堿解玉米秸稈制備阿魏酸

夏文靜 李飛 張曉燕 潘玥欣 陳奕彤

【摘要】本文以玉米秸稈為原料，利用堿水解法制備阿魏酸。提取玉米秸稈中阿魏酸的最佳工藝條件為：氫氧化鈉濃度為0.75mol/L，固液比（玉米芯-g/堿液-mL）為1：60，提取溫度為50℃，提取時間為12 h，最佳的保護劑是亞硫酸鈉，亞硫酸鈉的最適濃度是2.5%，在此條件下，阿魏酸的提取量最高可達26.06mg/g。

【關(guān)鍵詞】阿魏酸；玉米秸稈；堿水解

秸稈是成熟農(nóng)作物莖葉（穗）部分的總稱。通常指小麥、水稻、玉米、薯類、油菜、棉花、甘蔗和其它農(nóng)作物（通常為粗糧）在收獲籽實后的剩余部分。目前世界秸稈年產(chǎn)量約29億噸，玉米秸稈占世界秸稈年產(chǎn)量的35%，中國每年產(chǎn)生的玉米秸稈約7億噸，玉米秸稈占全國秸稈年產(chǎn)量56.6%。我國玉米秸稈的產(chǎn)量也相當之大，但是其經(jīng)濟系數(shù)低，資源化利用率低。目前我國大量秸稈被閑置浪費或就地焚燒，不僅造成了資源的浪費，也造成了環(huán)境的污染。秸稈大量廢棄，將導致其富含的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)隨雨水進入地面和地下水，與農(nóng)田營養(yǎng)物質(zhì)一起造成水體的富營養(yǎng)化；秸稈露天焚燒會導致大氣污染，引發(fā)火災，破壞土壤結(jié)構(gòu)，危害人體健康等。因此如何豐富秸稈資源的利用已經(jīng)成為當前研究的熱點話題。玉米秸稈的主要是成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，在其收獲和加工過程中會產(chǎn)生很多副產(chǎn)品，其主要成分是富含酚酸的細胞壁物質(zhì)，近年來，來源于秸稈中的多種具有抗氧化、抗腫瘤、增強免疫力等重要生理活性物質(zhì)被廣泛研究，如阿魏酸、對香豆酸、低聚木糖等，故富含酚酸的生物質(zhì)原料可作為酚酸的主要來源。

阿魏酸（4-羥基-3-甲氧基肉桂酸）是廣泛存在于當歸、川芎、紅花等中藥材的有效成分之一。阿魏酸具很多有益的生理作用，有抗氧化、抗血栓、降血脂、抗動脈粥樣硬化、抗菌消炎、降低血清和肝臟中的膽固醇、提高精子活力以及抑制腫瘤等特性。因此，阿魏酸被廣泛應用于食品、保健品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，具有較大的市場應用前景。阿魏酸可以用化學合成，但反應時間較長，溶劑用量大，轉(zhuǎn)化率低，成本高；也可以從中藥阿魏、當歸、紅花等中藥材中提取，但是成本也較高。植物細胞壁中的阿魏酸的羧基通過酯鍵與多糖鏈接，酚羥通過醚鍵與植物細胞壁的木質(zhì)素交聯(lián)在一起。通過強堿處理秸稈，可以使得酯鍵斷裂，從而釋放出阿魏酸。探索利用堿解法提取玉米秸稈中阿魏酸的工藝，提高玉米秸稈的附加值，不僅能夠產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟利益，而且能夠解決廢棄物影響環(huán)境問題。

1、材料與方法

1.1材料、儀器和試劑

玉米秸稈：購于山東青島農(nóng)貿(mào)市場。試劑：阿魏酸標準品（純度>98%）：國藥集團化學試劑有限公司；甲醇（色譜純）：ROE公司；氫氧化鈉、亞硫酸鈉、磷酸、冰乙酸均為分析純，購于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 實驗方法

⑴玉米秸稈的預處理：將購買的玉米秸稈粉碎烘干至恒重，過20目篩，裝入密封袋放在干燥器備用。

⑵堿法制備阿魏酸的工藝流程：預處理的秸稈→堿浸提→離心→調(diào)pH至中性→定容→HPLC檢測。

⑶高效液相色譜分析條件：色譜柱選用phenomenex Luna C18柱（150*4.6mm，5um），以甲醇：水：冰乙酸（30：69.3：0.7）為流動相，柱溫30℃，流速0.8ml/min，檢測波長320nm，進樣量20 ul。

⑷氫氧化鈉濃度對阿魏酸提取量的影響：稱取2.5g預處理玉米秸稈，在固液比1：40的條件下，室溫靜置10h，比較堿質(zhì)量濃度分別為0.2mol/L、0.5mol/L、0.75mol/L、1.0mo/L、1.5mol/L、 2.0mol/L對阿魏酸提取量的影響，從而確定最佳堿濃度，每個樣品做三個重復。

⑸提取時間對阿魏酸提取量的影響：稱取2.5g預處理玉米秸稈，在固液比1：40，氫氧化鈉濃度為0.75mol/L的條件下，室溫靜置，分別在2h、4h、6h、8h、10h、12h、24h取樣，確定最佳提取時間，每個樣品做三個重復。

⑹固液比對阿魏酸提取量的影響：稱取2.5g預處理玉米芯，選用0.75mol/L的NaOH，在室溫條件下靜置12h，研究固液比為1：20、1：30、1：40、1：50、1：60、1：70、1：80對阿魏酸提取量的影響，每個樣品做三個重復。

⑺提取溫度對阿魏酸提取量的影響：稱取2.5g預處理玉米秸稈，選用0.75mol/L的NaOH，在固液比1：60的條件下，研究溫度分別為10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃對阿魏酸和香豆酸提取量的影響，在12h取樣，確定最佳提取溫度，每個樣品做三個重復。

⑻不同保護劑對阿魏酸提取量的影響：稱取2.5g預處理玉米秸稈，在固液比1：60，NaOH濃度0.75mol/L，提取溫度50℃的條件下，比較焦亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、硫代硫酸鈉、亞硫酸鈉四種保護劑對提取量的影響，四種保護劑的濃度為2.5%，以不加保護劑的為空白對照，每個樣品做三個重復。

⑼保護劑濃度對阿魏酸提取量的影響：稱取2.5g預處理玉米秸稈，在固液比1：60，NaOH濃度0.7mol/L，提取溫度50℃的條件下，比較亞硫酸鈉終濃度分別為0.5%、1%、2.5%、5%對阿魏酸提取量的影響，每個樣品做三個重復。

⑽阿魏酸提取量的計算：阿魏酸的提取量以每克烘干的玉米秸稈最終得到的阿魏酸的質(zhì)量來表示。式中：C為HPLC法測定的阿魏酸的質(zhì)量濃度（ug/ml）；m為玉米芯的質(zhì)量（mg）；Y為HPLC法測定的阿魏酸的峰面積（mAU）；V為NaOH的體積（ml）。

2、結(jié)果與討論

2.1氫氧化鈉濃度對提取量的影響

阿魏酸上的羧基通過酯鍵與多糖類鏈接，酚羥基通過醚鍵與木質(zhì)素鏈接，形成了木質(zhì)素/酚酸-多糖的復合物。堿解可以有效水解斷裂酯鍵，因此堿濃度對于秸稈中阿魏酸等酚酸類物質(zhì)的釋放具有顯著的影響。實驗表明，隨著NaOH濃度的增加阿魏酸提取量逐漸增大，當NaOH濃度從0.2mol/L增加到0.5mol/L時，提取量增加了54%；當堿濃度從0.5mol/L增加到0.75mol/L，阿魏酸的提取量增加了26%，當氫氧化鈉增加到1mol/L時，阿魏酸提取量比0.75mol/L時增加了1.5%，幅度較小。當NaOH濃度增加到2mol/L時阿魏酸提取量為17.77mg/g，是0.75mol/L時提取量的1.2倍，但是氫氧化鈉用量是2.7倍，同時實驗中發(fā)現(xiàn)，氫氧化鈉用量越大，提取液的粘度增大，離心效果不佳，從節(jié)約成本的角度考慮，選擇較優(yōu)的堿濃度為0.75mol/L。

2.2提取時間對阿魏酸提取量的影響

實驗證明，在2h到12h的范圍內(nèi)，隨著時間的延長，阿魏酸提取量變化比較明顯，超過12h以后，隨著阿魏酸提取量隨著時間延長也逐漸增大，但是增加幅度較小，所以從節(jié)省時間的角度考慮，選用較優(yōu)的提取時間為12h。

2.3固液比對阿魏酸提取量的影響

由圖1可知，當固液比分為1：20、1：30、1：40、1：50、1：60、時，阿魏酸提取量分別為13.93、14.82、15.29、15.87、16.91mg/g，隨著固液比的增加，阿魏酸的提取量不斷增加。當固液比繼續(xù)增加到1：70和1：80時，阿魏酸的的提取量趨于穩(wěn)定。考慮到提取液體積增加會增加成本，并且會增加離心的能耗，所以固液比選用1：60。

2.4溫度對提取量的影響

由圖2可知，在10-50℃的范圍內(nèi)，隨著溫度的升高阿魏酸的提取量逐漸增加，50℃時阿魏酸的最高提取量可達24.20mg/g是10℃提取量的1.71倍，這是因為溫度升高，加速阿魏酸與木質(zhì)素之間酯鍵斷裂，有利于阿魏酸的釋放。當提取溫度超過50℃時阿魏酸提取量開始下降，這是由于在高溫作用下，雖然阿魏酸的釋放量增加，但是釋放的阿魏酸在高溫條件下會被氧化或者分解。

2.5保護劑對阿魏酸提取量的影響

由圖3可知，在堿液中添加不同的保護劑對阿魏酸的提取量都略有提升，這是因為阿魏酸不穩(wěn)定，尤其是在溫度較高時，容易被氧化，這四種阿魏酸以亞硫酸鈉的效果最好，添加2.5%的亞硫酸鈉作為保護劑，阿魏酸的提取量為26.06mg/g，因此在提取阿魏酸時，選取亞硫酸鈉作為保護劑。

2.6亞硫酸鈉濃度對阿魏酸提取量的影響

由圖4可知，當亞硫酸鈉濃度在0.5-2.5%范圍內(nèi)，隨著亞硫酸鈉濃度的升高，阿魏酸的提取量逐漸增加，當亞硫酸濃度為2.5%時，阿魏酸的提取量26.06mg/g。

3、結(jié)論

利用玉米秸稈為原料，探索堿法提取阿魏酸的工藝條件，當氫氧化鈉濃度為0.75mol/L，提取時間為12h時，固液比為1：60，提取溫度為50℃，亞硫酸鈉的濃度為2.5%時，阿魏酸的提取量可達26.06mg/g，此方法簡便、快捷，可以用于以玉米秸稈提取制備天然阿魏酸。

參考文獻

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注：本文受

1.基金資助：泰州市社會發(fā)展項目（TS201337）

2.基金資助：泰州市社會發(fā)展項目（TS201516）

3.基金資助：南京師范大學泰州學院第二批精品課程《酶工程》

作者簡介

夏文靜，女，山東青島，碩士，講師，從事酶的分離純化以及天然產(chǎn)物的分離提取工作。