陸登榮，劉紅波*，錢大瑋，唐志書, 4，朱華旭，宋忠興

XDLVO理論解析中藥共性高分子的超濾膜污染行為

陸登榮1, 2，劉紅波1, 2*，錢大瑋3*，唐志書1, 2, 4，朱華旭5，宋忠興1, 2

1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)/陜西中藥資源產(chǎn)業(yè)化省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 咸陽 712083 2.秦藥特色資源研究與開發(fā)國家重點(diǎn)實驗室（培育）/陜西省創(chuàng)新藥物研究中心，陜西 咸陽 712083 3.南京中醫(yī)藥大學(xué)/江蘇省方劑高技術(shù)研究重點(diǎn)實驗室/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 4.中國中醫(yī)科學(xué)院，北京 100700 5.南京中醫(yī)藥大學(xué)/江蘇省植物藥深加工工程研究中心/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

基于擴(kuò)展的德亞蓋因-蘭多-弗韋-奧弗比克（extended Derjaguin-Laudau-Verwey-Overbeek，XDLVO）理論解析蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)、果膠、淀粉4種中藥共性高分子與超濾膜及各高分子之間的界面相互作用，預(yù)測其超濾膜污染行為。以蛋白質(zhì)、果膠、鞣質(zhì)、淀粉4種中藥共性高分子作為模擬污染物進(jìn)行超濾膜過濾實驗。采用XDLVO理論定量分析中藥共性高分子與超濾膜之間的界面相互作用，評價極性作用力（AB）、范德華力（LW）、雙電層作用力（EL）對超濾膜污染的相對貢獻(xiàn)，預(yù)測中藥共性高分子的超濾膜污染行為，并將XDLVO理論預(yù)測結(jié)果與膜過濾通量進(jìn)行比較分析。4種中藥共性高分子與超濾膜之間的總界面作用能大小順序依次為果膠＞淀粉＞鞣質(zhì)＞蛋白質(zhì)，且皆為負(fù)值，表明4種中藥共性高分子與超濾膜之間表現(xiàn)為相互吸引。其中，極性作用力最大，在總界面作用能中占主導(dǎo)地位；雙電層作用力最小，其對總界面作用能的影響可以忽略。除果膠-果膠之間相互吸引外，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)-鞣質(zhì)、淀粉-淀粉之間均表現(xiàn)為相互排斥。各高分子溶液的超濾膜通量衰減嚴(yán)重程度依次為果膠＞淀粉＞鞣質(zhì)＞蛋白質(zhì)，其與XDLVO理論預(yù)測的各高分子膜污染行為相一致。XDLVO理論可以有效地預(yù)測中藥共性高分子的超濾膜污染行為，為從微觀角度分析中藥膜污染現(xiàn)象提供了參考借鑒。

XDLVO理論；中藥共性高分子；超濾；界面相互作用；膜污染；蛋白質(zhì)；鞣質(zhì)；果膠；淀粉；極性作用力；范德華力；雙電層作用力

膜技術(shù)是一種新型高效的分離技術(shù)，在中藥制藥的分離、純化、濃縮等方面得到了一定的研究與應(yīng)用[1-5]。然而，目前仍然存在一些問題嚴(yán)重制約著膜技術(shù)在中藥制藥領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，其中嚴(yán)重膜污染問題就是制約中藥膜技術(shù)應(yīng)用的共性關(guān)鍵問題之一[6-7]。膜污染會導(dǎo)致跨膜壓力增大、膜壽命縮短、運(yùn)行效率低等問題，大大提高了膜工藝運(yùn)行成本，嚴(yán)重影響了膜技術(shù)的實際應(yīng)用[8]。中藥提取物中除含有生物堿、黃酮、皂苷等藥效小分子物質(zhì)外，還含有一些大分子雜質(zhì)成分，如蛋白質(zhì)、果膠、鞣質(zhì)、淀粉等，它們的相對分子質(zhì)量較大，可稱之為中藥的“共性高分子”[9]。這些共性高分子既是中藥分離去除的對象，又是中藥提取物產(chǎn)生膜污染的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。

“界面”是指兩相密切接觸的約幾個分子厚度的過渡區(qū)，處于界面過渡區(qū)的分子間會發(fā)生微界面作用，產(chǎn)生微界面作用力（包括范德華力、雙電層作用力、極性作用力等），具有界面自由能。研究表 明[10-13]，污染物與膜材料間的微界面作用在很大程度上決定著膜污染的發(fā)生及其發(fā)展趨勢，深刻影響著膜污染行為。因此，針對污染物與膜材料間的微界面作用研究，對深層次揭示膜污染機(jī)制，優(yōu)化膜分離過程具有重要意義。由van Oss[14]提出的擴(kuò)展的德亞蓋因-蘭多-弗韋-奧弗比克（extended Derjaguin-Laudau-Verwey-Overbeek，XDLVO）理論可用于定量描述兩平面固體表面之間的界面自由能，該理論界定總界面自由能由極性自由能、范德華自由能和靜電雙電層自由能組成。XDLVO理論可有效定量分析物質(zhì)間的界面作用，已在解析膠體顆粒、微生物、天然有機(jī)污染物等的膜污染行為方面得到了驗證與應(yīng)用[11-13,15]。

目前，基于XDLVO理論針對中藥共性高分子污染物與膜之間的微界面作用研究報道較少，對中藥膜污染的深入認(rèn)識與理解尚顯不足。將XDLVO理論引用到中藥膜污染領(lǐng)域，可從微觀角度定量分析中藥膜污染特性，為揭示中藥膜污染機(jī)制和調(diào)控中藥膜污染行為提供理論基礎(chǔ)和研究依據(jù)。基于此，本實驗應(yīng)用XDLVO理論解析蛋白質(zhì)、果膠、鞣質(zhì)、淀粉4種中藥共性高分子的超濾膜污染行為，從微觀角度分析中藥共性高分子污染物與超濾膜之間的微界面作用，并通過膜過濾實驗對分析預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗證，以解析中藥共性高分子的超濾膜污染行為，為進(jìn)一步認(rèn)識與理解中藥膜污染行為提供理論依據(jù)。

1 儀器與材料

1.1 儀器

8400型超濾膜杯，美國密理博公司；DSA100型光學(xué)接觸角測量儀，德國KRUSS公司；SurPASS型Zeta電位測定儀，奧地利Anton Paar公司；CPA225D型電子天平，德國賽多利斯科學(xué)儀器有限公司。

1.2 材料

聚偏氟乙烯（PVDF）超濾膜（平均截留相對分子質(zhì)量50 000）購自中科瑞陽膜技術(shù)（北京）有限公司；牛血清白蛋白（BSA，批號J12GS15165）購自上海源葉生物科技有限公司；果膠（批號C10348706）、鞣質(zhì)（批號C10322594）均購自上海麥克林生化科技有限公司；可溶性淀粉（批號20130116）購自天津天力化學(xué)試劑有限公司。

2 方法

2.1 膜過濾實驗

分別將蛋白質(zhì)、果膠、鞣質(zhì)、淀粉4種高分子物質(zhì)用純化水配制成質(zhì)量濃度均為1 g/L的溶液，放置于4 ℃冰箱中，備用。

過濾前，先對PVDF超濾膜進(jìn)行預(yù)處理，具體操作為將PVDF超濾膜置于純化水中浸泡12 h后，用95%乙醇浸泡1 h，取出，純化水沖洗數(shù)次，放置于純化水中，備用。將預(yù)處理后的PVDF超濾膜用純化水在300 kPa壓力下預(yù)過濾15 min，使通量達(dá)到穩(wěn)定。然后用純化水在壓力200 kPa、轉(zhuǎn)速180 r/min條件下過濾1 h，記錄純水膜通量，記作0。再將蛋白質(zhì)、果膠、鞣質(zhì)、淀粉4種高分子溶液在相同操作條件下進(jìn)行膜過濾實驗，其膜通量記作。采用相對通量/0表示膜通量的衰減情況。過濾結(jié)束后，將超濾膜自然晾干，備用。

2.2 接觸角和Zeta電位測定

采用光學(xué)接觸角測量儀檢測PVDF超濾膜及各高分子污染物與純化水、甘油、二碘甲烷的接觸角。每樣品平行測定7次，取平均值。采用Zeta電位測定儀測定PVDF超濾膜及各高分子污染物的Zeta電位，測試液為1 mol/L KCl溶液。

2.3 XDLVO理論

根據(jù)XDLVO理論，膜與污染物以及污染物與污染物之間的總界面相互作用能（TOT），包括極性作用力（AB）、范德華力（LW）、雙電層作用力（EL）[12-13,16-18]。

GTOT＝GAB＋GLW＋GEL（1）

式中下標(biāo)、、分別代表膜、液體、污染物。當(dāng)GTOT＞0，表示膜與污染物之間是相互排斥，即污染物不易附著于膜表面。當(dāng)GTOT＜0，表示膜與污染物之間是相互吸引的，即污染物更易于吸附于膜表面，造成膜污染。公式（1）中GAB、GLW、GEL計算公式如下。

ΔGAB＝2γ+1/2(γ?1/2＋γ?1/2－γ?1/2)＋2γ?1/2(γ+1/2＋γ+1/2－γ+1/2)－2[(γ+γ?)1/2＋(γ?γ+)1/2] （2）

ΔGLW＝2(γLW1/2－γLW1/2)(γLW1/2－γLW1/2) （3）

ΔGEL＝0εk(ζ2＋ζ2)[1－coth(0)＋2ζζcsch(0)/ (ζ2ζ2)]/2 （4）

式中LW、+、?分別代表范德華力、電子供體、電子受體表面張力分項，0（8.85×10?12F/m）、r（80 F/m）分別表示真空介電常數(shù)和溶液相對介電常數(shù)，（0.104 nm?1）為德拜常數(shù)的倒數(shù)，0（0.158 nm）是兩平面之間的最小距離，ζ、ζ分別表示膜和模型污染物的電位。γ+、γ?、γLW是已知的，γ+、γ?、γLW、γ+、γ?、γLW等表面張力分量由已知的3個量通過以下公式結(jié)合楊氏方程計算[11,19]。

TOT＝LW＋AB（5）

AB＝2(?+)1/2（6）

γ(1＋cos)＝2(γLWγLW)1/2＋2(γ?γ+)1/2＋2(γ?γ+)1/2（7）

式中為所測溶液在待測表面的接觸角，下標(biāo)為接觸角待測液體，下標(biāo)為待測固體物（膜或污染物濾餅層）。計算黏聚階段污染物與污染物層之間的界面作用能時，將上述公式中的超濾膜各項參數(shù)換成污染物的參數(shù)即可。

為了更精準(zhǔn)的描述膜與污染物間的界面作用能與界面距離的關(guān)系，把污染物看作為球形分子，把膜看作為一個無限平面。膜與污染物間的界面作用能與界面距離呈現(xiàn)一定的函數(shù)關(guān)系，運(yùn)用Derjaguin積分近似法可將二者之間的界面作用能與距離之間的函數(shù)關(guān)系表示如下[20-21]。

ULW()＝2π02ΔGLW(/) （8）

UAB()＝2πΔGABexp[(0－)/] （9）

UEL()＝πaεε0{2ζζln[(1＋e?kh)/(1－e?kh)]＋(ζ2＋ζ2)ln(1－e?2kh)} （10）

式中，表示污染物顆粒的水力學(xué)半徑，（0.6 nm）是極性相互作用在水中的衰減特征長度。

運(yùn)用Derjaguin近似法可以計算出污染物與污染物之間的界面相互作用，公式如下[18]。

ULW()＝2π02ΔG0LW(/2) （11）

UAB()＝πΔG0ABexp[(0－)/] （12）

UEL()＝π0εaζ2ln(1＋e?kh)}/2 （13）

3 結(jié)果與分析

3.1 膜與高分子的理化性質(zhì)

表1為超濾膜和高分子的接觸角與ζ電位檢測結(jié)果。從結(jié)果中可得知，PVDF超濾膜的水接觸角大于80°，具有較強(qiáng)的疏水性。4種高分子的水接觸角均小于超濾膜的水接觸角，其表面水潤濕性強(qiáng)弱依次為鞣質(zhì)＞淀粉＞蛋白質(zhì)＞果膠。超濾膜和4種高分子的ζ電位均為負(fù)值，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中含有羥基、羧基、羰基等官能團(tuán)時會使物質(zhì)表現(xiàn)出負(fù)ζ電位性質(zhì)[22-23]。鞣質(zhì)為多酚類物質(zhì)，含有大量酚羥基與羰基，表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)ζ電位性質(zhì)；果膠、淀粉為多糖類化合物，含有大量羥基；其中果膠又含有羧基官能團(tuán)，因而亦具有較強(qiáng)的負(fù)ζ電位。

表1 超濾膜和高分子的接觸角與ζ電位

Table 1 Contact angles and ζ potentials of ultrafiltration membrane and macromolecules

物質(zhì)θw/(°)θg/(°)θd/(°)ζ電位/mV 超濾膜82.09±3.0772.39±3.5939.40±1.74?50.41±4.26 蛋白質(zhì)50.40±1.6137.08±3.0243.84±2.22?47.91±2.68 鞣質(zhì)39.53±2.9063.46±2.1643.66±3.04?54.73±1.89 果膠71.69±4.1863.05±1.6140.36±2.11?48.93±2.05 淀粉49.77±4.5269.27±0.6246.90±2.27?40.55±1.15

w、g、d分別表示純化水、甘油、二碘甲烷的接觸角

w,g,drepresent the contact angles of purified water, glycerin and diiodomethane, respectively

超濾膜和高分子的表面張力參數(shù)結(jié)果見表2。LW表示物質(zhì)表面的非極性特征；+、?是電子供體和電子受體表面張力分項，表示物質(zhì)表面的極性特征。超濾膜及各高分子的LW差異較小，但?和+差異較大，且?均遠(yuǎn)大于+；表明蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)、果膠、淀粉4種高分子之間的極性差異較大，且各高分子的電子供體性質(zhì)均遠(yuǎn)強(qiáng)于電子受體性質(zhì)。

從表2結(jié)果中亦可看到，在極性作用力AB性質(zhì)方面，蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)、果膠、淀粉4種高分子的極性作用力均大于超濾膜的極性作用力。這是因為蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)、果膠、淀粉4種高分子中含有的羥基、羧基、羰基、氨基等極性基團(tuán)，使其比疏水性超濾膜具有更強(qiáng)的極性。這亦與表1中的水接觸角檢測結(jié)果相吻合。

表2 超濾膜和高分子的表面張力

Table 2 Surface tension of ultrafiltration membrane and macromolecules

物質(zhì)表面張力/(mJ?m?2) γ+γ?γLWγABγTOT PVDF膜0.001 35.366 539.908 40.166 540.074 9 蛋白質(zhì)2.969 719.435 637.625 515.194 752.820 2 鞣質(zhì)0.393 559.541 437.722 69.680 728.041 9 果膠0.285 710.621 239.427 63.019 742.447 3 淀粉0.543 649.767 435.985 610.402 725.582 9

3.2 界面作用能分析

3.2.1 高分子-超濾膜的界面作用能 高分子-超濾膜的界面黏附作用能理論計算結(jié)果見表3。當(dāng)界面作用能為正值時，表示相接觸的兩界面處于熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)為相互排斥，其數(shù)值絕對值越大，則相互排斥力越大；當(dāng)界面作用能為負(fù)值時，表示相接觸的兩界面處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)為相互吸引，其數(shù)值絕對值越大，則相互吸引力越大。從表3中可看到，在高分子-超濾膜的黏附階段，蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)、果膠、淀粉4種高分子與超濾膜的總界面黏附作用能均為負(fù)值，表明4種高分子均能與超濾膜產(chǎn)生相互吸引作用，其相互吸引力大小順序依次為果膠＞淀粉＞鞣質(zhì)＞蛋白質(zhì)，進(jìn)而可推斷出各高分子對超濾膜的污染性嚴(yán)重程度順序依次為果膠＞淀粉＞鞣質(zhì)＞蛋白質(zhì)。

表3 高分子-超濾膜的界面黏附作用能

Table 3 Adhesion energy between macromolecules and ultrafiltration membrane

物質(zhì)界面作用能/(mJ?m?2) ΔGmlfLWΔGmlfABΔGmlfELΔGmlfTOT 蛋白質(zhì)?4.829 1?8.011 3?0.014 0?12.854 4 鞣質(zhì)?4.855 2?8.997 9?0.041 8?13.894 9 果膠?5.307 7?38.791 0?0.004 9?44.103 6 淀粉?4.383 5?17.349 1?0.217 9?21.950 6

同時，在各高分子總界面作用能中，各作用力大小順序均依次為極性作用力ΔAB＞范德華力ΔLW＞雙電層作用力ΔEL。其中，極性作用力ΔAB和范德華力ΔLW對總界面黏附作用能的貢獻(xiàn)較大，而雙電層作用力ΔEL的貢獻(xiàn)極少（可以忽略）。這亦說明在膜過濾初期階段，極性作用力在各高分子超濾膜污染行為中均發(fā)揮著主要作用。

圖1為高分子-超濾膜界面作用能隨界面距離的變化情況。從圖1中可看到，蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)、果膠、淀粉4種高分子與超濾膜間的總界面作用能均隨界面距離的減小而增大；其中，極性作用能較大且其變化趨勢與總界面黏附作用能變化趨勢大致相同，說明在高分子接近膜表面的過程中，極性作用力發(fā)揮著主要作用。當(dāng)污染物接近于膜表面時，污染物與膜表面之間存在著能量勢壘，即污染物黏附于膜表面需要克服污染物與膜間的排斥能，能量勢壘越大，則污染物在膜表面的黏附就越困難[21]。從圖1得知，各高分子與膜表面的能力勢壘強(qiáng)弱順序依次為蛋白質(zhì)（407.33 kT，1 kT＝4.115×10?21J）＞鞣質(zhì)（308.77 kT）＞淀粉（130.74 kT）＞果膠（109.16 kT），即蛋白質(zhì)最難以吸附于超濾膜表面，而果膠最容易吸附于膜表面。

圖1 高分子-超濾膜界面作用能隨界面距離的變化(1 kT＝4.115×10?21 J)

3.2.2 高分子-高分子的界面作用能 高分子-高分子的界面黏聚作用能理論計算結(jié)果見表4。隨著膜過濾的不斷進(jìn)行，污染物會吸附于膜表面或堵塞于膜孔內(nèi)部，在膜表面逐漸形成濾餅層，此時膜污染進(jìn)入黏聚階段，界面作用主要表現(xiàn)為污染物-污染物間的相互作用。從表4中可看到，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)-鞣質(zhì)、淀粉-淀粉3種高分子之間的總界面黏聚作用能均為正值，表現(xiàn)為相互排斥，其分子間排斥作用大小順序依次為蛋白質(zhì)＞鞣質(zhì)＞淀粉；而果膠-果膠的總界面黏聚作用能為負(fù)值，表現(xiàn)為相互吸引。這說明在膜過濾后期，果膠-果膠間的相互吸引作用會加重膜污染。同時，在蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)-鞣質(zhì)、果膠-果膠、淀粉-淀粉的總界面黏聚作用能中，極性作用力ΔAB均占主導(dǎo)作用。

對比表3和表4可以發(fā)現(xiàn)，在高分子-超濾膜的黏附階段，即膜過濾的初期，蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)、果膠、淀粉4種高分子及其混合物與超濾膜之間均具有相互吸附作用，致使高分子迅速地吸附于膜表面或堵塞于膜孔中，從而會造成膜通量的迅速降低。在高分子-高分子的黏聚階段，即膜過濾的后期，除果膠-果膠之間相互吸引外，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)-鞣質(zhì)、淀粉-淀粉之間均具有相互排斥作用，不易于造成膜污染。對于果膠，其黏附作用與黏聚作用均表現(xiàn)為吸附作用，進(jìn)而可推斷在膜過濾初期及膜過濾后期，果膠都會產(chǎn)生嚴(yán)重的膜污染行為。

表4 高分子-高分子的界面黏聚作用能

Table 4 Cohesion energy between macromolecules and macromolecules

物質(zhì)界面作用能/(mJ?m?2) ΔGflfLWΔGflfABΔGflfELΔGflfTOT 蛋白質(zhì)?4.291 952.247 62.21×10?647.955 7 鞣質(zhì)?4.338 421.829 21.76×10?617.490 8 果膠?5.184 8?21.899 21.21×10?6?27.084 0 淀粉?3.536 54.797 29.13×10?71.260 8

圖2為高分子-高分子界面作用能隨界面距離的變化情況。從圖2中可看到，蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)、果膠、淀粉4種高分子的總界面黏聚作用能均隨界面距離的減小而增大；其中，極性作用能較大且其變化趨勢與總界面黏聚作用能變化趨勢大致相同，說明在高分子-高分子的黏聚階段，高分子間的極性作用力依然發(fā)揮著主要作用。從圖2中亦可看到，在短界面距離范圍內(nèi)時，蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)、淀粉的總界面黏聚作用能均為正值，表現(xiàn)為相互排斥，不易于造成膜污染；果膠總界面黏聚作用能均為負(fù)值，表現(xiàn)為相互吸引，會造成嚴(yán)重的膜污染。

圖2 高分子-高分子界面作用能隨界面距離的變化

3.3 高分子溶液的膜通量變化

圖3為各高分子溶液的膜通量變化情況。從圖3中可看到，在膜過濾的初期階段，膜通量在短時間內(nèi)迅速大幅度衰減（0～5 min），之后膜通量逐漸趨于相對穩(wěn)定。各高分子溶液膜通量衰減嚴(yán)重程度依次為果膠＞淀粉＞鞣質(zhì)＞蛋白質(zhì)。這與上述基于XDLVO理論分析所得的各高分子膜污染趨勢相吻合，表明XDLVO理論能夠較好地從微觀角度解析中藥共性高分子的膜污染行為。

圖3 高分子溶液的膜通量變化

物料性質(zhì)、溶液環(huán)境、膜材質(zhì)及膜操作條件等都是影響膜污染行為的關(guān)鍵因素。從上述研究結(jié)果可以得知，污染物-膜材料及污染物-污染物之間的相互作用在膜污染行為中具有重要影響。基于XDLVO理論，可通過調(diào)節(jié)物料性質(zhì)及溶液環(huán)境，優(yōu)化膜制備工藝與膜操作條件，以改善污染物-膜材料及污染物-污染物之間的相互作用，調(diào)控膜污染行為，從而達(dá)到降低膜污染的目的。

4 討論

本實驗利用XDLVO理論從微觀角度解析了蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)、果膠、淀粉4種中藥共性高分子的超濾膜污染行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在膜過濾初期，蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)、果膠、淀粉4種中藥共性高分子污染物與超濾膜的總界面黏附作用能均為負(fù)值，表現(xiàn)為相互吸引作用；其與超濾膜間的相互吸引及其超濾膜污染強(qiáng)弱順序依次為果膠＞淀粉＞鞣質(zhì)＞蛋白質(zhì)。通過各高分子溶液膜過濾實驗，結(jié)果表明各高分子溶液膜通量衰減嚴(yán)重程度依次為果膠＞淀粉＞鞣質(zhì)＞蛋白質(zhì)，這與XDLVO理論分析所得的各高分子膜污染趨勢相吻合，表明XDLVO理論可以很好地從微觀角度解析中藥共性高分子的膜污染行為。同時發(fā)現(xiàn)，在膜過濾后期，除果膠-果膠之間相互吸引外，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)-鞣質(zhì)、淀粉-淀粉之間均表現(xiàn)為相互排斥，不易于造成嚴(yán)重膜污染。在整個膜污染過程中，極性作用能對總界面作用能的貢獻(xiàn)最大，對膜污染過程具有主導(dǎo)作用。

膜污染是膜技術(shù)應(yīng)用過程中的共性問題。由于中藥提取物的復(fù)雜性與特殊性，嚴(yán)重膜污染是影響膜技術(shù)高效應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。污染物與膜材料間的界面相互作用是影響膜污染行為的關(guān)鍵因素。從本研究結(jié)果中亦可以得知，中藥共性高分子污染物與膜之間存在著相互吸附作用，因而如何調(diào)節(jié)中藥共性高分子污染物與膜之間的界面吸附作用，對減低中藥膜污染具有重要意義。通過調(diào)節(jié)中藥提取物溶液環(huán)境（如pH值、離子強(qiáng)度等）、改善膜表面性質(zhì)（如粗糙度、荷電性、親疏水性等），優(yōu)化操作條件（如滲透壓差、體積流量、溫度等）可調(diào)控中藥共性高分子污染物與膜之間的界面相互作用，減弱污染物與膜之間的界面吸附性，從而降低膜污染。從調(diào)節(jié)中藥溶液環(huán)境、膜表面性質(zhì)及操作條件方面開展深入研究，可為降低中藥膜污染提供有效途徑。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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Analysis of ultrafiltration membrane fouling behavior of common polymers in traditional Chinese medicine using XDLVO theory

LU Deng-rong1, 2, LIU Hong-bo1, 2, QIAN Da-wei3, TANG Zhi-shu1, 2, 4, ZHU Hua-xu5, SONG Zhong-xing1, 2

1.Shaanxi University of Chinese Medicine/Co-construction Collaborative Innovation Center for Chinese Medicine Resources Industrialization by Shaanxi & Education Ministry, Xianyang 712083, China 2.State Key Laboratory of Research & Development of Characteristic Qin Medicine Resources (Cultivation)/Shaanxi Innovative Drug Research Center, Xianyang 712083, China 3.Nanjing University of Chinese Medicine/Jiangsu Provincial Key Laboratory of Prescription High-tech Research/Jiangsu Province Collaborative Innovation Center for the Industrialization Process of Traditional Chinese Medicine Resources, Nanjing 210023, China 4.China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100700, China 5.Nanjing University of Chinese Medicine/Jiangsu Provincial Engineering Research Center for Deep Processing of Plant Medicines/Jiangsu Province Collaborative Innovation Center for the Industrialization Process of Traditional Chinese Medicine Resources, Nanjing 210023, China

The extended Derjaguin-Laudau-Verwey-Overbeek (XDLVO) theory was used to evaluate the interfacial interactions between four common polymers of traditional Chinese medicines (including protein, tannin, pectin, and starch) and ultrafiltration membranes to predict the ultrafiltration membrane fouling behaviors.The predicted results were verified by the membrane filtration experiment.Four common polymers of traditional Chinese medicine such as protein, pectin, tannin and starch were used as simulated pollutants for the ultrafiltration experiment.XDLVO theory was used to quantitatively analyze the interface interaction between common polymers and ultrafiltration membranes, evaluate the relative contributions of polar force (AB), van der Waals force (LW) and electric double layer force (EL) to ultrafiltration membrane fouling, and predict the fouling behavior of common polymers.The predicted results of the XDLVO theory were compared with membrane filtration flux.The order of total interfacial interaction energy between the four common polymers and ultrafiltration membrane was pectin > starch > tannin > protein, and all of them were negative, indicating that the four common polymers and ultrafiltration membrane attract each other.The polar force was the most powerful and played a significant role in the total interface energy.The electric double layer force was the smallest, so its impact on total interface energy can be ignored.In addition to the attraction between pectin and pectin, protein-protein, tannin-tannin and starch-starch were mutually exclusive.The severity of ultrafiltration membrane flux attenuation of each polymer solution was pectin > starch > tannin > protein, which was consistent with the pollution behavior of each polymer membrane predicted by XDLVO theory.The XDLVO theory can accurately predict the ultrafiltration membrane fouling behavior of common polymers in traditional Chinese medicine, providing a reference for micro-analysis of the membrane fouling phenomena in traditional Chinese medicine.

XDLVO theory; common polymer of traditional Chinese medicine; ultrafiltration; interface interaction; membrane fouling; protein; tannin; pectin; starch; polarity force; van der waals force; electric double layer force

R283.6

A

0253 - 2670(2022)09 - 2642 - 08

10.7501/j.issn.0253-2670.2022.09.006

2021-11-19

國家自然科學(xué)基金項目（81803744）；國家自然科學(xué)基金項目（81773919）；國家自然科學(xué)基金項目（81873015）；陜西省教育廳重點(diǎn)實驗室項目（19JS018）

陸登榮（1993—），女，陜西延安，碩士研究生，主要從事中藥制劑新技術(shù)研究。E-mail: 1445250026@qq.com

通信作者：劉紅波，講師，主要從事中藥制劑新技術(shù)研究。E-mail: 15319084280@126.com

錢大瑋，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事中藥質(zhì)量控制研究。E-mail: qiandwnj@126.com

[責(zé)任編輯 鄭禮勝]