可切換溫度響應(yīng)離子液體-水體系同時(shí)萃取和原位富集山藥皮黃酮成分的研究

賈夢(mèng)凡,何怡琴,董少奇,魏 雨,陳姝敏,汪 雁

(安徽科技學(xué)院 生命與健康科學(xué)學(xué)院,安徽 鳳陽(yáng) 233100)

山藥作為潛在的功能性食品,在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量山藥皮,山藥皮約占山藥塊莖的20%,這不僅造成巨大的資源浪費(fèi),同時(shí)可能造成環(huán)境污染[1-2]。隨著山藥皮產(chǎn)量的不斷提高,其開(kāi)發(fā)利用引起了廣泛的關(guān)注。而大量研究表明山藥皮中含有多酚類(lèi)、黃酮類(lèi)、皂苷類(lèi)、多糖類(lèi)、萜類(lèi)等諸多活性成分[3-7]。因此,考慮到山藥皮作為廢棄物的潛在利用價(jià)值,研究山藥皮黃酮成分的提取工藝,對(duì)促進(jìn)山藥皮資源的有效利用具有重要意義。目前,山藥皮活性成分的提取方法主要有超聲波提取、超高壓提取、回流提取等。如鞠健等[8]采用超高壓輔助提取山藥皮總酚,在壓力200 MPa、乙醇體積分?jǐn)?shù)50%、料液比1∶50的條件下提取4 min,總酚提取率達(dá)到0.424%。涂寶軍等[9]采用超聲輔助提取山藥皮多酚,比傳統(tǒng)乙醇提取提高了12.7%。張莉會(huì)等[10]采用70%乙醇浸提山藥皮中的多酚、皂苷、黃酮等活性成分。迄今為止,提取山藥皮中活性成分仍主要采用具有較低選擇性的醇-水體系,其粗提物中還存在大量的非目標(biāo)化合物,如蛋白質(zhì)、多糖等,這一事實(shí)無(wú)疑增加了目標(biāo)成分的分離難度。與此同時(shí),其提取和分離往往是作為兩個(gè)獨(dú)立的程序,這可能需要許多步驟和有機(jī)溶劑。因此,如果能夠開(kāi)發(fā)出一種集成的、高效的、能從復(fù)雜基質(zhì)中同時(shí)萃取和原位分離目標(biāo)化合物的方法,將大大減少分離步驟和有機(jī)溶劑的使用。

基于此,如何將萃取溶劑從單相原位切換成兩相,是將萃取、分離步驟一體化的關(guān)鍵。溫度響應(yīng)型離子液體(TRIL)的出現(xiàn)及其應(yīng)用為這一目標(biāo)提供了新的方向。因?yàn)門(mén)RIL是一類(lèi)能夠?qū)囟却碳び许憫?yīng)的功能化離子液體。尤其是通過(guò)溫度調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)離子液體-水體系的相行為變化這一特性,在高于一定溫度下,TRIL可溶于水或極性有機(jī)試劑形成均相體系;而當(dāng)溫度降低時(shí),系統(tǒng)將從單相切換到兩相,從而實(shí)現(xiàn)原位分離的目的[11-13]。也就是說(shuō),僅僅通過(guò)溫度調(diào)控即可實(shí)現(xiàn)混合溶劑的相態(tài)變化[14]。因此,通過(guò)使用可切換的溫度響應(yīng)型疏水性離子液體(TRIL)-水混合物作為萃取溶劑,可以同時(shí)從復(fù)雜基質(zhì)中萃取和原位分離目標(biāo)化合物,實(shí)現(xiàn)“高溫均相萃取、低溫異相分離”的目的。而目前,有關(guān)溫度響應(yīng)型離子液體的相關(guān)報(bào)道主要集中在催化領(lǐng)域[12],對(duì)萃取分離領(lǐng)域的相關(guān)報(bào)道相對(duì)較少,尤其是在山藥皮活性成分的萃取分離方面還未見(jiàn)報(bào)道。如能以此類(lèi)溫度響應(yīng)型離子液體為契機(jī),將其和山藥皮活性成分的萃取分離這一領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)進(jìn)行相關(guān)研究則令人期盼。

基于以上背景,開(kāi)發(fā)一種可切換溫度響應(yīng)離子液體(TRIL)-水體系萃取并分離山藥皮黃酮成分的方法。加熱時(shí),TRIL-水作為均相萃取體系,對(duì)山藥皮活性成分進(jìn)行萃取;冷卻后,水相與離子液體相分離,親水性和親脂性化合物分別在水相和IL相中重新分配,從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)化合物的原位分離。本研究選擇具有代表性的可切換溫度響應(yīng)離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽()-水體系,用于山藥皮黃酮的萃取與富集分離,以證明該方法的可行性,分別考察了離子液體含量、萃取溫度、萃取時(shí)間對(duì)目標(biāo)化合物萃取效率的影響,旨在為山藥皮資源的合理利用提供新的技術(shù)路徑。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

山藥皮(當(dāng)?shù)爻?;1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(,>97%),亞硝酸鈉,硝酸鋁,氫氧化鈉(麥克林生化有限公司);槲皮素標(biāo)準(zhǔn)品(阿拉丁試劑有限公司)。

DF-101D型恒溫磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司);T6-1650E型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司);101-2AB型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司);FA2204B電子天平(上海精科天美科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 山藥皮的預(yù)處理 山藥皮,洗滌,放入烘箱干燥至恒重,粉碎過(guò)篩,收集20～40目樣品貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 TRIL-水體系萃取和原位分離目標(biāo)化合物試驗(yàn)方法 量取一定體積(3 mL)的-水(1∶1,V/V)溶液,加熱形成均相體系,稱(chēng)取一定質(zhì)量(0.15 g)的山藥皮粗粉置于TRIL-水溶液中,連續(xù)攪拌萃取,過(guò)濾,收集含有目標(biāo)成分的離子液體熱溶液,冷卻、靜置、分層,分別對(duì)兩相的黃酮分布情況進(jìn)行分析比較。同時(shí),在同條件下以成熟的溶劑體系(乙醇、50%乙醇、水)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)方法如圖1所示。

圖1 萃取和原位分離示意圖Fig.1 Schematic diagram of extraction and in situ separation

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制 分別取0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0 mL的80 mg/L槲皮素標(biāo)準(zhǔn)溶液于8支比色管中,分別加水稀釋至5 mL,加1 mL 5%亞硝酸鈉,振蕩搖勻,加1 mL 10%硝酸鋁,振蕩搖勻,加10 mL 4%氫氧化鈉,振蕩搖勻,定容至25 mL,搖勻,以空白溶液做參比,測(cè)定吸光度,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

1.2.4 關(guān)鍵因素考察 以TRIL-水體系為萃取介質(zhì),采用單因素試驗(yàn)研究離子液體含量、萃取溫度、時(shí)間等主要因素對(duì)黃酮萃取效率的影響,以槲皮素為對(duì)照品,采用Al(NO3)3-NaNO2比色法測(cè)定總黃酮含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)

以空白溶液做參比,測(cè)定其在波長(zhǎng)350 nm處有最大吸收,在最大波長(zhǎng)處測(cè)定不同濃度梯度槲皮素溶液的吸光度,繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)如圖2所示,曲線(xiàn)方程為y=0.104 43x+0.104 11,擬合度為R2=0.985 0。

圖2 槲皮素標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)Fig.2 The standard curve of quercetin

2.2 萃取溶劑對(duì)萃取效率的影響

為驗(yàn)證-水體系的可靠性,在相同提取條件下,比較-水體系在50 ℃下與各種傳統(tǒng)溶劑(乙醇、50%乙醇、水)提取的總黃酮提取率。如圖3所示,-水體系(1∶1,V/V)對(duì)黃酮的提取率高于其他溶劑的提取率,原因可能是該TRIL-水體系對(duì)植物細(xì)胞的破壞效應(yīng)在一定程度上增強(qiáng)了傳質(zhì)作用。此外,屬于離子液體型表面活性劑,在50 ℃條件下,-水體系(1∶1,V/V)中的濃度明顯高于其臨界膠束濃度,膠束的形成增加了親脂性化合物的溶解度[15]。而且,在該溫度下,在水中形成熱力學(xué)穩(wěn)定的均相體系,能夠同時(shí)提取親水性和親脂性成分,從而可以同時(shí)提取黃酮苷元與黃酮苷。因此,與-水體系相比,純IL和純水對(duì)黃酮的提取率均較低。此外,雖然50%乙醇對(duì)黃酮的提取率與-水體系的提取率相當(dāng),但50%乙醇提取后,還需要對(duì)目標(biāo)成分進(jìn)行下一步的分離,而-水體系僅通過(guò)溫度調(diào)控即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)化合物的原位分離。如圖1所示,黃酮幾乎全部富集于下相。

圖3 不同萃取溶劑對(duì)黃酮萃取率的影響Fig.3 Effects of different extraction solvents on the extraction rate of flavonoid

2.3 萃取溫度和時(shí)間對(duì)萃取效率的影響

萃取溫度與時(shí)間對(duì)萃取效率的影響不容忽視,為此,分別在25、40、50 ℃條件下進(jìn)行提取,結(jié)果如圖4所示。當(dāng)溫度從25 ℃增加至50 ℃,目標(biāo)化合物的提取率隨之增加,這可能是因?yàn)樵谳^高溫度下體系黏度降低,從而提高分子擴(kuò)散及傳質(zhì)速率。

圖4 萃取溫度和時(shí)間對(duì)黃酮萃取率的影響Fig.4 Effects of extraction temperature and time on the extraction rate of flavonoid

2.4 離子液體含量對(duì)萃取效率的影響

一般來(lái)說(shuō),親水性溶劑易于萃取親水性成分,親脂性溶劑易于萃取親脂性成分。-水體系是一種熱力學(xué)穩(wěn)定的均相體系,能夠同時(shí)提取親水性和親脂性成分,因此,其離子液體和水的含量會(huì)影響對(duì)目標(biāo)成分的萃取。為考察離子液體含量(VIL/VH2O)對(duì)黃酮提取率的影響,進(jìn)一步研究不同離子液體含量(2∶1、1.5∶1、1∶1、1∶1.5、1∶2),結(jié)果如圖5所示。當(dāng)含量由2∶1降低至1∶2,黃酮提取率先升高后降低?？芍?在離子液體含量較高時(shí),黃酮提取率偏低,這可能是因?yàn)楦唣ざ蕊@著限制了傳質(zhì)速率;而當(dāng)水含量過(guò)高時(shí),低溶解度也限制了提取率。因此,-水的體積比為1∶1時(shí)為最佳提取溶劑。

圖5 離子液體含量對(duì)黃酮萃取率的影響Fig.5 Effects of ionic liquid content on extraction rate of flavonoid

3 結(jié)論與討論

本研究以山藥皮粉末為原料,選取1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽()開(kāi)發(fā)了可切換溫度響應(yīng)離子液體(TRIL)-水系統(tǒng),用于萃取山藥皮黃酮類(lèi)化合物的萃取與富集。通過(guò)關(guān)鍵因素試驗(yàn)考察了離子液體含量、萃取溫度和時(shí)間對(duì)黃酮萃取效率的影響。

-水體系可通過(guò)溫度的調(diào)控,使目標(biāo)化合物富集在下層溶劑。而且-水體系對(duì)黃酮的萃取率高于純水和純IL對(duì)黃酮的萃取率。用50%乙醇對(duì)黃酮的萃取率與-水體系的萃取率相當(dāng),但需要對(duì)目標(biāo)化合有進(jìn)行下一步分離。隨著萃取時(shí)間和溫度的增加,目標(biāo)化合物的萃取率也隨之增加。同時(shí)離子液體含量由2∶1降至1∶2,黃酮的萃取率先升高后降低。-水體系體積為1∶1時(shí)萃取率優(yōu)于其他幾種體積比例。