知母总皂苷的等温吸附过程(r＞0.98)，树脂的饱和吸附量(Qm)和Langmuir系数(KL)均随着温度的升高而升高，表明吸附过程是吸热过程，高温有利于吸附。

3.3.3 吸附热力学参数 吸附焓变(ΔH)、吸附自由能变(ΔG)、吸附熵变(ΔS)分别可根据以下3个方程［9］计算:

式中，R 为理想气体常数(8.314J·mol－1·K－1)，T为绝对温度(K)，K0为常数。

AB－8树脂对知母总皂苷的吸附热力学参数见表5。由表5可知，不同初始质量浓度下的ΔH均为正值，表明该过程为吸热过程，高温有利于吸附的进行，这与吸附等温线得出的结论相一致。不同温度下的ΔG均为负值，表明吸附是自发进行的过程，ΔG随着温度的升高而降低，说明升温有利于吸附，其绝对值均小于20kJ/mol，说明AB－8树脂对知母总皂苷的吸附属于物理吸附。实验范围内ΔS＞0，表明吸附是熵推动过程，固－液界面上分子运动更为混乱，有更多水分子杂乱地由固体表面向溶液中运动。

表4 不同温度下的Langmuir和Freundlich吸附等温方程参数

表5 AB－8树脂对知母总皂苷的吸附热力学参数

4 结论

本研究采用静态和动态吸附解吸试验筛选了树脂种类，初步表明AB－8型树脂对知母总皂苷的吸附量和解吸率均高于其他树脂。

吸附动力学和热力学研究表明，与拟一级动力学方程(r=0.986 6)相比，拟二级动力学方程(r=0.999 3)能更好地描述AB－8树脂对知母总皂苷的吸附动力学行为，且吸附速率受液膜扩散和颗粒内扩散的共同影响，其中颗粒内扩散是控制步骤。在本实验温度范围内，Langmuir模型能更好地拟合AB－8树脂对知母总皂苷的等温吸附过程(r＞0.98)，ΔH为正值，表明该过程为吸热过程，高温有利于吸附的进行;ΔG绝对值小于20kJ/mol，表明该过程为可逆的物理吸附过程。

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