基于界面狭孔效应的中药成分超滤分离规律研究

The transmittances of Chinese medicine ingredients are usually not related to their molecular size, but mainly related to their properties, when Chinese medicine ingredients are ultra-filtered by the same pore size membrane, so it cannot be generalized by aperture sieve principle simply. We have accumulated experience in more than twenty years, and then propose the interface narrowing-hole effect. When liquid phase and solid phase contact in membrane hole ,there is a boundary layer, interface objectively; The interface occupies a certain proportion in membrane pore, rejects solute molecules into the membrane hole , narrows the ultrafiltration membrane pore size and makes the membrane with the character of smaller size. Panax notoginseng saponins (PNS) , which contain four main components of similar structure and molecular size, but different transmittances, is taken as experimental subject. The interface characteristics of four components of PNS are analysised, and the relevance between transmittance and the factors which have an effect on interface properties (such as membrane material, solute, solvent and operating pressure, temperature, concentration, etc.) is done on further research. The narrowing-hole effect which is dominanted by interface characteristics is illustrated. On that basis, more than 100 typical Chinese medicine ingredients are ultra-filtered respectively by hydrophilic material and weak-hydrophilic material ultrafiltration membrane with different pore size, and their transmittances are detected. The theory that the interface characteristics difference causes the different size hole can explicit the ultrafiltration separation rule caused by interface characteristics of ingredient and guide the application of ultrafiltration in Chinese medicine separation research.

同一膜孔径超滤时，中药成分的透过率常常不与分子大小相关，成分性质却显得更为重要，不能简单地用孔径筛分原理概之。申请人积二十年实践经验提出"界面狭孔效应"：膜孔内固-液二相接触时，客观存在着二相相互渗透的"过渡层"，这层"界面"占据了一定的膜孔径，阻碍溶质分子进入膜孔内，狭小了超滤膜的孔径，使超滤膜在实际过滤过程中呈现更小孔径的特征（图1）。本研究以结构相似、分子量相近但透过率明显不同的三七总皂苷为研究对象，分析其四个主要成分的界面特性，解析透过率与界面主要影响因素（膜材质、溶质、溶剂以及操作压力、温度、浓度等）的相关性，阐明界面特征主导的狭孔效应，以狭孔后的孔径修正膜分离理论。在此基础上，用亲水性与疏水性的系列孔径超滤膜，分析100个以上典型中药成分的透过率，基于各成分的界面层特征不同而引起狭孔效应差异的理论，总结中药成分界面特征所致的超滤分离规律，为超滤在中药的合理应用提供科学依据。

超滤分离中的孔径筛分原理，难以有效解释中药成分的分离规律，限制了其推广应用。基于两相间的界面狭孔效应，为了阐明中药成分的超滤分离机制，选择结构相似、分子量相近，但界面行为差异明显的三七总皂苷为研究对象，分析成分的界面特性，解析透过率与界面的相关性，在规范了超滤操作方法的前提下，分析在1 KDa～100 KDa系列孔径超滤膜中的透过规律，进而对三七总皂苷溶液与滤膜之间的界面层物理参数进行理论推导和计算机模拟，以Maple16非线性拟合计算三七总皂苷的界面参数，以四种成分之间的界面层厚度差异（1.8nm）为评价指标，并以相关系数r为指标通过Matlab R2011b验证。当流速方程中的幂值N=6时，三七皂苷R1、人参皂苷Rg1、人参皂苷Rb1、人参皂苷Rd的界面厚度（Ds）分别为2.06nm、1.96nm、3.90nm、3.87nm，趋向性常数（b）分别为1.63、1.95、0.71、0.88，建立分析溶质界面参数的界面狭孔效应计算模型。针对中药成分主要结构类型和成分分类，对皂苷、生物碱、黄酮、酚酸、蒽醌、苯丙素、萜类、挥发油中一百余种成分的超滤分离数据进行拟合分析，发现成分的界面效应强弱与成分结构、分子量存在相关性，但是也出现与分子大小不相符的拟合结果，如皂苷类成分的差异性，主要表现在亲水性强弱；黄酮类成分的平面结构对分离产生较强的空间阻碍，影响其分离时界面效应强弱；而生物碱和酚酸类成分，在以解离态形式存在时，均具有较好的膜分离特征，而难溶性成分因水溶性差，需要通过助溶等手段，改变其在水溶液中的存在状态，降低成分与膜材质之间的界面效应，提升膜分离适用性。在产业化应用中建立了适用于制药企业应用的膜截留分子量评价方法、研制了保留有效成分去除有害热原的专用超滤膜、解决了消癌平滴注液、冰七注射液、通络清脑粉针中澄明度、溶解性和稳定性等生产问题，本项目的实施过程中，参加会议交流3次，完成博士学位论文1篇，硕士学位论文2篇，发表学术论文25篇，其中SCI4篇，申请专利7项，其中授权4项。