杜仲橡膠的提取效率研究

石飛飛，高 晗，陳 帥，王穎悟，梁寧寧，夏 琳

（青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042）

杜仲橡膠主要存在于杜仲樹的樹葉、樹皮和翅果中。與天然橡膠（NR）加工方法不同，杜仲橡膠在常溫下呈固態(tài)，主要采用有機(jī)溶劑提取并分離。國(guó)內(nèi)外對(duì)杜仲橡膠的提取研究主要集中在兩方面：通過基因手段培育含膠率和產(chǎn)果率高的新品杜仲樹；優(yōu)化預(yù)處理和提取方法以提高杜仲橡膠的提取效率。

杜仲橡膠可部分替代NR用于橡塑制品領(lǐng)域[1-4]，其提取工作也備受關(guān)注。杜仲橡膠的傳統(tǒng)提取方法為機(jī)械粉碎法[5-9]，首先對(duì)杜仲植物進(jìn)行機(jī)械破壞，使其游離出盡量多的杜仲橡膠絲，再用有機(jī)溶劑溶解，最后將杜仲橡膠沉降出來。此外，生物酶解法與機(jī)械粉碎法結(jié)合[10-11]、有機(jī)相-水相分離法[12]都可以提高杜仲橡膠的提取效率。

本工作研究預(yù)處理和提取方法對(duì)杜仲橡膠提取效率的影響，為高效提取杜仲橡膠提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料和試劑

超微粉碎預(yù)處理的杜仲樹葉，自制；生物酶解預(yù)處理的杜仲樹葉，貴州大學(xué)提供；石油醚和無水乙醇（分析純），萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠產(chǎn)品。

1.2 主要儀器

BX51型偏光顯微鏡，日本奧林巴斯公司產(chǎn)品；HLC-8320型凝膠滲透色譜（GPC）儀，東曹（上海）生物科技有限公司產(chǎn)品；DSA50-GL1型超聲儀，福州德科精密工業(yè)有限公司產(chǎn)品。

1.3 杜仲橡膠的提取

（1）常規(guī)提取。將預(yù)處理的杜仲樹葉置于油浴中的0.033 g·mL-1石油醚溶液中，攪拌一定時(shí)間，將杜仲橡膠溶液過濾并分離。加入石油醚溶液3倍體積量的無水乙醇，析出杜仲橡膠，干燥。

（2）超聲波提取。在常規(guī)提取容器中配置攪拌槳，并將該容器置于超聲儀中，向石油醚溶液發(fā)出超聲波。其他條件與常規(guī)提取相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理方法

2.1.1 超微粉碎

超微粉碎預(yù)處理主要是對(duì)杜仲植物進(jìn)行機(jī)械粉碎。杜仲植物經(jīng)超微粉碎和旋風(fēng)干燥后成為粉末，按密度不同可分為微米級(jí)粉末和含膠率較高的絮狀復(fù)合物。本工作以絮狀物為研究對(duì)象。

杜仲橡膠在室溫下以結(jié)晶形式存在，偏光顯微鏡照片中的發(fā)光區(qū)域?yàn)槎胖傧鹉z從杜仲植物中暴露出來的部分。超微粉碎預(yù)處理前后杜仲樹葉的顯微鏡照片如圖1所示。

從圖1（a）可以看出，超微粉碎預(yù)處理前杜仲樹葉的發(fā)光區(qū)域很少，說明只有很少杜仲橡膠從杜仲樹葉組織中暴露出來。

圖1 超微粉碎預(yù)處理前后杜仲樹葉的顯微鏡照片

從圖1（b）可以看出，超微粉碎預(yù)處理杜仲樹葉的發(fā)光區(qū)域增多，說明大量杜仲橡膠絲暴露在杜仲樹葉外層，便于后續(xù)溶解提取。

2.1.2 生物酶解

生物酶解預(yù)處理主要采用復(fù)合生物酶對(duì)杜仲植物的纖維素細(xì)胞壁進(jìn)行水解，以去除杜仲植物表面角質(zhì)層，完成杜仲橡膠的物理處理與初步提取。生物酶解預(yù)處理杜仲樹葉的顯微鏡照片如圖2所示。

從圖2可以看出，生物酶解預(yù)處理的杜仲樹葉暴露出大量原生態(tài)的杜仲橡膠絲，有利于后續(xù)溶解提取。

圖2 生物酶解預(yù)處理后杜仲樹葉的顯微鏡照片

2.1.3 預(yù)處理方法對(duì)杜仲橡膠相對(duì)分子質(zhì)量及其分布的影響

超微粉碎和生物酶解兩種方法預(yù)處理的杜仲橡膠的GPC曲線和相對(duì)分子質(zhì)量及其分布分別如圖3和表1所示。

從圖3可以看出：與超微粉碎預(yù)處理的杜仲橡膠相比，生物酶解預(yù)處理的杜仲橡膠的保留時(shí)間更短，GPC曲線峰面積更大。這說明生物酶解預(yù)處理在一定程度上保留了杜仲橡膠在杜仲植物中存在的原貌，杜仲橡膠相對(duì)分子質(zhì)量的破壞程度較小。

圖3 杜仲橡膠的GPC曲線

從表1可以看出：與超微粉碎預(yù)處理的杜仲橡膠相比，生物酶解預(yù)處理的杜仲橡膠的重均相對(duì)分子質(zhì)量增大10倍以上（超過4.2×105），聚合物分散性指數(shù)（PDI）略大，相對(duì)分子質(zhì)量分布略寬。

表1 杜仲橡膠的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布

2.2 提取方法和條件對(duì)杜仲橡膠提取效率的影響

2.2.1 提取方法

對(duì)杜仲植物預(yù)處理后，再進(jìn)行杜仲橡膠的提取。提取方法對(duì)提取效率的影響如表2所示。

從表2可以看出：與常規(guī)提取相比，超聲波提取在低溫下的提取效率較高，有利于降低能耗；在相同提取時(shí)間內(nèi)，提取效率隨著溫度升高而提高。

表2 提取方法對(duì)提取效率的影響 %

2.2.2 提取時(shí)間

提取時(shí)間對(duì)提取效率的影響如表3所示。

表3 提取時(shí)間對(duì)提取效率的影響 %

從表3可以看出：與常規(guī)提取相比，在相同時(shí)間和溫度下，超聲波提取的提取效率較高；適當(dāng)延長(zhǎng)提取時(shí)間可提高提取效率。

2.2.3 超聲波頻率

超聲波頻率對(duì)提取效率的影響如表4所示。

表4 超聲波頻率對(duì)提取效率的影響 %

從表4可以看出，增大頻率可以提高超聲波提取的提取效率。超聲波在石油醚中產(chǎn)生空化效應(yīng)和機(jī)械作用，一方面可以有效地破碎杜仲植物的細(xì)胞壁，使杜仲橡膠分子呈游離狀態(tài)溶入石油醚溶液中；另一方面可以加速石油醚分子運(yùn)動(dòng)，使石油醚和杜仲橡膠快速接觸。

3 結(jié)論

（1）與超微粉碎預(yù)處理相比，生物酶解預(yù)處理暴露出更多原生態(tài)杜仲橡膠絲，能更好地保留杜仲橡膠在杜仲植物中的原貌，大10倍以上（超過4.2×105），相對(duì)分子質(zhì)量分布略寬。

（2）與常規(guī)提取相比，超聲波提取的提取效率較高；升高溫度、延長(zhǎng)時(shí)間和增大超聲波頻率可以提高超聲波提取的提取效率。

（3）采用生物酶解預(yù)處理、超聲波提取（溫度為50 ℃，時(shí)間為30 min，超聲波頻率為40 kHz），杜仲橡膠的提取效率較高且能耗適中。