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离子交换树脂在天然产物提取分离中的应用
  • 发布日期:2018-07-04      浏览次数:89
    • 作者 张东 刘建华 韩林宇 陈晨 王逸君(陕西理工学院生物科学与工程学院生工091,陕西 汉中 723000)
      指导教师:冯自立

      【摘 要】 综述了离子交换树脂在核苷酸、核酸、抗生素等天然产物分离纯化中应用的研究现状,展望了离子交换树脂在天然产物提取分离中的应用前景。

      【关键词】 离子交换树脂 天然产物 分离提纯

      离子交换树脂自1933年开始合成以来,至今已获得了长足发展。目前交换树脂的商品品种已达2000 余种,广泛应用于化工生产、食品工业、医药工业、环境保护等许多领域。用离子交换树脂进行交换、吸附、络合,从而达到分离、提纯、富集等效果。而动物、植物、微生物及其代谢产物中的某种化学成分是天然药物和天然食品添加剂的重要来源。由于这些有用的成分往往含量较低,并与许多其他化学成分共存,其提取分离是一项非常烦琐而艰巨的工作。溶剂提取分离技术是天然产物提取分离的经典技术,但溶剂耗量大,分离效率低,环境污染严重,操作安全性差,因此一般仅适用于实验室小量样品的制备,而不适用于大批量工业生产。随着分离科学与技术的进步,树脂提取分离技术在天然产物提取分离中的应用日渐增加。

      一、离子交换树脂法提取分离氨基酸
      氨基酸为两性化合物,含有可形成正离子的氨  基和可形成负离子的羧基。因此,应用阳离子交换树脂和阴离子交换树脂均可对其进行分离和纯化。天然氨基酸主要来源于蛋白质水解液或微生物发酵液,随其来源不同,体系中氨基酸的含量与半生杂质的类型也有所区别,因而提取分离工艺也不尽相同。用于离子交换树脂从蛋白质水解液中提取分离氨基酸的工艺如下图:

       


      而自然界中尚存在大量的非蛋白氨酸,具有药用价值的就有40余种。如美舌藻中的海人草酸、使君子种子中的使君子氨酸和南瓜子中的南瓜子氨酸,均具有驱蛔虫作用的中草药有效成分,均可用温水、乙醇或乙酸的水溶液提取,再用强酸性阳离子交换树脂进行富集和纯化而得到高纯度的产品。

      混合氨基酸一般在阳离子交换树脂上分离纯氨基酸组分,其分离原理是基于树脂对不同氨基酸的选择性。选择性大小的顺序为:碱性氨基酸>中性氨基酸>酸性氨基酸。当解吸时,氨基酸流出顺序正好相反,酸性氨基酸先流出树脂柱。决定氨基酸流出顺序的另外一个因素是氨基酸侧链的疏水性。

      疏水性越大其在树脂上的保留时间越长。例如:中性氨基酸从阳离子交换树脂流出顺序为丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸。因为其疏水性依次增强。用离子交换树脂分离混合氨基酸的一些实例如表1。


      目前,用发酵法可生产谷氨酸、缬氨酸、赖氨酸、丝氨酸、异亮氨酸、精氨酸、组氨酸、脯氨酸、鸟氨酸和瓜氨酸等,阳离子交换树脂是从发酵液中提取分离氨基酸的理想分离材料。例如,黄化聚苯乙烯型阳离子交换树脂分离纯化L-缬氨酸,Diaion SK-1B或#732型阳离子交换树脂分离L-赖氨酸,#001×7阳离子交换树脂从等电点结晶母液中回收L-谷氨酸,均取得了比较好的效果。

      二、离子交换树脂法提取纯化抗生素
      在发酵液中,抗生素的浓度很低,提取时溶剂消耗高,效率低。利用离子交换树脂可以选择性地吸附分离多种离子型抗生素,不仅回收率高,而且产品纯度好。抗生素分子中往往含有多种化学基团,在强酸或强碱条件下容易发生化学变化,导致药理活性丧失。

      提取分离的离子交换树脂为弱酸性阳离子交换树脂或弱碱性阴离子交换树脂。

      偶尔用到强酸或强碱树脂,通常也先将阳离子交换树脂转化为Na+或NH4+,将阴离子交换树脂转化为Cl-型或SO42-型。

      离子交换树脂对抗生素离子有较大的选择性,选择系数比无机离子如Na+或Cl-等往往要高出1~3个数量级。

      抗生素离子与离子交换树脂能以多种键型发生吸附作用。除正常的离子静电作用外,抗生素与树脂骨架间的疏水作用、抗生素分子中极性基团与树脂上化学基团的氢键或偶极键作用等对提高其选择性起着重要作用。抗生素的分子体积较大,大孔网状树脂有利于大分子的扩散与吸附,有较大的吸附量。因此适于提取分离抗生素。

      一些抗生素提取纯化所用树脂的类型可列举为:弱酸树脂分离碳霉素、金霉素、卡那霉素、丁胺卡那霉素、新霉素、粘杆霉素、杆菌肽、万古霉素、巴龙霉素、先锋霉素、肉桂霉素、庆大霉素;弱碱树脂分离先锋霉素C;强碱树脂分离新生霉素、土霉素;强碱树脂分离(Cl-)肉瘤霉素;强酸树脂分离春雷霉素、结核霉素、卷曲霉素、抗生素8510;强酸树脂分离(Na+);夹竹桃霉素、红霉素。

      三、离子交换树脂法提取分离蛋白质、酶和多肽
      蛋白质、酶和多肽是由α–氨基酸缩合而成的生物高分子。由于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。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。

      例如,聚丙烯酸系列的弱酸树脂,或者以纤维素、葡聚糖凝胶、琼脂糖凝胶为载体的弱酸或弱碱树脂等均适用于生物高分子的分离与纯化。

      四、离子交换树脂法提取分离生物碱
      生物碱是许多中草药的有效成份。他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提取液中富集分离出来。钩吻类总生物碱具有良好的抗癌作用,其树脂法提取分离工艺所得的浸膏总收率为1.07%,纯度>96% 。

      离子交换树脂吸附总生物碱之后,可根据生物碱组分的碱性差异,采用分布洗脱或分布提取的方法,将其中的各种生物碱组份一一分离。其工艺流程图如1。


      按工艺所示方法1可从麻huang草的稀盐酸浸液中分离麻huang碱和伪麻huang碱,以方法2可从洋金花的0.1%盐酸浸液中分离莨菪碱和东莨菪碱,以方法3可从护心胆根的0.5%盐酸浸液中分离紫堇块茎碱、毕灵碱和南天竹碱等,均取得良好的分离效果 。

      与溶剂法相比,离子交换树脂法提取分离生物碱具有许多优越之处,不仅操作简便、消耗低,而且产品纯度好、收率高,更适于工业化生产。此外,其他天然碱性化合物(如肌苷)及具有季铵盐结构的天然有机物(如胆碱磷酸甘酯)也可以用类似工艺提取分离与纯化。

      五、离子交换树脂法分离纯化糖类化合物
      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,采用硼酸型阴离子交换树脂或用硼酸溶液作流动相,从而使糖类物质能在阴离子交换树脂上进行分离纯化。

      用此法还可以成功分离果糖、半乳糖和葡萄糖。黄芪用水提取, Pb (OAC) 沉淀除去蛋白质,加乙醇使多糖沉淀出来。粗多糖重溶水 ,通过硼酸DEAE 纤维素柱,0. 01 M 硼酸溶液洗脱,再用乙酸、丙酮处理,得到黄芪多糖AG21 。其它黄芪多糖成分如AH21和AH22 等也已用同样工艺进行了分离纯化。

      用于分离纯化糖类化合物的另一类离子交换树脂法是将磺化聚苯乙烯型阴离子交换树脂转化为钙型,用作层析固定相,离葡萄糖和果糖 、木糖醇和山梨醇等。用类似树脂从棉子糖水解液中提取分离D2果糖,取得令人满意的结果。

      无论是天然药用植物或动物,这些天然产物在我国有着种类多,分布广的优势。对它们的分结构与生理活性关系的研究以及对天然物的综合利用是当今非常感兴趣的课题。由于离子交换树脂提取分离技术设备简单,操作方便,生产连续化程度高,而且得到的产品往往纯度高。成本低,因而离子交换树脂在天然产物提取分离研究与生产中的应用必将日益广泛。最后值得一提的是极性或弱极性大孔吸附树脂,它们对非离子性有机化合物的吸附性能比较好适用于非离子性天然产物的分离纯化。所以对于非离子性的有机化合物的提纯分离来说离子交换树脂将会是一个不错的选择。

      参考文献:
      [1] 王补森等:氨基酸杂志 2001,(2):7
      [2] 姜  露等:同上 2002 ,(1):16
      [3] 马建森等:中医药杂志 2008, (8):24
      [4] 高振忠:氨基酸杂志 2002,(2):7
      [5] 蔡洪年:同上 2003,(4):14
      [6] 中国科学院上海药物研究所:中草药有效成分提取与分离,2005,402页,上海科技出版社,上海
      [7] 黄乔书等:药学学报 2003,17:200

     
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