主题：高分子吸附剂及其在天然产物提取分离中的应用

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