槐米提取物去除水中Cu2+的最佳條件探究

厲詩(shī)嫻，周坤鵬，張遷文，周文宇，李婧

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江大慶 163319)

隨著我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，水體重金屬污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅到我國(guó)的衛(wèi)生安全[1-2]。對(duì)重金屬污染的治理已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)研究領(lǐng)域的重要課題。目前處理水體重金屬污染的方式有：化學(xué)沉淀法、電解法、離子交換法、膜分離法、生物法、吸附法等[3]。但上述方法均存在一定的不足，如物理沉淀法吸附劑消耗巨大；化學(xué)沉淀法雖試劑種類繁多，但價(jià)格昂貴；生物富集法易引起水體富營(yíng)養(yǎng)化、毒性化等二次污染。因此新型的、簡(jiǎn)易有效的水體重金屬去除材料或方法的開(kāi)發(fā)對(duì)推動(dòng)我國(guó)重金屬污染治理工程的發(fā)展具有重要意義。

近些年來(lái)，中藥產(chǎn)業(yè)崛起，在中藥加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物（包括殘莖、根須、根頭、破碎組織和碎屑粉渣等）[4]。目前常見(jiàn)的處理中藥廢棄物的方式有直接燃燒、肥料化、飼料化等，這些方式均未對(duì)中藥材進(jìn)行充分利用，因此中藥廢棄物的綜合開(kāi)發(fā)也成為中藥行業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn)[5]。中藥材提取物含有許多化學(xué)成分，如黃酮、生物堿、氨基酸、多糖等物質(zhì)。這些化學(xué)成分具有與金屬離子絡(luò)合的能力[3,6]。其中，黃酮類化合物與多種金屬離子形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且化學(xué)性質(zhì)惰性的配合物[7]。

本實(shí)驗(yàn)選取槐米這一種富含黃酮類化合物的中藥開(kāi)展去除重金屬能力研究。將槐米提取液與Cu2+這種常見(jiàn)的水污染金屬離子溶液混合，利用碘量法檢測(cè)槐米提取液對(duì)水體中Cu2+的去除效果，探討了中藥材提取條件、提取液與金屬離子反應(yīng)條件、藥物殘?jiān)啻卫眯Ч?/p>

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

槐米（熟槐米）產(chǎn)自我國(guó)山東省，顏色呈黃褐色。

乙醇，95%，遼寧泉瑞試劑有限公司；五水合硫酸銅、五水硫代硫酸鈉、硫氰化鉀、碘化鉀，天津市大茂化學(xué)試劑廠；鹽酸，37%，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；乙酸銨和可溶性淀粉，沈陽(yáng)市華東試劑廠；以上藥品與試劑均為分析純。

GZX-9240MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；JA2603B電子天平，上海精科天美公司；PS-40超聲波清洗機(jī)，東莞市潔康超聲波設(shè)備有限公司；D16-C高速冷凍離心機(jī)，德國(guó)Sartorius公司；HH-4恒溫?cái)?shù)顯水浴鍋，常州億通分析儀器制造有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

用蒸餾水與五水合硫酸銅配置成濃度為3.0 mmol/L的Cu2+溶液，作為Cu2+標(biāo)準(zhǔn)溶液備用。

稱取約1.6 g的Na2S2O3·5H2O，加入新煮沸并冷卻的去離子蒸餾水128 mL，先配置成50 mmol/L的Na2S2O3溶液，儲(chǔ)存于棕色試劑瓶中，在暗處放置3～5 d，備用。使用碘量法滴定之前，取一定量的50 mmol/L的Na2S2O3溶液，稀釋至濃度為2.0 mmol/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，用于滴定。

1.2.2 槐米處理

將槐米置于60 ℃的烘箱中烘至恒重，利用研缽研磨干燥后的槐米，過(guò)60目篩后備用。

1.2.3 碘量法檢測(cè)銅離子含量

碘量法原理：I-與Cu2+反應(yīng)生成碘單質(zhì)與碘化亞銅沉淀，利用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定生成的I2，以淀粉為指示劑，確定滴定終點(diǎn)。

反應(yīng)過(guò)程：在50 mL錐形瓶中裝入銅離子標(biāo)準(zhǔn)溶液（10 mL），加入槐米提取液（1 mL），反應(yīng)5 min后加入過(guò)量KI（0.1 g），待KI溶解后利用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定；待測(cè)液顏色呈淺黃色時(shí)加入0.1%淀粉溶液（1 mL）使待測(cè)液呈深藍(lán)色，繼續(xù)滴加Na2S2O3使待測(cè)液呈淺藍(lán)色；加入0.25 g/mL的KSCN（1.2 mL），溶液變藍(lán)，繼續(xù)滴加Na2S2O3至溶液呈現(xiàn)粉白色，滴定結(jié)束。

溶液Cu2+的去除率計(jì)算方法如式（1）所示：

式中，C1和C2分別表示銅離子標(biāo)準(zhǔn)溶液和Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；V1和V2分別表示銅離子標(biāo)椎溶液和Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定用量的體積，L。

1.2.4 槐米黃酮提取條件優(yōu)化

（1）提取溶劑。稱取1 g處理后的槐米（4份）置于50 mL離心管中，分別加入20 mL體積分?jǐn)?shù)為70%、50%、20%的乙醇溶液和蒸餾水，浸泡6 h，240 W超聲30 min。將超聲后的樣品在3 000 r/min、20 ℃的條件下離心10 min，上清液即為提取液。

（2）浸泡時(shí)間。稱取1 g處理后的槐米（4份）置于50 mL離心管中，加入20 mL蒸餾水，分別浸泡1 h、2 h、3 h、6 h，240 W超聲30 min。將超聲后的樣品在3 000 r/min、20 ℃的條件下離心10 min，上清液即為提取液。

（3）超聲時(shí)間。稱取1 g處理后的槐米（4份）置于50 mL離心管中，加入20 mL蒸餾水，浸泡6 h，240 W分別超聲0 min、10 min、20 min、30 min。將超聲后的樣品在3 000 r/min、20 ℃的條件下離心10 min，上清液即為提取液。

1.2.5 Cu2+去除條件優(yōu)化

（1）反應(yīng)溫度。將提取液與Cu2+溶液的混合溫度分別保持在20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，反應(yīng)5 min后按照1.2.3后續(xù)步驟操作。

（2）反應(yīng)時(shí)間。將提取液與Cu2+溶液的混合溫度保持在20 ℃，分別反應(yīng)0 min、5 min、10 min、20 min、30 min、60 min，按照1.2.3后續(xù)步驟操作。

（3）反應(yīng)狀態(tài)。將提取液與Cu2+溶液的混合溫度保持在20 ℃反應(yīng)5 min，期間分別靜置與攪拌，按照1.2.3后續(xù)步驟操作。

2 結(jié)果與分析

2.1 槐米有效成分提取

2.1.1 溶劑

水和乙醇是常用的提取溶劑，本實(shí)驗(yàn)采用多種濃度的乙醇溶液對(duì)槐米有效成分進(jìn)行提取。如圖1（A）所示，70%乙醇提取液對(duì)Cu2+的去除率為38.61%，隨著乙醇濃度的降低，去除率降低；當(dāng)提取溶劑為蒸餾水時(shí)，提取液對(duì)Cu2+的去除率達(dá)到最高，為47.08%。

圖1 槐米提取條件實(shí)驗(yàn)

槐米提取液中成分復(fù)雜，查閱文獻(xiàn)可知，高濃度乙醇溶液萃取出的黃酮類成分較多，因此隨著乙醇濃度的降低，萃取效果降低，對(duì)Cu2+的去除率隨之降低[8]。然而水提取液對(duì)Cu2+的去除率最高，分析原因可能是碘量法為顯色反應(yīng)，乙醇對(duì)顯色終點(diǎn)判斷有影響；同時(shí)，在黃酮類化合物與Cu2+形成配合物時(shí)，在乙醇溶液中有一定的溶解度，從而影響計(jì)算結(jié)果，而配合物在水中的溶解度非常小，因此表現(xiàn)為水提取液的Cu2+去除率最高，后續(xù)提取均使用蒸餾水為溶劑。

2.1.2 浸泡時(shí)間

一般來(lái)說(shuō)，浸取量與浸取時(shí)間成正比，即時(shí)間越長(zhǎng)越有利于有效成分溶出。如圖1（B）所示，隨著浸泡時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，提取液的Cu2+去除率升高，在浸泡6 h時(shí)Cu2+離子的去除率最高，達(dá)到50.79%。但浸取時(shí)間不能無(wú)限延長(zhǎng)，因?yàn)樗崛∫褐袪I(yíng)養(yǎng)成分豐富，在適宜條件下微生物大量生長(zhǎng)，導(dǎo)致提取液變質(zhì)。因此以浸泡6 h為最佳提取條件。

2.1.3 超聲時(shí)間

超聲波協(xié)助浸取是中藥提取中常見(jiàn)的手段，通常會(huì)提高藥材中有效成分的溶出效率。如圖1（C）所示，隨著超聲的時(shí)間增長(zhǎng)，提取液的Cu2+離子去除率增加，在超聲30 min時(shí)去除率達(dá)到47.35%。在實(shí)驗(yàn)中，更長(zhǎng)的超聲時(shí)間導(dǎo)致溶液溫度增高，且耗時(shí)、耗能，不僅可能影響中藥材的利用，還造成資源浪費(fèi)，因此以超聲30 min為優(yōu)選條件。

2.2 提取液與Cu2+反應(yīng)條件

反應(yīng)溫度、時(shí)長(zhǎng)、混合條件對(duì)槐米提取液去除Cu2+能力的影響，如圖2所示。

圖2 提取液與銅離子溶液反應(yīng)條件探索

從圖2（A）可知，隨著反應(yīng)溫度升高，提取液的Cu2+去除率下降。在溫度為20 ℃時(shí)，Cu2+離子的去除率最高，為49.99%。因此提取液與含Cu2+溶液反應(yīng)不需要額外提供能量，常溫即可。如圖2（B）所示，反應(yīng)時(shí)間對(duì)槐米提取液與Cu2+離子作用的影響趨勢(shì)不明顯，總體看反應(yīng)5 min時(shí)去除率最高，考慮到節(jié)省時(shí)間，優(yōu)選反應(yīng)5 min。如圖2（C）所示，兩種溶液混合后，靜置和機(jī)械攪拌對(duì)去除率影響不大，考慮到減少耗能，保證溶液充分混合即可。

綜合上述實(shí)驗(yàn)，考慮生產(chǎn)中的時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本等因素，槐米有效成分的提取條件為：在料液比1∶20和室溫條件下，以水為提取劑，浸泡6 h，240 W超聲30 min。提取液與Cu2+溶液在室溫、反應(yīng)5 min、混勻條件下即可達(dá)到較好去除效果。

2.3 槐米多次提取物去除銅離子能力

按照最優(yōu)提取條件對(duì)槐米進(jìn)行多次提取，檢驗(yàn)提取液去除Cu2+離子的能力，結(jié)果如圖3所示。槐米第一次提取物具有最高的Cu2+離子去除能力，隨著提取次數(shù)的增多，Cu2+離子去除能力逐漸降低。中藥材通常會(huì)提取三次，殘?jiān)礊樯a(chǎn)廢棄物，考慮到應(yīng)用成本，藥物殘?jiān)匀豢梢园l(fā)揮去除水體重金屬離子的作用。

圖3 槐米多次提取液去除重金屬能力

3 結(jié)論

中藥廢棄物、中藥殘?jiān)型ǔＨ院幸欢康幕钚猿煞郑瑸榱顺浞掷弥兴幉馁Y源，開(kāi)發(fā)其在水體重金屬去除方面的應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義，本實(shí)驗(yàn)以槐米作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)可以在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、耗能低、耗時(shí)少的條件下使用槐米提取液去除水體中的銅離子。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他中藥材的研究與應(yīng)用，同樣可以針對(duì)其他毒性較大的重金屬離子進(jìn)行去除能力探究。