響應面法優化蓖麻堿提取工藝

穆莎茉莉，冀照君，張樹軍，蘇亞拉圖，狄建軍

(1.內蒙古民族大學生命科學學院，內蒙古通遼 028000;

2.內蒙古自治區高校蓖麻產業工程研究中心，內蒙古通遼 028000)

響應面法優化蓖麻堿提取工藝

穆莎茉莉1，2，冀照君1，2，張樹軍1，2，蘇亞拉圖1，2，狄建軍1，2

(1.內蒙古民族大學生命科學學院，內蒙古通遼 028000;

2.內蒙古自治區高校蓖麻產業工程研究中心，內蒙古通遼 028000)

采用響應面法優化蓖麻堿提取工藝。以蓖麻堿提取率為考察指標，在單因素實驗的基礎上，選取提取溫度、提取時間及溶劑加入量三個因素進行中心組合實驗，通過響應面分析法對提取溫度、提取時間及溶劑加入量進行優化，得到蓖麻堿提取的最佳溫度86℃，最佳提取時間4.3h，最佳溶劑量132mL，此時蓖麻堿的提取率為2.88‰。

蓖麻堿，響應面法，提取

1864年，Tuson從蓖麻籽中單獨分離出一種類似吡啶酮的生物堿，定名為蓖麻堿。蓖麻堿化學名為N－甲基－3－氰基－4－甲氧基－2－吡啶酮，分子式為C8H8N2O2，相對分子質量164.16，熔點 201.5℃，在170～180℃時20s升華，其中的吡啶環也可以用喹啉酸甘油和天冬氨酸進行生物合成。蓖麻堿為白色針狀或棱柱狀結晶性生物堿，易溶于熱水和熱的三氯甲烷，在熱乙醇中有一定的溶解度，難溶于乙醚、石油醚和苯。雖然蓖麻堿為生物堿但是與酸不易形成鹽，其堿性溶液能使高錳酸鉀還原，同時生成氫氰酸［1－5］。蓖麻堿主要存在于蓖麻的種子和莖葉中，在幼芽的子葉中含量較高。整個植株中蓖麻堿的分布為:籽殼中蓖麻堿含量＞種子中蓖麻堿含量＞莖葉中蓖麻堿含量［6－9］。蓖麻堿的提取分為粗提、精制和純化三個階段。粗提依據的是蓖麻堿易溶于熱水，以蓖麻餅粕或蓖麻籽粒為原料國內報道了不同的處理方式:微波提取、95℃熱水提取、沸水提取等。精制是依據蓖麻堿易溶于氯仿等有機溶劑，將粗提物中的蓖麻堿進一步提取。純化是依據蓖麻堿部分溶于乙醇中，當溫度降低時溶解度下降，蓖麻堿以晶體形式析出，也有文獻報道以利用高速逆流色譜法對粗提后的蓖麻堿進行純化［10－14］。隨著低耗能時代的來臨，更多替代傳統能源的新能源將被關注，其中包括油料作物，蓖麻作為一種新的能源資源也會被開發。蓖麻的整個產業也會向著綜合利用的方向發展，蓖麻餅粕中的蓖麻堿也將成為研究的焦點，蓖麻堿的分離、純化以及檢測方法都會成為重要的研究內容［15－16］。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

無水乙醇、三氯甲烷、乙醚、甲醇 均為分析純;蓖麻籽粒 內蒙古民族大學實驗室提供。

HH－4數顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;JJ－2組織勻漿搗碎機 江蘇省大地自動化儀器廠;可調電爐 北京中興偉業儀器有限公司;紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;索氏抽提器 泰興市龍港玻璃儀器廠;旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠;DHG－9053A型熱恒溫鼓風干燥箱 上海鴻都電子科技有限公司;AO104電子天平 梅特勒－托利多儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 蓖麻堿提取工藝 蓖麻籽粒(帶殼)→粉碎(膏狀)→熱水浸提→過濾→濾液濃縮→蓖麻堿粗提物→乙醚脫脂→氯仿回流提取→旋轉蒸發→乙醇重結晶→蓖麻堿

1.2.1.1 樣品制備 2kg蓖麻籽粒粉碎后用100℃熱水浸提2h，加水量為固體物料的5倍，重復3次，合并每次浸提液，經常壓電爐加熱保持沸騰并不斷攪拌將水分蒸發，蒸發至提取液呈糊狀移入干燥箱，80℃烘干至300g即得到蓖麻堿粗提物。取20g蓖麻堿粗提物，將其粉碎后用濾紙包好備用。

脫脂處理，濾紙包放入索氏提取器虹吸管內用乙醚回流提取脫脂，直至回流乙醚由淡黃色變為無色，完成脫脂。

1.2.1.2 蓖麻堿的精制及測定 經脫脂處理的蓖麻堿粗提物，放在索氏提取器中，加入氯仿對蓖麻堿進行提取，提取完畢后將其放在旋轉蒸發儀上蒸干，在瓶內加入100mL甲醇，溶解瓶內物質并準確定容在100mL容量瓶內，取一定量在紫外分光光度計上測定其吸光度，按1.2.3計算蓖麻堿提取率。

1.2.2 標準曲線的繪制 精確稱取1.0000g蓖麻堿標準樣品，用甲醇溶解并定容在10mL容量瓶中。從上述溶液中吸取0、100、300、500、700、900μL分別用甲醇定容在10mL容量瓶中。在313nm處測定上述溶液的吸光度，以吸光度為橫坐標、濃度為縱坐標作標準曲線，可得回歸方程:Y=0.0406X－0.0010，R2= 0.9999。

1.2.4 單因素實驗 以氯仿的不同添加量為單因素對蓖麻堿粗提物進行提取，分別為100、110、120、130、140mL，固定提取溫度85℃、提取時間4h、蓖麻堿粗提物20g。

以不同提取溫度為單因素進行實驗，分別為70、75、80、85、90℃，固定溶劑量130mL、提取時間4h、蓖麻堿粗提物20g。

以不同處理時間為單因素進行實驗，分別為2、3、4、5、6h，固定提取溫度85℃、溶劑量130mL、蓖麻堿粗提物20g。

1.3 響應面的建立［17-18］

1.3.1 實驗設計 在單因素實驗的基礎上進行中心旋轉組合實驗，以溶劑量(x1)、提取溫度(x2)、提取時間(x3)三因素為自變量，提取率為響應值(y)進行實驗，共20個實驗點。因素水平編碼表見表1。

1.3.2 統計分析 采用Design－Expert7.1軟件(Stat Ease，Inc，Minneapolis，USA)、SPSS(version11.5，SPSSlnc.USA)軟件對實驗結果進行分析。

表1 中心旋轉組合設計因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of central composite rotatable design

2 結果與分析

2.1 溶劑量對蓖麻堿提取率的影響單因素實驗

由圖1可知，隨著溶劑量的增加提取率呈上升趨勢，在溶劑量為130mL時提取率達到最大2.87‰，當溶劑量增加到140mL時，提取率下降至2.84‰，這可能是由于接收瓶中的溶劑量較大，液面上方的飽和蒸汽壓較大，使虹吸管中的液體流速過快，在蓖麻堿還未全部溶出就完成了虹吸作用，從而不利于蓖麻堿的提取。因此，蓖麻堿提取的最佳溶劑量為130mL。

圖1 不同溶劑量對蓖麻堿提取率的影響Fig.1 Influence of solvent volume on extraction yield of ricinine

2.2 提取溫度對蓖麻堿提取率的影響單因素實驗

由圖2可知，提取溫度與蓖麻堿提取率呈正相關。當提取溫度為70～75℃時，蓖麻堿提取率增加了0.13‰;當提取溫度為75～80℃時，蓖麻堿提取率增加了0.36‰;當提取溫度為85℃時提取率增加至0.287‰;當溫度大于90℃時，蓖麻堿提取率有下降的趨勢，這可能是因為溫度過高虹吸管中提取液流速過快，不利于蓖麻堿的溶出。因此，蓖麻堿提取的最佳溫度為85℃。

圖2 提取溫度對蓖麻堿提取率的影響Fig.2 Influence of extraction temperature on extraction yield of ricinine

2.3 提取時間對蓖麻堿提取率影響單因素實驗

表3 中心旋轉組合設計方差分析表Table 3 Analysis of variance(ANOVA)of the regression parameters for the response surface model

由圖3可知，提取時間為2h時蓖麻堿的提取率最小，2～3h時提取率增加了0.73‰，4～6h提取率增加了0.01‰，因此，4h為最佳提取時間。

圖3 提取時間對蓖麻堿提取率的影響Fig.3 Influence of extraction time on extraction yield of ricinine

2.4 響應面實驗結果

本實驗 采 用響 應面 法 (Responsesurface methodology，RSM)確定對不同提取溫度、不同提取時間、不同溶劑量對蓖麻堿提取的最佳工藝。實驗設計的實驗條件和響應值見表2。

2.5 響應面分析

通過分析自變量和因變量得到能夠在給定的范圍內預測響應值的回歸方程，回歸方程如下:

中心旋轉組合設計的方差分析見表3。本實驗所得回歸模型極顯著(p＜0.0001)，且失擬項F= 1.1738，p=0.4323＞0.05不顯著，表明中心旋轉組合實驗設計所獲得的回歸方程與實際情況擬合較好，實驗誤差小，因此可用該回歸方程代替實驗真實點對實驗結果進行分析和預測。

圖4～圖6直觀的反映出提取時間、提取溫度和溶劑加入量對提取率的影響。從圖4、圖5看出，溶劑量對提取率的影響相對于時間和溫度兩個因素較小，提取率隨著溶劑量的增加先是緩慢的增加而后又下降。從圖4、圖6看出溫度是三個因素中對提取率影響最大的因素，溫度77～85℃時提取率隨溫度的上升迅速增加，在85～93℃時，先緩慢增加，之后又略有回落。從圖5、圖6得到時間對提取率的影響較溶劑加入量大，提取時間在2.3～4h時，隨著時間的增加提取率快速增加，之后趨于平緩。

表2 響應面設計方案及實驗結果Table 2 Response surface design and responses

2.6 回歸模型的驗證性實驗

根據回歸模型計算可以得到實驗的最佳工藝預測值:85.9℃，提取4.3h，溶劑量131.9mL，理論最大提取率為2.89‰。根據模型將工藝條件調整為: 86℃、提取4.3h、溶劑量132mL，在此條件下進行實驗并重復5次，得到平提取率均值為2.88‰，實際值與預測值之間相對誤差為0.01‰，差異不顯著，說明響應面模型能很好的應用于蓖麻堿提取工藝條件的優化。

圖4 提取溫度和溶劑量對蓖麻堿提取率影響的響應面Fig.4 Response surface of extraction temperature and solvent volume on the extraction yield of ricinine

圖5 提取時間和溶劑量對蓖麻堿提取率影響的響應面圖Fig.5 Response surface of extraction time and solvent volume on the extraction yield of ricinine

圖6 提取時間和提取溫度對蓖麻堿提取率影響的響應面圖Fig.6 Response surface of extraction time and extraction temperature on the extraction yield of ricinine

3 結論

本實驗運用響應面分析法優化蓖麻堿提取工藝，并對實驗結果進行數學模擬和預測，通過驗證實驗得到的實際值與預測結果非常接近，說明響應面模型可很好的應用于蓖麻堿提取工藝條件的優化。經過優化后的最優提取工藝條件為:提取溫度86℃、提取時間4.3h、溶劑量132mL，在該條件下20g蓖麻堿粗提物的蓖麻堿提取率為2.88‰。

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Optimization of extraction process for ricinine from castor by response surface methodology

MU Sha－moli1，2，JI Zhao－jun1，2，ZHANG Shu－jun1，2，SU Ya－latu1，2，DI Jian－jun1，2
(1.College of Life Science，Inner Mongolia University for the Nationalities，Tongliao 028000，China;
2.Inner Mongolia Industrial Engineering Research Center of Universities for Castor，Tongliao 028000，China)

The extraction process for ricinine from castor was optimized by response surface methodology with the yield of ricinine from castor as investigare index.Based on the single－factor tests，the center combination experiment was esbablished with three key factors of extraction temperature，extraction time and solvent volume.The extraction process parameters of extraction temperature，extraction time and solvent volume were optimized through response surface analysis.The results showed that optimal extraction process parameters were extraction temperature of 86℃，extraction time of 4.3h and solvent volume of 132mL.Under the optimal extraction conditions，the yield of ricinine from castor was up to 2.88‰.

ricinine;response surface methodology;extraction

TS222

B

1002－0306(2012)21－0206－04

2012－06－25

穆莎茉莉(1979－)，女，研究生，講師，主要從事農產品加工方面的教學與科研工作。

內蒙古自治區高校蓖麻產業工程技術研究中心項目(BMYJ2010001);內蒙古民族大學科學研究項目(MDX2010035);軍事科學院軍事獸醫研究所與內蒙古民族大學橫向課題(MV－201008－2)。