乙醇萃取法提取石榴皮單寧以及除藻研究

崔慶飛 劉諾晨 路 歌 高云霞

(河北建筑工程學(xué)院 市政與環(huán)境工程系，河北 張家口 075000)

0 引 言

藍(lán)藻水華是夏季湖泊、水庫等緩流水體最常見的水污染現(xiàn)象之一.由于水體中氮、磷元素的影響，造成了水體浮游藻類的大量生長，嚴(yán)重影響了水體的使用性[1-2].研究科學(xué)治理水華的工藝迫在眉睫.

除藻的方法大致分為物理除藻、化學(xué)除藻、生物控藻三種[3-4].物理除藻包括機(jī)械除藻、氣浮除藻、過濾除藻、遮光除藻、超聲波除藻和黏土除藻[5]等；化學(xué)除藻包括化學(xué)藥劑除藻、絮凝劑除藻和生物化學(xué)除藻；生物控藻包括水生生物控藻和微生物控藻.物理、化學(xué)法只是應(yīng)急處理措施，長久使用成本較高，且有二次污染的風(fēng)險.生物法可以長期有效，但是局限性很大[6].目前，國內(nèi)外以生物化學(xué)法除藻和生物控藻為研究方向[7-8].

生物化學(xué)法是從高等植物中提取有效成分，使其作為水處理劑來使用.本實(shí)驗(yàn)采用生物化學(xué)的方法，提取單寧的方法有很多，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模的首選溶劑萃取法.選用石榴皮作為實(shí)驗(yàn)材料，用乙醇溶液作為萃取劑，提取其中的單寧酸以及絮凝除藻.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)提取所用的材料石榴皮是安徽亳州的.將收集到的石榴皮曬干，粉碎，過70目的分樣篩，將收集到的粉末用恒溫烘干箱烘干保留.實(shí)驗(yàn)所用的藻類是從中國科學(xué)院水生生物研究所選購的藻種編號FACHB-905的銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)，該藻種是1998年昆明滇池中分離出來保存的，銅綠微囊藻是夏季藍(lán)藻水華典型的優(yōu)勢藻種.藻種的擴(kuò)大培養(yǎng)選用的BG11培養(yǎng)基，培養(yǎng)條件參照藻種庫所推薦的：培養(yǎng)溫度25 ℃，光照強(qiáng)度2000 lux 2M，光暗比12 h：12 h.實(shí)驗(yàn)藻種在此條件下培養(yǎng)4～6天，避免培養(yǎng)時間過長出現(xiàn)大量褐色死藻[9].

使用的藥劑有無水乙醇，硫酸亞鐵，磷酸二氫鉀，氫氧化鈉，標(biāo)準(zhǔn)單寧酸，氯化鈉，酒石酸鉀鈉，丙酮，BG11培養(yǎng)液.主要儀器有紫外分光光度計(jì)，砂芯抽濾裝置，離心機(jī)，生化培養(yǎng)箱等.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取5 g的石榴皮粉末，放入100 mL的萃取劑中.考慮到萃取的影響因素較多，為了實(shí)驗(yàn)方便，采取正交實(shí)驗(yàn)的方法，選取多組具有代表性的實(shí)驗(yàn)組來完成.正交設(shè)計(jì)表如下：

表1 正交實(shí)驗(yàn)的因素和水平

經(jīng)萃取后過濾，留存濾液并用同濃度的萃取劑沖洗殘?jiān)a(bǔ)充濾液至100 mL.使用酒石酸亞鐵比色法來檢測萃取的單寧酸含量[10].用提取液按一定比例來做藻類的絮凝實(shí)驗(yàn).配制酒石酸亞鐵溶液和pH值為7.4的磷酸鹽緩沖液，用于單寧酸量的檢測.將培養(yǎng)的藻類以7000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，將藻細(xì)胞用蒸餾水配制成溶液，在紫外分光光度計(jì)680 nm處測其吸光度為0.100.加入一定量的提取液于定量的藻溶液中，絮凝沉淀約8 h，測其上清液中葉綠素a的含量來分析去除效果.

1.3 檢測方法

單寧酸的測定用酒石酸亞鐵比色法：繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，不同濃度標(biāo)準(zhǔn)單寧酸溶液分別加入酒石酸亞鐵試劑和pH為7.4的磷酸鹽緩沖液，混合搖勻呈現(xiàn)紫黑色.測定其吸光度.標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性回歸方程為c=0.5219A-0.018 R2=0.9997(c為溶液單寧酸的濃度，A為溶液吸光度).待測樣品的單寧酸含量用上述方法測定.

葉綠素a的測定采用HJ 897-2017分光光度法：將待測樣品用濾膜過濾截留藻類，研磨破碎藻細(xì)胞，用丙酮溶液提取葉綠素，3500 r/min離心后分別于750 nm、664 nm、647 nm、和630 nm波長處測定提取液吸光度，待測樣品的葉綠素a濃度根據(jù)下列公式計(jì)算：

c=11.85×(A664-A750)-1.54×(A647-A750)-0.08×(A630-A750)

式中：c為葉綠素a的濃度(mg/L)，A750、A664、A647、A630分別為檢測樣在750 nm、664 nm、647 nm、630 nm波長處的吸光度.

除藻的效果以葉綠素a的含量來反應(yīng)，去除率的計(jì)算公式為：

(1)

式中：η為單寧酸對銅綠微囊藻的去除率，c為加入單寧酸后葉綠素a的濃度(mg/L)，c0為對照組葉綠素a的濃度(mg/L).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單寧酸提取正交實(shí)驗(yàn)

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

為保證正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，正交實(shí)驗(yàn)重復(fù)做了四次.從正交表中的極差分析可以看出，三種因素對單寧酸提取的影響主要順序是A>C>B，即乙醇的濃度(%)>萃取溫度(℃)>萃取時間(h).溶劑萃取法提取工藝的最佳組合條件為A2B1C3，即乙醇濃度為50%、萃取時間2 h、萃取溫度60 ℃.該組合在正交表中實(shí)驗(yàn)號4的位置，對比表中其他數(shù)據(jù)，該種組合下的提取率是最大的，單寧酸含量為19.0%.

2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)正交表得出的組合再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合之前的四次實(shí)驗(yàn)的四組數(shù)據(jù)分析

表3 實(shí)驗(yàn)最佳組合數(shù)據(jù)分析

根據(jù)四次正交實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)共五組數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表3所示，最佳組合條件下，乙醇溶劑萃取法所提取的單寧酸含量為18.96%、19.12%、19.07%、18.84%、19.04%，平均提取率為19.01%.實(shí)驗(yàn)分析SD=0.098，RSD%=0.52%(N=5).由此數(shù)據(jù)可看出，相同條件下每次提取所得的含量波動不大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確.正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠.

對比H.-Q.Wang等學(xué)者[11]研究的丙酮萃取法提取石榴皮中的單寧酸含量為22.2%，乙醇萃取法的萃取效果欠佳.以丙酮和乙醇為萃取劑以最佳條件多次提取單寧酸[12]：(丙酮萃取條件為丙酮濃度為70%，萃取時間為3 h，萃取溫度設(shè)置為60 ℃).

表4 石榴皮單寧含量

由表4可以看出該種石榴皮中單寧酸的含量約為25.45%～26.58%左右.

2.3 除藻實(shí)驗(yàn)

除藻實(shí)驗(yàn)所用的單寧酸溶液來源于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中的第五組，單寧酸含量19.04%，萃取液濃度為9.52 g/L.同時用化學(xué)試劑標(biāo)準(zhǔn)單寧酸來配制相同濃度的對照液來進(jìn)行除藻實(shí)驗(yàn)的研究.

取在吸光度在680 nm處為0.100的藻液49 mL放置于小燒杯中，將單寧酸萃取液和標(biāo)準(zhǔn)液按照倍數(shù)稀釋成0.2 g/L、1 g/L、2 g/L、3 g/L、4 g/L、5 g/L、6 g/L的工作液，分別取1 mL加入燒杯中混勻靜置，實(shí)驗(yàn)設(shè)置三組平行組，時間為8 h左右，測其上清液中的葉綠素a的濃度，計(jì)算其去除率.

圖1 不同投加量下的除藻效果對比

從圖1中可看出，單寧酸萃取液的投加量在4 mg時去除率已經(jīng)達(dá)到98.52%，相同投加量下的單寧酸標(biāo)準(zhǔn)液去除率為96.49%，已經(jīng)達(dá)到去除效果.石榴皮單寧酸萃取液和單寧酸標(biāo)準(zhǔn)液在去除率趨勢上是一致的，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)萃取液的去除率都略微優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)液，可能是在萃取過程中溶入了石榴皮中的其它活性成分，對藻類同樣有絮凝沉淀的作用，而兩種工作液的去除率區(qū)別不大，可能是其它活性成分的作用效果不佳或者是成分含量極少的緣故，例如多糖、多酚、酮類等[13].

3 結(jié) 論

(1)通過正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知，乙醇溶液萃取石榴皮單寧酸的影響因素程度大小為濃度>溫度>時間，該方法下的最佳萃取條件為乙醇濃度為50%、萃取時間2 h、萃取溫度60 ℃；該條件下的萃取含量約為19.0%.

(2)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果為該工藝的平均提取率為19.01%.實(shí)驗(yàn)分析SD=0.098，RSD%=0.52%(N=5).經(jīng)多次重復(fù)提取，實(shí)驗(yàn)材料所用的石榴皮單寧酸含量在25.45%～26.58%左右.

(3)根據(jù)除藻實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，濃度為4 g/L的單寧酸萃取液1 mL可以作用于50 mL的藻類水樣，去除率為98.52%.標(biāo)準(zhǔn)單寧酸4 mg可以作用于50 mL的藻類水樣，去除率為96.49%.

4 展 望

含有單寧酸的大多為樹皮和果實(shí)的外皮[14-15]，原料廉價易得.植物單寧除了可以作為絮凝劑之外，還可以做阻垢劑、抗氧化劑、抑菌劑等等[16].

單寧酸易溶于丙酮、乙醇和乙酸乙酯等有機(jī)溶劑中，對比這幾種常見的有機(jī)溶劑可發(fā)現(xiàn)，在價格方面乙酸乙酯>乙醇>丙酮，萃取效率乙酸乙酯>丙酮>乙醇[17]，萃取劑損失率乙醇>乙酸乙酯>丙酮，循環(huán)回收率乙醇>丙酮>乙酸乙酯.綜合上述因素分析，價格方面乙酸乙酯的使用成本是丙酮的兩倍左右，雖然萃取效率最高，但是應(yīng)用于工業(yè)化并不合適，并且萃取的效果與其他兩個萃取劑相差不是太多；而考慮到萃取到的單寧酸將作為絮凝劑來使用，并不提倡具有毒性的丙酮來提取，同時相同條件下，乙醇作為萃取劑，蒸發(fā)損失率最低，且易于回收重復(fù)利用，是工業(yè)化提取植物單寧酸的首選萃取劑.