厲詩(shī)嫻,周坤鵬,張遷文,周文宇,李婧
(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,黑龍江大慶 163319)
隨著我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展,水體重金屬污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅到我國(guó)的衛(wèi)生安全[1-2]。對(duì)重金屬污染的治理已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)研究領(lǐng)域的重要課題。目前處理水體重金屬污染的方式有:化學(xué)沉淀法、電解法、離子交換法、膜分離法、生物法、吸附法等[3]。但上述方法均存在一定的不足,如物理沉淀法吸附劑消耗巨大;化學(xué)沉淀法雖試劑種類繁多,但價(jià)格昂貴;生物富集法易引起水體富營(yíng)養(yǎng)化、毒性化等二次污染。因此新型的、簡(jiǎn)易有效的水體重金屬去除材料或方法的開(kāi)發(fā)對(duì)推動(dòng)我國(guó)重金屬污染治理工程的發(fā)展具有重要意義。
近些年來(lái),中藥產(chǎn)業(yè)崛起,在中藥加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物(包括殘莖、根須、根頭、破碎組織和碎屑粉渣等)[4]。目前常見(jiàn)的處理中藥廢棄物的方式有直接燃燒、肥料化、飼料化等,這些方式均未對(duì)中藥材進(jìn)行充分利用,因此中藥廢棄物的綜合開(kāi)發(fā)也成為中藥行業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn)[5]。中藥材提取物含有許多化學(xué)成分,如黃酮、生物堿、氨基酸、多糖等物質(zhì)。這些化學(xué)成分具有與金屬離子絡(luò)合的能力[3,6]。其中,黃酮類化合物與多種金屬離子形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且化學(xué)性質(zhì)惰性的配合物[7]。
本實(shí)驗(yàn)選取槐米這一種富含黃酮類化合物的中藥開(kāi)展去除重金屬能力研究。將槐米提取液與Cu2+這種常見(jiàn)的水污染金屬離子溶液混合,利用碘量法檢測(cè)槐米提取液對(duì)水體中Cu2+的去除效果,探討了中藥材提取條件、提取液與金屬離子反應(yīng)條件、藥物殘?jiān)啻卫眯Ч?/p>
槐米(熟槐米)產(chǎn)自我國(guó)山東省,顏色呈黃褐色。
乙醇,95%,遼寧泉瑞試劑有限公司;五水合硫酸銅、五水硫代硫酸鈉、硫氰化鉀、碘化鉀,天津市大茂化學(xué)試劑廠;鹽酸,37%,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;乙酸銨和可溶性淀粉,沈陽(yáng)市華東試劑廠;以上藥品與試劑均為分析純。
GZX-9240MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司;JA2603B電子天平,上海精科天美公司;PS-40超聲波清洗機(jī),東莞市潔康超聲波設(shè)備有限公司;D16-C高速冷凍離心機(jī),德國(guó)Sartorius公司;HH-4恒溫?cái)?shù)顯水浴鍋,常州億通分析儀器制造有限公司。
1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備
用蒸餾水與五水合硫酸銅配置成濃度為3.0 mmol/L的Cu2+溶液,作為Cu2+標(biāo)準(zhǔn)溶液備用。
稱取約1.6 g的Na2S2O3·5H2O,加入新煮沸并冷卻的去離子蒸餾水128 mL,先配置成50 mmol/L的Na2S2O3溶液,儲(chǔ)存于棕色試劑瓶中,在暗處放置3~5 d,備用。使用碘量法滴定之前,取一定量的50 mmol/L的Na2S2O3溶液,稀釋至濃度為2.0 mmol/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液,用于滴定。
1.2.2 槐米處理
將槐米置于60 ℃的烘箱中烘至恒重,利用研缽研磨干燥后的槐米,過(guò)60目篩后備用。
1.2.3 碘量法檢測(cè)銅離子含量
碘量法原理:I-與Cu2+反應(yīng)生成碘單質(zhì)與碘化亞銅沉淀,利用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定生成的I2,以淀粉為指示劑,確定滴定終點(diǎn)。
反應(yīng)過(guò)程:在50 mL錐形瓶中裝入銅離子標(biāo)準(zhǔn)溶液(10 mL),加入槐米提取液(1 mL),反應(yīng)5 min后加入過(guò)量KI(0.1 g),待KI溶解后利用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定;待測(cè)液顏色呈淺黃色時(shí)加入0.1%淀粉溶液(1 mL)使待測(cè)液呈深藍(lán)色,繼續(xù)滴加Na2S2O3使待測(cè)液呈淺藍(lán)色;加入0.25 g/mL的KSCN(1.2 mL),溶液變藍(lán),繼續(xù)滴加Na2S2O3至溶液呈現(xiàn)粉白色,滴定結(jié)束。
溶液Cu2+的去除率計(jì)算方法如式(1)所示:
式中,C1和C2分別表示銅離子標(biāo)準(zhǔn)溶液和Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度,mol/L;V1和V2分別表示銅離子標(biāo)椎溶液和Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定用量的體積,L。
1.2.4 槐米黃酮提取條件優(yōu)化
(1)提取溶劑。稱取1 g處理后的槐米(4份)置于50 mL離心管中,分別加入20 mL體積分?jǐn)?shù)為70%、50%、20%的乙醇溶液和蒸餾水,浸泡6 h,240 W超聲30 min。將超聲后的樣品在3 000 r/min、20 ℃的條件下離心10 min,上清液即為提取液。
(2)浸泡時(shí)間。稱取1 g處理后的槐米(4份)置于50 mL離心管中,加入20 mL蒸餾水,分別浸泡1 h、2 h、3 h、6 h,240 W超聲30 min。將超聲后的樣品在3 000 r/min、20 ℃的條件下離心10 min,上清液即為提取液。
(3)超聲時(shí)間。稱取1 g處理后的槐米(4份)置于50 mL離心管中,加入20 mL蒸餾水,浸泡6 h,240 W分別超聲0 min、10 min、20 min、30 min。將超聲后的樣品在3 000 r/min、20 ℃的條件下離心10 min,上清液即為提取液。
1.2.5 Cu2+去除條件優(yōu)化
(1)反應(yīng)溫度。將提取液與Cu2+溶液的混合溫度分別保持在20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃,反應(yīng)5 min后按照1.2.3后續(xù)步驟操作。
(2)反應(yīng)時(shí)間。將提取液與Cu2+溶液的混合溫度保持在20 ℃,分別反應(yīng)0 min、5 min、10 min、20 min、30 min、60 min,按照1.2.3后續(xù)步驟操作。
(3)反應(yīng)狀態(tài)。將提取液與Cu2+溶液的混合溫度保持在20 ℃反應(yīng)5 min,期間分別靜置與攪拌,按照1.2.3后續(xù)步驟操作。
2.1.1 溶劑
水和乙醇是常用的提取溶劑,本實(shí)驗(yàn)采用多種濃度的乙醇溶液對(duì)槐米有效成分進(jìn)行提取。如圖1(A)所示,70%乙醇提取液對(duì)Cu2+的去除率為38.61%,隨著乙醇濃度的降低,去除率降低;當(dāng)提取溶劑為蒸餾水時(shí),提取液對(duì)Cu2+的去除率達(dá)到最高,為47.08%。
圖1 槐米提取條件實(shí)驗(yàn)
槐米提取液中成分復(fù)雜,查閱文獻(xiàn)可知,高濃度乙醇溶液萃取出的黃酮類成分較多,因此隨著乙醇濃度的降低,萃取效果降低,對(duì)Cu2+的去除率隨之降低[8]。然而水提取液對(duì)Cu2+的去除率最高,分析原因可能是碘量法為顯色反應(yīng),乙醇對(duì)顯色終點(diǎn)判斷有影響;同時(shí),在黃酮類化合物與Cu2+形成配合物時(shí),在乙醇溶液中有一定的溶解度,從而影響計(jì)算結(jié)果,而配合物在水中的溶解度非常小,因此表現(xiàn)為水提取液的Cu2+去除率最高,后續(xù)提取均使用蒸餾水為溶劑。
2.1.2 浸泡時(shí)間
一般來(lái)說(shuō),浸取量與浸取時(shí)間成正比,即時(shí)間越長(zhǎng)越有利于有效成分溶出。如圖1(B)所示,隨著浸泡時(shí)間的不斷延長(zhǎng),提取液的Cu2+去除率升高,在浸泡6 h時(shí)Cu2+離子的去除率最高,達(dá)到50.79%。但浸取時(shí)間不能無(wú)限延長(zhǎng),因?yàn)樗崛∫褐袪I(yíng)養(yǎng)成分豐富,在適宜條件下微生物大量生長(zhǎng),導(dǎo)致提取液變質(zhì)。因此以浸泡6 h為最佳提取條件。
2.1.3 超聲時(shí)間
超聲波協(xié)助浸取是中藥提取中常見(jiàn)的手段,通常會(huì)提高藥材中有效成分的溶出效率。如圖1(C)所示,隨著超聲的時(shí)間增長(zhǎng),提取液的Cu2+離子去除率增加,在超聲30 min時(shí)去除率達(dá)到47.35%。在實(shí)驗(yàn)中,更長(zhǎng)的超聲時(shí)間導(dǎo)致溶液溫度增高,且耗時(shí)、耗能,不僅可能影響中藥材的利用,還造成資源浪費(fèi),因此以超聲30 min為優(yōu)選條件。
反應(yīng)溫度、時(shí)長(zhǎng)、混合條件對(duì)槐米提取液去除Cu2+能力的影響,如圖2所示。
圖2 提取液與銅離子溶液反應(yīng)條件探索
從圖2(A)可知,隨著反應(yīng)溫度升高,提取液的Cu2+去除率下降。在溫度為20 ℃時(shí),Cu2+離子的去除率最高,為49.99%。因此提取液與含Cu2+溶液反應(yīng)不需要額外提供能量,常溫即可。如圖2(B)所示,反應(yīng)時(shí)間對(duì)槐米提取液與Cu2+離子作用的影響趨勢(shì)不明顯,總體看反應(yīng)5 min時(shí)去除率最高,考慮到節(jié)省時(shí)間,優(yōu)選反應(yīng)5 min。如圖2(C)所示,兩種溶液混合后,靜置和機(jī)械攪拌對(duì)去除率影響不大,考慮到減少耗能,保證溶液充分混合即可。
綜合上述實(shí)驗(yàn),考慮生產(chǎn)中的時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本等因素,槐米有效成分的提取條件為:在料液比1∶20和室溫條件下,以水為提取劑,浸泡6 h,240 W超聲30 min。提取液與Cu2+溶液在室溫、反應(yīng)5 min、混勻條件下即可達(dá)到較好去除效果。
按照最優(yōu)提取條件對(duì)槐米進(jìn)行多次提取,檢驗(yàn)提取液去除Cu2+離子的能力,結(jié)果如圖3所示。槐米第一次提取物具有最高的Cu2+離子去除能力,隨著提取次數(shù)的增多,Cu2+離子去除能力逐漸降低。中藥材通常會(huì)提取三次,殘?jiān)礊樯a(chǎn)廢棄物,考慮到應(yīng)用成本,藥物殘?jiān)匀豢梢园l(fā)揮去除水體重金屬離子的作用。
圖3 槐米多次提取液去除重金屬能力
中藥廢棄物、中藥殘?jiān)型ǔH院幸欢康幕钚猿煞郑瑸榱顺浞掷弥兴幉馁Y源,開(kāi)發(fā)其在水體重金屬去除方面的應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義,本實(shí)驗(yàn)以槐米作為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)可以在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、耗能低、耗時(shí)少的條件下使用槐米提取液去除水體中的銅離子。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他中藥材的研究與應(yīng)用,同樣可以針對(duì)其他毒性較大的重金屬離子進(jìn)行去除能力探究。