大孔吸附树脂在天然产物的分离纯化中的应用进展

胡迎丽，夏 璐，雷福厚

（广西民族大学化学化工学院，林产化学与工程国家民委重点实验室，广西林产化学与工程重点实验室/协同创新中心，广西 南宁 530006)

大孔吸附树脂也被称为大孔树脂，是于20世纪60年代产生的一种新型高分子吸附材料，外形为球状颗粒，具有大孔网状结构，粒度集中在0.25～0.84mm，对有机物和金属无机物有一定的吸附能力。不同极性的树脂，对不同种类的化合物的选择性不同，树脂的比表面积和孔径大小决定了其吸附容量。一般来说，树脂的吸附是物理吸附，易洗脱，树脂本身也很容易再生[1-2]。近年来，大孔吸附树脂在天然产物提取纯化方面的应用，对于保健食品及药物的研发有着重要的现实意义，因此关于这方面的研究报道越来越深入。本文主要综述了近年来大孔吸附树脂在天然产物分离纯化中的应用新进展，以期为天然产物有效成分的分离、提取、纯化的深入研究提供一些思路。

1 大孔吸附树脂的预处理及再生

预处理对大孔吸附树脂的吸附有重要的作用。新制备的大孔吸附树脂一般含有未聚合的单体、致孔剂、分散剂等脂溶性物质，使用前需要进行预处理以除去杂质。通常使用丙酮、甲醇或乙醇洗涤数次，必要时需要用盐酸、氢氧化钠或其他酸碱洗涤，最后用蒸馏水洗至中性。

树脂的再生处理通常是用不同体积分数的乙醇洗涤数次，必要时也可用盐酸、氢氧化钠溶液做进一步处理。刘海燕等人[3]通过正交实验，对CT-101树脂的再生工艺进行优化，实验结果表明，在乙醇浓度为60%、氢氧化钠浓度为4%、体积配比为3∶7的条件下，再生效果最佳。此外，张华等人[4]用经过4种方法预处理的AB-8大孔树脂纯化贝母多糖，发现在无水乙醇中浸泡24h，再用4%的HCl、NaOH溶液各浸泡3h，每次用蒸馏水洗涤至中性的条件下处理的树脂，对多糖的纯化效果最佳。

2 影响大孔吸附树脂分离效果的因素

2.1 大孔吸附树脂的化学结构

大孔吸附树脂是一类具有较大比表面积、多孔立体结构的吸附剂，它的吸附能力是由其极性、比表面积、孔容、孔径，以及能否与被吸附成分形成氢键等因素决定的，使用前应对大孔吸附树脂型号进行筛选，以使吸附效果达到最佳。根据大孔树脂所选用的单体结构和极性不同，可将大孔树脂分为由偶极矩很小的单体聚合制得的不带有任何功能基团的非极性大孔树脂如D-101、HPD-100等；由含有酯基的单体聚合而成的中极性大孔树脂如AB-8、X-5等；由含有酰胺基、氰基、酚羟基等极性功能基团的单体聚合而成的极性大孔树脂如S-8、NKA-9等，表1列出了一些常用的大孔树脂型号及其适用范围。

表1 常用大孔树脂型号及适用范围

2.2 被分离物质的性质

大孔树脂的吸附效果，与被分离物质的分子量和极性有直接关系。在同一种树脂中，树脂对具有较大分子量的化合物有强吸附作用，且对化合物的吸附力随着其极性的增加而增加，化合物与树脂之间能否产生氢键作用，也会对吸附量有影响。崔新梅等人[10]考察了6种大孔树脂对败酱草黄酮的纯化效果。败酱草黄酮因含有酚羟基而具有极性，由此确定了极性树脂S-8对败酱草黄酮的吸附性能相对较好。

2.3 样品浓度

上样浓度也是影响树脂吸附量的重要因素。若上样液过稀、溶液黏度较小，会因传质不彻底而导致泄漏；若上样液太浓、上样黏度较大，则树脂吸附的物质分子过多，某些没来得及被吸附的成分就会流出来，因此，这两种情况均不能达到最大吸附量。在使用D-101型大孔树脂分离纯化川麦冬须根总黄酮的实验中，李沛霞等人[11]发现，黄酮的吸附量随着上样液质量浓度的增加而提高，吸附量在上样液浓度为0.73mg·mL-1时达到最高，继续增加浓度，吸附量呈下降趋势。同样，彭焱等人[12]在LSA-21型树脂纯化白及多酚的静态吸附实验中，发现吸附量随着上样液浓度的增加而逐渐增大，上样液浓度达到0.6g·L-1之后，吸附量不再增加。

2.4 温度

一般来说，随着温度升高，被吸附的化合物在溶液中的溶解度会变大，树脂对化合物分子的吸附作用会降低，因此，使用大孔吸附树脂时，一般是在低温下吸附，高温下解吸。但也有些过程与之相反，因此在实际应用中，要注意温度的影响。莫天录等人[13]考察了XDA-1树脂在不同温度下对绿茄叶黄酮粗提取物的静态吸附、动态吸附与解吸性能，发现黄酮在低温时较稳定，25℃时的吸附率可达到最高，继续升高温度，黄酮的吸附率降低。

2.5 pH值

天然产物中的许多化学成分都有一定的酸碱性，因此pH值是影响大孔树脂分离纯化效果的重要因素。通常情况下，酸性化合物在酸性溶液中容易被吸附，碱性化合物在碱性溶液中能够很好地被吸附，中性化合物则在中性条件下更容易被吸附。蒲忠慧等人在使用AB-8型大孔树脂纯化川芎总生物碱的实验中发现，pH值在3～9之间时，树脂对总生物碱的吸附量随着pH值的升高而增加，pH值超过9之后，树脂对总生物碱的吸附量降低，所以最佳的上样pH值为9。兰雪萍等人[14]在使用大孔吸附树脂提取分离金银花中绿原酸的实验中发现，pH=2时，有一定酸性的绿原酸的吸附量达到最大值，随着pH值继续增加，吸附量逐渐降低。

2.6 洗脱溶剂

大孔树脂吸附有效成分后，需对其进行洗脱并测定其洗脱率。选择合适的洗脱剂，可以提高树脂的洗脱率，且不会对大孔树脂的再次使用产生较大的影响。一般情况，使用极性小的洗脱剂对非极性和弱极性大孔树脂进行洗脱，用极性较大的洗脱剂对中极性或极性较大的大孔树脂进行洗脱。在分离纯化川麦冬须根总黄酮的实验中，李沛霞等人发现，随着乙醇体积分数的增加，D-101大孔树脂对总黄酮的解吸率逐渐增加，当使用体积分数为70%的乙醇时，总黄酮的解吸率达到最高，继续增加乙醇的体积分数，解吸率基本不变。

2.7 其他因素

树脂的粒径、树脂柱的径高比、上样流速、洗脱流速等因素，都会影响大孔树脂对有效成分的吸附。对这些因素进行调整并优化，提高分离效果的同时还可以节约时间。在茶皂素提取条件的优化及纯化研究中，孙万里等人发现，随着上样流速增大，茶皂素在树脂内的扩散速度变慢，导致了吸附率减小，考虑到吸附稳定性，最终选择8mL·min-1作为上样流速。刘翠玲等人[15]利用HPD-300型大孔树脂纯化结球菊苣总苷，实验得出结论：洗脱流速越慢，解吸率越高，综合考虑其他因素，选择2.0mL·min-1作为最佳洗脱流速。

3 大孔吸附树脂在天然产物成分分离纯化中的应用

3.1 黄酮类

黄酮类化合物能够抗衰老，防止细胞退化，降低心脑血管疾病的发生，其强大的抗氧化能力吸引了国内外学者对其进行广泛和深入的研究。在大孔树脂纯化淫羊藿总黄酮的实验中，杨茹等人[16]从5种大孔树脂中筛选出了HPD100作为最优型号树脂，并对其吸附动力学和热力学进行研究，发现淫羊藿中的5种代表性黄酮均符合拟二级动力学模型，总黄酮的热力学过程符合Langmuir等温模型，最适吸附温度为25℃。Wu等人比较了3种不同的大孔吸附树脂对藜麦总黄酮的吸附和解吸性能，最终选择D-101大孔吸附树脂作为藜麦总黄酮的较好分离材料，纯化后藜麦总黄酮的含量由7.09%提高到28.48%，工艺稳定可靠。Dong等人[17]选用XAD-16树脂和SP-825树脂，对光果甘草中的黄酮类化合物进行纯化，可使黄酮类化合物显著富集，生物活性明显提高。综上所述，大孔吸附树脂在黄酮类化合物分离纯化方面的应用广泛且效果明显，成本相对较低，环境污染小，易于放大到工业生产中，具有很好的应用前景。

3.2 生物碱类

绝大多数生物碱具有显著的生理活性，是很多中草药和药用植物的有效成分，其种类较多，结构复杂，具有一定的碱性，可与酸成盐。阳离子交换树脂可用于分离纯化生物碱，但是洗脱时需用酸、碱或盐类洗脱剂，给后面的分离带来困难；采用大孔树脂、用乙醇洗脱，可避免引入杂质，因此受到学者们的广泛关注。李岩等人[18]研究了不同特性的大孔树脂对天仙子总生物碱的吸附效果，发现LS-A5B型大孔吸附树脂的吸附能力强，吸附后天仙子中的生物碱含量比富集前提高了18倍。Yang等人[19]考察了6种大孔树脂对苦参中的喹诺酮类生物碱的吸附特性，发现AB-8树脂具有最好的吸附和解吸性能，在AB-8树脂填充柱上进行了动态吸附和解吸实验，最终产品中苦参碱、氧化苦参碱和槐定碱的含量分别从9.30%、8.39%和9.84%，提高到22.22%、21.44%和28.02%。在7种大孔树脂富集纯化乌头6种生物碱的性能评价实验中，Liu等人[20]发现NKA-Ⅱ型树脂对6种乌头生物碱的吸附和解吸能力最好，乌头草中6种生物碱的含量由5.87%提高到60.3%，回收率为75.8%。与其他提取生物碱的方法相比，大孔吸附树脂的洗脱方式简单，毒性小，可避免引入脂溶性成分或水溶性杂质，因此是提取生物碱的较理想方法。

3.3 皂苷类

皂苷类化合物能够活血化瘀，预防高血压和心脑血管疾病，近年来大孔吸附树脂在皂苷分离纯化中的应用也较为成熟广泛。黄晓亮等人选用D-101型大孔树脂用于分离纯化匙羹藤中的总皂苷，在动态吸附和解析实验中，确定在上样浓度3mg·mL-1、树脂上样量5mg·g-1、洗脱剂为90%乙醇的工艺条件下，匙羹藤粗提物中的皂苷含量是纯化前的1.7倍。智秀娟等人[21]筛选出SP-700型大孔树脂用于分离纯化苦荞总皂苷，在动态洗脱实验中，使用体积分数分别为50%和70%的乙醇溶液进行分段洗脱时，洗脱率最高可达88.9%。洗脱液旋干后得到的皂苷含量较提取液中的皂苷含量提高了2倍。Zhou等人[22]从麦冬须根中富集总甾体皂甙，在XAD-7HP树脂柱上进行动态吸附和解吸。在优化的动态条件下，树脂富集部分的TSS含量由粗提物中的1.83%提高到13.86%，回收率为82.68%。Wang等人[23]用7种树脂分离纯化云南重楼甾体皂苷，实验中发现D-101大孔树脂对甾体皂苷的吸附和解吸性能最好，甾体皂苷的含量较提取液中的含量提高了4.83倍，回收率为85.47%。

3.4 多糖类

多糖是一类重要的活性成分，具有抗炎、抗凝血、抗肿瘤、降血糖、提高免疫力等作用。与传统的脱色、脱蛋白方法相比，利用大孔树脂技术除去多糖中的色素和蛋白质，可以极大地缩短时间，简化工艺。古静燕等人[24]比较了4种大孔吸附树脂对金针菇粗多糖中蛋白的去除效果，筛选出了效果最佳的树脂LS-46D，在上样量为1.5BV、洗脱剂用量2BV、洗脱速度1.5BV、上样液pH=6.0的最佳工艺条件下，多糖纯度从22.4%提高到58.3%。杨波等人[25]使用AB-8大孔吸附树脂分离纯化玉竹多糖，在上样浓度为1.0 mg·mL-1、75%乙醇洗脱、流速1.0mL·min-1、洗脱液体积为上样量的10BV的最佳工艺条件下，玉竹粗多糖的纯度从65.23%提高到78.64%。此外，He等人通过静态和动态吸附实验，建立了一种简单有效的NKA-9型树脂同时脱色、脱蛋白的方法，并与传统的两步法进行了比较。结果表明，经NKA-9树脂吸附后，蛹虫草多糖的脱色率为80.69%，脱蛋白率为62.51%，多糖回收率为78.08%。进一步的光谱分析结果表明，吸附后蛹虫草多糖的结构保持不变，但用传统的两步法则会检测到一些试剂残留物。Yang等人[26]也提出了一种用大孔树脂纯化南瓜渣发酵液中粗多糖的新方法。在6种不同极性的树脂对粗多糖同时脱色脱蛋白的评价实验中，筛选出了最优的S-8树脂进行吸附实验，色素和蛋白质的吸附率分别为84.3%和75.9%，多糖的回收率为84.7%，S-8树脂表现出比其他传统方法更高的纯化效率。大孔树脂应用于多糖成分的提取，大大缩短了工艺时间，可达到脱色、脱蛋白的目的，更加适于工业化的连续生产。

3.5 其他

大孔吸附树脂对鞣质、色素、醌类、有机酸、苯丙素类等其他天然产物的活性成分，也有一定的分离纯化效果。王宏等人[27]选用AB-8型大孔吸附树脂，对黑枸杞中的花青素进行吸附，实验结果表明吸附符合Elovich动力学模型和Freundlich等温吸附模型，吸附过程为多层吸附，可自发进行。在比较4种大孔吸附树脂对决明子总蒽醌的吸附效果实验中，鄢胜君等人[28]发现，AB-8型大孔吸附树脂的吸附、解吸能力最强，在上样液质量浓度为0.65mg·mL-1、上样流速1.0mL·min-1、10倍量80%乙醇洗脱、流速1.0mL·min-1的工艺条件下，总蒽醌含量从5.59%上升到20%左右，达到了较好的纯化效果。李珊等人[29]考察了8种大孔树脂对野山杏果肉总有机酸的吸附效果，发现AB-8型大孔树脂可有效富集野山杏果肉的总有机酸成分，在总有机酸上样量为475mL、上样流速0.0672BV·min-1、50%乙醇洗脱的条件下，总有机酸含量提高了53.23%。Liu等人[30]比较了9种大孔树脂对紫茎泽兰提取物中绿原酸的吸附性能，发现NKA-Ⅱ型树脂具有较好的吸附解吸性能，纯化后产物中绿原酸的含量提高到22.17%，回收率为82.41%。

4 相关吸附机理及模型

使用大孔吸附树脂作为吸附剂时，需要探究其吸附机理，以提高分离纯化效率。相关文献大多是从树脂吸附物质的吸附动力学、热力学等方面，对大孔树脂静态吸附实验中的吸附机理进行初步探索。做等温吸附曲线时，常用Langmuir和Freundlich等温吸附模型来拟合实验数据，判断吸附状态是倾向单分子层吸附还是多层吸附。吸附动力学研究，通常采用拟一级动力学、拟二级动力学、Elovich模型来拟合数据，通过描述吸附速率来分析吸附质与吸附剂的关系。颗粒内扩散模型和Boyd模型则用来判断吸附质是外扩散、液膜扩散、颗粒内扩散、与吸附剂内部活性基团发生化学反应还是某两种扩散方式结合的扩散状态。为了更深入地探究吸附机理，可以从热力学数据ΔH、ΔG、ΔS来分析。表2列出一些常用的大孔树脂用于分离纯化天然产物时，拟合效果最优的等温吸附曲线、动力学模型、热力学数据。

表2 常用树脂吸附不同物质的等温吸附曲线、热力学和动力学研究

5 存在的问题与展望

为了提高天然产物活性成分的分离纯化效果，实验中往往会将一种大孔树脂与其他不同类型的树脂混用，或将大孔树脂与一些现代分析技术联用，如大孔树脂与亚临界水萃取法、高速逆流色谱法、超声波辅助法、制备型高效液相色谱法等联用。这些方法拓宽了大孔树脂在分离天然产物方面的应用范围，也使得分离纯化的效果更好。

尽管大孔树脂在分离纯化天然产物方面显示了独特的优越性，但在使用过程中也存在很多问题。制备的大孔树脂往往残留很多未反应完全的单体、致孔剂、分散剂等有机试剂，因此需要进行预处理。但对树脂预处理的研究相对欠缺，会对后续工艺产生影响。此外大孔树脂的再生方法单一，再生效果较差，势必会影响大孔树脂的重复使用和对天然产物的吸附率。另一方面，天然产物的成分复杂，大孔树脂对天然产物活性成分的吸附和解吸终点很难判断。目前，对大孔树脂分离天然产物的研究大多仍局限于实验室，实验优化的参数在工业生产中可能并不适用，这些问题都需要进行更深入的研究。