白樺脂醇的連續(xù)提取工藝研究

馬博玉 于 濤

（東北鹽堿植被恢復(fù)與重建教育部重點實驗室/東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

白樺（Betula platyphylla Suk）是在黑龍江省分布廣泛的林木資源[1]，在采伐與加工中產(chǎn)生的樹皮、樹梢等利用程度很低[2]。白樺酯醇是羽扇烷類五環(huán)三萜化合物[3]，在白樺樹皮中含量較高，是目前合成白樺脂酸的主要原料。白樺脂酸是白樺脂醇的衍生物，基本無毒，具有較優(yōu)越的抗HIV-1 及抗腫瘤等生物活性[4-8]。白樺脂醇的提取可以應(yīng)用回流提取法[9]、超聲輔助提取法[10]、超臨界二氧化碳提取法[11]、亞臨界水提取法[12-13]。液泛連續(xù)提取法是目前回流提取法中一種較好的連續(xù)提取方法[14，15]，該法是利用加熱產(chǎn)生的提取溶劑蒸汽，來提高溶劑湍動及溶質(zhì)的溶解速率，進(jìn)而加快了提取速度。羅莎曼等[16]利用液泛提取設(shè)備進(jìn)行白樺脂醇提取，提取率高且時間短，但該提取設(shè)備存在一定的缺陷，即需要適時調(diào)節(jié)加熱功率，才能保證樺樹皮粉始終浸泡在提取溶劑中，且同時有部分提取溶劑流回蒸餾分離器。利用該設(shè)備進(jìn)行提取，若加熱調(diào)節(jié)不當(dāng)，會產(chǎn)生斷流，導(dǎo)致提取效率降低。另外利用該設(shè)備進(jìn)行提取時，存在安全隱患，若有固體物料堵塞隔板的孔隙，則會造成汽流不暢，壓強(qiáng)異常，設(shè)備可能會發(fā)生爆裂，不適于白樺脂醇的大規(guī)模提取。

本研究選用乙醇/碳酸鈉－水溶液為提取劑，利用安全性改進(jìn)的設(shè)備進(jìn)行白樺脂醇的液泛連續(xù)提取。本文通過試驗研究了提取時間、乙醇/碳酸鈉- 水溶液體積分?jǐn)?shù)對白樺脂醇提取得率及質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，確定了白樺脂醇液泛連續(xù)提取工藝條件，為實現(xiàn)白樺脂醇的工業(yè)化提取提供試驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

白樺樹皮：經(jīng)干燥、粉碎后過12 目篩和14 目篩，取兩篩之間的粉末（粉末的平均粒徑為1.5mm）備用。

1.2 主要儀器

液泛提取器（自制）；HA120-50-01 超臨界萃取裝置；AZ20500B 超聲波清洗器；Waters 高效液相色譜儀（2487 型紫外檢測器）。

1.3 實驗方法

1.3.1 連續(xù)提取方法

（1）改進(jìn)的液泛提取設(shè)備。在原有液泛提取設(shè)備[16]的基礎(chǔ)上，將篩板替換為液泛穩(wěn)定器，改進(jìn)的液泛提取設(shè)備示意圖如圖1，液泛穩(wěn)定器示意圖如圖2。

（2）白樺脂醇液泛連續(xù)提取原理。

將待提取物料和提取劑分別置于浸提器及蒸汽發(fā)生器中，降液管的旋塞關(guān)閉，加熱蒸汽發(fā)生器使提取劑沸騰，蒸汽經(jīng)溢流管，通過蒸汽罩上部的開孔進(jìn)入浸提器，冷凝為液體，進(jìn)行浸提，浸提液可由蒸汽罩下部的開孔進(jìn)入蒸汽罩中，當(dāng)浸提液的液面高度超過溢流管側(cè)口時，浸提液便通過溢流管側(cè)回流到蒸汽發(fā)生器。通過控制加熱溫度來調(diào)節(jié)蒸汽量，使浸提器中的液層沒過物料，并不斷產(chǎn)生回流液，借以實現(xiàn)連續(xù)提取。提取操作結(jié)束時，打開降液管的旋塞，可使浸提器中的液體全部流回蒸汽發(fā)生器中。該設(shè)備用液泛穩(wěn)定器替代篩板，不僅避免了因篩板阻塞而產(chǎn)生的安全隱患，同時也增加了浸提液對物料的浸泡時間。

選用乙醇/碳酸鈉- 水溶液為提取劑，用上述設(shè)備提取白樺脂醇，由于乙醇與水受熱共沸，共沸物中乙醇的體積分?jǐn)?shù)為95%左右，即相當(dāng)于以95%的乙醇為溶劑，浸提白樺樹皮，當(dāng)浸提液流回蒸汽發(fā)生器時，由于蒸汽發(fā)生器里的存有大量水，將浸提液稀釋，致使白樺脂醇沉淀析出，因而實現(xiàn)了白樺脂醇提取與純化同時進(jìn)行。

（3）工藝流程。

（4）連續(xù)提取操作要點。

稱取50.0g 白樺樹皮粉末，從原料進(jìn)口置于浸提器中，由液體進(jìn)口向蒸汽發(fā)生器中加入乙醇/碳酸鈉- 水溶液。加熱使浸提器中的浸提液沒過白樺樹皮粉末并保持回流，提取一定時間后，停止加熱，冷卻至室溫，從出料口放出液- 固混合物，過濾、水洗2 次，真空干燥后即得白樺樹皮提取物，稱重并測定其中白樺脂醇的含量，計算白樺脂醇的提取率。每組試驗重復(fù)3 次。

圖1 液泛提取設(shè)備示意圖

圖2 液泛穩(wěn)定器示意圖

1.3.2 白樺脂醇含量的測定

采用高效液相色譜法測定白樺脂醇的含量，方法見文獻(xiàn)[16]

（1）白樺樹皮中白樺脂醇含量的測定。

稱取1.00g 白樺樹皮粉，以100mL 乙醇為溶劑，進(jìn)行索氏回流提取24h，將提取液用乙醇定容至250mL，試驗重復(fù)3 次。按文獻(xiàn)[16]測定白樺脂醇質(zhì)量濃度（g/L）。計算白樺脂醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w1）方法見式（1）。測得白樺樹皮樣品中白樺脂醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（21.55%±0.80）%。

式中：w1- 白樺脂醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m1- 白樺樹皮質(zhì)量，g；C1-白樺脂醇質(zhì)量濃度，g/L；V1- 提取液體積，0.25L。

（2）提取物中白樺脂醇含量的測定。

精密稱取白樺樹皮提取物0.100g，乙醇定容至50mL，按文獻(xiàn)[16]測定白樺脂醇質(zhì)量濃度（g/L）。計算白樺脂醇提取率（w2）方法見式（2）。

式中：w2- 白樺脂醇提取率,%；m2- 白樺樹皮質(zhì)量，g；m1- 質(zhì)量m2的白樺樹皮提取物的質(zhì)量，g；m2- 提取物質(zhì)量，0.01g；C2-提取物中白樺脂醇質(zhì)量濃度，g/L；V2- 提取物溶液體積，0.05L；w1- 白樺樹皮中白樺脂醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，25.51%。

標(biāo)準(zhǔn)品及白樺樹皮提取物的HPLC 圖譜見圖3。

圖3 白樺脂醇標(biāo)準(zhǔn)品（a）、白樺樹皮提取物（b）的HPLC 譜圖Fig. 3 Chromatograms of a betulin standard sample（a）and white birch bark extract（b）

2 結(jié)果與討論

2.1 液泛連續(xù)提取條件的選擇

經(jīng)前期試驗，發(fā)現(xiàn)若使浸提器中的液體能夠沒過50g 白樺樹皮粉末，至少需要500mL 乙醇，即固液比至少為1:10（g:mL）。為保證試驗所選提取劑中的乙醇均多于500mL，故選擇固液比為1:20（gL:m），以確保有效提取。

根據(jù)白樺樹皮及白樺脂醇的特性[3][10]，選擇用5%碳酸鈉水溶液與乙醇混合，配成乙醇/碳酸鈉- 水溶液作為提取劑。

在固液比為1:20（gL:m）的條件下，初步探討乙醇/碳酸鈉-水溶液的體積分?jǐn)?shù)、提取時間對白樺脂醇的提取率和白樺脂醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對白樺脂醇提取的影響

提取時間為60min 下，分別探討乙醇/碳酸鈉- 水溶液的體積分?jǐn)?shù)為55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%時對白樺脂醇提取的影響。

試驗結(jié)果（圖4-a）表明，乙醇/碳酸鈉- 水溶液的體積分?jǐn)?shù)在55%～75%之間時，白樺脂醇的提取率變化不明顯，當(dāng)乙醇體積占比高于65%時，白樺脂醇的提取率隨著乙醇體積占比增加而降低，當(dāng)乙醇體積占比高于85%時，白樺脂醇的提取率明顯降低。這是因為乙醇體積占比較大時，在蒸汽發(fā)生器中液體的乙醇含量較高，白樺脂醇溶解度較大，不易析出，故提取率變低。從白樺脂醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（圖4-b）看，隨著乙醇體積占比增加，白樺樹皮提取物中白樺脂醇的含量逐漸升高，這是由于白樺樹皮中的軟木脂、酚酸類物質(zhì)等[3]溶于濃度較高乙醇而不析出，從而使提取物中的白樺脂醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。綜合考慮白樺脂醇的提取率和純度，選用乙醇/碳酸鈉- 水溶液的體積分?jǐn)?shù)為65%的提取劑進(jìn)行連續(xù)浸提較優(yōu)。

圖4 乙醇體積分?jǐn)?shù)對白樺脂醇提取的影響Fig. 4 Effects of ethanol concentration on the extraction yield of betulin

2.1.2 提取時間對白樺脂醇提取的影響

選用乙醇體積分?jǐn)?shù)為65%的提取劑進(jìn)行提取，試驗結(jié)果（圖5-a）表明，隨提取時間的延長白樺脂醇提取率逐漸增加，但提取時間超過75min 后，提取率的增加幅度變小，而白樺脂醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨時間延長而降低（圖5-b），這可能是因為提取時間達(dá)到一定時，白樺脂醇已接近提取完全時，延長提取時間，雜質(zhì)的溶出便增加了，從而導(dǎo)致白樺脂醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。因此，提取時間為75min 較合理。

a.提取時間/min

圖5 提取時間對白樺脂醇提取率的影響Fig. 5 Effects of extraction time on the extraction yield of betulin

2.2 不同提取方法的比較

分別采用本研究的液泛連續(xù)提取法和超聲波輔助提取法、超臨界CO2萃取法[10-11]提取白樺樹皮中的白樺脂醇，結(jié)果表明從白樺脂醇的收率和白樺脂醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)看，本研究提取法優(yōu)于其他各法（如下表），具有較優(yōu)越的工業(yè)化應(yīng)用前景。

不同提取方法的比較

3 結(jié)論

3.1 以乙醇/碳酸鈉－水溶液為提取劑，利用改進(jìn)的液泛連續(xù)提取法提取白樺脂醇，并確定了工藝條件：乙醇體積分?jǐn)?shù)為65%、提取時間為75 min。在此條件下提取白樺脂醇，白樺脂醇的提取率達(dá)到（90.39±1.23）%，白樺脂醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到（89.12±0.24）%。

3.2 與超聲波輔助提取法、超臨界流體萃取法相比，改進(jìn)的液泛連續(xù)提取法提取白樺脂醇，提取率高、產(chǎn)品純度高，且操作簡單，安全性好，具有潛在的工業(yè)化應(yīng)用前景。