中药枳实中辛弗林存在状态与其纳滤传质过程的相关性

李存玉+马赟+刘莉成+陆茜+彭国平

[摘要] 该文基于纳滤分离中的溶解-扩散效应和电荷效应理论，拟合传质系数与初始浓度的相关性，构建预测辛弗林传质过程中的数学模型，并验证其适用性。实验结果表明，操作压力与膜通量存在线性关系，随着辛弗林浓度升高膜通量出现衰减。在溶解-扩散效应和电荷效应的双重作用下，其传质系数与初始浓度呈现幂函数相关，回归系数均大于0.9，发现解离状态下的辛弗林传质系数小于游离态及解离-游离共存态。建立的纳滤传质预测数学模型，通过枳实提取液验证发现辛弗林截留率与实验值接近，该模型实用可行。以辛弗林为例建立的纳滤分离预测模型，解决了中药生物碱类成分纳滤分离机制不清晰的问题，为中药生物碱类成分的常温化精制富集提供理论和技术支撑。

[关键词] 辛弗林； 纳滤； 传质过程； 电荷效应； 溶解-扩散效应

[Abstract] Based on the solution-diffusion effect and the charge effect theory in nanofiltration separation， the correlation between initial concentration and mass transfer coefficient was constructed to establish a mathematic model of synephrine in mass transfer process and verify its applicability. The experimental results showed that there was a linear relationship between operation pressure and membrane flux. Meanwhile， the membrane flux was gradually decayed with the increase of solute concentration. Besides， mass transfer coefficient and initial concentration of synephrine showed power function correlation with each other by solution-diffusion effect and the charge effect， and the regression coefficients were greater than 0.9. The mass transfer coefficient of dissociation synephrine was less than that in the state of free and free-dissociation. Moreover， on the basis of power function relationship between mass transfer coefficient and initial concentration， the results showed that the predicted rejections of synephrine from Citrus aurantium water extract by use of the mathematical model approximated well to real ones， verifying that the model was practical and feasible. The unclear separation mechanism of nanofiltration for alkaloids was clarified preliminary by the predicted model of nanofiltration separation with synephrine as the example， providing theoretical and technical support for nanofiltration separation， especially for traditional Chinese medicine with alkaloids.

[Key words] synephrine； nanofiltration； mass transfer process； charge effect； solution-diffusion effect

納滤是膜分离技术中的一种，截留相对分子质量在100～1 000，具有分离过程可常温操作，无热效应，能耗低，不产生二次污染等优点[1]，在中药成分的精制、分离等过程具有广阔的应用前景。中药成分结构复杂多样，且纳滤在中药制剂生产中尚处于初级阶段，依靠纳滤分离经典模型，无机离子的细孔模型[2]、DSPM（Donnan steric partitioning pore）模型[3]等分离理论难以有效解释其分离行为，预测其分离规律。

辛弗林是中药陈皮、枳实中代表性的小分子生物碱，具有增强心血输出量、提高总外周血管阻力而使左心室压力及动脉血压上升的作用[4-5]。分子式C9H13NO2（167.21），长时间高温、光照影响其成分稳定性[6]。采用纳滤对其富集精制将会有效避免因热处理带来的损失，但是其纳滤分离规律及传质机制尚不清晰，本研究选用一种应用广泛的商业纳滤膜，借鉴溶解-扩散效应和道南效应理论[7-8]，构建辛弗林纳滤传质模型，预测在不同溶质浓度和操作压力下纳滤对辛弗林的富集效果，以期提升纳滤分离在中药制药领域的适用性。

1 材料

枳实药材购自安徽亳州，批号201610901，经南京中医药大学严辉副教授鉴定为芸香科植物酸橙Citrus aurantium L.的干燥幼果，符合2015年版《中国药典》相关项下要求。endprint

复合聚酰胺纳滤膜（型号NFX，截留相对分子质量150～300），购自南京拓鉒医药科技有限公司；辛弗林提取物（批号20151015，质量分数≥98%），购自南京泽朗生物科技有限公司；辛弗林对照品（批号110727-201107，质量分数≥98%），购自中国食品药品检定研究院；乙腈为色谱纯，乙醇为分析纯，水为纯化水，其他试剂均为分析纯。

Agilent 1100高效液相色谱仪，VWD检测器（美国安捷伦公司）；TNZ-1纳滤分离设备（南京拓鉒医药科技有限公司）；PB-10型pH计（德国Sartorius公司）；AL204 1/1万电子天平（瑞士METTLER TOLEDO集团）；KH-250B型超声波清洗器（昆山禾创超声仪器有限公司）。

2 方法

2.1 溶液的制备

2.1.1 枳实提取液 称取枳实药材5 kg，加入10倍纯化水提取2次，每次1 h，0.45 μm微孔滤膜过滤，合并滤液，得枳实提取液。

2.1.2 辛弗林对照品溶液 精密称取辛弗林对照品0.010 20 g，置于10 mL量瓶中，加50%甲醇水溶液稀释至刻度，摇匀，即得辛弗林对照品溶液（1.020 g·L-1）。

2.1.3 辛弗林提取物溶液 精密称取辛弗林提取物适量，纯化水超声溶解混匀，配置含辛弗林质量浓度为200 mg·L-1的水溶液。

2.2 pKa测定[9]

通过测定辛弗林pKa，分析溶质在溶液中的存在状态，进而调节溶质存在状态，考察对传质过程的影响。由于辛弗林分子结构中含有亚胺基团，按照一元弱碱的pKa测定方法。精密量取系列浓度的辛弗林提取物水溶液各20 mL置于洁净干燥的烧杯中，使用盐酸标准液滴定，采用浓度为0.100 3 mol·L-1的盐酸滴定，每滴加1.0 mL 盐酸记录1次pH，绘制pH-盐酸体积（V）曲线，待曲线斜率接近1.0时，然后将盐酸滴加量调整为每次0.2 mL记录1次pH，直至曲線斜率趋于无穷大，即为滴定终点，重复滴定操作3次，根据下式计算pKa。

2.3 纳滤操作

按照试验设计要求，取纯化水清洗至中性条件下的纳滤膜，组装纳滤系统，见图1，根据测定的辛弗林pKa，调节辛弗林提取物溶液pH改变其存在状态（游离、解离、游离-解离共存），将药液置于纳滤系统中进行循环平衡，待储液罐中辛弗林浓度趋于稳定时，认定其在纳滤膜中的吸附-解吸附达到平衡时，取样平衡液，进而将溶液进行纳滤，待纳滤完成后，取样纳滤液。其中纳滤操作压力通过调节中压泵功率及调速阀控制浓缩液出口流量，调节压力分别为0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 MPa；辛弗林提取物溶液梯度稀释至相应初始质量浓度为200，150，100，50，10 mg·L-1。

2.4 纳滤分离理论[10-11]

基于纳滤分离原理“溶解-扩散效应”，溶质在纳滤分离过程中，假设溶质与溶剂首先与膜材质接触进而溶解于膜表面，进而通过压力差、浓度差产生的化学势推动下透过纳滤膜，该模型可以表达如下。

2.5 样品检测

2.5.1 色谱条件[12] Hanbon C18色谱柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流动相甲醇-磷酸二氢钾溶液（取磷酸二氢钾0.6 g，十二烷基苯磺酸钠1.0 g，冰醋酸1 mL，加超纯水溶解并稀释至1 000 mL）50∶50；检测波长275 nm；流速1 mL·min-1；进样量10 μL；柱温30 ℃。

2.5.2 线性关系 精密吸取辛弗林对照品溶液 0.05，0.10，0.20，0.50，1.00，2.00 mL 分别置于10 mL的量瓶中，甲醇定容至刻度，Agilent 1100高效液相色谱仪检测，以峰面积为纵坐标（Y），对照品溶液浓度为横坐标（X），得线性回归方程Y=5.32X+5.57，R2=0.999 2。辛弗林在5.100～204.0 mg·L-1，线性关系良好。

2.6 纳滤分离模型验证

取枳实提取液，采用2.5项下条件检测辛弗林浓度，根据辛弗林pKa调节溶液pH使其分别以游离态、解离态及其游离态-解离态共存形式存在，0.45 μm微孔滤膜过滤，采用纳滤膜对建立的纳滤传质模型进行应用验证，操作压力分别为0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 MPa，计算辛弗林表观截留率Ro，并与模型预测值对比，验证纳滤传质模型的实用性。

3 结果

3.1 不同浓度辛弗林的pKa

辛弗林的pKa数据见表1，辛弗林在质量浓度10～200 mg·L-1，其相应pKa在8.25～8.84，为了考察解离、游离存在状态对纳滤传质系数的影响，因此分别调节辛弗林提取物水溶液环境至pH 4.0使其以解离态形式存在、pH 10使其以游离态形式存在、pH 8.5使其以解离-游离态形式共存。

3.2 辛弗林的纳滤膜通量

纳滤膜通量可以体现出其分离效率，分析不同辛弗林初始浓度和操作压力条件下的纳滤膜通量，见图2～4，可以看出膜通量与压力呈现出良好的线性关系，由公式（2）可知纳滤膜通量随着膜两侧压力差的增加而随之大。

浓度对膜通量具有一定的影响，随着初始浓度的增加，膜通量呈现出轻微衰减，主要是由于溶质浓度的增加引起溶液黏度升高，同时膜污染趋势也随之增加，导致膜通量衰减。不同浓度之间的膜通量差异，随着操作压力的增加此现象愈加明显，这主要是膜面浓差极化引起的膜污染等因素有关[13]。

对比图2～4可发现，pH对辛弗林的膜通量存在一定的影响，随着溶液pH的升高，膜通量也呈现出增加的趋势，其中在酸性条件下辛弗林水溶液的膜通量低于另外2种溶液环境，推测以解离态形式存在的辛弗林相较于游离态辛弗林，与纳滤膜表面存在更强的电荷排斥效应，不利于进入膜表面，从而表现出通量偏低的现象。endprint

3.3 构建传质拟合模型

3.3.1 游离态 辛弗林在不同浓度条件和操作压力条件下对ln[（1-Ro）·Jv/Ro]和Jv进行相关性拟合，见图5，二者具有线性相关，进而拟合线性方程计算传质系数k和ln（DK/δ），见表2，分析数据发现随着辛弗林浓度的增加其传质系数随之增大，结果与纳滤分离原理中的溶解-扩散经典模型相符。

3.3.2 解离-游离态共存 在pH 8.5条件下，辛弗林的存在状态为解离态与游离态共存，通过ln（1-Ro）·Jv/Ro和Jv进行相关性拟合，见图6，相关性曲线斜率较游离态时有所增加，其传质系数呈现下降趋势，主要是由于在纳滤分离过程中是解离-游离辛弗林共存，其中游离态辛弗林优先接近膜表面进而溶解并随着压力推动通过纳滤膜孔，解离态辛弗林因为与纳滤膜表现出电荷效应，从而难以通过纳滤膜，从而呈现出辛弗林传质系数减小的趋势，见表3，以此也可以初步判断电荷效应对辛弗林传质过程的影响程度。同时，随着辛弗林浓度的增加其传质系数随之增大，说明其分离过程是溶解-扩散和电荷效应综合作用的结果。

3.3.3 解离态 在pH 4.0条件下，辛弗林完全解离，ln[（1-Ro）·Jv/Ro]和Jv进行相关性拟合，见图7，溶液中以解离态形式存在的辛弗林因与纳滤膜之间的电荷排斥，从而难以进入纳滤膜表面，较游离态中的辛弗林传质系数明显下降，见表4，说明此时辛弗林的纳滤分离过程中以电荷效应为主导，且实验过程中发现辛弗林截留率也较其他溶液环境有明显提升，在低浓度时其截留率高于90%。此外，ln（DK/δ）与辛弗林初始浓度大小无直接相关性，与其存在状态存在一定相关性，游离态时高于另外解离态。

3.4 传质模型验证

分别对3种酸碱环境下的辛弗林浓度和传质系数进行数据拟合分析，发现传质系数与溶质浓度呈现幂相关，传质系数与初始浓度的相关性方程及ln（DK/δ），见表5，根据公式（6）计算得到在膜通量Jv和初始浓度Co条件下辛弗林表观截留率Ro。

液相检测枳实水提液中辛弗林的质量浓度为165.5 g·L-1，通过操作压力下与膜通量的转换，对3种pH条件下的辛弗林截留率进行拟合，进而通过纳滤分离，对比预测数据与实验验证数据见图8。分析数据发现，辛弗林截留率的实验值和预测值接近，其中实验值高于预测值，这是由于枳实提取液的多成分在膜表面的竞争溶解透过引起的。此外，枳实中含有柚皮苷、新橙皮苷等黄酮类成分，在水提液中与辛弗林可能以复合物的形式存在，引起分子团增加，引起其表观截留率上升。辛弗林截留率的实 验值操作压力升高其增加趋势愈加明显，推测压力偏高时浓差极化效应的影响，引起辛弗林表观截留率的升高。

4 讨论

辛弗林的纳滤分离过程也是溶质分子在膜表面溶解并渗透通过膜孔的传质过程，其传质系数与其存在状态相关，尤其以离子态形式存在的辛弗林因电荷排斥而难以接近膜表面从而保持了高截留率，且以解离态存在的辛弗林纳滤传质系数明显低于游离态。本文基于纳滤分离理论中的溶解-扩散效应和电荷效应，同时考虑成分的存在状态，建立了中药枳实中辛弗林的纳滤分离预测模型，能够有效的对辛弗林的截留率进行预测，具有较强的实用性。初步解决了因中药成分纳滤分离机制不清晰而导致纳滤技术难以产业推广的难题。

在数据拟合和分离模型构建过程中，溶液膜通量数据与模型预测结果的准确性直接相关，而膜污染对膜通量影响显著，因此在对中药提取液开展分离机制研究时，需要进行预处理提高提取液的澄明度，从而提高模型预测的准确度。纳滤技术产业化推广过程中，仍存在设备成本偏高，增加企业负担。中药制剂生产过程中因膜组件污染引起的通量衰减，将直接影响生产效率。同时，纳滤膜与药液的相互作用特征（兼容性）、纳滤膜完整性及其孔径的标准化测定尚需要进一步的规范化研究，从而保障中药成分分离精制的高效、一致。

[参考文献]

[1] 李存玉，马赟，刘奕洲，等.超滤-纳滤联用优化益母草生物碱的浓缩工艺[J].中国中药杂志，2017，42（1）：100.

[2] 邱实，吴礼光，张林，等.纳滤分离机理[J].水处理技术，2009，35（1）：15.

[3] Santafé-Moros A， Gozálvez-Zafrilla J M， Lora-García J. Applicability of the DSPM with dielectric exclusion to a high rejection nanofiltration membrane in the separation of nitrate solutions[J]. Desalination， 2008， 221（1/3）：268.

[4] 张霄潇，李正勇，马玉玲，等.中药枳实的研究进展[J].中国中药杂志，2015，40（2）：185.

[5] 张红，孙明江，王凌.枳实的化学成分及药理作用研究进展[J].中药材，2009，32（11）：1787.

[6] 蔡艳华.枳实中生物碱辛弗林的提取分离研究[D].成都：四川大学，2005.

[7] Yaroshchuk A， Bruening M L， Bernal E E L. Solution-Diffusion-Electro-Migration model and its uses for analysis of nanofiltration， pressure-retarded osmosis and forward osmosis in multi-ionic solutions [J]. J Membr Sci， 2013， 447：463.

[8] Vezzani D， Bandini S. Donnan equilibrium and dielectric exclusion for characterization of nanofiltration membranes [J]. Desalination， 2002， 149（1）：477.

[9] 范曉燕，于媛，徐嫔.酸碱指示剂离解常数的测定[J].实验室科学，2007（2）：89.

[10] Murthy Z V P， Gupta S K. Estimation of mass transfer coefficient using a combined nonlinear membrane transport and film theory model [J]. Desalination， 1997， 109（1）：39.

[11] 吴芳，封莉，张立秋.纳滤去除水中中性药物的预测模型[J].膜科学与技术，2016，36（4）：97.

[12] 中国药典.一部[S].2015：247.

[13] Arend G D， Adorno W T， Rezzadori K， et al. Concentration of phenolic compounds from strawberry （Fragaria×ananassa Duch） juice by nanofiltration membrane [J]. J Food Eng， 2017， 201：36.

[责任编辑 孔晶晶]endprint