大孔吸附树脂AB-8对芒果苷吸附及扩散动力学的影响

邓妍芳，索绪斌，黄旖旎，宋文霞（广东药学院中药学院，广州 510006）

芒果苷（Mangiferin，MGF）是一种四羟基吡酮的碳糖苷，属双苯吡酮类化合物。现代药理研究证明，芒果苷具有良好的抗肿瘤、抗氧化、免疫调节、抗炎等多种活性，具有广阔的临床应用前景[1-2]。芒果苷的分离纯化大多采用液-液萃取，效率低，无法用于工业大批量生产。而近年来大孔吸附树脂凭借其高效及高选择性，已广泛用于芒果苷的分离纯化[3-7]。其分离物纯度高、操作简便，但是芒果苷在大孔吸附树脂AB-8 上的吸附行为和机制却无相关文献报道。因此，笔者通过研究芒果苷在大孔吸附树脂AB-8上的吸附动力学特性和热力学参数，为优化大孔吸附树脂对芒果苷的分离纯化条件提供理论依据。

1 材料

1.1 仪器

SCL-10AVP型高效液相色谱仪（日本岛津公司）；ZRS-8G型溶出度测试仪（天津市新光分析仪器技术有限公司）；759型紫外-可见分光光度计（上海菁华科技有限公司）；PHS-3E 型pH 计（上海雷磁仪器有限公司）；DZKW-S-4 型电热恒温水浴锅（北京市光明医疗仪器有限公司）。

1.2 药品与试剂

芒果苷对照品（成都曼思特生物科技有限公司，批号：MUST-12110201，纯度：≥98%）；芒果苷原料药（南京泽郎医药科技有限公司，纯度：95%）；大孔吸附树脂AB-8（天津南大树脂科技有限公司）；甲醇（色谱纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）；乙醇（分析纯，天津市百世化工有限公司）。

2 方法与结果

2.1 芒果苷的含量测定

2.1.1 色谱条件 色谱柱：Kromasil C18（250 mm×4.6 mm，5µm）；流动相：甲醇-0.1%磷酸（35 ∶65，V/V），流速：1 ml/min；检测波长：259 nm；柱温：室温；进样量：20µl。

2.1.2 对照品溶液的制备 精密称取干燥到恒质量的芒果苷对照品1 mg至50 ml量瓶内，用流动相溶解并稀释至刻度，制得0.02 mg/ml芒果苷对照品溶液。

2.1.3 供试品溶液的制备 取洗脱液经0.4µm滤膜滤过，即得。

2.1.4 标准曲线的制备 分别精密量取“2.1.2”项下芒果苷对照品溶液适量，用流动相制成质量浓度为0.02、0.01、0.005、0.002 5、0.001 25 mg/ml的对照品系列溶液，按“2.1.1”项下色谱条件进行测定，记录色谱图。以芒果苷的质量浓度（x）为横坐标、峰面积积分值（y）为纵坐标，进行线性回归，得回归方程为y＝1×108x+17 150（r＝0.999 8）。结果表明，芒果苷检测质量浓度在0.001 25～0.02 mg/ml范围内与其峰面积积分值呈良好线性关系。

2.1.5 精密度试验 按“2.1.3”项下方法制备质量浓度为0.005 mg/ml 的芒果苷供试品溶液，按“2.1.1”项下色谱条件考察日内精密度（5次）、日间精密度（5 d）。结果，日内、日间精密度的RSD 分别为0.74%、0.73%（n＝5），表明此方法的精密度良好。

2.1.6 回收率试验 取“2.1.3”项下供试品溶液回收溶剂后进行回收率试验。以测得量与加入量相比，计算回收率。回收率试验结果见表1。

表1 回收率试验结果Tab 1 Results of the recovery test

2.1.7 稳定性试验 取同一供试品溶液（0.002 5 mg/ml），分别于0、2、4、6、8、10、24 h 时取样，按“2.1.1”色谱条件下进样测定，记录色谱图，计算RSD。结果，稳定性试验的RSD 为1.17%，表明样品溶液在24 h内稳定，可满足试验分析的要求。

2.2 大孔吸附树脂AB-8的预处理

将新购的AB-8 加入5 倍量95%乙醇浸泡24 h 后，装入玻璃柱中进行动态淋洗，洗至流出液不呈现混浊为止；继续加蒸馏水洗至无醇味为止，然后用5%HCl浸泡4 h，蒸馏水洗至中性；最后用2%NaOH 浸泡4 h，蒸馏水洗至中性，倾出玻璃柱，得干树脂备用[8]。

2.3 大孔吸附树脂AB-8吸附及解吸

称取干树脂3份（每份1 g），装入200 ml具塞锥形瓶中，加入0.02 mg/ml 的芒果苷溶液（500 mg 芒果苷溶于1 000 ml 水中，得0.5 mg/ml 溶液，稀释）200 ml。在303 K 恒温条件下，将封好口的锥形瓶置于恒温水浴振荡器中振荡过夜，使树脂充分吸附；吸附平衡后，按“2.1.1”项下色谱条件测定、计算吸附量。再滤出已吸附平衡的树脂，用200 ml纯水冲洗后，用滤纸吸干，分别加入20%乙醇100 ml 进行洗脱，收集洗脱液进行检测。根据公式（1）（2）分别计算静态吸附率（A）和静态解吸率（D）。

式中，c0和ce分别为溶液初始时和平衡时芒果苷的质量浓度（mg/ml）；cd为洗脱液中芒果苷的质量浓度（mg/ml）。

大孔吸附树脂在分离纯化方面的应用是利用吸附的可逆性。被分离物质的极性不同，树脂对其吸附作用力强弱不同，解吸难易亦不同。因此，吸附量及解吸率的测定是证明树脂型号使用合理的重要环节。对大孔吸附树脂AB-8进行A与D的计算，结果A＝82.73%，D＝87.10%。可以看出，大孔吸附树脂AB-8 对芒果苷的吸附力强；但是芒果苷具一定极性，用20%乙醇可将芒果苷洗脱下来。

另外，芒果苷溶液在酸性条件下能快速被吸附且达到平衡；而在中性及碱性条件下，芒果苷溶液不被吸附或微弱吸附。分析其原因可能是芒果苷分子中有4 个羟基，呈弱酸性，随着pH的上升，部分酚羟基会发生电离导致大孔树脂与芒果苷的吸附力降低。所以，试验尽量控制在酸性条件下。

2.4 芒果苷在大孔吸附树脂AB-8上等温平衡吸附

2.4.1 等温线吸附方程拟合 称取预处理过的干树脂5份（每份1 g）于50 ml量瓶中，分别加入质量浓度为0.04、0.025、0.012 5、0.006 25、0.003 125 mg/ml 的芒果苷溶液。分别在303、313、323 K下恒温振荡器中振荡24 h，待吸附平衡后，测定溶液中芒果苷的质量浓度。根据公式（3）计算平衡吸附量（Qe，mg/g）[9]：

式中，c0和ce分别为溶液初始时和平衡时芒果苷的质量浓度（mg/ml）；V为芒果苷溶液的体积（ml）；m为大孔吸附树脂AB-8的质量（g）。

根据所测得的数据绘出大孔吸附树脂AB-8 对芒果苷的吸附等温线（见图1）。由图1可以看出，在质量浓度一定时，吸附量随着温度的升高而降低，提示吸附为放热过程，降低温度有利于吸附行为的进行[10]；此外，随着初始温度的增加，传质推动力和芒果苷分子与吸附位点接触的概率随之增加，故平衡吸附量和吸附速率减小。

吸附过程是溶质分子在吸附剂与溶剂两相界面上进行分配的过程。在一定温度下，当吸附过程达到平衡时，溶质分子在液相和固相中的浓度关系可用吸附等温方程式来表示。使用等温吸附模型Freundlich方程[公式（4）]进行拟合分析，结果见表2。拟合方程的R均大于0.95，表明Freundlich方程可以描述大孔吸附树脂AB-8 对芒果苷的吸附特征：多分子层吸附，以物理吸附为主[11-12]。

图1 不同初始温度下的静态吸附等温线Fig 1 Adsorption isotherm of static adsorption at different initial

式中，Qe为吸附平衡时的吸附量（mg/g）；ce为溶液中芒果苷的平衡质量浓度（mg/ml）；n、KF为Freundlich方程系数。

表2 大孔吸附树脂AB-8等温线拟合Freundlich方程Tab 2 Freundlich equation for macroporous absorbent resin AB-8 isothermal curve

2.4.2 吸附热力学参数 对大孔吸附树脂AB-8 对芒果苷的吸附过程进行热力学特性分析，参考Gibbs方程、Van’t Hoff方程和Gibbs-Helmholtz 方程[13]；分别计算得出吸附过程的吸附自由能变（ΔG）、焓变（ΔH）和熵变（ΔS）[14]。

Van’t Hoff方程：

式中，ce为绝对温度为T时，达到一定平衡吸附量时溶液中芒果苷的平衡质量浓度；K0为方程常数；R为理想气体常数[8.314 J/（mol·K）]。通过lnce对T－1作图，计算直线斜率得ΔH。

Gibbs方程：

式中，n为Freundlich方程中的参数；R为理想气体常数；T为温度。

Gibbs-Helmholtz方程：

ΔG＜0，ΔH＜0，表明大孔吸附树脂AB-8对芒果苷的吸附为自发放热过程，降低温度有利于吸附；并且ΔG的绝对值都小于20 kJ/mol，说明吸附属于物理吸附。ΔS为负值，表明随着吸附的进行，吸附体系无序度随芒果苷分子的平衡自由度和转动自由度减小而减小。ΔS随温度的增加而增大同样证明低温有利于吸附。吸附热力学参数见表3。

表3 吸附热力学参数Tab 3 Absorption thermodynamic parameters

2.5 芒果苷在大孔吸附树脂AB-8上的吸附行为研究

称取处理好的干树脂2 份（2 g），分别置于智能溶出小杯中，第1小杯中加入0.04 mg/ml的芒果苷溶液100 ml，第2小杯中加入0.025 mg/ml的芒果苷溶液100 ml。于303 K恒温条件下，以桨法（100 r/min）进行吸附。每隔一定时间抽取5.0 ml进行测定，连续测定7 h（第1小时内每10 min取样；第2～7小时内每1 h取样），根据公式（8）计算大孔吸附树脂对芒果苷的吸附量（Qt，mg/g）。以吸附量Qt（mg/g）对时间作图，绘制大孔吸附树脂AB-8对芒果苷的吸附动力学曲线。

式中，Qt（mg/g）为t时刻大孔吸附树脂AB-8对芒果苷的吸附量；c0和ct分别为溶液初始时和t时刻溶液中芒果苷的质量浓度（mg/ml）；V为芒果苷溶液的体积（ml）；m为大孔吸附树脂AB-8的质量（g）。

一般而言，固-液界面的吸附过程主要包括吸附质分子的膜扩散和颗粒内扩散两个过程控速。为了进一步研究总芒果苷的质量浓度随时间变化的规律，分别采用准一级和准二级动力学方程及颗粒内扩散模型对不同质量浓度下的动力学数据进行拟合，考察吸附过程中的控速步骤[15]。

准一级动力学模型：

准二级动力学模型：

颗粒内扩散模型：

式中，k为吸附速率常数；t为时间；Qt和Qe分别为t时刻和吸附达平衡时大孔吸附树脂AB-8对芒果苷的吸附量（mg/g）；kd为颗粒内扩散速率常数[mg/（g·min1/2）]；C为截距。

吸附初期，吸附量随吸附时间的增加而迅速增大；吸附后期，随着活性吸附位点的饱和及芒果苷浓度的降低导致吸附体系克服固液界面传质阻力作用减弱，吸附趋于平缓。芒果苷不同质量浓度下的吸附动力学曲线见图2。

图2 芒果苷不同质量浓度下的吸附动力学曲线Fig 2 Absorption kinetics curve of mangiferin at different initial concentrations

从准一级和准二级动力学模型的拟合参数（见表4）可看出，准二级动力学模型不仅拟合曲线的R2值较准一级动力学模型的R2值高，而且拟合所得的吸附量与试验值更为接近，这表明大孔吸附树脂AB-8 对芒果苷的整个吸附过程更符合准二级动力学模型。

表4 芒果苷不同质量浓度下的动力学拟合模型参数Tab 4 Fitting model parameters of kinetics of mangiferin at different initial concentrations

以Qt对t1/2作图得到曲线明显分为两个阶段，说明大孔吸附树脂AB-8 对芒果苷吸附速率受多个扩散模型的控制。虽然两个阶段的直线均不过原点，但是线性相关系数均较高，所以颗粒内扩散是这两个阶段的速率控制步骤，而颗粒内扩散主要受树脂中孔径分布的影响。这证明大孔吸附树脂AB-8的孔径分布较为广泛且主要包括大孔、中孔和微孔：阶段1 主要在树脂的大孔和中孔中扩散；阶段2主要是树脂上的微孔发挥着吸附作用。此外，在0.04、0.025 mg/ml两个吸附阶段的颗粒内扩散速率的顺序均为kd0.04mg/ml＞kd0.025mg/ml，这表明在树脂吸附过程中，芒果苷在树脂微孔中的扩散阻力远大于在中孔和大孔中的扩散阻力。芒果苷不同质量浓度下颗粒内扩散拟合曲线见图3。

图3 芒果苷不同质量浓度下颗粒内扩散拟合曲线Fig 3 Intra-particle diffusion curve fitting of mangiferin at different initial concentrations

在吸附初期，颗粒内扩散模型的拟合直线均不过原点，表明颗粒内扩散并不是唯一的速率控制步骤。本研究采用Boyd模型[公式（12）]对动力学数据进一步分析来验证液膜扩散对传质速率的影响。

式中，Bt为t时刻的液膜扩散系数；Qt和Qe分别为t时刻和吸附达平衡时芒果苷的吸附量（mg/g）。

以Bt对t作图，以Boyd模型对吸附初期的动力学数据拟合所得的直线不过原点，说明吸附初期的速率由液膜扩散和颗粒扩散共同控制。随着吸附的进行，吸附质在微孔中的扩散逐渐成为AB-8 对芒果苷吸附过程的速率控制步骤。颗粒内扩散为整个吸附过程的主要速率控制步骤。因此适当提高大孔树脂的孔径、孔隙率和表面积可提高扩散速率。不同质量浓度下Boyd模型的拟合曲线见图4。

3 讨论

图4 芒果苷不同质量浓度下Boyd模型的拟合曲线Fig 4 Boyd model curve fitting of mangiferin at different initial concentrations

芒果苷在大孔吸附树脂AB-8 上A可达82.73%，D可达87.10%，20%乙醇溶液即可充分洗脱。吸附过程为放热的物理吸附，室温下都能自发进行，且低温利于吸附进行。吸附过程趋向于准二级动力学模型，并由颗粒扩散及液膜扩散共同控速，增加大孔吸附树脂AB-8的孔径可提高扩散速率。根据国际通用分类方法，大孔吸附树脂AB-8 的孔径分布较宽，中孔和大孔分布集中，吸附质较易进入树脂孔道。综合各项指标，大孔吸附树脂AB-8是一种分离纯化芒果苷的理想树脂。

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