補(bǔ)骨脂素超聲提取工藝的優(yōu)化

晏 蕓 潘曉梅 肖國(guó)民

(東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南京211189)

補(bǔ)骨脂又名破幫紙、蘭莧、胡韭子或黑故子，為豆科植物補(bǔ)骨脂的干燥成熟果實(shí).補(bǔ)骨脂種子外形為腎形狀，表面為黑色、黑褐色或灰褐色，且有微網(wǎng)狀皺紋;有芳香氣味，并有辛味且略帶苦味［1］.補(bǔ)骨脂有很好的藥用價(jià)值，具有溫腎助陽(yáng)、納氣、止瀉等功能，并可治療白癜風(fēng)、斑禿［2］.補(bǔ)骨脂素提取主要采用溶劑提取和超臨界CO2萃取法［3-4］，有機(jī)溶劑提取需要消耗大量的溶劑且提取率低，而超臨界提取需要較高的壓力.應(yīng)用超聲輔助提取補(bǔ)骨脂中的補(bǔ)骨脂素也有少量報(bào)道［5-6］，但報(bào)道中考察因素不系統(tǒng)，未從提取機(jī)理方面進(jìn)行深入研究，且未建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.本文系統(tǒng)考察了影響提取率的6個(gè)因素，并深入進(jìn)行提取機(jī)理研究，且建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 超聲輔助溶劑提取補(bǔ)骨脂素

準(zhǔn)確稱(chēng)取補(bǔ)骨脂顆粒5.00 g，加入一定量的提取溶液，預(yù)熱到一定溫度.在超聲波條件下提取補(bǔ)骨脂素，然后抽濾，收集濾液.將濾液稀釋100倍后，進(jìn)行高效液相色譜檢測(cè)［7-9］.

1.2 補(bǔ)骨脂素標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)

以補(bǔ)骨脂素對(duì)照品濃度(g/L)作為縱坐標(biāo)，以補(bǔ)骨脂素的積分值(μV·s)作為橫坐標(biāo)，做標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，得回歸方程:

式中，r為相關(guān)系數(shù);x的線(xiàn)性范圍為2.52～12.60 mg/L.

1.3 色譜條件及含量計(jì)算

色譜使用島津公司生產(chǎn)的Inertsil ODS-SP(4.6 mm ×150 mm，5 μm)型色譜柱;流動(dòng)相為水-乙腈-甲醇(體積比為 5∶3∶2);檢測(cè)器為 SPD-20A紫外可見(jiàn)光檢測(cè)器;檢測(cè)波長(zhǎng)為246 nm;柱溫為 25 ℃;流動(dòng)相流速為 1.0 mL/min［10］.

補(bǔ)骨脂素的提取率計(jì)算公式為

式中，V為提取液體積，L;n為稀釋倍數(shù);m為補(bǔ)骨脂的質(zhì)量，mg;ρ為補(bǔ)骨脂素的質(zhì)量濃度，mg/L.

1.4 單因素實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中影響提取率的主要因素有:溶劑類(lèi)型、超聲時(shí)間、顆粒目數(shù)、料液比及溶劑的起始溫度.分別考察不同因素對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響.

1.5 響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以溶劑起始溫度、料液比和超聲時(shí)間3個(gè)因素作為考察對(duì)象，以補(bǔ)骨脂素提取率為響應(yīng)面值，采用Design-Expert 7.0.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以獲取最佳的工藝條件.

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 溶劑種類(lèi)對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取5.00 g補(bǔ)骨脂粉末5份，分別用無(wú)水乙醇(A1)、石油醚(A2)、丙酮(A3)、體積比為1∶1的乙醇水溶液(A4)、體積比為 1∶1 的乙醇-石油醚混合溶液(A5)作溶劑進(jìn)行提取，考察溶劑種類(lèi)對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響.

由圖1可知，用乙醇水溶液作溶劑時(shí)提取率明顯優(yōu)于其他溶劑.經(jīng)分析，其原因可能是水對(duì)補(bǔ)骨脂素細(xì)胞有浸潤(rùn)和溶脹作用，減小了傳質(zhì)阻力，從而使得用乙醇水溶液作溶劑時(shí)提取率較高.下面進(jìn)一步考察不同體積分?jǐn)?shù)乙醇作溶劑對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響.

圖1 溶劑類(lèi)型對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響

2.1.2 不同體積分?jǐn)?shù)乙醇作溶劑對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取5.00 g補(bǔ)骨脂粉末5份，分別用體積分?jǐn)?shù)為50%，60%，70%，80%，90%的乙醇水溶液作溶劑，考察乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響.

由圖2可知，乙醇體積分?jǐn)?shù)在50% ～90%范圍內(nèi)，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的升高，提取率先增大后下降.原因主要是:一方面，水的存在對(duì)補(bǔ)骨脂細(xì)胞起溶脹作用，減小了傳質(zhì)阻力，使提取率增加;另一方面，補(bǔ)骨脂素在水中的溶解度要小于在乙醇中的溶解度，所以隨著溶劑中水含量的增加，提取率又會(huì)下降.因此，在實(shí)驗(yàn)中選取體積分?jǐn)?shù)為80%的乙醇水溶液作溶劑.

圖2 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響

2.1.3 超聲時(shí)間對(duì)提取率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取5.00 g補(bǔ)骨脂粉末6份，超聲提取時(shí)間分別為20，30，40，50，60，70 min，考察超聲時(shí)間對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響.

由圖3可知，隨著時(shí)間的增加，補(bǔ)骨脂素的提取率先增大后下降.其原因主要是:一方面，隨著超聲時(shí)間的增加，細(xì)胞的破碎程度增加，有利于補(bǔ)骨脂素進(jìn)入溶劑中;但另一方面，由于補(bǔ)骨脂素是光敏性物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不能保證絕對(duì)的避光，因此，當(dāng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，超聲的熱效應(yīng)過(guò)大，溫度過(guò)高，導(dǎo)致提取率下降.

圖3 超聲時(shí)間對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響

由圖3可看出，超聲提取的最優(yōu)時(shí)間為40 min，選擇超聲時(shí)間為30～50 min作進(jìn)一步優(yōu)化.

2.1.4 顆粒目數(shù)對(duì)提取率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取5.00 g補(bǔ)骨脂粉末5份，顆粒目數(shù)分別為40～60，60～80，80～100，100～120，120～140目，考察顆粒目數(shù)對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響.

由圖4可知，隨著顆粒粒徑的減小，補(bǔ)骨脂素的提取率增大.這是因?yàn)殡S著顆粒粒徑減小，傳質(zhì)阻力減小，補(bǔ)骨脂素較易溶出，所以隨著補(bǔ)骨脂顆粒的粒徑減小，補(bǔ)骨脂素的提取率增大，當(dāng)顆粒大于100目時(shí)，粒徑減小對(duì)提取率的影響較小.

圖4 補(bǔ)骨脂顆粒目數(shù)對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響

2.1.5 料液比對(duì)提取率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取5.00 g補(bǔ)骨脂粉末5份，實(shí)驗(yàn)時(shí)所用料液比分別為 6，8，10，12，14 mL/g，考察料液比對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響.

由圖5可知，隨著料液比增大，提取率先上升后下降.主要原因是:當(dāng)料液比增大時(shí)，濃度差增大，傳質(zhì)推動(dòng)力增加，有利于補(bǔ)骨脂素的溶出;但當(dāng)溶劑過(guò)量時(shí)，又會(huì)影響體系的傳熱與傳質(zhì)，使補(bǔ)骨脂素提取率下降.

由圖5可看出最佳料液比為10 mL/g，選擇料液比8～12 mL/g作進(jìn)一步優(yōu)化.

圖5 料液比對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響

2.1.6 溶劑起始溫度對(duì)提取率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取5.00 g補(bǔ)骨脂粉末5份，實(shí)驗(yàn)時(shí)溶劑的起始溫度分別為 20，30，40，50，60 ℃，考察溶劑起始溫度對(duì)提取率的影響.

由圖6可知，隨著溫度的升高，提取率先升高后下降.其原因主要是:隨著溫度的升高，有利于傳質(zhì)和傳熱，使得提取率上升;但當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，可能會(huì)加速補(bǔ)骨脂素開(kāi)環(huán)，從而又會(huì)使補(bǔ)骨脂素的提取率下降.

圖6 溶劑起始溫度對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率的影響

因此，由圖6得到最佳的起始溫度為50℃，選擇溫度40～60℃作進(jìn)一步優(yōu)化.

2.2 超聲輔助溶劑提取工藝條件優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面分析因素水平的選取

對(duì)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合考慮，選取超聲時(shí)間(t)、料液比(r)、溶劑起始溫度(T)3個(gè)因素進(jìn)行中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)Design-Expert 7.0.0軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、擬合，選定－1.68，－1，0，+1，+1.68五個(gè)水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，各水平見(jiàn)表1.

表1 響應(yīng)面分析因素水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.2 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果

以 A=(t－40)/10，B=(r－10)/2，C=(T －50)/10為自變量，以補(bǔ)骨脂素提取率為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn).表2為中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及其預(yù)測(cè)值.

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合及分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次擬合回歸，得到以下三元二次回歸方程:

由表3可知，模型的F值為87.23，表明該模型參數(shù)回歸結(jié)果可靠性較好.P＜0.000 1表明回歸方程的各應(yīng)變量與全體自變量之間的線(xiàn)性關(guān)系極其顯著.相關(guān)系數(shù)R2=0.987 4，說(shuō)明該模型可靠性較好;變異系數(shù)較低(CV=9.33%)，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)具有良好的穩(wěn)定性.由各因變量的方差分析可知，模型一次項(xiàng) A(P=0.002 5)，B(P=0.000 8)，C(P＜0.000 4)差異極顯著;模型二次交互項(xiàng)AB(P＜0.000 1)差異極顯著，AC(P=0.755 0)，BC(P=0.419 7)差異不顯著;二次項(xiàng)A2(P＜0.000 1)，B2(P＜0.000 1)，C2(P＜0.000 1)差異極顯著.結(jié)果表明:超聲溶劑的起始溫度對(duì)提取率的主效應(yīng)明顯，超聲提取時(shí)間和溶劑料液比之間的交互作用較強(qiáng).由該三元二次模型可知，因變量系數(shù)的絕對(duì)值依次為 0.014，0.016，0.018，因此因素的主效應(yīng)關(guān)系為:溶劑起始溫度＞料液比＞超聲時(shí)間.

表3 回歸模型結(jié)果分析

2.2.4 最佳工藝參數(shù)計(jì)算

由上述分析可知，模型能很好地反應(yīng)上述3個(gè)因素對(duì)提取率的影響.為了進(jìn)一步得出最佳點(diǎn)，用回歸方程對(duì)各自變量進(jìn)行一階偏導(dǎo)計(jì)算，求取極大值點(diǎn)，可得:超聲時(shí)間t=40.8 min，取t=41 min;料液比r=9.76 mL/g，取r=10 mL/g;超聲提取的起始溫度T=51.7℃，取T=52℃.在該條件下補(bǔ)骨脂素的預(yù)測(cè)提取率為0.613%.

綜上，最佳提取工藝參數(shù)為:補(bǔ)骨脂的顆粒為100～120目，超聲頻率40 kHz，超聲提取時(shí)間為41 min，溶劑為體積分?jǐn)?shù)80%的乙醇水溶液，料液比為10 mL/g，溶劑初始溫度為52℃.理論上該條件下補(bǔ)骨脂素的提取率可達(dá)0.613%，實(shí)際提取率為0.621%，基本與理論值相符.

2.2.5 響應(yīng)面圖分析

圖7～圖9為每2個(gè)因素的交互作用對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率影響的響應(yīng)面圖.可看出，在所選取的水平范圍內(nèi)，2個(gè)因素對(duì)提取率的影響與單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

圖7 超聲時(shí)間、料液比及其交互作用對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率影響的響應(yīng)面圖

2.3 超聲輔助提取法與普通溶劑提取法對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在補(bǔ)骨脂為5.00 g，補(bǔ)骨脂素顆粒為100～120目，溶劑為體積分?jǐn)?shù)80%的乙醇水溶液，料液比為10 mL/g，水浴起始溫度為52℃的條件下，進(jìn)行普通溶劑提取，補(bǔ)骨脂素的提取率為0.342%.在相同條件下，超聲輔助提取工藝的提取率可達(dá)到0.621%.因此，超聲輔助提取工藝明顯優(yōu)于普通溶劑提取工藝.

圖8 超聲時(shí)間、溶劑起始溫度及其交互作用對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率影響的響應(yīng)面圖

圖9 料液比、溶劑起始溫度及其交互作用對(duì)補(bǔ)骨脂素提取率影響的響應(yīng)面圖

3 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)得到的最佳提取工藝為:80%的乙醇水溶液作溶劑，補(bǔ)骨脂顆粒為100～120目，超聲頻率40 kHz，超聲時(shí)間41 min，料液比為10 mL/g，溶劑起始溫度52℃.最佳提取工藝條件下，補(bǔ)骨脂素的提取率為0.621%.利用Design-Expert 7.0.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次擬合及分析，得到可靠性較高的回歸模型，并得到主效應(yīng)關(guān)系:溶劑起始溫度＞料液比＞超聲時(shí)間.

2)超聲輔助提取與普通溶劑提取法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，采用超聲輔助提取補(bǔ)骨脂中的補(bǔ)骨脂素，其提取率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通溶劑提取.

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