雙脫甲氧基姜黃素結(jié)晶熱力學(xué)及結(jié)晶過程研究

賀海波 彭靜維 范麗鵬 齊立軍 高偉 武耐英

摘要：采用動態(tài)法測定了278.15～323.15 K范圍內(nèi)雙脫甲氧基姜黃素晶體在不同濃度乙醇中的溶解度，并用修正的Apelblat方程對溶解度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。使用Van't Hoff方程計算雙脫甲氧基姜黃素晶體在不同濃度乙醇中溶解吉布斯自由能ΔG、溶解焓ΔH和溶解熵ΔS，并在90%乙醇中進(jìn)行了降溫結(jié)晶實(shí)驗。結(jié)果表明，雙脫甲氧基姜黃素在不同濃度乙醇中的溶解度隨溫度的升高而明顯增加，修正的Apelblat方程擬合效果良好。使用90%乙醇作為溶劑的降溫結(jié)晶得到的產(chǎn)品純度在92%左右，收率大于70%。

關(guān)鍵詞：雙脫甲氧基姜黃素；溶解度；熱力學(xué)；降溫結(jié)晶

中圖分類號：TS201.7????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號：1000-9973（2023）12-0176-04

Investigation on Crystallization Thermodynamics and

Crystallization Process of Bisdemethoxycurcumin

HE Hai-bo1， PENG Jing-wei2， FAN Li-peng2， QI Li-jun2，3，

GAO Wei2，3， WU Nai-ying1*

（1.School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Engineering， Handan 056038，

China; 2.Chenguang Biotech Group Co.， Ltd.， Handan 057250， China; 3.Key Laboratory of

Plant Resources Comprehensive Utilization in Hebei Province， Handan 057250， China）

Abstract： The solubility of bisdemethoxycurcumin crystals in different concentrations of ethanol at 278.15～323.15 K is determined by dynamic method， and the modified Apelblat equation is used to fit the solubility data. The solution Gibbs free energy ΔG， solution enthalpy ΔH and solution entropy ΔS of bisdemethoxycurcumin crystals in different concentrations of ethanol are calculated using Van't Hoff equation， and the cooling crystallization experiment is carried out in 90% ethanol. The results show that the solubility of bisdemethoxycurcumin in different concentrations of ethanol increases significantly with the increase of temperature. The modified Apelblat equation fits well. The purity of the product obtained by cooling crystallization with 90% ethanol as the solvent is about 92%， and the yield is more than 70%.

Key words： bisdemethoxycurcumin; solubility; thermodynamics; cooling crystallization

姜黃素類化合物是從姜黃根莖中提取到的一種天然色素，目前姜黃素類化合物是世界上銷量最高的天然食用色素之一。姜黃素類化合物可以作為食品添加劑，除此之外，研究發(fā)現(xiàn)姜黃素類化合物在抗菌、抗腫瘤、抗炎、抗氧化、降血脂、護(hù)肝等方面均具有獨(dú)特的生理活性[1-6]。鑒于其明確的功效和政策許可，以姜黃素為主要原料或配料的保健產(chǎn)品、食品、化妝品等市場均有較大發(fā)展空間[7]。

姜黃素類化合物主要有效成分為姜黃素、脫甲氧基姜黃素、雙脫甲氧基姜黃素，分子結(jié)構(gòu)見圖1。

到目前為止，很多研究都集中在姜黃素的研究上。盡管姜黃素能促進(jìn)人體健康，但其穩(wěn)定性差，在水中的溶解度低，生物利用度差，在光照和氧化條件下易降解[8]。因此，其他類姜黃素物質(zhì)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。有研究者指出，其他類姜黃素具有比姜黃素更高的生物活性，比如，它們對姜黃素的抗炎特性有協(xié)同作用。雙脫甲氧基姜黃素是姜黃素的雙去甲氧基衍生物，具有比姜黃素更好的穩(wěn)定性、抗氧化和抗腫瘤活性[9-10]。但由于難以獲得質(zhì)量較大、純度較高的雙脫甲氧基姜黃素，因此其理化性質(zhì)的研究較少。

前人對姜黃素類化合物的純化分離研究主要是利用色譜手段分離姜黃素類化合物，例如，柱色譜法[11-12]、半制備型高效液相色譜法[13]、高速逆流色譜法[14]、制備型超臨界流體色譜法[15]和結(jié)晶法[16]。其中，色譜類方法流動相消耗溶劑量大，固定相可重復(fù)利用率低，處理量有限。結(jié)晶法是化工行業(yè)生產(chǎn)中最重要的分離純化技術(shù)之一，具有操作能耗低、設(shè)備要求簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文選擇結(jié)晶法用于分離純化。

本文測定了雙脫甲氧基姜黃素在不同濃度乙醇中的溶解度，并對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合關(guān)聯(lián)。此外，確定了結(jié)晶過程中的熱力學(xué)性質(zhì)，并進(jìn)行結(jié)晶過程研究。以低含量姜黃素作為原料，通過結(jié)晶操作提升晶體的純度，得到了較高純度的雙脫甲氧基姜黃素晶體。本研究將為雙脫甲氧基姜黃素工業(yè)結(jié)晶生產(chǎn)提供指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗材料和儀器

低含量姜黃素（純度67.04%）：晨光生物科技集團(tuán)股份有限公司；無水乙醇（分析純）：天津市博華通化工產(chǎn)品銷售中心；雙脫甲氧基姜黃素（純度＞98%）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；純水：實(shí)驗室自制。

電子分析天平（精度為 0.000 01 g） 島津菲律賓工廠；50 mL結(jié)晶器、250 mL結(jié)晶器 鄭州市金水區(qū)欣瑞玻璃器皿經(jīng)營部；酒精計 武強(qiáng)縣億達(dá)儀表廠；LCD數(shù)顯加熱型圓盤磁力攪拌器 大龍興創(chuàng)實(shí)驗儀器（北京）有限公司；AM110W-O電動恒速攪拌機(jī) 上海昂尼儀器儀表有限公司；陶瓷布氏漏斗 上海壘固儀器有限公司；循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；CF41型制冷循環(huán)器 上海科興儀器有限公司；Waters e2695 HPLC高效液相色譜儀 沃特世科技（上海）有限公司；偏光顯微鏡 上海普丹光學(xué)儀器有限公司。

1.2 溶解度測定方法

利用動態(tài)法[17]測定雙脫甲氧基姜黃素在不同濃度乙醇中的溶解度，溫度范圍控制在278.15～323.15 K，加入一定量的溶劑至50 mL結(jié)晶器中，設(shè)置攪拌速率為200 r/min，溫度以6 K/h升高，緩慢加入少量溶質(zhì)，待溶質(zhì)攪拌溶解后，記錄此時加入溶質(zhì)的量，即得到此溫度下雙脫甲氧基姜黃素產(chǎn)品的溶解度，用mg/mL表示。

1.3 溶解度模型擬合

本文使用修正的Apelblat方程對雙脫甲氧基姜黃素溶解度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，Apelblat方程常用來擬合溶解度隨溫度升高的變化，其方程所需參數(shù)少，簡單方便。修正的Apelblat方程表達(dá)式為：

lnx=A+BT+ClnT。

式中：x為雙脫甲氧基姜黃素晶體的溶解度（摩爾分?jǐn)?shù)）；A、B、C為模型參數(shù)；T為熱力學(xué)溫度，K。

1.4 熱力學(xué)性質(zhì)計算

溶解熱力學(xué)性質(zhì)分析使用Van't Hoff方程進(jìn)行計算，得到溶解熱力學(xué)數(shù)據(jù)：溶解吉布斯自由能ΔG、溶解焓ΔH和溶解熵ΔS，Van't Hoff方程如下所示：

lnx=－ΔHRT+ΔSR。

式中：x為雙脫甲氧基姜黃素晶體的溶解度（摩爾分?jǐn)?shù)）；R為氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；T為熱力學(xué)溫度，K。

由此計算得到ΔH、ΔS，再由如下公式求得ΔG。

ΔG=ΔH－TΔS。

1.5 溶解度數(shù)據(jù)擬合

溶解度擬合結(jié)果使用相對誤差（RD）和平均相對誤差（ARD）評價，其相對誤差和平均相對誤差公式如下所示：

RD=|xexp－xcal|xexp。

ARD=1N∑ii=1|xexp，i－xcal，i|xexp，i。

式中：xexp為實(shí)驗溶解度（摩爾分?jǐn)?shù)）；xcal為計算溶解度（摩爾分?jǐn)?shù)）；N為實(shí)驗點(diǎn)的總數(shù)；i為每個實(shí)驗點(diǎn)。

1.6 結(jié)晶條件實(shí)驗

使用低含量姜黃素，確定選用90%乙醇進(jìn)行結(jié)晶條件實(shí)驗，以料液比、溫度、時間為條件，進(jìn)行結(jié)晶提純實(shí)驗，以提升純度和收率為導(dǎo)向，確定合適的結(jié)晶操作條件。具體操作步驟：將原料加入90%乙醇中75 ℃高溫溶解，攪拌1 h保證溶解完全，之后以一定降溫速率進(jìn)行降溫結(jié)晶，過濾烘干得到產(chǎn)品，稱取產(chǎn)品的質(zhì)量，后續(xù)進(jìn)行產(chǎn)品含量的測定。

1.7 產(chǎn)品含量檢測

本文使用高效液相色譜法檢測產(chǎn)品的純度。產(chǎn)品含量的測定依據(jù)文獻(xiàn)[18-19]修改后的HPLC法（Waters e2695 HPLC）進(jìn)行測定。色譜條件：系統(tǒng)配備C18柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）；色譜柱溫度為40 ℃；流動相為乙腈∶0.5%冰醋酸（45∶55）；檢測波長為430 nm；進(jìn)樣量為5 μL；保留時間為18 min。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果與討論

2.1 溶解度測定結(jié)果

雙脫甲氧基姜黃素在不同溫度、不同濃度乙醇中的溶解度見圖2。

由圖2可知，隨著溫度的升高，雙脫甲氧基姜黃素在90%乙醇、80%乙醇、70%乙醇中的溶解度均不斷增加。觀察溶解度趨勢可直觀發(fā)現(xiàn)其在高溫時溶解度很大，低溫時溶解度很小，在90%乙醇中的結(jié)果最明顯，且不存在拐點(diǎn)。

2.2 溶解度數(shù)據(jù)擬合

對實(shí)驗溶解度數(shù)據(jù)使用修正的Apelblat方程擬合關(guān)聯(lián)，得到模型參數(shù)、模型計算值、相對誤差（RD）、平均相對誤差（ARD），見表1。

由表2可知，對雙脫甲氧基姜黃素在不同濃度乙醇中的溶解度進(jìn)行擬合，修正的Apelblat方程擬合效果良好，擬合后的R2分別為0.999 08，0.972 08，0.989 75，表明修正的Apelblat方程能較好地關(guān)聯(lián)雙脫甲氧基姜黃素在不同濃度乙醇中的溶解度。

修正的Apelblat方程關(guān)聯(lián)曲線見圖3。

2.3 結(jié)晶熱力學(xué)性質(zhì)

對結(jié)晶熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，可由Van't Hoff方程求得雙脫甲氧基姜黃素的熱力學(xué)參數(shù)：溶解吉布斯自由能ΔG、溶解焓ΔH和溶解熵ΔS，見表3。

由表3可知，ΔH＞0，全為正值，表明雙脫甲氧基姜黃素的溶解過程是一個吸熱過程；ΔS＞0，全為正值，表明雙脫甲氧基姜黃素的溶解過程是一個熵增過程；ΔG＞0，全為正值，表明雙脫甲氧基姜黃素的溶解過程是非自發(fā)過程。

2.4 結(jié)晶過程研究

雙脫甲氧基姜黃素在90%乙醇中的溶解度隨溫度升高的變化較大，在278.15～323.15 K范圍內(nèi)雙脫甲氧基姜黃素在90%乙醇中的溶解度從0.96 mg/mL增加到65.15 mg/mL，變化較大，因此對原料進(jìn)行降溫結(jié)晶獲得相應(yīng)晶體更合適。通過改變結(jié)晶溫度、結(jié)晶時間、料液比以提升結(jié)晶產(chǎn)品的純度和收率。

2.4.1 溫度對晶體純度和收率的影響

控制料液比為1∶5、結(jié)晶時間為24 h，考察結(jié)晶溫度分別為15，10，5，0 ℃時對雙脫甲氧基姜黃素純度和收率的影響，見表4。

由表4可知，當(dāng)結(jié)晶溫度逐漸降低時，產(chǎn)品的純度呈下降趨勢，產(chǎn)品的收率逐漸增加，在保證純度高于90%和收率大于70%的同時，考慮成本效益問題，結(jié)晶溫度控制在5 ℃更能節(jié)約成本。

2.4.2 時間對晶體純度和收率的影響

控制料液比為1∶5、結(jié)晶溫度為5 ℃，考察結(jié)晶時間分別為9，24，29，40 h時對雙脫甲氧基姜黃素純度和收率的影響，見表5。

由表5可知，隨著結(jié)晶時間的增加，收率逐漸增大，在趨于29～40 h時收率增長趨勢趨于平緩，因此結(jié)晶時間控制在29 h。

2.4.3 料液比對晶體純度和收率的影響

控制結(jié)晶溫度為5 ℃、結(jié)晶時間為29 h，考察料液比分別為1∶5、1∶4、1∶3、1∶2時對雙脫甲氧基姜黃素純度和收率的影響，見表6。

由表6可知，料液比由1∶5減小到1∶4時，純度變化無明顯差異，降低料液比使收率提高。料液比降低至1∶3、1∶2時，結(jié)晶得到的產(chǎn)品純度降低，其原因為結(jié)晶溶劑用量過少，除雜能力下降，從而使得晶體純度下降，因此確定料液比為1∶4。

通過偏光顯微鏡觀察原料和產(chǎn)品，由圖4可以看出原料中姜黃素主要以非晶體形式存在，產(chǎn)品中雙脫甲氧基姜黃素主要以晶體形式存在，通過降溫結(jié)晶操作提升了產(chǎn)品的純度，也極大改變了雙脫甲氧基姜黃素晶體。

采用單步降溫結(jié)晶方式純化后，雙脫甲氧基姜黃素純度由67.04%提升至90%以上，收率大于70%，此法操作簡單，研究結(jié)果可為姜黃素的工業(yè)生產(chǎn)提供重要的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

采用動態(tài)法測定了雙脫甲氧基姜黃素在90%、80%、70%乙醇中的溶解度，結(jié)果表明，雙脫甲氧基姜黃素溶解度隨溫度和乙醇濃度的升高而增加，雙脫甲氧基姜黃素的溶解過程為吸熱非自發(fā)過程。

采用Apelblat模型對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到溶解度實(shí)驗數(shù)據(jù)和計算值相對誤差較小，擬合效果良好。

確定了以低含量姜黃素為原料獲取高純度姜黃素的降溫結(jié)晶方式，確定了工藝參數(shù)，對雙脫甲氧基姜黃素結(jié)晶工藝開發(fā)及工業(yè)生產(chǎn)提供了可行的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]羊青，王茂媛，晏小霞，等.正交實(shí)驗法優(yōu)化姜黃油及姜黃素提取工藝[J].中國調(diào)味品，2018，43（10）：81-84.

[2]HUANG L L， ZHANG J， SONG T Z， et al. Antifungal curcumin promotes chitin accumulation associated with decreased virulence of Sporothrix schenckii[J].International Immunopharmacology，2016，34：263-270.

[3]MING T Q， TAO Q， TANG S， et al. Curcumin： an epigenetic regulator and its application in cancer[J].Biomedicine & Pharmacotherapy，2022，156：113956.

[4]MEGHANA K， SANJEEV G， RAMESH B. Curcumin prevents streptozotocin-induced islet damage by scavenging free radicals： a prophylactic and protective role[J].European Journal of Pharmacology，2007，577（1）：183-191.

[5]MUSAZADEH V， ROSHANRAVAN N， MOHAMMADIZADEH M， et al. Curcumin as a novel approach in improving lipid profile： an umbrella meta-analysis[J].Nutrition， Metabolism and Cardiovascular Diseases，2022，32（11）：2493-2504.

[6]MOGHADAMTOUSI S Z， KADIR H A， HASSANDARVISH P， et al. A review on antibacterial， antiviral， and antifungal activity of curcumin[J].BioMed Research International，2014，2014：186864.

[7]代德財，閆浩，徐雪峰.姜黃素的提取工藝及其生物活性的研究[J].中國調(diào)味品，2020，45（8）：159-161，171.

[8]HEFFERNAN C， UKRAINCZYK M， GAMIDI R K， et al. Extraction and purification of curcuminoids from crude curcumin by a combination of crystallization and chromatography[J].Organic Process Research & Development，2017，21（6）：821-826.

[9]LIU Y L， LIU M， YAN H， et al. Enhanced solubility of bisdemethoxycurcumin by interaction with Tween surfactants： spectroscopic and coarse-grained molecular dynamics simulation studies[J].Journal of Molecular Liquids，2021，323：115073.

[10]RAMEZANI M， HATAMIPOUR M， SAHEBKAR A. Promising anti-tumor properties of bisdemethoxycurcumin： a naturally occurring curcumin analogue[J].Journal of Cellular Physiology，2018，233（2）：880-887.

[11]REVATHY S， ELUMALAI S， BENNY M， et al. Isolation， purification and identification of curcuminoids from turmeric （Curcuma longa L.） by column chromatography[J].Journal of Experimental Sciences，2011，2（7）：21-25.

[12]王明鑒，張凌，喬雪童，等.大孔樹脂法純化姜黃素的工藝優(yōu)化[J].中國調(diào)味品，2015，40（5）：39-45.

[13]MOLLAYI S， TAMHIDI S， HASHEMPOUR H， et al. Recycling preparative high performance liquid chromatography for the separation of curcumin from curcuminoids in Curcuma longa L.[J].Acta Chromatographica，2015，27（2）：387-398.

[14]PAN Y， JU R H， CAO X L， et al. Optimization extraction and purification of biological activity curcumin from Curcuma longa L. by high-performance counter-current chromatography[J].Journal of Separation Science，2020，43（8）：1586-1592.

[15]SONG W， QIAO X， LIANG W F， et al. Efficient separation of curcumin， demethoxycurcumin， and bisdemethoxycurcumin from turmeric using supercritical fluid chromatography：from analytical to preparative scale[J].Journal of Separation Science，2015，38（19）：3450-3453.

[16]HOROSANSKAIA E， YUAN L， LORENZ H， et al. Purification of curcumin from ternary extract-similar mixtures of curcuminoids in a single crystallization step[J].Crystals，2020，10（3）：206.

[17]趙鑫華，陳麗珍，王建龍，等.FOX-7在DMSO-EAC混合體系中的結(jié)晶熱力學(xué)[J].含能材料，2020，28（9）：826-833.

[18]趙欣，袁丹，王啟隆，等.姜黃提取物中姜黃素類成分定量分析法研究[J].藥物分析雜志，2005，25（6）：643-647.

[19]劉東鋒.植物提取物有效成分檢測手冊[M].南京：南京大學(xué)出版社，2010：273-277.

收稿日期：2023-06-19

基金項目：邯鄲市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目（21422012320，22313014014）

作者簡介：賀海波（1998－），男，碩士，研究方向：天然提取物提取工藝。

*通信作者：武耐英（1980－），女，教授，博士，研究方向：污染物分析檢測及天然提取物提取工藝。