Parte Ⅰ: Cistanche: Adsorción altamente eficiente de glucósidos de feniletanoides en carbono mesoporoso
Mar 04, 2022
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Helin Xu, Wenjing Pei, Xueqin Li y Jinli Zhang
Glucósidos feniletanoidesson los principales compuestos activos deCistanche tubulosa（Haga clic para ver los productos）, y es extremadamente deseable para obtener una alta purificación de glucósidos feniletanoides por adsorción de sus extractos. Para explorar la adsorción altamente eficiente de los glucósidos feniletanoides, un nuevo material de adsorción para la separación y purificación eficientes de los glucósidos feniletanoides (glucósidos feniletanoides) deCistanche tubulosafue explorado. Los tres carbonos mesoporosos de carbono mesoporoso ordenado (CMK-3), carbono mesoporoso desordenado (DMC) y carbono mesoporoso cúbico tridimensional (CMK-8) se compararon para la adsorción de glucósidos feniletanoides. Mientras tanto, se investigaron las isotermas de adsorción, la cinética de adsorción y la optimización de las condiciones de adsorción. Los resultados indicaron que CMK-3 mostró la mayor capacidad de adsorción de 358,09 ± 4,13 mg/g debido a su alta área de superficie específica, gran volumen de poros y grupos funcionales que contienen oxígeno. Los datos experimentales se pueden describir con precisión utilizando el modelo de Langmuir y el modelo de pseudo segundo orden. El modelo de difusión intrapartícula sugirió que los pasos limitantes de la velocidad de adsorción eran la difusión intrapartícula.
INTRODUCCIÓN
Cistanche tubulosa era una planta parásita de Orobanchaceae (Li et al., 2016; Wang X. et al., 2017), y crecía principalmente en las raíces de plantas de Tamarix y especies de Calotropis (Zhang W. et al., 2016; Yan et al. , 2017). Cistanche tubulosa se registró originalmente en la Materia médica china de Shen Nong en ca. 100 a. C. El crecimiento y cultivo de Cistanche tubulosa requería condiciones ambientales severas, y se plantó ampliamente en tierras áridas y desiertos del hemisferio norte, como las provincias de Xinjiang, Mongolia Interior, Gansu, Qinghai y la Región Autónoma de Ningxia en China. (Tú et al., 2016).Cistanche tubulosaera una preciosa hierba tónica china que tenía las funciones de nutrir el riñón, combatir el envejecimiento, aumentar la esencia de la sangre y humedecer el intestino grueso para liberar las heces (Gu et al., 2016; Shimada et al., 2017; Cui et al. al., 2018), y se ha ganado la reputación de"Ginseng de los Desiertos"(Song et al., 2016; Wang et al., 2018). Cistanche tubulosa se registró oficialmente en la Farmacopea china como la fuente auténtica de Cistanches Herba (nombre chino: Rou cong rong) desde la edición de 2005 (Wang T. et al., 2016; Pei et al., 2019).
El estudio anterior había revelado varios componentes químicos principales de Cistanche tubulosa, incluidos PhG, iridoides y polisacáridos (Li et al., 2018a). Las estructuras de las PhG se componían principalmente de ácido cinámico y alcohol de polisacáridos que se unía a una -glucopiranosa a través de enlaces éster y glucosídicos (Luo et al., 2010), y el glucósido feniletanoide ha sido considerado como el principal componente activo de Cistanche tubulosa que posee varios actividades farmacológicas (Liao et al., 2018). El estudio mostró que las PhG tenían una variedad de propiedades medicinales, como neuroprotección, regulación inmunológica, antiinflamatoria, protección hepática y antioxidante (Aiello et al., 2015; Shiao et al., 2017; Wu et al., 2018, 2019). De acuerdo con las evaluaciones fitoquímicas, los PhG como el equinacósido, el acteósido se consideraron los principales componentes activos y marcadores de Cistanche tubulosa (Li et al., 2017b), que generalmente se eligieron como compuestos marcadores para la evaluación de la calidad de Cistanche tubulosa y la especie. de Cistanche se distinguieron a través de estos compuestos. Los PhG eran compuestos solubles en agua de origen natural porque tenían muchos grupos hidroxilo y grupos hidroxilo fenólicos en la molécula. Así, el feniletanoide se puede separar de Cistanche tubulosa en una solución acuosa.
Se han desarrollado muchos métodos para la separación y purificación de productos naturales, incluida la adsorción (Liu et al., 2016), la separación por membrana (Zhang et al., 2018b; Li et al., 2019) y la extracción con solventes, entre otros (Li et al., 2015a,b; Wang S. et al., 2016; Zhang H. et al., 2016). Sin embargo, la separación por membrana y la extracción por solvente no eran adecuadas para la preparación a gran escala y era difícil lograr una alta recuperación de los productos (Zhang et al., 2018a). La adsorción fue uno de los métodos más ampliamente adoptados para la separación de productos naturales (Wang S. et al., 2016; Konggidinata et al., 2017). Debido a sus estructuras de poros únicas y ajustables, áreas de superficie altas y estabilidad mecánica, se ha demostrado que los carbones mesoporosos (tamaño de poro entre 2 y 50 nm) son un tipo de adsorbentes eficientes para productos naturales adsorbentes. El estudio ha demostrado que los carbones mesoporosos eran más adecuados para adsorber macromoléculas, como los carbones mesoporosos que han utilizado Qin et al. al enriquecimiento de ácido clorogénico a partir de hojas de eucommia ulmoides (Qin et al., 2018). Li et al. sintetizó dos carbones mesoporosos a través de un enfoque de tratamiento hidrotermal y evaluó el rendimiento de adsorción de dos carbones mesoporosos para clorhidrato de berberina y matrina a partir de agua (Li et al., 2018b). Se consideró que era un tipo de material prometedor como adsorbente altamente eficiente (Zhang et al., 2013; Tian et al., 2015; Zhou et al., 2016). Además, los carbones mesoporosos también se han aplicado en la eliminación por adsorción de compuestos aromáticos, colorantes y metales pesados de las aguas residuales (Kong et al., 2016). En trabajos publicados anteriormente, Liu et al. usó una resina macroporosa para adsorber PhG de Cistanche tubulosa, y la pureza de los PhG aumentó pero la capacidad de adsorción y la tasa de desorción fueron bajas. En comparación con la resina macroporosa, los carbones mesoporosos tenían las características de una gran superficie específica, un tamaño de poro adecuado y un alto volumen de poro. Por lo tanto, se consideró que el carbón mesoporoso era un adsorbente altamente eficiente para las PhG. En este estudio, los tres tipos de carbono mesoporoso fueron seleccionados como adsorbentes para la separación y purificación de glicósidos feniletanoides de Cistanche tubulosa.
El objetivo principal de este trabajo fue explorar el rendimiento de adsorción de CMK-3 para la separación y purificación de glucósido feniletanoide de Cistanche tubulosa. Se investigaron los efectos de diferentes concentraciones, pH y temperatura en el rendimiento de adsorción de CMK- 3 y se descartaron las condiciones óptimas de adsorción de PhG. Los carbones mesoporosos se caracterizaron por FT-IR, BET, TEM y TGA, las isotermas de adsorción y la cinética se realizaron y analizaron en detalle.
Cistanche tubulosa
EXPERIMENTOS
Materiales y Reactivos
Cistanche tubulosaEl tallo se compró a Congrongtang Biological Technology Co., Ltd. (Xinjiang). Los estándares de echinacósido (pureza superior o igual al 98 por ciento) y acteósido (pureza superior o igual al 98 por ciento) se compraron a Sunny Biotech Co., Ltd. (Shanghai). El acetonitrilo, el metanol y el ácido acético de HLPC se adquirieron de Thermo Fisher Scientific Co., Ltd. (Shanghai). El etanol de grado analítico se adquirió de Yongsheng Fine Chemical Co., Ltd. (Tianjin). El carbono mesoporoso ordenado (CMK-3), el carbono mesoporoso desordenado (DMC) y el carbono mesoporoso ordenado cúbico tridimensional (CMK-8) se compraron a Xianfeng Nano Material Technology Co., Ltd. (Nanjing) .
Caracterización
La morfología y las microestructuras de las muestras preparadas se investigaron mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM, Tecnai G2 F20) operada a 200 kV. Las muestras de TEM se prepararon en condiciones ambientales mediante el depósito de gotas de la solución de etanol con los materiales mesoporosos en películas de carbón soportadas por rejillas de Cu. En general, se seleccionó una fuente de luz con una longitud de onda más corta para aumentar la resolución del microscopio y se puede observar claramente la estructura de los carbonos mesoporosos. Los grupos funcionales de superficie se midieron cualitativamente mediante espectroscopia infrarroja transformada de Fourier (FT-IR, AVATAR360) utilizando la interacción entre la radiación infrarroja y las moléculas de materia. FT-IR utiliza la prueba del método de reflexión total atenuada, las condiciones eran un tamaño de paso de 2 cm−1 y el rango de exploración era de 4,000–400 cm−1. Brunauer-Emmett-Teller (BET, ASAP 2460) calculó los datos de la estructura física, como el área de superficie específica, el tamaño de poro y el volumen de poro de los carbones mesoporosos. El procedimiento para el adsorbente fue el siguiente: los carbones mesoporosos se desgasificaron a 60 ◦C durante 12 h, y las curvas de adsorción-desorción de N2 se probaron a −196 ◦C para calcular el área de superficie específica, el tamaño de poro y el volumen de poro del adsorbente. carbono mesoporoso. El analizador termogravimétrico (TGA, STA 449 F3) es un instrumento que utiliza la termogravimetría para detectar la relación temperatura-masa de una sustancia, y TGA mide la masa de una sustancia en función de la temperatura bajo el control de temperatura del programa. Los datos de TGA se obtuvieron usando un TGA en el rango de temperatura de 30 a 800 ◦ C a una velocidad de calentamiento de 10 ◦ C/min bajo una atmósfera de aire.
Análisis HPLC
El contenido de echinacósido y acteósido se detectó mediante cromatografía líquida de alta resolución (HPLC, Waters Co., EE. UU.). El sistema incluía un muestreador automático, una bomba de alta presión y un detector ultravioleta (UV). El análisis se realizó en la columna de asimetría C18 (100 Å, 5 µm, 4,6 × 250 mm). HPLC usó el método de elución en gradiente para separar y detectar muestras. El volumen del circuito de inyección fue de 10 µm, la temperatura de la columna fue de 30 ◦C, la longitud de onda de detección del espectrofotómetro UV fue de 330 nm, el caudal fue de 1 ml/min y la fase móvil fue (A) acetonitrilo y (B) ácido acético. /agua (1:44, v/v).
Equilibrio de adsorción
El experimento de optimización de las condiciones de adsorción para CMK- 3 se ha llevado a cabo utilizando una mezcla de acteósido y equinacósido y en las condiciones óptimas, el crudoextracto de Cistanche tubulosase llevó a cabo en el experimento del ciclo de adsorción y todos los experimentos de adsorción se llevaron a cabo repetidamente al menos 3. En el mismo lote de experimentos, los carbonos mesoporosos de CMK-8 y DMC se ejecutaron en paralelo con CMK-3. Los tres tipos de carbono mesoporoso (CMK- 3, DMC y CMK-8) cada 10 mg se agregaron a las tres botellas, respectivamente. Luego se agregaron a la botella 15 mL de solución de muestra con la concentración inicial de C0 (mg/mL). La botella se colocó en un agitador a temperatura constante de 30 °C durante 24 h hasta que se alcanzó el equilibrio de adsorción. A continuación, se filtró 1 ml de solución de adsorción a través de un filtro de 0,22 µm y se determinó por HPLC la concentración de equilibrio Ce (mg/ml) de la solución de muestra.
Experimento de desorción
Luego se realizó el experimento de desorción del carbón mesoporoso. El carbón mesoporoso se adsorbió bajo 15 mL de solución mixta de metanol/ácido acético (9:1, v/v), la cual se colocó en el baño de agua de ultrasonidos durante 1 h a 30◦C. La solución de desorción obtenida se filtró con un filtro de 0,22 antes del análisis por HPLC. La capacidad de adsorción QE (mg/ml) se evaluó de la siguiente manera:
QE {{0}} (C0 − Ce) · v/w (1)
(1)donde V es el volumen de la solución (mL) y W es el peso de los carbones mesoporosos (g)
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Caracterización
La figura 1 mostró un TEM de los tres tipos de carbonos mesoporosos. DMC era una red porosa desordenada, CMK-8 era una estructura de red de poros tridimensionales y CMK-3 era una estructura claramente rayada con poros unidimensionales ordenados, que era similar a los resultados informados ( Wang et al., 2006; Luo et al., 2010).
La figura 2 muestra el espectro FT-IR de los carbonos mesoporosos (CMK-3, DMC y CMK-8) y el espectro FT-IR antes y después de la adsorción de CMK-3. Se puede ver en la Figura 2A que los grupos funcionales en las superficies de los carbonos mesoporosos eran principalmente grupos que contenían oxígeno. Las formas generales de los espectros de los tres tipos de carbonos mesoporosos fueron similares. Los carbones mesoporosos mostraron una banda máxima a 3423 cm−1 en referencia a la banda de vibración de estiramiento de OH. Las bandas en la región de 1580 y 1629 cm−1 corresponden a vibraciones de estiramiento del carbonilo y carboxilo C=O. Además, se encontró que el pico que se produce a 1384 cm−1 es una vibración de estiramiento del CO alcohólico y la vibración de tracción a 2922 y 2852 cm−1 corresponde al CH en los grupos metileno y metilo, respectivamente. Esto indicó que los grupos que contienen oxígeno que existen en las superficies de los carbonos mesoporosos podrían conducir a una interacción química débil entre las moléculas de PhG y los carbonos mesoporosos.
La figura 2B muestra los espectros FT-IR de CMK-3 antes y después de la adsorción, el acteósido y el equinacósido. El pico característico a 1697 cm−1 se derivó del C=C de olefina en el acteósido y el equinacósido, mientras que las bandas en la región de 1519–1423 cm−1 correspondieron al pico de vibración de estiramiento del anillo aromático C{{ 12}}C en acteósido y equinacósido. La vibración de tracción en 1604 cm−1 fue el enlace C=O y el pico en 1157 cm−1 fue causado por la vibración de estiramiento del enlace éter en el acteósido y el equinacósido. Comparado con el espectro FT-IR de CMK-3 antes de la adsorción, el espectro FT-IR de CMK-3 después de la adsorción aparecieron los nuevos picos, que pertenecían al pico característico de acteoside y echinacoside.
Las isotermas de adsorción-desorción de N2 fueron un parámetro importante para la adsorción de PhG en CMK-3 y la comparación de la estructura del adsorbente. La figura 3 muestra las isotermas de adsorción-desorción de N2 de CMK-3, CMK-8, DMC y CMK-3 después de la adsorción de PhG, respectivamente. Como puede verse en la Figura 3, la isoterma de los carbones mesoporosos era similar a la isoterma tipo IV en que este tipo de isoterma era predominantemente mesoporosa, en la que el rango de tamaño de poro estaba entre 2 y 50 nm (Sanz Pérez et al. , 2019). La brecha entre la isoterma de adsorción y desorción se denominó ciclo de histéresis causado por la reacción de condensación capilar. Para las reacciones de condensación capilar, la condensación capilar ocurre primero en los poros más pequeños (Barsotti et al., 2016). Esto muestra que CMK-3 tenía un mesoporo más pequeño que DMC y CMK-8, lo cual era consistente con los resultados de la Tabla 1. La isoterma de CMK-3 exhibe un bucle de histéresis H1 que era indicativo del rápido llenado de poros asociado con la condensación capilar y la estructura de poros de CMK-3 fue razonablemente ordenada. La isoterma de DMC exhibe un bucle de histéresis H3, este tipo de histéresis presenta poros desordenados debido a una red de poros que provoca una estructura indefinida de adsorbente poroso. Las isotermas CMK-8 exhiben un bucle de histéresis H2, lo que indica que la estructura de los poros era complicada y la distribución del tamaño de los poros era desigual.
Las isotermas de adsorción-desorción de N2 de CMK-3 se compararon antes y después de la adsorción de PhG. La isoterma de la CMK-3 después de la adsorción también fue similar a la isoterma de tipo IV en la Figura 3B. Indicó que la CMK-3 mantuvo su estructura mesoporosa después de la adsorción. Como se puede ver en la Tabla 1, la superficie específica y el volumen de poro de CMK-3 después de la adsorción exhibieron una marcada disminución, el área de superficie específica de CMK-3 antes y después de la adsorción disminuyó de 1,{{18 }}98,02 a 227,75 m2/g, y el volumen de poros que se redujo de 1,32 a 0,42 cm3/g. Indicó que las moléculas de PhG se adsorbieron en 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.
La figura 4 muestra las curvas TGA de los tres tipos de carbonos mesoporosos (CMK-3, CMK-8 y DMC). Como puede verse en la Figura 4, los tres tipos de carbones mesoporosos tienen dos etapas distintas de pérdida de masa: la primera etapa de pérdida de masa se debió a la evaporación de la humedad en los carbones mesoporosos antes de los 100 °C, la segunda etapa de pérdida de masa de CMK- 3, DMC y CMK-8 se produce aproximadamente a 660, 427 y 615 ◦C, respectivamente, lo que corresponde a la descomposición térmica oxidativa de los materiales de carbono mesoporosos. Se puede ver que la temperatura de descomposición térmica de CMK-3 fue mayor que la de CMK-3 y CMK-8, la estabilidad térmica de CMK-3 fue mejor que la de CMK{ {14}} y DMC.
