Część Ⅰ:Cistanche:Wysoce wydajna adsorpcja glikozydów fenyloetanoidowych na mezoporowatym węglu
Mar 04, 2022
Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail:audrey.hu@wecistanche.com
Helin Xu, Wenjing Pei, Xueqin Li i Jinli Zhang
Glikozydy fenyloetanoidowesą głównymi związkami aktywnymiCistanche tubulosa（Kliknij, aby zobaczyć produkty）, a jest to niezwykle pożądane w celu uzyskania wysokiego stopnia oczyszczenia glikozydów fenyloetanoidowych przez adsorpcję z ich ekstraktów. Aby zbadać wysoce wydajną adsorpcję glikozydów fenyloetanowych, nowego materiału adsorpcyjnego do wydajnego oddzielania i oczyszczania glikozydów fenyloetanowych (glikozydów fenyloetanowych) zCistanche tubulosazostał zbadany. Porównano trzy mezoporowate węgle: uporządkowany mezoporowaty węgiel (CMK-3), nieuporządkowany mezoporowaty węgiel (DMC) i trójwymiarowy sześcienny mezoporowaty węgiel (CMK-8) pod kątem adsorpcji glikozydów fenyloetanoidowych. W międzyczasie zbadano izotermy adsorpcji, kinetykę adsorpcji oraz optymalizację warunków adsorpcji. Wyniki wykazały, że CMK-3 wykazywał najwyższą zdolność adsorpcji 358,09 ± 4,13 mg/g ze względu na dużą powierzchnię właściwą, dużą objętość porów i grupy funkcyjne zawierające tlen. Dane eksperymentalne można dokładnie opisać za pomocą modelu Langmuira i modelu pseudo-drugiego rzędu. Model dyfuzji wewnątrzcząsteczkowej sugerował, że etapami ograniczającymi szybkość adsorpcji była dyfuzja wewnątrzcząsteczkowa.
WPROWADZANIE
Cistanche tubulosa była rośliną pasożytniczą Orobanchaceae (Li et al., 2016; Wang X. et al., 2017) i rosła głównie na korzeniach roślin Tamarix i gatunku Calotropis (Zhang W. et al., 2016; Yan et al. , 2017). Cistanche tubulosa została pierwotnie zarejestrowana w chińskiej Materia Medica Shen Nong w ca. 100 pne Wzrost i uprawa Cistanche tubulosa wymagała surowych warunków środowiskowych i była powszechnie sadzona na suchych ziemiach i pustyniach półkuli północnej, takich jak prowincje Xinjiang, Mongolia Wewnętrzna, Gansu, Qinghai i Region Autonomiczny Ningxia w Chinach (Ty i in., 2016).Cistanche tubulosabyło drogocennym chińskim ziołem tonizującym, który miał funkcje odżywiania nerek, przeciwdziałania starzeniu się, zwiększania esencji krwi i nawilżania jelita grubego do wolnego stolca (Gu et al., 2016; Shimada et al., 2017; Cui et al. al., 2018) i cieszy się reputacją jako„Żeń-szeń pustyni”(Song i in., 2016; Wang i in., 2018). Cistanche tubulosa została oficjalnie zarejestrowana w Farmakopei Chińskiej jako autentyczne źródło Cistanches Herba (chińska nazwa: Rou cong rong) z wydania z 2005 roku (Wang T. i in., 2016; Pei i in., 2019).
Poprzednie badanie ujawniło kilka głównych składników chemicznych Cistanche tubulosa, w tym PhG, irydoidy i polisacharydy (Li i wsp., 2018a). Struktury PhG składały się głównie z kwasu cynamonowego i alkoholu polisacharydowego, który był przyłączony do -glukopiranozy poprzez wiązania estrowe i glikozydowe (Luo et al., 2010), a glikozyd fenyloetanoidowy był uważany za główny aktywny składnik Cistanche tubulosa posiadający różne działania farmakologiczne (Liao i in., 2018). Badanie wykazało, że PhG mają różne właściwości lecznicze, takie jak neuroprotekcja, regulacja odpornościowa, działanie przeciwzapalne, ochrona wątroby i przeciwutleniacz (Aiello i wsp., 2015; Shiao i wsp., 2017; Wu i wsp., 2018, 2019). Według ocen fitochemicznych, PhG, takie jak echinakozyd, akteozyd, uważano za główne aktywne składniki i markery Cistanche tubulosa (Li i in., 2017b), które zwykle wybierano jako związki markerowe do oceny jakości Cistanche tubulosa i gatunku Cistanche zostały wyróżnione dzięki tym związkom. PhG były naturalnie występującymi związkami rozpuszczalnymi w wodzie, ponieważ miały w cząsteczce wiele grup hydroksylowych i fenolowych grup hydroksylowych. Tak więc fenyloetanoid można oddzielić od Cistanche tubulosa w roztworze wodnym.
Opracowano wiele metod separacji i oczyszczania produktów naturalnych, w tym adsorpcję (Liu i wsp., 2016), separację membranową (Zhang i wsp., 2018b; Li i wsp., 2019) oraz ekstrakcję rozpuszczalnikową i tak dalej (Li i in., 2015a,b; Wang S. i in., 2016; Zhang H. i in., 2016). Jednak separacja membranowa i ekstrakcja rozpuszczalnikiem nie były odpowiednie do przygotowania na dużą skalę i były trudne do osiągnięcia wysokiego odzysku produktów (Zhang i in., 2018a). Adsorpcja była jedną z najczęściej stosowanych metod separacji produktów naturalnych (Wang S. i in., 2016; Konggidinata i in., 2017). Dzięki unikalnej i przestrajalnej strukturze porów, dużej powierzchni i stabilności mechanicznej, mezoporowate węgle (wielkość porów od 2 do 50 nm) okazały się być rodzajem wydajnych adsorbentów dla adsorpcyjnych produktów naturalnych. Badanie wykazało, że węgle mezoporowate były bardziej odpowiednie do adsorpcji makrocząsteczek, takie jak węgle mezoporowate zostały wykorzystane przez Qin et al. do wzbogacania kwasu chlorogenowego z liści eucommia ulmoides (Qin i in., 2018). Li i in. zsyntetyzował dwa mezoporowate węgle za pomocą podejścia hydrotermalnego i ocenił wydajność adsorpcji dwóch mezoporowatych węgli dla chlorowodorku berberyny i matryny z wody (Li et al., 2018b). Uznano go za rodzaj obiecującego materiału jako wysoce wydajny adsorbent (Zhang et al., 2013; Tian et al., 2015; Zhou et al., 2016). Dodatkowo węgle mezoporowate zostały również zastosowane do adsorpcyjnego usuwania związków aromatycznych, barwników i metali ciężkich ze ścieków (Kong et al., 2016). We wcześniej opublikowanych pracach Liu i in. zastosował makroporowatą żywicę do adsorpcji PhG z Cistanche tubulosa, a czystość PhG wzrosła, ale zdolność adsorpcji i szybkość desorpcji były niskie. W porównaniu z żywicą makroporowatą, węgle mezoporowate charakteryzowały się dużą powierzchnią właściwą, odpowiednią wielkością porów i dużą objętością porów. Dlatego też mezoporowaty węgiel uznano za wysoce wydajny adsorbent dla PhG. W tym badaniu trzy rodzaje mezoporowatego węgla zostały wybrane jako adsorbenty do oddzielania i oczyszczania glikozydów fenyloetanoidowych z Cistanche tubulosa.
Głównym celem tej pracy było zbadanie wydajności adsorpcji CMK-3 do oddzielania i oczyszczania glikozydu fenyloetanoidowego z Cistanche tubulosa. Zbadano wpływ różnych stężeń, pH i temperatury na wydajność adsorpcji CMK- 3 i zbadano optymalne warunki adsorpcji PhG. Węgle mezoporowate scharakteryzowano za pomocą FT-IR, BET, TEM i TGA, przeprowadzono i szczegółowo przeanalizowano izotermy adsorpcji oraz kinetykę.
Cistanche tubulosa
EKSPERYMENTY
Materiały i odczynniki
Cistanche tubulosałodygę zakupiono od Congrongtang Biological Technology Co., Ltd. (Xinjiang). Wzorce echinakozydu (czystość większa lub równa 98 procent) i akteozydu (czystość większa lub równa 98 procent) zakupiono od Sunny Biotech Co., Ltd. (Shanghai). Acetonitryl, metanol i kwas octowy z HLPC zakupiono od Thermo Fisher Scientific Co., Ltd. (Szanghaj). Etanol o czystości analitycznej zakupiono od Yongsheng Fine Chemical Co., Ltd. (Tianjin). Uporządkowany mezoporowaty węgiel (CMK-3), nieuporządkowany mezoporowaty węgiel (DMC) i trójwymiarowy sześcienny uporządkowany mezoporowaty węgiel (CMK-8) zostały zakupione od Xianfeng Nano Material Technology Co., Ltd. (Nanjing) .
Charakteryzacja
Morfologię i mikrostrukturę przygotowanych próbek badano za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM, Tecnai G2 F20) przy napięciu 200 kV. Próbki TEM przygotowano w warunkach otoczenia poprzez osadzanie kropel roztworu etanolu z materiałami mezoporowatymi na filmy węglowe podtrzymywane przez siatki Cu. Generalnie, aby zwiększyć rozdzielczość mikroskopu, wybrano źródło światła o krótszej długości fali, dzięki czemu można wyraźnie zaobserwować strukturę mezoporowatych węgli. Powierzchniowe grupy funkcyjne zmierzono jakościowo za pomocą spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR, AVATAR360) z wykorzystaniem interakcji między promieniowaniem podczerwonym a cząsteczkami materii. W FT-IR zastosowano test metodą osłabionego odbicia całkowitego, warunki były wielkości kroku 2 cm-1, a zakres skanowania wynosił 4,000–400 cm-1. Dane dotyczące struktury fizycznej, takie jak powierzchnia właściwa, wielkość porów i objętość porów mezoporowatych węgli zostały obliczone przez Brunauera-Emmetta-Tellera (BET, ASAP 2460). Procedura dla adsorbentu była następująca: mezoporowate węgle były odgazowywane w 60◦C przez 12 h, a krzywe adsorpcji-desorpcji N2 były testowane w -196◦C w celu obliczenia powierzchni właściwej, wielkości porów i objętości porów mezoporowaty węgiel. Analizator termograwimetryczny (TGA, STA 449 F3) to urządzenie, które wykorzystuje termograwimetrykę do wykrywania zależności temperatura-masa substancji, a TGA mierzy masę substancji w funkcji temperatury przy programowej kontroli temperatury. Dane TGA uzyskano przy użyciu TGA w temperaturze w zakresie od 30 do 800°C przy szybkości ogrzewania 10°C/min w atmosferze powietrza.
Analiza HPLC
Zawartość echinakozydu i akteozydu oznaczano metodą wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC, Waters Co., USA). System obejmował autosampler, pompę wysokociśnieniową i detektor ultrafioletu (UV). Analizę przeprowadzono na kolumnie asymetrii C18 (100Å, 5µm, 4,6 x 250 mm). HPLC wykorzystywała metodę elucji gradientowej do rozdzielania i wykrywania próbek. Objętość pętli wtryskowej 10µm, temperatura kolumny 30◦C, długość fali detekcji spektrofotometru UV 330 nm, szybkość przepływu 1 ml/min, a fazą ruchomą był (A) acetonitryl i (B) kwas octowy /woda (1:44, v/v).
Równowaga adsorpcji
Eksperyment optymalizacyjny warunków adsorpcji CMK- 3 został przeprowadzony przy użyciu mieszaniny akteozydu i echinakozydu, a w optymalnych warunkach surowywyciąg z Cistanche tubulosaprzeprowadzono w eksperymencie cyklu adsorpcji i wszystkie eksperymenty adsorpcji były powtarzane co najmniej 3. W tej samej serii eksperymentów, mezoporowate węgle CMK-8 i DMC prowadzono równolegle z CMK-3. Do trzech butelek dodano odpowiednio trzy rodzaje mezoporowatego węgla (CMK- 3, DMC i CMK-8) każdy 10 mg. Następnie do butelki dodano 15 ml roztworu próbki o początkowym stężeniu C0 (mg/ml). Butelkę umieszczono w wytrząsarce o stałej temperaturze 30°C na 24 h do osiągnięcia równowagi adsorpcji. Następnie 1 ml roztworu adsorpcyjnego przesączono przez filtr 0,22 µm i oznaczono stężenie równowagowe Ce (mg/ml) roztworu próbki metodą HPLC.
Eksperyment desorpcji
Następnie przeprowadzono eksperyment desorpcji mezoporowatego węgla. Zaadsorbowany mezoporowaty węgiel pod 15 ml mieszanego roztworu metanol/kwas octowy (9:1, v/v), który umieszczono w łaźni wodnej ultradźwiękowej na 1 hw 30◦C. Otrzymany roztwór desorpcyjny przefiltrowano przez filtr 0,22 przed analizą metodą HPLC. Zdolność adsorpcyjną QE (mg/ml) oceniono w następujący sposób:
QE {{0}} (C0 − Ce) · v/w (1)
(1)gdzie V to objętość roztworu (ml), a W to masa węgli mezoporowatych (g)
WYNIKI I DYSKUSJA
Charakteryzacja
Rysunek 1 przedstawia TEM trzech rodzajów mezoporowatych węgli. DMC była nieuporządkowaną porowatą siecią, CMK-8 była trójwymiarową strukturą porowatą, a CMK-3 była wyraźnie prążkowaną strukturą z uporządkowanymi jednowymiarowymi porami, co było podobne do przedstawionych wyników ( Wang i wsp., 2006; Luo i wsp., 2010).
Rysunek 2 przedstawia widmo FT-IR mezoporowatych węgli (CMK-3, DMC i CMK-8) oraz widmo FT-IR przed i po adsorpcji CMK-3. Jak widać z Figury 2A, grupy funkcyjne na powierzchniach mezoporowatych węgli były głównie grupami zawierającymi tlen. Ogólne kształty widm dla trzech rodzajów mezoporowatych węgli były podobne. Węgle mezoporowate wykazywały pasmo szczytowe przy 3423 cm−1 odnoszące się do pasma drgań rozciągających OH. Pasma w zakresie 1580 i 1629 cm-1 odpowiadają drganiom rozciągającym karbonylku i karboksylu C=O. Dodatkowo, pik występujący przy 1384 cm-1 okazał się być drganiami rozciągającymi alkoholowego CO, a drgania rozciągające przy 2922 i 2852 cm-1 odpowiadają odpowiednio CH na grupach metylenowych i metylowych. Wskazuje to, że grupy zawierające tlen występujące na powierzchniach mezoporowatych węgli mogą prowadzić do słabej interakcji chemicznej między cząsteczkami PhG a węglem mezoporowatym.
Figura 2B przedstawia widma FT-IR CMK-3 przed i po adsorpcji, akteozydzie i echinakozydzie. Charakterystyczny pik przy 1697 cm−1 pochodził od C=C olefiny w akteozydzie i echinakozydzie, natomiast pasma w zakresie 1519–1423 cm−1 odpowiadały pikowi drgań rozciągających pierścienia aromatycznego C{{ 12}} C w akteozydzie i echinakozydzie. Drgania rozciągające przy 1,604 cm-1 to wiązanie C=O, a pik przy 1157 cm-1 był spowodowany drganiami rozciągającymi wiązania eterowego w akteozydzie i echinakozydzie. W porównaniu z widmem FT-IR CMK-3 przed adsorpcją, w widmie FT-IR CMK-3 po adsorpcji pojawiły się nowe piki, które należały do charakterystycznego piku akteozydu i echinakozydu.
Izotermy adsorpcji-desorpcji N2 były ważnym parametrem dla adsorpcji PhG na CMK-3 i porównania struktury adsorbentu. Figura 3 przedstawia izotermy adsorpcji-desorpcji N2 odpowiednio CMK-3, CMK-8, DMC i CMK-3 po adsorpcji PhGs. Jak widać na Rysunku 3, izoterma węgli mezoporowatych była podobna do izotermy typu IV, ponieważ ten typ izotermy był głównie mezoporowaty, w którym zakres wielkości porów wynosił od 2 do 50 nm (Sanz Pérez et al. , 2019). Przerwa pomiędzy izotermą adsorpcji i desorpcji została nazwana pętlą histerezy wywołaną reakcją kondensacji kapilarnej. W przypadku reakcji kondensacji kapilarnej kondensacja kapilarna zachodzi najpierw w najmniejszych porach (Barsotti et al., 2016). Pokazuje to, że CMK-3 miał mniejsze mezopory niż DMC i CMK-8, co było zgodne z wynikami w Tabeli 1. Izoterma CMK-3 wykazuje pętlę histerezy H1, która była wskazujące na szybkie wypełnianie porów związane z kondensacją kapilarną, a struktura porów CMK-3 była rozsądnie uporządkowana. Izoterma DMC wykazuje pętlę histerezy H3, ten typ histerezy miał nieuporządkowane pory z powodu sieci porów, która powodowała nieokreśloną strukturę porowatego adsorbentu. Izotermy CMK-8 wykazują pętlę histerezy H2, co wskazuje, że struktura porów była skomplikowana, a rozkład wielkości porów nierównomierny.
Izotermy adsorpcji-desorpcji N2 CMK-3 porównano przed i po adsorpcji PhG. Izoterma CMK-3 po adsorpcji była również podobna do izotermy typu IV na rysunku 3B. Wskazał, że CMK-3 zachował swoją mezoporowatą strukturę po adsorpcji. Jak widać z Tabeli 1, powierzchnia właściwa i objętość porów CMK-3 po adsorpcji wykazywały wyraźny spadek, powierzchnia właściwa CMK-3 przed i po adsorpcji zmniejszyła się z 1,{{18 }}98,02 do 227,75 m2/g, a objętość porów zmniejszyła się z 1,32 do 0,42 cm3/g. Wskazał, że cząsteczki PhGs zostały zaadsorbowane na CMK-3
Table 1 summarized the BET-specific surface area, pore-volume, and pore size of the four samples. The BET surface areas of CMK-3, DMC, and CMK-8 were 1,098.02, 430.42, and 596.00 m2 /g, and the pores volume were 1.32, 0.70, and 0.85 m3 /g, respectively. The pore size of CMK-3 was 4.31 nm, lower than that of CMK-8 (9.58 nm) and DMC (5.18 nm). It can be seen that the pore volume and specific surface area follow the order: CMK-3 >CMK-8 >DMC, while pore size follows the order: DMC >CMK-8 >CMK-3.
Rysunek 4 przedstawia krzywe TGA trzech rodzajów mezoporowatych węgli (CMK-3, CMK-8 i DMC). Jak widać na rysunku 4, wszystkie trzy rodzaje mezoporowatych węgli mają dwa odrębne etapy utraty masy: pierwszy etap utraty masy był spowodowany parowaniem wilgoci w mezoporowatych węglach przed 100◦C, drugi etap utraty masy CMK- 3, DMC i CMK-8 występuje w przybliżeniu odpowiednio w 660, 427 i 615◦C, co odpowiada utleniającemu rozkładowi termicznemu mezoporowatych materiałów węglowych. Można zauważyć, że temperatura rozkładu termicznego CMK-3 była wyższa niż CMK-3 i CMK-8, stabilność termiczna CMK-3 była lepsza niż CMK{ {14}} i DMC.
