響應(yīng)面法優(yōu)化蓖麻堿提取工藝

穆莎茉莉，冀照君，張樹軍，蘇亞拉圖，狄建軍

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028000;

2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程研究中心，內(nèi)蒙古通遼 028000)

響應(yīng)面法優(yōu)化蓖麻堿提取工藝

穆莎茉莉1，2，冀照君1，2，張樹軍1，2，蘇亞拉圖1，2，狄建軍1，2

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028000;

2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程研究中心，內(nèi)蒙古通遼 028000)

采用響應(yīng)面法優(yōu)化蓖麻堿提取工藝。以蓖麻堿提取率為考察指標(biāo)，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取提取溫度、提取時(shí)間及溶劑加入量三個(gè)因素進(jìn)行中心組合實(shí)驗(yàn)，通過響應(yīng)面分析法對(duì)提取溫度、提取時(shí)間及溶劑加入量進(jìn)行優(yōu)化，得到蓖麻堿提取的最佳溫度86℃，最佳提取時(shí)間4.3h，最佳溶劑量132mL，此時(shí)蓖麻堿的提取率為2.88‰。

蓖麻堿，響應(yīng)面法，提取

1864年，Tuson從蓖麻籽中單獨(dú)分離出一種類似吡啶酮的生物堿，定名為蓖麻堿。蓖麻堿化學(xué)名為N－甲基－3－氰基－4－甲氧基－2－吡啶酮，分子式為C8H8N2O2，相對(duì)分子質(zhì)量164.16，熔點(diǎn) 201.5℃，在170～180℃時(shí)20s升華，其中的吡啶環(huán)也可以用喹啉酸甘油和天冬氨酸進(jìn)行生物合成。蓖麻堿為白色針狀或棱柱狀結(jié)晶性生物堿，易溶于熱水和熱的三氯甲烷，在熱乙醇中有一定的溶解度，難溶于乙醚、石油醚和苯。雖然蓖麻堿為生物堿但是與酸不易形成鹽，其堿性溶液能使高錳酸鉀還原，同時(shí)生成氫氰酸［1－5］。蓖麻堿主要存在于蓖麻的種子和莖葉中，在幼芽的子葉中含量較高。整個(gè)植株中蓖麻堿的分布為:籽殼中蓖麻堿含量＞種子中蓖麻堿含量＞莖葉中蓖麻堿含量［6－9］。蓖麻堿的提取分為粗提、精制和純化三個(gè)階段。粗提依據(jù)的是蓖麻堿易溶于熱水，以蓖麻餅粕或蓖麻籽粒為原料國內(nèi)報(bào)道了不同的處理方式:微波提取、95℃熱水提取、沸水提取等。精制是依據(jù)蓖麻堿易溶于氯仿等有機(jī)溶劑，將粗提物中的蓖麻堿進(jìn)一步提取。純化是依據(jù)蓖麻堿部分溶于乙醇中，當(dāng)溫度降低時(shí)溶解度下降，蓖麻堿以晶體形式析出，也有文獻(xiàn)報(bào)道以利用高速逆流色譜法對(duì)粗提后的蓖麻堿進(jìn)行純化［10－14］。隨著低耗能時(shí)代的來臨，更多替代傳統(tǒng)能源的新能源將被關(guān)注，其中包括油料作物，蓖麻作為一種新的能源資源也會(huì)被開發(fā)。蓖麻的整個(gè)產(chǎn)業(yè)也會(huì)向著綜合利用的方向發(fā)展，蓖麻餅粕中的蓖麻堿也將成為研究的焦點(diǎn)，蓖麻堿的分離、純化以及檢測(cè)方法都會(huì)成為重要的研究內(nèi)容［15－16］。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

無水乙醇、三氯甲烷、乙醚、甲醇 均為分析純;蓖麻籽粒 內(nèi)蒙古民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供。

HH－4數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;JJ－2組織勻漿搗碎機(jī) 江蘇省大地自動(dòng)化儀器廠;可調(diào)電爐 北京中興偉業(yè)儀器有限公司;紫外分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;索氏抽提器 泰興市龍港玻璃儀器廠;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;DHG－9053A型熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海鴻都電子科技有限公司;AO104電子天平 梅特勒－托利多儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 蓖麻堿提取工藝 蓖麻籽粒(帶殼)→粉碎(膏狀)→熱水浸提→過濾→濾液濃縮→蓖麻堿粗提物→乙醚脫脂→氯仿回流提取→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)→乙醇重結(jié)晶→蓖麻堿

1.2.1.1 樣品制備 2kg蓖麻籽粒粉碎后用100℃熱水浸提2h，加水量為固體物料的5倍，重復(fù)3次，合并每次浸提液，經(jīng)常壓電爐加熱保持沸騰并不斷攪拌將水分蒸發(fā)，蒸發(fā)至提取液呈糊狀移入干燥箱，80℃烘干至300g即得到蓖麻堿粗提物。取20g蓖麻堿粗提物，將其粉碎后用濾紙包好備用。

脫脂處理，濾紙包放入索氏提取器虹吸管內(nèi)用乙醚回流提取脫脂，直至回流乙醚由淡黃色變?yōu)闊o色，完成脫脂。

1.2.1.2 蓖麻堿的精制及測(cè)定 經(jīng)脫脂處理的蓖麻堿粗提物，放在索氏提取器中，加入氯仿對(duì)蓖麻堿進(jìn)行提取，提取完畢后將其放在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上蒸干，在瓶內(nèi)加入100mL甲醇，溶解瓶內(nèi)物質(zhì)并準(zhǔn)確定容在100mL容量瓶內(nèi)，取一定量在紫外分光光度計(jì)上測(cè)定其吸光度，按1.2.3計(jì)算蓖麻堿提取率。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 精確稱取1.0000g蓖麻堿標(biāo)準(zhǔn)樣品，用甲醇溶解并定容在10mL容量瓶中。從上述溶液中吸取0、100、300、500、700、900μL分別用甲醇定容在10mL容量瓶中。在313nm處測(cè)定上述溶液的吸光度，以吸光度為橫坐標(biāo)、濃度為縱坐標(biāo)作標(biāo)準(zhǔn)曲線，可得回歸方程:Y=0.0406X－0.0010，R2= 0.9999。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn) 以氯仿的不同添加量為單因素對(duì)蓖麻堿粗提物進(jìn)行提取，分別為100、110、120、130、140mL，固定提取溫度85℃、提取時(shí)間4h、蓖麻堿粗提物20g。

以不同提取溫度為單因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為70、75、80、85、90℃，固定溶劑量130mL、提取時(shí)間4h、蓖麻堿粗提物20g。

以不同處理時(shí)間為單因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為2、3、4、5、6h，固定提取溫度85℃、溶劑量130mL、蓖麻堿粗提物20g。

1.3 響應(yīng)面的建立［17-18］

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行中心旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)，以溶劑量(x1)、提取溫度(x2)、提取時(shí)間(x3)三因素為自變量，提取率為響應(yīng)值(y)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共20個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。因素水平編碼表見表1。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)分析 采用Design－Expert7.1軟件(Stat Ease，Inc，Minneapolis，USA)、SPSS(version11.5，SPSSlnc.USA)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

表1 中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of central composite rotatable design

2 結(jié)果與分析

2.1 溶劑量對(duì)蓖麻堿提取率的影響單因素實(shí)驗(yàn)

由圖1可知，隨著溶劑量的增加提取率呈上升趨勢(shì)，在溶劑量為130mL時(shí)提取率達(dá)到最大2.87‰，當(dāng)溶劑量增加到140mL時(shí)，提取率下降至2.84‰，這可能是由于接收瓶中的溶劑量較大，液面上方的飽和蒸汽壓較大，使虹吸管中的液體流速過快，在蓖麻堿還未全部溶出就完成了虹吸作用，從而不利于蓖麻堿的提取。因此，蓖麻堿提取的最佳溶劑量為130mL。

圖1 不同溶劑量對(duì)蓖麻堿提取率的影響Fig.1 Influence of solvent volume on extraction yield of ricinine

2.2 提取溫度對(duì)蓖麻堿提取率的影響單因素實(shí)驗(yàn)

由圖2可知，提取溫度與蓖麻堿提取率呈正相關(guān)。當(dāng)提取溫度為70～75℃時(shí)，蓖麻堿提取率增加了0.13‰;當(dāng)提取溫度為75～80℃時(shí)，蓖麻堿提取率增加了0.36‰;當(dāng)提取溫度為85℃時(shí)提取率增加至0.287‰;當(dāng)溫度大于90℃時(shí)，蓖麻堿提取率有下降的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)闇囟冗^高虹吸管中提取液流速過快，不利于蓖麻堿的溶出。因此，蓖麻堿提取的最佳溫度為85℃。

圖2 提取溫度對(duì)蓖麻堿提取率的影響Fig.2 Influence of extraction temperature on extraction yield of ricinine

2.3 提取時(shí)間對(duì)蓖麻堿提取率影響單因素實(shí)驗(yàn)

表3 中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方差分析表Table 3 Analysis of variance(ANOVA)of the regression parameters for the response surface model

由圖3可知，提取時(shí)間為2h時(shí)蓖麻堿的提取率最小，2～3h時(shí)提取率增加了0.73‰，4～6h提取率增加了0.01‰，因此，4h為最佳提取時(shí)間。

圖3 提取時(shí)間對(duì)蓖麻堿提取率的影響Fig.3 Influence of extraction time on extraction yield of ricinine

2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn) 采 用響 應(yīng)面 法 (Responsesurface methodology，RSM)確定對(duì)不同提取溫度、不同提取時(shí)間、不同溶劑量對(duì)蓖麻堿提取的最佳工藝。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件和響應(yīng)值見表2。

2.5 響應(yīng)面分析

通過分析自變量和因變量得到能夠在給定的范圍內(nèi)預(yù)測(cè)響應(yīng)值的回歸方程，回歸方程如下:

中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的方差分析見表3。本實(shí)驗(yàn)所得回歸模型極顯著(p＜0.0001)，且失擬項(xiàng)F= 1.1738，p=0.4323＞0.05不顯著，表明中心旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所獲得的回歸方程與實(shí)際情況擬合較好，實(shí)驗(yàn)誤差小，因此可用該回歸方程代替實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

圖4～圖6直觀的反映出提取時(shí)間、提取溫度和溶劑加入量對(duì)提取率的影響。從圖4、圖5看出，溶劑量對(duì)提取率的影響相對(duì)于時(shí)間和溫度兩個(gè)因素較小，提取率隨著溶劑量的增加先是緩慢的增加而后又下降。從圖4、圖6看出溫度是三個(gè)因素中對(duì)提取率影響最大的因素，溫度77～85℃時(shí)提取率隨溫度的上升迅速增加，在85～93℃時(shí)，先緩慢增加，之后又略有回落。從圖5、圖6得到時(shí)間對(duì)提取率的影響較溶劑加入量大，提取時(shí)間在2.3～4h時(shí)，隨著時(shí)間的增加提取率快速增加，之后趨于平緩。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Response surface design and responses

2.6 回歸模型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)回歸模型計(jì)算可以得到實(shí)驗(yàn)的最佳工藝預(yù)測(cè)值:85.9℃，提取4.3h，溶劑量131.9mL，理論最大提取率為2.89‰。根據(jù)模型將工藝條件調(diào)整為: 86℃、提取4.3h、溶劑量132mL，在此條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并重復(fù)5次，得到平提取率均值為2.88‰，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間相對(duì)誤差為0.01‰，差異不顯著，說明響應(yīng)面模型能很好的應(yīng)用于蓖麻堿提取工藝條件的優(yōu)化。

圖4 提取溫度和溶劑量對(duì)蓖麻堿提取率影響的響應(yīng)面Fig.4 Response surface of extraction temperature and solvent volume on the extraction yield of ricinine

圖5 提取時(shí)間和溶劑量對(duì)蓖麻堿提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface of extraction time and solvent volume on the extraction yield of ricinine

圖6 提取時(shí)間和提取溫度對(duì)蓖麻堿提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface of extraction time and extraction temperature on the extraction yield of ricinine

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用響應(yīng)面分析法優(yōu)化蓖麻堿提取工藝，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬和預(yù)測(cè)，通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)際值與預(yù)測(cè)結(jié)果非常接近，說明響應(yīng)面模型可很好的應(yīng)用于蓖麻堿提取工藝條件的優(yōu)化。經(jīng)過優(yōu)化后的最優(yōu)提取工藝條件為:提取溫度86℃、提取時(shí)間4.3h、溶劑量132mL，在該條件下20g蓖麻堿粗提物的蓖麻堿提取率為2.88‰。

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Optimization of extraction process for ricinine from castor by response surface methodology

MU Sha－moli1，2，JI Zhao－jun1，2，ZHANG Shu－jun1，2，SU Ya－latu1，2，DI Jian－jun1，2
(1.College of Life Science，Inner Mongolia University for the Nationalities，Tongliao 028000，China;
2.Inner Mongolia Industrial Engineering Research Center of Universities for Castor，Tongliao 028000，China)

The extraction process for ricinine from castor was optimized by response surface methodology with the yield of ricinine from castor as investigare index.Based on the single－factor tests，the center combination experiment was esbablished with three key factors of extraction temperature，extraction time and solvent volume.The extraction process parameters of extraction temperature，extraction time and solvent volume were optimized through response surface analysis.The results showed that optimal extraction process parameters were extraction temperature of 86℃，extraction time of 4.3h and solvent volume of 132mL.Under the optimal extraction conditions，the yield of ricinine from castor was up to 2.88‰.

ricinine;response surface methodology;extraction

TS222

B

1002－0306(2012)21－0206－04

2012－06－25

穆莎茉莉(1979－)，女，研究生，講師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工方面的教學(xué)與科研工作。

內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目(BMYJ2010001);內(nèi)蒙古民族大學(xué)科學(xué)研究項(xiàng)目(MDX2010035);軍事科學(xué)院軍事獸醫(yī)研究所與內(nèi)蒙古民族大學(xué)橫向課題(MV－201008－2)。