復(fù)合酸溶浸桑枝異槲皮苷的酸解效應(yīng)

譚雙　王星敏　吳四維　劉小梅

摘要：【目的】研究磷鎢雜多酸復(fù)合酸催化溶浸桑枝異槲皮苷的適宜條件及其酸解作用，為提高桑枝異槲皮苷提取率和桑資源高值利用提供理論依據(jù)?！痉椒ā窟x用磷鎢雜多酸與磷酸的復(fù)合酸水熱反應(yīng)催化溶浸桑枝異槲皮苷，以異槲皮苷溶浸量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用均勻設(shè)計(jì)法優(yōu)化獲得復(fù)合酸溶浸桑枝異槲皮苷的適宜參數(shù);結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析桑枝底物形貌及表面官能團(tuán)變化，解析復(fù)合酸催化效應(yīng)及異槲皮苷溶浸動(dòng)力學(xué)?！窘Y(jié)果】投加磷鎢雜多酸與磷酸的磷（P）摩爾質(zhì)量比為0.42∶1的復(fù)合酸327.55 mg，于165 ℃下水熱反應(yīng)100 min后，0.5000 g桑枝可溶浸異槲皮苷5.962 mg/g、多糖0.430 g/g，分別是未投加復(fù)合酸浸提時(shí)的3.17和12.29倍;反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)異槲皮苷溶浸量影響極顯著（P<0.01），復(fù)合酸中P摩爾質(zhì)量比影響次之;FTIR測(cè)定圖譜中C=C鍵和C-O鍵明顯減弱，SEM掃描圖譜中組織間孔隙變大，出現(xiàn)密集且不規(guī)整孔洞，植物組織濁蝕現(xiàn)象明顯;異槲皮苷溶浸符合Fick第二定律的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，且溶浸速率常數(shù)K隨反應(yīng)溫度的升高而增大，在反應(yīng)溫度為165 ℃時(shí)，異槲皮苷最大溶浸量為5.935 mg/g，與試驗(yàn)值相接近?！窘Y(jié)論】復(fù)合酸溶浸桑枝異槲皮苷方法可行，升高反應(yīng)溫度可提高且加快異槲皮苷溶出，為桑資源高值利用提供新途徑。

關(guān)鍵詞： 桑枝;復(fù)合酸;磷鎢雜多酸;酸催化;異槲皮苷

中圖分類(lèi)號(hào)： S888.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：2095-1191（2020）11-2789-09

Acidolysis of extracting isoquercitrin from mulberry branches by compound acid

TAN Shuang1， WANG Xing-min1，2*， WU Si-wei1，2， LIU Xiao-mei1

（1 College of Environment and Resources， Chongqing Technology and Business University， Chongqing ?400067，China; 2Chongqing Engineering Research Center for Processing， Storage and Transportation of

Characterized Agricultural Products， Chongqing ?400067， China）

Abstract：【Objective】To study the optimum conditions and acidolysis of isoquercitrin from mulberry branches catalyzed by phosphorous tungsten heteropoly acid，which provided a theoretical basis for improving the extraction rate of mulberry isoquercitrin and highvalue utilization of mulberry resources. 【Method】A compound acid composed of phosphorous tungsten heteropoly acid and phosphoric acid was used to catalyze the hydrolysis of mulberry branches to extract isoquercitrin under hydrothermal conditions. The amount of isoquercitrin dissolution was used as the evaluation index， and uniform design method was used to optimize the appropriate parameters for isoquercitrin extracted from mulberry bran-ches by compound acid. Combined with Search Engine Marketing（SEM） and Fourier Transform Infra-red（FTIR） characterization to analyze the morphology and surface functional group changes of mulberry substrate，analyze the catalytic effect of compound acid and the kinetics of isoquercitrin leaching. 【Result】Adding 327.55 mg compound acid with phosphorus（P） molar ratio of 0.42∶1 in phosphorous tungsten heteropoly acid and phosphoric acid， after hydrothermal reaction at 165 ℃ for 100 min，0.5000 g of mulberry branches could be leached to isoquercitrin 5.962 mg/g and polysaccharide 0.430 g/g， which were as 3.17 and 12.29 times of that without adding compound acid. The effect of reaction temperature and reaction time on isoquercitrin leaching was extremely significant（P<0.01）， and the effect of P molar mass ratio in compound acid was the second. FTIR spectrum showed that the C=C bond and C-O bond were wakened. SEM chart showed the tissues became larger，dense and irregular pores appeared，and the turbidity of plant tissues was obvious. Isoquercitrin leaching conformed to the first-order kinetic model of Ficks second law， and the leaching rate constant K increased with the increase of the reaction temperature，when the reaction temperature was 165 ℃，the maximum leaching amount of isoquercitrin was 5.935 mg/g， which was close to the experimental value. 【Conclusion】The method of compound acid lea-ching of isoquercitrin from mulberry branch is feasible. Increasing the reaction temperature can increase and accelerate the leaching of isoquercitrin from mulberry branch. which can provide a new way for the high value utilization of mulberry resources.

Key words： mulberry; compound acid; heteropoly acid; acid catalysis; isoquercitrin

Foundation item： Chongqing Municipal Science and Technology Commission Application Development Key Project（cstc2017shms-zdyfX0063）

0 引言

【研究意義】我國(guó)桑資源豐富，僅桑枝就占桑園年產(chǎn)干物量的64%（劉琳等，2010），夏伐和冬剪的桑枝除少部分用于藥材外，大部分被焚燒掉，既污染環(huán)境又浪費(fèi)桑資源。桑枝富含黃酮類(lèi)化合物、牛膝甾酮、氨基酸等天然活性成分及其衍生物，其中，黃酮類(lèi)化合物異槲皮苷具有抗菌抗病毒（鄢春旻，2012）、抗炎癥（Jeong et al.，2015）、降血脂（Zhou et al.，2014）和降血糖（Hu et al.，2017）等藥理作用，已廣泛應(yīng)用于食品和醫(yī)藥行業(yè)。因此，系統(tǒng)研究并優(yōu)化桑枝異槲皮苷的溶浸工藝對(duì)桑枝的綜合利用具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】桑枝纖維素、半纖維素和木質(zhì)素致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻礙了桑枝異槲皮苷等天然活性成分有效溶浸?，F(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道提取異槲皮苷的方法較少，且以超聲波提取為主。嚴(yán)安定等（2011）利用超聲提取法在100%甲醇體系中超聲波2 h溶浸桑葉異槲皮苷0.907 mg/g;孫蓮等（2013）在100%甲醇體系中超聲60 min溶浸桑枝異槲皮苷52 μg/g;李晉等（2017）在70%甲醇體系中超聲波30 min溶浸桑枝異槲皮苷16.4 μg/g。黃酮類(lèi)化合物提取方法中，超聲波提取（陳建明等，2010）、酶法提?。ɡ钆迤G和尹飛，2017）、超臨界流體萃取（桂文龍等，2018）和回流浸提（張煥新等，2019）等或多或少存在提取率不高、提取時(shí)間長(zhǎng)、投資成本大等缺點(diǎn)。而酸具有強(qiáng)穿透性、酸催化等優(yōu)點(diǎn)，酸水解能有效打破植物組織的桎梏作用，從而提高天然產(chǎn)物提取率。徐漸等（2012）利用超聲波—鹽酸水解法可溶浸豆渣中的總黃酮0.43 mg/g;李春花等（2013）采用體積比為4∶1的鹽酸—乙醇體系于70 ℃回流0.5 h，酸催化1 g黃蜀葵花，可溶浸黃蜀葵花總黃酮15.536 mg/g;呂志強(qiáng)等（2014）采用鹽酸水解法可溶浸桑籽總黃酮0.57 mg/g和多糖0.51 mg/g。酸水解多以鹽酸為主，雖具有優(yōu)良的酸性，但易腐蝕生產(chǎn)設(shè)備，并引起環(huán)境污染。固體酸磷鎢雜多酸（H3PW12O40）是一種具有強(qiáng)酸性和氧化還原性的綠色新型催化劑。近年來(lái)，磷鎢雜多酸因其穩(wěn)定性好、催化活性強(qiáng)、高選擇性和環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，逐步應(yīng)用于生物質(zhì)資源化利用領(lǐng)域。Shimizu等（2009）研究發(fā)現(xiàn)磷鎢雜多酸催化纖維素水解較鹽酸和磷酸等無(wú)機(jī)酸具有更優(yōu)異的催化性能。周龍飛（2018）投加0.07 g磷鎢雜多酸催化水解芒草纖維素，180 ℃下反應(yīng)2 h后糖化率達(dá)63.35%?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】將磷鎢雜多酸復(fù)合酸替代傳統(tǒng)鹽酸酸解桑枝，減少傳統(tǒng)酸的環(huán)境污染，不僅可強(qiáng)化酸解桑枝植物組織的催化水解特性，減小桑枝中異槲皮苷等黃酮類(lèi)活性成分的傳質(zhì)阻力，提高異槲皮苷溶浸效果，還能資源化利用剩余磷酸，節(jié)約應(yīng)用推廣成本。目前僅有趙莉娟（2017）將固體雜多酸應(yīng)用于紫蘇梗阿魏酸的浸提中，尚未見(jiàn)采用復(fù)合酸催化溶浸異槲皮苷的研究報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用均勻設(shè)計(jì)法優(yōu)化獲得水熱條件下磷鎢雜多酸復(fù)合酸催化溶浸桑枝異槲皮苷的適宜參數(shù)，解析適宜參數(shù)間的交互作用，結(jié)合桑枝異槲皮苷溶浸的動(dòng)力學(xué)，解析復(fù)合酸酸解效應(yīng)與桑枝異槲皮苷溶出的協(xié)同作用，為提高桑枝異槲皮苷提取率和桑資源高值利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

桑枝由重慶市北碚區(qū)桑蠶研究院提供，將新鮮桑枝置于60 ℃烘箱中干燥，經(jīng)高速粉碎機(jī)粉碎過(guò)80目篩后備用。二水鎢酸鈉（Na2WO4·2H2O）購(gòu)自成都科龍化工試劑廠，無(wú)水乙醇、乙腈和磷酸均購(gòu)自重慶川東化工（集團(tuán)）有限公司，異槲皮苷（≥98%）購(gòu)自成都德思特生物技術(shù)有限公司。主要儀器設(shè)備：KH-50水熱合成反應(yīng)釜（鄭州科達(dá)機(jī)械儀器設(shè)備有限公司），Agilent-1260高效液相色譜儀[安捷倫科技（中國(guó)）有限公司]，UV-1900型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)[翱藝儀器（上海）有限公司]，IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀（日本日立公司），SU1510掃描電鏡（日本日立公司），KC-1000高速粉碎機(jī)（北京開(kāi)創(chuàng)同和科技發(fā)展有限公司）。

1. 2 試驗(yàn)方法

1. 2. 1 復(fù)合酸制備 精確稱(chēng)取11.2250 g Na2WO4·2H2O，加入100 mL水溶解后，滴加至裝有100 mL 0.8 mol/L鹽酸溶液的燒杯中，均勻攪拌至黃綠色沉淀物生成完全，靜置2 h，過(guò)濾得黃綠色沉淀物，即為鎢酸（H2WO4）;將鎢酸少量多次加入裝有225、200、175、150、125、100和75 mL的0.12 mol/L磷酸溶液燒杯中，勻速攪拌至黃綠色固體溶解為無(wú)色澄清溶液，即制得磷鎢雜多酸與磷酸的復(fù)合酸液備用，其磷（P）摩爾質(zhì)量比分別為0.12∶1、0.14∶1、0.16∶1、0.19∶1、0.23∶1、0.31∶1和0.46∶1。

1. 2. 2 水熱條件下復(fù)合酸液酸催化水解桑枝 精確稱(chēng)取干燥桑枝粉0.5000 g，將其與60%乙醇溶液按體積比1∶30（g/mL）加入到50 mL高壓反應(yīng)釜中，分別加入0、50.64、101.28、151.92、202.56、253.20和303.84 mg復(fù)合酸，設(shè)反應(yīng)溫度為120、130、140、150、160、170和180 ℃，復(fù)合酸協(xié)同水熱反應(yīng)30、45、60、75、90、105和120 min后，抽濾、離心、定容后得桑枝浸提液。

1. 2. 3 桑枝異槲皮苷和多糖的分析測(cè)定

1. 2. 3. 1 異槲皮苷分析測(cè)定 采用高效液相色譜儀測(cè)定桑枝浸提液中異槲皮苷的質(zhì)量濃度。色譜條件為：色譜柱Aglient 5TC-C18（250 mm×4.6 mm，5 μm）;流動(dòng)相是體積比為20∶80的乙腈和0.5%磷酸溶液;進(jìn)樣量10 μL;柱溫25 ℃;流速1.0 mL/min;檢測(cè)波長(zhǎng)330 nm。選取異槲皮苷標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)量濃度梯度為0.022、0.044、0.066、0.110、0.154和0.220 mg/mL，以異槲皮苷質(zhì)量濃度（C1）為橫坐標(biāo)、色譜峰面積（A）為縱坐標(biāo)，繪制得異槲皮苷標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)A=11550C1（R2=0.9996）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算桑枝中異槲皮苷溶浸量（y1），計(jì)算公式如下：

y1=[C1×Vm] （1）

式中，C1為異槲皮苷質(zhì)量濃度（mg/mL），V為浸提液定容體積（mL），m為桑枝質(zhì)量（g）。

1. 2. 3. 2 多糖分析測(cè)定 采用苯酚硫酸法測(cè)定桑枝水解產(chǎn)物多糖產(chǎn)量。選取葡萄糖質(zhì)量濃度梯度為4.29、8.59、12.88、21.47、30.06和42.94 μg/mL，波長(zhǎng)為480 nm，以葡萄糖質(zhì)量濃度（C2）為橫坐標(biāo)、吸光值（A）為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)A=0.0689C2+0.0564（R2=0.9996）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算桑枝中多糖產(chǎn)量（y2），計(jì)算公式如下：

y2=[C2×V×Dm]×0.9 （2）

式中，C2為葡萄糖質(zhì)量濃度（mg/mL），D為樣品稀釋倍數(shù)，0.9為葡萄糖換算成葡聚糖的系數(shù)。

1. 2. 4 桑枝底物物相表征分析 采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）KBr壓片法，測(cè)量催化前后桑枝底物表面官能團(tuán)，測(cè)定波數(shù)為4500～500 cm-1;采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察桑枝表面形貌，工作電壓為15 kV，放大倍數(shù)為5000倍。

1. 2. 5 均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn) 以異槲皮苷溶浸量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取復(fù)合酸中P摩爾質(zhì)量比、復(fù)合酸投加量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間為考察因素，采用均勻設(shè)計(jì)表U7（74）設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，優(yōu)化復(fù)合酸催化溶浸桑枝異槲皮苷的工藝條件。均勻設(shè)計(jì)因素與水平見(jiàn)表1。

1. 3 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 20.0和VF 6.0分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建模型，計(jì)算獲得優(yōu)勢(shì)參數(shù)的理論值，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證獲得適宜參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2. 1 復(fù)合酸催化溶浸桑枝異槲皮苷的影響因素

2. 1. 1 復(fù)合酸投加量對(duì)溶浸桑枝異槲皮苷的影響

復(fù)合酸的酸催化作用主要由酸性質(zhì)子完成。由圖1可知，在反應(yīng)溫度160 ℃、催化反應(yīng)90 min的條件下，加入磷鎢雜多酸與磷酸的P摩爾質(zhì)量比為0.19∶1的復(fù)合酸0～303.84 mg，桑枝異槲皮苷溶浸量和多糖產(chǎn)量均隨復(fù)合酸投加量的增加而逐漸增加，當(dāng)復(fù)合酸投加量為303.84 mg時(shí)，桑枝異槲皮苷溶浸量和多糖產(chǎn)量均最高，分別為5.243 mg/g和0.390 g/g。因?yàn)樵黾訌?fù)合酸投加量，即增加了反應(yīng)體系中的酸性質(zhì)子，增強(qiáng)了雜多酸對(duì)糖苷鍵氧原子的穿透能力，促使纖維素中醇C-O鍵、半纖維素中-COO-鍵催化斷裂成低聚糖或單糖（Tian et al.，2011），進(jìn)而破壞植物細(xì)胞壁致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高異槲皮苷溶浸量;但復(fù)合酸投加量過(guò)多時(shí)，體系中多余的酸性質(zhì)子會(huì)將異槲皮苷的苷氧鍵水解生成槲皮素，降低異槲皮苷的溶浸量。故適度調(diào)控復(fù)合酸投加量，有利于木質(zhì)纖維解聚的同時(shí)可避免異槲皮苷水解。

2. 1. 2 反應(yīng)溫度對(duì)溶浸桑枝異槲皮苷的影響 雜多酸具有熱催化效應(yīng)（Mestl et al.，2001），升高溫度提供的反應(yīng)熱有利于提升雜多酸酸熱催化效應(yīng)。由圖2可知，加入P摩爾質(zhì)量比為0.19∶1的復(fù)合酸303.84 mg，在反應(yīng)溫度為120～180 ℃條件下反應(yīng)90 min，桑枝異槲皮苷溶浸量隨反應(yīng)溫度的升高呈先增加后減少的變化趨勢(shì);而多糖產(chǎn)量隨反應(yīng)溫度的升高持續(xù)增加。反應(yīng)溫度為160 ℃時(shí)，異槲皮苷溶浸量達(dá)最高值，為5.267 mg/g;之后隨反應(yīng)溫度的繼續(xù)升高，異槲皮苷溶浸量反而降低。這是因?yàn)樯邷囟?，酸性質(zhì)子動(dòng)能增加，其穿透性隨之增強(qiáng);植物表面細(xì)胞壁隨反應(yīng)體系熱的增加而逐漸軟化（Kawamoto et al.，2007），溶劑分子介電常數(shù)、表面張力和黏度則隨溫度升高反而降低（李杰等，2018）;三重作用加快異槲皮苷在溶劑和溶質(zhì)間擴(kuò)散速率及相界面上的傳質(zhì)速率，進(jìn)而提高異槲皮苷溶浸量。升高溫度雖可加速?gòu)?fù)合酸的酸催化水解聚木質(zhì)纖維，但同樣提升酸性質(zhì)子對(duì)異槲皮苷的水解作用，故出現(xiàn)異槲皮苷溶浸量隨反應(yīng)溫度的升高呈先增加后減少的現(xiàn)象。

2. 1. 3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)溶浸桑枝異槲皮苷的影響 由圖3可知，加入P摩爾質(zhì)量比為0.19∶1的復(fù)合酸303.84 mg，在160 ℃下反應(yīng)30～120 min時(shí)，桑枝異槲皮苷溶浸量和多糖產(chǎn)量均隨酸催化時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增加后趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為90 min時(shí)，異槲皮苷溶浸量和多糖產(chǎn)量均最高，分別為5.325 mg/g和0.389 g/g。究其原因是延長(zhǎng)酸催化時(shí)間可增加復(fù)合酸與桑枝植物組織的接觸概率，增大酸性質(zhì)子與桑枝中C-O基團(tuán)發(fā)生水解反應(yīng)，促進(jìn)桑枝植物組織水解，進(jìn)而提高異槲皮苷溶浸量和多糖產(chǎn)量。

2. 1. 4 復(fù)合酸中P摩爾質(zhì)量比對(duì)溶浸桑枝異槲皮苷的影響 水解主要依靠磷鎢雜多酸的Bromated酸性質(zhì)子和氧化還原電子。由圖4可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為160 ℃，催化反應(yīng)90 min，加入P摩爾質(zhì)量比為0.12∶1～0.46∶1的相同質(zhì)量復(fù)合酸液，桑枝異槲皮苷溶浸量和多糖產(chǎn)量均隨復(fù)合酸中P摩爾質(zhì)量比的增加呈先增加后趨于平緩的變化趨勢(shì)，當(dāng)P摩爾質(zhì)量比為0.23∶1時(shí)，桑枝異槲皮苷溶浸量最高，為5.411 mg/g，多糖產(chǎn)量為0.405 g/g。這是由于復(fù)合酸中磷鎢雜多酸W-O-W上橋氧原子Ob或Oc的電子云密度高于端氧原子Od，易質(zhì)子化為酸性中心（Kozhevnikov et al.，1994），改變復(fù)合酸中P摩爾質(zhì)量比可適度增加誘導(dǎo)W-O-W鍵的極化作用，促使Ob或Oc上負(fù)電荷向金屬原子W轉(zhuǎn)移而降低Ob或Oc上電子云密度，降低W-O-W鍵中Ob或Oc對(duì)酸性質(zhì)子的束縛能力（韓杰麗，2008）。加之乙醇體系有助于位于磷鎢雜多酸中Ob或Oc的H+去質(zhì)子化（向波等，2017），進(jìn)而增強(qiáng)Bromated酸性質(zhì)子穿透性，有利于桑枝植物組織水解，提高異槲皮苷溶浸量和多糖產(chǎn)量。

2. 2 復(fù)合酸催化溶浸桑枝異槲皮苷參數(shù)優(yōu)化及交互作用分析結(jié)果

2. 2. 1 模型構(gòu)建及顯著性分析結(jié)果 為獲得復(fù)合酸催化溶浸桑枝異槲皮苷的適宜條件，基于影響復(fù)合酸催化溶浸異槲皮苷的因素研究結(jié)果，將均勻設(shè)計(jì)法U7（74）（表1）所得試驗(yàn)結(jié)果（表2）采用SPSS 20.0“逐步、進(jìn)入”進(jìn)行計(jì)算，得到回歸方程：Y=-3.001+2.115×10-6C2D-0.087A2B+9.185×10-6ABCD-2.377×10-7

B2C。由表3可知，模型R=0.997，Adj-R2=0.981，且F=76.551>F（4，2）=19.3，P=0.013<0.05，表明回歸模型可用，復(fù)合酸中P摩爾質(zhì)量比、復(fù)合酸投加量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)桑枝異槲皮苷的溶浸有顯著影響（P<0.05）。

2. 2. 2 影響因素交互作用分析結(jié)果 由表4可知，影響桑枝異槲皮苷溶浸量的因素交互作用排序?yàn)椋篊2D（7.769）>A2B（-3.147）>ABCD（3.004）>B2C（-0.467），表明水熱反應(yīng)的酸體系中，反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)桑枝異槲皮苷溶浸影響極顯著（P<0.01），復(fù)合酸中P摩爾質(zhì)量比對(duì)桑枝異槲皮苷溶浸影響次之;異槲皮苷溶浸量與反應(yīng)溫度存在二次方和一次線(xiàn)性關(guān)系，與反應(yīng)時(shí)間存在一次線(xiàn)性關(guān)系，與P摩爾質(zhì)量比存在一次線(xiàn)性和二次方關(guān)系;表明桑枝異槲皮苷溶浸主要借助水熱反應(yīng)的物理作用及復(fù)合酸的酸催化效應(yīng)。將所得回歸方程代入VF 6.0，計(jì)算并篩選得出最佳溶浸參數(shù)，即復(fù)合酸中P摩爾質(zhì)量比0.42∶1，復(fù)合酸投加量327.55 mg，反應(yīng)溫度165 ℃，反應(yīng)時(shí)間100 min。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，0.5000 g桑枝3次平行試驗(yàn)取平均值，桑枝異槲皮苷的平均溶浸量為5.962 mg/g，是未投加復(fù)合酸浸提時(shí)異槲皮苷溶浸量（1.880 mg/g）的3.17倍，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）=1.03%，說(shuō)明所得適宜參數(shù)能滿(mǎn)足復(fù)合酸催化浸提桑枝異槲皮苷，即該模型可行。在該條件下，多糖產(chǎn)量為0.430 g/g，是未投加復(fù)合酸浸提時(shí)多糖產(chǎn)量（0.035 g/g）的12.29倍。

2. 3 復(fù)合酸催化效應(yīng)及異槲皮苷溶浸動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

2. 3. 1 桑枝殘?jiān)黃EM掃描觀察結(jié)果 如圖5所示，復(fù)合酸催化處理前桑枝原料結(jié)構(gòu)完整（圖5-A），經(jīng)復(fù)合酸催化處理后的桑枝底物表面植物組織濁蝕現(xiàn)象明顯，組織間孔隙變大，出現(xiàn)密集且不規(guī)整孔洞（圖5-B）。說(shuō)明復(fù)合酸發(fā)生穿透，并與桑枝纖維素、半纖維素和木質(zhì)素發(fā)生化學(xué)氧化作用，進(jìn)而水解植物組織。

2. 3. 2 桑枝底物FTIR測(cè)定分析結(jié)果 為進(jìn)一步解析復(fù)合酸酸解效應(yīng)，對(duì)比復(fù)合酸催化前后桑枝底物的FTIR測(cè)定結(jié)果（圖6）發(fā)現(xiàn)，經(jīng)復(fù)合酸催化處理的桑枝底物在1737、1510和1246 cm-1處特征峰明顯減弱，分別是半纖維素中乙?；蛱侨┧岬孽セ蠧-O伸縮振動(dòng)（李閆，2016）、木質(zhì)素芳香環(huán)上C=C的伸縮振動(dòng)和木質(zhì)素二芳基醚鍵C-O的伸縮振動(dòng)特征吸收峰（楊永安等，2013），說(shuō)明桑枝中木質(zhì)素的苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元及半纖維素的表面官能團(tuán)在復(fù)合酸催化作用下發(fā)生分解。在894 cm-1處明顯增強(qiáng)的是吡喃糖β型C-H變角振動(dòng)吸收峰（強(qiáng)丹丹，2016），1057 cm-1處減弱的是纖維素吡喃糖環(huán)所含的醇C-O伸縮振動(dòng)吸收峰，說(shuō)明纖維素和半纖維素糖苷鍵上的苷氧原子經(jīng)復(fù)合酸催化處理后發(fā)生斷裂，表明復(fù)合酸可酸化水解桑枝植物組織。

2. 3. 3 復(fù)合酸催化溶浸過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型 桑枝異槲皮苷溶浸過(guò)程其實(shí)質(zhì)為復(fù)合酸穿透及催化氧化、異槲皮苷擴(kuò)散及傳質(zhì)的過(guò)程（何春玫等，2018;王露等，2019）。采用Fick第二定律（式3）描述復(fù)合酸催化溶浸桑枝異槲皮苷過(guò)程：

ln[C∞C∞-C] =Kt+ln[π2C∞6（C∞-C）] （3）

式中，C∞為異槲皮苷平衡濃度（mg/g），C為t時(shí)刻浸提液中異槲皮苷質(zhì)量濃度（mg/g），K為溶浸速率常數(shù)（min-1）。

在優(yōu)化所得復(fù)合酸催化溶浸異槲皮苷的適宜條件下，建立不同反應(yīng)溫度下異槲皮苷溶浸量隨反應(yīng)時(shí)間的動(dòng)力學(xué)模型（圖7）。以ln[C∞/（C∞-C）]對(duì)反應(yīng)時(shí)間t作圖（圖8）并進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析（表5）。結(jié)合圖8和表5可知，不同反應(yīng)溫度下的ln[C∞/（C∞-C）]與反應(yīng)時(shí)間t的R2均在0.9200以上，表明各動(dòng)力學(xué)模型擬合度好，復(fù)合酸催化溶浸異槲皮苷符合一級(jí)傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程;由表5中平衡濃度C∞可知，當(dāng)反應(yīng)溫度一定時(shí)，桑枝異槲皮苷的溶浸量存在當(dāng)前溫度的最大值，且該值隨著溫度的升高而增大，在反應(yīng)溫度為165 ℃（438.15 K）時(shí)，異槲皮苷最大溶浸量為5.935 mg/g，與試驗(yàn)值（5.962 mg/g）相接近;而溶浸速率常數(shù)K隨溫度的升高而增大，進(jìn)一步揭示桑枝底物質(zhì)量一定時(shí)，在水熱反應(yīng)和復(fù)合酸催化的協(xié)同作用下，升高溫度可提高且加快桑枝異槲皮苷溶出。

3 討論

桑枝植物纖維組織致密結(jié)構(gòu)阻礙異槲皮苷等天然產(chǎn)物溶出及擴(kuò)散。將磷鎢雜多酸復(fù)合酸應(yīng)用到桑枝異槲皮苷的溶浸中，利用磷鎢雜多酸催化活性高、穿透性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、腐蝕性小等優(yōu)點(diǎn)，酸解破壞桑枝植物纖維組織的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。本研究結(jié)果表明，在復(fù)合酸水熱條件下催化水解桑枝植物組織溶浸異槲皮苷的過(guò)程中，桑枝表面濁蝕現(xiàn)象明顯，桑枝半纖維素中乙?；蛱侨┧岬孽セ蠧-O鍵、木質(zhì)素芳香環(huán)上的C=C雙鍵、C-O鍵和纖維素中醇C-O鍵發(fā)生氧化反應(yīng)，與楊永安等（2013）、李閆（2016）、強(qiáng)丹丹（2016）的研究結(jié)果一致，表明復(fù)合酸能有效穿透并打破植物纖維組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)，有利于桑枝異槲皮苷等活性成分溶出。

桑枝異槲皮苷受木質(zhì)纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)影響其傳質(zhì)，在復(fù)合酸水熱催化體系中，異槲皮苷的苷氧鍵可與體系中酸性質(zhì)子發(fā)生水解生成槲皮素。本研究結(jié)果表明，桑枝異槲皮苷溶出量減少的溫度參數(shù)為170 ℃。孫兵等（2008）、翟廣玉等（2009）用硫酸或鹽酸調(diào)節(jié)蘆丁中苷氧鍵水解生成槲皮素的pH均為2，說(shuō)明控制反應(yīng)體系pH大于2，可防止異槲皮苷水解。本研究發(fā)現(xiàn)，327.55 mg復(fù)合酸投入15 mL 60%乙醇溶液中，其pH為5～6，且未見(jiàn)槲皮素的峰面積，表明控制體系的復(fù)合酸投加量及反應(yīng)溫度，可促進(jìn)木質(zhì)纖維解聚、規(guī)避異槲皮苷水解。因此，利用均勻設(shè)計(jì)優(yōu)化獲得復(fù)合酸催化溶浸桑枝異槲皮苷的適宜參數(shù)，即復(fù)合酸中P摩爾質(zhì)量比為0.42∶1、復(fù)合酸投加量為327.55 mg、反應(yīng)溫度為165 ℃、反應(yīng)時(shí)間為100 min時(shí)，0.5000 g桑枝可溶浸異槲皮苷5.962 mg/g，多糖產(chǎn)量為0.430 g/g，分別是未投加復(fù)合酸溶浸時(shí)異槲皮苷溶浸量的3.17倍，多糖產(chǎn)量的12.29倍，明顯高于孫蓮等（2013）采用超聲波法提取獲得桑枝異槲皮苷的產(chǎn)量（52 μg/g）。解析各因素交互作用發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)桑枝異槲皮苷溶浸影響極顯著，復(fù)合酸中P摩爾質(zhì)量比對(duì)異槲皮苷溶浸影響次之，表明桑枝異槲皮苷提取過(guò)程中，復(fù)合酸提供的酸性質(zhì)子和氧化還原電子氧化作用于木質(zhì)素中C=C雙鍵和苯環(huán)之間的β-O-4鍵、半纖維素中己糖聚糖分子間的糖苷鍵及纖維素鏈上的β-1，4糖苷鍵，可解聚破壞木質(zhì)纖維組分。采用磷鎢雜多酸復(fù)合酸溶浸桑枝異槲皮苷技術(shù)可行，替代傳統(tǒng)鹽酸，提高天然產(chǎn)物提取量的同時(shí)有利于環(huán)境保護(hù)。

本研究采用Fick第二定律進(jìn)一步解析桑枝異槲皮苷溶浸復(fù)合酸催化作用，建立的不同溫度下動(dòng)力學(xué)模型R2>0.9200，表明異槲皮苷的溶出滿(mǎn)足一級(jí)動(dòng)力學(xué)，模型可用，與何春玫等（2018）報(bào)道的動(dòng)力學(xué)模型分析結(jié)果一致。分析平衡濃度C∞和溶浸速率常數(shù)K發(fā)現(xiàn)，隨溫度的升高，C∞和K均增大，說(shuō)明桑枝底物質(zhì)量一定時(shí)，在水熱反應(yīng)和復(fù)合酸催化的協(xié)同作用下，升高溫度可提高且加快桑枝異槲皮苷溶出。對(duì)比不同溫度下桑枝異槲皮苷溶浸的模型計(jì)算值（C∞）和實(shí)驗(yàn)值（C），發(fā)現(xiàn)異槲皮苷最大溶浸量為5.935 mg/g，與試驗(yàn)值（5.962 mg/g）相接近，表明可采用Fick第二定律建立溶浸模型，計(jì)算并預(yù)測(cè)一定溫度下的桑枝異槲皮苷最大溶浸量，提升桑資源高值利用。為進(jìn)一步提升桑資源高值利用，天然產(chǎn)物異槲皮苷的提制純化將作為下一步研究重點(diǎn)。

4 結(jié)論

磷鎢雜多酸復(fù)合酸有利于降解桑枝植物組織C=C和C-O，增大桑枝底物濁蝕程度。采用均勻設(shè)計(jì)法建立的數(shù)學(xué)模型顯著性好，模型可用。優(yōu)化獲得的復(fù)合酸催化溶浸桑枝異槲皮苷工藝具有可行性，提取工藝簡(jiǎn)單，且異槲皮苷提取率高，可為桑資源高值利用提供新途徑。

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（責(zé)任編輯 羅 麗）

收稿日期：2020-02-24

基金項(xiàng)目：重慶市科委應(yīng)用開(kāi)發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目（cstc2017shms-zdyfX0063）

作者簡(jiǎn)介：*為通訊作者，王星敏（1975-），博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物處置及資源化利用研究工作，E-mail：wang_chen@ tom.com。譚雙（1994-），研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)廢棄物處置及資源化利用，E-mail：547150247@qq.com