基于絮凝技術(shù)下的薯蕷皂苷分離研究

李 祥， 師春蘭， 王麗萍， 張 彬

(陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

自上世紀(jì)70年代Watanabe等人發(fā)現(xiàn)溶液中表面活性劑的濃度達(dá)到其臨界膠團(tuán)濃度時(shí)，表面活性劑在溶液中形成膠團(tuán)，膠團(tuán)對溶液中難溶或不溶的有機(jī)物具有增溶作用后[1，2]，表面活性劑的增溶作用就被應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)[3-5]、檢測[6,7]、采油[8,9]、中藥等有效成分的萃取[10,11]等方面.于濱[12,13]等人采用超聲波、表面活性劑輔助乙醇萃取苦瓜皂苷，發(fā)現(xiàn)超聲波功率為153 w/g，乙醇體積分?jǐn)?shù)為74 v/v,SDS質(zhì)量濃度為16 mg/mL時(shí)，苦瓜皂苷提取率達(dá)到3.22%，顯著高于乙醇及超聲萃取.葛發(fā)歡[14,15]等人研究了超臨界CO2中吐溫-80、司盤-80的多元醇混合體系對苦參堿類的影響，發(fā)現(xiàn)加入非離子表面活性劑的多元醇混合體系，比只用乙醇做夾帶劑進(jìn)行超臨界CO2提取苦參總堿含量高1.8%～2.2%.李祥等[16]比較了十二烷基硫酸鈉、乙醇輔助超聲波萃取薯蕷皂苷，發(fā)現(xiàn)十二烷基硫酸鈉對薯蕷皂苷的萃取率比乙醇高5%.說明表面活性劑用于天然產(chǎn)物活性成分萃取是可行的.

以加表面活性劑的水溶液替代有機(jī)溶劑(乙醇)萃取天然產(chǎn)物中的活性成分，可以降低成本，減少污染[16].但是，由于水的沸點(diǎn)較乙醇高，故富集活性成分時(shí)，能量消耗大;表面活性劑在真空濃縮時(shí)，極易起泡，易造成活性成分的損失.為了克服其缺點(diǎn)，陳建等人[17,18]發(fā)現(xiàn)在濁點(diǎn)溫度下，5%的TX-10對丹參酮的萃取、富集效果與傳統(tǒng)熱富集技術(shù)所得相同，說明濁點(diǎn)萃取替代傳統(tǒng)熱富集技術(shù)是可行的.

近年來，圍繞薯蕷皂素的污染問題，人們進(jìn)行了大量研究[19-21]，這些工藝或因工藝路線長，成本高，或因受設(shè)備限制，均未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn).

本文以超聲波輔助十二烷基硫酸鈉水溶液萃取得到的薯蕷皂苷萃取液為研究對象，以薯蕷皂苷分離因數(shù)為評價(jià)指標(biāo)，采用絮凝法得到薯蕷皂苷，比較了絮凝法與傳統(tǒng)熱富集技術(shù)對薯蕷皂素的影響，發(fā)現(xiàn)采用絮凝法薯蕷皂素的得率比傳統(tǒng)真空濃縮法高0.062%.這一發(fā)現(xiàn)，對豐富以陰離子表面活性劑為萃取劑，以絮凝法富集薯蕷皂苷的理論，避免有機(jī)溶劑的使用，減少能耗，克服濃縮過程中薯蕷皂苷的損失，實(shí)現(xiàn)低成本下薯蕷皂素的清潔生產(chǎn)具有一定的意義.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

薯蕷皂苷萃取液，來自本實(shí)驗(yàn)室，其方法為:取粒度為80目的盾葉薯蕷10 g，加入濃度為25.8×10-3mol/L的十二烷基硫酸鈉100 mL，充分?jǐn)嚢?，室溫浸? h后，在超聲波頻率為35.74 KHz下，超聲萃取30 min，過濾，收集濾液，按照同樣的操作，將濾渣再萃取2次，合并3次萃取液，記錄體積，測定薯蕷皂苷濃度[8].

陽離子聚丙烯酰胺、殼聚糖、海藻酸鈉、聚合三氯化鋁、聚合三氯化鐵均為分析純，購于西安試劑公司；硅藻土，購于西安礦化研究院.

離心機(jī)，TDZ5-WS，四川蜀科儀器公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋，HH-2，國華電器有限公司；電動(dòng)攪拌器，D90-1，杭州電器儀表廠.

1.2 方法

1.2.1 測定方法

取薯蕷皂苷含量為C1(mg/mL)的薯蕷皂苷萃取液V1mL，在一定的條件下，加入一定量絮凝劑，絮凝一定的時(shí)間，離心分離，得到薯蕷皂苷含量為C2的上清液V2mL，按下式計(jì)算薯蕷皂苷的分離因數(shù).

1.2.2 試驗(yàn)方法

1.2.2.1 絮凝條件的確定

取一定量的薯蕷皂苷萃取液，在一定的條件下，加入250 mL的三口瓶中，連接攪拌裝置，開啟電動(dòng)攪拌器，在快速攪拌下，分別加入一定量0.1%陰離子型聚丙烯酰胺(PAM)、1%殼聚糖、1%海藻酸鈉(SA)、1%聚鐵(PAFC)、1%聚鋁(PAC)及硅藻土，絮凝一定的時(shí)間后，離心分離，得到上清液及薯蕷皂苷絮凝物，測定上清液的ζ電位、薯蕷皂苷含量，記錄上清液的體積，計(jì)算薯蕷皂苷的分離因數(shù)，研究絮凝劑的種類、加量、絮凝條件等對薯蕷皂苷分離因數(shù)的影響，確定最佳絮凝條件.

1.2.2.2 復(fù)配條件的確定

取一定量的薯蕷皂苷萃取液于250 mL的三口瓶中，連接攪拌裝置，開啟電動(dòng)攪拌器，在40 ℃下快速攪拌，加入1%的殼聚糖5 mL或0.4 g硅藻土，等絮團(tuán)開始形成后，再加入一定量的硅藻土或殼聚糖，慢速攪拌30 min后，保溫靜置1 h后，在離心機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 rpm下離心10 min，分別記錄上清液的體積，并測定各上清液中薯蕷皂苷的含量，計(jì)算薯蕷皂苷的分離因數(shù)，比較復(fù)配條件對薯蕷皂苷分離因數(shù)的影響.

1.2.2.3 對比試驗(yàn)

(1)對比試驗(yàn)一.

取2份盾葉薯蕷萃取液，其中1份按照100 mL濾液中加入1%的殼聚糖5 mL，等絮團(tuán)形成后，再加入硅藻土0.2 g的次序，給萃取液中邊攪拌邊加入殼聚糖及硅藻土，充分混合，慢速攪拌30 min后，在40 ℃的水浴中繼續(xù)保持1 h，離心分離，得到薯蕷皂苷沉淀物.另一份采用真空濃縮法得到膏狀物，將薯蕷皂苷沉淀物及膏狀物，在同樣的條件下，經(jīng)水解、干燥、萃取、結(jié)晶、重結(jié)晶得到薯蕷皂素，測定薯蕷皂素的質(zhì)量、純度.

(2)對比實(shí)驗(yàn)二.

取以十二烷基硫酸鈉水溶液及以水為萃取劑萃取所得的萃取液各100 mL，在同樣的條件下，加入1%的殼聚糖5 mL，等絮團(tuán)形成后，再加入0.2 g的硅藻土，充分混合，慢速攪拌30 min后，在40 ℃的水浴中繼續(xù)保持1 h，離心分離，得到薯蕷皂苷沉淀物，沉淀物經(jīng)水解、中和、干燥、萃取、結(jié)晶、重結(jié)晶得到薯蕷皂素，測定薯蕷皂素的質(zhì)量、純度.

2 結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑的選擇

按1.2.2.1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較絮凝劑種類對薯蕷皂苷分離因數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1 絮凝劑種類對薯蕷皂苷絮凝的影響

由表1可以看出，隨著絮凝劑加量的增加，薯蕷皂苷分離因數(shù)呈先增加，后基本不變的趨勢；有機(jī)絮凝劑對薯蕷皂苷的絮凝作用優(yōu)于無機(jī)絮凝劑，其原因是除靜電作用外，有機(jī)絮凝劑與薯蕷皂苷接觸的位點(diǎn)比無機(jī)絮凝劑多.對有機(jī)絮凝劑而言，絮凝后體系ζ電位越低，薯蕷皂苷的分離因數(shù)越大.

ζ電位是對顆粒之間相互排斥或吸引力的強(qiáng)度的度量.分子或分散粒子越小，ζ電位(正或負(fù))越高，體系越穩(wěn)定，即溶解或分散可以抵抗聚集.反之，ζ電位(正或負(fù))越低，越傾向于凝結(jié)或凝聚，即吸引力超過了排斥力，分散被破壞而發(fā)生凝結(jié)或凝聚.

由此推斷，在薯蕷皂苷分離過程中，靜電中和起主要作用.

100 mL的萃取液中分別加入5 mL 0.1%陰離子PAM、1%殼聚糖、1%SA、1%PAC、1%PAFC及0.4 g硅藻土?xí)r，體系的ζ分別5.81、1.64、3.29、0.72、1.05、-0.16 mv，薯蕷皂苷分離因數(shù)分別為59.2%、86.2%、62.2%、47.2、55.1%及72.7%.

故在薯蕷皂苷萃取時(shí)，采用有機(jī)絮凝劑時(shí)，100 mL萃取液宜加入1%的殼聚糖5 mL，采用無機(jī)絮凝劑時(shí)，100 mL萃取液宜加0.4%的硅藻土.

2.2 殼聚糖絮凝條件的確定

以殼聚糖為絮凝劑，按1.2.2.1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究絮凝時(shí)間、pH值、溫度對薯蕷皂苷分離因數(shù)的影響，確定最佳絮凝條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示.

圖1 絮凝溫度對薯蕷皂苷分離因數(shù)的影響

圖2 絮凝時(shí)間對薯蕷皂苷分離因數(shù)的影響

圖3 體系pH值對薯蕷皂苷分離因數(shù)的影響

由圖1可以看出，隨著絮凝溫度的升高，薯蕷皂苷的分離因數(shù)呈先增加后減少的趨勢，其原因是隨著溫度的升高，體系黏度變小，其沉降速度變大，薯蕷皂苷的分離因數(shù)亦變大；但當(dāng)絮凝溫度超過某一極限值時(shí)，由于分子熱運(yùn)動(dòng)速度加劇，使已形成的薯蕷皂苷絮凝體受到?jīng)_擊，薯蕷皂苷的分離因數(shù)變小，故絮凝溫度宜選擇40 ℃.

由圖2可以看出， 隨著絮凝時(shí)間的延長，薯蕷皂苷的分離因數(shù)呈先急劇增加，后緩慢增加的趨勢.為了提高絮凝效率，薯蕷皂苷的絮凝時(shí)間宜取1 h.

由圖3可以看出，隨著介質(zhì)pH值的增加，薯蕷皂苷分離因數(shù)呈先增加后基本不變的趨勢.pH值為6.5時(shí)，薯蕷皂苷的分離因數(shù)最大.其原因?yàn)?，殼聚糖是含胺基的高分子長鏈化合物，難溶于水，可溶于稀醋酸液，在酸性條件下，能很好的伸展成長鏈，充分發(fā)揮其陽離子型絮凝劑的絮凝作用，但pH值過低，其分子在酸溶液中由鏈狀變?yōu)榍驙?，絮凝作用下降，為了便于操作，本?shí)驗(yàn)pH值宜取6.5.

由以上研究可知，殼聚糖最佳絮凝條件為：100 mL薯蕷皂苷萃取液中(pH值約為6.5)加入1%殼聚糖5 mL，充分?jǐn)嚢?，?jīng)40 ℃下絮凝1 h，離心分離，此時(shí)，薯蕷皂苷的分離因數(shù)為86.2%.

2.3 復(fù)配條件的確定

按1.2.2.2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 復(fù)配條件對薯蕷皂苷分離因數(shù)的影響

由表2可以看出，采用復(fù)配絮凝劑絮凝萃取液中薯蕷皂苷較采用單一絮凝劑時(shí)，薯蕷皂苷的分離因數(shù)大.在殼聚糖(硅藻土)加量不變的情況下，薯蕷皂苷的分離因數(shù)隨著硅藻土(殼聚糖)加量的增加呈先急劇增加后緩慢增加或基本不變的趨勢.

采取先用殼聚糖絮凝，再加入硅藻土的方法較先用硅藻土絮凝，再加入殼聚糖絮凝法薯蕷皂苷的分離因數(shù)高，其原因可能是，先給萃取液中加入殼聚糖，體系的ζ電位下降，有利于膠體粒子的快速凝結(jié)，再給其中加入硅藻土，使殼聚糖形成的凝團(tuán)更加致密，更有利于薯蕷皂苷的絮凝.而先給萃取液中加入硅藻土，由于硅藻土的比表面積大，先與萃取液中吸附位點(diǎn)結(jié)合，占據(jù)或部分占據(jù)了殼聚糖的結(jié)合位點(diǎn)，使殼聚糖加入后，分離效果不明顯.

本實(shí)驗(yàn)采用先給薯蕷皂苷萃取液中加入殼聚糖，再加入0.2 g硅藻土的絮凝方法，此時(shí)，薯蕷皂苷的分離因數(shù)為94.5%.

2.4 對比實(shí)驗(yàn)

按照1.2.2.3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表3 對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出，三種方法所得薯蕷皂素的純度基本相同，絮凝法薯蕷皂素的得率比真空濃縮法高0.062%，其原因可能是薯蕷皂苷在真空濃縮時(shí)，因起泡造成薯蕷皂苷損失比分離因數(shù)為94.5%的絮凝法更大.以十二烷基硫酸鈉水溶液為萃取劑比以水為萃取劑高24.7%，說明十二烷基硫酸鈉對盾葉薯蕷中薯蕷皂苷具有明顯的增溶作用.說明十二烷基硫酸鈉增溶技術(shù)、薯蕷皂苷絮凝技術(shù)可用于薯蕷皂素的清潔生產(chǎn)中.

3 結(jié)論

在薯蕷皂素生產(chǎn)中，采用絮凝法替代真空濃縮法分離薯蕷皂苷，可以提高薯蕷皂素的得率，避免濃縮過程中的能量消耗，克服了因濃縮引起的薯蕷皂苷損失的缺點(diǎn)，降低了薯蕷皂素的生產(chǎn)成本，豐富了化學(xué)絮凝法對分離盾葉薯蕷萃取液中薯蕷皂苷理論，為低成本下薯蕷皂素的清潔生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo).

[1] Ali Sarafraz Yazdi.Surfactant-based extraction methods[J].Trends in Analytical Chmistry,2011,30(6):918-929.

[2] 張 惠，許曉菁，楊一青，等.濁點(diǎn)萃取技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2012，31(增刊)：441-445.

[3] 戴樹桂，董 亮.表面活性劑對受污染環(huán)境修復(fù)作用研究進(jìn)展[J].上海環(huán)境科學(xué)，1999，18(9):420-424.

[4] 陳玉成, 郭 穎,魏沙平.螯合劑與表面活性劑復(fù)合去除城市污泥中Cd、Cr[J].中國環(huán)境科學(xué),2003,24(1):100-104.

[5] 鄧 軍.表面活性劑和環(huán)糊精對土壤有機(jī)污染物的增溶作用及機(jī)理[D].長沙：湖南大學(xué)，2007.

[6] 王 磊.雙濁點(diǎn)萃取-ICP-AES測定環(huán)境樣品中痕量金屬元素的研究[D].杭州：浙江師范大學(xué)，2007.

[7] 李 靜.濁點(diǎn)萃取技術(shù)在金屬離子分離富集及形態(tài)分析中的應(yīng)用[D].武漢:華中師范大學(xué),2004.

[8] 張志軍.三次采油用改性石油磺酸鈉的合成與性能研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[9] 趙穎華,徐艷妹,王海峰,等.木質(zhì)素磺酸鹽的改性及其在三次采油中的應(yīng)用[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2005,24(4):90-91.

[10] 聶 陽, 黃勇紅,李 博，等.表面活性劑-超聲協(xié)同提取甘木通總黃酮工藝的研究[J].中成藥,2013,35(9):2 040-2 042.

[11] 李 謙，高向濤，任玉珍，等.表面活性劑強(qiáng)化提取黃姜中薯蕷皂苷的研究[J].精細(xì)化工，2009,26( 2):122-125.

[12] 于 濱，郭邦國，宋 燁，等.超聲波-表面活性劑協(xié)同萃取苦瓜皂苷[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(15)：294-300.

[13] 葛發(fā)歡，黃 星，譚小華，等.非離子表面活性劑對超臨界CO2從苦參中萃取苦參堿類的影響[J].2003，26(6)：426-427.

[14] 龔盛昭，程 江，楊卓如.表面活性劑協(xié)同蘆丁研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2004，24(增刊)：93-96.

[15] Wentao Bi,Minglei Tian,Kyung Ho Row.Extraction and conectration of tanshinones in salvia miltiorrhiza bunge by task-specific non-ionic surfactant assistance[J].Food Chemistry,2011,126:1 985-1 990.

[16] Li Xiang,Ma Jianzhong,Xia Jing.Surfactant assisted ethanol extraction of dioscin[J].Journal of Medicinal Plants Research,2001,5(3):324-331.

[17] 陳 健，郭瑞雪. 超聲-濁點(diǎn)萃取丹參有效成分的初步研究[J].食品工業(yè)科技，2009，30(11)：200-203.

[18] 黃 焱，秦 煒，丁昱文，等.非離子表面活性TX114濁點(diǎn)萃取D2EHPA的規(guī)律[J].化工學(xué)報(bào)，2008，59(2)：393-397.

[19] 陳俊英,韓志慧,劉國際,等.無污染提取薯蕷皂素的熱分解處理研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,43(18):3 824-3 830.

[20] 高 彬.近紅外激光斷裂薯蕷皂苷苷鍵的研究[D].西安:西北大學(xué),2008.

[21] 朱 憲,王振武,郭曉亞.近臨界水中薯蕷皂苷水解生產(chǎn)薯蕷皂苷元的工藝研究[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào),2007,21(1):122-125.