高分子吸附剂及其在天然产物提取分离中的应用

高分子吸附剂及其在天然产物提取分离中的应用
孙江晓
中草药是我国宝贵的医药资源，在提高人民生活质量，保证人民生活健康中发挥了极大的作用。然而中药成分的复杂性和不可知性影响了它的进一步应用，中药现代化成为了中药发展的迫切要求。而中药现代化的关键技术之一就是有效成分或有效部位的提取分离。溶剂萃取分离技术是天然产物分离的经典技术，但溶剂消耗量大，分离效率低，操作安全性差，一般仅适用于实验室小量样品的制备，而不宜用于工业生产。柱色谱分离法采用一定的色谱填料作为固定相，当中药提取液通过色谱柱时，不同的成分即可得到分离。该方法操作简单，适宜于工业生产。尤其是随着高分子产品的出现和发展，色谱填料的种类越来越多，其中以离子交换树脂、大孔吸附树脂和聚酰胺为主。
一、离子交换树脂及其在天然产物提取分离中的应用
1、离子交换树脂的结构和分类
离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物，其结构由三部分组成：不溶性的三维空间网状骨架，连接在骨架上的功能基团和功能基团所带的相反电荷的可交换离子。
根据树脂所带的可交换离子性质，离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。阳离子交换树脂是一类骨架上结合有磺酸（-SO3H）和羧酸(-COOH)等酸性功能基的聚合物。根据酸性功能基在水中的电离性质，可分为强酸性离子交换树脂和弱酸性离子交换树脂。阴离子交换树脂是一类在骨架上结合有季铵基、伯胺基、仲胺基、叔胺基的聚合物。根据胺基的碱性强弱，可分为强碱性离子交换树脂和弱碱性离子交换树脂。
根据骨架结构的不同，离子交换树脂可分为凝胶型和大孔型树脂两类。凝胶型树脂是一种呈透明状态的无孔聚合体。在水溶液中，树脂吸水溶胀，树脂相内产生微孔，反离子可扩散进微孔内进行离子交换，树脂的交联度越低，吸水量越大，溶胀也大，产生的微孔也较大。大孔离子交换树脂在整个树脂内部无论干、湿或收缩、溶胀都存在着比一般凝胶型树脂更多、更大的孔道，因而比表面极大，在离子交换过程中，离子容易迁移扩散，交换速度较快。
2、离子交换树脂的作用原理
离子交换反应是可逆反应，这种反应是在固态的树脂和水溶液接触的界面间发生的。在水溶液中，连接在离子交换树脂骨架上的功能基能离解出可交换的离子B+，该离子在较大范围内可以自由移动并能扩散到溶液中。同时，溶液中的同类型离子A+也能扩散到整个树脂结构内部，这两种离子之间的浓度差推动着它们之间的交换。其浓度差越大，交换速度就越快。另外，离子交换树脂对不同的离子表现出了不同的交换亲和吸附性能，这种选择性与树脂本身所带有的功能基、骨架结构、交联度有关，也与溶液中离子的浓度、价数有关。一般情况下，离子价数越高，与树脂功能基的静电吸引力越大，亲和力越大；对同价离子而言，原子序数增加，树脂对其选择性也增加。
3、离子交换树脂在天然产物提取分离中的应用
自从1935年Adams 和Holms 研究合成了酚醛型离子交换树脂以来，离子交换树脂的应用已经有60多年的发展历史。其应用范围日益扩大，已经由最初的水处理工业发展到当前的化工、电力、电子、环境科学、食品加工、医疗药物等领域中，并且在天然产物的提取分离中的应用逐渐增加。
1）离子交换树脂法提取分离氨基酸、蛋白质、多肽和酶
氨基酸是一类含有氨基和羧基的两性化合物，在不同的pH条件下能以阳、阴或两性离子的形式存在。因此，应用阳离子交换树脂和阴离子交换树脂均可富集分离氨基酸。同时，因为多肽、蛋白质和酶是由α-氨基酸缩合而成的生物高分子，某些氨基酸残基含有羧基或碱基，使这些生物高分子成为两性物质。因此，在一定的pH条件下，离子交换树脂能够提取、分离和纯化多肽、蛋白质和酶。因为蛋白质和酶在强酸或强碱条件下不稳定，强烈的疏水作用也会使其变性，因此所用的树脂应当是亲水的弱酸树脂或弱碱树脂。
2）离子交换树脂法提取分离生物碱
生物碱是许多中草药中的重要有效成分，它们在中性或酸性条件下以阳离子形式存在，能用阳离子交换树脂从其提取液中富集分离出来。离子交换树脂吸附总生物碱之后，可根据各生物碱组分的碱性差异，采用分部洗脱或分部提取的方法，将其中的各生物碱组分一一分离。樊振民等对三种常用的分离方法进行总结，并给出工艺流程，可分别得到弱碱性生物碱、中等碱性生物碱和强碱性生物碱。将此三种方法分别用于实际，可分别从麻黄草的稀盐酸浸液中分离麻黄碱和伪麻黄碱，从洋金花的0.1%盐酸浸液中分离莨菪碱和东莨菪碱，从护心胆根的0.5%盐酸浸液中分离紫堇块茎碱、毕扣灵碱和南天竹碱等，均取得良好的分离结果。
3）离子交换树脂法提取分离天然酸性有机化合物
中草药中含有一些具有药理作用的羧基化合物和酚性化合物，可以用离子交换树脂法分离纯化。甘草酸是甘草的有效成分，以弱碱树脂Duolite A34从甘草水浸液中提取甘草酸，经2%氨水洗脱即得产品。也可用阴离子交换树脂（OH-型）富集甘草酸，以4-6%氨水洗脱后，再用弱酸性阳离子交换树脂（H+）除去铵离子，可得到高纯度的甘草酸。
另外，应用阴离子交换树脂可以从动植物中和微生物发酵液中提取分离天然有机酸，如乳酸、柠檬酸等。
4）离子交换树脂法分离纯化糖类化合物
糖类化合物分子中含有许多醇羟基，只有极弱的酸性，但在中性水溶液中仍能与强碱性阴离子交换树脂（OH-型）发生离子交换作用而被吸附。但是由于许多糖类物质在强碱条件下会发生异构化和分解反应，限制了强碱性阴离子交换树脂在糖类物质分离纯化中的应用。人们根据糖中顺式邻二羟基能与硼酸形成复盐阴离子的特性，采用硼酸性阴离子交换树脂或硼酸溶液作流动相，从而使糖类物质能在阴离子交换树脂上进行分离纯化。Khym等用此法成功地分离了果糖、半乳糖和葡萄糖。同样，此法也适用于多糖的纯化。黄芪用水提取，经Pb(OAC)2沉淀除去蛋白质，加乙醇可使多种糖沉淀出来。粗多糖再溶于水，通过硼酸型DEAE-纤维素柱，以0.01mol/L硼砂溶液洗脱，再用乙醇、丙酮处理，可得黄芪多糖成分AG-1。其它黄芪多糖成分如AH-1和AH-2等也用同样的工艺进行了分离纯化。
由于多羟基化合物与钙盐、钡盐有较强的亲和力，由此发展了另一种离子交换树脂法，用于糖类化合物的分离纯化。将磺化聚苯乙烯型阳离子交换树脂转化为钙型用作固定相，可分离葡萄糖和果糖、木糖醇和山梨醇。
由以上的应用可以看出，离子交换树脂对中草药有效成分的作用主要是通过其可交换基团的离子来进行的。但是，离子交换树脂骨架的疏水作用、树脂上化学基团与被分离物质基团之间的氢键作用、偶极作用等也对分离起着重要的作用。
二、吸附树脂及其在天然产物提取分离中的应用
1、吸附树脂的种类
吸附树脂又称聚合物吸附剂，它是一类以吸附为特点，对有机物有浓缩分离作用的高分子聚合物。按照树脂的表面性质，吸附树脂一般分为非极性、中极性和极性三类。非极性吸附树脂是由偶极矩很小的单体聚合物制得的不带任何功能基的吸附树脂。典型的例子是苯乙烯-二乙烯苯体系的吸附树脂。中极性吸附树脂指含酯基的吸附树脂，如丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯与双甲基丙烯酸酯等交联的一类共聚物。极性吸附树脂是指含酰胺基、腈基、酚羟基等含氮、氧、硫极性功能基的吸附树脂。此外，有时把含氮、氧、硫等配体基团的离子交换树脂称作强极性吸附树脂，强极性吸附树脂与离子交换树脂的界限很难区别。
2、吸附作用机制及影响吸附的因素
吸附作用是指一种或多种物质分子附着在另一种物质（一般是固体）表面上的过程。吸附剂之所以能够吸附某些物质，主要是因为吸附剂的表面上的原子力场不饱和，有表面能，因而可以吸附某些分子以降低表面能。吸附是一种界面现象，吸附树脂的表面发生吸附作用后，可以使吸附树脂界面上溶质的浓度高于溶剂内溶质的浓度，其结果引起体系内放热和自由能的下降，在给定温度和压力下，吸附都是自动进行的。
吸附剂在溶液内能否吸附某种物质，与该物质在溶剂内的表面张力有关，任何能降低溶剂表面张力的溶质都能被吸附剂吸附。水的表面张力能较高，许多溶质能降低其数值，所以在溶液内能被吸附剂吸附。乙醇的表面张力远远低于水，许多溶质降低乙醇表面张力不如降低水表面张力大，故在一般情况下，溶质在水里较在乙醇里被吸附的多，在水里被吸附的物质可以在乙醇里被洗脱。
非极性吸附树脂对物质的吸附主要是通过疏水作用进行的，这是因为该类树脂的表面是聚苯乙烯的疏水性结构，在吸附过程中，溶质分子的疏水部分优先被吸附在该疏水聚合物表面，而溶质分子的亲水部分则留在水相中。研究表明，被吸附物质通常并不进入树脂的微球相，而是被吸附在微球相表面。所以吸附和洗脱的过程一般都比较快。
中极性吸附树脂由于表面亲水性部分和疏水性部分共存，因此当从水中吸附有机物时，吸附质分子的亲水部分和酯基表面之间以极性键联，而疏水部分和吸附树脂骨架之间以标准范德华力相互作用。
极性吸附树脂则主要通过它的功能基团与吸附质之间的静电相互作用和氢键等进行吸附。
在实际应用中，对于某一种树脂，应该综合考虑各种可能的作用机制，一般的吸附往往是几种机制共同作用的结果。通常情况下，影响吸附的因素有很多，不仅同树脂的物理与化学结构有关，而且同吸附质的性质、介质的性质及操作方法等诸因素有关。
1）吸附剂的结构对吸附的影响
吸附剂的结构包括物理结构和化学结构两个方面，化学结构的影响是显而易见的。树脂的物理结构包括树脂的骨架结构、比表面积、孔径、孔容等因素。在确保溶质良好扩散的条件下，吸附树脂的比表面积越大，吸附量就越大。吸附树脂的孔径是吸附质扩散的途径，吸附树脂具有合适的孔径才能对溶质进行有效的吸附。因此，控制较均匀的孔径和孔容，对吸附来说是很重要的。
2）被吸附物的结构对吸附的影响
被吸附物即吸附质，其结构、缔合作用、离解作用、极化度、在介质内的溶解度等因素都会影响吸附的进行。
3）吸附和脱附工艺操作条件的影响
吸附和脱附条件也是影响吸附树脂使用效果的重要因素，如吸附体系、溶质浓度、树脂的预处理、树脂的粒度、吸附流速与温度、脱附剂的种类、脱附温度与流速等工艺操作条件。
3、吸附树脂在天然产物提取分离中的应用
与活性炭和其它吸附剂相比，吸附树脂具有很多的优点，如对某种物质的吸附选择性较高；物理化学稳定性和机械强度较好；品种规格较多，可根据需要改变树脂物理或化学结构；吸附树脂一般为球状颗粒，流体阻力较小等等。因而被广泛应用于化工、医药等领域，近年来关于大孔吸附树脂在天然产物提取分离中的应用研究报道越来越多。

1）对黄酮类化合物的分离提取
黄酮类化合物是中草药中的重要有效化学成分，麻秀萍等研究了10种大孔吸附树脂对银杏叶黄酮的吸附性能，通过比较树脂的物理化学结构和考察树脂对银杏黄酮的吸附量、吸附速率等因素，认为AB-8树脂具有较大的吸附量，易吸附、易解吸，性能优于其它几种树脂。
2）对皂甙类化合物的分离提取
刘中秋等研究了利用大孔吸附树脂富集纯化毛冬青总皂甙的工艺，毛冬青样品液47毫升上大孔树脂柱，用蒸馏水100毫升，50%乙醇100毫升依次洗脱，毛冬青总皂甙富集于50%乙醇洗脱液部分，洗脱率达95%，干燥后总固形物中毛冬青总皂甙纯度可达57.5%。夏超等研究了不同大孔吸附树脂对复方脑脉康提取物吸附容量，发现不同类型的树脂吸附性能不同，非极性大孔吸附树脂吸附黄芪总甙时好于极性树脂。
3）对生物碱类化合物的分离提取
生物碱的分离可以用离子交换树脂，但洗脱时需要用酸、碱或盐类洗脱剂，这给后面的分离造成了麻烦，用吸附树脂可避免引入外来杂质的问题。如用AB-8树脂提取喜树碱，可直接得到含量50%左右的产品，经重结晶可以使喜树碱的含量达到90%。杨桦等用大孔吸附树脂分离提取川草乌中的总生物碱，乌头类总生物碱的提取率为85%，水溶性固体杂质的去除率为82%。以小糵碱为代表成分，侯世祥等研究了影响大孔吸附树脂吸附纯化黄连提取液的因素，结果说明，树脂的种类、提取液的浓度、提取液中盐溶液的种类和用量及外环境的温度都会不同程度地影响吸附纯化的过程和结果。
4）其它
姜换荣等研究了大孔吸附树脂分离赤芍总甙的方法，赤芍以70%的乙醇回流提取，减压浓缩，过大孔吸附树脂柱，分别用水、20%乙醇洗脱，收集20%乙醇洗脱液，减压浓缩得到赤芍总甙，收率5.4%，芍药甙含量75%。
饶品昌等研究了右归煎液用大孔树脂D1300精制的工艺，结果表明，与普通醇沉工艺（50%醇沉浓度）相比，树脂法精制所得的产品与醇沉上清液的TLC薄层在紫外灯（360nm）下斑点基本一致，并且树脂法所得干浸膏不易吸湿，贮藏方便，而醇沉精制的干浸膏较易吸湿，粘结。
邓少伟等用大孔吸附树脂分离川芎总提取物，川芎以乙醇回流提取减压浓缩，过大孔吸附树脂柱，先用水洗，再用30%乙醇洗脱，收集30%乙醇洗脱液，减压浓缩得川芎总提取物，其中川芎嗪和阿魏酸的含量约占本品的25%-29%以上，收率为0.6%。
朱洁等以含生物碱、黄酮、水溶性酚性化合物和无机矿物质4种中药有效部位的单味药材（黄连、葛根、丹参、石膏）水提液为样本，在LD605型树脂上进行动态吸附研究，比较吸附特性参数，发现除无机矿物质外，其他中药有效部位均可不同程度的被树脂吸附纯化。但不同有效部位在同一型号大孔吸附树脂上的吸附能力有差异。
吸附树脂是一类高度交联的、具有三维网状结构的高分子聚合物，不溶于任何有机溶剂，在常温下十分稳定，因此在使用过程中不会有任何物质释放出来。至于在生产过程中残留的某些杂质完全可以在使用前彻底的清洗出来，因此，应用吸附树脂提取中药有效成分是非常安全的。
综上所述，树脂吸附法在多种中草药有效成分的提取、纯化中已取得了成功，并为更广泛的应用打下了良好的基础。但是中草药的品种繁多，而吸附树脂的品种又相对较少，要满足各种中草药有效成分提取的需要，还需要针对具体用途研制新的吸附树脂，并研究相应的分离方法。在中药现代化的进程中，吸附树脂及分离技术还会不断的发展，定会在现代中药的研究与生产中发挥重要的作用。
三、聚酰胺层析法在天然产物提取分离中的应用
1、聚酰胺的种类及作用机制
聚酰胺是由酰胺类化合物聚合而成的一类高分子物质。层析用的聚酰胺主要有聚己内酰胺（锦纶）、聚六次甲基二胺己二酸盐（尼龙66）及聚乙烯吡咯烷酮型三种。自1955年发现聚酰胺对极性物质（特别是酚类物质）有吸附作用以来，目前已成为分离水溶性物质（或亲水性物质）的主要方法之一。其作用机制主要是通过分子中的酰胺基与化合物分子形成氢键缔合而产生吸附作用。酰胺键中，其羰基是氢键的受体，可以接受质子，而胺基则是氢键的给体，可以给出质子。酚类、酸类等具有给出质子基团（如羟基、羧基）的物质是与酰胺键的羰基形成氢键，而芳香硝基化合物和醌类是其接受质子的基团（硝基或醌基）与酰胺键的游离氨基形成氢键的。
聚酰胺对化合物的吸附强度主要取决于其形成氢键的能力及氢键的强度。形成氢键的能力越强，则聚酰胺对该种物质的吸附选择性越高。影响氢键强度的因素主要有：
1）形成氢键基团的数目：形成氢键基团的数目越多，吸附力越大。
2）形成氢键基团的位置：位阻较大时，不利于吸附的进行。
3）形成氢键基团给出或接受质子的能力：对于给出质子的基团来说，给出质子的能力越强，对其吸附选择性越高。如对酚类的吸附能力要高于芳香胺类。
4）分子内氢键：能形成分子内氢键的化合物，吸附能力降低。
5）溶剂介质：一般来讲，聚酰胺与各类化合物形成氢键的能力，在水中最强，在极性有机溶剂中较弱，在碱性溶剂中最弱。
2、聚酰胺层析法在天然产物提取分离中的应用
聚酰胺层析法应用极为广泛，可被用于分离黄酮类、酸类、酚类、鞣质、蒽醌等天然产物。
1）黄酮类化合物的分离
由于黄酮类化合物具有两个以上芳香核，且大多数化合物具有游离酚羟基，因此能够被吸附在聚酰胺柱上。由于甙元的吸附力比甙强，一般甙在水或稀醇液洗脱时即可洗下，而甙元则需较浓的醇液才能洗脱下来。
2）酸类及酚类化合物的分离
聚酰胺对脂肪族一元酸的吸附力较小，而对芳香族酸类及脂肪族多元酸的吸附能力较大，分离效果较好。酚类物质用聚酰胺层析分离效果更好。如郭信芳等用聚酰胺柱层析分离了厚朴酚及和厚朴酚，并得到了单体。
3）鞣质的分离和去除
鞣质是一类多酚性物质，很容易吸附在聚酰胺树脂柱上。低分子鞣质的吸附是可逆的，可采用适当的溶剂洗脱而得到分离。高分子鞣质的吸附是不可逆的，吸附后很难洗脱。而无论低分子或高分子鞣质，它们与聚酰胺的吸附比其它的化合物都强，因此可用聚酰胺除去鞣质。樊志顺等研究了用聚酰胺吸附法去除复方丹参注射液中的鞣质，结果表明，聚酰胺吸附法除鞣质作用强，澄明度比水醇法要好，但有效成分损失较大。
4）蒽醌类化合物的分离
夏之宁等用聚酰胺柱提取了大黄中的主要活性成分-蒽醌甙类化合物，将所得提取物与经过铅盐沉淀法的提取物对照，谱图基本一致。
聚酰胺柱层析法在天然产物的提取分离中发挥了较大的作用。但在实际应用中，常常存在流速较慢和混入低分子杂质（酰胺的低聚物等）的问题。通常情况下，流速问题可以通过预先过筛除去细粉或与硅藻土混合制粒予以克服；而低分子物质的干扰，可在装柱时用5%甲醇或10%盐酸预洗除去。曾有人介绍将聚酰胺用浓盐酸溶解，然后逐渐加入甲醇、甲醇-水（1:1-3:7）稀释，使其在硅藻土颗粒上析出成型，这样制得的聚酰胺颗粒能克服上述缺点，性能较好。
天然产物的化学成分极其复杂，要想得到具有确定含量和确定成分的提取物，是一项具有挑战性的工作。在实际的研究中，任何一种方法都有其应用价值，但是任何一种方法都不可能完全替代其它的方法，往往需要多种方法的联合使用才可以得到较满意的结果。葛永潮等人组合使用了聚酰胺、反相大孔树脂、硅胶及葡聚糖凝胶四种柱层析技术，成功地从大花红景天醇提取物里制备出克级水平的红景天甙产品。
在中药现代化的进程中，研究各种中药的具体药用成分并将其以较高的纯度分离提取出来，成为一项重要的工作，这样，新型分离方法的研究刻不容缓。而高分子吸附剂作为一种新型的柱层析色谱填料，以其使用方便、种类繁多、吸附专一性好等优良的性能赢得了越来越多的关注，将其应用到中草药有成分分离提取中去，必将发挥极大的作用。