一种用于植物多酚物质提取的高强度超大孔分离介质及其制备方法

摘要

本发明公开一种用于植物多酚物质提取的高强度超大孔分离介质，分离介质整体成型于分离柱中，具有胺基功能基团，压缩强度为5～10MPa，孔隙率60～95%，孔隙尺寸10～500μm，孔隙连续分布于介质中。制备时，将聚乙烯醇水溶液和交联剂混合，添加催化剂后逐步降温冷冻，结晶和交联反应后取出融化形成超大孔PVA交联支架；再将壳聚糖酸溶液与交联剂、引发剂置换支架中水，结晶并发生壳聚糖交联反应后取出融化形成超大孔PVA-CTS双网络交联连续床；再通过连续床与胺基化反应生成具有胺基功能基团的超大孔分离介质。本发明的分离介质可广泛应用于植物多酚类物质的提取，亦可作为吸附分离介质用于重金属、阴离子染料等废水处理等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于植物多酚物质提取的高强度超大孔分离介 质及其制备方法，属于功能高分子材料制备及其应用技术领域。

背景技术

植物多酚类物质是从植物中提取含有多个酚羟基具有广泛应用 价值的活性物质，如茶多酚、葡多酚、苹果多酚等。以茶多酚为例， 主要包含了儿茶素类、黄酮类、黄烷醇类、酚酸类化合物，是天然的 抗氧化剂，已被广泛应用于食品行业、医药以及精细化工等领域中。 因此，植物多酚类物提取以及纯化一直是研究的热点。树脂吸附法提 取多酚类物质主要利用树脂对处理液中植物多酚类物质通过某种吸 附方式来富集，再借助溶剂脱附手段将植物多酚进行洗脱、精制的方 法。目前应用于植物多酚类物质吸附分离的树脂种类多为商品化的散 装树脂颗粒，如大孔吸附树脂，聚酰胺树脂等。使用时将散装树脂颗 粒预处理后填充至分离柱中成为植物多酚的传质与分离场所。散装树 脂颗粒堆填于分离柱中，树脂颗粒内部孔隙以及树脂颗粒之间的空隙 存在严重不均一性，降低了植物多酚的传质效率，处理液流过树脂层 需要较大的操作压力，传质通量小。因此开发大通量、低操作压力、 高效率、性能稳定的用于植物有效成分提取的分离介质逐渐得到重视 和关注。

整体柱分离介质继散装树脂填充分离介质之后开发一种新型分 离介质，其制备材料整体成型于分离柱中。整体柱内部充满连续分布 的空隙结构，以提供一定的比表面积以及使流通的处理液可以在较高 的流速下均匀穿过分离介质。整体柱本身材质多以交联高分子材料作 为基质，在其孔隙的内部可以通过化学修饰以及物理镶嵌等方式赋予 整体柱在传质过程中具有特殊的选择性，以此提高传质的通量。因此， 与常规的散装树脂颗粒相比，经化学修饰后的高孔隙整体柱作为传质 场有高效率、低压降以及高通量等优点。

高分子材料成孔技术多见于如冷冻干燥法、相分离法、模板法、 致孔剂法、发泡法、波聚合法等。冷冻干燥法主要是先将预先制备的 聚合物水凝胶冷冻后，减压使固体冰升华留下孔隙的方法，制备周期 长，聚合物冷冻后体积增大容易胀裂使孔隙不均匀；模板法制备出材 料孔隙多为纳米级别且常见于无机材料中；致孔剂法在聚合体系中添 加可溶性的致孔剂，聚合完毕后，通过溶剂洗去致孔剂，浸洗致孔剂 耗去大量的制备时间；发泡法采用物理或者化学发泡剂生产气体在聚 合物中留下孔隙，制备出的材料孔隙不均匀，难以连续充满整个材料； 波聚合法是利用聚合热传递给已成凝胶的部位，反应热致凝胶中溶剂 气化后制得孔隙，体系需为高浓度单体、引发剂体系，因此，用于其 它其他材料的体系将受到限制。变温冷冻反应法利用的原理是将反应 物配置成一定浓度的水溶液，逐步变温冷冻以获得溶剂均匀结晶，冷 冻过程中溶剂水结晶，非结晶区域反应物浓度增高易于进行交联或者 聚合反应，变温冷冻促使溶剂生成冰晶粒径较为均一，反应完全后， 逐步升温，冰晶融化后得到连续分布、孔隙均匀整体材料。该致孔技 术利用溶剂结晶来作为致孔剂，致孔过程与交联或者聚合反应同时发 生，聚合反应完毕后直接解冻便获取产物，无需通过冷冻干燥，适当 的变温冷冻可以获得孔隙均匀以及高孔隙率的分离介质，具有优良的 重现性，可以制备整体型多孔材料。

CTS主要将虾、蟹等节肢动物的甲壳中提取物甲壳素（CHT）脱乙 酰化后的产物。自然界中每年生物合成的CHT将近100亿吨，仅次于纤 维素类产量的一种天然多糖产物。CTS来源十分丰富，生产设备简单 易实现，近年来，其价值逐渐被人们发现和利用。CTS分子链上有许 多活泼羟基、胺基等极性基团，部分胺基（羟基）可以通过与交联剂 反应制备具有空间网络结构的凝胶，或者可以将某些烯类单体以接枝 聚合的方式与CTS进行共聚合。利用CTS可以制备多种吸附材料，如用 于重金属吸附、或者蛋白质富集、分离等。单纯CTS交联物在使用过 程中机械性能极差，影响到分离介质的重复利用。PVA是一种水溶性 聚合物，有较好的生物相容性以及有一定的韧性，通过与交联剂反应 可以生成机械强度较高的空间网络结构的交联物。若将PVA制备成超 大孔整体柱作为支架，将CTS作为第二网络交联于PVA网络之上，必然 会提升整个分离介质的机械强度，可以多次重复利用。为了使所制备 的整体柱分离介质对植物多酚类物质具有较高的选择吸附性以及高 传质通量，另一有效手段是将制备的PVA-CTS超大孔整体柱进行化学 修饰。由于PVA-CTS的侧基分布着大量的羟基，一种有效的方法是将 其羟基进行胺基化。植物多酚类物质的酚羟基有一定弱酸性，或能与 分离介质中的胺基形成氢键，因此，胺基化后的分离介质能选择性地 吸附植物多酚类物质，传质的通量取决于胺基的数量以及分离介质的 孔隙率。该胺基化后的PVA-CTS超大孔整体柱同样适用于某些重金属 的吸附或者蛋白质的分离技术领域。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于植物多酚物质提取的高强度超大 孔分离介质及其制备方法。此超大孔整体分离介质具有一定机械强 度，能有效吸附植物多酚物质。本发明综合利用变温冷冻技术制备了 具有超大孔结构的连续分离介质，整体成型于分离柱中，利用PVA提 高聚合物材料机械强度以及对CTS经化学改性后达到对植物多酚类物 质可选择性吸附并提高吸附容量。所制备的分离介质多孔隙且相互贯 穿，操作时有较低的床层阻力，可以在较高的流速下完成对植物多酚 类物质的吸附分离。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种用于植物多酚物质提取的高强度超大孔分离介质，其特征在 于：分离介质整体成型于分离柱中，具有胺基功能基团，压缩强度为 5～10MPa，孔隙率60～95%，孔隙尺寸10～500μm，孔隙连续分布于 介质中。

一种用于植物多酚物质提取的高强度超大孔分离介质的制备方 法，包括如下步骤：

步骤（1），将聚乙醇（PVA）水溶液质量分数为2～20%和质量分 数为0.1～5%交联剂配置混合溶液，冷却溶液至0℃±1℃添加质量分 数为0.01～1%催化剂，置于制冷装置中变温冷冻，溶剂结晶和交联 反应6～20h，之后取出逐步升温融化冰晶，形成连续超大孔PVA交 联支架，用去离子水冲洗多次，洗去未参与反应物质；

步骤（2），将质量分数为3～20%壳聚糖（CTS）酸溶液与质量分 数为1～5%交联剂、0.1～1%引发剂在0℃±1℃快速通过恒流泵置换 PVA交联支架中水后，置于冷冻装置中变温冷冻结晶并发生壳聚糖交 联反应3～18h，之后取出，逐步融化冰晶，形成超大孔PVA-CTS双 网络交联连续床，用去离子水冲洗多次，洗去未参与反应物质；

步骤（3），通过恒流泵将质量分数为20～50%氢氧化钠，质量分 数为10～60%二甲基亚砜以及质量分数为10～30%的环氧氯丙烷混合 液泵入PVA-CTS双网络交联连续床，于30～50℃水浴中反应1～2h， 使PVA-CTS网络中引入环氧基；

步骤（4），将胺基化试剂配置成质量分数为10～80%水溶液，通 过恒流泵泵入整个PVA-CTS床层中于50～70℃水浴中反应2～4h，结 束后通过去离子水冲洗整个床层，获得胺基化高强度超大孔分离介 质。

步骤（1）所述的交联剂为甲醛、乙二醛、丙二醛和戊二醛中一 种或者几种，催化剂为硫酸、盐酸和磷酸中的一种或几种；变温冷冻 0～1h内，由0℃降温至-10～-20℃，并维持最终温度5～18h。

步骤（2）所述的引发剂为复配氧化-还原引发剂，具有较低的活 化能，可以为过硫酸盐-抗坏血酸、高锰酸钾-草酸、过硫酸盐-Fe(Ⅱ) 和过氧化氢-Fe(Ⅱ)等复配氧化还原引发剂中一种，交联剂为N,N’- 亚甲基双丙烯酰胺和N,N’-双烯丙酰基乙二胺中一种，变温冷冻0～ 1h内，由0℃降温至-10～-20℃，并维持最终温度2～16h。

步骤（4）所述的胺基化试剂可以为甲胺、二甲胺、乙二胺或1,6- 己二胺等。

采用上述方案后，本发明有益效果为：采用变温冷冻法制备超大 孔整体分离介质，孔隙均匀且相互贯通，方法简单易实现，冷冻溶剂 结晶与非结晶区交联或聚合反应同时进行，之后直接解冻获得超大孔 连续整体柱，无需通过负压干燥来获得孔隙，可以有效快速制备出整 体分离介质。该分离介质作为植物多酚物质吸附分离场所较传统散装 吸附树脂有较低的操作阻力，目标物在床层内流动速度快，停留时间 短等优点，可以大幅度减低生产周期。具有一定韧性的交联PVA作为 支架可以很好提高分离介质的机械强度，这样在吸附饱和后采用溶剂 洗脱植物多酚可以依旧维持整体柱的形貌。此外，高强度的连续分离 介质可以进行多次重复利用。CTS是一种天然多糖，来源广泛，无毒 副作用，在自然中可以进行生物降解，是一种环境友好型的天然聚合 物。为了提高PVA-CTS双网络整体柱对植物多酚的吸附选择性以及高 吸附容量，有效方法是将CTS以及PVA侧基中大量的羟基进行胺基化， 胺基化后使整体分离介质具含有大量的碱性基团能有效与植物多酚 中的酚羟基以氢键的方式缔合，因此可以提高整体分离介质的吸附选 择性以及高吸附容量。进一步，该高强度胺基化超大孔连续分离介质 同样可以用于重金属离子吸附以及蛋白质类生物分离领域用分离介 质。

具体实施方式

实施例1

将平均聚合物度为2000的PVA于热水中溶解，选用甲醛作为交 联剂，采用硫酸作为催化剂，以去离子水作为溶剂，控制PVA、甲醛 的质量分数分别为15%和0.5%，搅拌均匀后置于冷冻设备中降温至0 ℃左右时，添加浓度为20%的硫酸溶液0.5ml，再将混合液倒入直径 为16mm，长为200mm的色谱柱中。在1h内将温度从0℃降至-18℃， 体系冷冻出现冰晶，并维持-18℃反应12h后，取出色谱柱于室温中 解冻，尔后以6BV容积的去离子水冲洗床层去除未参与反应的物质， 得到PVA超大孔支架。

将脱乙酰度为85%的CTS溶解于2%的乙酸溶液，选用N,N’-亚 甲基双丙烯酰胺作为交联剂，以过硫酸铵-抗坏血酸作为复配引发剂， 控制CTS的质量分数为16%、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺质量分数为3%， 过硫酸铵-抗坏血酸总质量分数为1%，其中过硫酸铵与抗坏血酸的质 量比为2:1。先将CTS的乙酸溶液降温至0℃，再将交联剂、引发剂 配置成溶液添加其中，通过恒流泵输送将PVA超大孔支架中的水置换 出。将色谱柱置于冷冻设备中在1h内将温度从0℃降至-18℃，体系 冷冻出现冰晶，并维持-18℃反应10h后，取出色谱柱于室温中解冻， 尔后以6BV容积的去离子水冲洗床层去除未参与反应的物质，得到 PVA-CTS超大孔整体柱。

通过恒流泵将质量分数为30%氢氧化钠溶液，质量分数为20%二 甲基亚砜以及质量分数为25%的环氧氯丙烷混合液泵入PVA-CTS双网 络交联连续床，于40℃水浴中反应1h，使PVA-CTS网络中引入环氧 基。以二甲胺为胺基化试剂，并配置成质量分数为50%水溶液，通过 恒流泵输送整个PVA-CTS床层中于60℃水浴中反应2h，结束后通过 去离子水冲洗整个床层，获得胺基化超大孔分离介质。

该超大孔连续分离介质孔隙率为86%，孔径范围为10～400μm， 孔隙连续分布于整体柱中，其湿样压缩强度达到5.6MPa；当去离子 水以1mL/min流量流经分离介质时，床层压降梯度小于4×10³Pa/cm； 以茶多酚作为吸附质，最大吸附容量可以达272.5mg/g，以75%的酸 性乙醇水溶液作为解吸溶剂，该超大孔分离介质可以再生利用。

实施例2

将聚合物度为2000的PVA于90℃热水中溶解，选用乙二醛作为 交联剂，采用硫酸作为催化剂，以去离子水作为溶剂，控制PVA、乙 二醛的质量分数分别为12%和0.5%，搅拌均匀后置于冷冻设备中降温 至0℃左右时，添加浓度为20%的硫酸溶液0.5ml，再将混合液倒入 直径为16mm，长为200mm的色谱柱中。在1h内将温度从0℃降至-20 ℃，体系冷冻结晶，并维持-20℃反应15h后，取出色谱柱于室温中 解冻，尔后以6BV容积的去离子水冲洗床层去除未参与反应的物质， 得到PVA超大孔支架。

将脱乙酰度为90%的CTS溶解于2%的乙酸溶液，选用N,N’-亚 甲基双丙烯酰胺作为交联剂，以高锰酸钾-乙二酸作为复配引发剂， 控制CTS的质量分数为13%、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺质量分数为 2.5%，高锰酸钾-草酸总质量分数为1.8%，其中高锰酸钾-草酸的质 量比为2:1。先将CTS的乙酸溶液降温至0℃，再将交联剂、引发剂 配置成溶液添加其中，降温至0℃左右，通过恒流泵输送将PVA超大 孔支架中的水置换出。将色谱柱置于冷冻设备中在1h内将温度从0 ℃降至-18℃，体系冷冻出现冰晶，并维持-18℃反应10h后，取出色 谱柱于室温中解冻，尔后以6BV容积的去离子水冲洗床层去除未参与 反应的物质，得到PVA-CTS超大孔整体柱。

通过恒流泵将质量分数为20%氢氧化钠溶液，质量分数为25%二 甲基亚砜以及质量分数为30%的环氧氯丙烷混合液泵入PVA-CTS双网 络交联连续床，于45℃水浴中反应1h，使PVA-CTS网络中引入环氧 基。以二乙胺为胺基化试剂，并配置成质量分数为50%水溶液，通过 恒流泵输送整个PVA-CTS床层中于60℃水浴中反应2h，结束后通过 去离子水冲洗整个床层，获得胺基化超大孔分离介质。

该超大孔连续分离介质孔隙率为80%，孔径范围为10～600μm， 孔隙连续分布于整体柱中，其湿样压缩强度达到6.8MPa；当去离子 水以1mL/min流量流经分离介质时，床层压降梯度小于3.5× 10³Pa/cm；以厚朴酚作为吸附质，最大吸附容量可以达189.6mg/g， 以60%的酸性乙醇水溶液作为解吸溶剂。该超大孔分离介质可以再生 利用。

实施例3

将聚合物度为2600的PVA于95℃热水中溶解，选用戊二醛作为 交联剂，采用盐酸作为催化剂，以去离子水作为溶剂，控制PVA、戊 二醛的质量分数分别为12%和1.2%，搅拌均匀后置于冷冻设备中降温 至0℃左右时，添加浓度为15%的盐酸溶液0.5ml，再将混合液倒入 直径为12mm，长为200mm的色谱柱中。在1h内将温度从0℃降至-18 ℃，体系冷冻结晶，并维持-18℃反应12h后，取出色谱柱于室温中 解冻，尔后以5BV容积的去离子水冲洗床层去除未参与反应的物质， 得到PVA超大孔支架。

将脱乙酰度为90%的CTS溶解于2%的乙酸溶液，选用N,N’-亚 甲基双丙烯酰胺作为交联剂，以过硫酸钾-Fe(Ⅱ)作为复配引发剂， 控制CTS的质量分数为12%、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺质量分数为 2.4%，过硫酸钾-Fe(Ⅱ)总质量分数为0.4%，其中过硫酸钾-Fe(Ⅱ) 的质量比为2:1。先将CTS的乙酸溶液降温至0℃，再将交联剂、引 发剂配置成溶液添加其中，降温至0℃左右，通过恒流泵输送将PVA 超大孔支架中的水置换出。将色谱柱置于冷冻设备中在1h内将温度 从0℃降至-18℃，体系冷冻出现冰晶，并维持-18℃反应10h后，取 出色谱柱于室温中解冻，尔后以5BV容积的去离子水冲洗床层去除未 参与反应的物质，得到PVA-CTS超大孔整体柱。

通过恒流泵将质量分数为20%氢氧化钠溶液，质量分数为30%二 甲基亚砜以及质量分数为30%的环氧氯丙烷混合液泵入PVA-CTS双网 络交联连续床，于50℃水浴中反应1h，使PVA-CTS网络中引入环氧 基。以乙二胺为胺基化试剂，并配置成质量分数为50%水溶液，通过 恒流泵输送整个PVA-CTS床层中于60℃水浴中反应2h，结束后通过 去离子水冲洗整个床层，获得胺基化超大孔分离介质。

该超大孔连续分离介质孔隙率为84%，孔径范围为10～600μm， 孔隙连续分布于整体柱中，其湿样压缩强度达到7.1MPa；当去离子 水以1mL/min流量流经分离介质时，床层压降梯度小于3.2× 10³Pa/cm；以穿心莲内酯作为吸附质，最大吸附容量可以达 176.4mg/g，以80%的酸性乙醇水溶液作为解吸溶剂。该超大孔分离 介质可以再生利用。

实施例4

将聚合物度为2000的PVA于90℃热水中溶解，选用戊二醛作为 交联剂，采用磷酸作为催化剂，以去离子水作为溶剂，控制PVA、戊 二醛的质量分数分别为12%和0.5%，搅拌均匀后置于冷冻设备中降温 至0℃左右时，添加浓度为20%的硫酸溶液0.5ml，再将混合液倒入 直径为16mm，长为200mm的色谱柱中。在1h内将温度从0℃降至-20 ℃，体系冷冻结晶，并维持-20℃反应15h后，取出色谱柱于室温中 解冻，尔后以6BV容积的去离子水冲洗床层去除未参与反应的物质， 得到PVA超大孔支架。

将脱乙酰度为90%的CTS溶解于2%的乙酸溶液，选用N,N’-亚 甲基双丙烯酰胺作为交联剂，以过硫酸钾-抗坏血酸作为复配引发剂， 控制CTS的质量分数为13%、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺质量分数为 2.5%，过硫酸钾-抗坏血酸总质量分数为1.8%，其中过硫酸钾-抗坏 血酸的质量比为2:1。先将CTS的乙酸溶液降温至0℃，再将交联剂、 引发剂配置成溶液添加其中，降温至0℃左右，通过恒流泵输送将PVA 超大孔支架中的水置换出。将色谱柱置于冷冻设备中在1h内将温度 从0℃降至-18℃，体系冷冻出现冰晶，并维持-18℃反应10h后，取 出色谱柱于室温中解冻，尔后以6BV容积的去离子水冲洗床层去除未 参与反应的物质，得到PVA-CTS超大孔整体柱。

通过恒流泵将质量分数为26%氢氧化钠溶液，质量分数为30%二 甲基亚砜以及质量分数为30%的环氧氯丙烷混合液泵入PVA-CTS双网 络交联连续床，于45℃水浴中反应1h，使PVA-CTS网络中引入环氧 基。以1,6-己二胺为胺基化试剂，并配置成质量分数为30%水溶液， 通过恒流泵输送整个PVA-CTS床层中于60℃水浴中反应2h，结束后 通过去离子水冲洗整个床层，获得胺基化超大孔分离介质。

该超大孔连续分离介质孔隙率为85%，孔径范围为10～600μm， 孔隙连续分布于整体柱中，其湿样压缩强度达到5.4MPa；当去离子 水以1mL/min流量流经分离介质时，床层压降梯度小于4.0× 10³Pa/cm；以白藜芦醇作为吸附质，最大吸附容量可以达218.2mg/g， 以80%的酸性乙醇水溶液作为解吸溶剂。该超大孔分离介质可以再生 利用。