李存玉，章 蓮，楊 彤，李 碩，李賀敏，彭國平，支興蕾*

基于傳質(zhì)模型分析三七總皂苷超濾界面層分布特征及影響規(guī)律

李存玉1, 2, 3，章 蓮1，楊 彤1，李 碩1，李賀敏1，彭國平1, 2, 3，支興蕾1*

1. 南京中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，江蘇 南京 210023 2. 江蘇省經(jīng)典名方工程研究中心，江蘇 南京 210023 3. 江蘇省中藥資源產(chǎn)業(yè)化過程協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023

基于傳質(zhì)模型，探索三七總皂苷（saponins，PNS）超濾膜界面層濃度分布特征及影響規(guī)律。以PNS中4種指標(biāo)性成分三七皂苷R1（R1）、人參皂苷Rg1（Rg1）、人參皂苷Rb1（Rb1）和人參皂苷Rd（Rd）為檢測指標(biāo)，收集膜通量與指標(biāo)成分截留率，基于超濾分離系數(shù)與膜通量、溶質(zhì)截留率的相關(guān)性，擬合界面層濃度冪函數(shù)方程。對(duì)比混合溶液、單體溶液、成分組合對(duì)指標(biāo)性成分界面層濃度的影響規(guī)律，采用響應(yīng)曲面法考察成分組合配比（Rg1-Rd）、超濾膜截留相對(duì)分子質(zhì)量、跨膜壓力差對(duì)界面層濃度分布的影響規(guī)律，探討超濾分離機(jī)制。界面層濃度冪函數(shù)回歸系數(shù)均大于0.95，指標(biāo)性成分界面層濃度與溶質(zhì)濃度、跨膜壓力差呈正性相關(guān)，隨著截留相對(duì)分子質(zhì)量的增加，PNS的超濾過程以界面層過濾向溶液過濾分離逐步過渡，表現(xiàn)出界面分布趨向性人參三醇型皂苷＞人參二醇型皂苷，其中Rg1可以抑制Rd進(jìn)入界面層，從而影響其分離過程。構(gòu)建了皂苷類成分超濾界面層濃度計(jì)算方法，初步闡明了PNS界面層分布特征和影響規(guī)律。

界面層濃度；三七總皂苷；超濾；傳質(zhì)模型；人參皂苷Rg1；人參皂苷Rd；人參皂苷Rb1；三七皂苷R1

三七總皂苷（saponins，PNS）作為五加科人參屬植物三七(Burk.) F. H. Chen中的主要藥效成分，具有改善高脂血癥、高血壓、心肌缺血的功效[1-3]，臨床上常用制劑有血塞通注射液、血栓通注射液等[4-5]。PNS主要含有三七皂苷R1（R1）、人參皂苷Rg1（Rg1）、人參皂苷Rb1（Rb1）和人參皂苷Rd（Rd），4種成分均為四環(huán)三萜類皂苷，相對(duì)分子質(zhì)量801～1109。前期研究中發(fā)現(xiàn)，4種成分具有相似的結(jié)構(gòu)與分子量特征，但在注射劑超濾關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)R1和Rg1透過率明顯高于Rb和Rd[6]，差異性的分離行為直接影響藥效物質(zhì)組成，且難以采用經(jīng)典的超濾分子篩分理論解釋其內(nèi)在原因。

超濾分離過程中溶液與濾膜接觸后出現(xiàn)一層非均勻分布的液-固界面層，呈現(xiàn)出“溶液擴(kuò)散至界面層，界面層中成分根據(jù)膜孔大小進(jìn)行分離”的過濾特征。界面層流體是兩相相互滲透形成的分子非均勻分布層，其物化性質(zhì)由兩相共同決定，因受環(huán)境影響且其流動(dòng)性表現(xiàn)出的不易獲取特征，目前尚無方法直接分析界面層成分分布特征[7-9]。因此，構(gòu)建溶質(zhì)界面層分布特征表征模型將有助于解明PNS類成分的分離差異，完善超濾分離機(jī)制。

本實(shí)驗(yàn)以PNS中4種代表性成分R1、Rg1、Rb1和Rd為研究對(duì)象，收集各成分截留率、膜通量數(shù)據(jù)，基于膜分離系數(shù)與膜通量、溶質(zhì)截留率的相關(guān)性[10-11]，擬合界面層濃度冪函數(shù)方程，對(duì)比混合溶液、單體溶液、成分組合對(duì)指標(biāo)性成分界面層濃度的影響規(guī)律，采用響應(yīng)曲面法考察成分組合配比、超濾膜截留相對(duì)分子質(zhì)量、跨膜壓力差對(duì)界面層濃度分布的影響規(guī)律，以期闡明PNS的超濾分離機(jī)制，為中藥皂苷類成分的膜分離應(yīng)用提供理論支撐。

1 儀器與材料

Millipore蠕動(dòng)泵、Direct-Q5超純水機(jī)，美國密理博公司；Agilent 1100高效液相色譜儀，VWD檢測器，美國安捷倫公司；TNZ-1型膜分離組件，南京拓鉒醫(yī)藥科技有限公司；KH-250B型超聲波清洗器，昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司；MS105型十萬分之一電子天平，瑞士Mettler Toledo集團(tuán)；MIK-Y190型數(shù)字壓力表，杭州美儀自動(dòng)化有限公司。

1812型聚醚砜卷式膜，承壓方式外壓式，超濾膜截留相對(duì)分子質(zhì)量5000、10 000、30 000、50 000、100 000，星達(dá)（泰州）膜科技有限公司；PNS提取物，批號(hào)20100701，質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞95%，云南玉溪萬方天然藥物有限公司；對(duì)照品R1（批號(hào)110745- 201619，質(zhì)量分?jǐn)?shù)95.0%）、Rg1（批號(hào)110703-201529，質(zhì)量分?jǐn)?shù)96.3%）、Rb1（批號(hào)110704-201625，質(zhì)量分?jǐn)?shù)95.0%）、Rd（批號(hào)111818-201603，質(zhì)量分?jǐn)?shù)92.1%），均購自中國食品藥品檢定研究院；提取物R1（批號(hào)B105120，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%）、Rg1（批號(hào)B105090，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%）、Rb1（批號(hào)B105087，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%）、Rd（批號(hào)B105101，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%），均購自南京狄爾格醫(yī)藥科技有限公司。甲醇、乙腈為色譜純，水為超純水，其他試劑為分析純。

2 方法與結(jié)果

2.1 溶液的配制

2.1.1 混合對(duì)照品溶液 精密稱取干燥至恒定質(zhì)量的對(duì)照品置5 mL量瓶中，其中R11.80 mg、Rg13.52 mg、Rb12.90 mg、Rd 2.12 mg，甲醇稀釋至刻度，制得含4種皂苷分別為0.360、0.704、0.580、0.424 mg/mL的混合對(duì)照品溶液。

2.1.2 PNS溶液 稱取PNS提取物適量，超純水溶解，超聲10 min，制得質(zhì)量濃度為10.02 mg/mL的PNS溶液。

2.1.3 提取物溶液 根據(jù)PNS溶液中R1、Rg1、Rb1、Rd質(zhì)量濃度，稱取R1、Rg1、Rb1、Rd適量，超純水溶解，超聲10 min，制得質(zhì)量濃度R10.74 mg/mL、Rg12.71 mg/mL、Rb13.44 mg/mL、Rd 0.72 mg/mL的提取物溶液。

2.2 樣品檢測

2.2.1 色譜條件[12]色譜柱為Thermo Scientific Hypersil Gold AQ C18柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）；流動(dòng)相為乙腈-水系統(tǒng)，梯度洗脫流程：0～20 min，20%乙腈；20～45 min，20%～46%乙腈；45～55 min，46%～55%乙腈；55～60 min，55%乙腈；體積流量1.0 mL/min；檢測波長203 nm。

2.2.2 線性關(guān)系考察 分別精密移取混合對(duì)照品溶液0.2、0.5、1.0、2.0 mL置5 mL量瓶中，甲醇稀釋至刻度，分別吸取混合對(duì)照品原液及系列質(zhì)量濃度溶液10 μL，Agilent 1100高效液相色譜儀檢測，以峰面積積分值為縱坐標(biāo)（），混合對(duì)照品溶液質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)（），得線性回歸方程分別為R1＝4 662.8－12.9，2＝0.999 1；Rg1＝6 683.7－40.0，2＝0.999 7；Rb1＝6 071.1＋26.2，2＝0.999 0；Rd＝4 864.6＋60.1，2＝0.998 9；結(jié)果表明R1在0.014～0.360 mg/mL、Rg1在0.028～0.704 mg/mL、Rb1在0.023～0.580 mg/mL、Rd在0.017～0.424 mg/mL各成分峰面積與進(jìn)樣質(zhì)量濃度線性關(guān)系良好。

2.3 超濾分離

連接蠕動(dòng)泵、卷式膜組件以及數(shù)字壓力表，超純水沖洗至超濾端及截留端流出液至酸堿中性，將供試品溶液置于超濾分離系統(tǒng)中，溶液溫度在（20±5）℃，通過調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速以及截留端流速，根據(jù)進(jìn)液端與截留端數(shù)字壓力表的差值，控制跨膜壓力差為0.05、0.10、0.15、0.20 MPa，待膜通量、溶質(zhì)的吸附-解吸附行為趨于穩(wěn)定時(shí)，收集系列壓力下的平衡液和超濾液，并計(jì)算膜通量數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)平行操作3次，取平均值，且過程中以膜通量和跨膜壓力差為核心參數(shù)進(jìn)行平行操作控制。按照“2.2”項(xiàng)下色譜條件及線性關(guān)系，檢測并計(jì)算平衡液及超濾液中待測成分質(zhì)量濃度，根據(jù)式（1）計(jì)算截留率，其中為截留率，1為超濾液中待測成分質(zhì)量濃度，2為平衡液中待測成分質(zhì)量濃度。成分透過率為1－。

＝1－1/2（1）

2.4 擬合界面層溶質(zhì)質(zhì)量濃度

2.4.1 冪函數(shù)方程 基于超濾過程中溶質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入界面層，進(jìn)而通過膜孔篩分實(shí)現(xiàn)有序拆分的分離特征，采用傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型[11]，擬合超濾分離系數(shù)（）與膜通量（）、溶質(zhì)截留率（）的相關(guān)性方程，其中為膜厚度，用于表示膜傳質(zhì)性能。

ln[(1－)·/]＝ln(/]＋/（2）

根據(jù)式（2）的斜率計(jì)算分離系數(shù)，進(jìn)而擬合與和界面層質(zhì)量濃度（C）的冪函數(shù)方程，根據(jù)式（3）和溶質(zhì)的初始質(zhì)量濃度0計(jì)算C。

C＝0·exp(/) （3）

2.4.2 混合溶液的分離系數(shù)和界面層質(zhì)量濃度 將截留相對(duì)分子質(zhì)量5000～100 000分離得到的溶質(zhì)截留率、膜通量進(jìn)行l(wèi)n[(1－)·/]與的相關(guān)性擬合，結(jié)果見圖1。4種指標(biāo)性成分的ln[(1－)·/] 與表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)2均大于0.98。相較于R1和Rg1的散點(diǎn)圖，Rb1和Rd中數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)分散，說明截留相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)Rb1和Rd的分離行為影響程度高于R1和Rg1。為了降低濃差極化對(duì)界面層分布特征的影響，選擇跨膜壓力差為0.05 MPa時(shí)的分離數(shù)據(jù)，根據(jù)式（2）～（3）擬合的分離系數(shù)和界面層質(zhì)量濃度C，冪函數(shù)方程回歸系數(shù)均大于0.95，結(jié)果見表1。4種成分的分離系數(shù)均呈現(xiàn)出升高的趨勢，與超濾膜截留相對(duì)分子質(zhì)量呈正性相關(guān)，其中Rb1和Rd的分離系數(shù)升高幅度均高于R1和Rg1。相較于10.02 mg/mL PNS水溶液中4種指標(biāo)性成分的質(zhì)量濃度，界面層中的質(zhì)量濃度均有所增加，原溶液中R1、Rg1、Rb1、Rd的比例為1∶3.66∶4.65∶0.97，5000超濾膜界面層中比例為1∶3.50∶2.07∶0.43，根據(jù)Fick擴(kuò)散定律[13]，兩相接觸產(chǎn)生界面層，溶質(zhì)擴(kuò)散到界面層速度與原溶液質(zhì)量濃度成正比，而Rb1和Rd表現(xiàn)出質(zhì)量濃度比例下降的規(guī)律，說明超濾分離PNS中4種成分存在一定選擇性。隨著超濾膜截留相對(duì)分子質(zhì)量的增加，4種成分界面層濃度呈現(xiàn)出下降趨勢，按照界面層是由液固兩相共同作用形成，而溶液體系和膜材質(zhì)均未發(fā)生改變，界面層中溶質(zhì)質(zhì)量濃度應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定，表現(xiàn)出下降的變化趨勢的原因是隨著超濾膜孔徑增加，減輕了跨膜壓力差引起的濃差極化現(xiàn)象，引起Rb1和Rd透過率增加，說明超濾膜截留相對(duì)分子質(zhì)量越大，對(duì)于成分分離的選擇性越差。

圖1 不同截留相對(duì)分子質(zhì)量下PNS中4種成分ln[(1－R)·J/R]與J的相關(guān)性

表1 PNS中4種皂苷成分的K、Ci和透過率

Table 1 Separation coefficient, interfacial concentration and transmittance of four components in PNS

截留相對(duì)分子質(zhì)量K/(×10?6m?s?1)Ci/(mg?mL?1)透過率/% R1Rg1Rb1RdR1Rg1Rb1RdR1Rg1Rb1Rd 500014.2514.7938.4638.472.679.345.541.1646.5053.224.081.16 10 00021.9323.1562.5064.972.659.075.381.1165.4270.8725.1317.90 30 00044.6446.73129.87161.292.528.725.241.0178.7081.6260.4054.08 50 00054.9555.87161.29277.782.408.625.140.9192.4793.8585.2784.15 100 00076.9277.91263.16454.552.258.254.760.8795.0695.7195.3195.06

2.4.3 單體皂苷成分的分離系數(shù)和界面層質(zhì)量濃度 對(duì)比圖1和圖2中l(wèi)n[(1－)·/]與的相關(guān)性數(shù)據(jù)，PNS中R1、Rg1、Rb1和Rd的數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)分散，在截留相對(duì)分子質(zhì)量大于50 000時(shí)更為明顯。而4種單一成分的ln[(1－)·/]與相關(guān)性數(shù)據(jù)點(diǎn)均表現(xiàn)出相似特征，說明截留相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)PNS中的單體溶液分離的影響程度低于混合溶液。

對(duì)比分析表1和表2中分離系數(shù)與界面層質(zhì)量濃度的差異，相較于混合溶液，單體成分在界面層中的濃度升高，5000超濾膜界面層中比例為1∶ 4.05∶3.24∶0.67，R1、Rg1、Rb1和Rd的透過率分別從46.50%、53.22%、4.08%、1.16%升高至77.06%、72.39%、61.83%、70.50%，在單體成分的溶液環(huán)境下，4種成分分離差異明顯縮小，但在超濾分離過程中，相同跨膜壓力差條件下Rb1和Rd的截留率相對(duì)穩(wěn)定，由壓力引起的濃差極化效應(yīng)對(duì)二者影響較小[14]，從而表現(xiàn)出相對(duì)偏高的分離系數(shù)。

單體成分Rb1和Rd雖然表現(xiàn)出與R1、Rg1相似的分離行為，根據(jù)Fick擴(kuò)散定律，Rb1的界面層濃度應(yīng)高于其他3種成分，從表1中可以看出，混合溶液中4種成分的界面擴(kuò)散趨向性為R1＞Rg1＞Rb1≈Rd，對(duì)比表2的單體成分的界面擴(kuò)散趨向性為Rg1＞R1＞Rb1≈Rd，說明在超濾分離過程中，PNS的多成分共存溶液體系下界面層擴(kuò)散分離存在競爭行為，表現(xiàn)出人參三醇型皂苷（R1、Rg1）＞人參二醇型皂苷（Rb1、Rd）。

2.4.4 單體成分組合對(duì)分離系數(shù)和界面層質(zhì)量濃度的影響 根據(jù)成分結(jié)構(gòu)類型，選擇4種指標(biāo)性成分進(jìn)行組合分離，分析成分之間相互作用對(duì)分離系數(shù)和界面層分布的影響，結(jié)果見表3。在跨膜壓力差為0.05 MPa時(shí)，R1-Rg1、Rb1-Rd組合采用5000和100 000超濾分離，呈現(xiàn)出的分離系數(shù)及界面層質(zhì)量濃度變化與單體成分相似，與PNS混合物存在明顯差異。Rg1-Rd組合分離時(shí)，Rd的分離系數(shù)及界面層濃度則呈現(xiàn)出與PNS混合物相似，說明Rg1與Rd在超濾分離時(shí)，存在界面層競爭擴(kuò)散行為[15]。

2.5 跨膜壓力差對(duì)界面層濃度的影響

跨膜壓力差對(duì)Rg1和Rd界面層質(zhì)量濃度的影響結(jié)果見圖3，界面層質(zhì)量濃度與跨膜壓力差呈現(xiàn)出正相關(guān)的變化趨勢，其中跨膜壓力差為0.05 MPa時(shí)，界面層中溶質(zhì)質(zhì)量濃度并未隨著截留相對(duì)分子質(zhì)量發(fā)生明顯變化，說明在低壓力驅(qū)動(dòng)分離的環(huán)境下，膜面界面層組成相對(duì)穩(wěn)定，隨著跨膜壓力差的增加，超濾膜表面的濃差極化效應(yīng)逐步增強(qiáng)，引起Rg1和Rd界面層濃度的升高。

圖2 不同截留相對(duì)分子質(zhì)量下皂苷單體成分ln[(1－R)·J/R]與J的相關(guān)性

表2 PNS中單體成分的K、Ci和透過率

Table 2 Separation coefficient, interfacial concentration and transmittance of four monomers in PNS

截留相對(duì)分子質(zhì)量K/(×10?6m?s?1)Ci/(mg?mL?1)透過率/% R1Rg1Rb1RdR1Rg1Rb1RdR1Rg1Rb1Rd 500015.9714.6221.7921.932.8711.639.291.9377.0672.3961.8370.50 10 00025.7724.2735.2135.592.8411.299.201.9188.4283.4572.2176.40 30 00040.8238.7656.5057.142.8211.099.051.8791.0787.9278.4681.93 50 00041.1539.6858.1463.292.7710.658.751.7094.3592.4887.3783.55 100 00068.9766.67108.70111.112.6910.307.801.6097.6096.5392.0694.12

表3 PNS中單體成分的K及Ci

Table 3 Separation coefficient and interfacial concentration of four monomers in PNS

截留相對(duì)分子質(zhì)量指標(biāo)R1-Rg1Rb1-RdRg1-Rd R1Rg1Rb1RdR1Rd 5000K/(×10?6m?s?1)15.3714.7922.0421.5515.8742.70 Ci/(mg?mL?1)2.8611.499.361.968.821.12 100 000K/(×10?6m?s?1)61.1762.08173.42226.7576.92473.17 Ci/(mg?mL?1)2.5210.467.591.418.270.82

2.6 Rg1對(duì)Rd界面競爭分布的影響

為了進(jìn)一步明確Rg1對(duì)Rd界面競爭擴(kuò)散的影響規(guī)律，選擇考察Rg1與Rd組合比例（1∶2、1∶1、2∶1，1）、超濾膜截留相對(duì)分子質(zhì)量（5000、50 000、100 000，2）、跨膜壓力差（0.10、0.15、0.20 MPa，3）作為變量，以?1、0、+1代表變量水平，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原理[16-17]，以Rd界面層質(zhì)量濃度為響應(yīng)值，結(jié)果見表4。

圖3 不同截留相對(duì)分子質(zhì)量下跨膜壓力差對(duì)R1和Rd界面層質(zhì)量濃度的影響

2.7 模型方程的建立與顯著性分析

采用Box-Benhnken中心組合設(shè)計(jì)擬合Rd界面層濃度C與考察變量的回歸方程，得C＝1.95－0.571＋0.212＋0.283＋0.3712－0.4923－0.1413，方程多元相關(guān)系數(shù)2＝0.974 3，調(diào)整系數(shù)2＝0.958 8，預(yù)測系數(shù)2＝0.903 1。

由表5的方差分析可知，該回歸方程模型＜0.000 1，模型顯著，其中失擬項(xiàng)＞0.05不顯著，說明模型成立，可以用于Rd界面層分布特征的預(yù)測與分析?？疾煲蛩貙?duì)Rd界面層濃度的影響排序?yàn)?＞3＞2，其中，考察因素間均存在顯著的交互作用（＜0.05），表現(xiàn)為13＞12＞23。

在考察單因素對(duì)成分界面層質(zhì)量濃度分布特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)考察因素對(duì)Rd的影響程度明顯高于Rg1，進(jìn)而分析考察因素對(duì)Rd界面層質(zhì)量濃度的影響規(guī)律，其中成分組合抑制了Rd進(jìn)入界面層，而超濾膜截留相對(duì)分子質(zhì)量和跨膜壓力差對(duì)Rd界面層質(zhì)量濃度表現(xiàn)出相似的作用行為，為了進(jìn)一步闡明考察參數(shù)對(duì)Rd界面層分布的影響規(guī)律，圍繞考察因素間的交互作用展開分析。

表4 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)結(jié)果

Table 4 Response surface results

編號(hào)X1X2X3/MPaCi/(mg?mL?1)編號(hào)X1X2X3/MPaCi/(mg?mL?1) 11∶1 (0)100 000 (+1)0.20 (+1)2.51102∶1 (+1)100 000 (+1)0.15 (0)2.03 21∶2 (?1)5000 (?1)0.15 (0)2.46111∶1 (0)100 000 (+1)0.10 (?1)1.81 31∶2 (?1)50 000 (0)0.10 (?1)1.82121∶1 (0)50 000 (0)0.15 (0)2.20 41∶2 (?1)100 000 (+1)0.15 (0)2.38131∶1 (0)50 000 (0)0.15 (0)2.14 51∶1 (0)5000 (?1)0.10 (?1)1.52142∶1 (+1)5000 (?1)0.15 (0)0.76 61∶1 (0)5000 (?1)0.20 (+1)2.79151∶1 (0)50 000 (0)0.15 (0)2.18 71∶1 (0)50 000 (0)0.15 (0)2.27161∶2 (?1)50 000 (0)0.20 (+1)3.25 82∶1 (+1)50 000 (0)0.20 (+1)1.05172∶1 (+1)50 000 (0)0.10 (?1)1.53 91∶1 (0)50 000 (0)0.15 (0)2.01

表5 響應(yīng)曲面2次回歸模型的方差分析

Table 5 Analysis result of variance of response surface quadratic regression model

方差來源自由度平方和均方F值P值方差來源自由度平方和均方F值P 值 模型65.750.9663.11＜0.000 1X2X310.080.085.170.046 3 X112.732.73179.68＜0.000 1殘差100.150.02 X210.340.3422.330.000 8失擬項(xiàng)60.110.022.070.251 3 X310.590.5938.93＜0.000 1純誤差40.040.01 X1X210.570.5737.840.000 1總離差165.90 X1X311.031.0367.83＜0.000 1

2.8 Rd界面層分布規(guī)律分析

分析考察因素對(duì)Rd界面層質(zhì)量濃度影響的相關(guān)性等位線圖（圖4），所考察因素間均存在交互作用。其中，在截留相對(duì)分子質(zhì)量為5000時(shí)，隨著Rg1-Rd質(zhì)量濃度比例增加，Rd界面層質(zhì)量濃度呈現(xiàn)下降趨勢，而在100 000超濾膜界面層中，Rd界面層質(zhì)量濃度相對(duì)穩(wěn)定，說明隨著截留相對(duì)分子質(zhì)量的增加，PNS的超濾過程以界面層濾過主導(dǎo)向溶液過濾分離過渡。考察因素A的水平為?0.5（Rg1- Rd 0.75∶1）時(shí)，Rd界面層質(zhì)量濃度并不隨截留相對(duì)分子質(zhì)量增大而減小，當(dāng)Rg1-Rd為0.75時(shí)，推測界面層厚度高于所考察其他比例，在5000～100 000以界面層過濾為主。

考察因素A的水平為0.5（Rg1-Rd 1∶1.5）時(shí)的界面層溶質(zhì)組成相對(duì)穩(wěn)定，在跨膜壓力差在0.10～0.20 MPa引起的濃差極化效應(yīng)影響較小，并未引起Rd界面層質(zhì)量濃度的變化。同時(shí)，在因素所考察水平范圍內(nèi)，固定跨膜壓力差和截留相對(duì)分子質(zhì)量參數(shù)，Rg1-Rd比例增加，Rd界面層質(zhì)量濃度出現(xiàn)不同程度下降，相較于Rd單一成分過濾分離行為，Rg1可以抑制Rd進(jìn)入界面層，從而導(dǎo)致其透過率下降。

3 討論

超濾分離過程是典型的液固兩相接觸，進(jìn)而溶液通過界面層擴(kuò)散，通過截留相對(duì)分子質(zhì)量的切割，在壓力推動(dòng)下完成分離。因此，明確溶質(zhì)在界面層中的分布特征，結(jié)合超濾分離行為，將有助于揭示中藥復(fù)雜溶液環(huán)境下成分的超濾分離機(jī)制。界面層的物化性質(zhì)是由相接觸的溶液和膜分離層共同主導(dǎo)的，且界面層流體的不可獲取性決定了難以通過直接手段進(jìn)行定量分析?；诔瑸V過程中溶質(zhì)通量、截留率、濃度與傳質(zhì)系數(shù)的相關(guān)性，擬合界面層濃度計(jì)算方程，完成了PNS中4種指標(biāo)性成分的界面層濃度的定量計(jì)算，發(fā)現(xiàn)人參三醇型皂苷的界面分布趨向性大于人參二醇型皂苷，超濾對(duì)皂苷類成分分離具有一定選擇性。

圖4 Rd界面層質(zhì)量濃度考察因素相關(guān)性等位線圖

在單體溶液環(huán)境下，溶質(zhì)界面層濃度與原溶液濃度、操作壓力呈正相關(guān)，符合Fick擴(kuò)散定律和濃差極化效應(yīng)。在混合成分溶液中，人參三醇型皂苷Rg1可以抑制人參二醇型皂苷Rd進(jìn)入界面層，在一定的濃度配比范圍內(nèi)，可以削弱跨膜壓力差和超濾膜截留相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)界面層組成的影響，基于皂苷類成分的類表面活性特征，推測Rg1和Rd按照一定比例在界面層中締合形成較為穩(wěn)定的膠束，其中Rd的占比偏高，呈現(xiàn)出Rg1的透過率明顯高于Rd，但是其內(nèi)在影響機(jī)制尚不清晰。本研究僅對(duì)溶質(zhì)界面層平均濃度進(jìn)行擬合，未能構(gòu)建溶質(zhì)界面分布曲線，因此在分析成分之間影響規(guī)律以及探索PNS分離機(jī)制時(shí)仍存在一定的局限性。

通過改變?nèi)芤航M成、膜分離層材質(zhì)和分離參數(shù)，可以調(diào)節(jié)溶質(zhì)界面層濃度分布曲線，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜溶液環(huán)境下目標(biāo)成分的有序分離，揭示中藥成分的超濾分離機(jī)制，有助于提升膜分離技術(shù)在中藥制藥領(lǐng)域的適用性。同時(shí)，對(duì)于特種溶液體系分離的膜材質(zhì)篩選和研制也具有理論指導(dǎo)意義[18]。本研究以PNS界面層濃度計(jì)算為切入點(diǎn)，初步闡明了成分配比、截留相對(duì)分子質(zhì)量和跨膜壓力差對(duì)界面濃度的影響規(guī)律，后續(xù)將圍繞界面層分布曲線模型構(gòu)建探索皂苷類成分的超濾分離機(jī)制。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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Exploring ultrafiltration interfacial distribution characteristics and influence rules ofsaponins based on mass transfer model

LI Cun-yu1, 2, 3, ZHANG Lian1, YANG Tong1, LI Shuo1, LI He-min1, PENG Guo-ping1, 2, 3, ZHI Xing-lei1

1. College of Pharmacy, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, China 2. Jiangsu Engineering Research Center of Classical Prescription, Nanjing 210023, China 3. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Chinese Medicinal Resource Industrialization, Nanjing 210023, China

To explore the interfacial distribution characteristics and influence rules ofsaponins (PNS) in ultrafiltration based on mass transfer model.In the experiment, notoginsenoside R1(R1), ginsenoside Rg1(Rg1), ginsenoside Rb1(Rb1) and ginsenoside Rd (Rd) were selected as indexes for collecting the membrane flux and solute rejection rate. Based on the correlation of separation coefficient with membrane flux and solute rejection rate, the power function equation of interfacial concentration was fitted to analyze the effects of mixed solution, monomer solution and composition combination on the concentration of index component in interface layer. Response surface methodology was used to investigate the effects of composition ratio (Rg1-Rd), molecular weight cut-off (MWCO) and trans-membrane pressure (TMP) difference on the interfacial concentration distribution of Rd, and then to explore the mechanism of ultrafiltration separation.The power function equation of interfacial concentration was set up successfully with the regression coefficients (2> 0.95), and the interfacial concentration was positively correlated with solute concentration and TMP. With the increase of MWCO, the ultrafiltration process was transitioned from interface layer filtration to solution filtration, and the interfacial distribution tendency was panaxatriol ginsenosides > panaxadiol ginsenosides. Rg1could inhibit the entry of Rd into interface layer, thus affecting its separation process.The analytical model of ultrafiltration interfacial concentration was established to clarify the distribution characteristics and influence rules of interfacial layer of PNS preliminary.

interfacial concentration;saponins; ultrafiltration; mass transfer model; ginsenoside Rg1; ginsenoside Rd; ginsenoside Rb1; notoginsenoside R1

R283.6

A

0253 - 2670(2022)17 - 5330 - 08

10.7501/j.issn.0253-2670.2022.17.009

2022-03-24

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（82074006）；江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（BK20211303）；江蘇省333高層次人才培養(yǎng)工程（2022316449）；2021年度康緣中藥學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（kyxysc06）；2021年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202110315042）

李存玉（1985—），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槟し蛛x原理及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。Tel/Fax: (025)86798186 E-mail: 300632@njucm.edu.cn

支興蕾（1981—），女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事中藥皂苷類超濾分離機(jī)制研究。Tel/Fax: (025)86798186 E-mail: 300040@njucm.edu.cn

[責(zé)任編輯 鄭禮勝]