熱浸法提取箬葉總黃酮的動力學研究

樂薇　吳士筠

摘要：以Fick擴散定律為基礎，建立熱浸法提取箬葉總黃酮的動力學模型，由此推算出提取速率常數、活化能等動力學參數，考察溫度、時間對總黃酮提取率的影響。結果表明，所得模型能較好地描述箬葉總黃酮提取的動態過程，箬葉總黃酮的浸提過程符合一級動力學方程。熱力學數據表明，該提取過程是自發、吸熱和熵增加的過程。

關鍵詞：箬葉；總黃酮；熱浸法；動力學

中圖分類號： R284.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0359-03

收稿日期：2014-10-30

基金項目：湖北省自然科學基金（編號：2013C111）。

作者簡介：樂薇（1979—），女，湖北沙市人，碩士，副教授，研究方向為生物分析。E-mail：yuewei11@126.com。從植物中提取有效成分，提取工藝的選擇，優化始終是一個重要的內容，也是重點和難點所在。植物功能成分浸提過程動力學是采用數學模型定量描述浸提過程中功能成分質量濃度隨時間變化的規律，其隨揭示浸提溫度、溶劑倍量、顆粒粒度等因素對浸提效果的影響以及優化浸提工藝等具有重要指導意義，已成為當今研究熱點[1～4]。

箬葉為禾本科竹亞科箬竹屬植物葉的總稱，該屬植物約有30種以上，均產自中國[5]，自古以來就是端午節標志食品——粽子的包裝物。據《本草綱目》記載，箬葉味甘，性寒，有清熱止血、解毒消腫之功效。現代藥理分析發現，箬葉具有殺菌、防腐、抗癌等多種顯著作用，可廣泛應用于醫藥、食品及日化用品等[6-7]。我國長江以南各省份均有大量野生箬葉資源，特別是湖北武陵山區野生箬葉資源非常豐富，在開發植物藥用資源上具有優勢。研究證明，總黃酮是箬葉中的重要活性成分[8]，含量豐富，占箬葉總質量的2%左右[9]，但相關提取的研究報道較少。本研究通過Fick第一、第二擴散定律，建立熱浸法提取箬葉總黃酮的動力學模型，為箬葉總黃酮提取工藝條件優化及工藝設計提供理論依據。

1熱浸法提取箬葉總黃酮的動力學模型

從傳質角度看，箬葉總黃酮浸提過程是黃酮從箬葉（固相）向溶液（液相）進行擴散的兩相間傳質過程，即溶劑滲透進入箬葉顆粒，顆粒內部黃酮被溶劑溶解后向顆粒表面擴散，以及黃酮由箬葉顆粒表面向溶液主體擴散等3個同時發生的過程。對于黃酮的提取，箬葉內黃酮的溶解可在瞬間完成，而黃酮在箬葉顆粒內外的擴散過程相對于滲透和黃酮溶解是一個較慢的過程，其在浸提中起主要作用。

箬葉內部總黃酮濃度隨提取時間的增加不斷降低，為不穩定擴散過程。為便于分析，本研究中采用平板模型，先假設：（1）顆粒的厚度是均勻的；（2）有效成分黃酮的擴散方向是沿顆粒的厚度方向進行的；（3）萃取開始和任意取樣時間間隔內，顆粒內各成分是均勻分布的；（4）顆粒表面的傳質阻力忽略不計且在任意取樣時間間隔內有效成分的擴散系數不變；（5）顆粒與溶劑的溫度是相同的，且溫度是均勻分布的。根據Fick第一、第二定律建立的動力學模型為[10-11]

lnC∞C∞-C=kt+lnπC∞4（C∞-C0）；（1）

k=π2Ds（2D）2。（2）

式中：C0為提取液溶質的初始質量濃度，%；C∞為提取平衡時提取液溶質的質量濃度，%；k為速率常數；t為提取時間，min；2D為箬葉的厚度；Ds為內擴散系數。

2材料與方法

2.1試劑和儀器

蕓香苷標準品：中國藥品生物制品檢定所；無水乙醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉等均為分析純。

B-220恒溫水浴鍋，上海亞榮生化儀器廠；752型紫外可見分光光度計，上海光譜儀器有限公司；RE52CS型旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器廠。

2.2試驗方法

2.2.1箬葉總黃酮的含量測定

2.2.1.1標準溶液的配制和標準曲線的繪制準確稱取干燥至恒質量的蕓香苷標準品0.075 2 g，用30%乙醇水浴微熱溶解，用30%乙醇定容至250 mL，得0.300 8 mg/mL蕓香苷對照品溶液。精確移取0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL上述蕓香苷對照品溶液，分別置于6支10 mL比色管中，加30%乙醇至5 mL，加5%NaNO2溶液0.30 mL，搖勻后放置5 min，加10%Al（NO3）3溶液0.30 mL，搖勻后放置6 min，加4%NaOH溶液2.00 mL，再用30%乙醇稀釋至刻度，搖勻后放置10 min，以試劑空白為參比，于510 nm處測定吸光度。以蕓香苷濃度C為橫坐標，吸光度D為縱坐標繪制標準曲線D=aC+b。

2.2.1.2樣品溶液的測定分別吸取2份相同的0.50 mL箬葉總黃酮提取液于10 mL容量瓶，其中一份按上述蕓香苷標準曲線繪制方法配置溶液，并以試劑空白為參比，測定吸光度為D1；另一份用30%乙醇溶液定容至10.00 mL，以30%乙醇為參比，測定吸光度為D2，按下列公式計算總黃酮含量：

提取液濃度（mg/mL）：C=（ΔD-b）a。（3）

其中ΔD=D1-D2。（4）

每次取樣后浸提溶液的總體積將依次減小1 mL，溶液中總黃酮化合物的質量也同時遞減。因此，對光度法測定的黃酮質量濃度進行相應修正，其公式為

Cn=1V [V-（n-1）]Cn′+∑n-1i=1Ci。（5）

式中：Cn為第n次取樣質量濃度修正值；Cn′為第n次取樣質量測定濃度；V為溶劑體系；n為取樣次數。

2.2.2箬葉總黃酮浸提試驗將5.0 g箬葉（過20目篩，厚度約0.85 mm）加入250 mL的三口燒瓶中，加入已加熱到設定溫度的60%乙醇水溶液100 mL，在此溫度下進行熱浸法提取，并在不同時間間隔時取樣0.50 mL各2份，用于總黃酮含量的測定。提取時間為5、10、15、20、25、30、35、40、50、60、70、80、90、120 min；提取溫度為303、323、343 K。

3結果與分析

3.1速率常數的求解

由于沒有預浸泡，C0=0，按“2.2.2”節操作，試驗結果表明，不同浸提溫度條件下，總黃酮濃度差異較大，提取溫度越高，提取速率越快，提取液濃度越大。當提取時間達到 120 min 時，基本達到平衡。在較長時間中，總黃酮濃度基本不變時即可認為達到了浸提平衡，此時可將該濃度作為浸提的平衡濃度，并以ln[C∞/（ C∞-C）] 對提取時間t作圖，結果見圖1、表1。結果表明，所建立的動力學方程式與試驗結果能較好地吻合，曲線的線性擬合關系良好，即經過粉碎的箬葉總黃酮提取符合一級動力學模型。同時也發現，表觀速率常數隨著溫度的升高增大，有效成分的提取加快，且平衡濃度隨溫度的升高也略有升高。

3.2相對萃余率的求解

設相對萃余率y=（C∞-C）/（ C∞-C0），則公式（1）變y=（4/π）e-kt，作y對提取時間t的關系圖，結果見圖2、表2。

3.3活化能的求解

由化學動力學可知，箬葉總黃酮的浸提過程中表觀速率常數是溫度的函數，應遵循Arrhenius公式，即

k=Ae-Ea/（RT）或lnk=lnA-EaRT 。（6）

式中：k為表觀提取速率常數，s-1；R=8.314 J/（mol·K）；A為指前因子；T為提取溫度，K；Ea為表觀活化能，J/mol。

利用表1、表2數據，對-lnk和1/T作圖，結果見圖3，表明lnk和1/T線性良好，其回歸方程為：lnk=-1 215.9/T+0.723 5，r2=0.980 1。

由此可算出箬葉總黃酮浸提過程的活化能為Ea=1 215.9×8.314≈10 109 J/mol=101.09 kJ/mol。活化能反映了速率常數對溫度的敏感程度，活化能較大時，速率常數隨溫度的變化較明顯。

3.4內擴散系數的求解

整個浸提過程的內擴散系數可以通過速率常數來計算，由公式（2）可知，速率常數是內擴散系數Ds和顆粒尺寸的函數，由Ds對1/T作圖，結果見圖4，由此可以計算出不同溫度下箬葉總黃酮提取的內擴散系數。

3.5相關熱力學函數

基于分配平衡理論，可以得到提取過程中的平衡常數，計算見公式（7）：

Kc=ClCs=ClCt-Cl。（7）

式中：Kc為箬葉總黃酮在兩相的分配系數；Cs為箬葉顆粒中的總黃酮濃度；Cl為溶液中的總黃酮濃度；Ct為總黃酮在兩相的總濃度，采用浸提法提取3次測定箬葉總黃酮的總含量[12]。

在一定的溫度范圍內，提取達到平衡時，提取過程的焓變ΔH及熵變ΔS可由范托夫方程計算：

lnK=-ΔHRT+ΔSR；（8）

ΔG=-RTlnKc。（9）

根據式（8）作lnK-1/T 圖，直線的斜率和截距分別為ΔH/R 和ΔS/R，可計算提取過程中熱力學函數，結果見表3。

4結論

箬葉總黃酮的提取動力學方程符合一級動力學模式，熱力學數據表明，該提取過程是自發、吸熱和熵增加的過程。當料液比一定時，模型可以大致預測浸提效果同浸提溫度和時間的關系，可以為箬葉總黃酮的提取工藝設計及操作條件的選擇提供有價值的理論依據。

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