（化学工程专业论文）栀子黄、栀子甙提纯的研究.pdf

浙江t 业人学硕l j 学位论文摘要 摘要 栀子黄和栀子甙存在于植物栀子的成熟果实，在食品加工业、饮料制造业、 饲料工业及医药工业方面都有着广泛的应用。目前，栀子黄的生产工艺复杂，产 品的得率和色价低，而栀子甙一般随废液直接排放，造成了资源的浪费。 本文以栀予果实为原料研究了栀予黄、栀子甙浸取和提纯的分离过程，通过 对栀子黄浸取因素的研究，得到较为合适的浸取剂、浸取温度、浸取方式。实验 结果表明较合适的浸取条件是：以5 0 乙醇水溶液( v v ) 作浸取剂、在常温下浸 泡栀子粉末、浸取时间为2 4 小时、液固比为1 4 ：l 。 采用大孔吸附树脂柱层析分离天色产物栀子黄，有目的地筛选了一些吸附树 脂用于分离栀子黄，通过对各种树脂的静态单位体积吸附量和选择性的研究，选 择n k a 大孔吸附树脂作为分离栀子黄的吸附剂。以n k a 大孔吸附树脂为研究对象， 探讨了树脂对栀子黄的静态吸附速度和吸附曲线、乙醇浓度对树脂吸附的影响、 不同浓度和流速下的动态穿透曲线，得到n k a 吸附桅子黄较为合适的条件。研究 了吸附后吸附柱的杂质洗脱和产品洗脱问题，发现经过去离子水、稀碱液、稀乙 醇洗杂质后再用8 5 乙醇水溶液( 1 1 1 m ) 洗脱得到的栀子黄洗脱液，干燥后得到色 价大于4 2 0 的栀子黄产品。同时还对n k a 树脂的应用稳定性进行了研究，发现 n k a 树脂应用1 0 次后，性能没有明显的降低。 研究了1 3 0 0 大孔吸附树脂对天色产物栀子甙的柱层析分离效果，探讨了 1 3 0 0 树脂对栀子甙的静态吸附速度和吸附曲线、p h 值对树脂吸附的影响、不同 流速下的动态穿透曲线，得到1 3 0 0 树脂吸附栀子甙较为合适的条件。研究了吸 附后吸附柱的杂质洗脱和产品洗脱问题，发现经过少量去离子水、稀乙醇洗杂质 后再用8 5 乙醇水溶液( m m ) 洗脱得到的栀子甙纯度较高。最后得到的产品中栀 予甙含量大于7 5 。 关键词：栀子黄，栀子甙，大孔吸附树脂 a b s t r a c t c r o c i na n dg e n i p o s j d ec o n s i s tj nt h em a t u r ef m j to f g a r d e n i a ，h a v j n gg o tt h e e x t e n s i v e 印p l i c a t i o ni nf o o dp r o c e s s i n gi n 血i s t r y ，b e v e r a g em a n u f k t u r i n gi n d u s t r y a n i m a lf e e di n d u s t r ya n dm e d i c i n ei n d u s t r y a tp r e s e m ，t h ep r o d u c t i o nt e c l l l l o l o g vo f c m c i ni sc o m p l e xw i mt h el o wy i e l da 1 1 dt h el o w c o l o r i t y u s u a l l yt h eg e n i p o s i d ei s g e n e m l t ob ee x h a u s t e dd i r e c t l yw i t ht h ew a s t e1 i q u i d ，l e a d i n gt ot h er e s o u r c e sw a s t e d t h i sp a p e rs t u d i e de v e r yk i n do ff a c t o r st h a ta f f e c t st h ey i e l do fe x t r a c t i o no f c m c i n ，g e t t i n gb e t t e ri e a c h i n ga g e n t ，i e a c h i n gt e m p e r a t u r ea n di e a c h i n gm e t h o d t h e e x p e r i m e m a lr e s u l t ss h o wt h a tb e t t e rl e a c h i n gc o n d m o n sa r et h a tt h el e a c h i n ga g e n ti s 5 0 e t h a n o la q u e o u ss 0 1 u t i o n ( v v ) u n d e rt h er o o mt e m p e r a t u r e ，1 e a c h i n gt i m ei s2 4 h o u r s t h er a t i oo f g a f d e n i a t oa g e n t i s1 4 ：1 i nt h i sp a p e r ，t h es e p a r a t i o nr e s u l to ft h ec m c i n 、v i t lm a c r o p o m u sa d s o r p t i o n r e s i n sb yc 0 1 u m nc h r o m a t o g r a p h yw a ss t u d i e d s o m ea d s o r p t i o nr e s i n sw e r ec h o s e n f o rt h ep u r p o s eo fs e p a r a t i n gc m c i n b y 山ee x p e r i m e n t so nt h es t a t i cu n i tv o l u m e a d s o r p t i o nc a p a c i t ya 1 1 dt h es e l e c t i v “yo fe v e r yk i n do fr e s i n sf o rc r o c i n ，n k a m a c r o p o r ea d s o r p t i o nr e s i nw a sc h o s e na st 1 1 ea d s o r b e mo ft h ec m c i n r e g a r d i n g n k a m a c r o p o r o u sa d s o r p t i o nr e s i na sm er e s e a r c ho b i e c t ，t h ee x p e r i m e n t so nt h e s t a t i ca d s o r p t i o nr a t eo ft h er e s i nf o rc r o c i n ，t h ea d s o r p t i o nc u r v eo ft h er e s i nf o r c r o c i n ，e f r e c to fe t h a n o lc o n c e n t r a t i o no nt h eb e h a v i o ro ft h er e s i na d s o r p t i o n ，t h e d y n a m i cl e a k i n gc u r v eu n d e rt h ed i f 诧r e n tc o n c e n t r a t i o n ，t h ed y n a m i cl e a k i n gc u r v e u n d e rt h ed i f 托r e n tn o wm t ew e r em a d ea n db e t t e rc o n d i t i o n so fn k aa b s o r b i n g c r o c i nw e r eg o t a n e rs t u d y i n gm ew a s ho ft h ei m p u r i t ya n dt h e p r o d u c t o n a d s o r p t i o nc o l u m n ，i tw a sf o u n dt h a t a n e rw a s h i n gt h ea d s o r p t i o nc o l u m nb y d e i o n i z e dw a t e r ，s p a r s ea i k a hl i q u o r ，s p a r s ee t i l a n o i a i l d ，a r l dt h e nc r o c i nw a se l u t e d b y8 5 e t 王1 a 1 1 0 la q u e o u ss o 】u t i o n ( 州m ) ，t h ec r o c i ns o l u t i o nw a sv e r yh i 曲e a s yt o b ed r i e d ，a 舭rd r y i n g ，t h ec o l o r i t yo fc m c i ni sm o r et 1 1 a n4 2 0 a ni n v e s t i g a t i o no f s t a b i l i t vi n d i c a t e dt h a ta f t e ra d s o r p t i o na n dd e s o r p t i o nf o rt e nt i m e s ，t h es t a b i l i t yo f n k ar e s i nw a ss t i l le x c e l l e m i nt h i s p a p e r ，t h es e p a m t i o n r e s 谢to f g e n i p o s 撼e w i t h13 0 0m a c r o p o m u s a d s o r p t i o nr e s i n sb yc 0 1 u mc h m m a t o g r a p h yw a ss t u d i e d ，t l l r o u 曲t 1 1 ee x p e r i m e n t s o n 出es t a t i ca d s o r p t i o nr a t eo ft h e13 0 0r e s i nf o rg e n i p o s i d e ，m ea d s o r p t i o nc u n ，eo f t h e13 0 0r e s i nf o rg e n i p o s i d e ，t 1 1 eb e i l a v i o ro ft h er e s i na d s o r p t i o ni nd i f 艳r e mp ha 1 1 d t h ed y n a m i cl e a k i n gc u r v eu n d e rt h ed i f 艳r e mn o wr a t e ，b e t t e rc o n d i t i o n so f13 0 0 r e s i na b s o r b i n gg e n i p o s i d ew e r eg o t a r e rs t u d y i n gt h ew a s ho f t h ei m p u r i t ya n dt h e p r o d u c t o na d s o r p t i o nc 0 1 u m n ，i tw a sf o u n dt h a ta f t e rw a s h i n g 也ea d s o r p t i o n c 0 1 u m nb yal m l ed e i o n i z e dw a t e ra 1 1 ds p a r s ee t h a l l 0 1 a 1 1 d ，a n dt l l e ng c n i p o s i d ew a s e i u t e db y8 5 e m a n o ia q u e o u ss o i u t i o n ( m m ) a 硪e rd r y i n gg e n i p o s i d es o l u t i o n ， t 1 1 ep u r i t yo f g e n i p o s i d ei sm o r e m a n7 5 k e yw o r d s ： c r o c i n ，g e n i p o s i d e ，m a c r o p o r o u sa d s o r p t i o n r e s i n i i 浙江丁业人学顾十学位论文 n u i 刖品 自从1 8 5 6 年英国人w h p e r k i a s 发明了合成染料苯胺紫以来，系列化学合 成色素相继问世。这些人工合成色素凭其着色力强、色彩鲜艳、稳定性较好、 成本低廉等优点占领了色素市场的统治地位。 但是近年来随着食品毒理学的发展和化学分析技术的进步，人们逐渐认识 到人工合成色素不但毫无营养可言，而且不少品种会损害人体健康，甚至有致 癌、致畸、致突变的可能性，于是许多合成色素被限制使用甚至被禁用。另一 方面，天然色素不仅安全性较好，而且大多具有一定的营养价值和保健作用。 所以天然色素取代合成色素已是必然趋势。目前，美国食品中除d 胡萝h 素 外，全部采用天然色素；日本食品中只有1 0 使用合成色素。 栀子黄色素是从栀子果实中提取出来的一类着色力强的天然水溶性类胡萝 h 素，是国内外市场需求量占第二位的天然色素，广泛应用于食品、化妆品、 药品等行业。栀子黄色素作为染料在我国民间应用已久，但对其系统研究却始 于6 0 年代，目前，我国的研究主要集中在栀子黄色素的一般性质的研究上，对 于栀子黄色素精制的研究则相对较少。 我国是世界上产栀子最多的国家，也是最早利用栀子果实的民族。但是现 在我国栀子黄色素的生产技术水平较低，一是产品的o d 值常常高达2 3 以 上，无法满足国际上对栀子黄的0 d 值要求，二是从栀子成熟果实中提取栀子黄 的得率较低，目前得率一般在1 0 左右( 按6 0 色价计) ，而栀子中栀子黄色素的 含量一般可达1 5 以上。因此通过改进浸取和分离的工艺，使栀子黄的质量和 得率得到明显的提高，对于提高产品的经济附加值具有重要的意义。 栀子果实中还含有5 以上的栀子甙，因此，栀子黄提取后的余液中还含 有大量的栀子甙。而栀子甙经过微生物发酵、精制去杂可以得到栀子蓝、栀子 红、栀子绿等天然栀子色素，其产品色泽鲜亮、透明、水溶性好，能单独使用 或调配成其它色调。目前，我国工业上应用的栀子黄提取工艺，把栀子黄提取 后余液作为废液排掉，造成了资源浪费和环境污染。 所以改进栀子黄的生产工艺，降低栀子黄产品的o d 值、提高得率，利用废 浙江t 业大学硕j j 学位论文口u i 液提取栀子甙作为生产栀子蓝等色素的原料已成为急待解决的课题。 精制栀子黄与栀子甙的方法比较多，但只有大孔吸附树脂法在日本有工业 化的报道，且达到很好的精制效果。 本文主要进行大孔吸附树脂精制栀子黄和栀子甙的柱层析分离研究，为工 业化生产的设计提供数据。 浙江r 业大学硕卜学位论文第一夺 文献综述 第一章文献综述 1 1 中草药有效成分的提取、分离方法 中草药的化学成分非常复杂，所以要想应用和研究其中所含的有效成分，必 须将它从植物中提取、分离出来，对天然产物进行提取分离的过程，就是去其糟 粕、取其精华的过程。 1 1 1 中草药常用提取方法 提取就是用适当的方法将天然植物中的化学成分抽提出来，天然产物品种繁 多，有效成分各不相同，伴随的物质也不相同，因此不可能有千篇律的提取方 法。要对具体情况作具体分析，灵活运用，一般的提取方法有如下几种。 1 、水提取法 水是一种价廉、易得、使用安全、对天然植物细胞穿透力强的强极性溶剂。 天然产物中的亲水性成分，如生物碱盐类、甙类、氨基酸、蛋白质、鞣质、分子 不太大的多糖类、单糖、寡糖类、有机酸盐、无机盐等都能被水提取出来。 水提取法可分为冷水、热水、酸水和碱水提取法。一般说来，冷水提取的杂 质较少，提取时间较长，热水提取效率较高，但杂质较多；酸水提取，可使游离 生物碱和酸生成盐类而增加其溶出量；碱水提取可使有机酸、黄酮、蒽醌、内酯 以及其它酚性成分溶出量增加。 2 、有机溶剂提取法 有机溶剂根据其极性分为两大类： ( 1 ) 亲水性有机溶剂：一般是指极性大、能与水互混的有机溶剂，如乙醇、甲醇、 丙酮等，但以乙醇最常用。乙醇的溶解性能比较好，对天然植物细胞的穿透能力 也比较强，亲水的成分除蛋白质、粘液质、树胶、淀粉等外，大多能在乙醇中溶 解。难溶于水的亲脂性成分( 如游离生物碱、挥发油、树脂、叶绿素、内酯等) 在乙醇中溶解度也较大。另外，不同性质的成分，可溶于不同浓度的乙醇。乙醇 浓度越大，则溶解亲脂性成分越多；乙醇浓度越小溶解亲水性成分越多。用乙醇 浙江工业大学硕f ：学位论文第一章文献综述 作提取剂有以下的优点：用量较小，且大部分可以回收再利用。提取液不易 霉变。价廉、毒性小、来源方便。提取时间短、溶出杂质少。缺点是易于燃 烧。 ( 2 ) 亲脂性有机溶剂：一般指与水不互混的有机溶剂，如石油醚、苯、乙醚、氯 仿、乙酸乙酯等。这些溶剂用于提取时的优点是：选择能力强，提出的亲脂性成 分较纯。缺点是一般有毒、价格较贵、提取设备要求高，而且穿透能力也比较弱， 需要较长的时间浸泡。 选择提取剂时，根据相似相溶的原理：亲水性成分用亲水性溶剂提取，亲脂 性成分用亲脂性溶剂提取。但有时为了减少杂质的溶出，亲水性成分提取时加入 一定量的亲脂性有机溶剂，亲脂性成分提出时加入一定量的亲水性有机溶剂。 3 、水蒸气蒸馏法 水蒸气蒸馏法适用于能随水蒸气蒸馏而不被分解的中草药成分的提取。此类 成分的沸点多在1 0 0 以上，与水不相混溶，且在约1 0 0 时有一定的蒸气压。 当与水一起加热时，其蒸气压和水的蒸气压总和为一下大气压时，液体就开始沸 腾，水蒸气将挥发性物质一并带出。例如中草药中的挥发油，某些小分子生物碱 如麻黄碱、以及某些小分子的酚性物质如牡丹酚等，都可应用此法提取。 4 、升华法 某些固体物质在低于其熔点的温度下加热，不经过中间液体阶段，直接转化 为蒸气，称之为升华。天然产物中有一些成分具有升华性质，可以采用升华法直 接从原料中提取出来。例如樟木中升华的樟脑、茶叶中的咖啡碱。 1 1 2 中草药有效成分常用分离方法 天然产物的化学成分非常复杂，用任何一种提取方法所得到的提耿物，仍包 含有几种或更多性质相似的化合物，所以提取只是为了进一步的分离、精制提供 原料。分离就是把提取液中所含的各种成分一分开，最后得到单体。常用的分 离方法有以下几种。 l 、溶剂分离法 溶剂分离法是利用中草药化学成分，在不同极性溶剂中溶解度的不同进行分 浙江t 业火学硕i 学位论义第一章文献综述 离纯化，是最常用的方法。一般是将总提取物，选用三、四种不同极性的溶剂， 由低极性到赢极性进行提取分离，使总提取物中各组成成分，依其在不同极性溶 剂中溶解度的差异而得到分离。例如粉防已乙醇浸膏，碱化后可利用乙醚溶出脂 溶性生物碱，再以冷苯处理溶出粉防已碱，与其结构类似的防已诺林碱比前者少 一甲基而有一酚羟基，不溶于冷苯而得以分离。 2 、吸附法 吸附法分两种情况：一种是吸附杂质，另一种是吸附有效成分，所用吸附剂 有氧化铝、硅胶、氧化镁、酸性白土、活性炭等。 在分离纯化皂甙时，醇提得到粗皂甙，往往含糖、鞣质、色素等杂质，这些 杂质可被氧化镁吸附，因此在纯化时可在粗皂甙的浓乙醇溶液中加入氧化镁搅 拌。6 0 以下烘干，磨碎，在索氏提取器中用甲醇或乙醇抽提，即可得较纯的皂 甙。 吸附法所用吸附剂多为无机吸附剂，且吸附原理为简单的选择吸附，近年来 离子交换树脂和大孔吸附树脂也开始广泛应用于天然产物的分离。 3 、沉淀法 最常用的是铅盐法。可以用于除去杂质，也可用于沉淀有效成份。 铅盐法的原理，是利用中性醋酸铅在水或稀醇溶液中能与许多物质生成难溶 的铅盐或络盐，而用于分离植物成分。中性醋酸铅可以与酸性物质结合成不溶性 铅盐。因此可以沉淀有机酸、蛋白质、氨基酸、粘液质、鞣质、酸性皂甙、部分 黄酮甙和花青甙等。 4 、分馏法 在分离毒芹总碱中的毒芹碱和羟基毒芹碱时，前者沸点1 6 6 1 6 7 ，后者为 2 2 6 ，彼此相差较远，可利用沸点不同进行分馏，又如一种植物a n a b a s i s a p h y l l al 中的总生物碱的含量约有2 3 ，其中高沸点成份( 2 0 0 ) 占1 5 ， 低沸点成份( 1 3 0 一1 4 0 ) 占8 5 ，而后者主要成份为新烟碱( a n a b s i n e ) ，就能 用分馏法分离r 3 。 5 、制备衍生物法 浙江t 业人学硕卜学位论文第一章文献综述 有时要分离原来的化合物有困难，可制成衍生物。生物碱常常通过成盐而达 到分离，制备生物碱的盐时，无机酸、有机酸都可以用。如果仲胺碱和叔胺碱在 一起，可将仲胺碱制成亚硝基或乙酰基衍生物，借以与叔胺碱分开。 6 、盐析法 水溶液加无机盐饱和时，可使有些物质溶解度降低，甚至成为沉淀析出，这 种性质可用于分离纯化，如从滇三七中分离三七皂甙，三七粉先用戊醇提取，得 到三七皂甙甲，药液再用9 5 酒精提取，酒精提取液蒸干后加水溶解，滤去不溶 物，加硫酸镁饱和，粗制三七皂甙即析出”1 。 浙江工业大学顺| ：学位论文第一带义献综述 1 2 吸附树脂的应用原理。 吸附树脂又称高分子吸附剂，它是一类以吸附为特点，对有机物具有浓缩、 分离作用的高分子聚合物。在化学结构上有些不带任何功能基，有些则带有不同 极性的功能基。 按照树脂的表面性质，吸附树脂一般分为非极性和中等极性、极性三类。非 极性吸附树脂是由偶极矩很小的单体聚合制得的不带任何功能基的吸附树脂，典 型的例子是苯乙烯一二乙烯苯体系的吸附树脂。这类树脂表面的疏水性较强，可 通过与小分子内的疏水部分的相互作用吸附溶液中的有机物，因此适用于由极性 溶剂中吸附非极性物质。中极性吸附剂系含酯基的吸附树脂，例如丙烯酸酯或甲 基丙烯酸酯与双甲基丙烯酸乙二醇酯等交联的一类共聚物，其表面疏水性部分和 亲水性部分共存，因此既可以用于极性溶剂中吸附非极性物质，又可以用于非极 性溶剂中吸附极性物质。极性吸附树脂是指含酰胺类、腈基等含氮、氧、硫等极 性功能基的吸附树脂，它们是通过静电相互作用和氢键等进行吸附，适用于由非 极性溶剂中吸附极性物质。 1 2 1 树脂的吸附作用 吸附作用是一种分子较小的物质附着在另一种物质表面上的过程，按其作用 力的基本差别，可以分为物理吸附和化学吸附。物理吸附的作用力属于范德华力， 吸附时放热少，只要有一定表面活性就可吸附，化学吸附属于库仑力，两者有本 质区别，但有时也难严格划分，有的兼有两种作用，两种吸附比较见表1 1 。 表】1物理吸附与化学吸附的特点 物理吸附化学吸附 吸附力范德华力化学键力 吸附热较小，近于液化热 较大，近于反应热 选择性 无选择性有选择性 分子层单分子层或多分子层 单分子层 吸附速度较快，不需活化能较慢，需活化能 吸附温度温度低有利吸附 适当温度 1 2 2 吸附的五种类型 各种吸附剂的吸附等温线基本上可分为五种类型，如图l 一2 。 浙江1 二业大学硕| ：学位论文第一章文献综述 1 种为朗格缪尔( l a l l g m u i r ) 型吸附，接近于单分子层吸附，如低温下0 2 、 日唧 蚕 i i i 浓度 v 浓度 i i ： 窿 螫 浓度 浓度 图1 2五种等温吸附曲线 n 2 在活性炭或s i 0 2 上的吸附。 第1 i 、第1 1 1 种为b e t 型吸附，如n 2 在无机硅的吸附属第1 i ，b r 2 在s i 0 2 上 的吸附属第1 1 1 种。 第、v 是伴随着毛细管凝结的多分子层吸附。如在5 0 下苯在f e 2 0 3 上的 吸附属于第种，1 0 0 下水蒸汽在活性炭上的吸附属于第v 。 曲线的形状反映吸附的难易，低压或低浓度下曲线向下弯，如i 、i i 、的 初始阶段表示分子容易被吸附，如不易被吸附则向上弯，如i i i 、v 。压力或浓度 增大衄线往上斜如i v ，表示吸附由单分子层开始向多分子层进行”。 不同吸附树脂与不同吸附质之间的吸附也是多种多样的。但只有i i 、i i i 型 b e t 吸附属于物理吸附，其它都涉及化学吸附。 浙江t 业人学硕士学位论文笫一章文献综述 1 2 3 吸附的作用力 吸附作用最根本的因素是吸附质与吸附剂之问的作用力，也就是所谓范德华 力，这种力与离子交换剂以所带功能基的阴、阳离子与体系中所接触的阳、阴离 子相吸引的库仑力是有所不同的。 吸附树脂对物质的吸附可分为以下几种。 1 、氢键力氢键力是一种介于库仑力与范德华力之问的特殊定向力，比诱导力、 色散力都大。两种物质之间如果能产生氢键，就能很好吸附，所以在树脂结构设 计中，应尽量创造氢键力产生条件，选择使用能产生氢键的体系，即树脂功能基 与吸附质之间氢键力越大，对吸附越有利。 在分子结构中，当h 原子与电负性较强的f 、0 、n 等原子构成共价键时，电 子对偏离中心，h 原子显正电性，所以有富裕的正电荷能吸到另外一个电负性较 强的f 、o 、n 等原子，形成一种有一定方向的作用，叫氢键力。它是特殊的定向 力，也属于范德华力，其作用形式如下： r 上式可以用x ：h y 表示，显然x 、y 两种原子电负性越大，半径越小， 氢键就越能形成，作用力就越大，愈有利于吸附。f 、o 、n 等三种原子所形成的 氢键作用力大小如下： f _ 一h 一f 0 h 一0 o h 。n n h 一o n h - n n 三c 。n 2 、定向力带极性功能基分子之间的吸引力。不同分子之间的偶极矩使产生静 电作用，其数量可用e k 表示： 矿h 矿h 矿幔llr矿il _ 。小 矿廿 扩o 分o 卜 卜 浙江t 业人学硕：i 学位论文第一章文献综述 乓= 一獬 式中一为吸附剂功能基偶极矩( 德拜d ) ；“为吸附质分予偶极矩( 德拜d ) ；r 为两种物质分子间距离( m ) ；k 为波兹曼常数( j k ) ；t 为绝对温度( k ) 。 从上式看出分子极性愈大，“愈大，作用力越大；分子支键使r 增大，不利 于吸附；偶极矩与分子对称性及取代基位置等结构因素有关：吸附作用力与绝对 温度成反比。 3 、诱导力极性分子与非极性分子之阳_ l 的吸引力属于诱导力。极性分子产生的 极化作用结果使非极性分子极化产生诱导力偶极矩，然后两者之间相互吸引，引 起吸附。当偶极矩大，极化率大，两者距离小及分子体积小时诱导力增强。 黝= 一等 式中a 为分子极化度 4 、色散力非极性分子之间的引力属于色散力。当分子由外围电子运动及原子 核在零点附近振动，正负电中心出现瞬时相对位置变化时，就产生快速变化的瞬 时偶极矩。反过来，被极化的分子又影响瞬时偶极矩的变化，这样产生的吸引力 叫色散力。 扩一等 式中l u 为电离或有关数量。 1 2 4 不同树脂的吸附情况 各种类型的吸附树脂对不同体系中不同吸附质的吸附情况很不相同。带芳基 的非极性吸附树脂，如d 型树脂，对水中极性分子的吸附可示意如图卜3 。反之， 如果由非极性溶剂吸附，如甲苯中吸附极性物质，则情况相反，如图卜4 。 浙江t 业人学硕i ：学位论文第一章义献综述 极性树脂对于水中极性分子的吸附，则吸附质排列杂乱无章，如图1 5 图1 3d 型树脂对水中极性 有机物的吸附 水 图1 5 极性树脂对水中极性有 机物的吸附 甲苯 图1 4d 型树脂对甲苯中极性 有机物的吸附 1 2 5 树脂结构对吸附的影响 一、树脂骨架结构 树脂链节单元性质对树脂性能表现在实际应用上有很大影响。一般树脂骨架 多属聚苯乙烯型，少数是聚丙烯酸型及酚醛缩聚物，其中以苯乙烯型稳定性最高， 应用最广；聚丙烯酸型弱酸树脂交换量较大，再生效率较高；酚醛型是早期常用 的树脂，耐热、酸、碱稳定性者差，现在多半用于脱色及环境保护。在天然产物、 生化物质分离分析、环境保护、医疗卫生、食品工业、水处理、分析仪表上常用 的吸附树脂多半属于聚苯乙烯型。它最适用于分子体积较大、非极性或微极性物 质的吸附分离、提纯净化：聚丙烯酸型吸附树脂，一般是带酯基或酰胺基，属微 极性，最适用于微极性物质的分离提纯，在生化分离上，具有较好的相容性。 1 、链结构严格说来，树脂的主链多半是c c 链，仅有少数如氨基苯酚甲醛缩 聚型及带醚链、酯链等构成杂链树脂，但这类杂链树脂的吸附性能很特殊。特别 l l 黟垮 一t 一 、谢菊 浙江1 二业人学顿l 学位论文箱一帚文献综述 是应用于脱色及生化方面，效果很好，例如d u o l i t e 、e s 3 3 、s 一3 0 、w o f a te 、 a s m i t 等都是很好的脱色树脂。 2 、交联剂交联剂对树脂性能影响的关键在于控制孔径、比表面、孔容等。 对于分子较大的吸附质应该使用较低的交联剂含量，但低交联剂树脂容易缩孔， 处理中应特别注意温度影响，一般都不能烘干，只能用溶剂如甲醇、丙酮等替换 致孔荆。 苯乙烯常用的交联剂是二乙烯苯，但它的分子长度不够，造成空间结构很不 均匀，聚苯乙烯部分很长，交联部分很短，成了长方形，对应用不利，有人提出 使用分子较长的对二乙烯联苯等，但还没能普遍使用，带酯基的树脂对生化分离 提纯及水中微极性或极性的物质吸附效果很好，最好是用丙烯酸或甲基丙烯酸多 元醇酯交联。 3 、功能基链节单元所带功能基的差别是树脂分类的依据，在吸附中起重要作 用，在吸附作用力e 的计算中都与偶极矩成正比，如果把带苯环的聚苯乙烯树脂 的偶极矩看作o 3 d ( 德拜) ，则带酯基的丙烯酸酯类可以当作1 8 ，而带腈( 一 c n ) 是3 9 ；带吡啶基为4 3 。这些极性的提高对吸附很有帮助，特别是由非极 性体系中吸附极性物质。 在聚苯乙烯树脂中引入硝基可以提高吸附能力，对水中苯酚、苄醇、甲苯、 甲醇、乙醇及1 一甲基呋喃醇一2 的吸附都有显著的提高。在苯乙烯的苯环上引 入卤素、氯甲基或烷基对于水中油类的吸附能力更强。带一n o 。基和氨基树脂对 水中苯甲酸及十二碳磺酸都有更好的吸附能力。 功能基的选定是根据分离对象的分子离解性质、极性程度及体积大小选择 的，大体上可从离子交换和吸附两方面考虑。离子交换是从阴阳离子之间的库仑 力出发，而吸附则根据氢键、诱导力、定向力及色散力等，是以范德华力为基础。 二、树脂空间结构对吸附的影响 1 、孔径吸附和交换是在每个颗粒树脂整个内部活性尖端所构成的表面上进行 的。无论液体或气体中的分子与固体表面的吸附，过程的第一步都是吸附质从溶 液或气相通过扩散进入颞粒内部，进而发生碰撞引起吸附，显然，颗粒内孔径大 小及其分布会直接影响扩散速度。 树脂内部孑l 径是吸附质扩散的路径，是吸附进行的基本条件，在吸附作用力 浙江t 业大学硕上学位论文第一章文献综述 的司算中都是与分子问距离r 6 成反比，孔径太小，则r 以六次方增大，e 极小， 吸附不能进行。凝胶型树脂之所以不如多孔树脂就是因为不能提供永久性孔径， 吸附树脂孑l 径与吸附质分子之比应以2 6 ：1 为宜，孔径太大，浪费空间。 气体在微孔中的扩散属于k n u d s 。n 扩散，扩散系数( d 。) 与孔径( d ) 的关 系如下式： d f k d k 是常数，当孔径大到一定程度后，则孔中的扩散趋于通常气体的扩散，扩 散速度与孑l 径无关。液体在固体微孔内的扩散比气体更复杂，但大致相似，当吸 附剂的孔径很小时，分子的扩散受阻碍，速度很小，吸附过程的控制步骤是扩散 过程，适当增大孔径，则扩散速度增大，既有利于达到吸附平衡，也有利于达到 解吸平衡，但当孔径大到一定程度后，扩散速度不再是吸附过程的控制步骤，增 大孔径，则浪费空间同时也降低比表面，致使体积吸附量的降低，因此孔径设计 的原则是在保证适当扩散速度的前提下，孔径应尽可能地小，以获得最大的内表 面。 3 、比表面在保证良好的扩散条件下，吸附树脂的内表面愈大吸附量愈 高，特别对分子较小的吸附质更为显著，与小分子相反，分子很大的化学纤维的 吸附则随比表面的增大而减小。 浙江t 业人学颁1 学位论文第一章文献综述 1 3 大子l 吸附树脂在天然产物有效成分分离中的应用 随着生化药物不断涌现，大孔吸附树脂在蛋白质、肽、氨基酸、酶等生物活 性物质的分离中的应用日益成熟，其优点在于树脂提取酶、氨基酸等时，操作方 便，可避有机溶剂带来的环保、成本昂贵等问题，以及加热、化学处理过程造成 生物活性降低。 1 3 1 在抗生素分离、提纯上的应用 在发酵液中，抗生素的浓度很低，可以利用大孔吸附树脂进行浓缩与纯化。 大孔吸附树脂的非离子型的多孔骨架性质与天然吸附剂活性碳相似，但由于吸附 树脂可与抗生素分子以多种键型发生吸附作用，除静电作用外，抗生素与树脂骨 架间的疏水作用、抗生素分子中极性基团与树脂上化学基团的氢键或偶极键作用 等。所以在选择性方面比活性碳优越。另外抗生素分予体积较大，大i l 吸附树脂 有利于大分子的扩散和吸附，有较大的吸附量。 大孔吸附树脂不仅可以吸附脂溶性抗生素，也可以吸附水溶性抗生素。水溶 性抗生素。例如用h p 一2 0 吸附安沙类抗生素，用甲醇和丙酮洗脱得到抗癌活性很 高的粗药剂，用x a d 一8 吸附聚醚类抗生素、用w 3 0 吸附先锋霉素。 大孔吸附树脂对部分抗生素的吸附应用技术已趋于成熟，例如h 型树脂对青 霉素的吸附、w 3 0 对先锋霉素的吸附。其优点是树脂的选择性强、再生容易、操 作方便、产品灰分少。 1 3 2 在维生素的提取和纯化上的应用陆1 发酵法生产b 1 2 原来沿用溶剂法，对蛋白质去除不彻底，消耗大量溶剂而且 污染环境，改用a m b e r l i t ex a d 一2 从发酵液中提取，产品质量得到改善，维生素 b 1 2 用x a d 一1 1 8 0 大孔吸附树脂吸附，以水洗涤树脂柱后，用o 1 m 0 1 l 氢氧化钠 洗脱，可分除异构产物，得到纯度很高的维生素b 1 2 。也有报道可用大孔吸附树 脂吸附维生素c 及拟维生素p 。 1 3 3 中草药有效成分提取中的应用 大孔吸附树脂在中草药有效成分提取中有着广泛的应用前景，尤其在水溶性 成分的分离中显示出越来越重要的作用。例如从喜树果粉中提取喜树碱”1 、从甜 浙江t 业大学硕l ：学位论文第一章文献综述 叶菊干中提取甜味菊甙、从甜菊叶中提取叶绿素铜、从绞股蓝中提取绞股 蓝皂甙嘲、从薄盖灵芝中提取尿嘧啶和尿嘧啶核甙0 3 、提取赤芍总甙1 、白芍 总甙2 、萝i 红色素n 3 1 、银杏黄酮和内酯“、刺人参甙53 、红参须根中多肽 成分“等。 1 3 4 在氨基酸的分离提取中的应用 氨基酸是一种含有氨基和羧基的两性化合物，在不同p h 条件下能以阴、阳 或两性离子的形式存在，天然氨基酸主要来源于蛋白质水解液或微生物发酵液， 随其来源不同，体系中氨基酸的含量与伴生杂质的类型也有所区别，因此提取分 离工艺也不尽相同。 带苯环及带酯基的吸附树脂都能吸附氨基酸，但选择性顺序不同，带酯基的 x a d 7 树脂，其吸附能力l 一丙氨酸 l 一苯丙氨酸 l 丝氨酸 l 一白氨酸 l 一谷 氨酸 l 一缬氨酸。带苯环的x a d 一4 树脂，其吸附能力l 一谷氨酸 l 一白氨酸 l 缬氨酸 l 苯丙氨酸 l 一丝氨酸。吸附树脂正是利用这些吸附能力上的差异，对 氨基酸进行分离提取的，关于从发酵液中以及猪血粉和鸡毛中分离提取氨基酸的 报道已有很多了。新型树脂在混合氨基酸分离中的应用最近报道很多，如a a s 新型吸附树脂对苯丙氨酸酪氨酸的吸附分离性能的研究 ，比较了a a s i 和x a d 4 两种吸附树脂对苯丙氨酸和酪氨酸的吸附分离性能，结果表明a a s i 对苯丙 氨酸酪氨酸的吸附量要比x a d 一4 高得多，且a a s i 对苯丙氨酸的吸附量与该溶 液浓度成线性关系。 1 3 5 在蛋白质、肽的分离中的应用 蛋白质和肽是由n 一氨基酸缩合而成的生物高分子。吸附树脂在蛋白质、肽的 分离方面的应用包括乳品中蛋白的分离回收，血浆球蛋白的分离，血清蛋白及血 浆中a 、0 、v 球朊的分离，马铃薯中高分子蛋白质与氨基酸的分离，白蛋白脱 灰，由猪脑提取出来的1 1 肽的提纯，从水中分离多肽等许多方面。钱庭宝”剀 将一定量的人血清白蛋白、胰高血糖素、胰岛素、细胞色素c 分别通过南大d 3 5 2 0 柱，适当选择溶液p h 值、严格控制上柱条件，可以获得较为理想的蛋白质分离 纯化及浓缩效果。钙调蛋白( c a m ) 为广泛存在于真核细胞中的钙受体蛋白，是 一种多功能的调节蛋白，过去常用亲和色谱法制备，手续较为复杂，改用d e a e 浙江t 业大学硕l 学位论文第一章史献综述 纤维素色谱配合吸附柱色谱的方法分离纯化c a m ，可得聚丙烯酰胺凝胶电泳为 单一区带的样品，其效率、比活性都高。解芳“射采用5 种型号的大孔吸附树 脂，通过考察确认以s i p 1 3 0 0 从猪血红细胞中制取s o d 的效果最佳。 在胰高血糖素的分离提纯中，尚克进等他们研究了三种离子交换树脂( k 型 0 0 1 7 ，d 一0 0 1 ，d 一2 0 1 ) 和两种吸附树脂( d a 一5 0 7 0 4 ，d 一3 5 2 0 ) 对胰高血糖素 分离纯化的能力，结果是0 0 l 7 、d 0 0 1 可得到活性胰高血糖素，d 2 叭虽能得 到电泳纯品但无生物活性，d 一3 5 2 0 所得产品的比活性比k 型0 0 1 7 阳树脂高约 7 5 倍。吸附树脂对中分子物质的吸附研究也很多，如用x 一5 树脂可以很方便地 由水中分离出中分子物质。文献报道瞳吸附树脂对尿毒症串者血浆中中分子物 质的吸附率几乎比碳化树脂和离子交换树脂高一倍。 1 3 6 在生物碱及酶的分离提纯中的应用 生物碱是一类碱性的含有氮的有机物，传统的提取、分离方法为溶剂法，由 于生物碱的碱性强弱不同，它们与树脂的亲合力也不同，因而发展为用离子交换 层析法进行分离提纯，目前也有关于x a d 2 ，x a d 4 ，x a d 一7 用于酸性、碱性、 中性生物碱的分离的报道。 大孔吸附树脂提取酸性蛋白酶抑制剂的研究陇3 ，比较了c a d 一4 0 与a m b e r l i t e x a d 4 对胃蛋白酶抑制剂的吸附率，采用c a d 4 0 非极性大孔吸附树脂从发酵 液中提取胃蛋白酶抑制剂，在p h = 6 、n a c l 浓度为0 1 m 0 1 l 的条件下吸附效果 最好，当充分淋洗后，用9 5 乙醇洗脱，收集活性部分经减压蒸馏得粉状样品， 提取率在8 5 以上，比正丁醇萃取法提取率高1 5 。有人报道用c a d 一4 0 及 d e a e s e d h a d e xa 2 5 树脂自发酵液中吸附辅酶a ，收率3 2 以上纯度约 6 0 【2 3 1 。 浙江t 业大学硕卜学位论文第一章文献综述 1 4 栀子黄提取与分离的综述 栀子黄色素是从栀子( g a r d e n i a j as m i n o i d e se 1 1 js ) 成熟果实中提取出来 的黄色素的总称”，包括臧花素( 水溶液中 。= 4 4 0 n m ) 和藏花酸( 水溶液中 。= 4 1 8 n m ) 。其中主要色素成分是藏花素”州，一般山栀子的全果实、种子、果 皮中藏花素的含量分别是o 2 0 1 5 、o 2 5 4 3 、o 1 2 0 8 o “，但是其含量也随产地 与采集时间的不同而变化雎。藏花素属于类胡h 萝素类的藏花酸的二龙胆糖酯， 是一种配糖体，其结构式如下幽。o 3 ： g 丫人叩上 图2 1 藏花素的分子结构 结构式中g e 表示二龙胆糖，其结构如下： h 图2 。2二龙胆糖的结构 分子量为9 2 6 9 7 ，为红棕色针状晶体、微臭、熔点1 8 0 。易溶于热水，成 为橙色溶液。微溶于无水乙醇、乙醚及其它有机溶剂。水溶液呈弱酸性或中性。 色调几乎不受p h 值的影响。耐光、耐热性在中性或碱性时佳，酸性时差。耐金 属离子性( 除f e ”以外) 好”。 粗制的栀子黄色素在应用过程中存在易褪色及绿变的缺点，引起栀子黄色素 绿变及褪色的原因主要有两个方面：一是栀子黄色素中存在着易引起绿变的物 质一栀子甙及绿原酸。栀子甙在蛋白酶或b 一葡萄糖甙酶的作用下水解为甙元 2 。“，这种甙元同氨基酸生成蓝色色素，导致用栀子黄色素染色的面制品发生绿 变。绿原酸则因易氧化而使其着色的食品发暗。实践证明，若把栀子黄色素中栀 子甙的含量降低到肉眼所不能见到的绿变为止即可有效地防止绿变的发生，并非 要将栀子甙全部除尽。日本通常采用0 d 值作为衡量食品绿变程度的指标，0 d 值 为栀子黄色素中栀子甙的最大吸光度与藏花素的最大吸光度的比值，当o d 值比 济h鞫 浙江丁业人学坝i j 学位论文第一市义献综述 率小于o 4 时即可避免绿变的发生。另一方面是由于藏花素和藏花酸的分子本身 含有不饱和的多个共轭双键。”3 。共轭双键中的1 1 键易受到亲电试剂，如旷、路 易斯酸、金属离子等所破坏，最终形成6 键，不饱和烃逐渐变为饱和烃，从而引 起褪色。通过添加色素稳定剂( 如e e t a n a ：) 。5 。“，避免与金属离子接触，调整 酸碱度等方法可有效地防止褪色的发生；而防止绿变只有靠降低栀子黄色素中栀 子甙的含量才可避免。 1 3 1 栀予黄的提取情况口7 1 纠 针对栀子黄的性质，提取剂一般是使用水或有机溶剂( 或二者混合作为溶 剂) ，得到提取液后进行过滤除去固体杂质，有时也会加入果胶酶和c ac o ，等物 质以除去所含的果胶。操作方式有间歇式和连续式的两种，间歇式的操作比较简 单，但产量不高，连续式产量高，所以单位产量的成本低，但操作比较复杂。现 阶段国内栀予黄的厂家一般使用间歇式进行浸取。 1 3 2 栀子黄的分离情况 栀子浸取液的成分还是很复杂的，要得到精制的栀子黄还必须进行分离。分 离的方法很多，有大孔吸附树脂法、色谱层析法、溶剂萃取法、凝胶层析法、 c 0 2 超临界法、超