中空纤维膜在紫草素提取中的应用

孙道宝，高 旭，王晶晶，刘露露

(天津膜天膜科技股份有限公司膜材料与膜应用国家重点实验室 天津300457)

0 引 言

紫草为多年生草本中药植物，常见于我国新疆、甘肃、内蒙古等地区，已应用于抑菌、抗肿瘤、创口愈合等医疗保健及食品、印染等天然色素添加剂领域[1]。研究发现，紫草活性成分为紫草素及其衍生物类的萘酮类混合物，由于萘酮类物质脂溶性很强，其传统提取工艺多采用有机溶剂(如油、石油醚、乙醇、苯、四氯化碳等)萃取法、碱提酸沉法、减压蒸馏法、水蒸气蒸馏法和超临界萃取法等[2]。

中空纤维膜具有无相变、能耗低、工艺设备简单、操作方便可靠、分离效果好，同时不会造成环境污染等优势，已广泛应用于化工、食品、生物、制药等领域[3]。钱俊等[4]探究了超滤在六味地黄软胶囊多糖精制工艺中的应用，相比水提醇沉等传统方法，超滤工艺易操作，能耗少，分离效果好。马朝阳等[5]报道了从苦豆子酸提取物中纯化生物碱的膜法工艺，在酸性条件下多次稀释后连续用 6000MWCO超滤膜进行分离纯化，总生物碱回收率达 93.5%，纯度达52.3%。贺立中等[6]研究了膜法生产伸筋草注射液工艺，先在 pH＝3.0时用 1×104～3×104MWCO 超滤膜滤除大分子杂质，再将滤过液调至 pH＝8.0时用6000MWCO超滤膜滤除小分子杂质，两步超滤法工艺流程简单，批量生产可行性高。李淑莉等[7]考察了丹参等7种中药超滤提纯情况，对比发现它们的膜通量有类似变化趋势，目标物回收率普遍高于 60%，优于常规酸沉工艺的回收率。

本文采用中空纤维膜对紫草中的紫草素进行提取，筛选适合紫草素提取的工艺，旨在为进一步的产业化提供参考。

1 试剂与仪器

1.1 试剂

紫草粉(日常中药店)；乙醇(分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司)；紫草素标准品(中国药品生物制品检定所)。

1.2 仪器

中空纤维膜组件(津膜科技)，通量测试仪(津膜科技自制)，紫外分光光度计(岛津/UV-2600)，数显恒温水浴锅(北京中兴伟业/DZKW-4)，电子分析天平(梅特勒-托利多/AL204)，超声波清洗机(昆山市超声仪器有限公司/KQ3200DE)，秒表(Anytime/XL-013)。

2 实验方法

2.1 提取工艺

将适量紫草粉置于 1L乙醇溶液中，超声 5min后静置15min，用中空纤维膜组件提取浸泡液。

2.2 紫草素标准曲线的绘制

准确称取紫草素标准品 12.50mg，置于 25mL容量瓶中，加入乙醇溶解，定容。准确吸取紫草素标准品溶液 0.2、0.4、0.6、0.8、1mL 分别置于 10mL 容量瓶中，加入乙醇定容至刻度，摇匀。使用乙醇为空白测试 516nm 波长处吸光度，以吸光度与紫草素标准品浓度进行线性拟合。

2.3 中空纤维膜组件分离效果评价

考察在不同温度(15～45℃)、压力(0.075～0.125MPa)、料液投加量条件下，中空纤维膜组件对紫草素的提取效果，通过测试中空纤维膜组件的通量和截留率，来评价优化紫草素的提取工艺。

3 实验结果

3.1 紫草素标准曲线的绘制

本文以乙醇为参比样，在波长 516nm 处测定紫草素标准品的吸光度(A)，利用Origin软件对吸光度和紫草素标准品浓度进行线性关系拟合。

图 1为吸光度(A)和紫草素标准品浓度(g/L)的拟合曲线，其拟合度较好，为线性正相关。

图1 紫草素标准曲线Fig.1 Standard curve of shikonin

3.2 中空纤维膜组件分离效果

3.2.1 提取剂对中空纤维膜组件性能的影响

目前紫草素提取工艺常用溶剂有油脂、石油醚、四氯化碳、乙醇、苯等。有研究表明，其他因素固定时，乙醇浓度越高，紫草素提取率越高，当乙醇浓度介于 60%～80%之间时其提取率变化最明显，而后趋于稳定[8]。综合考虑中空纤维膜组件耐溶剂性、溶剂经济环保等因素，本文选用常见的 75%乙醇溶液作为紫草素的提取剂。

本文首先设计了中空纤维膜组件对 75%乙醇溶液滤过效果空白实验。实验条件：75%乙醇溶液，温度 25℃，压力 0.1MPa，连续运行，每隔 10min测试其通量。

图 2显示 75%乙醇溶液对中空纤维膜组件运行的影响。前文已根据现有工艺选用 75%的乙醇溶液作为提取剂浸泡紫草粉，现需考察 75%乙醇溶液对中空纤维膜组件的连续运行有无影响[9]。如图 2所示，连续运行时间在 60min以上，随运行时间延长，组件通量先增加后趋于稳定。这与通常情况下溶剂为水时通量缓慢衰减后趋于稳定不同，主要可能因为常规膜组件浸泡在水溶液中，最开始滤过的是水而非乙醇分子，而水与膜的相似相溶性弱于乙醇，故组件通量可能偏低，随着运行的持续，乙醇溶液浸入整个膜组件，膜通量相应增加后趋于稳定；再者，乙醇溶液会在前期过程溶解膜中部分残留可溶物，使膜孔通道更通畅一些，膜通量相应增加后趋于稳定，但不会对膜造成溶解等致命性损坏，表明本文中选用的中空纤维膜组件适合长时间滤过含乙醇的待处理液。此外，使用新膜时，建议提前用 75%乙醇溶液浸泡或预运行20～30min，即可使膜性能保持高稳状态。

图2 75%乙醇溶液对中空纤维膜组件运行的影响Fig.2 Effect of ethanol solution(75%)on operation of hollow fiber membrane module

3.2.2 温度对中空纤维膜组件性能的影响

研究表明，紫草素活性成分为萘醌类化合物，有报道称其变性温度约为70℃，当提取温度超过65℃时，化学结构开始发生变化，降低了紫草素的药效[10]。同样在提取过程中，随加热时间的延长及温度的提高，紫草素含量均有损耗[11]，只是提取温度超过60℃后，紫草素的破坏程度会加快[12]。

本文需要同时考虑紫草素受热变性、中空纤维膜受热膜孔隙变形的状况。实验条件：5g紫草粉置于1L乙醇溶液，压力 0.1MPa，改变测试液温度，考察不同测试温度下中空纤维膜组件性能的变化情况。

图 3显示不同测试温度下中空纤维膜组件性能的变化情况。随测试温度的升高，中空纤维膜的通量逐渐增加，主要是因为温度越高，物料粘度降低，传质系数变大[13]，物料越容易穿过膜孔，但是原本需截留住的可溶性固形物同样也能透过膜孔，中空纤维膜组件截留效果失效，降低了目标滤过液的纯度；同时鉴于紫草素作为植物活性物质，需要控温保持活性，中空纤维膜也有限定的使用温度(5～45℃)。综合考虑测试温度控制在 25～35℃时，中空纤维膜组件分离提纯紫草素效果较好。

图3 不同测试温度下中空纤维膜组件性能的变化Fig.3 Effect of temperature on properties of hollow fiber membrane module

3.2.3 压力对中空纤维膜组件性能的影响

压力是膜分离工艺中重要的参数，也是分离膜过程的驱动力，膜分离效果与驱动力的大小有重要关系，压力越大，料液的传质流动性越好，膜的通量越大；同时压力增大，也加速了物料的浓差极化现象，使膜表面更易吸附可溶性固形物，加速凝胶层的形成，加速膜污染[14]。

本文需要考虑紫草素快速通过膜孔，同时中空纤维膜膜面污染程度尽量最小。实验条件：10g紫草粉置于 1L乙醇溶液，温度 25℃，调节测试压力，考察不同测试压力下中空纤维膜组件性能的变化情况。

图 4显示不同测试压力下中空纤维膜组件性能的变化情况。随压力的增加，中空纤维膜的通量增加，但同样加速了溶差极化，使膜表面更易吸附可溶性固形物，加速凝胶层的形成，加速膜污染，提高了膜的清洗频率。在工业化应用中，需要在确保膜通量的前提下尽量减少不必要的能耗。综合考虑测试压力控制在 1MPa时，中空纤维膜组件分离提纯紫草素效果较好。

图4 不同测试压力下中空纤维膜组件性能的变化Fig.4 Effect of pressure on properties of hollow fiber membrane module

3.2.4 料液投加量对中空纤维膜组件性能的影响

料液投加量是工业化生产中重要的参数，实际使用中，不可能是恒定不变的，通常提取剂用量越多，紫草素越容易进入提取剂中，但会导致目标产物浓度变低，后续工艺中提取剂的去除或回收量越多，处理难度加大[15]。而在膜分离工艺中，料液投加量越多，对应的料液浓度越大，其中的可溶性固形物会更多，这加速了膜面浓差极化现象，加快膜面污染，使膜通量迅速降低，不利于连续化工序操作[16]。

实验条件：压力 0.125MPa，温度 25℃，改变紫草粉在1L乙醇溶液中的投加量，考察不同投加量对中空纤维膜组件性能的变化情况。

图 5显示不同料液投加量中空纤维膜组件性能的变化情况。随料液投加量的增加，中空纤维膜的通量降低，主要是紫草浸泡液中含有多种胶体、蛋白质、淀粉等混合物，这些伴生物极易加速膜表面的溶差极化，使膜表面吸附大量可溶性固形物，加速凝胶层的形成，所以是膜污染的主因。生产中多考虑要提高中空纤维膜过滤效果同时缩短生产周期，综合考虑料液投加量取 10g/L，中空纤维膜分离提纯紫草素效果较好。

图5 不同料液投加量下中空纤维膜组件性能的变化Fig.5 Effect of dosage on properties of hollow fiber membrane module

3.2.5 长期运行稳定性

分离膜长期稳定运行通常是考察膜性能的重要指标，是实现产业化连续应用的保障，同时还能指导分离膜预防污染及污染后清洗恢复工作[17]。

本文采用的津膜科技中空纤维膜具有较好的抗污染性。为实验研究需要，选用极端的实验条件(较高的料液投加量，较高的测试压力)加速中空纤维膜的污染可能性，测试其长期运行的性能状况。实验条件：20g紫草粉置于 1L乙醇溶液，压力 0.125MPa，温度25℃，持续运行，每隔15min测试1次，考察中空纤维膜组件长期运行性能的变化情况。

图 6显示中空纤维膜组件提取紫草素的稳定性效果。随运行时间的延长，中空纤维膜表面逐渐吸附可溶性固体物，凝胶化形成污染层，膜通量降低，能耗增加。膜通量降低过快时需要进行膜清洗，清除膜层污染物，恢复膜通量，否则会严重污染膜导致膜失效。实验结果表明，在运行30～45min后即对膜进行物理或化学清洗，此时中空纤维膜分离提纯紫草素效果较好。

图6 中空纤维膜组件提取紫草素长期稳定性效果Fig.6 Stability of shikonin extraction by hollow fiber membrane module

4 实验结论

紫草是一种多用途的天然中药材，关于其活性成分萘醌类紫草素及其衍生物的提纯工艺研究越来越多样化。中空纤维膜提取紫草素具有无相变、高效节能环保、设备操作简便、成本低、提纯效果好等优势。本文考察了温度、压力、料液投加量等对膜分离性能的影响，同时综合了紫草素的活性特性以及中空纤维膜适用的工艺条件，以膜通量和截留率为考察指标，筛选适合紫草素的膜法提取工艺。研究表明：在温度30℃，压力0.1MPa，10g紫草粉浸入1L 75%乙醇溶液的条件下，中空纤维膜提取紫草素效果良好。这为工业化膜法提取紫草素提供了参考依据。