Část I.: Cistanche: Vysoce účinná adsorpce fenylethanoidních glykosidů na mezoporézním uhlíku
Mar 04, 2022
Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Email:audrey.hu@wecistanche.com
Helin Xu, Wenjing Pei, Xueqin Li a Jinli Zhang
Fenylethanoidní glykosidyjsou hlavními účinnými látkamiCistanche tubulosa(Klikněte pro produkty) a je velmi žádoucí pro získání vysokého čištění fenylethanoidních glykosidů adsorpcí z jejich extraktů. Prozkoumat vysoce účinnou adsorpci fenylethanoidních glykosidů, nového adsorpčního materiálu pro účinnou separaci a čištění fenylethanoidních glykosidů (fenylethanoidních glykosidů) zCistanche tubulosabyl prozkoumán. Tři mezoporézní uhlíky uspořádaného mezoporézního uhlíku (CMK-3), neuspořádaného mezoporézního uhlíku (DMC) a trojrozměrného kubického mezoporézního uhlíku (CMK-8) byly porovnány pro adsorpci fenylethanoidních glykosidů. Mezitím byly zkoumány adsorpční izotermy, kinetika adsorpce a optimalizace adsorpčních podmínek. Výsledky ukázaly, že CMK-3 vykazoval nejvyšší adsorpční kapacitu 358,09 ± 4,13 mg / g kvůli své vysoké specifické ploše povrchu, velkému objemu pórů a funkčním skupinám obsahujícím kyslík. Experimentální data lze přesně popsat pomocí Langmuirova modelu a pseudo-modelu druhého řádu. Model difúze uvnitř částic naznačil, že kroky adsorpce omezující rychlost byly difúze uvnitř částic.
ÚVOD
Cistanche tubulosa byla parazitická rostlina Orobanchaceae (Li et al., 2016; Wang X. et al., 2017) a rostl hlavně na kořenech rostlin Tamarix a druhů Calotropis (Zhang W. et al., 2016; Yan et al., 2017). Cistanche tubulosa byla původně zaznamenána v čínské Materia Medica Shen Nonga kolem roku 100 př. n. l. Růst a pěstování Cistanche tubulosa vyžadovalo těžké environmentální podmínky a bylo široce vysazeno ve vyprahlých zemích a pouštích severní polokoule, jako jsou provincie Xinjiang, Vnitřní Mongolsko, Gansu, Qinghai a autonomní oblast Ningxia v Číně (You et al., 2016).Cistanche tubulosabyla vzácná čínská tonická bylina, která měla funkci výživy ledvin, proti stárnutí, posílení esence krve a zvlhčení tlustého střeva na volnou stolici (Gu et al., 2016; Shimada et al., 2017; Cui et al., 2018), a má pověst"Ženšen pouští"(Píseň a kol., 2016; Wang a kol., 2018). Cistanche tubulosa byla oficiálně zaznamenána v čínském lékopisu jako autentický zdroj Cistanches Herba (čínský název: Rou cong rong) z vydání z roku 2005 (Wang T. et al., 2016; Pei et al., 2019).
Předchozí studie odhalila několik hlavních chemických složek Cistanche tubulosa, včetně PhG, iridoidů a polysacharidů (Li et al., 2018a). Struktury PhG byly složeny hlavně z kyseliny skořicové a polysacharidového alkoholu, který byl připojen k β-glukopyranózy prostřednictvím esterových a glykosidických vazeb (Luo et al., 2010) a fenylethanoidní glykosid byl považován za hlavní aktivní složky Cistanche tubulosa s různými farmakologickými aktivitami (Liao et al., 2018). Studie ukázala, že PhG mají řadu léčivých vlastností, jako je neuroprotekce, imunitní regulace, protizánětlivé, ochrana jater a antioxidant (Aiello et al., 2015; Shiao et al., 2017; Wu a kol., 2018, 2019). Podle fytochemických hodnocení byly PhG, jako je echinakosid, akteosid, považovány za hlavní aktivní složky a markery Cistanche tubulosa (Li et al., 2017b), které byly obvykle vybrány jako markerové sloučeniny pro hodnocení kvality Cistanche tubulosa a druhy Cistanche byly rozlišeny prostřednictvím těchto sloučenin. PhG byly přirozeně se vyskytující sloučeniny rozpustné ve vodě, protože měly v molekule mnoho hydroxylových skupin a fenolických hydroxylových skupin. Fenylethanoid tak může být oddělen od Cistanche tubulosa ve vodném roztoku.
Bylo vyvinuto mnoho metod pro separaci a čištění přírodních produktů, včetně adsorpce (Liu et al., 2016), membránové separace (Zhang et al., 2018b; Li et al., 2019) a extrakce rozpouštědlem atd. (Li et al., 2015a,b; Wang S. a kol., 2016; Zhang H. et al., 2016). Membránová separace a extrakce rozpouštědlem však nebyly vhodné pro přípravu ve velkém měřítku a bylo obtížné dosáhnout vysoké výtěžnosti produktů (Zhang et al., 2018a). Adsorpce byla jednou z nejrozšířenějších metod separace přírodních produktů (Wang S. et al., 2016; Konggidinata et al., 2017). Díky své jedinečné a laditelné struktuře pórů, vysokým povrchovým plochám a mechanické stabilitě se mezoporézní uhlíky (velikost pórů mezi 2 a 50 nm) osvědčily jako druh účinných adsorbentů pro adsorpční přírodní produkty. Studie ukázala, že mezoporézní uhlíky byly vhodnější pro adsorpci makromolekul, jako jsou mezoporézní uhlíky, které Qin et al. použili k obohacení kyseliny chlorogenové z listů eucommia ulmoides (Qin et al., 2018). Li et al. syntetizovali dva mezoporézní uhlíky pomocí přístupu hydrotermální úpravy a vyhodnotili adsorpční výkon dvou mezoporézních uhlíků pro berberin hydrochlorid a matrin z vody (Li et al., 2018b). Byl považován za druh slibného materiálu jako vysoce účinný adsorbent (Zhang et al., 2013; Tian et al., 2015; Čou a kol., 2016). Kromě toho byly mezoporézní uhlíky také aplikovány na adsorpční odstraňování aromatických sloučenin, barviv a těžkých kovů z odpadních vod (Kong et al., 2016). V dříve publikovaných pracích Liu et al. použili makroporézní pryskyřici k adsorpci PhG z Cistanche tubulosa a čistota PhG se zvýšila, ale adsorpční kapacita a rychlost desorpce byly nízké. Ve srovnání s makroporézní pryskyřicí měly mezoporézní uhlíky vlastnosti velké specifické plochy povrchu, vhodné velikosti pórů a vysokého objemu pórů. Proto byl mezoporézní uhlík považován za vysoce účinný adsorbent pro PhG. V této studii byly vybrány tři druhy mezoporézního uhlíku jako adsorbenty pro separaci a čištění fenylethanoidních glykosidů z Cistanche tubulosa.
Hlavním cílem této práce bylo prozkoumat adsorpční výkon CMK-3 pro separaci a čištění fenylethanoidního glykosidu z Cistanche tubulosa. Byly zkoumány účinky různých koncentrací, pH a teploty na adsorpční výkon CMK-3 a byly vyšetřeny optimální adsorpční podmínky PhG. Mezoporézní uhlíky byly charakterizovány FT-IR, BET, TEM a TGA, byly provedeny a podrobně analyzovány adsorpční izotermy a kinetika.
Cistanche tubulosa
EXPERIMENTY
Materiály a činidla
Cistanche tubulosastonek byl zakoupen od Congrongtang Biological Technology Co., Ltd. (Xinjiang). Standardy echinakosidu (čistota ≥ 98%) a akteosidu (čistoty ≥ 98%) byly zakoupeny od společnosti Sunny Biotech Co., Ltd. (Šanghaj). Acetonitril, methanol a kyselina octová HLPC byly zakoupeny od společnosti Thermo Fisher Scientific Co., Ltd. (Šanghaj). Ethanol analytické kvality byl zakoupen od společnosti Yongsheng Fine Chemical Co., Ltd. (Tianjin). Objednaný mezoporézní uhlík (CMK-3), neuspořádaný mezoporézní uhlík (DMC) a trojrozměrný kubický objednávaný mezoporézní uhlík (CMK-8) byly zakoupeny od společnosti Xianfeng Nano Material Technology Co., Ltd. (Nanjing).
Charakterizace
Morfologie a mikrostruktury připravených vzorků byly zkoumány pomocí transmisní elektronové mikroskopie (TEM, Tecnai G2 F20) operované při 200 kV. Vzorky TEM byly připraveny v okolních podmínkách nanesením kapiček roztoku ethanolu s mezoporézními materiály na uhlíkové fólie podporované mřížkami Cu. Obecně byl vybrán světelný zdroj s kratší vlnovou délkou, aby se zvýšilo rozlišení mikroskopu, a lze jasně pozorovat strukturu mezoporézních uhlíků. Povrchové funkční skupiny byly kvalitativně měřeny Fourierovou transformační infračervenou spektroskopií (FT-IR, AVATAR360) s využitím interakce mezi infračerveným zářením a molekulami hmoty. FT-IR použití zeslabené metody celkové reflexe, podmínky byly krokové velikosti 2 cm−1 a rozsah skenování byl 4 000–400 cm−1. Údaje o fyzikální struktuře, jako je specifická povrchová plocha, velikost pórů a objem pórů mezoporézních uhlíků, byly vypočteny Brunauer-Emmett-Tellerem (BET, ASAP 2460). Postup pro adsorbent byl následující: mezoporézní uhlíky byly odplyněny při 60◦C po dobu 12 h a křivky adsorpce a desorpce N2 byly testovány na −196◦C pro výpočet specifické plochy povrchu, velikosti pórů a objemu pórů mezoporézního uhlíku. Termogravimetrický analyzátor (TGA, STA 449 F3) je přístroj, který používá termogravimetrický k detekci vztahu teploty a hmotnosti látky a TGA měří hmotnost látky jako funkci teploty pod programovou regulací teploty. Data TGA byla získána pomocí TGA při teplotě od 30 do 800 ◦C při rychlosti ohřevu 10 ◦C / min pod vzduchovou atmosférou.
Analýza HPLC
Obsah echinakosidů a akteosidů byl detekován vysokoúčinnou kapalinovou chromatografií (HPLC, Waters Co., USA). Systém zahrnoval automatický podavač vzorků, vysokotlaké čerpadlo a ultrafialový (UV) detektor. Analýza byla provedena na koloně asymetrie C18 (100Å, 5μm, 4,6 × 250 mm). HPLC použila metodu gradientní eluce k oddělení a detekci vzorků. Objem vstřikovací smyčky byl 10 μm, teplota kolony byla 30◦C, detekční vlnová délka UV spektrofotometru byla 330 nm, průtok byl 1 ml/min a mobilní fáze byla (A) acetonitril a (B) kyselina octová/voda (1:44, V/V).
Adsorpční rovnováha
Optimalizační experiment adsorpčních podmínek pro CMK-3 byl proveden pomocí směsi akteosidu a echinakosidu a za optimálních podmínek surovéextrakt z Cistanche tubulosabyl proveden na experimentu s adsorpčním cyklem a všechny adsorpční experimenty byly opakovaně provedeny nejméně 3. Ve stejné dávce experimentů byly paralelně s CMK-3 prováděny mezoporézní uhlíky CMK-8 a DMC. Tři druhy mezoporézního uhlíku (CMK-3, DMC a CMK-8), každý po 10 mg, byly přidány do tří lahví. Poté se do lahvičky přidalo 15 ml roztoku vzorku s počáteční koncentrací C0 (mg/ml). Láhev byla umístěna do třepačky s konstantní teplotou 30 ◦C po dobu 24 hodin, dokud nebylo dosaženo adsorpční rovnováhy. Poté byl 1 ml adsorpčního roztoku filtrován přes filtr o velikosti 0,22 μm a rovnovážná koncentrace Ce (mg/ml) roztoku vzorku byla stanovena pomocí HPLC.
Desorpční experiment
Poté byl proveden desorpční experiment mezoporézního uhlíku. Adsorbovaný mezoporézní uhlík pod 15 ml methanolu / kyseliny octové (9: 1, v / v) smíšený roztok, který byl umístěn ve vodní lázni ultrazvuku po dobu 1 h při 30 ◦ C. Získaný desorpční roztok byl před analýzou pomocí HPLC filtrován filtrem 0,22. QE adsorpční kapacity (mg/ml) bylo hodnoceno následovně:
QE = (C0 − Ce) · Hmotnostní zásobník (1)
(1)kde V je objem roztoku (ml) a W je hmotnost mezoporézních uhlíků (g)
VÝSLEDKY A DISKUSE
Charakterizace
Obrázek 1 ukázal TEM tří druhů mezoporézních uhlíků. DMC byla neuspořádaná porézní síť, CMK-8 byla síťová struktura trojrozměrného porézního a CMK-3 byla jasně pruhovaná struktura s uspořádanými jednorozměrnými póry, což bylo podobné hlášeným výsledkům (Wang et al., 2006; Luo et al., 2010).
Obrázek 2 ukázal FT-IR spektrum mezoporézních uhlíků (CMK-3, DMC a CMK-8) a FT-IR spektrum před a po adsorpci CMK-3. Z obrázku 2A je vidět, že funkční skupiny na povrchu mezoporézních uhlíků byly hlavně skupiny obsahující kyslík. Celkové tvary spekter pro tři druhy mezoporézních uhlíků byly podobné. Mezoporézní uhlíky vykazovaly vrcholový pás na 3 423 cm−1 odkazující na protahovací vibrační pásmo O-H. Pásma v oblasti 1 580 a 1 629 cm−1 odpovídají roztahovacím vibracím karbonylu a karboxylu C =O. Kromě toho bylo zjištěno, že pík vyskytující se při 1 384 cm−1 je roztahovací vibrace alkoholického C-O a tahové vibrace při 2 922 a 2 852 cm−1 odpovídají C-H na methylenové a methylové skupině. To naznačovalo, že skupiny obsahující kyslík existující na povrchu mezoporézních uhlíků by mohly vést ke slabé chemické interakci mezi molekulami PhG a mezoporézními uhlíky.
Obrázek 2B ukazuje FT-IR spektra CMK-3 před a po adsorpci, akteosidu a echinakosidu. Charakteristický pík 1 697 cm−1 odvozený od C=C olefinu v akteosidu a echinakosidu, zatímco pásma v oblasti 1 519–1 423 cm−1 odpovídala protahujícímu se vibračnímu píku aromatického kruhu C=C v akteosidu a echinakosidu. Tahové vibrace při 1 604 cm−1 byly vazbou C = O a vrchol při 1 157 cm−1 byl způsoben protahovacími vibracemi etherové vazby v akteosidu a echinakosidu. Ve srovnání s FT-IR spektrem CMK-3 před adsorpcí se FT-IR spektrum CMK-3 po adsorpci objevily nové vrcholy, které patřily k charakteristickému vrcholu akteosidu a echinakosidu.
Izotermy N2 adsorpčně-desorpční byly důležitým parametrem pro adsorpci PhG na CMK-3 a srovnání adsorbentní struktury. Obrázek 3 ukázal N2 adsorpčně-desorpční izotermy CMK-3, CMK-8, DMC a CMK-3 po adsorpci PhGs. Jak je vidět z obrázku 3, izotermy mezoporézních uhlíků byla podobná izotermě typu IV v tom, že tento typ izotermy byl převážně mezoporézní, ve kterém byl rozsah velikosti pórů mezi 2 a 50 nm (Sanz Pérez et al., 2019). Mezera mezi adsorpční a desorpční izotermou byla označována jako hysterezní smyčka způsobená kapilární kondenzační reakcí. U kapilárních kondenzačních reakcí dochází ke kapilární kondenzaci nejprve v nejmenších pórech (Barsotti et al., 2016). To ukazuje, že CMK-3 měl menší mezopor než DMC a CMK-8, což bylo v souladu s výsledky tabulky 1. Izoterma CMK-3 vykazuje hysterezní smyčku H1, která byla indikativní pro rychlé vyplnění pórů spojené s kapilární kondenzací a struktura pórů CMK-3 byla přiměřeně uspořádaná. Izoterma DMC vykazuje hysterezní smyčku H3, tento typ hystereze měl neuspořádané póry kvůli síti pórů, které způsobily nedefinovanou strukturu porézního adsorbentu. Izotermy CMK-8 vykazují hysterezní smyčku H2, což naznačuje, že struktura pórů byla komplikovaná a distribuce velikosti pórů byla nerovnoměrná.
Izotermy CMK-3 adsorpčně-desorpční izotermy N2 byly porovnány před a po adsorpci PhG. Izoterma CMK-3 po adsorpci byla také podobná izotermě typu IV na obrázku 3B. Ukázalo se, že CMK-3 si po adsorpci zachoval svou mezoporézní strukturu. Jak je patrné z tabulky 1, specifický povrch a objem pórů CMK-3 po adsorpci vykazoval výrazný pokles, specifický povrch CMK-3 před a po adsorpci se snížil z 1 098,02 na 227,75 m2 /g a objem pórů se snížil z 1,32 na 0,42 cm3 /g. Ukázalo se, že molekuly PhG byly adsorbovány na CMK-3
Tabulka 1 shrnula plochu povrchu specifickou pro BET, objem pórů a velikost pórů čtyř vzorků. Plochy BET CMK-3, DMC a CMK-8 byly 1 098,02, 430,42 a 596,00 m2 /g a objem pórů byl 1,32, 0,70 a 0,85 m3 / g. Velikost pórů CMK-3 byla 4,31 nm, což je méně než u CMK-8 (9,58 nm) a DMC (5,18 nm). Je vidět, že objem pórů a specifická povrchová plocha se řídí pořadím: CMK-3 >CMK-8 >DMC, zatímco velikost pórů se řídí pořadím: DMC >CMK-8 >CMK-3.
Obrázek 4 ukazuje křivky TGA tří druhů mezoporézních uhlíků (CMK-3, CMK-8 a DMC). Jak je vidět z obrázku 4, všechny tři druhy mezoporézních uhlíků mají dvě odlišné fáze ztráty hmotnosti: první stupeň ztráty hmotnosti byl způsoben odpařováním vlhkosti v mezoporézních uhlíkech před 100 ◦ C, druhý stupeň ztráty hmotnosti CMK- 3, DMC a CMK-8 se přibližně vyskytuje při 660, 427, a 615◦C, což odpovídá oxidačnímu tepelnému rozkladu mezoporézních uhlíkových materiálů. Je vidět, že teplota tepelného rozkladu CMK-3 byla vyšší než CMK-3 a CMK-8, tepelná stabilita CMK-3 byla lepší než u CMK-8 a DMC.
