CN111019044B

CN111019044B - 一种聚合物载体及其制备方法与其分离纯化茶皂素的方法

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Publication number: CN111019044B
Application number: CN201911201860.0A
Authority: CN
Inventors: 杨瑞金; 陈琪琪; 汪明明
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2039-11-29
Also published as: CN111019044A

Abstract

本发明公开了一种聚合物载体及其制备方法与其分离纯化茶皂素的方法。本发明利用高浓度的茶皂素可在特定溶液中自发聚集以及解体的原理，以合适的功能单体、交联剂和致孔剂等为原料，通过分子自组装、分子间和/分子内共聚反应等制备聚合物载体，然后利用该载体除去致孔剂后所特有的性质，实现对茶皂素的高效吸附、可逆循环吸附，制备高纯度目标物，同时实现载体的循环使用。本发明的聚合物载体吸附目标物载量大，可达到600‑750mg/g(目标物/干基载体)。

Description

一种聚合物载体及其制备方法与其分离纯化茶皂素的方法

技术领域

本发明涉及一种聚合物载体及其制备方法与其分离纯化茶皂素的方法，属于分离纯化技术领域。

背景技术

茶皂素又名茶皂甙(C₅₇H₉₀O₂₆)，是茶科植物中五环三萜类皂苷的总称，广泛存在于茶科植物的各个器官组织中，以果、叶中含量较高。茶皂素是一种性能良好的天然表面活性剂，它可广泛应用于轻工、化工、农药、饲料、养殖、纺织、采油、采矿、建材与高速公路建设等领域。工业上茶皂素的提取方法主要包括热水或含醇热水提取、超声辅助提取、微波辅助提取、酶法提取等；纯化方法包括超滤法、沉淀法、絮凝-醇萃法、树脂吸附分离等，以喷雾干燥法获得产品。但整体产品纯度都不高，或工艺处理复杂，溶剂消耗较大等。目前醇提法是现在提取茶皂素使用最多的方法，它是利用茶皂素易溶于含水低级醇类物质的性质进行提取，最终茶皂素的提取率可达到17-25％，但同时提取出的产品颜色深，含有大量大分子杂质等，不利于茶皂素的应用。

茶皂素主要从茶籽提油后的副产物中获得，经制油后的油茶枯饼中含有 10-15％的茶皂素。目前将茶皂素从这些副产物中分离纯化出来仍是茶皂素制备领域的一大难题。一方面各种纯化方法虽层出不穷，但茶皂素的纯化往往需要多次工艺，在商业化生产中的应用仍不成熟；另一方面各种纯化工艺存在时耗久、费用高、产能低等问题，限制了其在工业化生产中的推广。目前工业上已研究茶皂素分离纯化工艺包括3类，一类是选择合适的沉淀剂进行纯化的沉淀法，这类方法工艺简单，但是受限于沉淀剂高昂的价格，从而在商业化生产中仍有待改进；第二类是借助于人工合成具有选择透过性的膜进行的纯化方法，该法分离精度高，适用性广，但在超滤工艺前常需用其他方法对粗茶皂素溶液进行初步净化，同时膜容易被污染。另一种比较常用的工艺是借助树脂吸附获得高纯度的茶皂素，例如专利CN108314699A利用AB-8或D101型大孔树脂提供了一种生产效率高且纯度高的纯化工艺，其吸附容量为69mg/g。但是仍存在吸附容量较低、工艺复杂等问题。因此该方法能否大规模工业化的关键是能否找出一种吸附效率高、寿命长、且再生简易的树脂。除此以外，茶皂素的分离纯化方法还包括近些年发展起来的生物酶法、两级泡沫分离法等。但是上述几种方法均存在一定的局限，目前仍停留在实验室阶段。

众所周知，茶皂素若应用于日用化学品，对纯度的要求很高，尤其应用于医药行业和健康食品添加剂行业等，则需更高的纯度。然而目前国内大部分企业生产出的茶皂素通常纯度在70％左右，仍含有较大量的蛋白质、色素、糖类等杂质，溶于水时易产生糊状。纯度在90％以上的高纯度茶皂素方可使用于医学，而目前国内可生产高纯度茶皂素的企业很少。由于高纯度茶皂素的药用价值极高，所以市场价也比一般茶皂素高出几倍甚至几十倍，同时我国一半以上的茶皂素产品将出口欧美等发达国家，因此亟需开发一种简单高效的茶皂素分离纯化方法，能有效直接从制油后的副产物中得到高纯度茶皂素，这样不仅能够有效提高茶皂素产品的市场价值，同时也对推动我国茶皂素产业的发展起到至关重要的作用。

发明内容

针对现有高纯度茶皂素分离纯化工艺存在的工序复杂、效率低、成本高、时间长以及存在安全隐患等问题。本发明提供一种聚合物载体的合成及其高效吸附茶皂素的方法，利用茶皂素的双亲性结构在水中能自发形成纳米级胶束，且茶皂素单体易溶于含水乙醇原理，以乙二醇二甲基丙烯酸酯和二甲亚砜等为原料，通过分子自组装、分子间和/分子内共聚反应等制备聚合物载体，然后利用该载体除去致孔剂后所特有的性质，实现对茶皂素的高效吸附、可逆循环吸附，制备高纯度目标物，同时实现载体的循环使用。

本发明的第一个目的是提供一种聚合物载体的制备方法，包括如下步骤：

(1)将功能单体甲基丙烯酸二乙基氨基乙酯(DEAEM)、交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)均匀溶解在致孔剂中，振荡均匀，加入引发剂，混匀得到混合溶液；

(2)将上述(1)混合溶液在惰性气氛下通过热引发聚合，形成聚合物；

(3)洗脱步骤(2)得到的聚合物中的致孔剂，得到所述的聚合物载体。

进一步地，在步骤(2)中，在热引发聚合过程中，可进行100-500r/min 的搅拌。在不进行搅拌时，进行本体聚合，形成块状聚合物，需进一步研磨、粉碎、过筛得到聚合物颗粒；在进行搅拌时，进行沉淀聚合，直接形成颗粒状的聚合物。

进一步地，所述的致孔剂为二甲亚砜、乙腈、甲苯或四氢呋喃。

进一步地，所述的引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或偶氮二异丁酸二甲酯中的一种或多种组合。

进一步地，所述的功能单体与交联剂的摩尔比为1:2.5～1:7.5；所述的交联剂与所述的致孔剂的体积比为1:5～1:25；所述的引发剂与所述的交联剂的摩尔比为1:18～1:27。

进一步地，在步骤(2)中，聚合反应的温度为50～70℃，时间为12～48h。

进一步地，在步骤(3)中，洗脱致孔剂采用甲醇-乙酸混合溶剂进行抽提，洗脱结束后还包括采用甲醇洗涤，去除乙酸。

本发明的第二个目的是提供一种所述方法制备得到的聚合物载体。

本发明的第三个目的是提供所述聚合物载体在分离纯化茶皂素中的应用。

进一步地，所述的应用具体包括如下步骤：

(1)选择吸附：采用聚合物载体对待分离的水相茶皂素溶液中的茶皂素进行吸附；

(2)洗脱：吸附完成后，加入洗脱液对吸附茶皂素的聚合物载体进行解吸，收集解吸液，所述的解吸液即为纯化的茶皂素溶液。

进一步地，所述的洗脱液为75～95％乙醇，洗脱pH为8.0～10.0，洗脱温度为35～55℃。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用具备特定孔隙结构的聚合物载体与双亲分子茶皂素之间特异性的亲和吸附效应，实现了在高浓度下对茶皂素的选择性高效吸附，并且吸附目标物载量大，可达到600-750mg/g(目标物/干基载体)；同时，借助可供茶皂素单体完全溶解的洗脱液，将被载体捕获的茶皂素重新以单体形式释放到洗脱液中，茶皂素的解吸率可达到95％左右。

(2)本发明所制备得到的聚合物载体本身具有功能性二乙基胺基，且选用极性较弱的交联剂，其载体表面分布-CH₃结构，该结构能抑制水分子的竞争性吸附，有助于实现对目标物的高效吸附；

(3)本发明所制备得到的聚合物载体，呈现高度孔隙结构，均匀分布大量的介孔孔隙结构(2-50nm)，有助于实现对目标物的有效吸附和解吸；

(4)本发明所制备得到的聚合物载体在吸附水相中茶皂素时，极易捕获高浓度茶皂素形成的胶团分子，极大程度地避免了纯化所需的前处理工艺。

(5)本发明通过制备的聚合物载体对目标茶皂素的高效率吸附和高效解吸，可获得极高纯度的目标物；

(6)本发明所制备的聚合物载体，无需构建模板复合物，大大简化了制备工艺；同时通过聚合物载体实现高效分离纯化茶皂素，大大缩短了纯化工艺次数；该方法简单高效，适合工业化大批量连续化制备高纯度茶皂素，且能耗低、安全性高，有效解决了传统茶皂素分离纯化工艺中存在的诸多局限；

(7)本发明制备的聚合物载体，在分离纯化茶皂素过程中，稳定性强(循环使用10次后，其吸附效率基本为初始吸附量的100％)，可实现长期循环使用，有效降低了生产成本；

(8)本发明的制备方法符合资源节约型、环境友好型的生产需求，为促进洁净、高效、环保的茶皂素工业化生产提供了有益的借鉴和参考。

附图说明

图1为实施例1的聚合物载体表面形貌。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1：聚合物载体的制备

将0.5mol的DEAEM和100mL的EGDMA溶解到500mL乙腈中，振荡混合均匀，避光静置10min后，加入引发剂偶氮二异丁腈3.77g，振荡均匀。接着将混合溶液超声脱气30min后持续通入氮气30min，真空封口后置于60℃水浴引发24h。

得到的块状聚合物经研磨、粉碎、过筛，得到100目和80目大小的颗粒，将上述颗粒用滤纸包裹，置于索氏抽提器中，加入事先配制好的80％甲醇：20％乙酸(v/v)抽提液，在90℃下抽提24h，去除致孔剂乙腈；然后改用100％的甲醇继续抽提2h，去除乙酸。将得到的聚合物颗粒在60℃下减压干燥12h，得到聚合物载体颗粒。

将所得到的聚合物载体颗粒进行电子扫描显微镜扫描，其表面形貌如图1 所示；所得颗粒经ASAP 2010型自动比表面积和孔结构分析仪测定，其BET 比表面积为398.79m²/g，BJH吸附法测定的平均孔径为12.40nm。

实施例2：聚合物载体的制备

将1mol的DEAEM和200mL的EGDMA与1000mL的DMSO振荡混合均匀，避光静置10min后，加入引发剂偶氮二异丁腈7.54g，振荡均匀后，超声脱气30min后接着持续通入氮气30min，真空封口后置于70℃水浴引发24h。

得到的块状聚合物经研磨、粉碎、过筛，得到100目和80目大小的颗粒，将上述颗粒用滤纸包裹，置于索氏抽提器中，加入80％甲醇：20％乙酸(v/v) 的抽提液，在90℃下抽提36h，去除致孔剂DMSO，然后改用100％的甲醇继续抽提3h，最后将得到的聚合物颗粒在60℃下减压干燥24h，得到聚合物载体颗粒。

将所得到的聚合物载体颗粒进行电子扫描显微镜扫描；所得颗粒经ASAP 2010型自动比表面积和孔结构分析仪测定，其BET比表面积为404.58m²/g， BJH吸附法测定的平均孔径为13.71nm。

实施例3：聚合物载体的制备

将1mol的DEAEM和200mL的EGDMA与5000mL的DMSO振荡混合均匀，加入引发剂偶氮二异丁腈7.54g，振荡均匀后，超声脱气30min后接着持续通入氮气30min，真空封口后置于水浴摇床中，150r/min、60℃振荡24h。

得到的颗粒沉淀物用滤纸包裹，置于索氏抽提器中，加入80％甲醇：20％乙酸(v/v)的抽提液，在90℃下抽提36h，去除致孔剂DMSO，然后改用100％的甲醇继续抽提3h，最后将得到的聚合物颗粒在60℃下减压干燥24h，得到聚合物载体颗粒。

实施例4：聚合物载体分离纯化茶皂素

将工业上提油后的水相茶皂素溶液过滤以去除不溶性固体大颗粒，然后分别向1L茶皂素粗溶液中加入10g实施例1和实施例2中制备得到的80目大小的聚合物载体，在pH6.0，30℃下振荡吸附2h，过滤分离得到吸附后的聚合物载体，然后将该吸附后的载体加入到100mL解吸液90％乙醇溶液(v/v)中 (pH～7)，在30℃，150r/min的条件下解吸3h，分别取样测定吸附载量和解吸液纯度。最终检测实施例2的聚合物载体吸附茶皂素的载量为605.80mg/g 干基载体，解吸率为98％，解吸液中茶皂素的纯度为97.17％；实施例1的聚合物载体吸附茶皂素的载量为543.10mg/g干基载体，解吸率为96％，解吸液中茶皂素的纯度为97.54％。

在适宜的条件下，利用实施例2中制备得到的100目大小的聚合物载体，从不同稀释倍数下的茶皂素水相溶液中分离纯化茶皂素，最终解吸液中茶皂素的纯度和聚合物载体的吸附载量如表1所示。

表1 在不同稀释倍数下茶皂素水相溶液中聚合物载体的分离纯化效果

实施例5：聚合物载体分离纯化茶皂素

将工业上提油后的水相茶皂素溶液过滤以去除不溶性固体大颗粒，然后分别向1L茶皂素粗溶液中加入10g实施例3中制备得到的聚合物载体，在pH 6.0，40℃下振荡吸附3h，过滤分离得到吸附后的聚合物载体，然后将该吸附后的载体加入到100mL解吸液90％乙醇溶液(v/v)中(pH～10)，在40℃，150 r/min的条件下解吸4h，分别取样测定吸附载量和解吸液纯度。最终检测实施例2的聚合物载体吸附茶皂素的载量为712.93mg/g干基载体，解吸率为 99.17％，解吸液中茶皂素的纯度为98.64％。

本发明的选择吸附不限定将聚合物载体加入茶皂素粗溶液中，还可以将聚合物载体装柱，将茶皂素溶液过柱吸附，再进行洗脱。

对比例1：

对比2018年司相国等人申请的专利(申请号：201810457866.3，一种茶皂素的提纯方法)，在该专利中，司相国等人提出了在用大孔树脂吸附茶皂素时, 以预除杂和调节pH的方法大大提高单位体积树脂对茶皂素的吸附量。该专利中，所采用的树脂为AB-8型或D101型，为常用来分离提纯茶皂素的商业树脂， (1)一方面，按照201810457866.3中的实施例1所述，收集的洗脱液进行了脱色处理，通过加入一定量的活性炭实现后续纯化，因此需要较多提纯步骤，存在较高的茶皂素损失率，纯度为93.9％；(2)另一方面，按照201810457866.3中的实施例2所述，单位体积AB-8型树脂对茶皂素的吸附容量为69mg/mL，吸入效率低，仍不能满足工业化需求；(3)如司相国等人专利所述，该方法仅用于从市售茶皂素粗品中提纯茶皂素，对目前直接从工业副产物中提纯茶皂素等缺乏相关分离纯化的信息，且整体而言，提纯工艺繁琐。

对比例2：

本对比例2提供了一种聚合物载体制备与其分离纯化茶皂素的方法，其具体操作同实施例3，不同之处在于：本对比例2采用四氢呋喃作为致孔剂制备聚合物载体，再按实施例5分离纯化水相中茶皂素，最终检测该聚合物载体吸附茶皂素的载量为206.81mg/g干基载体，解吸率为94％，解吸液中茶皂素的纯度为89.17％。

对比例3：

本对比例3提供了一种聚合物载体制备与其分离纯化茶皂素的方法，其具体操作同实施例3，不同之处在于：本对比例3采用甲基丙烯酸作为功能单体制备聚合物载体，再按实施例5分离纯化水相中茶皂素，最终检测该聚合物载体吸附茶皂素的载量为196.52mg/g干基载体，解吸率为97.12％，解吸液中茶皂素的纯度为96.02％。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种聚合物载体在分离纯化茶皂素中的应用，其特征在于，所述聚合物载体的制备方法包括如下步骤：

（1）将功能单体甲基丙烯酸二乙基氨基乙酯、交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯均匀溶解在致孔剂中，振荡均匀，加入引发剂，混匀得到混合溶液；

（2）将上述（1）混合溶液在惰性气氛下通过热引发聚合，形成聚合物；

（3）洗脱步骤（2）得到的聚合物中的致孔剂，得到所述的聚合物载体；

所述的致孔剂为二甲亚砜或乙腈。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或偶氮二异丁酸二甲酯中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的功能单体与交联剂的摩尔比为1:2.5 ~ 1:7.5；所述的交联剂与所述的致孔剂的体积比为1:5 ~ 1:25；所述的引发剂与所述的交联剂的摩尔比为1:18 ~ 1:27。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，在步骤（2）中，聚合反应的温度为50~70^oC，时间为12~48h。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，在步骤（3）中，洗脱致孔剂采用甲醇-乙酸混合溶剂进行抽提，洗脱结束后还包括采用甲醇洗涤，去除乙酸。

6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的应用具体包括如下步骤：

（1）选择吸附：采用聚合物载体对待分离的水相茶皂素溶液中的茶皂素进行吸附；

（2）洗脱：吸附完成后，加入洗脱液对吸附茶皂素的聚合物载体进行解吸，收集解吸液，所述的解吸液即为纯化的茶皂素溶液。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的洗脱液为75~95%乙醇，洗脱pH为8.0~10.0，洗脱温度为35~55℃。