賈夢凡,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 233100)

山藥作為潛在的功能性食品,在加工過程中會產(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,同時可能造成環(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、黃酮類、皂苷類、多糖類、萜類等諸多活性成分[3-7]。因此,考慮到山藥皮作為廢棄物的潛在利用價值,研究山藥皮黃酮成分的提取工藝,對促進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、乙醇體積分數(shù)50%、料液比1∶50的條件下提取4 min,總酚提取率達到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化合物,如蛋白質(zhì)、多糖等,這一事實無疑增加了目標成分的分離難度。與此同時,其提取和分離往往是作為兩個獨立的程序,這可能需要許多步驟和有機溶劑。因此,如果能夠開發(fā)出一種集成的、高效的、能從復(fù)雜基質(zhì)中同時萃取和原位分離目標化合物的方法,將大大減少分離步驟和有機溶劑的使用。

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)用為這一目標提供了新的方向。因為TRIL是一類能夠?qū)囟却碳び许憫?yīng)的功能化離子液體。尤其是通過溫度調(diào)控可以實現(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試劑形成均相體系;而當溫度降低時,系統(tǒng)將從單相切換到兩相,從而實現(xiàn)原位分離的目的[11-13]。也就是說,僅僅通過溫度調(diào)控即可實現(xiàn)混合溶劑的相態(tài)變化[14]。因此,通過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,可以同時從復(fù)雜基質(zhì)中萃取和原位分離目標化合物,實現(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)報道主要集中在催化領(lǐng)域[12],對萃取分離領(lǐng)域的相關(guān)報道相對較少,尤其是在山藥皮活性成分的萃取分離方面還未見報道。如能以此類溫度響應(yīng)型離子液體為契機,將其和山藥皮活性成分的萃取分離這一領(lǐng)域結(jié)合起來進行相關(guān)研究則令人期盼。

基于以上背景,開發(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,TRIL-水作為均相萃取體系,對山藥皮活性成分進行萃取;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,從而實現(xiàn)目標化合物的原位分離。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、萃取時間對目標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?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);槲皮素標準品(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任公司);T6-1650E型紫外-可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司);101-2AB型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海森信實驗儀器有限公司);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化合物試驗方法 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,過濾,收集含有目標成分的離子液體熱溶液,冷卻、靜置、分層,分別對兩相的黃酮分布情況進行分析比較。同時,在同條件下以成熟的溶劑體系(乙醇、50%乙醇、水)對該方法進行驗證。試驗方法如圖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 標準曲線的繪制 分別取0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0 mL的80 mg/L槲皮素標準溶液于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,測定吸光度,繪制標準曲線。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 繪制標準曲線

以空白溶液做參比,測定其在波長350 nm處有最大吸收,在最大波長處測定不同濃度梯度槲皮素溶液的吸光度,繪制的標準曲線如圖2所示,曲線方程為y=0.104 43x+0.104 11,擬合度為R2=0.985 0。

圖2 槲皮素標準曲線Fig.2 The standard curve of quercetin

2.2 萃取溶劑對萃取效率的影響

為驗證-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-水體系對植物細胞的破壞效應(yīng)在一定程度上增強了傳質(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,能夠同時提取親水性和親脂性成分,從而可以同時提取黃酮苷元與黃酮苷。因此,與-水體系相比,純IL和純水對黃酮的提取率均較低。此外,雖然50%乙醇對黃酮的提取率與-水體系的提取率相當,但50%乙醇提取后,還需要對目標成分進行下一步的分離,而-水體系僅通過溫度調(diào)控即可實現(xiàn)目標化合物的原位分離。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 萃取溫度和時間對萃取效率的影響

萃取溫度與時間對萃取效率的影響不容忽視,為此,分別在25、40、50 ℃條件下進行提取,結(jié)果如圖4所示。當溫度從25 ℃增加至50 ℃,目標化合物的提取率隨之增加,這可能是因為在較高溫度下體系黏度降低,從而提高分子擴散及傳質(zhì)速率。

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

2.4 離子液體含量對萃取效率的影響

一般來說,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,能夠同時提取親水性和親脂性成分,因此,其離子液體和水的含量會影響對目標成分的萃取。為考察離子液體含量(VIL/VH2O)對黃酮提取率的影響,進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,黃酮提取率偏低,這可能是因為高黏度顯著限制了傳質(zhì)速率;而當水含量過高時,低溶解度也限制了提取率。因此,-水的體積比為1∶1時為最佳提取溶劑。

圖5 離子液體含量對黃酮萃取率的影響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化合物的萃取與富集。通過關(guān)鍵因素試驗考察了離子液體含量、萃取溫度和時間對黃酮萃取效率的影響。

-水體系可通過溫度的調(diào)控,使目標化合物富集在下層溶劑。而且-水體系對黃酮的萃取率高于純水和純IL對黃酮的萃取率。用50%乙醇對黃酮的萃取率與-水體系的萃取率相當,但需要對目標化合有進行下一步分離。隨著萃取時間和溫度的增加,目標化合物的萃取率也隨之增加。同時離子液體含量由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時萃取率優(yōu)于其他幾種體積比例。