邸向輝，徐國(guó)祺，劉澤旭，王立海

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

隨著經(jīng)濟(jì)的建設(shè)與發(fā)展，國(guó)內(nèi)木制品的需求逐年增加，致使木材資源銳減。因此，通過(guò)外力干預(yù)進(jìn)行木材保護(hù)而實(shí)現(xiàn)木材節(jié)約已成為我國(guó)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和建設(shè)集約型社會(huì)的必然要求。通過(guò)對(duì)耐腐性較差的人工林木材進(jìn)行防腐保護(hù)處理，提高其耐腐防蟲(chóng)能力和防變色能力，進(jìn)而延長(zhǎng)木材的使用壽命是目前木材應(yīng)用中的常見(jiàn)手段[1-2]。隨著人們的環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，在我國(guó)木材防腐研究領(lǐng)域中尋求對(duì)人、畜無(wú)害，對(duì)環(huán)境無(wú)污染的木材防腐劑成為研究熱點(diǎn)[3-4]。很多學(xué)者與企業(yè)合作研究開(kāi)發(fā)了一些防腐效果優(yōu)異的環(huán)境友好型木材防腐劑，在這些研究中也對(duì)植物提取物的防腐性能展開(kāi)了廣泛而深入的研究，并取得了一些可喜的成績(jī)[3，5]。植物中的次生代謝產(chǎn)物超過(guò)40萬(wàn)種，其中生物堿、類(lèi)黃酮、酚類(lèi)、氨基酸和多糖等均具有廣譜的殺蟲(chóng)或抗菌效果，因此，對(duì)作為新型木材防腐劑的植物活性物開(kāi)發(fā)與利用的前景十分廣闊[5]。

近年來(lái)，印楝植物提取物作為植物源木材防腐劑的潛在可能性被眾多學(xué)者所研究。印楝果核含有以印楝素為主的具有殺蟲(chóng)、抑菌功效的活性物質(zhì)。印楝素的除蟲(chóng)抑菌機(jī)理主要是作用在昆蟲(chóng)神經(jīng)肽，阻止昆蟲(chóng)表皮幾丁質(zhì)形成。印楝素不影響膽堿脂酶活性，因此對(duì)人及其他高等動(dòng)物不會(huì)產(chǎn)生毒害作用。印楝素等成分是目前世界公認(rèn)的廣譜、高效、低毒、易降解和無(wú)殘留的殺蟲(chóng)劑，且沒(méi)有抗藥性，對(duì)幾乎所有植物害蟲(chóng)都具有驅(qū)殺效果[6]。為了提高活性物質(zhì)的提取率、節(jié)約資源和能源，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究與開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已有很多高效的提取(萃取)方法，其中有超聲波萃取法(UE)、大孔樹(shù)脂吸附分離法、微波萃取法(MAE)、酶法萃取和超臨界CO2萃取法(SFE)等。為了在眾多方法中選出一種適合印楝活性成分的提取方法，以獲得更高的提取率，本文采用乙醇-水溶液作為提取溶劑，分別采用超聲波震蕩萃取法、微波輔助萃取法和溫水浴攪拌加速萃取法三種不同的萃取方法對(duì)印楝種子粉末的活性物進(jìn)行提取，比較3種提取方法對(duì)活性物質(zhì)提取率的影響。

1 超聲波法、微波法和水浴法萃取原理

1.1 超聲波震蕩萃取法

超聲波震蕩萃取法是利用超聲波獨(dú)有特性而對(duì)物質(zhì)進(jìn)行溶解萃取。超聲波振動(dòng)頻率大于20千赫茲，是一種方向性強(qiáng)、震蕩頻率高、波長(zhǎng)短、加速度高的聲波，能夠在氣、液、固或固熔體等介質(zhì)中傳播很強(qiáng)的能量[7-8]。超聲波在植物活性物提取方面的應(yīng)用中，能夠提高物質(zhì)分子間的碰撞速度，分散并破壞植物組織，使得溶劑能夠穿透組織，促進(jìn)植物活性成分溶入溶劑中，縮短作用時(shí)間，進(jìn)而提高植物活性物的提取率，同時(shí)大大減少萃取時(shí)間。超聲波震蕩萃取法是將電能直接轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，區(qū)別于加熱法的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。超聲波震蕩法能使溶劑提取工作在常溫或室溫下進(jìn)行，能夠有效保護(hù)植物活性物中對(duì)溫度敏感成分的保護(hù)[7，9]。

1.2 微波萃取法

微波萃取法是利用電磁波中波長(zhǎng)1 mm-1 m的高頻微波，將被萃取物溶于溶劑中，通過(guò)微波反應(yīng)器發(fā)射高頻電磁波，使得被萃取物中的化學(xué)活性成分迅速溶出[10-12]。微波萃取法操作簡(jiǎn)便、省時(shí)迅速、成本較低、提取物質(zhì)純度高以及提取率高等特點(diǎn)，微波萃取法具有較大的應(yīng)用空間，主要表現(xiàn)在樣品分析制備、植物活性物提取等方面的應(yīng)用。微波萃取法的主要機(jī)理有熱效應(yīng)、溶劑界面擴(kuò)散效應(yīng)和溶劑激活效應(yīng)等，微波萃取的熱效應(yīng)是物料極性分子在微波作用下運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生周期性變化，分子間頻繁碰撞摩擦，產(chǎn)生大量熱，使得物料在短時(shí)間內(nèi)溫度迅速升高，物料物理性質(zhì)發(fā)生改變，迅速溶入溶劑；界面擴(kuò)散效應(yīng)是指電磁波產(chǎn)生的電磁場(chǎng)加速溶劑界面擴(kuò)散速率，使得物料與溶劑充分接觸，提高萃取率；激活效應(yīng)是指極性溶劑吸收微波能力較非極性溶劑容易，從而提高溶劑的活性，使得溶劑與物料間的作用更為有效，進(jìn)而提高萃取率[13-15]。

1.3 水浴攪拌法

水浴攪拌法是利用水浴鍋對(duì)物料與溶劑進(jìn)行溫水浴并均勻攪拌，加速物料中活性物的萃取。水浴攪拌法具有操作簡(jiǎn)便、條件要求低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。水浴加熱攪拌能夠避免直接加熱造成劇烈、過(guò)高的、不可控的溫度產(chǎn)生，能平穩(wěn)加熱，防止溫度過(guò)高使得溫度敏感的植物活性物失去活性。溫水浴的同時(shí)，輔助自動(dòng)攪拌，使得物料與溶劑充分接觸，實(shí)現(xiàn)溶劑對(duì)物料活性物的最大溶解程度，進(jìn)而提高溶劑的萃取率。

2 材料與方法

2.1 材 料

印楝(Meliaazederach)種子，于2013年4月采自云南昆明，成熟飽滿(mǎn)的種子隨機(jī)采自于不同印楝樹(shù)，采后室內(nèi)陰干。無(wú)水乙醇(分析純，天津市天理化學(xué)試劑有限公司)；蒸餾水。

2.2 儀器設(shè)備

主要儀器有三孔萃取瓶、燒杯、量杯、玻璃棒、布氏漏斗和濾紙等；其他儀器設(shè)備(見(jiàn)表1)。

表1 儀器設(shè)備

2.3 方 法

將陰干后印楝種子(種皮和種仁)用高速離心粉碎機(jī)磨成過(guò)20～40目篩子的粉末；用電子天平，稱(chēng)取20 g(m0)印楝種子干粉末，置于燒杯中；按照試驗(yàn)所需物液比加入不同濃度的乙醇水溶液，充分?jǐn)嚢?，用保鮮膜封住燒杯口；分別放入數(shù)碼超聲波清洗機(jī)、微波反應(yīng)罐、數(shù)顯恒溫水浴鍋中，設(shè)置功率、溫度、攪拌速度和時(shí)間等參數(shù)(見(jiàn)表2)，反復(fù)提取3次，用真空泵、布氏漏斗抽濾液；將3種工藝提取出的濾液置于已稱(chēng)重(m1)的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶中，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)水浴溫度為40℃。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后，稱(chēng)取蒸發(fā)瓶與瓶壁剩余物的總重(m2)。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

每組試驗(yàn)做三次平行重復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算平均值。

印楝粗提率的計(jì)算公式如下：

(1)

在對(duì)印楝活性物進(jìn)行提取時(shí)，為避免其在提取過(guò)程中失去防腐、防蟲(chóng)活性，萃取過(guò)程中溫度控制在60℃以?xún)?nèi)，因此，溫度選擇為30、40、50℃3組；為了充分溶解活性物且盡可能保證不浪費(fèi)溶劑，查閱并參考相關(guān)文獻(xiàn)[3，6]，本文將物液比參數(shù)設(shè)置成常見(jiàn)的3組比例，即粉末與乙醇水溶液選擇1∶8、1∶10和1∶12。

3 結(jié)果與分析

3.1 提取溫度對(duì)提取率的影響

對(duì)印楝種子粉末進(jìn)行活性物提取時(shí)，溫度不宜過(guò)高，為此選擇了30、40、50℃，3組溫度參數(shù)，采用超聲波震蕩法、微波萃取法和水浴攪拌法等3種方法，在物液比1∶10條件下，乙醇水溶液的體積分?jǐn)?shù)80％條件下對(duì)印楝種子粉末進(jìn)行萃取。根據(jù)公式(1)計(jì)算采用三種萃取方法取得印楝活性物的粗提率，根據(jù)平均粗提率繪制的散點(diǎn)折線(xiàn)如圖1所示。

由圖1可以看出，3種萃取方法的提取率均隨著溫度的升高而增大，增大的幅度略有不同，增幅最大的是微波萃取法，其次是水浴攪拌法，最后是超聲波萃取法；3種方法在30℃和40℃條件下，提取率的大小關(guān)系一致，即：超聲波萃取法>微波萃取法>水浴攪拌法；50℃條件下，微波萃取法>超聲波萃取法>水浴攪拌法。

圖1 采用3種萃取方法在不同溫度條件下提取率比較

表3方差分析

Tab.3 Analysis of variance

方差來(lái)源離差平方和自由度均方F值臨界值LA提取溫度7.5723.7927.07?LB提取方式13.3126.6647.57?Le0.5440.14—F0.005(2,4)=26.28

由表3的方差分析可知，在水平α=0.005下，提取溫度、提取方式的F值均大于臨界值F0.005(2，4)=26.28，所以可以得出提取溫度和方式對(duì)提取率具有顯著性的影響。

3.2 物液比對(duì)提取率的影響

采用超聲波震蕩法、微波萃取法和水浴攪拌法等3種方法，分別在物液比1∶8、1∶10和1∶12條件下，溫度控制在50℃，乙醇水溶液的體積分?jǐn)?shù)80％條件下對(duì)印楝種子粉末進(jìn)行萃取。根據(jù)公式(1)計(jì)算采用三種萃取方法取得印楝活性物的粗提率，據(jù)平均粗提率繪制的散點(diǎn)折線(xiàn)如圖2所示。

表4方差分析

Tab.4 Analysis of variance

方差來(lái)源離差平方和自由度均方F值臨界值LA物液比5.2522.63350.67?LB提取方式1.8420.92122.67?Le0.0340.0075—F0.001(2,4)=61.25

由圖2的3種萃取方法在同溫度下，物液比不同的條件下，提取率均隨著物液比的減小而增大；采用3種提取工藝在3種物液比的條件的粗提率大小關(guān)系是：微波法>超聲波法>水浴法。

根據(jù)表4中的方差分析數(shù)據(jù)顯示，物液比和提取方式的F值遠(yuǎn)大于臨界值F0.001(2，4)=61.25，說(shuō)明物液比也對(duì)提取率具有很大的影響。

4 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可得以下結(jié)論：

(1)超聲波震蕩萃取法、微波萃取法、水浴攪拌法在對(duì)印楝種子活性成分提取時(shí)，提取率均隨著溫度的升高而增大，隨著物液比的降低而增大。

(2)提取溫度、提取方式和物液比對(duì)印楝種子活性成分的提取率均具有顯著性的影響，在檢驗(yàn)水平α非常低的情況下，提取溫度的顯著性檢驗(yàn)F=27.07>F0.005(2，4)=26.28，提取過(guò)程中的物液比的顯著性檢驗(yàn)F=350.67?F0.001(2，4)=61.25。

(3)在對(duì)印楝活性物提取過(guò)程中，通過(guò)3種常見(jiàn)方法的提取率試驗(yàn)結(jié)果的比較，控制提取溫度在50℃，印楝種子粉末與乙醇-水之比為1∶12的條件，采用微波萃取法能夠獲得比超聲波震蕩法和水浴攪拌法更高的提取率，其值高達(dá)12.84％。

(4)采用超聲波震蕩法與水浴攪拌法對(duì)印楝活性物提取時(shí)所用的儀器設(shè)備價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)便，而微波萃取法試驗(yàn)設(shè)備價(jià)格較貴，操作復(fù)雜，因此盡管具有高提取率優(yōu)勢(shì)的微波萃取法也有其試驗(yàn)成本高的劣勢(shì)。

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