用于选择性富集含有顺式二醇的黄酮类化合物的多孔吸附剂的制备，以及基于生命周期分析的绿色性能评估

《Journal of Chromatography A》：Construction of porous adsorbent for selective enrichment of cis-diol-containing flavonoids and evaluation of green performance based on life cycle analysis

PCPF吸附剂通过硼酸基团与黄酮类化合物中cis-二醇结构的特异性结合，实现高效吸附。实验表明PCPF对槲皮素的吸附容量达214.93 mg/g，较商用树脂高，且具有良好循环性和环境可持续性。

　　这项研究聚焦于开发一种新型的吸附材料，用于高效分离和纯化含有顺式二醇结构的黄酮类化合物。黄酮类化合物因其广泛的生物活性，如抗炎、抗癌、抗菌和抗衰老等特性而备受关注。然而，这些化合物的结构复杂性给其在药理学上的分离和纯化带来了挑战。为了应对这一难题，研究团队采用了一种“一锅法”合成策略，制备出一种名为PCPF（果胶/羧甲基淀粉钠/聚乙烯亚胺/4-甲酰苯硼酸）的吸附材料。该材料以果胶、羧甲基淀粉钠、聚乙烯亚胺和4-甲酰苯硼酸为原料，通过化学反应形成具有特定功能的复合结构。实验结果显示，PCPF在相同的吸附条件下表现出高达40.87 mg/g的吸附容量，显著高于市面上常见的大孔树脂如AB-8（33.56 mg/g）、HPD100（34.19 mg/g）和HP20（34.42 mg/g）。这表明PCPF在吸附能力方面具有明显优势，为黄酮类化合物的分离提供了更有效的解决方案。

PCPF对含有顺式二醇结构的黄酮类化合物表现出良好的选择性，例如槲皮素、芦丁和木犀草素。在318.15 K（即约45.7°C）的条件下，PCPF对槲皮素的最大吸附容量达到了214.93 mg/g。这一数值远高于传统吸附材料，说明PCPF在吸附性能方面具有显著提升。此外，通过使用该吸附材料对虫草（Cordyceps militaris）中的槲皮素进行富集，其含量提高了20.49倍，这表明PCPF在实际应用中具有良好的分离效果。这一成果不仅对黄酮类化合物的提取具有重要意义，也为天然产物的深度开发提供了新的思路。

为了进一步理解PCPF的吸附机制，研究团队采用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术进行分析。结果表明，PCPF的吸附能力主要来源于其表面硼酸基团与含有顺式二醇结构的黄酮类化合物之间的环化反应，这一反应在pH值为8的弱碱性条件下尤为显著。同时，π–π相互作用、疏水作用以及氢键的形成也对吸附过程起到了辅助作用。这些相互作用的协同效应使得PCPF能够高效地选择性吸附目标化合物，而不会对其他成分造成干扰。这一机制的揭示为后续的吸附材料设计和优化提供了理论依据。

除了吸附性能，PCPF的可重复使用性也得到了验证。实验结果显示，经过五次循环使用后，其吸附容量仅下降了5 mg/g，这表明PCPF具有良好的稳定性。这一特性对于工业应用尤为重要，因为吸附材料的重复利用不仅能够降低生产成本，还能减少资源浪费，提高经济效益。此外，研究团队还从环境可持续性的角度出发，对PCPF与传统大孔树脂吸附材料进行了生命周期分析（LCA）。LCA评估了吸附材料在整个生命周期中的环境影响，包括原材料获取、生产、使用和最终处置等阶段。结果表明，PCPF在七个评估指标中（如非生物资源消耗、化石燃料消耗、酸化、淡水水生生态毒性、全球变暖潜值、人体毒性及海洋水生生态毒性）表现优于传统吸附材料，证明其在环境友好性方面具有显著优势。这一发现不仅支持了绿色化学的理念，也为未来吸附材料的可持续发展提供了参考。

为了进一步提高吸附材料的性能，研究团队在材料设计过程中引入了协同设计的理念。这一理念强调通过不同成分的协同作用，实现吸附材料在吸附能力、选择性、机械强度和环境友好性等方面的平衡。在PCPF的合成过程中，果胶和羧甲基淀粉钠被选作高性能的结构增强剂，它们的协同作用显著提高了复合材料的交联度和机械强度。果胶作为一种天然的多糖，其丰富的羧基可以形成互补的网络结构，而羧甲基淀粉钠则提供了良好的增稠性能和水溶性基质。这两种材料的结合不仅增强了吸附材料的物理性能，还提升了其在实际应用中的稳定性。同时，聚乙烯亚胺（PEI）和4-甲酰苯硼酸（FPBA）的引入则为吸附材料提供了高吸附能力和选择性。PEI因其丰富的氨基基团，能够增强材料的分散性，并提供大量用于功能化修饰的位点。而FPBA作为关键的硼酸基团，能够与含有顺式二醇结构的黄酮类化合物发生特异性环化反应，从而实现高效吸附。这一设计策略使得PCPF在吸附性能和环境友好性之间取得了良好的平衡。

在实验方法方面，研究团队采用了多种分析技术对PCPF进行了全面表征。例如，扫描电子显微镜（SEM）用于观察PCPF的微观结构，结果显示其表面具有粗糙的形态，并且分布着大量大孔。这表明PCPF具有良好的孔隙结构，有助于提高吸附效率。此外，通过汞渗透法测定了吸附材料的孔隙率，结果为79.35%。这表明PCPF的孔隙结构不仅丰富，而且具有良好的连通性，为黄酮类化合物的扩散和吸附提供了有利条件。为了进一步分析PCPF的孔隙结构，研究团队使用Image J软件对SEM图像进行了处理，并生成了孔径分布图。结果显示PCPF的平均孔径为105.48 μm，这一数值表明其具有较大的孔隙结构，有利于提高吸附容量。这些表征结果不仅验证了PCPF的结构特性，也为后续的吸附性能研究提供了基础。

在吸附性能的优化过程中，研究团队以槲皮素作为模型化合物，系统地探讨了pH值、吸附剂用量、接触时间和初始槲皮素浓度等因素对吸附性能的影响。实验结果显示，PCPF对槲皮素的吸附过程具有较快的动力学特性，符合Langmuir吸附模型。这表明PCPF的吸附过程是单层吸附，且吸附位点是均匀分布的。在318.15 K和pH=8的条件下，PCPF的吸附容量达到了最大值，即214.93 mg/g。这一结果表明，在特定的pH和温度条件下，PCPF能够实现高效的吸附性能。此外，通过调整吸附剂用量和接触时间，研究团队进一步优化了吸附条件，以提高吸附效率和选择性。这些优化措施为实际应用中的吸附操作提供了重要的指导。

为了验证PCPF的吸附性能和选择性，研究团队还对其在虫草提取物中的应用进行了评估。实验结果显示，PCPF能够有效分离虫草中的黄酮类化合物，并且在多次使用后仍能保持较高的吸附容量。这表明PCPF不仅适用于实验室研究，也具有良好的工业应用前景。此外，通过LCA对PCPF与传统吸附材料的环境影响进行了比较，结果显示PCPF在多个评估指标中表现更优，表明其在环境可持续性方面具有显著优势。这一结论不仅支持了绿色化学的理念，也为未来吸附材料的研发提供了新的方向。

综上所述，这项研究通过协同设计和“一锅法”合成策略，成功开发出一种新型的吸附材料PCPF，该材料在吸附能力、选择性、机械强度和环境友好性等方面均表现出色。PCPF能够高效地选择性吸附含有顺式二醇结构的黄酮类化合物，并且在多次循环使用后仍能保持较高的吸附容量。这些特性使得PCPF在天然产物提取和分离领域具有重要的应用价值。同时，通过LCA评估，PCPF被证明是一种更加环保的吸附材料，符合可持续发展的要求。因此，PCPF不仅为黄酮类化合物的分离提供了新的方法，也为吸附材料的绿色设计和环境评估提供了重要的参考。这一研究的成果为未来相关领域的进一步发展奠定了坚实的基础。