李 冬，李穩(wěn)宏*，廉媛媛，高 蓉，李學(xué)坤，朱驟海

1西北大學(xué)化工學(xué)院，西安710069;2陜西地礦醫(yī)院藥劑科，西安710014;3第四軍醫(yī)大學(xué)化學(xué)系，西安710032

化香樹果序總黃酮提取動力學(xué)研究

李 冬1，李穩(wěn)宏1*，廉媛媛2，高 蓉3，李學(xué)坤1，朱驟海1

1西北大學(xué)化工學(xué)院，西安710069;2陜西地礦醫(yī)院藥劑科，西安710014;3第四軍醫(yī)大學(xué)化學(xué)系，西安710032

以化香樹果序?yàn)樵希?0%的乙醇水溶液為溶劑提取黃酮類化合物，在不同溫度下對總黃酮的傳質(zhì)動力學(xué)進(jìn)行了研究。采用平板模型，以Fick第二定律為基礎(chǔ)，建立了化香樹果序總黃酮提取的動力學(xué)方程，求得了速率常數(shù)、活化能、相對萃余率等一系列動力學(xué)參數(shù)。研究結(jié)果可為化香樹果序總黃酮提取工程放大和深入理論研究提供一定的依據(jù)。

化香樹果序;總黃酮;提取;動力學(xué)

化香樹果序是化香樹的干燥果序，具有清熱解毒、活血化瘀、清腫排膿、通竅止痛的功效［1］。黃酮類化合物具有抗菌、消炎、抗突變、降壓、清熱解毒、鎮(zhèn)靜、利尿、抗氧化、抗癌防癌、抑制脂肪氧化酶等多種生物活性。其顯著的生物活性對于研究化香樹果序治療鼻炎鼻塞有較大的價值［2-5］。目前，尚無化香樹果序黃酮提取動力學(xué)方面的報(bào)道。本文以Fick第二定律為基礎(chǔ)，建立化香樹果序總黃酮提取的動力學(xué)模型，并依此對速率常數(shù)和相對萃余率等一系列動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行求解，以求為化香樹果序提取工業(yè)化放大和深入理論研究提供一定的依據(jù)。

1 提取動力學(xué)模型的建立

天然產(chǎn)物有效成分的提取過程中，往往同時伴隨其它成分的浸出，機(jī)理較為復(fù)雜。但一般包括三個步驟，即:(1)溶劑向固體植物顆粒內(nèi)部滲透，浸潤顆粒并溶解有效成分;(2)被溶解的有效成分以分子形態(tài)從植物顆粒內(nèi)部擴(kuò)散遷移到固液界面上; (3)有效成分從固液界面向溶劑主體擴(kuò)散［6］。其中內(nèi)擴(kuò)散常被認(rèn)為是整個提取過程的速率控制步驟［7］。

化香樹果序內(nèi)部的總黃酮濃度隨提取時間的增加不斷降低，為不穩(wěn)定擴(kuò)散過程。為便于分析，本研究中采用平板模型，以單果序葉片為計(jì)算對象，現(xiàn)假設(shè):(1)顆粒的厚度是均勻的;(2)有效成分的擴(kuò)散方向是沿顆粒的厚度方向進(jìn)行的;(3)萃取開始時刻顆粒內(nèi)各成分是均勻分布的;(4)顆粒表面的傳質(zhì)阻力忽略不計(jì)且在任意取樣時間間隔內(nèi)，有效成分的擴(kuò)散系數(shù)不變;(5)顆粒與溶劑的溫度是相同的，且溫度是均勻分布的。

由于平板中的擴(kuò)散在中心面的兩側(cè)對稱，因此，任意時刻濃度分布在兩側(cè)必然對稱。將坐標(biāo)原點(diǎn)取在平板中心，研究半個平板。則根據(jù)Fick擴(kuò)散第二定律，有

將其簡化建立控制方程，并確定初始條件和邊界條件為

初始條件c(d，0)=c0

式中:t為提取時間，min;d為距平板中心的距離，m;c為提取過程中t時刻顆粒內(nèi)距平板中心為d處的有效成分質(zhì)量濃度，%;D為單片化香樹果序厚度的一半，m;DS為內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)，m2/min。

定義無量綱濃度c*=(c-c1)/(c0-c1)

將式(2)改寫為

初始條件c*(d，0)=1

用分離變量法求解式(3)，令無量綱濃度c*(d，t)=X(d)T(t)，有

式(4)只有兩側(cè)均為常數(shù)時才能成立，令該常數(shù)為－f2，得到兩個常微分方程

它們的通解分別為

代入邊界條件式，得到常數(shù)C1=0，特征值為

由解的疊加原理，得到無量綱濃度的解

由初始條件，確定常數(shù)

最后，得到無量綱濃度

式(10)表示了忽略表面?zhèn)髻|(zhì)阻力情況下，大平板內(nèi)有效成分?jǐn)U散濃度是時間和位置的函數(shù)。提取是內(nèi)擴(kuò)散控制，有效成分一經(jīng)擴(kuò)散到表面，即進(jìn)入溶液主體，在d=D處，c=C，可把式(10)變?yōu)?/p>

式中:C0為提取液中溶質(zhì)的初始質(zhì)量濃度，%; C∞為提取平衡時提取液中溶質(zhì)的初始質(zhì)量濃度，%。非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)的濃度分布式為一無窮級數(shù)，一般取第一項(xiàng)計(jì)算即可，故

式(13)便是根據(jù)Fick第二定律建立的動力學(xué)模型。該模型可表達(dá)化香樹果序顆粒尺寸、提取時間、提取溫度和料液比與有效成分提取液濃度之間的關(guān)系。

2 材料與方法

2.1 材料

化香樹果序由陜西香菊藥業(yè)集團(tuán)有限公司提供;蘆丁，中國醫(yī)藥(集團(tuán))上?；瘜W(xué)試劑公司提供;乙醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉等試劑均為分析純。

紫外可見分光光度儀，UV-2501PC，日本島津公司;電熱恒溫水浴鍋，DK-98-1型，天津市泰斯特儀器有限公司;精密增力電動攪拌器，JJ-1型，常州國華電器有限公司;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，RE-52AA型，上海嘉鵬科技公司;分析天平，AL204型，瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 化香樹果序飽和吸溶劑率的測定

精確稱取不同質(zhì)量化香樹果序，用滴定管將60%乙醇水溶液滴加，每次滴加后充分振蕩并浸潤數(shù)分鐘，使果序充分吸收溶劑，直至充分吸濕且無多余溶劑，記錄消耗的溶液體積。則P=(V1-V2)/M，式中:P為飽和吸溶劑率，mL/g;V1為滴定管初讀數(shù)，mL;V2為滴定管終讀數(shù)，mL;M為化香樹果序質(zhì)量，g。

2.2.2 提取方法

將厚度為0.25 mm的化香樹果序12 g加入500 mL的三口燒瓶中，根據(jù)果序的飽和吸溶劑率先用適量的60%乙醇水溶液室溫浸潤10 min，再立刻向三口燒瓶中加入己加熱到設(shè)定溫度的60%乙醇水溶液至總量200 mL，在此溫度下進(jìn)行常壓恒溫水浴回流提取，同時在100 rpm下進(jìn)行攪拌并計(jì)時，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)在不同時間間隔定時取樣200 μL。

提取時間為:t1=10 min，t2=30 min，t3=60 min，t4=90 min，t5=120 min，t6=150 min，t7=180 min，t8=210 min，t9=240 min，t10=270 min，t11=300 min，t12=360 min;

提取溫度為:T1=313 K，T2=323 K，T3=333 K，T4=343 K，T5=353 K。

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制［8］

精密吸取0.1 mg/mL的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品溶液0、1、2、3、4、5 mL置于10 mL容量瓶中，各加入30%乙醇補(bǔ)齊至5 mL，依次分別加入5%NaNO2溶液0.3 mL，靜置6 min;10%Al(NO3)3溶液0.3 mL，靜置6 min;4%NaOH溶液4 mL;最后用蒸餾水稀釋到10 mL并靜置20 min。用紫外可見分光光度儀在波長510 nm處測定吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到回歸方程為:C=0.0927A－0.000333，R2=0.9997。

2.2.4 樣品濃度測定方法［9］

每次取樣后浸提液總體積將減少200 μL，多次取樣將導(dǎo)致提取液總體積的減少，同時也造成提取液中有效成分質(zhì)量的減少。因而，必須對浸提稀釋液所測得的濃度進(jìn)行修正，修正式為:

式中:Cn為第n次取樣的濃度修正值，μg/mL; C'n為第n次取樣的濃度測定值，μg/mL;n為取樣次數(shù)，n=l，2，3，……。C'n的測定方法采用2.2.3得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行換算得到。

3 結(jié)果和討論

3.1 化香樹果序飽和吸溶劑率

根據(jù)2.2.1的方法得到化香樹果序的吸溶劑率P=0.68 mL/g。

3.2 速率常數(shù)的求解

不同溫度下提取液中總黃酮濃度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同溫度下提取液中總黃酮濃度(%)Table 1 Concentration of total flavonoids at different temperature(%)

由表1可以看出，不同浸提溫度條件下，總黃酮濃度差異較大，提取溫度越高，提取速度越快，提取液濃度越大。當(dāng)溫度為333 K、343 K、353 K時，提取時間達(dá)到210 min時，基本達(dá)到平衡，溫度越低，達(dá)到平衡時所需的時間越長。提取時間小于210 min時，達(dá)到相同濃度所需時間不同，溫度越高，所需時間越短。在提取過程中，提取液濃度在較長時間內(nèi)基本保持不變，可認(rèn)為此時己基本達(dá)到浸提平衡，該濃度可作為平衡濃度。

利用表1的數(shù)據(jù)得到ln［C∞/(C∞-C)和提取時間t的關(guān)系結(jié)果見表2。

表2 不同溫度下ln［C∞/(C∞-C)］與t的關(guān)系Table 2 Relationship between ln［C∞/(C∞-C)］and t at different temperature

323 ln［C∞/(C∞-C)=0.0125t+1.23390.9941 4.02 2.08 2.85 333 ln［C∞/(C∞-C)=0.015t+1.1431 0.9879 4.26 2.50 2.90 343 ln［C∞/(C∞-C)=0.0173t+1.109 0.9960 4.49 2.88 3.01 353 ln［C∞/(C∞-C)=0.0203t+1.124 0.9846 4.58 3.38 3.09

從表2可以看出，所建立的動力學(xué)方程式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能較好的吻合，ln［C∞/(C∞-C)與t之間線性關(guān)系良好，R2均在0.98以上。表觀速率常數(shù)隨著溫度的升高較顯著地增大，有效成分的提取速度越快，同時可以看出C0隨溫度的升高也略有升高。

3.3 相對萃余率的求解

設(shè)相對萃余率y=(C∞-C)/(C∞-C0)，則式(12)變?yōu)閥=(4/π)exp(-λt)，分別利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作y對提取時間t的關(guān)系圖，結(jié)果見圖1。

圖1 不同溫度下y與t的關(guān)系Fig.1 Relationship between y and t at different temperature

由圖1可知，擬合方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2均在0.98以上，曲線的擬合精度較高，所以化香樹果序中總黃酮的提取符合指數(shù)模型。由相對萃余率的定義可知，其值越小說明提取率越大，圖中可以看出隨著時間的增加或溫度的升高相對萃余率不斷的減小，提取率在不斷增大，但是增長的幅度下降。所以，實(shí)際提取過程中并非時間越長越好，還需考慮提取的效率以及設(shè)備的利用率等因素。

3.4 活化能的求解

圖2 –lnk與1000/T關(guān)系圖Fig.2 Relationship between–lnk and 1000/T

由化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)可知，在低溫下表觀擴(kuò)散速率常數(shù)是溫度的函數(shù)。那么，在總黃酮的提取過程中其表觀擴(kuò)散速率常數(shù)與提取溫度的關(guān)系應(yīng)遵循Arrhenius公式，對-lnk和1/T作圖，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，lnk和1/T線性關(guān)系良好，其回歸方程為:lnk=1776.4/T+2.9659。據(jù)此可以算出化香樹果序提取總酚過程中的活化能，Ea=1367× 8.314=11365 J/mol。

3.5 有效擴(kuò)散系數(shù)的求解

提取過程的內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)可以通過速率常數(shù)計(jì)算。由λ=(π2Ds)/(4D2)可知，速率常數(shù)是內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)Ds和顆粒尺寸的函數(shù)。由Ds對T作圖得圖3。得到回歸方程為:104Ds=0.0056exp(0.0153T)，由此可以計(jì)算出不同溫度下化香樹果序中總黃酮和總酚提取的內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)。

圖3 Ds和T的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between Ds and T

4 結(jié)論

采用平板模型，根據(jù)Fick第二定律為基礎(chǔ)，通過一些假定和簡化，建立了化香樹果序總黃酮提取的動力學(xué)模型，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。通過對化香樹果序總黃酮的提取試驗(yàn)研究，結(jié)合所建立的動力學(xué)模型，求得了速率常數(shù)、相對萃余率、活化能以及有效擴(kuò)散系數(shù)等一系列有價值的動力學(xué)參數(shù)。研究結(jié)果可為化香樹果序有效成分的提取工藝條件優(yōu)化以及工藝設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的理論依據(jù)和參考。

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Kinetics on the Extraction of Total Flavonoids from Infructescence of Platycarya Strobilacea Sieb.et Zucc

LI Dong1，LI Wen-hong1*，LIAN Yuan-yuan2，GAO Rong3，LI Xue-kun1，ZHU Zhou-hai11School of Chemical Engineering，Northwest University，Xi’an 710069，China;2Department of Pharmacy，Shaanxi Dikuang Hospital，Xi’an 710014，China; 3Department of Chemistry，F(xiàn)ourth Military Medical University，Xi’an 710032，China

In this paper，60%ethanol was used as solvent to extract flavonoids from Platycarya Strobilacea Sieb.et Zucc.，and the mass transfer kinetics of polyphenol at different temperature was investigated.According to Fick’s second law of diffusion，the kinetic equation for Platycarya Strobilacea Sieb.et Zucc.extraction process was established with plate model，and the parameters，such as K(rate constant)，Ea(activation energy)，y(yield)were gained.The results could provide the valuable theory basis for the technical design and further research of total flavonoids extraction process.

Platycarya Strobilacea Sieb.et Zucc.;total flavonoids;extraction;dynamics

1001-6880(2011)04-0689-05

2009-10-10 接受日期:2010-02-04

陜西省教育廳重大產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(2007JC18);西安市科技創(chuàng)新支撐計(jì)劃(F07071)

*通訊作者 E-mail:liwenhong@nwu.edu.cn

TQ028.96;Q946.91

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