ตอนที่Ⅱ: Cistanche: การดูดซับ Phenylethanoid Glycosides ที่มีประสิทธิภาพสูงบน Mesoporous Carbon

ติดต่อ: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 อีเมล:audrey.hu@wecistanche.com

Helin Xu, Wenjing Pei, Xueqin Li และ Jinli Zhang

กลับไปที่ส่วน Ⅰ

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพการดูดซับคาร์บอนมีโซพอรัสสามชนิด

เนื่องจากตัวดูดซับทั้งสามประกอบด้วยคาร์บอนเป็นส่วนใหญ่ ปฏิกิริยาการดูดซับระหว่าง PhGs และคาร์บอนมีโซพอรัสจึงถือว่าเหมือนกัน ดังนั้นจึงถือว่าความแตกต่างในประสิทธิภาพการดูดซับมาจากความแตกต่างในโครงสร้างทางกายภาพของคาร์บอนมีโซพอรัส ตารางที่ 2 แสดงประสิทธิภาพการดูดซับของคาร์บอนมีโซพอรัสทั้งสามชนิด จากตารางที่ 2 จะเห็นได้ว่า mesoporous carbons ทั้งสามชนิดสามารถดูดซับ PhGs ได้ และ CMK-3 มีประสิทธิภาพการดูดซับที่ดีกว่า CMK-8 และ DMC สิ่งนี้บ่งชี้ว่าขนาดรูพรุนของคาร์บอนมีโซพอรัสมีขนาดใหญ่กว่าโมเลกุลของ PhGs และขนาดรูพรุนไม่ใช่ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความสามารถในการดูดซับของคาร์บอนมีโซพอรัสทั้งสาม ความสามารถในการดูดซับและอัตราการคายออกของ CMK-3 สูงถึง 189.37 มก./กรัม และ 94.96 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ ความสามารถในการดูดซับของ CMK-3 สูงกว่าของ CMK-8 เนื่องจากปริมาตรรูพรุนและพื้นที่ผิวจำเพาะของ CMK-3 มีขนาดใหญ่กว่า DMC และ CMK-8 จึงบ่งชี้ว่าปริมาตรของรูพรุนและพื้นที่ผิวจำเพาะเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการดูดซับ

PhGs ของ cistanche

การเพิ่มประสิทธิภาพของสภาวะการดูดซับ

การปรับให้เหมาะสมของการทดลองการดูดซับสำหรับ CMK-3 ได้ดำเนินการโดยใช้ทั้งแอกทิโอไซด์และอิชินาโคไซด์ผสมกัน อุณหภูมิ pH และความเข้มข้นเป็นปัจจัยที่มีอิทธิพลหลักของประสิทธิภาพการดูดซับ CMK-3 ดังนั้น ผลของปัจจัยที่มีอิทธิพลทั้งสามนี้ต่อประสิทธิภาพการดูดซับ CMK-3 ถูกตรวจสอบ

ผลของความเข้มข้นของตัวอย่างต่อประสิทธิภาพการดูดซับของ CMK-3

ผลของความเข้มข้นของตัวอย่างต่อประสิทธิภาพการดูดซับของ CMK{{0}} ถูกแสดงไว้ในรูปที่ 5 เมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้น ความจุของการดูดซับจะเพิ่มขึ้น ความสามารถในการดูดซับไม่เพิ่มขึ้นอีกต่อไปเมื่อความเข้มข้นของตัวอย่างเพิ่มขึ้นเมื่อความเข้มข้นของตัวอย่างถึง 0.41 มก./กรัม ที่ความเข้มข้นเริ่มต้นที่ต่ำของตัวอย่าง ตำแหน่งแอคทีฟของตัวดูดซับเพียงพอสำหรับการดูดซับโมเลกุล PhGs ในปริมาณที่ค่อนข้างน้อย ในทางตรงกันข้าม ที่ความเข้มข้นเริ่มต้นสูงของตัวอย่าง ปริมาณคงที่ของตำแหน่งแอคทีฟบนตัวดูดซับไม่สามารถดูดซับเพิ่มปริมาณของโมเลกุล PhGs ดังนั้น ความสามารถในการดูดซับของ CMK-3 สำหรับโมเลกุล PhGs มีแนวโน้มที่จะสมดุล

ผลของ pH ต่อประสิทธิภาพการดูดซับของ CMK-3

รูปที่ 6 แสดงผลของ pH ต่อประสิทธิภาพการดูดซับของ CMK-3 สามารถเห็นได้จากรูปที่ 6 ว่าค่า pH ที่เหมาะสมที่สุดคือ 6 สำหรับการดูดซับของ PhGs โดย CMK-3 เหตุผลมีดังนี้ PhGs มีกลุ่มฟีนอลไฮดรอกซิลจำนวนมากและเป็นของโมเลกุลที่เป็นกรดอ่อน ค่า pH ที่แตกต่างกันส่งผลต่อการแตกตัวเป็นไอออนและความเสถียรของโมเลกุล PhGs การแตกตัวเป็นไอออนของกลุ่มฟีนอลไฮดรอกซิลจะถูกยับยั้งที่ค่า pH ต่ำ ในขณะที่ความเสถียรของกลุ่มฟีนอลไฮดรอกซิลใน PhGs จะลดลงที่ค่า pH สูง การแตกตัวเป็นไอออนของกลุ่มฟีนอลไฮดรอกซิลใน PhGs ส่งผลให้ปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตระหว่าง PhGs และ CMK-3 ลดลง ทำให้ประสิทธิภาพการดูดซับของ CMK-3 สำหรับ PhGs ลดลง ดังนั้น pH ที่เหมาะสมคือ 6 สำหรับการดูดซับ CMK- 3

ผลของอุณหภูมิต่อประสิทธิภาพการดูดซับของ CMK-3

อุณหภูมิเป็นตัวแปรสำคัญในกระบวนการดูดซับ อุณหภูมิไม่เพียงแต่ส่งผลกระทบต่อการแพร่กระจายของโมเลกุล PhGs ที่ส่วนต่อประสานชั้นขอบเขตภายนอกเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อภายในรูพรุนของตัวดูดซับด้วย รูปที่ 7 แสดงผลของอุณหภูมิต่อความสามารถในการดูดซับของ CMK-3 ความสามารถในการดูดซับของ CMK-3 เพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 30 เป็น 60◦C มีการรายงานสาเหตุหลักว่าบริเวณที่ทำงานเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากลักษณะการดูดกลืนความร้อนของกระบวนการ และการแพร่กระจายของตัวดูดซับภายในอนุภาคเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิการดูดซับ (Peng et al., 2015) . นอกจากนี้ การเคลื่อนที่ของโมเลกุล PhGs เพิ่มขึ้นและความต้านทานการแพร่กระจายของโมเลกุลลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ความสามารถในการดูดซับจะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ 60–80◦C ซึ่งบ่งชี้ว่าอุณหภูมิการดูดซับมีค่าที่เหมาะสมที่สุด และโมเลกุลของ PhGs อาจไม่เสถียรที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นจึงเลือกอุณหภูมิการดูดซับที่เหมาะสมที่ 60◦C

สภาวะการดูดซับที่เหมาะสมที่สุดของ CMK{{0}} มีดังต่อไปนี้: ความเข้มข้นของตัวอย่างคือ 0.41 มก./กรัม, pH ของสารละลายเท่ากับ 6 และอุณหภูมิการดูดซับคือ 60◦C ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ความสามารถในการดูดซับของ PhGs ในสารสกัดหยาบบน CMK-3 คือ 358.09 ± 4.13 มก./กรัม ซึ่งมากกว่าความสามารถในการดูดซับของ PhGs บนเรซินที่มีรูพรุนมากกว่าสามเท่า (HPD300, 94.93 มก./กรัม) (หลิวและคณะ, 2013). ในขณะเดียวกัน อัตราการดูดซับของ CMK-3 สูงกว่าเรซินที่มีรูพรุนถึง 94.67 เปอร์เซ็นต์

อาหารเสริมซิสแทนเช่

ไอโซเทอร์มดูดซับ

ไอโซเทอร์มการดูดซับถูกแสดงไว้ในรูปที่ 8A ด้วยความเข้มข้นของสมดุลที่เพิ่มขึ้น ความสามารถในการดูดซับของ PhGs เพิ่มขึ้นและถึงสถานะอิ่มตัว เพื่อให้เข้าใจประสิทธิภาพการดูดซับของ PhG บน CMK- 3 เพิ่มเติม, ไอโซเทอร์มการดูดซับของ CMK-3 ถูกตรวจสอบโดยใช้แบบจำลอง Langmuir และ Freundlich พารามิเตอร์ของการดูดซับได้มาจากแบบจำลองที่แตกต่างกันซึ่งให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์บางประการเกี่ยวกับกลไกการดูดซับ รูปที่ 8B, C แสดงภาพไอโซเทอร์มการดูดซับของ CMK-3 ที่จำลองโดยแบบจำลอง Langmuir และ Freundlich

แบบจำลองแลงเมียร์มีพื้นฐานอยู่บนสมมติฐานที่ว่าการดูดซับเกิดขึ้นที่ตำแหน่งที่เป็นเนื้อเดียวกันเฉพาะภายในตัวดูดซับ ไม่มีปฏิสัมพันธ์ที่มีนัยสำคัญเกิดขึ้นระหว่างสปีชีส์ที่ถูกดูดซับ และตัวดูดซับถูกทำให้อิ่มตัวหลังจากหนึ่งชั้นของ:

โมเลกุลของตัวดูดซับก่อตัวบนพื้นผิวของตัวดูดซับ สมการไอโซเทอร์มเชิงเส้นของแลงเมียร์สามารถเขียนได้ดังนี้:

CE/QE=1 KLqm บวก CE/QM (2)

แบบจำลอง Freundlich มักใช้เพื่ออธิบายลักษณะการดูดซับของพื้นผิวหลายชั้นและพื้นผิวต่างกัน (Wu et al., 2017) รูปแบบเชิงเส้นของมันได้รับดังนี้:lnqe=lnKF บวก 1n/lnce (3)

โดยที่ QM (มก./ก.) คือความสามารถในการดูดซับชั้นเดียวสูงสุดตามทฤษฎี KL (มล./มก.) คือค่าคงที่แลงเมียร์ที่เกี่ยวข้องกับพลังงานการดูดซับที่สะท้อนความสัมพันธ์ระหว่างตัวดูดซับและตัวดูดซับ (Wu et al., 2017; He et al. , 2019), KF [(mg/g)•(mL/mg)1/n ] และ n คือค่าคงที่ของ Freundlich KF เป็นตัวบ่งชี้ความสามารถในการดูดซับสัมพัทธ์ n เกี่ยวข้องกับขนาดของแรงผลักดันการดูดซับและความแตกต่างของตำแหน่งการจับ และ 1/n บ่งชี้ถึงความชื่นชอบของการดูดซับ

พารามิเตอร์ของแบบจำลองไอโซเทอร์มสรุปไว้ในตารางที่ 3 แบบจำลอง Langmuir ดีกว่าแบบจำลอง Freundlich สำหรับการอธิบายข้อมูลการดูดซับของ PhGs บน CMK-3 ซึ่งบ่งชี้ว่าการดูดซับของฟีนิลทานอยด์ไกลโคไซด์บน CMK{{ 2}} เป็นกระบวนการดูดซับชั้นเดียวอย่างง่าย (Wang F. et al., 2017) นอกจากนี้ การมีอยู่ของกลุ่มฟังก์ชันที่ประกอบด้วยออกซิเจนบนพื้นผิวของ CMK-3 ช่วยเพิ่มการดูดซับของ PhGs ปริมาณการดูดซับสูงสุด (QM) สามารถสูงถึง 380.70 มก./กรัม ซึ่งใกล้เคียงกับค่าทดลอง นอกจากนี้ ค่า 1/n ของ PhGs คำนวณเป็น 0.22 ซึ่งเท่ากับ<0.5. it="" indicated="" that="" the="" adsorption="" of="" the="" phgs="" on="" the="" cmk-3="" could="" take="" place="" easily="" (fu="" et="" al.,="" 2007;="" gan="" et="" al.,="" 2018).="" this="" indicated="" that="" the="" adsorption="" of="" phenylethanoid="" glycosides="" on="" cmk-3="" was="" not="" completely="" a="" physical="" adsorption="" process.="" phgs="" contain="" multiple="" hydroxyl="" groups="" which="" might="" form="" hydrogen="" bonds="" with="" the="" oxygen-containing="" functional="" groups="" on="" the="" cmk-3="" and="" offer="" weak="" chemical="" adsorption="" for="" the="" adsorption.="" therefore,="" cmk-3="" adsorption="" of="" phgs="" was="" a="" complex="" adsorption="" process="" combining="" physical="" adsorption="" with="">

จลนพลศาสตร์การดูดซับ

ความสามารถในการดูดซับของ CMK-3 ถูกตรวจสอบในฐานะฟังก์ชันของเวลาเพื่อกำหนดหาเวลาสมดุลการดูดซับในรูปที่ 9A การตรวจสอบแสดงให้เห็นว่าอัตราการดูดซับสมดุลค่อยๆ ลดลงและค่อยๆ ลดระดับลงเมื่อความสามารถในการดูดซับเข้าใกล้สมดุล พบว่าถึงจุดสมดุลการดูดซับหลังจาก 14 ชั่วโมง อัตราการดูดซับเริ่มต้นอย่างรวดเร็วอาจเกิดจากการไล่ระดับความเข้มข้นสูงระหว่าง PhG และ CMK-3 ในสารละลายและพื้นผิวของ CMK-3 มีความพร้อมใช้งานสูงของไซต์ที่ทำงานอยู่

จลนพลศาสตร์การดูดซับถูกประเมินโดยการใช้แบบจำลองการแพร่กระจายในอนุภาค กราฟที่พล็อตของแบบจำลองลำดับที่หนึ่งเทียม แบบจำลองลำดับที่สองเทียม และแบบจำลองการแพร่ภายในอนุภาคสำหรับการดูดซับ PhGs บน CMK-3 ถูกแสดงไว้ในรูปที่ 9B–D ตามลำดับ

รูปแบบเชิงเส้นของแบบจำลองจลนศาสตร์แสดงดังนี้: Pseudo-first-order (Li et al., 2017a):

บันทึก (qe − qt )=logqe − K1/2.303 t (4)

หลอกลำดับที่สอง (Tang et al., 2018):

t/qt=1/K2q2e บวก t/qt (5)

โดยที่ K1 (1/นาที) และ K2 (g/mg·min-1 ) เป็นค่าคงที่อัตราของสมการอัตราอันดับแรกหลอกและสมการอัตราอันดับสองหลอกตามลำดับ qe (mg/g) คือความสามารถในการดูดซับทางทฤษฎีที่สมดุล

แบบจำลองการแพร่กระจายภายในอนุภาค:

qt=Kpt^1/2บวก ซี (6)

โดยที่ Kp คือค่าคงที่การแพร่กระจายภายในอนุภาค (mg/g นาที) และ C คือการสะท้อนกลับของเอฟเฟกต์ชั้นขอบ (mg/g)

ค่าที่คำนวณได้ของ qe ค่าคงที่อัตรา และสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์แสดงในตารางที่ 4 โมเดลลำดับที่สองหลอกให้ค่า R2 เท่ากับ 0 .998 ในขณะที่ค่า R2 ของแบบจำลองลำดับที่หนึ่งหลอก เดิมคือ 0.84. มันบอกเป็นนัยว่าแบบจำลองลำดับที่สองหลอกแสดงความสัมพันธ์เชิงเส้นที่ดีกว่าแบบจำลองลำดับที่หนึ่งหลอก รูปที่ 9C แสดงว่าพล็อตเชิงเส้นของ t/qe กับ t แสดงข้อตกลงที่ดีกับข้อมูลการทดลองจากแบบจำลองลำดับที่สองเทียม qe ที่คำนวณได้ของ pseudo-second-order ค่อนข้างคล้ายกับข้อมูลการทดลอง (ตารางที่ 4) ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าอันดับสองเสมือนเป็นแบบจำลองจลนศาสตร์ที่เหมาะสมกว่าลำดับที่หนึ่งหลอก

อย่างไรก็ตาม ผลการประเมินของแบบจำลองลำดับที่สองหลอกไม่สามารถระบุกลไกการดูดซับที่อาจเกิดขึ้นได้ เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าจลนศาสตร์การดูดซับถูกควบคุมโดยกลไกการแพร่ ซึ่งประกอบด้วยการแพร่ภายนอก การแพร่กระจายของชั้นขอบเขต และการแพร่กระจายภายในอนุภาค (Wong et al., 2019) แบบจำลองการแพร่กระจายภายในอนุภาคถูกใช้เพื่อกำหนดว่าการแพร่กระจายภายในอนุภาคเป็นขั้นตอนที่จำกัดอัตราหรือไม่

กล่าวกันว่าการแพร่กระจายภายในอนุภาคเป็นขั้นตอนจำกัดอัตราเมื่อ qt กับ t1/2 เป็นเส้นตรง การแพร่กระจายภายในอนุภาคเป็นขั้นตอนเดียวในการควบคุมอัตราเมื่อเส้นโค้งเคลื่อนผ่านจุดกำเนิด จากรูปที่ 9D จะเห็นได้ว่าการแพร่กระจายภายในอนุภาคถูกควบคุมโดยสองขั้นตอนที่แตกต่างกัน ขั้นตอนแรกของเส้นโค้งแสดงถึงการดูดซับพื้นผิว ขั้นตอนที่สองระบุการแพร่กระจายภายในอนุภาคในรูพรุน CMK-3 เนื่องจากแผนภาพการแพร่กระจายภายในอนุภาคไม่ผ่านจุดกำเนิด แบบจำลองระบุว่ากลไกการดูดซับมีมากกว่าหนึ่งกลไก และการแพร่กระจายภายในอนุภาคไม่ใช่ขั้นตอนเดียวที่จำกัดอัตรา ดังนั้น จึงสรุปได้ว่ากลไกของการดูดซับ PhGs บน CMK-3 มีความซับซ้อนที่ทั้งการดูดซับที่พื้นผิวภายนอกและการแพร่กระจายภายในอนุภาคเกิดขึ้นพร้อมกัน

cistanche

การทดลองซ้ำๆ

ความสามารถในการนำกลับมาใช้ใหม่เป็นปัจจัยสำคัญในการพิจารณาการใช้และคุณค่าของตัวดูดซับในการใช้งานจริง ดังนั้น ประสิทธิภาพการดูดซับแบบไซคลิกของ CMK-3 สำหรับสารสกัดที่ยังไม่ผ่านกระบวนการใดๆ จึงถูกทดสอบ รูปที่ 10 แสดงผลลัพธ์ของการดูดซับแบบไซคลิกของ CMK-3 สำหรับสารสกัดหยาบของ Cistanche tubulosa สามารถสังเกตได้จากรูปที่ 10 ว่าความสามารถในการดูดซับของ CMK-3 เปลี่ยนจาก 358.09 ± 4.13 มก./กรัม เป็น 320.78 ± 5.62 มก./กรัม หลังจากการดูดซับสามรอบ ซึ่งบ่งชี้ว่า CMK- 3 มีดี ความสามารถในการทำซ้ำ และ CMK-3 สามารถใช้ซ้ำๆ เพื่อดูดซับฟีนิลทานอยด์ไกลโคไซด์

บทสรุป

ศึกษาคุณสมบัติการดูดซับของ PhGs บน mesoporous carbons ทั้งสามชนิด และศึกษาลักษณะ mesoporous carbon ก่อนและหลังการดูดซับ ผลการวิจัยพบว่า CMK{{0}} มีพื้นที่ผิวจำเพาะและปริมาตรรูพรุนที่ใหญ่ที่สุดในบรรดาตัวดูดซับทั้งสาม (CMK- 3, DMC และ CMK-8) และสามารถดูดซับได้ โมเลกุล PhGs มีประสิทธิภาพมากกว่า DMC และ CMK-8 จากสารสกัดจาก Cistanche tubulosa เนื่องจากหมู่ฟังก์ชันที่ประกอบด้วยออกซิเจนบนพื้นผิวของ CMK-3 สามารถจัดให้มีตำแหน่งการดูดซับที่ออกฤทธิ์จำนวนมากสำหรับโมเลกุล PhGs นอกจากนี้ พันธะไฮโดรเจนยังเกิดขึ้นระหว่างหมู่ไฮดรอกซิลของ PhGs และหมู่ฟังก์ชันที่ประกอบด้วยออกซิเจนของ CMK- 3 ความสามารถในการดูดซับของสารสกัดหยาบสำหรับ PhGs คือ 358.09 ± 4.13 มก./กรัม ที่สภาวะที่เหมาะสมที่ 0.41 มก./ลิตร, pH=6 และ 60◦C และอัตราการคายประจุที่สอดคล้องกันของ CMK-3 คือ 95.02 เปอร์เซ็นต์ ข้อมูลการดูดซับแสดงว่าการดูดซับของ PhGs เป็นไปตามแบบจำลอง Langmuir และแบบจำลองลำดับที่สองหลอกอย่างใกล้ชิด แบบจำลองการแพร่กระจายภายในอนุภาคแนะนำว่าขั้นตอนการจำกัดอัตราการดูดซับเป็นแบบจำลองการแพร่กระจายภายในอนุภาค CMK-3 สามารถใช้เป็นตัวดูดซับที่มีศักยภาพในการดูดซับ PhGs จาก Cistanche tubulosa ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อาหารเสริม cistanche

คำชี้แจงความพร้อมใช้งานของข้อมูล

ชุดข้อมูลทั้งหมดที่สร้างขึ้นสำหรับการศึกษานี้รวมอยู่ในบทความ/เอกสารประกอบ

ผลงานของผู้เขียน

HX ทำการทดลองทั้งหมด รวบรวมข้อมูล วิเคราะห์ข้อมูล และเขียนต้นฉบับ WP ช่วยวิเคราะห์ข้อมูล FT-IR และทำการรวบรวมข้อมูล XL ช่วยอธิบายผลการทดลองบางส่วนและแก้ไขต้นฉบับ JZ มีส่วนในการตีความผลลัพธ์ทางวิทยาศาสตร์และแก้ไขต้นฉบับ

เงินทุน

เราขอขอบคุณอย่างยิ่งที่ได้รับการสนับสนุนจาก National Natural Science Foundation for Young Scientists of China (Grant No. 21706166), the Program for Young Innovative Talents of Shihezi University (CXRC201802), the Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (Grant No.) . IRT_15R46) และโครงการวิจัยวิชาการแม่น้ำแยงซีของมหาวิทยาลัยสือเหอจื่อ (Grant No. CJXZ201601)