马来松香乙二醇丙烯酸酯-丙烯酰胺共聚物对葛根素的吸附性能

仝海娟，李小燕,2,*，黄春梅，雷福厚,2，李鹏飞,2，谭学才,2

(1.广西民族大学化学化工学院，广西 南宁 530006；2.广西林产化学与工程重点实验室，广西 南宁 530006)

马来松香乙二醇丙烯酸酯-丙烯酰胺共聚物对葛根素的吸附性能

仝海娟1，李小燕1,2,*，黄春梅1，雷福厚1,2，李鹏飞1,2，谭学才1,2

(1.广西民族大学化学化工学院，广西 南宁 530006；2.广西林产化学与工程重点实验室，广西 南宁 530006)

以马来松香乙二醇丙烯酸酯(EGMRA)和丙稀酰胺(AM)为聚合单体，采用悬浮聚合法合成马来松香乙二醇丙烯酸酯-丙稀酰胺二元共聚物(松香基聚合物)。采用静态法研究该聚合物对葛根素吸附过程的热力学和动力学特性，对吸附过程进行控制机理判断。结果表明：该聚合物对葛根素具有良好的吸附能力，最佳吸附条件为：以体积分数为40%乙醇为溶剂配制葛根素溶液，质量浓度为6.0mg/mL，聚合物为20～40目，吸附温度25～50℃，振荡频率80r/min，平衡吸附时间为2h。饱和吸附量Qe为23.01mg/g。拟二级吸附动力学模型可较好的描述吸附过程，膜扩散和粒扩散为此吸附体系控制步骤，通过菲克定律计算出膜扩散系数D为5.22h10-8cm2/s，粒扩散系数D为3.20h10-8cm2/s。

马来松香乙二醇丙烯酸酯；丙烯酰胺；共聚物；吸附；热力学；动力学；葛根素

葛根素(puerarin)是从豆科植物野葛(Pueraria lobata)或甘葛藤(Pueraria thomsonii)的根中提取的一种黄酮苷，化学名为8-β-D-葡萄吡喃糖-4’,7-二羟基异黄酮(图1)。现代医学证明葛根富含人体必需的氨基酸和多种微量元素，同时所含的有效成分葛根总黄酮(以葛根素为代表)，具有改善心脑血管循环、降低心肌耗氧量，降低血糖，防止高血压及动脉硬化、抗炎、祛痰、解热、提高机体免疫力、抗菌、抗病毒等广泛的药理及保健作用。因其药用和食用价值都很高，已被国家卫生部列入既是食品又是药品名录。目前葛根素注射剂及复方制剂已广泛用于冠心病、视网膜动、静脉阻塞和突发性耳聋、缺血性脑血管病、糖尿病等疾病的治疗[1-3]，因而研究葛根素的分离纯化技术对合理和充分利用葛根资源有着十分重要的现实意义。目前对葛根素的提取分离方法除浸渍法、渗漉法和回流法外还有微波辅助萃取、超声波萃取和酶解回流法等多种方法[4]；对葛根素的纯化方法除系统溶剂分离法、萃取法外还有利用极性HPD-800、弱极性AB-8及非极性X-5等大孔吸附树脂纯化葛根素的报道[5-8]。

图 1 葛根素结构式Fig.1 Chemical structure of puerarin

松香是一种可再生的天然树脂，因其具有三环菲骨架结构，分子骨架大，天然无毒，以其作为功能高分子聚合单体，所合成聚合物具有环保、机械性能好、识别性能稳定、耐热性好等优点。近年来对松香的改性研究及应用已越来越受到人们的关注[9-11]，松香基聚合物有望成为一类新型的吸附分离材料[12-14]。

本实验以马来松香乙二醇丙烯酸酯为主要聚合单体，采用悬浮聚合法合成了马来松香乙二醇丙烯酸酯-丙烯酰胺二元共聚物(松香基聚合物)，研究其对葛根素的吸附行为，为葛根素的分离纯化提供新型的吸附分离材料和理论依据。该二元共聚物的合成及对葛根素吸附性能的研究尚未见文献报道。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

葛根素(含量99.0%) 南宁生源中药饮片有限公司；葛根素对照品(含量100.0%，批号110752-2004110)中国药品生物制品检定所；十二烷基硫酸钠(SDS，分析纯) 广东汕头西陇化工股份有限公司；偶氮二异丁腈(AIBN，分析纯) 广东光华化学有限公司；丙烯酰胺(AM，分析纯) 国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇、甲醇、冰醋酸、乙酸乙酯 广东汕头西陇化工股份有限公司；马来松香乙二醇丙烯酸酯(EGMRA)，本课题组自制，其制备方法及结构表征见参考文献[15]。

1.2 仪器与设备

SP-752型紫外-可见分光光度计 上海光谱仪器有限公司；SH-Z水浴恒温振荡器 上海博迅实业有限公司医疗设备厂；800型离心沉淀器 上海手术器械厂。

1.3 方法

1.3.1 马来松香乙二醇丙烯酸酯-丙烯酰胺共聚物的制备及处理

称取EGMRA 9.21g(15mmol)、AM 0.284g (4mmol)、AIBN 0.25g，加入20mL乙酸乙脂，超声溶解。将此混合液缓慢加入到装有150mL的0.15% SDS水溶液的三颈瓶中，在转速为350r/min，温度78℃反应1h后，加装分水器，调节水浴温度至98℃，继续加热1h。滤出聚合物，用热的蒸馏水淋洗聚合物数遍，自然晾干。此松香基聚合物为乳白色近球状颗粒。

将制得的松香基聚合物过标准筛，取20～40目颗粒，置于索氏提取器中，用无水乙醇抽提3h，将抽提后的聚合物自然晾干，备用。

松香基聚合物交联度为97%，酸值为84.40mg KOH/g，软化点为178℃，机械强度(承重)为450.3g，说明松香基聚合物具有较强的热稳定性及机械强度，经溶解度实验证明在多种常用极性和非极性有机溶剂中溶解度均很小，利于在中草药中活性成分吸附分离中的应用。

1.3.2 紫外分光光度法标准曲线的制作

准确称取葛根素对照品适量，用体积分数为20%乙醇水溶液超声溶解，配制成质量浓度为100μg/mL的标准贮备液。再分别准确量取2、3、4、5、6、7、8mL上述溶液转移至100mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀，配制成2～8μg/mL的系列标准溶液。以蒸馏水为参比溶液，在250nm波长处[16-17]用紫外分光光度计测定吸光度。以质量浓度ρ(μg/mL)为横坐标，吸光度(A)为纵坐标制作标准曲线，回归方程为：A=0.0681ρ+0.0190(R2=0.9997)。

1.3.3 松香基聚合物静态吸附实验

取按1.3.1节处理后的松香基聚合物，准确称取适量，置于具塞锥形瓶中，准确加入40mL一定质量浓度的葛根素底液，置振荡器上，调节一定振荡频率，避光振荡一定时间。取上清液适量，用微孔滤膜过滤，准确量取续滤液适量，用蒸馏水稀释至一定质量浓度。按紫外分光光度法测定其中葛根素的质量浓度。根据吸附前后底液质量浓度的变化，按式(1)计算聚合物对葛根素的吸附量。

式中：Q为吸附量/(mg/g)；ρ0和ρ1分别为吸附前后葛根素底液的质量浓度/(mg/mL)；V为底液体积/mL；m为干聚合物质量/g。

1.3.4 松香基聚合物解吸实验

取松香基聚合物0.2g(以干质量计，下同)，精密称定，置于具塞锥形瓶中，准确加入一定质量浓度的葛根素溶液，按1.3.3节方法进行吸附实验。抽滤，取经饱和吸附之后的松香基聚合物置于具塞锥形瓶中，准确加入解吸剂40mL，将锥形瓶置于振荡器上，振荡一定时间。离心，取上清液，稀释一定倍数后，按紫外分光光度法测定解吸液中葛根素的质量浓度，确定解吸量，按式(2)计算解吸率。

式中：Q0为吸附量/mg；Q1为解吸量/mg。

2 结果与分析

2.1 乙醇体积分数对松香基聚合物吸附量的影响

以不同体积分数的乙醇水溶液为溶剂，配制质量浓度为6.0mg/mL的葛根素溶液。准确称取0.2g松香基聚合物于具塞锥形瓶中，加入40mL上述葛根素溶液，室温条件下，设定振荡频率80r/min，振荡24h，进行吸附实验，计算吸附量，结果见图2。

图 2 乙醇体积分数对松香基聚合物吸附量的影响Fig.2 Effect of solvent concentration for puerarin on adsorption capacity

由图2可知，改变乙醇体积分数对松香基聚合物吸附量的影响不大，而40%乙醇与60%的乙醇所对应的吸附量仅相差0.3mg/g，从经济角度考虑，选用体积分数为40%乙醇作为吸附实验的底液溶剂。

2.2 振荡频率对松香基聚合物吸附量的影响

准确称取葛根素适量，用体积分数为40%的乙醇配制成6mg/mL的葛根素底液。准确称取4份0.2g松香基聚合物于100mL具塞锥形瓶中，分别准确加入40mL上述底液，在振荡频率分别为80、110、140、170r/min条件下进行吸附实验，计算吸附量，结果见表1。

表 1 振荡频率对松香基聚合物吸附量的影响Table 1 Effect of shaking speed on adsorption capacity

由表1可知，振荡频率对松香基聚合物吸附量的影响较大，吸附量随振荡频率增大而减小，说明松香基聚合物与葛根素之间分子间作用力较弱，振荡频率过大易将已吸附的葛根素释放出来。故选择振荡频率为80r/min。

2.3 温度对松香基聚合物吸附量的影响

准确称取6份0.2g松香基聚合物于100mL具塞锥形瓶中，分别准确加入6mg/mL的底液40mL，在振荡频率为80r/min，时间24h，在温度分别为25、30、35、40、45、50℃条件下进行吸附实验，计算吸附量，结果见图3。

图 3 温度对松香基聚合物吸附量的影响Fig.3 Effect of temperature on adsorption capacity

由图3可知，温度在25～50℃范围内，吸附量随着温度的升高变化不大，说明吸附实验可在室温下进行。

2.4 松香基聚合物的吸附等温线

以体积分数为40%的乙醇为溶剂，依次配制1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、7.0mg/mL的葛根素底液。准确称取12份0.2g的松香基聚合物于100mL具塞锥形瓶中，分别加入上述底液各40mL，在振荡频率为80r/min、时间24h、温度30℃条件下进行吸附实验，计算吸附量，结果见图4。

图 4 松香基聚合物对葛根素的吸附等温线Fig.4 Adsorption isotherm of puerarin onto EGMRA-AM copolymer

由图4可知，松香基聚合物对葛根素的吸附作用随葛根素质量浓度的增大呈显著增加的趋势。

2.5 松香基聚合物吸附热力学特性

分别应用Langmuir等温吸附公式[18]、Freundlich等温吸附公式[19]对图4吸附等温线进行数据拟合，结果分别见表2和图5、6。

式中：ρe为吸附饱和时葛根素底液的质量浓度/(mg/mL)；Qm为理论饱和吸附量/(mg/g)；α为吸附常数；n、K分别为经验常数。

表 2 松香基聚合物对葛根素的吸附方程Table 2 Adsorption equations of puerarin onto EGMRA-AM copolymer

图 5 松香基聚合物Langmuir等温吸附线Fig.5 Langmiur adsorption isotherm

图 6 松香基聚合物Freundlich等温吸附线Fig.6 Freundlich adsorption isotherm

由图5、6可知，1/ρe与1/Q；lnQ与lnρe均不呈理想线性关系，因此葛根素在松香基聚合物上的吸附即不完全符合Langmuir等温吸附方程，也不完全符合Freundlich吸附方程，说明松香基聚合物对葛根素的吸附不是简单的单分子层吸附。松香基聚合物中存在胺基、羰基等极性基团，葛根素易与其形成氢键和范德华力而被吸附；而葛根素分子中也存在多个羟基以及糖苷基等极性基团，当底液浓度逐渐增加时葛根素分子间很容易形成氢键，因此吸附由单层变为多层[20]，吸附量也随之显著增大。

2.6 松香基聚合物吸附动力学特性

图 7 松香基聚合物对葛根素的吸附动力学曲线Fig.7 Kinetic curve for puerarin adsorption onto EGMRA-AM copolymer

吸附过程的动力学研究主要是用来描述吸附剂吸附溶质的速率。取1.0g松香基聚合物，精密称定，置于500mL具塞锥形瓶中，准确加入6mg/mL的葛根素溶液250mL，在温度为30℃，振荡频率80r/min振荡24h。分别于1、2、3、4、5、6、7、8、10、12、14、16、18、 20、22、24h，精密量取上清液1mL，用水稀释定容至50mL，再量取5mL至100mL容量瓶，加水定容。测定吸光度，计算吸附量，绘制吸附动力学曲线，结果见图7。松香基聚合物对葛根素的吸附在2h左右即可达吸附平衡，继续延长吸附时间，吸附量变化不大。在此实验条件下饱和吸附量为23.01mg/g。

采用拟一级和拟二级吸附动力学模型对吸附过程进行拟合[21]，可以对吸附行为进行一定的预测。拟一级动力学方程为ln(Qe—Qt)=lnQe—k1t；拟二级动力学方程为式中：Qt为吸附时间为th的吸附量/(mg/g)， k1和k2分别为吸附平衡一级和二级速率常数。如果得一直线，则证明可用拟一级或拟二级动力学模型描述吸附过程，并且可通过斜率和截距计算吸附平衡速率常数k和理论饱和吸附量Qe。采用上述两种模型对实验数据进行拟合，各参数列于表3。

表 3 松香基聚合物对葛根素的吸附动力学参数Table 3 Kinetic parameters for puerarin adsorption onto EGMRAAM copolymer

由表3可知，拟二级动力学方程能更好的描述松香基聚合物对葛根素的吸附动力学行为(R2＞0.999)，饱和吸附量的理论值22.83mg/g与实验值23.01mg/g更为接近。

2.7 松香基聚合物吸附控制机理判断

吸附过程一般分为4个连续步骤[21]：1)在溶液中进行外扩散；2)在吸附剂(松香基聚合物)表面的液膜中进行膜扩散；3)在吸附剂内部孔穴中进行粒扩散；4)吸附质(葛根素)在吸附剂上进行吸附和解吸。研究表明，可通过混合或振荡等方式消除外扩散对吸附速率的影响，因此，吸附过程即可认为是由膜扩散、粒扩散和吸附-解吸等步骤组成，其中较慢步骤即为吸附全过程的速率控制步骤。在液相中可通过菲克第二定律的变换形式描述球状表面的扩散过程，以Qt/Qe对t1/2作图，即可判断吸附控制机理。

式中：r为吸附剂半径/cm；D为扩散系数/(cm2/s)。

由图8可知，葛根素在松香基聚合物上的吸附分为3个阶段：OA线性部分为液膜扩散阶段，此时，聚合物被一层液体薄膜包裹，吸附质葛根素需透过此液膜进而吸附在聚合物表面；AB段线性部分为粒扩散阶段；BC为吸附-解吸平衡阶段，此阶段溶液组成变化很小，聚合物对葛根素的吸附量基本达平衡，对整个吸附过程速率的影响很小。而膜扩散过程所用时间与粒扩散所用时间相当，均为1h，故膜扩散和粒扩散为吸附全过程的控制步骤。

图 8 葛根素在松香基聚合物上的吸附控制步骤Fig.8 Curve showing control steps for puerarin adsorption onto EGMRA-AM copolymer

按聚合物平均粒径30目约0.625mm计算，根据OA段的斜率为0.7427，AB段的斜率为0.5816，按式(5)计算可得：膜扩散系数D=5.22h10-8cm2/s，粒扩散系数D=3.20h10-8cm2/s。

2.8 解吸剂的选择

取8份0.1g的松香基聚合物，精密称定，置于100mL具塞锥形瓶中，分别准确加入40mL 6.0mg/mL的葛根素溶液，在振荡频率为80r/min，时间2h，室温下进行吸附实验，测定吸附量。抽滤，取达饱和吸附的聚合物，置另一100mL具塞锥形瓶中，分别准确加入20mL的各种解吸剂，在振荡频率为140r/min条件下振荡4h进行解吸实验，测定吸光度，计算解吸率，以确定适宜的解吸剂。结果见图9。

图 9 解吸剂的选择Fig.9 Selection of optimal desorption agent

由图9可知，解吸率随乙醇体积分数的增大而显著增加；由于甲醇的极性比乙醇强，所以对葛根素的解吸能力大于乙醇。因此确定甲醇为葛根素的解吸剂，此时解吸率达93.67%。

2.9 解吸平衡时间的确定

准确称取松香基聚合物适量，进行吸附实验，计算饱和吸附量，抽滤，准确称取达吸附平衡后的树脂1.0g(干质量)置于500mL具塞锥形瓶中，准确加入200mL甲醇，在振荡频率为140r/min、室温条件下进行解吸实验，每隔1h准确量取上清液1mL，用蒸馏水稀释至100mL，测定吸光度，计算解吸量和解吸率，绘制解吸动力学曲线，以确定解吸平衡时间，结果见图10。

图 10 解吸动力学曲线Fig.10 Kinetic curve for puerarin desorption from EGMRA-AM copolymer

由图10可知，前3h解吸率增长较快，解吸1h时解吸率已达76.68%，3h时即达94.67%，之后解吸率增加较缓慢，5h时达最大值98.95%，而后解吸率基本不再变化，表明被松香基聚合物吸附的葛根素已达到解吸平衡。故确定解吸平衡时间为5h。

3 结 论

3.1 以马来松香乙二醇丙烯酸酯-丙烯酰胺二元共聚物为吸附分离材料，对影响葛根素的吸附分离各因素进行了探讨，得出最佳吸附条件为：底液溶剂为40%乙醇，底液质量浓度6mg/mL，室温条件下，振荡频率为80r/min，时间为2h。此条件下的饱和吸附量为23.01mg/g。

3.2 最佳解吸剂为甲醇，解吸速率较快，解吸3～5h解吸率即可达到94.67%～98.95%。

3.3 通过对松香基聚合物吸附葛根素的吸附方程的拟合结果表明，它不完全符合Langmuir和Freundlich等温吸附公式，即不是简单的单分子层吸附，可初步判断为吸附质与吸附剂之间，吸附质与吸附质之间的多分子层吸附。

3.4 拟二级动力学方程能较好地描述葛根素在松香基聚合物上的吸附动力学行为。

3.5 膜扩散和粒扩散共同为葛根素在松香基聚合物上的吸附过程的控制步骤，膜扩散系数D=5.22h10-8cm2/s，粒扩散系数D=3.20h10-8cm2/s。

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Adsorption Eff i ciency of Ethylene Glycol Maleic Rosinate Acrylate-Acrylamide Copolymer for Puerarin

TONG Hai-juan1，LI Xiao-yan1,2,*，HUANG Chun-mei1，LEI Fu-hou1,2，LI Peng-fei1,2，TAN Xue-cai1,2
(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China；2. Guangxi Key Laboratory of Chemistry and Engineering of Forest Products, Nanning 530006, China)

In this study, a copolymer was synthesized using suspension polymerization from ethylene glycol maleic rosinate acrylate (EGMRA) and acrylamide (AM), and its thermodynamic and kinetic characteristics for adsorbing puerarin and mechanism for controlling puerarin adsorption were analyzed. The prepared copolymer showed good adsorption performance towards puerarin. The optimum static adsorption conditions were obtained as follows: 40% ethanol as solvent for puerarin at a concentration of 6.0 mg/mL, adsorbent particle size 20ü40 mesh, and equilibrium adsorption at a temperature between 25 ℃ and 50 ℃ with shaking at a speed of 80 r/min. Under these conditions, the equilibrium adsorption capacity (Qe) was 23.01 mg/g. A pseudo second-order equation that could well describe the adsorption process was established. Film diffusion and particle diffusion were found to be key steps in the adsorption system, and the diffusion coeff i cients were calculated using the Fick equation to be 5.22 h 10-8cm2/s and 3.20 h 10-8cm2/s, respectively.

ethylene glycol maleic rosinate acrylate；acrylamide；copolymer；adsorption；thermodynamics; kinetics；puerarin

TS201.7

A

1002-6630(2013)01-0027-06

2011-10-25

国家自然科学基金项目(21165003；30960306；21065001)；广西自然科学基金项目(2010GXNSFA013047)；广西省教育厅科研项目(200911LX84)

仝海娟(1983ü)，女，硕士研究生，研究方向为现代分离分析技术。E-mail：tonghaijuan867146@126.com

*通信作者：李小燕(1961ü)，女，研究员，硕士，研究方向为现代色谱分离分析与天然产物。E-mail：lixiaoyan73515@163.com