孫道寶，高 旭，王晶晶，劉露露

(天津膜天膜科技股份有限公司膜材料與膜應(yīng)用國家重點實驗室 天津300457)

0 引 言

紫草為多年生草本中藥植物，常見于我國新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等地區(qū)，已應(yīng)用于抑菌、抗腫瘤、創(chuàng)口愈合等醫(yī)療保健及食品、印染等天然色素添加劑領(lǐng)域[1]。研究發(fā)現(xiàn)，紫草活性成分為紫草素及其衍生物類的萘酮類混合物，由于萘酮類物質(zhì)脂溶性很強，其傳統(tǒng)提取工藝多采用有機溶劑(如油、石油醚、乙醇、苯、四氯化碳等)萃取法、堿提酸沉法、減壓蒸餾法、水蒸氣蒸餾法和超臨界萃取法等[2]。

中空纖維膜具有無相變、能耗低、工藝設(shè)備簡單、操作方便可靠、分離效果好，同時不會造成環(huán)境污染等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于化工、食品、生物、制藥等領(lǐng)域[3]。錢俊等[4]探究了超濾在六味地黃軟膠囊多糖精制工藝中的應(yīng)用，相比水提醇沉等傳統(tǒng)方法，超濾工藝易操作，能耗少，分離效果好。馬朝陽等[5]報道了從苦豆子酸提取物中純化生物堿的膜法工藝，在酸性條件下多次稀釋后連續(xù)用 6000MWCO超濾膜進行分離純化，總生物堿回收率達 93.5%，純度達52.3%。賀立中等[6]研究了膜法生產(chǎn)伸筋草注射液工藝，先在 pH＝3.0時用 1×104～3×104MWCO 超濾膜濾除大分子雜質(zhì)，再將濾過液調(diào)至 pH＝8.0時用6000MWCO超濾膜濾除小分子雜質(zhì)，兩步超濾法工藝流程簡單，批量生產(chǎn)可行性高。李淑莉等[7]考察了丹參等7種中藥超濾提純情況，對比發(fā)現(xiàn)它們的膜通量有類似變化趨勢，目標物回收率普遍高于 60%，優(yōu)于常規(guī)酸沉工藝的回收率。

本文采用中空纖維膜對紫草中的紫草素進行提取，篩選適合紫草素提取的工藝，旨在為進一步的產(chǎn)業(yè)化提供參考。

1 試劑與儀器

1.1 試劑

紫草粉(日常中藥店)；乙醇(分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)；紫草素標準品(中國藥品生物制品檢定所)。

1.2 儀器

中空纖維膜組件(津膜科技)，通量測試儀(津膜科技自制)，紫外分光光度計(島津/UV-2600)，數(shù)顯恒溫水浴鍋(北京中興偉業(yè)/DZKW-4)，電子分析天平(梅特勒-托利多/AL204)，超聲波清洗機(昆山市超聲儀器有限公司/KQ3200DE)，秒表(Anytime/XL-013)。

2 實驗方法

2.1 提取工藝

將適量紫草粉置于 1L乙醇溶液中，超聲 5min后靜置15min，用中空纖維膜組件提取浸泡液。

2.2 紫草素標準曲線的繪制

準確稱取紫草素標準品 12.50mg，置于 25mL容量瓶中，加入乙醇溶解，定容。準確吸取紫草素標準品溶液 0.2、0.4、0.6、0.8、1mL 分別置于 10mL 容量瓶中，加入乙醇定容至刻度，搖勻。使用乙醇為空白測試 516nm 波長處吸光度，以吸光度與紫草素標準品濃度進行線性擬合。

2.3 中空纖維膜組件分離效果評價

考察在不同溫度(15～45℃)、壓力(0.075～0.125MPa)、料液投加量條件下，中空纖維膜組件對紫草素的提取效果，通過測試中空纖維膜組件的通量和截留率，來評價優(yōu)化紫草素的提取工藝。

3 實驗結(jié)果

3.1 紫草素標準曲線的繪制

本文以乙醇為參比樣，在波長 516nm 處測定紫草素標準品的吸光度(A)，利用Origin軟件對吸光度和紫草素標準品濃度進行線性關(guān)系擬合。

圖 1為吸光度(A)和紫草素標準品濃度(g/L)的擬合曲線，其擬合度較好，為線性正相關(guān)。

圖1 紫草素標準曲線Fig.1 Standard curve of shikonin

3.2 中空纖維膜組件分離效果

3.2.1 提取劑對中空纖維膜組件性能的影響

目前紫草素提取工藝常用溶劑有油脂、石油醚、四氯化碳、乙醇、苯等。有研究表明，其他因素固定時，乙醇濃度越高，紫草素提取率越高，當乙醇濃度介于 60%～80%之間時其提取率變化最明顯，而后趨于穩(wěn)定[8]。綜合考慮中空纖維膜組件耐溶劑性、溶劑經(jīng)濟環(huán)保等因素，本文選用常見的 75%乙醇溶液作為紫草素的提取劑。

本文首先設(shè)計了中空纖維膜組件對 75%乙醇溶液濾過效果空白實驗。實驗條件：75%乙醇溶液，溫度 25℃，壓力 0.1MPa，連續(xù)運行，每隔 10min測試其通量。

圖 2顯示 75%乙醇溶液對中空纖維膜組件運行的影響。前文已根據(jù)現(xiàn)有工藝選用 75%的乙醇溶液作為提取劑浸泡紫草粉，現(xiàn)需考察 75%乙醇溶液對中空纖維膜組件的連續(xù)運行有無影響[9]。如圖 2所示，連續(xù)運行時間在 60min以上，隨運行時間延長，組件通量先增加后趨于穩(wěn)定。這與通常情況下溶劑為水時通量緩慢衰減后趨于穩(wěn)定不同，主要可能因為常規(guī)膜組件浸泡在水溶液中，最開始濾過的是水而非乙醇分子，而水與膜的相似相溶性弱于乙醇，故組件通量可能偏低，隨著運行的持續(xù)，乙醇溶液浸入整個膜組件，膜通量相應(yīng)增加后趨于穩(wěn)定；再者，乙醇溶液會在前期過程溶解膜中部分殘留可溶物，使膜孔通道更通暢一些，膜通量相應(yīng)增加后趨于穩(wěn)定，但不會對膜造成溶解等致命性損壞，表明本文中選用的中空纖維膜組件適合長時間濾過含乙醇的待處理液。此外，使用新膜時，建議提前用 75%乙醇溶液浸泡或預(yù)運行20～30min，即可使膜性能保持高穩(wěn)狀態(tài)。

圖2 75%乙醇溶液對中空纖維膜組件運行的影響Fig.2 Effect of ethanol solution(75%)on operation of hollow fiber membrane module

3.2.2 溫度對中空纖維膜組件性能的影響

研究表明，紫草素活性成分為萘醌類化合物，有報道稱其變性溫度約為70℃，當提取溫度超過65℃時，化學(xué)結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，降低了紫草素的藥效[10]。同樣在提取過程中，隨加熱時間的延長及溫度的提高，紫草素含量均有損耗[11]，只是提取溫度超過60℃后，紫草素的破壞程度會加快[12]。

本文需要同時考慮紫草素受熱變性、中空纖維膜受熱膜孔隙變形的狀況。實驗條件：5g紫草粉置于1L乙醇溶液，壓力 0.1MPa，改變測試液溫度，考察不同測試溫度下中空纖維膜組件性能的變化情況。

圖 3顯示不同測試溫度下中空纖維膜組件性能的變化情況。隨測試溫度的升高，中空纖維膜的通量逐漸增加，主要是因為溫度越高，物料粘度降低，傳質(zhì)系數(shù)變大[13]，物料越容易穿過膜孔，但是原本需截留住的可溶性固形物同樣也能透過膜孔，中空纖維膜組件截留效果失效，降低了目標濾過液的純度；同時鑒于紫草素作為植物活性物質(zhì)，需要控溫保持活性，中空纖維膜也有限定的使用溫度(5～45℃)。綜合考慮測試溫度控制在 25～35℃時，中空纖維膜組件分離提純紫草素效果較好。

圖3 不同測試溫度下中空纖維膜組件性能的變化Fig.3 Effect of temperature on properties of hollow fiber membrane module

3.2.3 壓力對中空纖維膜組件性能的影響

壓力是膜分離工藝中重要的參數(shù)，也是分離膜過程的驅(qū)動力，膜分離效果與驅(qū)動力的大小有重要關(guān)系，壓力越大，料液的傳質(zhì)流動性越好，膜的通量越大；同時壓力增大，也加速了物料的濃差極化現(xiàn)象，使膜表面更易吸附可溶性固形物，加速凝膠層的形成，加速膜污染[14]。

本文需要考慮紫草素快速通過膜孔，同時中空纖維膜膜面污染程度盡量最小。實驗條件：10g紫草粉置于 1L乙醇溶液，溫度 25℃，調(diào)節(jié)測試壓力，考察不同測試壓力下中空纖維膜組件性能的變化情況。

圖 4顯示不同測試壓力下中空纖維膜組件性能的變化情況。隨壓力的增加，中空纖維膜的通量增加，但同樣加速了溶差極化，使膜表面更易吸附可溶性固形物，加速凝膠層的形成，加速膜污染，提高了膜的清洗頻率。在工業(yè)化應(yīng)用中，需要在確保膜通量的前提下盡量減少不必要的能耗。綜合考慮測試壓力控制在 1MPa時，中空纖維膜組件分離提純紫草素效果較好。

圖4 不同測試壓力下中空纖維膜組件性能的變化Fig.4 Effect of pressure on properties of hollow fiber membrane module

3.2.4 料液投加量對中空纖維膜組件性能的影響

料液投加量是工業(yè)化生產(chǎn)中重要的參數(shù)，實際使用中，不可能是恒定不變的，通常提取劑用量越多，紫草素越容易進入提取劑中，但會導(dǎo)致目標產(chǎn)物濃度變低，后續(xù)工藝中提取劑的去除或回收量越多，處理難度加大[15]。而在膜分離工藝中，料液投加量越多，對應(yīng)的料液濃度越大，其中的可溶性固形物會更多，這加速了膜面濃差極化現(xiàn)象，加快膜面污染，使膜通量迅速降低，不利于連續(xù)化工序操作[16]。

實驗條件：壓力 0.125MPa，溫度 25℃，改變紫草粉在1L乙醇溶液中的投加量，考察不同投加量對中空纖維膜組件性能的變化情況。

圖 5顯示不同料液投加量中空纖維膜組件性能的變化情況。隨料液投加量的增加，中空纖維膜的通量降低，主要是紫草浸泡液中含有多種膠體、蛋白質(zhì)、淀粉等混合物，這些伴生物極易加速膜表面的溶差極化，使膜表面吸附大量可溶性固形物，加速凝膠層的形成，所以是膜污染的主因。生產(chǎn)中多考慮要提高中空纖維膜過濾效果同時縮短生產(chǎn)周期，綜合考慮料液投加量取 10g/L，中空纖維膜分離提純紫草素效果較好。

圖5 不同料液投加量下中空纖維膜組件性能的變化Fig.5 Effect of dosage on properties of hollow fiber membrane module

3.2.5 長期運行穩(wěn)定性

分離膜長期穩(wěn)定運行通常是考察膜性能的重要指標，是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化連續(xù)應(yīng)用的保障，同時還能指導(dǎo)分離膜預(yù)防污染及污染后清洗恢復(fù)工作[17]。

本文采用的津膜科技中空纖維膜具有較好的抗污染性。為實驗研究需要，選用極端的實驗條件(較高的料液投加量，較高的測試壓力)加速中空纖維膜的污染可能性，測試其長期運行的性能狀況。實驗條件：20g紫草粉置于 1L乙醇溶液，壓力 0.125MPa，溫度25℃，持續(xù)運行，每隔15min測試1次，考察中空纖維膜組件長期運行性能的變化情況。

圖 6顯示中空纖維膜組件提取紫草素的穩(wěn)定性效果。隨運行時間的延長，中空纖維膜表面逐漸吸附可溶性固體物，凝膠化形成污染層，膜通量降低，能耗增加。膜通量降低過快時需要進行膜清洗，清除膜層污染物，恢復(fù)膜通量，否則會嚴重污染膜導(dǎo)致膜失效。實驗結(jié)果表明，在運行30～45min后即對膜進行物理或化學(xué)清洗，此時中空纖維膜分離提純紫草素效果較好。

圖6 中空纖維膜組件提取紫草素長期穩(wěn)定性效果Fig.6 Stability of shikonin extraction by hollow fiber membrane module

4 實驗結(jié)論

紫草是一種多用途的天然中藥材，關(guān)于其活性成分萘醌類紫草素及其衍生物的提純工藝研究越來越多樣化。中空纖維膜提取紫草素具有無相變、高效節(jié)能環(huán)保、設(shè)備操作簡便、成本低、提純效果好等優(yōu)勢。本文考察了溫度、壓力、料液投加量等對膜分離性能的影響，同時綜合了紫草素的活性特性以及中空纖維膜適用的工藝條件，以膜通量和截留率為考察指標，篩選適合紫草素的膜法提取工藝。研究表明：在溫度30℃，壓力0.1MPa，10g紫草粉浸入1L 75%乙醇溶液的條件下，中空纖維膜提取紫草素效果良好。這為工業(yè)化膜法提取紫草素提供了參考依據(jù)。