全 文 ：书第 37 卷第 1 期
2015 年 1 月
南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
JOUＲNAL OF NANJING TECH UNIVEＲSITY (Natural Science Edition)
Vol． 37 No． 1
Jan． 2015
doi:10． 3969 / j． issn． 1671－7627． 2015． 01． 001
超滤-纳滤技术在金毛狗脊黄酮分离纯化中的应用
韩 伟，蒋一帅，魏雨恬
(华东理工大学 药学院 中药现代化研究中心，上海 200237)
收稿日期:2013－12－13
作者简介:韩 伟(1968—) ，男，江苏宝应人，教授，博士，主要研究方向为传质与分离工程、中药制药工程，E-mail:whan@ ecust． edu． cn．
引用本文:韩伟，蒋一帅，魏雨恬．超滤-纳滤技术在金毛狗脊黄酮分离纯化中的应用［J］．南京工业大学学报:自然科学版，2015，37(1) :1－7．
摘 要:通过动态提取-超滤-纳滤操作分离金毛狗脊中的总黄酮。以去离子水为溶剂，在十二烷基硫酸钠(SDS)的
辅助下动态循环提取金毛狗脊黄酮，并通过超滤去除大分子杂质，再用纳滤对料液进行浓缩。优化的工艺条件为:
超滤操作压力 0. 14 MPa，温度 45 ℃，溶液 pH 6，操作时间 90 min，此时超滤回收率 61. 30%，截留率 18. 52%;纳滤
操作压力 0. 4 MPa，温度 45 ℃，溶液 pH 6，操作时间 90 min，此时料液浓度提高 2. 190 倍，纳滤回收率 68. 29%，截留
率 53. 92%。与大孔树脂纯化实验相比，文中采用的分离方法能节省操作时间、提高操作效率，同时能有效提高总
黄酮的浓度。
关键词:超滤;纳滤;金毛狗脊;黄酮
中图分类号:Ｒ284. 2 文章编号:1671－7627(2015)01－0001－07
Application of ultrafiltration-nanofiltration technology in purification of
flavonoids from Cibotium barometz
HAN Wei，JIANG Yishuai，WEI Yutian
(Engineering Center for Traditional Chinese Medicine Modernization，School of Pharmacy，
East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)
Abstract:The dynamic extraction-ultrafiltration-nanofiltration operation was used to purify the flavonoids
in Cibotium barometz． The flavonoids were extracted by the dynamic circulating water solution with the
assistance of sodium dodecyl sulfate (SDS) ，then the macromolecular impurities were removed by
ultrafiltration and the feed was concentrated by nanofiltration membrane finally． The ultrafiltration yield of
61. 30% and the retention rate of 18. 52% were obtained under the following optimal conditions:
ultrafiltration pressure of 0. 14 MPa，temperature of 45 ℃，solution pH of 6，and operation time of 90
min． The nanofiltration yield reached 68. 29% and the retention rate of 53. 92% under nanofiltration
pressure of 0. 4 MPa，temperature of 45 ℃，solution pH of 6，and operation time of 90 min with the
trapped fluid flavonoid concentration raised to 2. 190 times than the original one． Compared with the
nanofiltration and macroporous resin purification，results showed that the succession operation method was
time-saving and efficient，and the flavonoids was effectively concentrated．
Key words:ultrafiltration;nanofiltration;Cibotium barometz;flavonoids
金毛狗脊(Cibotium barometz)是真蕨亚门蚌壳
蕨科植物，为我国民间传统药用植物。中药里常说
的“狗脊”是将金毛狗脊的干燥根皮作为入药部位，
因此，其根部成为国内外专家学者的研究重点。临
床实验表明狗脊有保肝益肾［1］、抗氧化衰老［1］、活
血利尿［2］和抑制血小板凝聚［3］等多种药理活性作
用，可以用来治疗风湿腰痛［4－5］、骨质疏松［6］及小便
异常等症状。现代药理研究结果表明，狗脊根茎中
含有山奈素、金粉蕨素、蕨素 Ｒ、蕨素 Y［7－9］等丰富的
黄酮类化合物。
水提醇沉法是提纯植物中黄酮等有效成分的
传统方法，现代分离工艺采用较多的是大孔吸附树
脂分离法［10－12］。这 2 种方法都存在操作时间长、溶
剂用量大等缺陷。本文以去离子水为溶剂，通过添
加表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)辅助动态循环
提取狗脊根茎中的黄酮类物质，然后通过超滤-纳滤
后续工艺去除黄酮水溶液中的杂质，有关这方面的
研究尚未见文献报道。
1 实验
1. 1 主要材料
金毛狗脊，产地安徽，上海雷允上药品有限公
司;芦丁对照品(纯度＞98%) ，中国药品生物制品检
定所;十二烷基硫酸钠(化学纯)、NaNO2(分析纯)、
Al(NO3)3(分析纯)、NaOH(分析纯) ，上海凌峰化学
试剂有限公司。
1. 2 主要设备
MP-20Ｒ型离心泵，上海新西山实业有限公司;
JA31002 型电子天平，上海天平仪器厂;UV1900PC
型紫外-可见分光光度计，上海亚研电子科技有限公
司;管式聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜组件，截留相对
分子质量 5 000，华东理工大学自制;聚醚砜(PES)
平板纳滤膜组件，截留相对分子质量 500，华东理工
大学自制。
1. 3 分析方法
依据《中国药典》中记载的有关黄酮类化合物
在可见分光光度计中的测定方法［13］，本文以芦丁标
准品为对照，采用 NaNO2-Al(NO3)3-NaOH 比色法
测定溶液中黄酮类物质的含量。在 400 ～ 600 nm进
行最大吸收波长扫描，结果显示芦丁对照品和金毛
狗脊黄酮溶液在 500 nm处都有最大吸收，因此选取
500 nm作为检测吸收波长。建立的标准曲线方程
为 A=7. 791ρ+0. 032 41(线性度 r2 = 0. 999) ，式中:A
为吸光度;ρ 为黄酮质量浓度。结果表明吸光度在
0. 24 ～ 0. 80 范围内线性关系良好。
1. 4 技术路线
本文主要研究集成系统中的超滤和纳滤纯
化效果。超滤的主要作用是去除料液中的大分
子杂质，而黄酮的料液浓缩主要是依靠纳滤截留
来进行。超滤-纳滤的集成化装置示意图如图 1
所示。
实验步骤如下:
① 在表面活性剂十二烷基硫酸钠的辅助下，用
去离子水动态循环提取金毛狗脊中的黄酮类物质。
图 1 超滤-纳滤集成连续化装置示意
Fig． 1 Schematic diagram of ultrafiltration-nanofiltration
② 收集黄酮提取液进行超滤。选用超滤膜为
聚偏二氟乙烯(PVDF)管式膜，膜有效面积 242. 0
cm2，截留相对分子质量 5 000，初步分离有效成分
提取液中含有的 SDS、鞣质、淀粉和蛋白质等杂质。
考察超滤压力、超滤温度、提取液 pH、提取液浓度和
超滤时间对分离效果的影响。
2 南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 37 卷
③ 收集超滤透过液作为纳滤原料液，进行纳
滤。选用的纳滤膜为聚醚砜(PES)平板膜，膜有效
面积 26. 50 cm2，截留相对分子质量 500，金毛狗脊
中的山奈素、金粉蕨素等黄酮类物质无法透过纳滤
膜而被截留，使得截留液中的黄酮浓度提高。考察
纳滤操作过程中的压力、温度、提取液 pH 以及纳滤
时间与纯化效果的关系。
④ 收集相同条件下的另一组超滤透过液，进行
大孔树脂吸附及脱附实验，并与纳滤纯化效果作
对比。
1. 5 考察参数
考察膜分离效果的指标有膜通量、回收率以及
截留率，对于关键的纳滤分离操作，还计算了浓缩
倍数(N)。
J = V
tA
(1)
Ｒ =
c － cp
c
× 100% (2)
η1 =
cuVu
ciVi
× 100% (3)
η2 =
cnVn
cuVu
× 100% (4)
N =
cn
cu
(5)
式中:J为膜通量，L /(h·m2) ;t为取样时间，h;A为膜
面积，m2;V为透过液体积，L;Ｒ为截留率;c为进料液
浓度，mol /L;cp 为透过液浓度，mol /L;cn 为纳滤截留
液浓度，mol /L;cu 为超滤透过液浓度，mol /L;ci 为黄
酮提取液浓度，mol /L;Vn 为纳滤截留液体积，L;Vu 为
超滤透过液体积，L;Vi 为黄酮提取液体积，L;η1 和 η2
分别为超滤和纳滤的回收率。
2 结果与讨论
2. 1 超滤实验结果与讨论
2. 1. 1 温度对超滤的影响
膜孔隙和膜阻力大小受温度影响，超滤温度与
膜瞬时通量衰减情况的关系如图 2 所示。
由图 2 可以看出:在 25 ～ 45 ℃范围内，因为料
液黏度随着温度升高而减小，从而，使超滤过程中
的扩散系数和传质系数增大，因此膜通量增大。如
果继续升高温度，会增大超滤膜的压密作用，使得
膜表面材料水解速度加快，导致膜结构的不可逆变
化。因此，为了保护膜材料的性能，将超滤温度设
图 2 操作温度对超滤膜通量的影响
Fig． 2 Effects of operation temperature on membrane
flux of ultrafiltration
定在 50 ℃以下。分析超滤透过液发现，当超滤温度
为 25、35 和 45 ℃ 时，超滤的回收率分别为
39. 23%、48. 34%和 59. 16%，透过液黄酮质量浓度
基本相同，为 0. 980 g /L 左右，截留率分别为
18. 57%、18. 34%和 18. 82%，受温度影响不大。
2. 1. 2 压力对超滤的影响
图 3 为在 40 ℃、料液 pH 5. 5 和黄酮质量浓度
1. 2 g /L的条件下，膜瞬时通量衰减情况随压力变
化的曲线。
图 3 操作压力对超滤膜通量的影响
Fig． 3 Effects of operation pressure on membrane flux
of ultrafiltration
由图 3 可知:在 0. 06 ～ 0. 14 MPa 的压力范围
内，膜通量随压力的增大而呈上升的趋势。因为压
力作为超滤的传质推动力，直接影响膜通量的大
小。但是超滤膜的工作压力不能过高，因此将超滤
压力控制在 0. 14 MPa 以下。分析不同压力条件下
的超滤透过液，当超滤压力为 0. 06、0. 10 和 0. 14
MPa时，超滤回收率分别为 51. 15%、53. 79% 和
56. 22%，压力对透过液中的黄酮浓度的影响较小。
2. 1. 3 pH对超滤的影响
黄酮提取液初始 pH为 5. 5，研究料液 pH对膜瞬
3第 1 期 韩 伟等:超滤-纳滤技术在金毛狗脊黄酮分离纯化中的应用
时通量衰减情况的影响，结果如图 4 所示。不同实验
条件下的 pH分别为 2、4、6、8、10及初始值 5. 5。
图 4 溶液 pH对超滤膜通量的影响
Fig． 4 Effects of solution pH value on membrane flux
of ultrafiltration
由图 4 可知:溶液不同 pH 对超滤膜通量的影
响不大。相对而言，当 pH = 4 时，膜通量出现了最
低值，这是因为黄酮提取液中还含有微量蛋白质，
金毛狗脊植物蛋白的等电点为 pH = 4. 2 左右，此时
料液中蛋白质溶解度最小，被超滤膜截留从而污染
超滤膜表面，所以料液在操作过程中应避开这一
点。当 pH=6 时，膜通量较高，这是因为 PVDF膜在
pH为 6 时的孔隙率最大［14］。当 pH 分别为 2、4、6、
8、10 和 5. 5 时，超滤回收率分别为 53. 64%、
51. 91%、53. 97%、53. 78%、53. 69%和 53. 61%。考
虑膜通量和回收率，超滤前加碱将料液 pH 微调
至 6。
2. 1. 4 浓度对超滤的影响
考察药液有效成分的膜分离效果与料液浓度
之间的关系。本文采用的黄酮料液初始质量浓度
为 1. 2 g /L，同时溶液中还含有鞣质、淀粉、蛋白质等
杂质。将溶液用去离子水稀释到 0. 4 和 0. 8 g /L，并
用纯水作对比，考察黄酮质量浓度与膜通量之间的
关系，结果如图 5 所示。
由图 5 可见:当溶液为去离子水时，膜通量最
大;随着黄酮及其他成分的质量浓度的加大，料液
黏度也随之增大，溶质间作用力增强，超滤膜中的
凝胶层更易加厚，导致膜透过阻力变大，膜通量显
著降低。当黄酮初始质量浓度为 0. 4、0. 8 和 1. 2
g /L 时，其超滤透过液的回收率分别为 56. 42%、
58. 35%和 54. 18%。当质量浓度取 0. 8 g /L时回收
率有极大值，这是因为当料液浓度较低时，单位体
积内通过超滤膜的杂质更多，而料液浓度较高时，
料液透过液体积快速减小。本文希望通过膜分离
图 5 黄酮质量浓度对超滤膜通量的影响
Fig． 5 Effects of solution concentration on membrane flux
of ultrafiltration
去除溶液中的杂质并使得溶液中黄酮质量浓度尽
可能高，所以稀释对黄酮纯化是不利的，考虑到回
收率差别不大，因此不再考察黄酮浓度对分离效果
的影响。
2. 1. 5 超滤正交试验分析
单因素试验结果表明，随着超滤时间的延长，
膜通量逐渐减小，而减缓速率则随时间的延长趋于
缓慢。当超滤时间大于 90 min，膜通量基本稳定，因
此将超滤时间设为 90 min。以超滤透过液回收率为
指标，操作温度、操作压力和溶液 pH 为实验因子进
行正交试验设计。黄酮提取液初始质量浓度为 1. 2
g /L，因素水平表见表 1，正交试验结果见表 2。
由表 2 可以看出:超滤透过液中的黄酮质量浓
度受操作温度、操作压力及黄酮提取液 pH 的影响
非常小，透过液黄酮质量浓度基本保持在 0. 975 g /L
左右，截留率为 18. 75%，说明超滤主要通过位阻效
应来进行分离。透过液回收率受超滤温度、压力和
pH的影响则较大，这主要是因为温度、压力、pH 对
膜通量的影响较大，单位时间内黄酮透过液的体积
越大则回收率越大。分析表 2 透过液回收率的极差
数据可以发现，各因素对黄酮透过液回收率的影响
程度从大到小依次为温度、压力、pH。最优的超滤
工艺条件为超滤温度 45 ℃，超滤压力 0. 14 MPa，黄
酮提取液 pH 6。在此工艺条件下进行 3 次平行实
验，结果显示回收率平均值为 61. 30%，透过液黄酮
质量浓度为 0. 978 g /L，截留率为 18. 52%，膜平均
通量为 20. 72 L /(h·m2)。
2. 2 纳滤实验结果与讨论
2. 2. 1 温度对纳滤的影响
纳滤膜在不同温度下的膜瞬时通量随时间变
化的曲线如图 6 所示。
4 南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 37 卷
表 1 正交试验的因素水平
Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments
水平
因素
温度 /℃ 压力 /MPa pH
1 25 0． 06 6
2 35 0． 10 8
3 45 0． 14 10
表 2 超滤膜正交试验结果
Table 2 Ｒelsults of orthogonal experiments for
ultrafiltration membrane
序号
温度 /
℃
压力 /
MPa pH
透过液
回收率 /
%
透过液
黄酮浓度 /
(g·L－1)
1 25 0． 06 6 38． 83 0． 982
2 25 0． 1 8 39． 25 0． 976
3 25 0． 14 10 40． 16 0． 961
4 35 0． 06 8 48． 13 0． 987
5 35 0． 1 10 48． 47 0． 965
6 35 0． 14 6 51． 95 0． 976
7 45 0． 06 10 55． 11 0． 956
8 45 0． 1 6 58． 95 0． 981
9 45 0． 14 8 60． 17 0． 971
k1 39． 36747． 333 49． 867
k2 49． 46748． 833 49． 133
k3 58． 03350． 7 47． 867
极差 18． 366 3． 367 2
注:ki(i=1，2，3)为透过液回收率的平均值。
图 6 操作温度对纳滤膜通量的影响
Fig． 6 Effects of operation temperature on membrane flux
of nanofiltration
由图 6 可以看出:纳滤膜通量随温度的升高而
升高。此外温度对纳滤膜的截留率也产生了影响，
在 25、35 和 45 ℃的条件下，纳滤回收率分别为
75. 82%、73. 03% 和 70. 86%，纳滤截留率分别为
58. 10%、55. 49% 和 53. 68%，两者都呈下降的趋
势。温度越高，纳滤膜的氢键作用越显著，使得纳
滤截留性能下降。氢键效应指的是溶液中的极性
分子可以和聚醚砜纳滤膜材料在表面形成氢键，并
伴随有电荷传递现象。金毛狗脊黄酮为极性分子，
膜表面的部分电荷会转移至溶质中的极性分子上，
导致膜表面的电荷密度降低，从而使得纳滤膜的静
电效应减弱［15］，截留率下降。温度的升高会加速电
荷的转移，因此分离过程中的截留率下降。药液中
的有效成分黄酮相对分子质量大于纳滤膜截留相
对分子质量，本应被截留的黄酮进入透过液中导致
黄酮的纳滤回收率降低。纳滤截留液的浓缩倍数
则为 1. 793 倍、1. 856 倍、1. 934 倍，随温度的升高而
变大，这是因为截留液体积随着温度的升高而变
小，而大部分黄酮仍停留在截留液中，使得纳滤截
留液中的黄酮质量浓度增大。为了提高黄酮浓度，
操作温度选为 45 ℃。
2. 2. 2 压力对纳滤的影响
在温度 45 ℃、料液 pH 为 6 的条件下，不同操
作压力条件对纳滤膜通量衰减情况的影响如图 7
所示。
图 7 操作压力对纳滤膜通量的影响
Fig． 7 Effects of operation pressure on membrane flux
of nanofiltration
由图 7 可见:随着操作压力升高，膜通量增大，
并且在高压的情况下，膜初始通量比低压的情况下
要大得多，但是由于透过通量大，纳滤膜表面截留
的大分子杂质多，因此随着时间的推移，膜表面阻
力也越来越大，从而使膜通量迅速衰减。当纳滤压
力分别为 0. 1、0. 2、0. 3 和 0. 4 MPa 时，纳滤回收率
为 79. 23%、74. 65%、70. 86%和 68. 28%，而纳滤截
留液的浓缩倍数则为 1. 672 倍、1. 793 倍、1. 941 倍
和 2. 191 倍。实验结果还表明，操作压力对纳滤截
留率的影响不大，不同压力下的截留率基本保持在
5第 1 期 韩 伟等:超滤-纳滤技术在金毛狗脊黄酮分离纯化中的应用
53. 90%。考虑设备能力和纯化效果，最佳操作压力
设定为 0. 4 MPa。
2. 2. 3 pH对纳滤的影响
考察纳滤原料液 pH (2、4、6、8 和 10)对纳滤膜
通量衰减情况的影响，结果如图 8 所示。
图 8 溶液 pH对纳滤膜通量的影响
Fig． 8 Effects of solution pH value on membrane flux
of nanofiltration
由图 8可见:随着溶液 pH 的升高，膜通量几乎
不变。分析认为是料液中的蛋白质基本被超滤膜截
留，因此不同的 pH 对溶液的等电点基本没有影响，
所以膜通量不受料液 pH 影响。由于超滤透过液的
pH为 6，为了方便操作，选取纳滤料液 pH为 6。分析
不同 pH下的纳滤回收率均在 70. 92%左右;同时纳
滤截留液的浓缩倍数也基本保持在 1. 930左右。
2. 2. 4 最佳工艺条件下的纳滤实验结果
单因素试验确定纳滤最佳工艺条件为温度 45
℃，压力 0. 4 MPa，黄酮提取液 pH 6。在此条件下进
行 3 次平行实验，结果显示纳滤平均回收率为
68. 29%，截留液黄酮质量浓度为 2. 142 g /L，浓缩倍
数为 2. 190 倍，截留率为 53. 92%，膜平均通量为
138. 67 L /(h·m2)。在此条件下的纳滤纯化效果
和截留液回收率随时间变化的曲线如图 9 所示。由
图 9 可知:随着操作时间的延长，回收率逐渐降低，
这是因为纳滤透过液体积随时间推移而增大，部分
黄酮在透过液中无法被回收;而纳滤浓缩倍数则逐
渐增大，但到 90 min 以后，效果变缓。考虑纳滤纯
化效果和膜寿命，确定纳滤操作时间为 90 min。
2. 3 实验结果对比
本文还进行了大孔树脂纯化实验，并与纳滤纯
化效果进行对比。大孔树脂实验条件参考李旭洲
等［16］的最佳工艺条件，大孔树脂选择 HZ-818，体积
70. 77 cm3，上样黄酮质量浓度 1. 6 mg /mL，上样体
积 3 BV(BV 为床层体积) ，流速 1. 0 mL /min，解吸
图 9 纳滤最优条件下时间对浓缩倍数和回收率的影响
Fig． 9 Effects of operation time on purification and recovery
under optimal nanofiltration conditions
溶剂为 70% 乙醇水溶液，体积 1. 5 BV，洗脱流量
1. 5 mL /min，结果见表 3。
表 3 实验结果比较
Table 3 Ｒesult of comparative experiments
分离方法 操作总时间 /min 浓缩倍数 回收率 /%
大孔树脂吸附 283 1． 633 61． 76
纳滤 90 2． 190 68． 29
由表 3 可以看出:与大孔树脂吸附分离方法相
比，本文采用的纳滤纯化方法能节省操作时间，同
时能优化浓缩倍数和黄酮回收率。林燕如等［10］以
金毛狗脊叶为研究对象，采用 DA-201 大孔树脂吸
附进行了黄酮的分离研究，结果显示最优回收率为
41%左右。大孔树脂纯化实验操作复杂、溶剂用量
大、回收率不高，而纳滤工艺实验在这些方面有明
显的优势。
3 结论
1)本文采用超滤-纳滤集成技术对黄酮提取药
液进行分离。考察了压力、温度、浓度和 pH 等因素
对回收率和截留率的影响。结果显示在超滤过程
中，对于超滤回收率的影响作用由大到小的顺序为
温度、压力、pH，超滤截留率保持在 18. 50%左右，与
温度和压力等操作条件无关，说明了超滤的分离作
用主要是位阻效应。
2)本文对黄酮有效成分的浓缩主要是通过纳
滤膜操作进行的。实验数据表明，溶液 pH 对回收
率、截留率和浓缩倍数的影响很小;而操作压力和
操作温度的提高都能使纳滤膜通量和浓缩倍数得
到提高。纳滤截留率只受温度影响，随着温度的升
6 南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 37 卷
高反而降低，这与纳滤电荷效应中的氢键模型理论
是一致的。
3)对比纳滤和大孔树脂分离纯化实验，结果表
明纳滤在操作时间、浓缩倍数、回收率方面都优于
大孔树脂分离。
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(责任编辑 刘俊英)
7第 1 期 韩 伟等:超滤-纳滤技术在金毛狗脊黄酮分离纯化中的应用