微波聯(lián)用超臨界萃取菊三七生物堿工藝的實驗研究

盧琴芳，徐常龍，潘麗芳，陳 明，邱 勇，謝寶華

(九江學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江西九江332005)

0 引言

菊三七是一種具有較高經(jīng)濟(jì)價值的藥用植物，為鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)特色地產(chǎn)中藥材［1］.其藥性成分菊三七生物堿具有止痛、抗瘧、消炎、局麻、鎮(zhèn)痛、阿托品樣及抗腫瘤活性等功效［2－3］，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)、日用化工等多個不同領(lǐng)域.

傳統(tǒng)的菊三七生物堿提取工藝如回流提取、索氏提取等工藝落后，經(jīng)濟(jì)效益不高，更重要的是使用有機(jī)溶劑，對環(huán)境污染較重.目前，超臨界CO2流體萃取技術(shù)被廣泛用于中草藥有效成分的萃?。?－10］，是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮母咝路蛛x技術(shù)，具有分離效率高、無溶劑殘留和環(huán)境污染、產(chǎn)品純凈安全、保持生物活性、色味純正等優(yōu)點，但單一采取超臨界萃取工藝萃取速率低［11－12］，而微波輔助萃取技術(shù)具有回收率高、加熱速度快、溶劑消耗低、設(shè)備尺寸小、無污染等一系列優(yōu)點［13］.為此，本文著眼于地方特色資源，采用微波聯(lián)用超臨界CO2萃取菊三七生物堿，有望為企業(yè)生產(chǎn)需要提供一種新工藝.

本實驗對微波聯(lián)用超臨界CO2萃取菊三七生物堿進(jìn)行研究，考察了微波處理時間、浸泡液濃度和浸泡時間等因素對萃取收率的影響，并與單一超臨界流體萃取方法做比較，為微波聯(lián)合超臨界流體萃取新工藝提供依據(jù).

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

實驗原料:菊三七藥材(江西省都昌菊三七開發(fā)有限公司)，液體CO2(純度＞99.9%，江西九江制氧機(jī)廠)，無水乙醇、碘化鉀(A.R.，天津市大茂化學(xué)試劑廠)，95%乙醇(A.R.，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司)，氨水(A.R.，天津市登科化學(xué)試劑有限公司)，冰乙酸(A.R.，湖北大學(xué)化學(xué)試劑廠)，次硝酸鉍(A.R.，天津市津科精細(xì)化工研究所).

實驗儀器:超臨界萃取裝置(HA121－50－01，南通華安超臨界萃取有限公司)，超純水機(jī)(KL－RO－20，康寧實驗專用純水設(shè)備廠)，中草藥粉碎機(jī)(FW135，天津泰斯特儀器有限公司)，微波爐(G8023CSL－K3，佛山市順德區(qū)格蘭仕微波爐電器有限公司).

1.2 實驗方法

本實驗按圖1工藝流程進(jìn)行菊三七生物堿的提取.

圖1 菊三七生物堿提取工藝流程

1.2.1 菊三七樣品的預(yù)處理菊三七物料經(jīng)烘箱干燥、粉碎機(jī)粉碎，篩分為一定粒度備用.

1.2.2 微波聯(lián)用超臨界CO2萃取菊三七生物堿的單因素實驗研究稱取一定量的菊三七粉末，用一定量的某濃度乙醇浸泡，經(jīng)過微波處理一定時間后，裝于萃取釜吊籃中，密封后開啟超臨界流體萃取裝置進(jìn)行萃取實驗.分別在趙宋亮等［11］試驗中確定的最佳操作條件(萃取壓力、萃取溫度、解析壓力、解析溫度、物料粒度下)進(jìn)行乙醇濃度、浸泡時間、微波處理時間等試驗條件的單因素實驗研究，確定最佳萃取收率下各因素的試驗條件.

1.2.3 微波聯(lián)用超臨界萃取菊三七生物堿與單一采用超臨界萃取的對比實驗采用微波聯(lián)用超臨界CO2萃取菊三七生物堿，并與菊三七粉末物料經(jīng)乙醇浸泡后而未經(jīng)微波處理而直接進(jìn)行超臨界萃取的試驗相對照.

1.3 菊三七生物堿含量的測定［3］

在收集的提取物中取樣25mL，以質(zhì)量濃度為0.1%的HCl溶液調(diào)成酸性(pH值為3～4)，氯仿提取3次，每次5mL，棄去下層有機(jī)層.再用氨水調(diào)水相的pH值為9～10，氯仿提取3次，每次5mL，收集下層有機(jī)相，將收集到的液體經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)濃縮，除去氯仿.將濃縮后的產(chǎn)品倒入錐形瓶中，精密加入15.00mL硫酸滴定液(0.0114mol·L－1)及15.00mL去離子水，搖勻，加2滴甲基橙指示液，以NaOH滴定液(0.0103mol·L－1)滴定，記錄其消耗堿液體積，計算含量:n生物堿=2×CH2SO4×VH2SO4－CNaOH×VNaOH，m生物堿=n生物堿×M生物堿.

2 結(jié)果和討論

2.1 微波處理時間對菊三七總生物堿收率的影響

準(zhǔn)確稱取100 g粉碎后過60目篩的干燥菊三七粉末，用90%乙醇浸泡1 h后，分別用微波照射時間為1、2、3、4min，萃取條件為萃取時間0.5 h，夾帶劑95%乙醇的用量200mL，CO2流量為25 L·h－1，在萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為60℃下進(jìn)行實驗.實驗結(jié)果見圖2.

圖2 微波處理時間與菊三七總生物堿萃取率的關(guān)系

由圖2可知:隨著微波照射時間的增長，曲線有上升的趨勢，說明微波照射有利于菊三七總生物堿的提取.微波處理［13－15］是利用高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)，到達(dá)菊三七的內(nèi)部維管束和腺細(xì)胞內(nèi)，由于菊三七內(nèi)的水分大部分是在維管束和腺細(xì)胞內(nèi)，水分吸收微波能后使細(xì)胞內(nèi)部溫度迅速上升，連續(xù)的高溫使其內(nèi)部壓力超過細(xì)胞壁膨脹的能力，從而導(dǎo)致細(xì)胞破裂，細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)自由流出，萃取介質(zhì)就能在較低的溫度條件下捕獲并溶解，通過進(jìn)一步分離獲得萃取物料.另一方面，微波所產(chǎn)生的電磁場，加速被萃取部分向萃取溶劑界面的擴(kuò)散速率，用水作溶劑時，在微波場下，水分子高速轉(zhuǎn)動成為激發(fā)態(tài)，這是一種高能量不穩(wěn)定狀態(tài)，或者水分子汽化，加強(qiáng)萃取組分的驅(qū)動力;或者水分子本身釋放能量回到基態(tài)，所釋放的能量傳遞給其他物質(zhì)分子，加速其熱運(yùn)動，縮短萃取組分的分子由物料內(nèi)部擴(kuò)散到萃取溶劑界面的時間，從而使萃取速率提高數(shù)倍，同時還降低了萃取溫度，最大限度保證萃取的質(zhì)量.但從圖2中也看出照射時間不能過長，由于隨著照射時間的增長，菊三七細(xì)胞里面的待提取物質(zhì)結(jié)構(gòu)可能會被破壞分解，菊三七也會燒焦.因此，最佳微波照射時間為2min.

2.2 浸泡液濃度對菊三七總生物堿收率的影響

準(zhǔn)確稱取100 g粉碎后過60目篩的干燥菊三七粉末，分別用75%、90%、100%乙醇浸泡1 h后，微波照射2min，其余萃取條件為萃取時間0.5 h，夾帶劑95%乙醇的用量200mL，CO2流量為25 L·h－1，在萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為60℃下進(jìn)行實驗.實驗結(jié)果見圖3.

由圖3可知:隨著浸泡液濃度的增大，100 g菊三七中總生物堿的質(zhì)量逐漸增多，但當(dāng)浸泡液濃度達(dá)到一定時，隨著濃度的繼續(xù)增大，菊三七的總生物堿質(zhì)量逐漸減少.由圖3可見，最佳浸泡液濃度為85%～90%.浸泡液濃度適宜時，菊三七細(xì)胞里面的物質(zhì)較容易滲出來，當(dāng)浸泡液濃度大于菊三七細(xì)胞里面物質(zhì)的濃度時，根據(jù)滲透壓原理，里面的物質(zhì)很難再滲出來.因此，浸泡液濃度不能過小也不能過大，當(dāng)具備最適宜的浸泡液濃度時才能提高萃取收率.

圖3 乙醇浸泡液濃度與菊三七總生物堿萃取率的關(guān)系

2.3 浸泡時間對菊三七總生物堿收率的影響

準(zhǔn)確稱取100 g粉碎后過60目篩的干燥菊三七粉末，分別用90%乙醇浸泡1、5、10 h后，微波照射時間2min，其余萃取條件為萃取時間0.5 h，夾帶劑95%乙醇的用量200mL，CO2流量為25 L·h－1，在萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為60℃下進(jìn)行實驗.實驗結(jié)果見圖4.

圖4 浸泡時間與菊三七總生物堿萃取率的關(guān)系

由圖4可知:隨著浸泡時間的增長，100 g菊三七中提取的生物堿質(zhì)量逐漸增多，但隨著浸泡時間的繼續(xù)延長，菊三七生物堿質(zhì)量增長的趨勢變得更平緩了.根據(jù)本實驗所選擇水平，其最佳浸泡時間為10 h.

傳統(tǒng)方法如溶劑提取法中的浸漬法，就是將適當(dāng)粒度的菊三七粉末放入適當(dāng)?shù)娜萜髦校尤胍掖?，以能浸透碎片稍有過量為度，時常振搖或攪拌，靜置1 d以上，過濾，殘渣另加新乙醇，如此再提取2次，第2、第3次浸漬時間可縮短.合并提取液，濃縮后可作提取物.因此可知浸泡時間對菊三七總生物堿的提取有影響，且開始時浸泡時間比較長.

2.4 微波聯(lián)用超臨界萃取和單一超臨界萃取時間的對比

為進(jìn)一步考察對比微波聯(lián)用超臨界萃取與單一超臨界萃取的萃取效率，準(zhǔn)確稱取100 g粉碎后過60目篩的干燥菊三七粉末，以90%乙醇浸泡后，微波照射2min，萃取條件為夾帶劑95%乙醇的用量200mL，CO2流量為 25 L·h－1，在萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為60℃下，分別在萃取時間為5、10、15、20、25min的條件下進(jìn)行實驗.實驗結(jié)果見圖5.

另準(zhǔn)確稱取100 g粉碎后過60目篩的干燥菊三七粉末，萃取條件為夾帶劑95%乙醇的用量200mL，CO2流量為25 L·h－1，在萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為60℃下，分別在萃取時間為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h 的條件下進(jìn)行實驗.實驗結(jié)果見圖6.

圖5 微波聯(lián)用超臨界萃取時間與菊三七總生物堿萃取率的關(guān)系

圖6 單一超臨界萃取時間與菊三七總生物堿萃取率的關(guān)系

由圖5與圖6對比可以看出，采用微波聯(lián)用超臨界萃取技術(shù)可以在很短時間內(nèi)(最多25min)達(dá)到萃取率為0.18%的效果，而單一采用超臨界萃取方法至少需要3 h才完成同等萃取率，微波聯(lián)用超臨界萃取技術(shù)可以大大提高生產(chǎn)效率，對工業(yè)生產(chǎn)是有意義的.

3 結(jié)論

在微波聯(lián)用超臨界CO2流體萃取工藝提取菊三七生物堿實驗中，通過單因素實驗考察了微波照射、浸泡液濃度、浸泡時間等條件對菊三七生物堿萃取率的影響，所得到的最佳微波輔助工藝條件為:微波照射2min，浸泡液(乙醇溶液)濃度80%～90%，浸泡時間10 h，并且通過比較可以得出，采用微波聯(lián)用超臨界CO2流體萃取法萃取菊三七中的生物堿比單一使用超臨界CO2流體萃取法萃取菊三七中的生物堿效率更高，所以微波聯(lián)用超臨界流體萃取工藝對生產(chǎn)更具有實用價值.

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