柿子皮提取物緩蝕及抑制油田微生物作用研究

陳 剛 高起龍 馬豐云 周 敏 張 潔

（西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）

柿子（Diospyros Kaki L.f）是柿樹屬（Diospyros）植物的果實。柿子中含有豐富的糖類、蛋白質(zhì)、胡蘿卜素、維生素C、瓜氨酸、碘、鈣、磷、鐵，未成熟果實含鞣質(zhì)，新鮮柿子碘含量很高［1－2］。柿子中還含有大量的植物多酚（鞣質(zhì)），主要以縮合單寧的形式存在，研究表明，柿子中多酚具有降血壓、清除體內(nèi)自由基等眾多種功能［3－4］。陜西省的柿子產(chǎn)量大，除鮮食外多干制成柿餅，在此過程中形成大量的柿子皮，尤其在陜南、渭北，估計產(chǎn)量不下百萬斤，卻利用極少，造成資源的巨大浪費。

在油田生產(chǎn)的水處理環(huán)節(jié)，采出水處理完畢注入前需要加入緩蝕劑、阻垢劑、殺菌劑、除氧劑、鐵離子穩(wěn)定劑等處理劑。目前應(yīng)用的多為工業(yè)合成，含氮、硫等元素的對人體和環(huán)境有一定危害的化學(xué)品，并且絕大多數(shù)產(chǎn)品功能單一、價格較高。植物是天然的材料寶庫，由植物體轉(zhuǎn)化為功能材料已成為植物資源開發(fā)的一個主要途徑?；谔烊划a(chǎn)物尤其是林果產(chǎn)品下腳料的化學(xué)成分開發(fā)特種油田化學(xué)品，既能夠增加天然產(chǎn)物的附加值，帶動地方經(jīng)濟發(fā)展，又能夠為油田企業(yè)提供天然環(huán)保型的油田化學(xué)品。目前，該方向研究相對滯后，而秦嶺山區(qū)巨大的植物資源寶庫和陜西原地果品加工大量的下腳料（如柿子皮、石榴皮、核桃皮等）為油田化學(xué)品的開發(fā)提供了資源保障。前期已對陜西原產(chǎn)的植物資源在油田水處理中的應(yīng)用做了研究［5］。本研究以柿子皮為材料，對其水提取物和乙醇提取物在油田水處理中的應(yīng)用進行探討。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

柿子皮為陜西臨潼火晶柿子皮，2011年10月下旬購自陜西臨潼。細菌培養(yǎng)瓶（北京華興試劑廠）、無水乙醇、鹽酸、FeCl3·6H2O、DMF（西安化學(xué)試劑廠）、A3鋼片；電磁加熱攪拌器、恒溫水浴槽（河南鞏義予華儀器廠）、721型分光光度計（上海美譜達儀器廠）。

1.2 提取與提取物溶液配制

采用水或者無水乙醇，料液比為m（料）∶V（液）＝1g∶20mL、回流提取4h。冷卻到室溫，過濾、洗滌，將母液蒸干，得到柿子皮提取物。水提物和醇提物含量（占干柿子皮質(zhì)量分數(shù)）分別為：44.7%、26.5%。取適量提取物，溶于水或者DMF，定容，配制成一定濃度的溶液待用。

1.3 緩蝕劑性能評價和殺菌性能評價實驗

緩蝕劑性能評價、防垢性能評價和殺菌性能評價實驗參照SY／T 5273－2000《油田采出水用緩蝕劑性能評價方法》和SY／T 0532－1993《油田注入水細菌分析方法 絕跡稀釋法》所述方法進行。

靜態(tài)腐蝕速率測定條件：常壓下，腐蝕溫度60℃，A3試片在摩爾濃度為1mol／L的工業(yè)鹽酸介質(zhì)中腐蝕2h。

電化學(xué)腐蝕評價采用CS350電化學(xué)工作站，將圓柱形A3鋼嵌入聚四氟乙烯套中，露出1cm2的圓形端面作為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。實驗測試溫度25℃，極化曲線測量電位掃描由陰極向陽極進行。掃描范圍相對開路電位±100mV，掃描速率為0.5mV／s，數(shù)據(jù)記錄由計算機自動完成。

殺菌實驗溫度為35℃，SRB培養(yǎng)14天，TGB和FB培養(yǎng)7天。

2 結(jié)果與討論

2.1 柿子皮中的多酚化合物及其與Fe3＋的作用

柿子皮中含有多種植物多酚，如表沒食子兒茶素沒食子酸酯、表兒茶素沒食子酸酯、縮合單寧，結(jié)構(gòu)如圖1所示［3－4］。其多酚羥基結(jié)構(gòu)（鄰苯二酚或鄰苯三酚）中的鄰位酚羥基很容易被氧化成醌類結(jié)構(gòu)，具有很強的清除DPPH自由基能力，同時對活性氧等自由基具有很強的捕捉能力。消耗體系中的氧，具有一定的還原力，其反應(yīng)為：

多個鄰位酚羥基可以作為一種多基配體與金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的五元環(huán)螯合物。由于植物多酚配位基團多、絡(luò)合能力強，因而形成的絡(luò)合物穩(wěn)定性高，因此植物多酚可以吸附于金屬表面形成保護層。

柿子皮中的植物多酚主要為沒食子酸類多酚，結(jié)構(gòu)如圖1所示［3－4］。其酚羥基具有較強與Fe離子配位的能力，因此具有一定的緩蝕作用。取質(zhì)量濃度為0.5g／L的醇提取物10mL加入不同體積的質(zhì)量濃度為0.1g／L的FeCl3·6H2O溶液中，稀釋至20mL，500nm下測定其吸光度，結(jié)果見圖2。由圖2可見，隨著FeCl3·6H2O溶液的增加，體系的吸光度增加，增加到一定程度之后，其吸光度變化趨勢減小，這是由于加入的Fe3＋與提取物中的酚羥基配位，使體系的顏色加深，當加入量使得提取物中的能夠發(fā)生配位的酚羥基完全配位后，繼續(xù)加入FeCl3·6H2O溶液則對吸光度影響不大。對前后兩段分別作圖，其線性關(guān)系方程如圖2所示。由圖2中兩方程計算可得，達到飽和配位時FeCl3·6H2O溶液的體積應(yīng)為1.30mL（即兩直線交點處橫坐標）。按照飽和配位時n（酚羥基）∶n（Fe3＋）＝6∶1計算，可得提取物中有效酚羥基的質(zhì)量摩爾濃度為2.9×10－3mol／g。

2.2 緩蝕作用評價

配制濃度為1mol／L的鹽酸和質(zhì)量濃度分別為1 000mg／L、500mg／L、200mg／L、100mg／L、50 mg／L和10mg／L的柿子皮水提物的水溶液，使用A3型標準鋼片，在60℃評價其緩蝕性能，同時做空白實驗；將醇提物用DMF溶解配制成質(zhì)量濃度為10g／L的溶液，然后采用此溶液配制濃度為1 mol／L的鹽酸溶液和質(zhì)量濃度分別為1 000mg／L、5 0 0mg／L、2 0 0mg／L、1 0 0mg／L、5 0mg／L和10mg／L的柿子皮醇提物的水溶液，作同上實驗，結(jié)果見圖3。

由圖3可見，柿子皮水提物有相對較好的緩蝕效果，質(zhì)量濃度為50mg／L的提取物，緩蝕率達50%以上；質(zhì)量濃度為1 000mg／L的水提物，緩蝕率達到65.1%；而醇提物緩蝕作用略低，質(zhì)量濃度為200mg／L時，緩蝕率高于50%，質(zhì)量濃度為1 000mg／L時，緩蝕率為55.7%。

柿子皮提取物中主要含有官能團羥基、羰基等極性基團的化合物，在HCl介質(zhì)中易與H＋發(fā)生質(zhì)子化而帶正電，而Cl－可通過特性吸附在鋁表面，使其帶負電，故通過電性引力質(zhì)子化的緩蝕劑可吸附在金屬表面。多酚化合物含有多個鄰位酚羥基，具有大量的孤對電子，可與多種金屬離子的價層空p軌道形成配位鍵發(fā)生化學(xué)吸附［6］。例如，單寧與Fe3＋在酸性狀態(tài)下，形成一配基或二配基絡(luò)合物，在堿性狀態(tài)下才能形成三配基絡(luò)合物，起到穩(wěn)定Fe3＋的作用［7］。多酚化合物也可作為螯合配位劑，與溶液中的金屬離子形成鰲合物后再通過van der Waals力吸附在鋁表面上形成保護屏障層。此外，在螯合的同時，高價金屬離子，如Cr6＋、Cu2＋、Fe3＋，容易將酚羥基尤其是鄰位酚羥基氧化成醌，高價金屬離子相應(yīng)地還原成低價的金屬離子（Cr3＋、Cu＋、Fe2＋），由此也可以降低高價金屬離子對鐵的腐蝕［8］。

2.3 電化學(xué)測試

按照1.3中的電化學(xué)測定條件參數(shù)和方法，測定在濃度為1mol／L的HCl溶液中，不加和加入不同濃度緩蝕劑的極化曲線，以極化電位E對極化電流密度（I）作圖（圖4），由添加提取物前后的腐蝕電流可直接計算緩蝕效率［9］。

由圖4可以看出，在濃度為1mol／L的HCl溶液中添加柿子皮提取物，其極化曲線類似，A3試片的陰、陽極極化曲線明顯向低電流方向移動，腐蝕電流密度較不加提取物的鹽酸溶液有所降低。按照法拉第定律，腐蝕電流密度與腐蝕速度成正比，腐蝕電流密度越小，金屬的腐蝕速度就越小［10］，這說明緩蝕劑對鹽酸溶液中的鐵電極起到了保護作用。隨著提取物濃度的增加，自腐蝕電流密度減小，陰、陽極極化曲線的塔菲爾斜率均增大，這表明柿子皮提取物對陰、陽極反應(yīng)都有一定的抑制作用。A3鋼的自腐蝕電位Ecorr變化幅度不大，但總體上向正向移動，這說明柿子皮提取物主要是抑制腐蝕過程的陽極反應(yīng)，屬于以抑制陽極過程為主的混合型緩蝕劑［11］。

2.4 殺菌性能評價

已有研究表明，柿子皮提取物對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和酵母菌有一定的抑菌性能，并且抑菌活性隨樣品劑量的增大而增強［12］。在油田水系統(tǒng)中常含有數(shù)量大、危害強的硫酸鹽還原菌（SRB）、腐生菌（TGB）和鐵細菌（FB）等有害細菌。目前，油田普遍使用的殺菌劑品種單一，長期使用使得油田細菌的耐藥性逐漸增強，因此油田企業(yè)迫切需要高效、低成本的殺菌劑。柿子皮中所含的多酚類化合物對多種細菌、真菌和微生物有明顯的抑制能力，柿子皮提取物對油田水中常見細菌的抑制作用見表1。

由表1可見，柿子皮提取物對SRB有一定的殺菌作用，質(zhì)量濃度為2g／L的水提取和醇提物可以顯著降低水中的SRB含量，可以將細菌量由110個／mL分別降至0.9個／mL和25個／mL；而對于TGB和FB則僅有較弱的殺菌作用；當質(zhì)量濃度降低至1g／L時，對SRB殺菌效率顯著降低，對TGB和FB則沒有殺菌作用。植物多酚可以與細菌的蛋白質(zhì)結(jié)合，使之變性，達到殺菌效果。其原理是由Haslam等［13］提出的“手套－手”反應(yīng)模式，即植物多酚以疏水鍵和多點氫鍵與蛋白質(zhì)相結(jié)合的反應(yīng)理論，如圖5所示［14］。植物多酚與蛋白質(zhì)結(jié)合的能力稱為收斂性或澀性，雖然植物多酚對蛋白質(zhì)都有結(jié)合能力，但有選擇性，體現(xiàn)在不同植物多酚對不同蛋白質(zhì)的親和力差異上。植物多酚的相對分子質(zhì)量、分子形狀的空間位置及溶液中蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量、疏水氨基酸殘基含量和外界因素如溫度、pH值及離子濃度等因素均會影響多酚與蛋白質(zhì)的結(jié)合［15］，由此而影響對油田細菌的殺菌作用。

表1 柿子皮提取物對油田水中3種細菌的抑制作用Table 1 Bacteria inhibiting effect of persimmon husk extraction

3 結(jié)論

（1）柿子皮水提物有相對較好的緩蝕效果，采用質(zhì)量濃度為50mg／L的提取物，其緩蝕率在50%以上；質(zhì)量濃度為1 000mg／L的水提物緩蝕率達到65.1%；而醇提物緩蝕作用略低。

（2）柿子皮提取物對SRB有較好的殺菌作用。質(zhì)量濃度為2g／L的水提取和醇提物可以顯著降低水中的SRB含量，可將細菌量由110個／mL分別降至0.9個／mL和25個／mL，而兩種提取物對TGB和FB僅有較弱的殺菌作用。

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