李存玉+馬赟+劉莉成+陸茜+彭國平

[摘要] 該文基于納濾分離中的溶解-擴散效應和電荷效應理論，擬合傳質系數(shù)與初始濃度的相關性，構建預測辛弗林傳質過程中的數(shù)學模型，并驗證其適用性。實驗結果表明，操作壓力與膜通量存在線性關系，隨著辛弗林濃度升高膜通量出現(xiàn)衰減。在溶解-擴散效應和電荷效應的雙重作用下，其傳質系數(shù)與初始濃度呈現(xiàn)冪函數(shù)相關，回歸系數(shù)均大于0.9，發(fā)現(xiàn)解離狀態(tài)下的辛弗林傳質系數(shù)小于游離態(tài)及解離-游離共存態(tài)。建立的納濾傳質預測數(shù)學模型，通過枳實提取液驗證發(fā)現(xiàn)辛弗林截留率與實驗值接近，該模型實用可行。以辛弗林為例建立的納濾分離預測模型，解決了中藥生物堿類成分納濾分離機制不清晰的問題，為中藥生物堿類成分的常溫化精制富集提供理論和技術支撐。

[關鍵詞] 辛弗林； 納濾； 傳質過程； 電荷效應； 溶解-擴散效應

[Abstract] Based on the solution-diffusion effect and the charge effect theory in nanofiltration separation， the correlation between initial concentration and mass transfer coefficient was constructed to establish a mathematic model of synephrine in mass transfer process and verify its applicability. The experimental results showed that there was a linear relationship between operation pressure and membrane flux. Meanwhile， the membrane flux was gradually decayed with the increase of solute concentration. Besides， mass transfer coefficient and initial concentration of synephrine showed power function correlation with each other by solution-diffusion effect and the charge effect， and the regression coefficients were greater than 0.9. The mass transfer coefficient of dissociation synephrine was less than that in the state of free and free-dissociation. Moreover， on the basis of power function relationship between mass transfer coefficient and initial concentration， the results showed that the predicted rejections of synephrine from Citrus aurantium water extract by use of the mathematical model approximated well to real ones， verifying that the model was practical and feasible. The unclear separation mechanism of nanofiltration for alkaloids was clarified preliminary by the predicted model of nanofiltration separation with synephrine as the example， providing theoretical and technical support for nanofiltration separation， especially for traditional Chinese medicine with alkaloids.

[Key words] synephrine； nanofiltration； mass transfer process； charge effect； solution-diffusion effect

納濾是膜分離技術中的一種，截留相對分子質量在100～1 000，具有分離過程可常溫操作，無熱效應，能耗低，不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點[1]，在中藥成分的精制、分離等過程具有廣闊的應用前景。中藥成分結構復雜多樣，且納濾在中藥制劑生產(chǎn)中尚處于初級階段，依靠納濾分離經(jīng)典模型，無機離子的細孔模型[2]、DSPM（Donnan steric partitioning pore）模型[3]等分離理論難以有效解釋其分離行為，預測其分離規(guī)律。

辛弗林是中藥陳皮、枳實中代表性的小分子生物堿，具有增強心血輸出量、提高總外周血管阻力而使左心室壓力及動脈血壓上升的作用[4-5]。分子式C9H13NO2（167.21），長時間高溫、光照影響其成分穩(wěn)定性[6]。采用納濾對其富集精制將會有效避免因熱處理帶來的損失，但是其納濾分離規(guī)律及傳質機制尚不清晰，本研究選用一種應用廣泛的商業(yè)納濾膜，借鑒溶解-擴散效應和道南效應理論[7-8]，構建辛弗林納濾傳質模型，預測在不同溶質濃度和操作壓力下納濾對辛弗林的富集效果，以期提升納濾分離在中藥制藥領域的適用性。

1 材料

枳實藥材購自安徽亳州，批號201610901，經(jīng)南京中醫(yī)藥大學嚴輝副教授鑒定為蕓香科植物酸橙Citrus aurantium L.的干燥幼果，符合2015年版《中國藥典》相關項下要求。endprint

復合聚酰胺納濾膜（型號NFX，截留相對分子質量150～300），購自南京拓鉒醫(yī)藥科技有限公司；辛弗林提取物（批號20151015，質量分數(shù)≥98%），購自南京澤朗生物科技有限公司；辛弗林對照品（批號110727-201107，質量分數(shù)≥98%），購自中國食品藥品檢定研究院；乙腈為色譜純，乙醇為分析純，水為純化水，其他試劑均為分析純。

Agilent 1100高效液相色譜儀，VWD檢測器（美國安捷倫公司）；TNZ-1納濾分離設備（南京拓鉒醫(yī)藥科技有限公司）；PB-10型pH計（德國Sartorius公司）；AL204 1/1萬電子天平（瑞士METTLER TOLEDO集團）；KH-250B型超聲波清洗器（昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司）。

2 方法

2.1 溶液的制備

2.1.1 枳實提取液 稱取枳實藥材5 kg，加入10倍純化水提取2次，每次1 h，0.45 μm微孔濾膜過濾，合并濾液，得枳實提取液。

2.1.2 辛弗林對照品溶液 精密稱取辛弗林對照品0.010 20 g，置于10 mL量瓶中，加50%甲醇水溶液稀釋至刻度，搖勻，即得辛弗林對照品溶液（1.020 g·L-1）。

2.1.3 辛弗林提取物溶液 精密稱取辛弗林提取物適量，純化水超聲溶解混勻，配置含辛弗林質量濃度為200 mg·L-1的水溶液。

2.2 pKa測定[9]

通過測定辛弗林pKa，分析溶質在溶液中的存在狀態(tài)，進而調節(jié)溶質存在狀態(tài)，考察對傳質過程的影響。由于辛弗林分子結構中含有亞胺基團，按照一元弱堿的pKa測定方法。精密量取系列濃度的辛弗林提取物水溶液各20 mL置于潔凈干燥的燒杯中，使用鹽酸標準液滴定，采用濃度為0.100 3 mol·L-1的鹽酸滴定，每滴加1.0 mL 鹽酸記錄1次pH，繪制pH-鹽酸體積（V）曲線，待曲線斜率接近1.0時，然后將鹽酸滴加量調整為每次0.2 mL記錄1次pH，直至曲線斜率趨于無窮大，即為滴定終點，重復滴定操作3次，根據(jù)下式計算pKa。

2.3 納濾操作

按照試驗設計要求，取純化水清洗至中性條件下的納濾膜，組裝納濾系統(tǒng)，見圖1，根據(jù)測定的辛弗林pKa，調節(jié)辛弗林提取物溶液pH改變其存在狀態(tài)（游離、解離、游離-解離共存），將藥液置于納濾系統(tǒng)中進行循環(huán)平衡，待儲液罐中辛弗林濃度趨于穩(wěn)定時，認定其在納濾膜中的吸附-解吸附達到平衡時，取樣平衡液，進而將溶液進行納濾，待納濾完成后，取樣納濾液。其中納濾操作壓力通過調節(jié)中壓泵功率及調速閥控制濃縮液出口流量，調節(jié)壓力分別為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 MPa；辛弗林提取物溶液梯度稀釋至相應初始質量濃度為200，150，100，50，10 mg·L-1。

2.4 納濾分離理論[10-11]

基于納濾分離原理“溶解-擴散效應”，溶質在納濾分離過程中，假設溶質與溶劑首先與膜材質接觸進而溶解于膜表面，進而通過壓力差、濃度差產(chǎn)生的化學勢推動下透過納濾膜，該模型可以表達如下。

2.5 樣品檢測

2.5.1 色譜條件[12] Hanbon C18色譜柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流動相甲醇-磷酸二氫鉀溶液（取磷酸二氫鉀0.6 g，十二烷基苯磺酸鈉1.0 g，冰醋酸1 mL，加超純水溶解并稀釋至1 000 mL）50∶50；檢測波長275 nm；流速1 mL·min-1；進樣量10 μL；柱溫30 ℃。

2.5.2 線性關系 精密吸取辛弗林對照品溶液 0.05，0.10，0.20，0.50，1.00，2.00 mL 分別置于10 mL的量瓶中，甲醇定容至刻度，Agilent 1100高效液相色譜儀檢測，以峰面積為縱坐標（Y），對照品溶液濃度為橫坐標（X），得線性回歸方程Y=5.32X+5.57，R2=0.999 2。辛弗林在5.100～204.0 mg·L-1，線性關系良好。

2.6 納濾分離模型驗證

取枳實提取液，采用2.5項下條件檢測辛弗林濃度，根據(jù)辛弗林pKa調節(jié)溶液pH使其分別以游離態(tài)、解離態(tài)及其游離態(tài)-解離態(tài)共存形式存在，0.45 μm微孔濾膜過濾，采用納濾膜對建立的納濾傳質模型進行應用驗證，操作壓力分別為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 MPa，計算辛弗林表觀截留率Ro，并與模型預測值對比，驗證納濾傳質模型的實用性。

3 結果

3.1 不同濃度辛弗林的pKa

辛弗林的pKa數(shù)據(jù)見表1，辛弗林在質量濃度10～200 mg·L-1，其相應pKa在8.25～8.84，為了考察解離、游離存在狀態(tài)對納濾傳質系數(shù)的影響，因此分別調節(jié)辛弗林提取物水溶液環(huán)境至pH 4.0使其以解離態(tài)形式存在、pH 10使其以游離態(tài)形式存在、pH 8.5使其以解離-游離態(tài)形式共存。

3.2 辛弗林的納濾膜通量

納濾膜通量可以體現(xiàn)出其分離效率，分析不同辛弗林初始濃度和操作壓力條件下的納濾膜通量，見圖2～4，可以看出膜通量與壓力呈現(xiàn)出良好的線性關系，由公式（2）可知納濾膜通量隨著膜兩側壓力差的增加而隨之大。

濃度對膜通量具有一定的影響，隨著初始濃度的增加，膜通量呈現(xiàn)出輕微衰減，主要是由于溶質濃度的增加引起溶液黏度升高，同時膜污染趨勢也隨之增加，導致膜通量衰減。不同濃度之間的膜通量差異，隨著操作壓力的增加此現(xiàn)象愈加明顯，這主要是膜面濃差極化引起的膜污染等因素有關[13]。

對比圖2～4可發(fā)現(xiàn)，pH對辛弗林的膜通量存在一定的影響，隨著溶液pH的升高，膜通量也呈現(xiàn)出增加的趨勢，其中在酸性條件下辛弗林水溶液的膜通量低于另外2種溶液環(huán)境，推測以解離態(tài)形式存在的辛弗林相較于游離態(tài)辛弗林，與納濾膜表面存在更強的電荷排斥效應，不利于進入膜表面，從而表現(xiàn)出通量偏低的現(xiàn)象。endprint

3.3 構建傳質擬合模型

3.3.1 游離態(tài) 辛弗林在不同濃度條件和操作壓力條件下對ln[（1-Ro）·Jv/Ro]和Jv進行相關性擬合，見圖5，二者具有線性相關，進而擬合線性方程計算傳質系數(shù)k和ln（DK/δ），見表2，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)隨著辛弗林濃度的增加其傳質系數(shù)隨之增大，結果與納濾分離原理中的溶解-擴散經(jīng)典模型相符。

3.3.2 解離-游離態(tài)共存 在pH 8.5條件下，辛弗林的存在狀態(tài)為解離態(tài)與游離態(tài)共存，通過ln（1-Ro）·Jv/Ro和Jv進行相關性擬合，見圖6，相關性曲線斜率較游離態(tài)時有所增加，其傳質系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，主要是由于在納濾分離過程中是解離-游離辛弗林共存，其中游離態(tài)辛弗林優(yōu)先接近膜表面進而溶解并隨著壓力推動通過納濾膜孔，解離態(tài)辛弗林因為與納濾膜表現(xiàn)出電荷效應，從而難以通過納濾膜，從而呈現(xiàn)出辛弗林傳質系數(shù)減小的趨勢，見表3，以此也可以初步判斷電荷效應對辛弗林傳質過程的影響程度。同時，隨著辛弗林濃度的增加其傳質系數(shù)隨之增大，說明其分離過程是溶解-擴散和電荷效應綜合作用的結果。

3.3.3 解離態(tài) 在pH 4.0條件下，辛弗林完全解離，ln[（1-Ro）·Jv/Ro]和Jv進行相關性擬合，見圖7，溶液中以解離態(tài)形式存在的辛弗林因與納濾膜之間的電荷排斥，從而難以進入納濾膜表面，較游離態(tài)中的辛弗林傳質系數(shù)明顯下降，見表4，說明此時辛弗林的納濾分離過程中以電荷效應為主導，且實驗過程中發(fā)現(xiàn)辛弗林截留率也較其他溶液環(huán)境有明顯提升，在低濃度時其截留率高于90%。此外，ln（DK/δ）與辛弗林初始濃度大小無直接相關性，與其存在狀態(tài)存在一定相關性，游離態(tài)時高于另外解離態(tài)。

3.4 傳質模型驗證

分別對3種酸堿環(huán)境下的辛弗林濃度和傳質系數(shù)進行數(shù)據(jù)擬合分析，發(fā)現(xiàn)傳質系數(shù)與溶質濃度呈現(xiàn)冪相關，傳質系數(shù)與初始濃度的相關性方程及l(fā)n（DK/δ），見表5，根據(jù)公式（6）計算得到在膜通量Jv和初始濃度Co條件下辛弗林表觀截留率Ro。

液相檢測枳實水提液中辛弗林的質量濃度為165.5 g·L-1，通過操作壓力下與膜通量的轉換，對3種pH條件下的辛弗林截留率進行擬合，進而通過納濾分離，對比預測數(shù)據(jù)與實驗驗證數(shù)據(jù)見圖8。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，辛弗林截留率的實驗值和預測值接近，其中實驗值高于預測值，這是由于枳實提取液的多成分在膜表面的競爭溶解透過引起的。此外，枳實中含有柚皮苷、新橙皮苷等黃酮類成分，在水提液中與辛弗林可能以復合物的形式存在，引起分子團增加，引起其表觀截留率上升。辛弗林截留率的實 驗值操作壓力升高其增加趨勢愈加明顯，推測壓力偏高時濃差極化效應的影響，引起辛弗林表觀截留率的升高。

4 討論

辛弗林的納濾分離過程也是溶質分子在膜表面溶解并滲透通過膜孔的傳質過程，其傳質系數(shù)與其存在狀態(tài)相關，尤其以離子態(tài)形式存在的辛弗林因電荷排斥而難以接近膜表面從而保持了高截留率，且以解離態(tài)存在的辛弗林納濾傳質系數(shù)明顯低于游離態(tài)。本文基于納濾分離理論中的溶解-擴散效應和電荷效應，同時考慮成分的存在狀態(tài)，建立了中藥枳實中辛弗林的納濾分離預測模型，能夠有效的對辛弗林的截留率進行預測，具有較強的實用性。初步解決了因中藥成分納濾分離機制不清晰而導致納濾技術難以產(chǎn)業(yè)推廣的難題。

在數(shù)據(jù)擬合和分離模型構建過程中，溶液膜通量數(shù)據(jù)與模型預測結果的準確性直接相關，而膜污染對膜通量影響顯著，因此在對中藥提取液開展分離機制研究時，需要進行預處理提高提取液的澄明度，從而提高模型預測的準確度。納濾技術產(chǎn)業(yè)化推廣過程中，仍存在設備成本偏高，增加企業(yè)負擔。中藥制劑生產(chǎn)過程中因膜組件污染引起的通量衰減，將直接影響生產(chǎn)效率。同時，納濾膜與藥液的相互作用特征（兼容性）、納濾膜完整性及其孔徑的標準化測定尚需要進一步的規(guī)范化研究，從而保障中藥成分分離精制的高效、一致。

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[責任編輯 孔晶晶]endprint