響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取煙葉中茄尼醇的工藝研究

張露

響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取煙葉中茄尼醇的工藝研究

張露

（西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安710065）

以廢棄煙葉為原料，采用微波輔助方法提取煙葉中的茄尼醇。研究了不同料液比、輻射時間、輻射溫度和輻射功率對茄尼醇提取率的影響，并通過響應(yīng)面法對工藝條件進行優(yōu)化。結(jié)果表明，最佳工藝條件為：料液比1∶14 g/mL、輻射溫度60℃、輻射功率420 W、輻射時間33 min。在最佳工藝條件下，茄尼醇的提取率為0.581%。

煙葉；茄尼醇；微波輔助；響應(yīng)面法

煙草是我國重要的經(jīng)濟作物之一，其種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一位。自16世紀以來，人們將煙草用于卷煙市場后，隨著煙草加工業(yè)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)有70%的廢棄煙葉不能得到充分利用，如果常年堆積，會對環(huán)境造成嚴重的影響。因此，廢棄煙葉的變廢為寶，成為了化學(xué)領(lǐng)域研究者們著重討論的話題之一[1]。

茄尼醇廣泛存在于煙草、馬鈴薯葉或桑葉中，其在煙草干料中的質(zhì)量分數(shù)高達0.3%～3%[2]。茄尼醇具有醫(yī)藥功效，有抗菌、消炎和止血的作用，在醫(yī)藥方面是不可替代的中間體。由于茄尼醇難于提取，故在醫(yī)藥方面常采用人工合成的方法獲取茄尼醇，用于合成輔酶Q10等醫(yī)藥產(chǎn)品。然而人工合成的茄尼醇，生物活性差，不易被人體吸收，難以充分發(fā)揮輔酶Q10的藥理作用；而從植物中提取出的茄尼醇，屬于天然的有機原料，易于人體吸收轉(zhuǎn)化，因此研究從植物中提取茄尼醇具有極大的現(xiàn)實意義和發(fā)展前景[3]。

本文采用微波輔助提取法，用無水乙醇作為有機溶劑提取煙葉中的茄尼醇，并通過響應(yīng)面法對提取工藝進行了優(yōu)化處理，旨在為茄尼醇的研究開發(fā)提供參考。

1 實驗部分

1.1材料與儀器

材料：煙葉（江南西昌）；無水乙醇，分析純；高效液相色譜儀（HPLC）流動相的乙醇，色譜純。

儀器：WF-2000微波快速反應(yīng)系統(tǒng)（上海屹堯分析儀器有限公司）；SHZ-D循環(huán)水式真空泵（鞏義市予華儀器有限責任公司）；FW117中草藥粉碎機（天津泰斯特儀器有限公司）；恒溫水浴鍋；DGG-9140B型電熱恒溫鼓風干燥箱；GR-200電子天平（日本AND）；EYEL4型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海愛朗儀器有限公司）。

1.2實驗方法

1.2.1 材料預(yù)處理

取一定量的煙葉洗凈后置于日光下晾干，再于溫度為60℃的恒溫干燥箱中烘干，粉碎并篩分（過80目篩），備用。

1.2.2 茄尼醇的萃取

先量取一定體積溶劑，再準確稱取一定量經(jīng)預(yù)處理的原料（精確到0.1 g），同時加到反應(yīng)釜中，設(shè)定適宜的輻射溫度、輻射功率和輻射時間，進行實驗；提取結(jié)束后，對料液進行真空抽濾，最后用適量溶劑洗滌濾渣，合并混勻提取液，減壓旋蒸回收溶劑，然后對濃縮后的提取液進行檢測，計算提取率[4]。提取率的計算公式如下：

提取率=（提取液中茄尼醇的質(zhì)量/提取原料的質(zhì)量）×100%

1.3 實驗設(shè)計

1.3.1 單因素實驗

以茄尼醇的提取率為指標，分別研究料液比、輻射時間、輻射功率以及輻射溫度對煙葉中茄尼醇提取率的影響，并確定單因素的最佳工藝條件。

1.3.2 響應(yīng)面實驗

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，選擇輻射時間、輻射功率和輻射溫度為相應(yīng)變量，以茄尼醇的提取率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken設(shè)計進行茄尼醇提取工藝優(yōu)化的響應(yīng)面實驗。實驗因素水平及編碼見表1。

表1 提取工藝優(yōu)化的響應(yīng)面實驗因素水平及編碼

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 料液比對煙葉中茄尼醇提取率的影響

按照1.2.2步驟進行實驗。在輻射功率400 W、輻射溫度60℃、輻射時間為30 min條件下，分別設(shè)定料液比為1∶8、1∶10、1∶12、1∶14和1∶16 g/mL進行實驗，并計算提取率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 料液比對煙葉中茄尼醇提取率的影響

由圖1可知，隨著溶劑含量的增加，煙葉中茄尼醇的提取率先增大后減??；當料液比為1∶14 g/mL時，茄尼醇的提取率達到最大，繼續(xù)增加溶劑量，提取率降低。這可能是因為溶劑的增加使得煙葉中有其他物質(zhì)生成，阻礙了茄尼醇的溶解。故綜合各個方面，選擇最佳料液比為1∶14 g/mL。

2.1.2 輻射時間對煙葉中茄尼醇提取率的影響

按照1.2.2步驟進行實驗。在料液比1∶14 g/mL、輻射功率400 W、輻射溫度60℃條件下，分別設(shè)定輻射時間為20、25、30、35和40 min進行實驗，并計算提取率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 輻射時間對煙葉中茄尼醇提取率的影響

由圖2可知，隨著輻射時間的延長，煙葉中茄尼醇的提取率先增大后減??；當輻射時間為30 min時，茄尼醇的提取率最大，但當輻射時間超過30 min以后，茄尼醇的提取率呈明顯下降趨勢。原因可能是輻射時間延長，微波輻射會破壞部分茄尼醇的結(jié)構(gòu)，使煙葉中茄尼醇的含量降低，從而影響茄尼醇的提取率。故最佳提取時間為30 min。

2.1.3 輻射功率對煙葉中茄尼醇提取率的影響

按照1.2.2步驟進行實驗。在料液比1∶14 g/mL、輻射時間30 min、輻射溫度60℃條件下，分別設(shè)定輻射功率為300、400、500、600以及700 W進行實驗，并計算提取率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 輻射功率對煙葉中茄尼醇提取率的影響

由圖3可知，隨著輻射功率的增大，煙葉中茄尼醇的提取率先增大后減小，當輻射功率為400 W左右時，茄尼醇的提取率達到最大。隨后，由于輻射功率的增大，微波震動變得更加劇烈，茄尼醇的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成部分茄尼醇被分解，從而影響了茄尼醇的提取效率，因此，茄尼醇的提取率隨著輻射功率的增大而逐漸降低，故選擇最佳輻射功率為400 W。

2.1.4 輻射溫度對煙葉中茄尼醇提取率的影響

按照1.2.2步驟進行實驗。在料液比1∶14 g/mL、輻射時間30 min、輻射功率400 W條件下，分別設(shè)定輻射溫度為30、40、50、60和70℃進行實驗，并計算提取率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 輻射溫度對煙葉中茄尼醇提取率的影響

如圖4可知，隨著輻射溫度的升高，煙葉中茄尼醇的提取率先增大后減??；當輻射溫度為60℃左右時，茄尼醇的提取率達到最大，隨后，再升高輻射溫度，茄尼醇的提取率呈下降趨勢。原因可能是溫度過高會造成部分茄尼醇分解破壞；并且，70℃時已經(jīng)接近茄尼醇的沸點，會使得部分茄尼醇揮發(fā)掉，極大地影響了茄尼醇的提取效率，從而得出最佳輻射溫度為60℃。

2.2響應(yīng)面分析與優(yōu)化

采用Design-Expert.v8.0.6.1軟件對表1進行響應(yīng)面設(shè)計，并繪制響應(yīng)面圖，所擬合的響應(yīng)面圖反映了輻射時間、輻射溫度和輻射功率這3個因素的兩兩交互作用對茄尼醇提取率的影響，響應(yīng)面三維圖分別見圖5、圖6和圖7。

由圖5可見，輻射溫度和輻射功率2個因素交互作用并不明顯。由響應(yīng)曲面可以看出，當輻射溫度不變時，隨著輻射功率的增加，茄尼醇的提取率先增大后減小；而當輻射功率不變時，隨著輻射溫度的升高，茄尼醇的提取率先增大后減小。

圖5 輻射溫度和輻射功率對茄尼醇提取率影響的響應(yīng)面圖

圖6 輻射時間和輻射功率對茄尼醇提取率影響的響應(yīng)面圖

由圖6可見，輻射時間和輻射功率2個因素交互作用并不明顯。由響應(yīng)曲面可以看出，當輻射時間一定時，隨著輻射功率的增加，茄尼醇的提取率先增大后減小。而當輻射功率一定時，隨著輻射時間的延長，茄尼醇的提取率先增大后減小，但是現(xiàn)象不太明顯。

圖7 輻射溫度和輻射時間對茄尼醇提取率影響的響應(yīng)面圖

由圖7可見，輻射時間和輻射溫度2個因素交互作用并不明顯。由響應(yīng)曲面可以看出，當輻射時間一定時，隨著輻射溫度的升高，茄尼醇的提取率先增大后減小。而當輻射溫度一定時，隨著輻射時間的延長，茄尼醇的提取率先增大后減小，但是現(xiàn)象不太明顯。

綜上所述，3因素中兩兩因素的交互作用均不顯著。茄尼醇的最佳提取工藝條件為：在輻射溫度為60℃、輻射功率為420 W、輻射時間為33 min。在此條件下，茄尼醇的提取率為0.573%。

2.3 驗證實驗

為了驗證響應(yīng)面法的可靠性，采用上述響應(yīng)面實驗得到的最佳提取工藝條件進行驗證實驗，平行3次，取其平均值，得到最佳工藝條件下的提取率為0.581%，與理論值相差0.008%。因此，基于響應(yīng)面法優(yōu)化得到的茄尼醇的提取工藝條件具有實際應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

（1）通過響應(yīng)面法優(yōu)化得到的微波輔助法提取煙葉中茄尼醇的最佳工藝條件為：料液比1∶14 g/mL、輻射溫度60℃、輻射功率420W、輻射時間33 min。在最佳工藝條件下，茄尼醇的提取率為0.581%。

（2）微波輔助提取具有節(jié)省溶劑、耗時短、快速高效且安全環(huán)保等優(yōu)點，在天然產(chǎn)物提取中具有一定的發(fā)展前景。

[1]陳愛國,申國明,梁曉芳,等.茄尼醇的研究進展與展望[J].中國煙草,2007,28（6）:44-48.

[2]張旗,黃龍,高志農(nóng),等.低次煙葉中茄尼醇的超聲波輔助提取與純化[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,53（6）:1402-1405.

[3]韓莎莎,張露,南葉飛,等.茄尼醇萃取工藝及其純化的研究進展[J].杭州化工,2016,46（1）:8-10.

[4]周統(tǒng)武,蔡娟.茄子葉中茄尼醇微波輔助萃取工藝研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38（14）:7266-7267,7290.

10．13752／j．issn．1007－2217．2016．04．003

2016-07-26