離子交換樹脂在天然產(chǎn)物提取分離中的應(yīng)用

作者 張東 劉建華 韓林宇 陳晨 王逸君（陜西理工學(xué)院生物科學(xué)與工程學(xué)院生工091，陜西 漢中 723000）
指導(dǎo)教師：馮自立

【摘　要】 綜述了離子交換樹脂在核苷酸、核酸、抗生素等天然產(chǎn)物分離純化中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀,展望了離子交換樹脂在天然產(chǎn)物提取分離中的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】 離子交換樹脂 天然產(chǎn)物 分離提純

離子交換樹脂自1933年開始合成以來,至今已獲得了長足發(fā)展。目前交換樹脂的商品品種已達2000 余種，廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)、食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、環(huán)境保護等許多領(lǐng)域。用離子交換樹脂進行交換、吸附、絡(luò)合，從而達到分離、提純、富集等效果。而動物、植物、微生物及其代謝產(chǎn)物中的某種化學(xué)成分是天然藥物和天然食品添加劑的重要來源。由于這些有用的成分往往含量較低，并與許多其他化學(xué)成分共存，其提取分離是一項非常煩瑣而艱巨的工作。溶劑提取分離技術(shù)是天然產(chǎn)物提取分離的經(jīng)典技術(shù)，但溶劑耗量大，分離效率低，環(huán)境污染嚴重，操作安全性差，因此一般僅適用于實驗室小量樣品的制備，而不適用于大批量工業(yè)生產(chǎn)。隨著分離科學(xué)與技術(shù)的進步，樹脂提取分離技術(shù)在天然產(chǎn)物提取分離中的應(yīng)用日漸增加。

一、離子交換樹脂法提取分離氨基酸
氨基酸為兩性化合物，含有可形成正離子的氨  基和可形成負離子的羧基。因此，應(yīng)用陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂均可對其進行分離和純化。天然氨基酸主要來源于蛋白質(zhì)水解液或微生物發(fā)酵液，隨其來源不同，體系中氨基酸的含量與半生雜質(zhì)的類型也有所區(qū)別，因而提取分離工藝也不盡相同。用于離子交換樹脂從蛋白質(zhì)水解液中提取分離氨基酸的工藝如下圖：
 

而自然界中尚存在大量的非蛋白氨酸，具有藥用價值的就有40余種。如美舌藻中的海人草酸、使君子種子中的使君子氨酸和南瓜子中的南瓜子氨酸，均具有驅(qū)蛔蟲作用的中草藥有效成分，均可用溫水、乙醇或乙酸的水溶液提取，再用強酸性陽離子交換樹脂進行富集和純化而得到高純度的產(chǎn)品。

混合氨基酸一般在陽離子交換樹脂上分離純氨基酸組分，其分離原理是基于樹脂對不同氨基酸的選擇性。選擇性大小的順序為：堿性氨基酸＞中性氨基酸＞酸性氨基酸。當(dāng)解吸時，氨基酸流出順序正好相反，酸性氨基酸先流出樹脂柱。決定氨基酸流出順序的另外一個因素是氨基酸側(cè)鏈的疏水性。

疏水性越大其在樹脂上的保留時間越長。例如：中性氨基酸從陽離子交換樹脂流出順序為絲氨酸、甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸。因為其疏水性依次增強。用離子交換樹脂分離混合氨基酸的一些實例如表1。

目前，用發(fā)酵法可生產(chǎn)谷氨酸、纈氨酸、賴氨酸、絲氨酸、異亮氨酸、精氨酸、組氨酸、脯氨酸、鳥氨酸和瓜氨酸等，陽離子交換樹脂是從發(fā)酵液中提取分離氨基酸的理想分離材料。例如，黃化聚苯乙烯型陽離子交換樹脂分離純化L-纈氨酸，Diaion SK-1B或#732型陽離子交換樹脂分離L-賴氨酸，#001×7陽離子交換樹脂從等電點結(jié)晶母液中回收L-谷氨酸，均取得了比較好的效果。

二、離子交換樹脂法提取純化抗生素
在發(fā)酵液中，抗生素的濃度很低，提取時溶劑消耗高，效率低。利用離子交換樹脂可以選擇性地吸附分離多種離子型抗生素，不僅回收率高，而且產(chǎn)品純度好?？股胤肿又型卸喾N化學(xué)基團，在強酸或強堿條件下容易發(fā)生化學(xué)變化，導(dǎo)致藥理活性喪失。

提取分離的離子交換樹脂為弱酸性陽離子交換樹脂或弱堿性陰離子交換樹脂。

偶爾用到強酸或強堿樹脂，通常也先將陽離子交換樹脂轉(zhuǎn)化為Na+或NH4+，將陰離子交換樹脂轉(zhuǎn)化為Cl-型或SO42-型。

離子交換樹脂對抗生素離子有較大的選擇性，選擇系數(shù)比無機離子如Na+或Cl-等往往要高出1~3個數(shù)量級。

抗生素離子與離子交換樹脂能以多種鍵型發(fā)生吸附作用。除正常的離子靜電作用外，抗生素與樹脂骨架間的疏水作用、抗生素分子中極性基團與樹脂上化學(xué)基團的氫鍵或偶極鍵作用等對提高其選擇性起著重要作用?？股氐姆肿芋w積較大，大孔網(wǎng)狀樹脂有利于大分子的擴散與吸附，有較大的吸附量。因此適于提取分離抗生素。

一些抗生素提取純化所用樹脂的類型可列舉為：弱酸樹脂分離碳霉素、金霉素、卡那霉素、丁胺卡那霉素、新霉素、粘桿霉素、桿菌肽、萬古霉素、巴龍霉素、先鋒霉素、肉桂霉素、慶大霉素；弱堿樹脂分離先鋒霉素C；強堿樹脂分離新生霉素、土霉素；強堿樹脂分離（Cl-）肉瘤霉素；強酸樹脂分離春雷霉素、結(jié)核霉素、卷曲霉素、抗生素8510；強酸樹脂分離（Na+）；夾竹桃霉素、紅霉素。

三、離子交換樹脂法提取分離蛋白質(zhì)、酶和多肽
蛋白質(zhì)、酶和多肽是由α–氨基酸縮合而成的生物高分子。由于某些氨基酸殘基含有羧基或堿基，使這些生物高分子成為兩性物質(zhì)。蛋白質(zhì)和酶在強酸或強堿條件下不穩(wěn)定，強烈的疏水作用也會使其變性，因此所用的樹脂應(yīng)當(dāng)是親水的弱酸樹脂或弱堿樹脂。

例如，聚丙烯酸系列的弱酸樹脂，或者以纖維素、葡聚糖凝膠、瓊脂糖凝膠為載體的弱酸或弱堿樹脂等均適用于生物高分子的分離與純化。

四、離子交換樹脂法提取分離生物堿
生物堿是許多中草藥的有效成份。他們在中性或酸性條件下以陽離子形式存在，能用陽離子交換樹脂從提取液中富集分離出來。鉤吻類總生物堿具有良好的抗癌作用，其樹脂法提取分離工藝所得的浸膏總收率為1.07％，純度＞96％ 。

離子交換樹脂吸附總生物堿之后，可根據(jù)生物堿組分的堿性差異，采用分布洗脫或分布提取的方法，將其中的各種生物堿組份一一分離。其工藝流程圖如1。

按工藝所示方法1可從麻huang草的稀鹽酸浸液中分離麻huang堿和偽麻huang堿，以方法2可從洋金花的0.1％鹽酸浸液中分離莨菪堿和東莨菪堿，以方法3可從護心膽根的0.5％鹽酸浸液中分離紫堇塊莖堿、畢扣扣靈堿和南天竹堿等，均取得良好的分離效果 。

與溶劑法相比，離子交換樹脂法提取分離生物堿具有許多優(yōu)越之處，不僅操作簡便、消耗低，而且產(chǎn)品純度好、收率高，更適于工業(yè)化生產(chǎn)。此外，其他天然堿性化合物（如肌苷）及具有季銨鹽結(jié)構(gòu)的天然有機物（如膽堿磷酸甘酯）也可以用類似工藝提取分離與純化。

五、離子交換樹脂法分離純化糖類化合物
人們根據(jù)糖中順式鄰二羥基能與硼酸形成復(fù)鹽陰離子的特性,采用硼酸型陰離子交換樹脂或用硼酸溶液作流動相,從而使糖類物質(zhì)能在陰離子交換樹脂上進行分離純化。

用此法還可以成功分離果糖、半乳糖和葡萄糖。黃芪用水提取, Pb (OAC) 沉淀除去蛋白質(zhì),加乙醇使多糖沉淀出來。粗多糖重溶水 ,通過硼酸DEAE 纖維素柱,0. 01 M 硼酸溶液洗脫,再用乙酸、丙酮處理,得到黃芪多糖AG21 。其它黃芪多糖成分如AH21和AH22 等也已用同樣工藝進行了分離純化。

用于分離純化糖類化合物的另一類離子交換樹脂法是將磺化聚苯乙烯型陰離子交換樹脂轉(zhuǎn)化為鈣型,用作層析固定相,離葡萄糖和果糖 、木糖醇和山梨醇等。用類似樹脂從棉子糖水解液中提取分離D2果糖,取得令人滿意的結(jié)果。

無論是天然藥用植物或動物,這些天然產(chǎn)物在我國有著種類多,分布廣的優(yōu)勢。對它們的分結(jié)構(gòu)與生理活性關(guān)系的研究以及對天然物的綜合利用是當(dāng)今非常感興趣的課題。由于離子交換樹脂提取分離技術(shù)設(shè)備簡單,操作方便,生產(chǎn)連續(xù)化程度高,而且得到的產(chǎn)品往往純度高。成本低,因而離子交換樹脂在天然產(chǎn)物提取分離研究與生產(chǎn)中的應(yīng)用必將日益廣泛。最后值得一提的是極性或弱極性大孔吸附樹脂，它們對非離子性有機化合物的吸附性能比較好適用于非離子性天然產(chǎn)物的分離純化。所以對于非離子性的有機化合物的提純分離來說離子交換樹脂將會是一個不錯的選擇。

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