高分子吸附劑及其在天然產物提取分離中的應用

中草藥是我國寶貴的醫藥資源，在提高人民生活質量，保證人民生活健康中發揮了極大的作用。然而中藥成分的復雜性和不可知性影響了它的進一步應用，中藥現代化成為了中藥發展的迫切要求。而中藥現代化的關鍵技術之一就是有效成分或有效部位的提取分離。溶劑萃取分離技術是天然產物分離的經典技術，但溶劑消耗量大，分離效率低，操作安全性差，一般僅適用于實驗室小量樣品的制備，而不宜用于工業生產。柱色譜分離法采用一定的色譜填料作為固定相，當中藥提取液通過色譜柱時，不同的成分即可得到分離。該方法操作簡單，適宜于工業生產。尤其是隨著高分子產品的出現和發展，色譜填料的種類越來越多，其中以離子交換樹脂、大孔吸附樹脂和聚酰胺為主。

一、離子交換樹脂及其在天然產物提取分離中的應用

1、離子交換樹脂的結構和分類

離子交換樹脂是一類帶有功能基的網狀結構的高分子化合物，其結構由三部分組成：不溶性的三維空間網狀骨架，連接在骨架上的功能基團和功能基團所帶的相反電荷的可交換離子。

根據樹脂所帶的可交換離子性質，離子交換樹脂可分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂。陽離子交換樹脂是一類骨架上結合有磺酸(-SO3H)和羧酸(-COOH)等酸性功能基的聚合物。根據酸性功能基在水中的電離性質，可分為強酸性離子交換樹脂和弱酸性離子交換樹脂。陰離子交換樹脂是一類在骨架上結合有季銨基、伯胺基、仲胺基、叔胺基的聚合物。根據胺基的堿性強弱，可分為強堿性離子交換樹脂和弱堿性離子交換樹脂。

根據骨架結構的不同，離子交換樹脂可分為凝膠型和大孔型樹脂兩類。凝膠型樹脂是一種呈透明狀態的無孔聚合體。在水溶液中，樹脂吸水溶脹，樹脂相內產生微孔，反離子可擴散進微孔內進行離子交換，樹脂的交聯度越低，吸水量越大，溶脹也大，產生的微孔也較大。大孔離子交換樹脂在整個樹脂內部無論干、濕或收縮、溶脹都存在著比一般凝膠型樹脂更多、更大的孔道，因而比表面極大，在離子交換過程中，離子容易遷移擴散，交換速度較快。

2、離子交換樹脂的作用原理

離子交換反應是可逆反應，這種反應是在固態的樹脂和水溶液接觸的界面間發生的。在水溶液中，連接在離子交換樹脂骨架上的功能基能離解出可交換的離子B+，該離子在較大范圍內可以自由移動并能擴散到溶液中。同時，溶液中的同類型離子A+也能擴散到整個樹脂結構內部，這兩種離子之間的濃度差推動著它們之間的交換。其濃度差越大，交換速度就越快。另外，離子交換樹脂對不同的離子表現出了不同的交換親和吸附性能，這種選擇性與樹脂本身所帶有的功能基、骨架結構、交聯度有關，也與溶液中離子的濃度、價數有關。一般情況下，離子價數越高，與樹脂功能基的靜電吸引力越大，親和力越大;對同價離子而言，原子序數增加，樹脂對其選擇性也增加。

3、離子交換樹脂在天然產物提取分離中的應用

自從1935年Adams 和Holms 研究合成了酚醛型離子交換樹脂以來，離子交換樹脂的應用已經有60多年的發展歷史。其應用范圍日益擴大，已經由最初的水處理工業發展到當前的化工、電力、電子、環境科學、食品加工、醫療藥物等領域中，并且在天然產物的提取分離中的應用逐漸增加。

1)離子交換樹脂法提取分離氨基酸、蛋白質、多肽和酶

氨基酸是一類含有氨基和羧基的兩性化合物，在不同的pH條件下能以陽、陰或兩性離子的形式存在。因此，應用陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂均可富集分離氨基酸。同時，因為多肽、蛋白質和酶是由α-氨基酸縮合而成的生物高分子，某些氨基酸殘基含有羧基或堿基，使這些生物高分子成為兩性物質。因此，在一定的pH條件下，離子交換樹脂能夠提取、分離和純化多肽、蛋白質和酶。因為蛋白質和酶在強酸或強堿條件下不穩定，強烈的疏水作用也會使其變性，因此所用的樹脂應當是親水的弱酸樹脂或弱堿樹脂。

2)離子交換樹脂法提取分離生物堿

生物堿是許多中草藥中的重要有效成分，它們在中性或酸性條件下以陽離子形式存在，能用陽離子交換樹脂從其提取液中富集分離出來。離子交換樹脂吸附總生物堿之后，可根據各生物堿組分的堿性差異，采用分部洗脫或分部提取的方法，將其中的各生物堿組分一一分離。樊振民等對三種常用的分離方法進行總結，并給出工藝流程，可分別得到弱堿性生物堿、中等堿性生物堿和強堿性生物堿。將此三種方法分別用于實際，可分別從麻黃草的稀鹽酸浸液中分離麻黃堿和偽麻黃堿，從洋金花的0.1%鹽酸浸液中分離莨菪堿和東莨菪堿，從護心膽根的0.5%鹽酸浸液中分離紫堇塊莖堿、畢扣靈堿和南天竹堿等，均取得良好的分離結果。

3)離子交換樹脂法提取分離天然酸性有機化合物

中草藥中含有一些具有藥理作用的羧基化合物和酚性化合物，可以用離子交換樹脂法分離純化。甘草酸是甘草的有效成分，以弱堿樹脂Duolite A34從甘草水浸液中提取甘草酸，經2%氨水洗脫即得產品。也可用陰離子交換樹脂(OH-型)富集甘草酸，以4-6%氨水洗脫后，再用弱酸性陽離子交換樹脂(H+)除去銨離子，可得到高純度的甘草酸。

另外，應用陰離子交換樹脂可以從動植物中和微生物發酵液中提取分離天然有機酸，如乳酸、檸檬酸等。

4)離子交換樹脂法分離純化糖類化合物

糖類化合物分子中含有許多醇羥基，只有極弱的酸性，但在中性水溶液中仍能與強堿性陰離子交換樹脂(OH-型)發生離子交換作用而被吸附。但是由于許多糖類物質在強堿條件下會發生異構化和分解反應，限制了強堿性陰離子交換樹脂在糖類物質分離純化中的應用。人們根據糖中順式鄰二羥基能與硼酸形成復鹽陰離子的特性，采用硼酸性陰離子交換樹脂或硼酸溶液作流動相，從而使糖類物質能在陰離子交換樹脂上進行分離純化。Khym等用此法成功地分離了果糖、半乳糖和葡萄糖。同樣，此法也適用于多糖的純化。黃芪用水提取，經Pb(OAC)2沉淀除去蛋白質，加乙醇可使多種糖沉淀出來。粗多糖再溶于水，通過硼酸型DEAE-纖維素柱，以0.01mol/L硼砂溶液洗脫，再用乙醇、丙酮處理，可得黃芪多糖成分AG-1。其它黃芪多糖成分如AH-1和AH-2等也用同樣的工藝進行了分離純化。

由于多羥基化合物與鈣鹽、鋇鹽有較強的親和力，由此發展了另一種離子交換樹脂法，用于糖類化合物的分離純化。將磺化聚苯乙烯型陽離子交換樹脂轉化為鈣型用作固定相，可分離葡萄糖和果糖、木糖醇和山梨醇。

由以上的應用可以看出，離子交換樹脂對中草藥有效成分的作用主要是通過其可交換基團的離子來進行的。但是，離子交換樹脂骨架的疏水作用、樹脂上化學基團與被分離物質基團之間的氫鍵作用、偶極作用等也對分離起著重要的作用。

二、吸附樹脂及其在天然產物提取分離中的應用

1、吸附樹脂的種類

吸附樹脂又稱聚合物吸附劑，它是一類以吸附為特點，對有機物有濃縮分離作用的高分子聚合物。按照樹脂的表面性質，吸附樹脂一般分為非極性、中極性和極性三類。非極性吸附樹脂是由偶極矩很小的單體聚合物制得的不帶任何功能基的吸附樹脂。典型的例子是苯乙烯-二乙烯苯體系的吸附樹脂。中極性吸附樹脂指含酯基的吸附樹脂，如丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯與雙甲基丙烯酸酯等交聯的一類共聚物。極性吸附樹脂是指含酰胺基、腈基、酚羥基等含氮、氧、硫極性功能基的吸附樹脂。此外，有時把含氮、氧、硫等配體基團的離子交換樹脂稱作強極性吸附樹脂，強極性吸附樹脂與離子交換樹脂的界限很難區別。

2、吸附作用機制及影響吸附的因素

吸附作用是指一種或多種物質分子附著在另一種物質(一般是固體)表面上的過程。吸附劑之所以能夠吸附某些物質，主要是因為吸附劑的表面上的原子力場不飽和，有表面能，因而可以吸附某些分子以降低表面能。吸附是一種界面現象，吸附樹脂的表面發生吸附作用后，可以使吸附樹脂界面上溶質的濃度高于溶劑內溶質的濃度，其結果引起體系內放熱和自由能的下降，在給定溫度和壓力下，吸附都是自動進行的。

吸附劑在溶液內能否吸附某種物質，與該物質在溶劑內的表面張力有關，任何能降低溶劑表面張力的溶質都能被吸附劑吸附。水的表面張力能較高，許多溶質能降低其數值，所以在溶液內能被吸附劑吸附。乙醇的表面張力遠遠低于水，許多溶質降低乙醇表面張力不如降低水表面張力大，故在一般情況下，溶質在水里較在乙醇里被吸附的多，在水里被吸附的物質可以在乙醇里被洗脫。

非極性吸附樹脂對物質的吸附主要是通過疏水作用進行的，這是因為該類樹脂的表面是聚苯乙烯的疏水性結構，在吸附過程中，溶質分子的疏水部分優先被吸附在該疏水聚合物表面，而溶質分子的親水部分則留在水相中。研究表明，被吸附物質通常并不進入樹脂的微球相，而是被吸附在微球相表面。所以吸附和洗脫的過程一般都比較快。

中極性吸附樹脂由于表面親水性部分和疏水性部分共存，因此當從水中吸附有機物時，吸附質分子的親水部分和酯基表面之間以極性鍵聯，而疏水部分和吸附樹脂骨架之間以標準范德華力相互作用。

極性吸附樹脂則主要通過它的功能基團與吸附質之間的靜電相互作用和氫鍵等進行吸附。

在實際應用中，對于某一種樹脂，應該綜合考慮各種可能的作用機制，一般的吸附往往是幾種機制共同作用的結果。通常情況下，影響吸附的因素有很多，不僅同樹脂的物理與化學結構有關，而且同吸附質的性質、介質的性質及操作方法等諸因素有關。

1)吸附劑的結構對吸附的影響

吸附劑的結構包括物理結構和化學結構兩個方面，化學結構的影響是顯而易見的。樹脂的物理結構包括樹脂的骨架結構、比表面積、孔徑、孔容等因素。在確保溶質良好擴散的條件下，吸附樹脂的比表面積越大，吸附量就越大。吸附樹脂的孔徑是吸附質擴散的途徑，吸附樹脂具有合適的孔徑才能對溶質進行有效的吸附。因此，控制較均勻的孔徑和孔容，對吸附來說是很重要的。

2)被吸附物的結構對吸附的影響

被吸附物即吸附質，其結構、締合作用、離解作用、極化度、在介質內的溶解度等因素都會影響吸附的進行。

3)吸附和脫附工藝操作條件的影響

吸附和脫附條件也是影響吸附樹脂使用效果的重要因素，如吸附體系、溶質濃度、樹脂的預處理、樹脂的粒度、吸附流速與溫度、脫附劑的種類、脫附溫度與流速等工藝操作條件。

3、吸附樹脂在天然產物提取分離中的應用

與活性炭和其它吸附劑相比，吸附樹脂具有很多的優點，如對某種物質的吸附選擇性較高;物理化學穩定性和機械強度較好;品種規格較多，可根據需要改變樹脂物理或化學結構;吸附樹脂一般為球狀顆粒，流體阻力較小等等。因而被廣泛應用于化工、醫藥等領域，近年來關于大孔吸附樹脂在天然產物提取分離中的應用研究報道越來越多。

1)對黃酮類化合物的分離提取

黃酮類化合物是中草藥中的重要有效化學成分，麻秀萍等研究了10種大孔吸附樹脂對銀杏葉黃酮的吸附性能，通過比較樹脂的物理化學結構和考察樹脂對銀杏黃酮的吸附量、吸附速率等因素，認為AB-8樹脂具有較大的吸附量，易吸附、易解吸，性能優于其它幾種樹脂。

2)對皂甙類化合物的分離提取

劉中秋等研究了利用大孔吸附樹脂富集純化毛冬青總皂甙的工藝，毛冬青樣品液47毫升上大孔樹脂柱，用蒸餾水100毫升，50%乙醇100毫升依次洗脫，毛冬青總皂甙富集于50%乙醇洗脫液部分，洗脫率達95%，干燥后總固形物中毛冬青總皂甙純度可達57.5%。夏超等研究了不同大孔吸附樹脂對復方腦脈康提取物吸附容量，發現不同類型的樹脂吸附性能不同，非極性大孔吸附樹脂吸附黃芪總甙時好于極性樹脂。

3)對生物堿類化合物的分離提取

生物堿的分離可以用離子交換樹脂，但洗脫時需要用酸、堿或鹽類洗脫劑，這給后面的分離造成了麻煩，用吸附樹脂可避免引入外來雜質的問題。如用AB-8樹脂提取喜樹堿，可直接得到含量50%左右的產品，經重結晶可以使喜樹堿的含量達到90%。楊樺等用大孔吸附樹脂分離提取川草烏中的總生物堿，烏頭類總生物堿的提取率為85%，水溶性固體雜質的去除率為82%。以小?堿為代表成分，侯世祥等研究了影響大孔吸附樹脂吸附純化黃連提取液的因素，結果說明，樹脂的種類、提取液的濃度、提取液中鹽溶液的種類和用量及外環境的溫度都會不同程度地影響吸附純化的過程和結果。

4)其它

姜換榮等研究了大孔吸附樹脂分離赤芍總甙的方法，赤芍以70%的乙醇回流提取，減壓濃縮，過大孔吸附樹脂柱，分別用水、20%乙醇洗脫，收集20%乙醇洗脫液，減壓濃縮得到赤芍總甙，收率5.4%，芍藥甙含量75%。

饒品昌等研究了右歸煎液用大孔樹脂D1300精制的工藝，結果表明，與普通醇沉工藝(50%醇沉濃度)相比，樹脂法精制所得的產品與醇沉上清液的TLC薄層在紫外燈(360nm)下斑點基本一致，并且樹脂法所得干浸膏不易吸濕，貯藏方便，而醇沉精制的干浸膏較易吸濕，粘結。

鄧少偉等用大孔吸附樹脂分離川芎總提取物，川芎以乙醇回流提取減壓濃縮，過大孔吸附樹脂柱，先用水洗，再用30%乙醇洗脫，收集30%乙醇洗脫液，減壓濃縮得川芎總提取物，其中川芎嗪和阿魏酸的含量約占本品的25%-29%以上，收率為0.6%。

朱潔等以含生物堿、黃酮、水溶性酚性化合物和無機礦物質4種中藥有效部位的單味藥材(黃連、葛根、丹參、石膏)水提液為樣本，在LD605型樹脂上進行動態吸附研究，比較吸附特性參數，發現除無機礦物質外，其他中藥有效部位均可不同程度的被樹脂吸附純化。但不同有效部位在同一型號大孔吸附樹脂上的吸附能力有差異。

吸附樹脂是一類高度交聯的、具有三維網狀結構的高分子聚合物，不溶于任何有機溶劑，在常溫下十分穩定，因此在使用過程中不會有任何物質釋放出來。至于在生產過程中殘留的某些雜質完全可以在使用前徹底的清洗出來，因此，應用吸附樹脂提取中藥有效成分是非常安全的。

綜上所述，樹脂吸附法在多種中草藥有效成分的提取、純化中已取得了成功，并為更廣泛的應用打下了良好的基礎。但是中草藥的品種繁多，而吸附樹脂的品種又相對較少，要滿足各種中草藥有效成分提取的需要，還需要針對具體用途研制新的吸附樹脂，并研究相應的分離方法。在中藥現代化的進程中，吸附樹脂及分離技術還會不斷的發展，定會在現代中藥的研究與生產中發揮重要的作用。

三、聚酰胺層析法在天然產物提取分離中的應用

1、聚酰胺的種類及作用機制

聚酰胺是由酰胺類化合物聚合而成的一類高分子物質。層析用的聚酰胺主要有聚己內酰胺(錦綸)、聚六次甲基二胺己二酸鹽(尼龍66)及聚乙烯吡咯烷酮型三種。自1955年發現聚酰胺對極性物質(特別是酚類物質)有吸附作用以來，目前已成為分離水溶性物質(或親水性物質)的主要方法之一。其作用機制主要是通過分子中的酰胺基與化合物分子形成氫鍵締合而產生吸附作用。酰胺鍵中，其羰基是氫鍵的受體，可以接受質子，而胺基則是氫鍵的給體，可以給出質子。酚類、酸類等具有給出質子基團(如羥基、羧基)的物質是與酰胺鍵的羰基形成氫鍵，而芳香硝基化合物和醌類是其接受質子的基團(硝基或醌基)與酰胺鍵的游離氨基形成氫鍵的。

聚酰胺對化合物的吸附強度主要取決于其形成氫鍵的能力及氫鍵的強度。形成氫鍵的能力越強，則聚酰胺對該種物質的吸附選擇性越高。影響氫鍵強度的因素主要有：

1)形成氫鍵基團的數目：形成氫鍵基團的數目越多，吸附力越大。

2)形成氫鍵基團的位置：位阻較大時，不利于吸附的進行。

3)形成氫鍵基團給出或接受質子的能力：對于給出質子的基團來說，給出質子的能力越強，對其吸附選擇性越高。如對酚類的吸附能力要高于芳香胺類。

4)分子內氫鍵：能形成分子內氫鍵的化合物，吸附能力降低。

5)溶劑介質：一般來講，聚酰胺與各類化合物形成氫鍵的能力，在水中最強，在極性有機溶劑中較弱，在堿性溶劑中最弱。

2、聚酰胺層析法在天然產物提取分離中的應用

聚酰胺層析法應用極為廣泛，可被用于分離黃酮類、酸類、酚類、鞣質、蒽醌等天然產物。

1)黃酮類化合物的分離

由于黃酮類化合物具有兩個以上芳香核，且大多數化合物具有游離酚羥基，因此能夠被吸附在聚酰胺柱上。由于甙元的吸附力比甙強，一般甙在水或稀醇液洗脫時即可洗下，而甙元則需較濃的醇液才能洗脫下來。

2)酸類及酚類化合物的分離

聚酰胺對脂肪族一元酸的吸附力較小，而對芳香族酸類及脂肪族多元酸的吸附能力較大，分離效果較好。酚類物質用聚酰胺層析分離效果更好。如郭信芳等用聚酰胺柱層析分離了厚樸酚及和厚樸酚，并得到了單體。

3)鞣質的分離和去除

鞣質是一類多酚性物質，很容易吸附在聚酰胺樹脂柱上。低分子鞣質的吸附是可逆的，可采用適當的溶劑洗脫而得到分離。高分子鞣質的吸附是不可逆的，吸附后很難洗脫。而無論低分子或高分子鞣質，它們與聚酰胺的吸附比其它的化合物都強，因此可用聚酰胺除去鞣質。樊志順等研究了用聚酰胺吸附法去除復方丹參注射液中的鞣質，結果表明，聚酰胺吸附法除鞣質作用強，澄明度比水醇法要好，但有效成分損失較大。

4)蒽醌類化合物的分離

夏之寧等用聚酰胺柱提取了大黃中的主要活性成分-蒽醌甙類化合物，將所得提取物與經過鉛鹽沉淀法的提取物對照，譜圖基本一致。

聚酰胺柱層析法在天然產物的提取分離中發揮了較大的作用。但在實際應用中，常常存在流速較慢和混入低分子雜質(酰胺的低聚物等)的問題。通常情況下，流速問題可以通過預先過篩除去細粉或與硅藻土混合制粒予以克服;而低分子物質的干擾，可在裝柱時用5%甲醇或10%鹽酸預洗除去。曾有人介紹將聚酰胺用濃鹽酸溶解，然后逐漸加入甲醇、甲醇-水(1:1-3:7)稀釋，使其在硅藻土顆粒上析出成型，這樣制得的聚酰胺顆粒能克服上述缺點，性能較好。

天然產物的化學成分極其復雜，要想得到具有確定含量和確定成分的提取物，是一項具有挑戰性的工作。在實際的研究中，任何一種方法都有其應用價值，但是任何一種方法都不可能完全替代其它的方法，往往需要多種方法的聯合使用才可以得到較滿意的結果。葛永潮等人組合使用了聚酰胺、反相大孔樹脂、硅膠及葡聚糖凝膠四種柱層析技術，成功地從大花紅景天醇提取物里制備出克級水平的紅景天甙產品。

在中藥現代化的進程中，研究各種中藥的具體藥用成分并將其以較高的純度分離提取出來，成為一項重要的工作，這樣，新型分離方法的研究刻不容緩。而高分子吸附劑作為一種新型的柱層析色譜填料，以其使用方便、種類繁多、吸附專一性好等優良的性能贏得了越來越多的關注，將其應用到中草藥有成分分離提取中去，必將發揮極大的作用。