熱浸法提取箬葉總黃酮的動力學(xué)研究

樂薇　吳士筠

摘要：以Fick擴(kuò)散定律為基礎(chǔ)，建立熱浸法提取箬葉總黃酮的動力學(xué)模型，由此推算出提取速率常數(shù)、活化能等動力學(xué)參數(shù)，考察溫度、時間對總黃酮提取率的影響。結(jié)果表明，所得模型能較好地描述箬葉總黃酮提取的動態(tài)過程，箬葉總黃酮的浸提過程符合一級動力學(xué)方程。熱力學(xué)數(shù)據(jù)表明，該提取過程是自發(fā)、吸熱和熵增加的過程。

關(guān)鍵詞：箬葉；總黃酮；熱浸法；動力學(xué)

中圖分類號： R284.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0359-03

收稿日期：2014-10-30

基金項目：湖北省自然科學(xué)基金（編號：2013C111）。

作者簡介：樂薇（1979—），女，湖北沙市人，碩士，副教授，研究方向為生物分析。E-mail：yuewei11@126.com。從植物中提取有效成分，提取工藝的選擇，優(yōu)化始終是一個重要的內(nèi)容，也是重點和難點所在。植物功能成分浸提過程動力學(xué)是采用數(shù)學(xué)模型定量描述浸提過程中功能成分質(zhì)量濃度隨時間變化的規(guī)律，其隨揭示浸提溫度、溶劑倍量、顆粒粒度等因素對浸提效果的影響以及優(yōu)化浸提工藝等具有重要指導(dǎo)意義，已成為當(dāng)今研究熱點[1～4]。

箬葉為禾本科竹亞科箬竹屬植物葉的總稱，該屬植物約有30種以上，均產(chǎn)自中國[5]，自古以來就是端午節(jié)標(biāo)志食品——粽子的包裝物。據(jù)《本草綱目》記載，箬葉味甘，性寒，有清熱止血、解毒消腫之功效?，F(xiàn)代藥理分析發(fā)現(xiàn)，箬葉具有殺菌、防腐、抗癌等多種顯著作用，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品及日化用品等[6-7]。我國長江以南各省份均有大量野生箬葉資源，特別是湖北武陵山區(qū)野生箬葉資源非常豐富，在開發(fā)植物藥用資源上具有優(yōu)勢。研究證明，總黃酮是箬葉中的重要活性成分[8]，含量豐富，占箬葉總質(zhì)量的2%左右[9]，但相關(guān)提取的研究報道較少。本研究通過Fick第一、第二擴(kuò)散定律，建立熱浸法提取箬葉總黃酮的動力學(xué)模型，為箬葉總黃酮提取工藝條件優(yōu)化及工藝設(shè)計提供理論依據(jù)。

1熱浸法提取箬葉總黃酮的動力學(xué)模型

從傳質(zhì)角度看，箬葉總黃酮浸提過程是黃酮從箬葉（固相）向溶液（液相）進(jìn)行擴(kuò)散的兩相間傳質(zhì)過程，即溶劑滲透進(jìn)入箬葉顆粒，顆粒內(nèi)部黃酮被溶劑溶解后向顆粒表面擴(kuò)散，以及黃酮由箬葉顆粒表面向溶液主體擴(kuò)散等3個同時發(fā)生的過程。對于黃酮的提取，箬葉內(nèi)黃酮的溶解可在瞬間完成，而黃酮在箬葉顆粒內(nèi)外的擴(kuò)散過程相對于滲透和黃酮溶解是一個較慢的過程，其在浸提中起主要作用。

箬葉內(nèi)部總黃酮濃度隨提取時間的增加不斷降低，為不穩(wěn)定擴(kuò)散過程。為便于分析，本研究中采用平板模型，先假設(shè)：（1）顆粒的厚度是均勻的；（2）有效成分黃酮的擴(kuò)散方向是沿顆粒的厚度方向進(jìn)行的；（3）萃取開始和任意取樣時間間隔內(nèi)，顆粒內(nèi)各成分是均勻分布的；（4）顆粒表面的傳質(zhì)阻力忽略不計且在任意取樣時間間隔內(nèi)有效成分的擴(kuò)散系數(shù)不變；（5）顆粒與溶劑的溫度是相同的，且溫度是均勻分布的。根據(jù)Fick第一、第二定律建立的動力學(xué)模型為[10-11]

lnC∞C∞-C=kt+lnπC∞4（C∞-C0）；（1）

k=π2Ds（2D）2。（2）

式中：C0為提取液溶質(zhì)的初始質(zhì)量濃度，%；C∞為提取平衡時提取液溶質(zhì)的質(zhì)量濃度，%；k為速率常數(shù)；t為提取時間，min；2D為箬葉的厚度；Ds為內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)。

2材料與方法

2.1試劑和儀器

蕓香苷標(biāo)準(zhǔn)品：中國藥品生物制品檢定所；無水乙醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉等均為分析純。

B-220恒溫水浴鍋，上海亞榮生化儀器廠；752型紫外可見分光光度計，上海光譜儀器有限公司；RE52CS型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠。

2.2試驗方法

2.2.1箬葉總黃酮的含量測定

2.2.1.1標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制和標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制準(zhǔn)確稱取干燥至恒質(zhì)量的蕓香苷標(biāo)準(zhǔn)品0.075 2 g，用30%乙醇水浴微熱溶解，用30%乙醇定容至250 mL，得0.300 8 mg/mL蕓香苷對照品溶液。精確移取0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL上述蕓香苷對照品溶液，分別置于6支10 mL比色管中，加30%乙醇至5 mL，加5%NaNO2溶液0.30 mL，搖勻后放置5 min，加10%Al（NO3）3溶液0.30 mL，搖勻后放置6 min，加4%NaOH溶液2.00 mL，再用30%乙醇稀釋至刻度，搖勻后放置10 min，以試劑空白為參比，于510 nm處測定吸光度。以蕓香苷濃度C為橫坐標(biāo)，吸光度D為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線D=aC+b。

2.2.1.2樣品溶液的測定分別吸取2份相同的0.50 mL箬葉總黃酮提取液于10 mL容量瓶，其中一份按上述蕓香苷標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制方法配置溶液，并以試劑空白為參比，測定吸光度為D1；另一份用30%乙醇溶液定容至10.00 mL，以30%乙醇為參比，測定吸光度為D2，按下列公式計算總黃酮含量：

提取液濃度（mg/mL）：C=（ΔD-b）a。（3）

其中ΔD=D1-D2。（4）

每次取樣后浸提溶液的總體積將依次減小1 mL，溶液中總黃酮化合物的質(zhì)量也同時遞減。因此，對光度法測定的黃酮質(zhì)量濃度進(jìn)行相應(yīng)修正，其公式為

Cn=1V [V-（n-1）]Cn′+∑n-1i=1Ci。（5）

式中：Cn為第n次取樣質(zhì)量濃度修正值；Cn′為第n次取樣質(zhì)量測定濃度；V為溶劑體系；n為取樣次數(shù)。

2.2.2箬葉總黃酮浸提試驗將5.0 g箬葉（過20目篩，厚度約0.85 mm）加入250 mL的三口燒瓶中，加入已加熱到設(shè)定溫度的60%乙醇水溶液100 mL，在此溫度下進(jìn)行熱浸法提取，并在不同時間間隔時取樣0.50 mL各2份，用于總黃酮含量的測定。提取時間為5、10、15、20、25、30、35、40、50、60、70、80、90、120 min；提取溫度為303、323、343 K。

3結(jié)果與分析

3.1速率常數(shù)的求解

由于沒有預(yù)浸泡，C0=0，按“2.2.2”節(jié)操作，試驗結(jié)果表明，不同浸提溫度條件下，總黃酮濃度差異較大，提取溫度越高，提取速率越快，提取液濃度越大。當(dāng)提取時間達(dá)到 120 min 時，基本達(dá)到平衡。在較長時間中，總黃酮濃度基本不變時即可認(rèn)為達(dá)到了浸提平衡，此時可將該濃度作為浸提的平衡濃度，并以ln[C∞/（ C∞-C）] 對提取時間t作圖，結(jié)果見圖1、表1。結(jié)果表明，所建立的動力學(xué)方程式與試驗結(jié)果能較好地吻合，曲線的線性擬合關(guān)系良好，即經(jīng)過粉碎的箬葉總黃酮提取符合一級動力學(xué)模型。同時也發(fā)現(xiàn)，表觀速率常數(shù)隨著溫度的升高增大，有效成分的提取加快，且平衡濃度隨溫度的升高也略有升高。

3.2相對萃余率的求解

設(shè)相對萃余率y=（C∞-C）/（ C∞-C0），則公式（1）變y=（4/π）e-kt，作y對提取時間t的關(guān)系圖，結(jié)果見圖2、表2。

3.3活化能的求解

由化學(xué)動力學(xué)可知，箬葉總黃酮的浸提過程中表觀速率常數(shù)是溫度的函數(shù)，應(yīng)遵循Arrhenius公式，即

k=Ae-Ea/（RT）或lnk=lnA-EaRT 。（6）

式中：k為表觀提取速率常數(shù)，s-1；R=8.314 J/（mol·K）；A為指前因子；T為提取溫度，K；Ea為表觀活化能，J/mol。

利用表1、表2數(shù)據(jù)，對-lnk和1/T作圖，結(jié)果見圖3，表明lnk和1/T線性良好，其回歸方程為：lnk=-1 215.9/T+0.723 5，r2=0.980 1。

由此可算出箬葉總黃酮浸提過程的活化能為Ea=1 215.9×8.314≈10 109 J/mol=101.09 kJ/mol?；罨芊从沉怂俾食?shù)對溫度的敏感程度，活化能較大時，速率常數(shù)隨溫度的變化較明顯。

3.4內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)的求解

整個浸提過程的內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)可以通過速率常數(shù)來計算，由公式（2）可知，速率常數(shù)是內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)Ds和顆粒尺寸的函數(shù)，由Ds對1/T作圖，結(jié)果見圖4，由此可以計算出不同溫度下箬葉總黃酮提取的內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)。

3.5相關(guān)熱力學(xué)函數(shù)

基于分配平衡理論，可以得到提取過程中的平衡常數(shù)，計算見公式（7）：

Kc=ClCs=ClCt-Cl。（7）

式中：Kc為箬葉總黃酮在兩相的分配系數(shù)；Cs為箬葉顆粒中的總黃酮濃度；Cl為溶液中的總黃酮濃度；Ct為總黃酮在兩相的總濃度，采用浸提法提取3次測定箬葉總黃酮的總含量[12]。

在一定的溫度范圍內(nèi)，提取達(dá)到平衡時，提取過程的焓變ΔH及熵變ΔS可由范托夫方程計算：

lnK=-ΔHRT+ΔSR；（8）

ΔG=-RTlnKc。（9）

根據(jù)式（8）作lnK-1/T 圖，直線的斜率和截距分別為ΔH/R 和ΔS/R，可計算提取過程中熱力學(xué)函數(shù)，結(jié)果見表3。

4結(jié)論

箬葉總黃酮的提取動力學(xué)方程符合一級動力學(xué)模式，熱力學(xué)數(shù)據(jù)表明，該提取過程是自發(fā)、吸熱和熵增加的過程。當(dāng)料液比一定時，模型可以大致預(yù)測浸提效果同浸提溫度和時間的關(guān)系，可以為箬葉總黃酮的提取工藝設(shè)計及操作條件的選擇提供有價值的理論依據(jù)。

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