盧琴芳，徐常龍，潘麗芳，陳 明，邱 勇，謝寶華

(九江學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江西九江332005)

0 引言

菊三七是一種具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的藥用植物，為鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)特色地產(chǎn)中藥材［1］.其藥性成分菊三七生物堿具有止痛、抗瘧、消炎、局麻、鎮(zhèn)痛、阿托品樣及抗腫瘤活性等功效［2－3］，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)、日用化工等多個(gè)不同領(lǐng)域.

傳統(tǒng)的菊三七生物堿提取工藝如回流提取、索氏提取等工藝落后，經(jīng)濟(jì)效益不高，更重要的是使用有機(jī)溶劑，對(duì)環(huán)境污染較重.目前，超臨界CO2流體萃取技術(shù)被廣泛用于中草藥有效成分的萃取［4－10］，是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮母咝路蛛x技術(shù)，具有分離效率高、無(wú)溶劑殘留和環(huán)境污染、產(chǎn)品純凈安全、保持生物活性、色味純正等優(yōu)點(diǎn)，但單一采取超臨界萃取工藝萃取速率低［11－12］，而微波輔助萃取技術(shù)具有回收率高、加熱速度快、溶劑消耗低、設(shè)備尺寸小、無(wú)污染等一系列優(yōu)點(diǎn)［13］.為此，本文著眼于地方特色資源，采用微波聯(lián)用超臨界CO2萃取菊三七生物堿，有望為企業(yè)生產(chǎn)需要提供一種新工藝.

本實(shí)驗(yàn)對(duì)微波聯(lián)用超臨界CO2萃取菊三七生物堿進(jìn)行研究，考察了微波處理時(shí)間、浸泡液濃度和浸泡時(shí)間等因素對(duì)萃取收率的影響，并與單一超臨界流體萃取方法做比較，為微波聯(lián)合超臨界流體萃取新工藝提供依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

實(shí)驗(yàn)原料:菊三七藥材(江西省都昌菊三七開(kāi)發(fā)有限公司)，液體CO2(純度＞99.9%，江西九江制氧機(jī)廠(chǎng))，無(wú)水乙醇、碘化鉀(A.R.，天津市大茂化學(xué)試劑廠(chǎng))，95%乙醇(A.R.，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司)，氨水(A.R.，天津市登科化學(xué)試劑有限公司)，冰乙酸(A.R.，湖北大學(xué)化學(xué)試劑廠(chǎng))，次硝酸鉍(A.R.，天津市津科精細(xì)化工研究所).

實(shí)驗(yàn)儀器:超臨界萃取裝置(HA121－50－01，南通華安超臨界萃取有限公司)，超純水機(jī)(KL－RO－20，康寧實(shí)驗(yàn)專(zhuān)用純水設(shè)備廠(chǎng))，中草藥粉碎機(jī)(FW135，天津泰斯特儀器有限公司)，微波爐(G8023CSL－K3，佛山市順德區(qū)格蘭仕微波爐電器有限公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)按圖1工藝流程進(jìn)行菊三七生物堿的提取.

圖1 菊三七生物堿提取工藝流程

1.2.1 菊三七樣品的預(yù)處理菊三七物料經(jīng)烘箱干燥、粉碎機(jī)粉碎，篩分為一定粒度備用.

1.2.2 微波聯(lián)用超臨界CO2萃取菊三七生物堿的單因素實(shí)驗(yàn)研究稱(chēng)取一定量的菊三七粉末，用一定量的某濃度乙醇浸泡，經(jīng)過(guò)微波處理一定時(shí)間后，裝于萃取釜吊籃中，密封后開(kāi)啟超臨界流體萃取裝置進(jìn)行萃取實(shí)驗(yàn).分別在趙宋亮等［11］試驗(yàn)中確定的最佳操作條件(萃取壓力、萃取溫度、解析壓力、解析溫度、物料粒度下)進(jìn)行乙醇濃度、浸泡時(shí)間、微波處理時(shí)間等試驗(yàn)條件的單因素實(shí)驗(yàn)研究，確定最佳萃取收率下各因素的試驗(yàn)條件.

1.2.3 微波聯(lián)用超臨界萃取菊三七生物堿與單一采用超臨界萃取的對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用微波聯(lián)用超臨界CO2萃取菊三七生物堿，并與菊三七粉末物料經(jīng)乙醇浸泡后而未經(jīng)微波處理而直接進(jìn)行超臨界萃取的試驗(yàn)相對(duì)照.

1.3 菊三七生物堿含量的測(cè)定［3］

在收集的提取物中取樣25mL，以質(zhì)量濃度為0.1%的HCl溶液調(diào)成酸性(pH值為3～4)，氯仿提取3次，每次5mL，棄去下層有機(jī)層.再用氨水調(diào)水相的pH值為9～10，氯仿提取3次，每次5mL，收集下層有機(jī)相，將收集到的液體經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)濃縮，除去氯仿.將濃縮后的產(chǎn)品倒入錐形瓶中，精密加入15.00mL硫酸滴定液(0.0114mol·L－1)及15.00mL去離子水，搖勻，加2滴甲基橙指示液，以NaOH滴定液(0.0103mol·L－1)滴定，記錄其消耗堿液體積，計(jì)算含量:n生物堿=2×CH2SO4×VH2SO4－CNaOH×VNaOH，m生物堿=n生物堿×M生物堿.

2 結(jié)果和討論

2.1 微波處理時(shí)間對(duì)菊三七總生物堿收率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取100 g粉碎后過(guò)60目篩的干燥菊三七粉末，用90%乙醇浸泡1 h后，分別用微波照射時(shí)間為1、2、3、4min，萃取條件為萃取時(shí)間0.5 h，夾帶劑95%乙醇的用量200mL，CO2流量為25 L·h－1，在萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為60℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 微波處理時(shí)間與菊三七總生物堿萃取率的關(guān)系

由圖2可知:隨著微波照射時(shí)間的增長(zhǎng)，曲線(xiàn)有上升的趨勢(shì)，說(shuō)明微波照射有利于菊三七總生物堿的提取.微波處理［13－15］是利用高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)，到達(dá)菊三七的內(nèi)部維管束和腺細(xì)胞內(nèi)，由于菊三七內(nèi)的水分大部分是在維管束和腺細(xì)胞內(nèi)，水分吸收微波能后使細(xì)胞內(nèi)部溫度迅速上升，連續(xù)的高溫使其內(nèi)部壓力超過(guò)細(xì)胞壁膨脹的能力，從而導(dǎo)致細(xì)胞破裂，細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)自由流出，萃取介質(zhì)就能在較低的溫度條件下捕獲并溶解，通過(guò)進(jìn)一步分離獲得萃取物料.另一方面，微波所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，加速被萃取部分向萃取溶劑界面的擴(kuò)散速率，用水作溶劑時(shí)，在微波場(chǎng)下，水分子高速轉(zhuǎn)動(dòng)成為激發(fā)態(tài)，這是一種高能量不穩(wěn)定狀態(tài)，或者水分子汽化，加強(qiáng)萃取組分的驅(qū)動(dòng)力;或者水分子本身釋放能量回到基態(tài)，所釋放的能量傳遞給其他物質(zhì)分子，加速其熱運(yùn)動(dòng)，縮短萃取組分的分子由物料內(nèi)部擴(kuò)散到萃取溶劑界面的時(shí)間，從而使萃取速率提高數(shù)倍，同時(shí)還降低了萃取溫度，最大限度保證萃取的質(zhì)量.但從圖2中也看出照射時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，由于隨著照射時(shí)間的增長(zhǎng)，菊三七細(xì)胞里面的待提取物質(zhì)結(jié)構(gòu)可能會(huì)被破壞分解，菊三七也會(huì)燒焦.因此，最佳微波照射時(shí)間為2min.

2.2 浸泡液濃度對(duì)菊三七總生物堿收率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取100 g粉碎后過(guò)60目篩的干燥菊三七粉末，分別用75%、90%、100%乙醇浸泡1 h后，微波照射2min，其余萃取條件為萃取時(shí)間0.5 h，夾帶劑95%乙醇的用量200mL，CO2流量為25 L·h－1，在萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為60℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.

由圖3可知:隨著浸泡液濃度的增大，100 g菊三七中總生物堿的質(zhì)量逐漸增多，但當(dāng)浸泡液濃度達(dá)到一定時(shí)，隨著濃度的繼續(xù)增大，菊三七的總生物堿質(zhì)量逐漸減少.由圖3可見(jiàn)，最佳浸泡液濃度為85%～90%.浸泡液濃度適宜時(shí)，菊三七細(xì)胞里面的物質(zhì)較容易滲出來(lái)，當(dāng)浸泡液濃度大于菊三七細(xì)胞里面物質(zhì)的濃度時(shí)，根據(jù)滲透壓原理，里面的物質(zhì)很難再滲出來(lái).因此，浸泡液濃度不能過(guò)小也不能過(guò)大，當(dāng)具備最適宜的浸泡液濃度時(shí)才能提高萃取收率.

圖3 乙醇浸泡液濃度與菊三七總生物堿萃取率的關(guān)系

2.3 浸泡時(shí)間對(duì)菊三七總生物堿收率的影響

準(zhǔn)確稱(chēng)取100 g粉碎后過(guò)60目篩的干燥菊三七粉末，分別用90%乙醇浸泡1、5、10 h后，微波照射時(shí)間2min，其余萃取條件為萃取時(shí)間0.5 h，夾帶劑95%乙醇的用量200mL，CO2流量為25 L·h－1，在萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為60℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4 浸泡時(shí)間與菊三七總生物堿萃取率的關(guān)系

由圖4可知:隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，100 g菊三七中提取的生物堿質(zhì)量逐漸增多，但隨著浸泡時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，菊三七生物堿質(zhì)量增長(zhǎng)的趨勢(shì)變得更平緩了.根據(jù)本實(shí)驗(yàn)所選擇水平，其最佳浸泡時(shí)間為10 h.

傳統(tǒng)方法如溶劑提取法中的浸漬法，就是將適當(dāng)粒度的菊三七粉末放入適當(dāng)?shù)娜萜髦?，加入乙醇，以能浸透碎片稍有過(guò)量為度，時(shí)常振搖或攪拌，靜置1 d以上，過(guò)濾，殘?jiān)砑有乱掖?，如此再提?次，第2、第3次浸漬時(shí)間可縮短.合并提取液，濃縮后可作提取物.因此可知浸泡時(shí)間對(duì)菊三七總生物堿的提取有影響，且開(kāi)始時(shí)浸泡時(shí)間比較長(zhǎng).

2.4 微波聯(lián)用超臨界萃取和單一超臨界萃取時(shí)間的對(duì)比

為進(jìn)一步考察對(duì)比微波聯(lián)用超臨界萃取與單一超臨界萃取的萃取效率，準(zhǔn)確稱(chēng)取100 g粉碎后過(guò)60目篩的干燥菊三七粉末，以90%乙醇浸泡后，微波照射2min，萃取條件為夾帶劑95%乙醇的用量200mL，CO2流量為 25 L·h－1，在萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為60℃下，分別在萃取時(shí)間為5、10、15、20、25min的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5.

另準(zhǔn)確稱(chēng)取100 g粉碎后過(guò)60目篩的干燥菊三七粉末，萃取條件為夾帶劑95%乙醇的用量200mL，CO2流量為25 L·h－1，在萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為60℃下，分別在萃取時(shí)間為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h 的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖5 微波聯(lián)用超臨界萃取時(shí)間與菊三七總生物堿萃取率的關(guān)系

圖6 單一超臨界萃取時(shí)間與菊三七總生物堿萃取率的關(guān)系

由圖5與圖6對(duì)比可以看出，采用微波聯(lián)用超臨界萃取技術(shù)可以在很短時(shí)間內(nèi)(最多25min)達(dá)到萃取率為0.18%的效果，而單一采用超臨界萃取方法至少需要3 h才完成同等萃取率，微波聯(lián)用超臨界萃取技術(shù)可以大大提高生產(chǎn)效率，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)是有意義的.

3 結(jié)論

在微波聯(lián)用超臨界CO2流體萃取工藝提取菊三七生物堿實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)考察了微波照射、浸泡液濃度、浸泡時(shí)間等條件對(duì)菊三七生物堿萃取率的影響，所得到的最佳微波輔助工藝條件為:微波照射2min，浸泡液(乙醇溶液)濃度80%～90%，浸泡時(shí)間10 h，并且通過(guò)比較可以得出，采用微波聯(lián)用超臨界CO2流體萃取法萃取菊三七中的生物堿比單一使用超臨界CO2流體萃取法萃取菊三七中的生物堿效率更高，所以微波聯(lián)用超臨界流體萃取工藝對(duì)生產(chǎn)更具有實(shí)用價(jià)值.

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