大孔吸附樹(shù)脂純化右旋龍腦的工藝研究*

黃麗榮，龍 文，駱 衡

(1 貴州理工學(xué)院食品藥品制造工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003；2 貴州省中國(guó)科學(xué)院天然產(chǎn)物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550014)

天然龍腦指右旋龍腦比例大于95%的天然植物提取物，其廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、日化用品等方面，市場(chǎng)緊俏，被稱為“植物黃金”[1-3]。目前我國(guó)所產(chǎn)的右旋龍腦的主要來(lái)源是從植物龍腦樟中提取分離得到，由于受到種源、種植地域和精制技術(shù)的限制，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模較小，生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)落后，天然龍腦長(zhǎng)期處于供不應(yīng)求狀態(tài)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場(chǎng)的需求[4-5]。因此，建立一套操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)率更高生產(chǎn)工藝迫在眉睫。

目前，我國(guó)所產(chǎn)龍腦主要是從龍腦樟的枝葉中提取，其提取精制工藝主要為水蒸氣蒸餾法或水蒸氣蒸餾后晶析分離[3,6-9]。但晶析分離收率并不高(一般低于70%)[7,9]，母液中殘留的右旋龍腦較多，往往需要進(jìn)一步的分離純化才能滿足含量要求。大孔吸附樹(shù)脂是一種吸附性與篩分性分離原理相結(jié)合的分離材料，分離效果好，穩(wěn)定性好，安全、操作簡(jiǎn)便，可重復(fù)使用，生產(chǎn)成本低，在分離工程中應(yīng)用十分廣泛[10-11]。本研究擬采用單因素考察實(shí)驗(yàn)、正交實(shí)驗(yàn)研究D101大孔吸附樹(shù)脂純化右旋龍腦工藝，建立一套提純率高、成本低、對(duì)環(huán)境污染少的右旋龍腦的提純生產(chǎn)工藝，以期為天然龍腦的工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 材 料

1.1 試 劑

天然龍腦粗品(54.5%，為晶析分離右旋龍腦殘留的母液濃縮制成)，貴州浙商農(nóng)林科技有限公司；右旋龍腦標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(99.6%)，中國(guó)食物藥品檢定研究院；D-101大孔吸附樹(shù)脂，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；無(wú)水乙醇(分析純)，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；乙酸乙酯(分析純)，天津市富宇精細(xì)化工有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

TRACE 1310氣相色譜儀，寧波海曙恒隆實(shí)驗(yàn)器材有限公司；DK-98-II電子調(diào)溫萬(wàn)用電爐，天津市泰斯特儀器有限公司；WGL-230B電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；H20899電子分析天平，北京恒奧德儀器儀表有限公司；RE-2000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠。

2 方 法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

準(zhǔn)確稱取右旋龍腦標(biāo)準(zhǔn)品13.75 mg，用乙酸乙酯溶解定容，制成濃度為1.375 mg·mL-1，作為測(cè)定樣品的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2.2 氣相色譜條件

TR-5毛細(xì)管色譜柱，氫火焰離子檢測(cè)器(FID)，350 ℃，載氣溫度250 ℃，進(jìn)樣量5 μL，進(jìn)樣口溫度250 ℃，柱溫程序升溫50～250 ℃，初始溫度保持2 min后，先每分鐘升60 ℃，升至150 ℃后保持5 min，再每分鐘升60 ℃即可，升至250 ℃保持。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

準(zhǔn)確移取1.375 mg/mL的右旋龍腦標(biāo)準(zhǔn)溶液0.25，0.5，1，2，3和4 mL，乙酸乙酯定容至10 mL，配制成標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。按照“2.2”項(xiàng)色譜條件，分別吸取上述溶液進(jìn)樣5 μL，每一個(gè)濃度重復(fù)測(cè)定3次。以濃度c(mg/mL)為橫坐標(biāo)，峰面積A為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：A=6.209c+0.0284，R2=0.9998。

2.4 D-101大孔吸附樹(shù)脂的預(yù)處理

用5%的鹽酸水溶液浸泡D-101大孔吸附樹(shù)脂12 h，用大量水沖洗大孔吸附樹(shù)脂，直到流出液從酸性變?yōu)橹行裕辉儆?%的氫氧化鈉水溶液浸泡大孔吸附樹(shù)脂12 h，然后用大量水沖洗樹(shù)脂，直到流出液從堿性變?yōu)橹行?。用無(wú)水乙醇沖洗樹(shù)脂，直到流出液中加水(流出液：水=1：5)不再變渾濁，最后用水洗直到流出液無(wú)乙醇味，表明樹(shù)脂處理完畢。

2.5 D-101大孔吸附樹(shù)脂靜態(tài)吸附與解吸效果確定

稱取3份經(jīng)預(yù)處理的D-101樹(shù)脂1 g，分別置于100 mL的錐形瓶中。量取50 mL右旋龍腦重結(jié)晶母液濃縮液(以30%乙醇溶解)至各錐形瓶中，具塞后置于110 r/min在25 ℃恒溫?fù)u床下振蕩24 h。取出后抽濾，按照“2.2”項(xiàng)色譜條件，測(cè)定吸附后濾液中的右旋龍腦的含量，計(jì)算出吸附量。將抽濾過(guò)的樹(shù)脂用一定量的蒸餾水沖洗、抽濾干后，置于原來(lái)的錐形瓶中，分別加入40%、50%、60%、70%、80%乙醇，具塞后，放置于110 r/min在25 ℃恒溫?fù)u床中充分振蕩解吸24 h。過(guò)濾后檢測(cè)濾液中右旋龍腦含量，計(jì)算解吸量和解吸率。

2.6 D-101大孔吸附樹(shù)脂動(dòng)態(tài)分離純化右旋龍腦的單因素試驗(yàn)

以靜態(tài)吸附與解吸結(jié)果為基礎(chǔ)，依次進(jìn)行上樣質(zhì)量濃度、解吸液乙醇體積分?jǐn)?shù)、洗脫流速影響因素的單因素試驗(yàn)，分析各因素對(duì)D-101樹(shù)脂分離純化右旋龍腦的影響，并篩選較優(yōu)參數(shù)。

上樣質(zhì)量濃度單因素試驗(yàn)：固定好3根干凈層析柱，準(zhǔn)確加入40 mL預(yù)處理好的D-101樹(shù)脂。配制0.25、0.5、0.75 g/mL共3個(gè)質(zhì)量濃度梯度的樣液，按2 BV/h的上樣流速上樣，按1.0、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、……(BV)收集，達(dá)到泄漏點(diǎn)即停止上樣；靜置20 min后，用水洗2 BV除去雜質(zhì)。分別用5 BV 70%乙醇，以3 BV/h流速解吸，檢測(cè)并計(jì)算吸附率和解吸率。

解吸液乙醇體積分?jǐn)?shù)、洗脫流速等影響因素的單因素試驗(yàn)分別按上述操作進(jìn)行，并由前面單因素試驗(yàn)確定的水平作為后面單因素試驗(yàn)中使用的水平條件。

2.7 D-101大孔吸附樹(shù)脂動(dòng)態(tài)分離純化右旋龍腦的正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)。以右旋龍腦得率和純度為考察指標(biāo)，篩選最優(yōu)工藝技術(shù)參數(shù)。

得率及純度計(jì)算公式如下：

得率=吸附率×解吸率

2.8 最優(yōu)正交組合的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定每個(gè)因素的較優(yōu)水平，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)。根據(jù)右旋龍腦的收率和純度，綜合評(píng)價(jià)分離效果，判斷因素的影響程度。

3 結(jié)果與討論

3.1 D-101大孔吸附樹(shù)脂靜態(tài)吸附與解吸效果

D101型大孔吸附樹(shù)脂是苯乙烯型非極性共聚體，屬于非極性大孔吸附樹(shù)脂，適用范圍比較廣，對(duì)于非極性、弱極性有機(jī)化合物吸附能力強(qiáng)，適合用于分離純化揮發(fā)油類物質(zhì)[12]。D-101大孔吸附樹(shù)脂靜態(tài)吸附與解吸效果如表1所示。從表1可以看出，D-101大孔吸附樹(shù)脂在吸附量、解析量上較高，適合分離純化右旋龍腦。

表1 D-101大孔吸附樹(shù)脂靜態(tài)吸附與解吸效果

3.2 D-101大孔吸附樹(shù)脂動(dòng)態(tài)分離純化右旋龍腦的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 解吸液乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)分離效果的影響

解吸液乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)分離效果的影響試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由結(jié)果可知，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)到80%時(shí)，得率和純度均較高，因此選用80%乙醇洗脫較為適合。

表2 解吸液乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)分離效果的影響

3.2.2 洗脫流速對(duì)分離效果的影響

洗脫流速對(duì)分離效果的影響試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由結(jié)果可知，洗脫流速為3 BV/h時(shí)，右旋龍腦的得率和純度均比其它流速高，因此流速為3 BV/h左右比較合適。

表3 洗脫流速對(duì)分離效果的影響

3.2.3 上樣質(zhì)量濃度對(duì)分離效果的影響

上樣質(zhì)量濃度對(duì)分離效果的影響試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，當(dāng)龍腦上樣液質(zhì)量濃度為0.5 g/mL時(shí)，得率和純度值最優(yōu)，說(shuō)明上樣液質(zhì)量濃度為0.5 g/mL左右比較合適。

表4 上樣液質(zhì)量濃度對(duì)分離效果的影響

3.3 D-101大孔吸附樹(shù)脂動(dòng)態(tài)分離純化右旋龍腦的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)單因素的試驗(yàn)，確定了各個(gè)因素的最優(yōu)波動(dòng)范圍，設(shè)計(jì)3因素3水平的L9(33)正交試驗(yàn)，檢測(cè)3個(gè)因素對(duì)分離效果的影響。以洗脫劑乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、洗脫流速(B)、上樣液的質(zhì)量濃度(C)，列出正交實(shí)驗(yàn)水平因素表(見(jiàn)表5)和建立正交試驗(yàn)分組表(見(jiàn)表6)。以右旋龍腦的得率和純度為考察指標(biāo)，篩選最優(yōu)工藝技術(shù)參數(shù)。

表5 正交水平因素

表6 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表6

由表6可得知，洗脫劑濃度、洗脫流速、上樣液的質(zhì)量濃度這三個(gè)因素對(duì)右旋龍腦得率及純度的影響程度順序均為為：洗脫劑乙醇的體積分?jǐn)?shù)>洗脫流速>上樣液濃度，綜合三個(gè)因素對(duì)得率和純度的影響，最佳工藝確定為A2B3C3，即洗脫劑乙醇體積分?jǐn)?shù)為80%，洗脫流速為3.5 BV/h，上樣液濃度為0.55 g/mL。

3.4 最優(yōu)正交組合的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)中所得的最優(yōu)組合進(jìn)行3次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表7所示，GC結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，該工藝條件下，右旋龍腦的得率及純度均較高，GC圖上幾乎看不出雜質(zhì)峰，優(yōu)選的工藝條件適合分離純化右旋龍腦。

表7 正交實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 最佳工藝條件下右旋龍腦的氣相色譜圖

4 結(jié) 論

通過(guò)單因素考察實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，確立的D101大孔吸附樹(shù)脂純化重結(jié)晶母液中右旋龍腦最佳工藝條件為：洗脫劑乙醇體積分?jǐn)?shù)為80%，洗脫流速為3.5 BV/h，上樣液濃度為0.55 g/mL。在此條件下，右旋龍腦收率可達(dá)81.6%，純度為98.32%。

本研究建立的D101大孔吸附樹(shù)脂精制右旋龍腦方法，收率和純度較高，操作簡(jiǎn)便，成本低，污染小，適合工業(yè)化生產(chǎn)。