膜技術(shù)純化菊花總黃酮的工藝研究

易克傳，曾其良，李 慧

安徽科技學(xué)院工學(xué)院，鳳陽(yáng)233100

膜技術(shù)純化菊花總黃酮的工藝研究

易克傳*，曾其良，李 慧

安徽科技學(xué)院工學(xué)院，鳳陽(yáng)233100

研究膜分離技術(shù)分離純化菊花黃酮的工藝，以菊花總黃酮純度和操作過(guò)程穩(wěn)定性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用膜分離技術(shù)對(duì)菊花提取液進(jìn)行處理，對(duì)膜的規(guī)格、溶液溫度、操作壓力和操作時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)選。結(jié)果表明:選擇孔徑0.5 μm無(wú)機(jī)陶瓷膜，在溶液溫度50℃、操作壓力0.25 MPa條件下，微濾180 min能達(dá)到較好地除雜和澄清的效果;選擇截留分子量為8×103的超濾膜，在溶液溫度40℃、操作壓力1.6 MPa條件下，超濾120 min，總黃酮純度為19.81%。采用膜技術(shù)純化菊花總黃酮的工藝操作簡(jiǎn)單，純化效果高。

膜技術(shù);陶瓷膜;超濾膜;菊花黃酮;純化

菊花是菊科植物菊(Chrysanthmum)的頭狀花序，在我國(guó)絕大多數(shù)省、地區(qū)都有分布，菊花是一種常用中藥，具有清熱解毒、清肝明目、治頭痛眩暈、提高免疫能力等作用，研究表明其有效成分主要為黃酮類化合物［1］。黃酮類化合物具有抗氧化、抗癌、防止心血管疾病、消炎、抗過(guò)敏、鎮(zhèn)痛、抗菌、抗病毒等作用［2，3］。

目前提取黃酮類化合物的常用方法有熱水法、醇法、稀堿法及溶劑法等，用于分離黃酮類化合物的方法主要有溶劑或pH梯度萃取、鉛鹽沉淀、硼酸絡(luò)合、柱層析等方法［4-6］。這些方法存在工序復(fù)雜，耗用有機(jī)溶劑多和生產(chǎn)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。研究表明滁菊花提取液中主要含有生物堿、苷類、黃酮類、酚類等生物活性成分和一些無(wú)機(jī)小分子物質(zhì)，同時(shí)含有大量的亞微粒、微粒及絮狀沉淀和一些如淀粉、樹(shù)膠、果膠、粘液質(zhì)、蛋白質(zhì)等可溶性大分子雜質(zhì)。本文采用膜分離技術(shù)對(duì)滁菊花水提取液進(jìn)行處理，探討了膜技術(shù)純化菊花總黃酮的工藝，為膜技術(shù)用于中草藥深加工和工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

分離純化工藝流程如圖1所示。

圖1 膜分離純化工藝流程Fig.1 The process of membrane separation and purification

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料:干菊花 由安徽省滁州市滁菊研究所提供;蘆丁對(duì)照品中國(guó)藥品生物制品檢定所;試劑無(wú)水乙醇、NaOH、NaNO2、Al(NO3)3等均為分析純。

儀器:超聲波逆流提取機(jī)，江蘇丹陽(yáng)制藥機(jī)械廠;AEL－160電子天平，日本島津公司;R－201型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，北京長(zhǎng)安科學(xué)儀器廠;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海申賢恒溫設(shè)備廠;Buchi mini spray dryer B-290噴霧干燥機(jī)，瑞士BUCHI實(shí)驗(yàn)室儀器公司; 724型分光光度計(jì)，上海光學(xué)儀器五廠;SJM-FHM無(wú)機(jī)陶瓷復(fù)合膜分離設(shè)備和SJM-UHM超濾膜分離設(shè)備，合肥世杰膜公司;陶瓷膜，材料Al2O3，19管道，長(zhǎng)度42 cm，膜面積0.2 m2，孔徑0.5 μm;超濾膜，采用聚砜卷式中空纖維膜，19管道，長(zhǎng)度42 cm，膜面積0.2 m2，選用截留分子量3×104、1.5×104、8× 103和5×103幾種膜進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 目標(biāo)物的測(cè)定

1.2.1 固形物得率測(cè)定

取待測(cè)液適量，經(jīng)干燥得提取固形物，在恒溫下稱重，可計(jì)算出相應(yīng)固形物得率。

1.2.2 菊花總黃酮測(cè)

按文獻(xiàn)［7，8］的方法，測(cè)得蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度與溶液吸光度值，然后用最小二乘法作線性回歸處理，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程:Y=96.838A-2.868(R= 0.9975)。精確稱取所得提取物樣品5.00 g，用體積分?jǐn)?shù)為30%的乙醇完全溶解并移入100 mL定量瓶中，按照測(cè)定蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度的測(cè)定方法測(cè)定吸光度A，代入回歸方程可求出提取物中黃酮含量。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 菊花提取液制備

將菊花粉碎成20目左右粗粉，以水為溶媒，用超聲波逆流提取機(jī)組進(jìn)行提取，提取條件為液料比20 mL/g，提取溫度70℃，提取時(shí)間30 min［9］。提取液經(jīng)粗濾得菊花總黃酮提取液。

1.3.2 菊花提取液純化試驗(yàn)

采用無(wú)機(jī)陶瓷膜和超濾膜對(duì)滁菊花提取液進(jìn)行兩級(jí)處理，陶瓷膜微濾處理菊花提取液，目的是除去大量亞微粒、微粒及絮狀沉淀和一些大分子物質(zhì)，為超濾提供可靠的預(yù)處理;超濾膜處理陶瓷膜透過(guò)液，目的是除去料液中分子量較小的無(wú)機(jī)小分子物質(zhì)［10，11］。對(duì)超濾膜截留液進(jìn)行濃縮、干燥既得目標(biāo)物(菊花總黃酮)。

膜孔徑是影響膜分離中目標(biāo)物得率和含量大小的關(guān)鍵因素，而溶液溫度和操作壓力對(duì)膜濾過(guò)程和膜通量的穩(wěn)定性影響顯著，因此試驗(yàn)中以固形物得率、菊花總黃酮含量和膜能量穩(wěn)定性為指標(biāo)，分別考察膜孔大小對(duì)純化效果的影響，考察溶液溫度和操作壓力對(duì)純化過(guò)程影響，以確定最佳的膜分離純化菊花黃酮的工藝參數(shù)。

其中黃酮轉(zhuǎn)移率及提取物中總黃酮含量公式如下:

黃酮轉(zhuǎn)移率 =(膜透過(guò)液黃酮含量/原料液黃酮含量)×100%;

提取物中總黃酮含量 =(膜透過(guò)液中總黃酮含量/膜透過(guò)液中總固體含量)×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 微濾過(guò)程

2.1.1 膜孔徑的選擇

在操作壓力為0.20 MPa、提取液溫度為30℃條件下，分別選用0.1、0.2、0.5、0.8 μm的陶瓷膜對(duì)提取液依次進(jìn)行錯(cuò)流循環(huán)過(guò)濾，考察不同膜孔徑下提取液中總黃酮透過(guò)率。結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同膜孔徑下提取液中總黃酮透過(guò)率Fig.2 Penetration rate of chrysanthemum flavones under different pore size

由圖2可看出，采用陶瓷膜處理菊花提取液時(shí)，菊花黃酮透過(guò)率與膜孔徑在一定范圍內(nèi)成正比;當(dāng)膜孔徑大于0.5 μm后，隨著膜孔徑的增加，透過(guò)率有所減小，這與提取液中分子極性和所要透過(guò)物質(zhì)分子量有關(guān)。

表1 陶瓷膜過(guò)濾前后提取液中成分變化情況Table 1 Change of extract liquid ingredients after filtration by ceramic membrane

選擇孔徑為0.5 μm陶瓷膜，在30℃、過(guò)濾壓差為0.26 MPa，流量50 mL/s條件下對(duì)提取液進(jìn)行錯(cuò)流循環(huán)微濾。經(jīng)微濾的透過(guò)液澄清透明，提取液和透過(guò)液中總固形物和總黃酮含量見(jiàn)表1。

由表1可看出，經(jīng)陶瓷膜處理后的透過(guò)液中固形物比原提取液中降低，而固形物中黃酮含量比原來(lái)提高，對(duì)過(guò)濾前后提取液中總黃酮含量計(jì)算，得陶瓷膜對(duì)菊花黃酮的截留率為5%。說(shuō)明采用陶瓷膜處理菊花提取液，能把其中微粒、絮狀沉淀等大分子雜質(zhì)截留掉，而讓菊花黃酮等小分子物質(zhì)通過(guò)。

2.1.2 溶液溫度的選擇

采用孔徑為0.5 μm的陶瓷膜，在操作壓力為0.20 MPa條件下對(duì)不同溫度提取液進(jìn)行微濾，考察不同溫度下膜通量隨運(yùn)行時(shí)間的變化關(guān)系。結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度對(duì)膜通量的影響Fig.3 Effect of temperature on membrane flux

由圖3可以看出，在低溫操作時(shí)，溫度對(duì)膜通量的影響很小;隨著溫度升高，特別是當(dāng)溫度超過(guò)40℃后隨著溫度升高膜通量明顯增大;分析認(rèn)為隨溫度升高，菊花提取液的黏度減小，可能使膜通量增加，應(yīng)利用無(wú)機(jī)陶瓷膜耐高溫的特性盡量在高溫條件下操作。同時(shí)，當(dāng)溫度升到一定程度，容易導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生變性，使溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)減小和膜表面濃差極化增加，影響對(duì)大分子雜質(zhì)截留。從運(yùn)行成本、操作方便以及溫度過(guò)高對(duì)蛋白質(zhì)等大分子有機(jī)物截留不利等方面綜合考慮，確定操作溫度為50℃。

2.1.3 操作壓力的選擇

圖4 操作壓力對(duì)膜通量的影響Fig.4 Effect of pressure on membrane flux

采用孔徑為0.5 μm的陶瓷膜，在提取液溫度為50℃條件下，進(jìn)行不同操作壓力提取液進(jìn)行微濾，考察不同操作壓力對(duì)膜通量的影響。結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，在較低壓力下操作時(shí)，膜通量與操作壓力基本上呈正比;當(dāng)操作壓力大于0.25 MPa以后，膜通量隨壓力的增加而降低。在無(wú)機(jī)膜過(guò)濾過(guò)程中，存在臨界壓力［12］，在臨界壓力之下，膜通量與操作壓力呈正比例關(guān)系;高于臨界壓力，由于膜表面極化層逐漸形成，增大的傳質(zhì)動(dòng)力很快被加劇的濃差極化作用所抵消，同時(shí)可能導(dǎo)致膜孔堵塞，使過(guò)濾壓力與膜通量不再是正比例關(guān)系。因此，從減少動(dòng)耗和兼顧設(shè)備生產(chǎn)能力的角度綜合考慮，最佳操作壓力為0.25 MPa。采用0.5 μm的陶瓷膜，在料液溫度為50℃，操作壓力為0.25 MPa下進(jìn)行微濾，其膜通量隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 微濾時(shí)間對(duì)膜通量的影響Fig.5 Effect of microfiltration time on permeate flux

由圖5可見(jiàn)，在剛開(kāi)始過(guò)濾的20 min內(nèi)，膜通量由270 L/(m2·h)急劇下降至70 L/(m2·h)左右，降低了74%，這主要是由于提取液中雜質(zhì)吸附在膜上引起的，隨著過(guò)濾的進(jìn)行，在30～180 min內(nèi)，膜通量幾乎不變，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)膜通量維持在55～65 L/(m2·h)之間，過(guò)程穩(wěn)定。

2.2 超濾過(guò)程

2.2.1 膜孔徑的選擇

分別采用截留分子量3×104、1.5×104、8×103和5×103的超濾膜對(duì)微濾后的透過(guò)液進(jìn)行超濾，超濾條件是溫度40℃、壓力1.4 MPa。對(duì)不同膜處理所得截留液及固形物檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2所示。

從表2可以看出，不同的規(guī)格的超濾膜組件，對(duì)菊花提取液中固形物和黃酮的截留率不同，隨著膜組件截留分子量的減小，相應(yīng)截留液中固形物含量增大，但當(dāng)膜截留分子量小于8×103時(shí)，對(duì)黃酮截留率大于80%，截留液中固形物和黃酮含量增加不顯著;同時(shí)，對(duì)所得固形物中黃酮含量分析，可知采用截留分子量為8×103的膜處理后，所得固形物中總黃酮含量為19.81%。考慮到超濾的效率和成本，所以選用截留分子量為8×103的膜作為超濾膜。

表2 不同超濾膜處理后截留液中總黃酮含量Table 2 Flavonoids contents of withheld fluid after filtration process with different ultrafiltration membrane

2.2.2 溶液溫度的選擇

采用截留分子量8×103的超濾膜，操作壓力為1.4 MPa，進(jìn)行超濾，測(cè)得不同溫度下的膜通量變化，如圖6所示。

圖6 溶液溫度對(duì)膜通量的影響Fig.6 Effect of solution temperature on permeate flux

由圖6可以看出，當(dāng)溫度在40℃以下時(shí)，隨著溫度的升高，膜通量增加明顯;而高于40℃時(shí)，膜通量趨于穩(wěn)定。原因是初始時(shí)由于溫度的升高，膜面上的大分子物質(zhì)向兩側(cè)溶液中擴(kuò)散速度增加，從而減輕了濃差極化和凝膠層的產(chǎn)生，使得膜的滲透性能提高，膜通量增加;當(dāng)溫度升到一定值后，溶液中一些成分發(fā)生熱變性，溶解度減小，并在膜面上堆積造成膜通量下降。試驗(yàn)選定溶液溫度是為40℃。

2.2.3 操作壓力的選擇

采用截留分子量8×103的超濾膜，在溶液溫度40℃時(shí)，進(jìn)行超濾，測(cè)得不同壓力下的膜通量變化，如圖7所示。

圖7 操作壓力對(duì)膜通量的影響Fig.7 Effect of operation pressure on permeate flux

由圖7可以看出，隨著操作壓力的增大，料液透過(guò)膜的通量也隨之增加，當(dāng)壓力達(dá)到1.6 MPa后，膜通量趨于穩(wěn)定。原因是操作壓力增大到一定程度時(shí)，增加了超濾膜和主體料液之間的濃度差，使膜面上凝膠層形成較快，增大了料液通透阻力，使膜通量穩(wěn)定在一定的水平，所以選定操作壓力為1.6 M Pa。

采用截留分子量為8×103膜，在溶液溫度40℃、操作壓力1.6 MPa條件下進(jìn)行超濾，膜通量隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖8。

圖8 超濾時(shí)間對(duì)膜通量的影響Fig.8 Effect of ultrafiltration time on membrane flux

由圖8可見(jiàn)，超濾過(guò)程中，膜通量除在開(kāi)始有稍許下降外，膜通量的衰減變化不顯著，在20～120 min內(nèi)膜通量穩(wěn)定在40 L/m2·h左右。由于采用了陶瓷膜進(jìn)行微濾預(yù)處理，去除了大量的大分子物質(zhì)，減輕了濃差極化和凝膠層阻隔作用，因而使超濾過(guò)程較為穩(wěn)定。

3 結(jié)論

利用膜技術(shù)分離純化菊花黃酮方法可行，操作簡(jiǎn)單可靠，所得產(chǎn)品質(zhì)量好;通過(guò)試驗(yàn)選擇最佳的工藝參數(shù)為:陶瓷膜，孔徑0.5 μm，溶液溫度50℃、操作壓力0.25 MPa;超濾膜，截留分子量為8×103，溶液溫度40℃、操作壓力1.60 MPa。因此采用膜分離技術(shù)可以有效地分離純化菊花黃酮，其操作工藝簡(jiǎn)單可靠，純化效率高。

1 "National Chinese herbal medicine"Writing Group(《全國(guó)中草藥匯編》編寫組).National Chinese Herbal Medicine，next(全國(guó)中草藥匯編，下).Beijing:People's Medical Publishing House，1975.789-790.

2 Zhang QH(張清華)，Zhang L(張玲).Research Advance in Chemical Composition and Pharmacological Action of Chrysanthemum morifolium.Food and Drug(食品與藥品)，2007，9(2):60-63.

3 Zhang J(張健)，et al.Chemical Constituents from Chrysanthemum morifolium Ramat.Nat Prod Res Dev(天然產(chǎn)物研究與開(kāi)發(fā))，2006，18:71-73.

4 Wang JW(王加文)，et al.Study Extraction of Flavonoids Form Flos Chrysanthemi.Hebei Chem Eng Ind(河北化工)，2010，33(12):19-21.

5 Tong YW(佟永薇).The Research and Prospects of Flavonoids Extraction Methods.Food Research and Development (食品研究與開(kāi)發(fā))，2008，29:189-190.

6 Ji M(季梅)，Ji H(季華).Application of New Techniques in Separation and Purification of Effective Component from Natural Products.Food and Drug(食品與藥品)，2007，9(9): 62-64.

7 Tu YF(涂云飛)，et al.Applying micro-filtration of ceramic membrane to sasanquasaponin of the crude extracts.Membrane Sci Tech(膜科學(xué)與技術(shù))，2008，28(3):64-67.

8 Yi KC(易克傳)，Yue PX(岳鵬翔).Membrane Separation-Technology and Its Applicationin Separating and Purifying of Chinese Herbs and Drugs.Packaging and Food Machinery (包裝與食品機(jī)械)，2008，26(2):4-7.

9 Yang M(楊銘)，et al.Comparison of UV-VIS Spectrophotometry for the Detection of Flavonoids in Chrysanthemum.Guangdong Chem Ind(廣東化工)，2007，34:113-114.

10 Chen GP(陳國(guó)平)，Wei F(韋峰).Determination of flavones in Chrysanthemum Indicum L.Flower in Huangshan.J Huangshan Univ(黃山學(xué)院學(xué)報(bào))，2006，8(3):44-45.

11 Yi KC(易克傳)，et al.Study on ultrasonic wave dynamic countercurrent extraction equipment and extraction experiment.Acta Agric Mach(農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào))，2007，38:109-112.

12 Xu NP(徐南平)，Xing WH(邢衛(wèi)紅)，Zhao YJ(趙宜江).Inorganic Membrane Separation Technology and Application (無(wú)機(jī)膜分離技術(shù)與應(yīng)用).Beijing:Chemical Industry Press，2003.129-132.

Study of Purification of Chrysanthemum Flavonoids by Membrane Technology

YI Ke-chuan*，ZENG Qi-liang，LI Hui
College of Technology，Anhui Science and Technology University，F(xiàn)engyang 233100，China

In order to determine the optimum technological parameters to separate and purify flavonoids from chrysanthemum extract solution by membrane separation technology，the microfiltration and ultrafiltration experiment were carried out to observe the purification effects on different types of membranes，different solution temperatures，different operating pressure and process time.The results showed that the optimum microfiltration condition were as follows:the membrane aperture was 0.5 μm，the filtration pressure was 0.25 Mpa，the solution temperature was 50℃ and the time was 180 min;the optimum ultrafiltration condition were as follows:the membrane withheld molecular weight was 8×103da，the operating pressure was 1.6 Mpa，the solution temperature was 40℃ and the time was 120 min and the total flavonoids purity was 19.81%.The technology is simple and have high purification efficiency.

membrane technology;ceramic membrane;ultrafiltration membrane;chrysanthemum flavonoids;purfication

1001-6880(2012)10-1449-05

2012-02-10 接受日期:2012-06-01

安徽高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(KJ2010A075);科技部星火計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2010GA710009)

*通訊作者 Tel:86-532-88963253;E-mail:yikechuan@sina.com

TQ028.5+3;R284.2

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