大孔吸附树脂

 大孔吸附树脂是一类不含交换基团且有大孔结构的高分子吸附树脂，具有良好的大孔网状结构和较大的比表面积，可以有选择地通过物理吸附水溶液中的有机物，是20世纪6年代发展起来的新型有机高聚物吸附剂，已在环保、食品、医药等领域得到了广泛的应用。通过参考国内外一些关于大孔吸附树脂研究的书籍及文献，对大孔吸附树脂的分离原理，最新研究进展和应用情况以及影响因素进行了总结

关键词

大孔吸附树脂，柱层析，分离原理，工业应用

大孔吸附树脂分离技术

1大孔吸附树脂分离技术简介

1.1 大孔吸附树脂的简介和基本产品

大孔吸附树脂技术是一种以大孔吸附树脂为吸附剂，利用其对不同成分的选择性吸附和筛选作用，通过选用适宜的吸附和解吸条件借以分离、提纯某一或某一类有机化合物的技术。

该技术多用于工业废水的处理、维生素和抗生素的提纯、化学制品的脱色、医院临床化验和中草药化学成分的研究。它具有吸附快，解吸率高、吸附容量大、洗脱率高、树脂再生简便等优点。

大孔吸附树脂它是一种具有大孔结构的有机高分子共聚体，是一类人工合成的有机高聚物吸附剂。因其具多孔性结构而具筛选性，又通过表面吸附、表面电性或形成氢键而具吸附性。一般为球形颗粒状，粒度多为20-60目。大孔树脂有非极性（D101,LX-60,LX-20）、弱极性（AB-8，LX-21,XDA-6）、极性（LX-38,LX-17）之分。大孔吸附树脂理化性质稳定，一般不溶于酸碱及有机溶媒，在水和有机溶剂中可以吸收溶剂而膨胀。

大孔吸附树脂为吸附性和筛选性原理相结合的分离材料。它的吸附实质为一种物体高度分散或表面分子受作用力不均等而产生的表面吸附现象，这种吸附性能是由于范德华引力或生成氢键的结果。它主要以苯乙烯、二乙烯苯等为原料，在0.5%的明胶溶液中，加入一定比例的致孔剂聚合而成。其中，苯乙烯为聚合单体，二乙烯苯为交联剂，甲苯、二甲苯等作为致孔剂，它们互相交联聚合形成了大孔吸附树脂的多孔骨架结构。树脂一般为白色的球状颗粒，粒度为20～60 目，是一类含离子交换集团的交联聚合物。

大孔吸附树脂广泛应用于制药及天然植物中活性成分如皂甙、黄酮、内脂、生物碱等大分子化合物的提取分离。对人参皂甙、三七皂甙、绞股兰皂甙、薯蓣皂甙、甜菊皂甙、甘草甜素、银杏黄酮内脂，山楂黄酮、黄芪皂甙、橙皮甙、淫羊藿黄酮、大豆异黄酮、茶多酚、洋地黄强心甙、麻黄精粉、柚甙、毛冬青黄酮甙、红豆杉生物碱、多种天然色素、中药复方药物提取等以及生物化学制品的净化、分离、回收都有良好的效果。并在抗生素、维生素、氨基酸、蛋白质提纯,生化制药方面有很广泛的应用。

大孔树脂吸附分离工艺是对中药提取工艺影响大、带动面最广的技术之一。该工艺操作简便，成本较低，树脂可反复使用，适合工业生产。按日投产3吨生药计算，增加固定资产的投资15万元，而每年因此节约的能耗、辅料、包装材料、储藏、运输费用至少在百万以上。因此，它具有很强的推广应用价值,将对中药提取技术的跳跃式进步起到促进作用。同时，大孔吸附树脂对工业废水，废液的处理也有着广泛的应用。如废水中含苯、硝基苯、氯苯、氟苯、苯酚、硝基酚、氨基苯酚、双酚A、对甲酚、奈酚、苯胺、邻苯二胺、对苯二胺、水杨酸、2，3酸、奈磺酸等有机物均具有很好的吸附、回收净化作用。且对废液中有害物质的浓度含量适应性强，并可作到一次性达标。可实现工业生产中有害物质回收再用、化害为利、变废为宝的目的

美国的Kunin教授发明了大孔网状聚合物吸附，并在1966年研制成功了第一个大网格吸附剂，此后这项技术迅速发展，目前国内外的很多性能优良的产品也已经相继问世，如下表所示：

表1-1 常用国产大孔树脂的型号和主要特性【2】

1. D101大孔吸附树脂

大孔吸附树脂是一种具有多孔海绵状结构人工合成的聚合物吸附剂，依靠树脂骨架和被吸附的分子（吸附质）之间的范德华力，通过树脂巨大的比表面积进行物理吸附而达到从水溶液中分离提取水溶性较差的有机大分子的目的。采用大孔吸附树脂提取中草药有效成分如皂甙类、黄酮类、生物碱类，具有操作简便、成本较低、树脂可反复使用等优点，适于工业化规模生产。D101树脂是一种非极性吸附剂，比表面积为480~530m2/g。

用途：绞股蓝皂甙、三七皂甙、喜树碱等皂甙和生物碱提取。

2. D101B大孔吸附树脂

弱极性吸附剂,比表面积450~500 m2/g。是D101树脂的补充和改进，虽然比表面积略小于D101,但由于树脂内部孔表面带有弱极性基团，对于水溶性差从水相扩散到树脂相阻力较大的黄酮类有机物吸附速度快，吸附量大。

用途：银杏黄酮、茶多酚、黄芪甙等的提取。

3. XDA-1大孔吸附树脂

铁塔牌XDA-1大孔吸附树脂是一种高交联度、高比表面积、不带有官能团的非极性聚合物吸附剂。其连续的聚合物相和连续的孔结构赋予其优异的吸附性能。XDA-1的聚合物结构使其具有优良的物理、化学和热稳定性。根据被吸附介质的不同性质，XDA-1可用丙酮、甲醇、或稀碱溶液再生，反复使用于循环的工业过程中。

用途：XDA-1主要用苯酚生产企业、染化中间体生产企业、和其它化工、医药、农药生产企业。还可以从含有大量无机盐的水溶液中分离除去苯胺类、氯化苄、苄醇、氯代苯、山梨酸、卤代烃类等有机化合物，也可用于其它极性溶剂中非极性介质的富集。

4. XDA-1B大孔吸附树脂

带有弱极性基团的吸附剂,比表面积500~600 m2/g。是XDA-1树脂的补充和改进，虽然比表面积小于XDA-1,但由于树脂内部孔表面带有弱极性基团，对于水溶性差从水相扩散到树脂相阻力较大的有机物吸附速度快，吸附量大。

5. XDA-7均孔脱色树脂

采用特定交联剂和工艺合成的XDA-7均孔脱色专用树脂，是带有季胺基团的强碱性树脂。具有交联结构均匀，孔径分布范围窄，平均孔径大的特点，适于脱除分子量在200~10000之间带有负电荷的色素和大分子有机物。也可用于具有一定疏水性的电中性色素分子的吸附和脱附。XDA-7树脂对色素的选择性强，再生容易，受到有机污染后易于复苏。

用途：XDA-7广泛地应用于抗生素精制、生化产品提取、食品、化工等工业过程中。

6. H-10双氧水脱有机炭

白色不透明球状颗粒，非极性吸附剂，在双氧水中有良好的稳定性，比表面积830~850 m2/g。能够有效去除双氧水中的蒽醌类化合物，大幅度降低双氧水有机碳含量。处理后的双氧水可直接用于织物漂白。与H-10A、H-10B配合使用，可将双氧水中的有机碳、金属离子全部除去，制备高纯双氧水，达到微电子工业用标准。

7. H-20皂甙类、生物碱等中草药有效成分提取

白色不透明球状颗粒，非极性吸附剂，比表面积520~560 m2/g。用于皂甙类、生物碱类提取。

8. H-30甜菊甙提取,有机物提取分离

白色不透明球状颗粒，弱极性吸附剂，比表面积480~520 m2/g。适用于甜菊甙、黄酮类提取。

9. H-40水处理中用作有机物清扫剂

白色不透明球状颗粒，弱极性吸附剂，比表面积460~510m2/g。在COD高于20ppm的水处理过程中用在离子交换柱前作为保护柱，使后面的离子交换柱免受有机物污染。

10. H-50白酒类高级脂肪酸酯去除

白色不透明球状颗粒，非极性吸附剂，比表面积400~430 m2/g。中高度白酒由于酒精度高，其中的高级脂肪酯不易析出。30度以下的低度白酒由于酒精低，低温下高级脂肪酸酯如油酸乙酯、亚油酸乙酯、棕榈酸乙酯析出，影响酒的外观。低度酒通过H-50可以除去低度酒中的高级脂肪酸酯而不影响酒的风味。

11. H-60生物碱、黄酮类提取

白色不透明球状颗粒，弱极性吸附剂，比表面积540~580 m2/g。适于生物碱、黄酮类有机物的提取。

1.3 大孔吸附树脂分离柱层析技术

树脂分离在工业上应用最多的还是柱层析技术。其机理如 图1-1所示。

图1-1 亲和柱层析机理图

在运用打孔吸附树脂柱色谱进行分离精制时，其操作步骤为树脂的预处理→树脂装柱→药液上柱吸附→树脂的解析→树脂的清洗、再生。其大致过程如 图1-2。

1. 树脂的预处理  由于树脂出厂前没有经过彻底清洗，经常残留一些致孔剂、小分子聚合物、原料单体、分散剂以及防腐剂等有机残留物。另外树脂也常因失水而缩孔。因此用前必须进行预处理。

可将新购的树脂用乙醇浸泡24h，充分溶胀，装柱，用适量乙醇冲洗，而后改用大量清水冲洗备用。

2. 树脂装柱  通常以水为溶剂湿法装柱。先在树脂柱的底部放一些脱脂棉或玻璃丝，厚度1-2cm即可，用玻璃棒压平。在树脂中加少量水，搅拌后倒入保持垂直的色谱柱中，使其自然沉降，让水流出，注意不要干柱，以免气泡进入，影响分离效果。

3. 药液的上柱吸附  药液上柱前应为澄清溶液，否则会影响树脂吸附，一般要从上部加入，流速也要控制好，太快会不利于吸附，太慢效率太低。

    4. 树脂的解析  样品滴加完毕后就可以洗脱，通常用水洗脱，继而用醇-水洗脱，逐步加大醇的浓度，同时配合检测，相同纯度者合并，流速要适当，一般1-2 BV/h。

    5. 树脂的再生  树脂经多次使用后吸附能力会有所减弱，在表面和内部残留一些杂质，需再生后才能继续使用。

图1-2 柱层析原理图

2大孔吸附树脂分离技术原理及影响因素

2.1大孔吸附树脂吸附原理

大孔吸附树脂为吸附性和筛选性原理相结合的分离材料。 

　　大孔吸附树脂的吸附实质为一种物体高度分散或表面分子受作用力不均等而产生的表面吸附现象， 这种吸附性能是由于范德华引力或生成氢键的结果。同时由于大孔吸附树脂的多孔结构使其对分子大小不同的物质具有筛选作用。通过上述这种吸附和筛选原理，有机化合物根据吸附力的不同及分子量的大小，在大孔吸附树脂上经一定溶剂洗脱而达到分离、纯化、除杂、浓缩等不同目的。 

　　吸附树脂的表面发生吸附作用后，会使树脂表面上溶质的浓度高于溶剂内溶质的浓度，其结果引起体系内放热和自由能的下降。一般说来，吸附分为物理吸附和化学吸附两大类。

图 2-1 亲和层析法的原理图

2.2  影响吸附率的因素

吸附树脂对有机物的去除效果与树脂本身的结构性质、吸附质的结构以及吸附处理过程中的操作条件有着密切的关系。 

1．大孔吸附树脂极性的影响

遵从类似物吸附类似物的原则，根据吸附物质的极性大小选择不同类型的大孔吸附树脂。极性较大的化合物一般适用于在中极性的树脂上分离；极性小的化合物适用于在非极性的树脂上分离。极性大小是一个相对概念，要根据分子中基团 (如羟基) 与非极性基团 (如烷基、苯环、环烷母核等) 的数量与大小来确定；对于未知化合物，可通过一定的预试验及TLC而大致确定。 

2．大孔吸附树脂孔径的影响

大孔吸附树脂是多孔性物质，其孔径特性可用比表面积 (S) 、孔体积(V) 和计算所得的平均半径 (r) 来表征。假定孔道为圆柱形，则三者关系 r=2V/S，V可由压汞仪测得，S 可由比表面积测定仪测得。被分离成分通过树脂的孔道而扩散到树脂的内表面而被吸附。大孔吸附树脂孔径的大小，直接影响不同大小的分子自由进入，从而使树脂具有选择性。因此，只有当孔径对于被分离成分足够大时，比表面积才能充分发挥作用，即大孔吸附树脂比表面积越高，而平均孔径小。其吸附速度越慢，解吸越不够集中，杂质的分离效果也就越差。

3．大孔吸附树脂强度的影响

大孔吸附树脂强度与孔隙率有直接关系，也和制备工艺有关。这类树脂在酸碱中体积变化不大，在溶媒中则有一定程度的溶胀。一般大孔吸附树脂孔隙率越高，孔体积越大，则强度越差。大孔吸附树脂的强度直接影响树脂的使用寿命，从而影响着大孔吸附树脂法工艺的成本。 

4．吸附流速的影响

对于同一浓度的上样溶液，吸附流速过大，树脂的吸附量就会降低。但吸附流速过小，吸附时间就会增加，在实际应用中，应综合考虑来确定最佳吸附流速，既要使大孔吸附树脂的吸附效果好，又要保证较高的工作效率。 

5．温度的影响

物理吸附和化学吸附都是放热过程，所以只要吸附已经达到平衡，增加温度无论是物理吸附量还是化学吸附量都会降低。但是由于化学吸附在低温时往往末达到平衡，而升高温度会使吸附速度增快，所以对于化学吸附来说，在低温时常会出现吸附量随温度升高而增加的情况，直到真正达到平衡以后，吸附量才又随温度升高而下降。 

6．其它组分存在时的影响

当溶液中存在二种以上溶质时，往往会引起一种溶质易吸附而使另一种溶质的吸附量降低，一般来讲，对混合溶质的吸附较纯溶质的吸附效果差。

3. 大孔吸附树脂的应用

3.1 对中草药有效成分的提取 

3.1.1 黄酮 ( 甙 ) 类　 最有代表性的是银杏叶提取物(GBE) 。 国外用溶剂萃取法提取[3]，工艺步骤较长，溶剂消耗量大，其质量标准是黄酮甙含量≥ 24%, 萜内酯含量≥ 6% [4]。陈冲等[5]应用大孔树脂提取GBE, 既达到其质量标准，又降低了成本。他们将银杏叶用65%乙醇回流提取，减压浓缩，加 ZTC 澄清剂水沉降后，再将水沉降液上大孔树脂柱，用 pH=3 水洗涤13倍量，pH= 3 的 25% 乙醇洗涤 7.5 倍量，然后用 70% 乙醇洗脱，减压浓缩，喷雾干得到淡黄色的银杏叶提取物，其黄酮含量稳定在 26% 以上，内酯含量稳定在 6% 以上。史作清等[6]又研制出 ADS-17、ADS-21、ADS-F8 等大孔树脂，使 GBE 的生产具有更大的灵活性，其中 ADS-17 对黄酮类化合物具有很好的选择性，可得到黄酮甙含量较高的 GBE。

3.1.2 皂甙类和其它甙类　 此类物质应用大孔树脂提取分离 的文献报道比较多。刘中秋等[7]研究了用大孔树脂富集纯化毛冬青总皂甙的工艺条件及参数，他们取毛冬青样品液47ml(6.43g/ml)上大孔树脂柱，用 蒸馏水 100ml，50% 乙醇 100ml 依次洗脱，毛冬青总皂甙富集于 50% 乙醇洗脱液中，且除杂质能力强，洗脱率达 95%，50% 乙醇洗脱液干燥后总固物中毛冬青总皂甙纯度可达 57.5%。

3.1.3 生物碱类　 生物碱的提取可用阳离 子交换树脂，但酸、碱或盐类洗脱剂会给后面的分离造成麻烦，用大孔树脂可避免引入外来杂质的问题[8]。如用 AB-8 大孔树脂提取喜树碱，可直接得到含量约 50% 左右的产品，重结晶后喜树碱的含量可达90% [8]。 生物碱的提取还可以采用醇沉法、澄清法和超滤法，张保献等[9]采用这三种方法与大孔树脂法对苦参水提取液进行了精制，其中大孔树脂法为：取苦参水提液上清液 900ml，均分为9份，每份 100ml，相当于100g生药，分别离心 (2500r/min) 后倾出上清液，加适量蒸馏水返溶沉淀部分，离心，合并两次离心液，加入适量蒸馏水，混匀后上大孔树脂柱。待药液流完后，加入一倍生药量蒸馏水冲柱，待蒸馏水流完后，用 4 倍生药量的不同浓度乙醇洗脱，乙醇浓度分别为 50%、60%、70%，每一浓度平行各做 3 份。 洗脱液回收乙醇， 浓缩并真空干燥成干浸膏。他们以苦参总生物碱的含量为指标，对 4 种精制方法进行了比较研究，结果 4 种方法精制后，苦参总生物碱的含量的高低顺序为： 醇沉法 (10.61mg/g) > 澄清法 (4.40mg/g) > 超滤法 (3.05mg/g) > 大孔树脂法 (2.11mg/g)，因此，苦参总生物碱的精制方法宜采用醇沉法。 

3.1.4 　 其它有效成分的提取  胆红素：刘荣华等研究了 CDA-40 大孔树脂提取胆红素的工艺。他们采用正交试验法，以胆红素的提取率为考查指标，对提取工艺进行了筛选，得出最佳工艺流程为[10]：

3.2 其他方面的应用

 对于甜菊糖的分离纯化，国外有很多利用XAD-7树脂去除色素的报道[11]。

 此外，大孔吸附树脂在血液灌流、酶的固定化、氨基酸蛋白质的分离[12] 、抗生素的分离提纯、废水处理、升化物质的分离、葡萄糖的分离[13]、医疗卫生、食品应用等也有很多应用。

4. 大孔吸附树脂分离技术的展望

大孔树脂吸附分离工艺所得提取物体积小、不吸潮，容易制成外型美观的各种剂型，尤其适用于颗粒剂、胶囊剂和片剂，使中药的粗、大、黑制剂升级换代为现代制剂。 

　　就大孔树脂吸附技术自身而言，它工艺操作简便，不十分繁琐，难度不大，并且树脂可多次使用，也可再生反复使用，成本不是很高，设备较简单，而且这种工艺可以节约大量的能耗、辅料、包装材料、贮藏、运输等费用。 

　　目前，大孔树脂吸附技术广泛地应用于西药的生产中，在我国，中药研究和生产中探索应用大孔树脂吸附技术企业也越来越多，像四川泰华堂制药有限公司，成都地奥制药股份有限公司就已应用。扬子江药业集团也运用该技术生产银杏制剂。北京市生产西药的厂家应用较为普遍，同仁堂制药厂也正在试用。应该有很广阔的推广前景。

参考文献

[1] 王跃生 王　洋. 大孔吸附树脂研究进展[J].中国中药杂志, 2006，31（12）：961-965

[2] 周晶, 冯淑华. 中药提取分离新技术[M]. 北京:科学出版社,2010

[3] Schwabe W,Kloss P.Vasoactive drugs from Ginkgo bilobaleaves [P] .DE：1767098，1971-10-12

[4] Teris A, Van Beek.Analysisand quality controlof Gink-go bilobaleaves and standarised extracts[A].Proceed-ings of 97 international seminar on Ginkgo[C]. China: beijing,1997.158. 

[5] 钱庭宝.吸附树脂及其应用.化学工业出版社，1990

[6] 王芝祥 吸附树脂及其在天然产物中的应用 上海医药工业研究院，2003

[7] 史作清,施荣富.吸附树脂研究进展[A].中国化学会第十一届反应性高分子(离子交换与吸附)学术研讨会会议论文摘要预印集[C].2001.

[8] 江邦和,邬行彦.离子交换与吸附树脂的应用[J].离子交换与吸附,2001,

[9] 高柳小时，宫田 非离子型吸附树脂分离加工天然产物研究[J]。威利父子公司,1996.

[10] 安达笔，吸附树脂的表征与合成吸附剂制备规模的色谱分离研究[J]。2002,

[11]江邦和,胡效忠,邬行彦.离子交换与吸附树脂在中药有效成分提取中的应用[J].离子交换与吸附,2001,

[12] 李剑君,李稳宏,高 新,等.AB-8型大孔吸附树脂吸附葛根素过程的研究[J].西安交通大学学报,2000,

[13] 杨越雄, 陈文峰,.HA型大孔吸附树脂及活性炭对胆红素吸附性能的研究[J].离子交换与吸附, 2001,

[14] 周跃华.大孔吸附树脂在中药成分精制纯化中的应用[J].中成药,2002,

[15] 朱惠刚.水中有机化学污染物对人体影响评价，中国环境科学 2006

[16] 许景文.离子交换树脂技术在饮用水处理中的应用，净水技术1999

[17] Kotesh K. Jonnala , Palampur (IN)； Babu Garikapati D. Kiran, Palampur (IN)；Vijay K. Kaul , Palampur (IN)；Paramvir S. Ahuja，Palampur (IN). PROCESS FOR PRODUCTION OF STEVIOSIDES FROM STEVIA REBAUDIANA BERTONI [P]. Pub. No.：US 2006/0142555 Al 

[18] Kaufman DB, Hayes T, Better J, et al. Chromatographicresolution of tryptophan enantiomers with L-Leu-L-Leu-L-Leu peptide effects of mobile phase composition and chromatographic support .J Chromatogram A, 2000, 874(1):21

[19] Rickard Olsson，Reiner，Per Person. Adsorption mechanisms

of glucose in aqueous goethite suspensions[J]. Journal of Colloid and Interface Science 2011,353:263–268 

[20] 萧 伟,祥钟瑾,汪小钢,等.应用树脂吸附分离制取茶多酚[J].天然产物研究与开发,1999,6

[21] 孙万儒.生物技术产品的后处理工艺设计策略和有关思考.生物工程进展，1993.

[22] 冉艳红，于淑娟 利用吸附树脂处理苹果酒 华南理工大学食品与生物工程学院 2004