大孔吸附树脂分离纯化苦荞总皂苷的研究

智秀娟，马挺军，丁　　轲，李　　栋

（1.中国农业大学工学院，北京100083；2.北京农学院食品科学与工程学院，农产品有害微生物及农残安全检测与控制北京市重点实验室，食品质量与安全北京实验室，北京102206）

大孔吸附树脂分离纯化苦荞总皂苷的研究

智秀娟1，2，马挺军2，丁轲2，李栋1，*

（1.中国农业大学工学院，北京100083；2.北京农学院食品科学与工程学院，农产品有害微生物及农残安全检测与控制北京市重点实验室，食品质量与安全北京实验室，北京102206）

为优化大孔吸附树脂分离纯化苦荞总皂苷的工艺条件，通过静态吸附解吸实验筛选出适合分离纯化苦荞总皂苷的大孔吸附树脂SP700，其饱和吸附量为（25.241±0.590）mg皂苷/g树脂。研究了样液浓度、吸附时间对吸附容量的影响，乙醇体积分数对解吸得率的影响，并进行了动态实验，确定了SP700型大孔树脂分离纯化苦荞总皂苷的最佳工艺条件为：最佳上样浓度约0.586mg/mL，流速2BV/h，树脂比样液体积为1∶1，动态洗脱实验中，上样后用体积分数分别为50%和70%的乙醇溶液进行分段洗脱，洗脱流速为2BV/h，用量为2～3BV，洗脱得率最高可达到88.9%，洗脱液蒸干后所得固形物中皂苷含量较提取液固形物中皂苷含量提高了约2倍。

苦荞，皂苷，分离纯化，大孔吸附树脂

荞麦多生长于高寒、高海拔山区，是蓼科荞麦属的双子叶假禾本科作物，在中国、印度、俄罗斯、波兰、巴西、韩国、日本及美国等众多国家均有种植，耐寒、耐旱、耐贫瘠，生长周期短，是一种绿色生态作物，营养价值丰富［1］。皂苷是苷元为三萜或螺旋甾烷类化合物的一类糖苷，主要分布于陆地高等植物中，也少量存在于海星和海参等海洋生物中，是天然产物化学库的重要组成之一，具有广泛的药理作用和重要的生物活性，如抗肿瘤［2］、抗病毒［3］、防治心血管疾病［4］、降血糖［5-6］、免疫调节等，其功能价值已引起药物学、功能食品学和化学工业工作者的广泛关注。

天然产物分离纯化的方法很多，如柱层析、大孔吸附树脂法、高速逆流色谱法等，其中大孔吸附树脂分离纯化技术是一种快速、经济、有效的纯化方法，具有物理化学稳定性高，选择性好，再生处理方便，使用周期长，成本低廉等优点［7］，近年来广泛应用于天然产物的分离纯化研究和生产，如张若洁等［8］用大孔吸附树脂纯化芦笋总皂苷，张小飞等［9］对大孔树脂分离纯化穿山龙薯蓣总皂苷的工艺进行了优化研究，丁轲等［10］研究了酸枣仁中三萜总皂苷的大孔树脂分离纯化工艺，均取得了较理想的纯化效果。目前，国内外有关苦荞中提取分离活性物质研究报道已有很多，但是对其中皂苷类成分进行分离纯化的研究却鲜有报道，仅黄海燕对苦荞乙醇提取物进行了分离纯化并分析了其中所含有效成分的功能活性［11］。

为提高苦荞总皂苷的得率，节约资源，本文通过考察6种不同极性的大孔吸附树脂对苦荞总皂苷的静态吸附和解吸性能，筛选出最合适的SP700型树脂，对其静态及动态吸附性能进行了研究，为大孔吸附树脂法富集、纯化苦荞总皂苷提供可行的工艺路线。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

苦荞（黑丰一号） 由山西省农业科学院提供，于60℃真空干燥至恒重，粉碎后过60目筛保存备用；大孔吸附树脂日本三菱化学公司生产，均经过前处理，密封后放入冰箱待用；薯蓣皂苷标准品（＞95%） 百灵威科技有限公司；香草醛（99.0%） 北京化学试剂公司；石油醚（30～60℃）、无水乙醇、正丁醇、高氯酸等其余常规试剂均为分析纯。

TU1810型紫外可见分光光度计北京普析通用仪器有限公司；BT-100N型数显恒流泵、CBS-B型程控多功能全自动部分收集器上海沪西分析仪器厂有限公司；HH-S型数显恒温水浴锅江苏常州翔天实验仪器厂；HZS-HA型恒温振荡器哈尔滨市东明医疗仪器厂；RE52-98型旋转蒸发器上海亚荣生化仪器厂；H35型冷却水循环器北京莱伯泰科仪器有限公司；GL-20B型台式离心机上海安亭科学仪器厂。

1.2实验方法

1.2.1苦荞总皂苷粗品的制备将苦荞籽粒脱壳粉碎后过60目筛，以石油醚（30～60℃）于50℃索氏提取8h，干燥至恒重得脱脂苦荞粉末。精确称取一定量的脱脂原料，以1∶12的固液比，用70%的乙醇水溶液于50℃置于磁力搅拌器上保持恒定的转速回流提取提取1h，4000r/min离心10min除去残渣，浓缩提取液，浓缩后的提取液用蒸馏水溶解后加石油醚等体积萃取3次脱脂，取下层水相加水饱和正丁醇等体积萃取3次，合并正丁醇相，浓缩干燥，取干燥品以蒸馏水复溶后待用。

1.2.2苦荞总皂苷浓度的测定方法

1.2.2.1标准曲线的制作参照张小飞等［9］的方法，并略有改进：精密称取干燥至恒重的薯蓣皂苷对照品10.0mg，用甲醇溶解并定容至25mL，摇匀，配制成质量浓度为0.4mg/mL的薯蓣皂苷标准溶液，分别准确量取该标准品溶液0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7mL于25mL具塞试管中，在70℃水浴上蒸干甲醇后取出，依次加入5%的香草醛-冰醋酸溶液0.2mL，高氯酸0.8mL，于70℃水浴上封口加热15min，迅速在冰水中冷却，再加入5mL的冰醋酸摇匀，以香草醛-冰醋酸溶液∶高氯酸∶冰醋酸=1∶4∶25的混合溶液作为空白对照，于最大吸收波长454nm处测得吸光值（A），以吸光值A为纵坐标，薯蓣皂苷标准品浓度为横坐标绘制标准曲线，得拟合回归方程：x=4.2937A－0.8523（R2=0.9989），薯蓣皂苷标准品质量含量在0～46.7μg/mL范围内与吸光值线性关系良好。

1.2.2.2含量的测定参照1.2.2.1中的步骤处理样液后，测定吸光值A，根据标准曲线分别计算苦荞提取液中总皂苷的含量，取平均值。

1.2.3树脂的筛选

1.2.3.1不同树脂的吸附容量的测定分别准确称取预处理后的SP700、SP825、HP20、HP2MGL、SP70、SP207大孔树脂各1.0g，置于50mL的具塞三角瓶中，精确加入制备好的苦荞总皂苷提取液（样液浓度0.586mg/mL）50mL，以150r/min的速度在室温下振荡吸附24h，至吸附平衡，抽滤，按照1.2.2中的方法测定滤液中的总皂苷浓度，按照公式（1）计算上述6种树脂的饱和吸附容量［10］。

式中：Q为饱和吸附容量（mg/g干树脂）；C0为苦荞皂苷在样液中的初始浓度（mg/mL）；Ce为苦荞皂苷在吸附残液中的浓度，即平衡浓度（mg/mL）；V1为加入的吸附溶液的体积（mL）；m为干树脂用量（g）。

1.2.3.2不同树脂的解吸得率的测定实验中选用毒性低、易浓缩回收的乙醇作解吸溶剂。向上述1.2.3.1中充分吸附后的各份树脂中加入体积分数为90%的乙醇50mL，密塞，以150r/min的速度于室温下振荡解吸24h，至解吸平衡，抽滤，按照1.2.2中的方法测定滤液中总皂苷浓度，利用公式（2）计算各种树脂的解吸得率［10］。

式中：D为苦荞总皂苷的解吸得率（%）；Cx为解吸液中苦荞皂苷的浓度（mg/mL）；V2为解吸液体积（mL）；Q为吸附容量（mg/g干树脂）；m为干树脂用量（g）。

1.2.4SP700对苦荞总皂苷的静态吸附-解吸条件优化

1.2.4.1最佳样液浓度的确定分别准确称取预处理后的6份SP700大孔树脂各1.0g，置于50mL的具塞三角瓶中，精确加入初始样液浓度分别为0.147、0.293、0.440、0.586、0.733、0.879mg/mL的苦荞总皂苷提取液50mL，按照与1.2.3.1中相同的操作方法使其充分吸附后抽滤，按照1.2.2中的方法检测滤液中苦荞总皂苷的浓度，计算其吸附率。之后对上述充分吸附后的树脂按照1.2.3.2中相同的操作，解吸至平衡后抽滤，测定滤液中总皂苷的浓度，按照公式（2）计算解吸得率，考察室温下不同样液浓度对吸附解吸效果的影响，以确定最佳样液浓度［12］。

1.2.4.2吸附平衡时间的确定精密称取SP700树脂1.0g各3份，置于三角瓶中，分别加入苦荞总皂苷提取液50mL（最佳样液浓度由1.2.4.1确定），于摇床中以150r/min的转速，室温下振荡吸附，每隔30或60min取其上清液，按照1.2.2中的方法检测其中苦荞总皂苷的含量，以吸附时间为横坐标，吸附容量为纵坐标绘制其吸附动力学曲线，以考察不同的吸附时间对吸附容量的影响［10］，确定吸附平衡时间。

1.2.4.3洗脱液最佳体积分数的确定精密称取SP700树脂1.0g各5份，置于三角瓶中，分别加入苦荞总皂苷提取液50mL（最佳样液浓度由1.2.4.1确定），按照1.2.3.1中的操作充分吸附后，再按照1.2.3.2中的方法在室温下用不同体积分数的乙醇溶液（10%、30%、50%、70%、90%）50mL对其进行解吸，按照公式（2）计算其解吸得率，以确定解吸液的最佳体积分数［13］。

1.2.5SP700大孔树脂动态吸附-解吸条件优化

1.2.5.1最佳上样量的确定将已预处理过的SP700大孔吸附树脂15mL，湿法装柱（Φ10mm×200mm），上样，对层析柱下端流出液间隔取样，每3mL一管，并编号，直至达到饱和吸附，测定每管样品中苦荞皂苷的含量，计算泄漏率，以流出液的样品标号为横坐标，泄漏率为纵坐标绘制泄露曲线［9］，根据漏点，确定最佳上样液体积。

确定泄露点的计算公式：

式中：C0为流出液总皂苷浓度；C为上样液中总皂苷浓度。

1.2.5.2梯度洗脱实验取50mL苦荞总皂苷样液，采用1.2.4.1中确定的最佳样液浓度，1.2.5.1中确定的最佳上样量进行动态吸附实验，控制流速为2BV/h［10，14］，使其流经SP700大孔吸附树脂柱，达到上样终点后，先用2～3BV的蒸馏水洗掉杂质及残留在柱中的提取液，然后以不同体积分数的乙醇水溶液进行洗脱，第一洗脱模式为10%（40min）→30%（40min）→50%（40min）→70%（40min）→90%（60min），洗脱流速为2BV/h，洗脱液每5mL收集一管，每一浓度的乙醇用量以洗脱液吸光度减小至恒定时为限，测定其皂苷浓度，以确定适合除去杂质和洗脱皂苷的乙醇体积分数。根据第一梯度洗脱模式的结果调整第二洗脱模式梯度为：50%（30min）→70%（110min）。洗脱得率以合并后的分段洗脱液中皂苷总量占上样液中皂苷总量的比例计。

1.3数据处理与统计分析

所有实验数据采用均值±标准差（Means±SD）表示，重复次数n=3，以Microsoft Excel 2007软件绘图，SAS9.2软件进行ANOVA单因素方差分析来检验平均值之间的显著性差异，p＜0.05。

2　结果与分析

2.1树脂筛选结果

经过测定，6种大孔树脂对苦荞总皂苷的静态吸附容量和解吸得率的分析结果如图1所示，数据分析显示，6种树脂对苦荞总皂苷的吸附与解吸能力差异显著，其中SP700、SP207、SP825对苦荞总皂苷的吸附性能较好，SP70、SP700、HP20解吸性能较好。评价树脂性能的优劣，要综合考查其对该成分的吸附容量和解吸得率，吸附容量反映树脂对其的吸附能力，解吸得率则反映该物质被吸附之后能否被充分洗脱下来，显著性分析表明SP700树脂对苦荞总皂苷的吸附与解吸性能均为最好，因此优选SP700大孔吸附树脂作进一步研究。

图1　不同类型树脂的吸附容量与解吸得率Fig.1　The adsorption capacity and desorption ratio of different macroporous resin

表1　不同浓度样液下SP700的吸附与解吸性能Table 1　The SP700 adsorption and desorption performance of different concentrations of sample solution

2.2SP700树脂静态吸附-解吸条件优化

2.2.1上样液浓度的确定表1实验数据表明，不同样液浓度下SP700树脂对苦荞总皂苷的吸附与解吸性能差异显著，样液中总皂苷的质量浓度控制在约0.586mg/mL左右时，其吸附容量和解吸得率均较好，继续增加初始样液的初始浓度时，吸附容量和解析得率的变化不明显。与谢宏等［15］在优化人参籽皂苷时的数据趋势相吻合，当样液浓度大于0.586mg/mL时，随着浓度的继续增大，吸附量基本保持稳定，这亦与李淑珍等［12］的实验现象相吻合。这说明虽然样液浓度的增加有利于提高树脂的吸附效率，但是随着浓度的继续增加，样液粘度变大，混浊现象严重，一则容易堵塞树脂孔隙而影响吸附和解吸［12］，增大在动态吸附过程中上样的流动阻力，不利于操作；二则会加重对树脂的污染，缩短树脂的使用寿命［10］，结合不同样液浓度下的解吸得率，确定实验用最佳样液浓度约为0.586mg/mL。

2.2.2吸附平衡时间的确定经过测定，0.568mg/mL的样液浓度下，不同的吸附时间下SP700的吸附情况如图2所示。

图2　不同吸附时间下的SP700吸附量Fig.2　The SP700 adsorption quantity under different adsorption time

由图2可知，SP700树脂的吸附容量随着吸附时间的增加而增大，在吸附进行6h后吸附容量基本稳定，不再增加，达到吸附平衡状态，此时其饱和吸附容量约为（25.241±0.590）mg/g。为了使树脂充分吸附达到饱和吸附量，参考丁轲及张若洁［8-10，12］等人的实验方法，并结合夜间无法持续进行实验的实际情况，在静态吸附实验中吸附时间均选择24h。

2.2.3不同乙醇体积分数下SP700树脂的解吸性能经过测定，不同乙醇体积分数下SP700树脂的解吸性能如图3所示。

图3　不同乙醇体积分数下SP700树脂的解吸得率Fig.3　The SP700 desorption ratio of different ethanol volume fraction

由图3可知，随乙醇浓度的增大，解吸得率明显增加，50%以下的乙醇溶液对SP700大孔树脂中的总皂苷的解吸得率很小，90%乙醇解吸效果最佳，大量的皂苷类成分在该部位得到富集，可见较高浓度的乙醇溶液有利于苦荞总皂苷的解吸，因此在静态吸附实验中使用90%的乙醇作为解吸剂；但同时考虑到乙醇浓度越高，洗脱能力越强，随目标成分洗下的杂质也越多［16］，且在洗脱过程中易挥发，因此在动态实验的梯度洗脱模式中选择50%、70%作为洗脱梯度。

2.3SP700树脂的动态洗脱实验

考虑到实际树脂纯化是一个动态的过程，与静态吸附、解吸有一定的差异［12］，对通过静态实验筛选出的SP700树脂，进行动态吸附实验。

2.3.1上样流速与洗脱流速的选择动态实验中样品溶液通过树脂柱的流速过快，则样品未完成吸附，便随吸附液流出，造成吸附率减低［7］，上样流速过慢则会影响生产效率，延长生产周期，提高生产成本。因此该动态吸附实验中设定上样流速为2BV/h，以利于样品的充分吸附。洗脱过程中，流速太快时，洗脱剂还未与被吸附的皂苷进行充分作用便将其从大孔树脂的吸附位点上置换出来，影响洗脱效率［7］，而流速太慢则使作业周期延长，结合刘颖等［17］在大孔树脂纯化穿山龙总皂苷的实验中对最佳流速筛选的分析，确定动态实验的洗脱流速为2BV/h。

2.3.2最佳上样量的确定根据图4绘制的泄露曲线确定最佳上样量，一般来说当泄漏率达到10%左右时可视为漏点［9］。图4结果表明4号样品时树脂已经开始发生轻微的泄露，随着上样量的增加，泄漏量增大，5号样品的泄漏率已经达到10%左右，此时上样量为15mL，即树脂比样液体积为1∶1。当动态吸附过程到达穿透点（即漏点）时，吸附作用开始减弱，甚至消失，因此选择合适的上样量，可以提高树脂对样品的吸附性能。理论上讲，上样量越小，树脂对样品的吸附效果越好，但上样量太小，树脂的利用率太低，上样量太大，样品得不到有效吸附而被浪费［18］，依据泄露曲线中穿透点的位置，确定最佳上样量为15mL。

图4　泄露曲线Fig.4　The dynamic penetration curve

2.3.3动态解吸洗脱结果如图5所示，从结果中可以看出，在第一梯度洗脱模式下，10%、30%、50%的乙醇几乎未能洗脱皂苷，70%的乙醇洗脱皂苷的得率为72.3%，90%的乙醇洗脱皂苷的得率为13.6%，总的洗脱得率为85.9%。

根据上述第一梯度洗脱模式的实验结果调整为第二梯度洗脱模式，先用50%的乙醇洗去杂质，再用70%的乙醇将皂苷洗脱下来，如图6所示。经测定，在这种模式下的洗脱得率可以达到88.9%，取得了较好的洗脱效果。洗脱液蒸干后所得固形物中皂苷含量较提取液固形物中皂苷含量提高了约2倍，确定采用第二种梯度洗脱方式。

图5　第一梯度洗脱模式Fig.5　The first gradient elution curves in dynamic state

图6　第二梯度洗脱模式Fig.6　The second gradient elution curves in dynamic state

3　结论

通过静态吸附解吸实验筛选出适合分离纯化苦荞总皂苷的大孔吸附树脂SP700，其饱和吸附量为（25.241±0.590）mg皂苷/g树脂。研究SP700对苦荞总皂苷的静态及动态吸附性能，确定SP700型大孔树脂分离纯化苦荞总皂苷的最佳工艺条件为：最佳上样浓度约0.586mg/mL，上样流速2BV/h，树脂比样液体积为1∶1，动态洗脱实验中，以体积分数分别为50%和70%的乙醇溶液进行分段洗脱，洗脱流速为2BV/h，用量为2～3BV，洗脱得率最高可达到88.9%，洗脱液蒸干后所得固形物中总皂苷含量较提取液固形物中总皂苷含量提高了约2倍，SP700树脂分离纯化苦荞总皂苷的效果较好。

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Study on separation and purification of total saponins from tartary buckwheat with macroporous resin

ZHI Xiu-juan1，2，MA Ting-jun2，DING Ke2，LI Dong1，*
（1.College of Engineering，China Agriculture University，Beijing 100083，China；2.Faculty of Food Science and Engineering，Beijing University of Agriculture，Beijing Key Laboratory of Agricultural Product Detection and Control of Spoilage Organisms and Pesticide Residue，Beijing Laboratory of Food Quality and Safety，Beijing 102206，China）

In order to optimize process condition of separation and purification of total saponins from tartary buckwheat with macroporous resin.The appropriate SP700 resin was choosed，which the saturated adsorption capacity was up to（25.241±0.590）mg saponins/g resin through the static adsorption and desorption test.The influence of sample liquid concentration，adsorption time on the adsorption capacity，and the effect of ethanol volume fraction on the yield of desorption were studied in the static test.And in the dynamic test，the optimal purification conditions of using SP700 resin to absorb and purify total saponins from tartary buckwheat were as follows：the best concentration of sample solution 0.586mg/mL，velocity 2BV/h，the ratio of resin and sample solution 1∶1，in the dynamic elution experiment，segmented elution was carried with 50%and 70%ethanol solution respectively elution velocity 2BV/h，dosage 2～3BV，elution rate was up to 88.9%，the content of saponins in eluent was 2 fold as that in sample solution.

tartary buckwheat；saponin；separation and purification；macroporous resin

TS201.2

B

1002-0306（2015）12-0226-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.12.039

2014－11－18

智秀娟（1975-），女，在读博士研究生，讲师，研究方向：农产品加工及贮藏工程。

李栋（1973-），男，教授，研究方向：农产品加工及贮藏工程。

国家燕麦荞麦产业体系建设专项资助（CARS-08-D-2）。