內部沸騰法提取槐米中的蘆丁及其動力學和熱力學研究

張艷麗， 符華林， 盧朝成， 劉夢嬌， 周建瑜， 范巧佳

（四川農業大學動物醫學院藥學系，四川雅安625014）

內部沸騰法提取槐米中的蘆丁及其動力學和熱力學研究

張艷麗， 符華林*， 盧朝成， 劉夢嬌， 周建瑜， 范巧佳

（四川農業大學動物醫學院藥學系，四川雅安625014）

目的采用內部沸騰法提取槐米中的蘆丁，并對其提取過程中的動力學和熱力學進行研究。方法內部沸騰法提取槐米中的蘆丁，通過單因素實驗進行優化，并計算提取過程中的傳質系數k，活化能及熱力學函數ΔH，ΔS和ΔG。結果當乙醇體積分數為80%，解吸液料比為2.4 mL/g，解吸時間為30 min，提取劑乙醇體積分數為10%，提取液料比為16 mL/g，提取溫度為80℃～90℃，蘆丁內部沸騰法提取過程在200 s內完成，提取速率比乙醇回流法快24倍；內部沸騰法提取過程的傳質系數k在0.004 9～0.006 9 s-1，大于乙醇回流提取的7.00×10-4s-1；提取過程的活化能和熱力學參數，ΔE為35.65 kJ/mol，ΔH為168.05 kJ/mol，ΔS為481.33 J/（mol·K），ΔG為-4.34 kJ/mol（85℃）。結論內部沸騰法的提取過程是吸熱熵增加的過程，ΔG小于零，為自發過程。

內部沸騰法；提取；蘆丁；動力學；熱力學

槐米為豆科植物槐Sophora japonica L的未開放的花蕾，是一種傳統的中藥材，具有涼血、止血之功效［1-2］。可藥用也可食用［3］。現代研究表明，槐米具有抗炎、抗病毒、抗氧化等藥理作用，其藥效主要與其含有黃酮類物質蘆丁有關系［4］。目前槐米中蘆丁的提取方法有水提法、堿提酸沉法、乙醇回流法等［5］。水提法簡單易行，生產成本低，但蘆丁的收率低；乙醇回流法需要大量的乙醇作為溶劑，且提取時間較長，所以生產成本較高。采用微波輔助提取（MAE）和超聲輔助提取（UAE）可以加快藥物的提取速率，但這些方法需要投入大量的設備和消耗大量的能源，因此他們很難在大規模化生產中被應用［6-8］。所以找到一種省時、節能、安全、環保的提取方法是現代藥物提取的當務之急。

內部沸騰法是由韋藤幼等人提出的一種快速、高效提取藥物成分的方法［9］。此方法的機理是有效成分在提取過程中的遷移并不是傳統的分子擴散［10］，而是預先滲透到植物內部的解吸劑沸騰從而引起的對流擴散。陳曉光等［11］采用內部沸騰法提取香菇多糖，與傳統法相比其多糖的提取率提高了0.18%，整個提取時間縮短了85 min。石靈高等［12］采用減壓內部沸騰法提取銀杏葉總黃酮，其提取速度比傳統法快11倍，乙醇溶劑用量也減少了2倍，且提取液色素和雜質含有量也相對較少。但目前尚未見內部沸騰法提取槐米中蘆丁的報道。本實驗采用內部沸騰法來提取槐米中的蘆丁，并對其提取動力學和熱力學進行研究，旨在解決傳統提取方法提取時間較長、提取效率較差等問題，從而為大規模生產提供依據。

1 儀器與材料

UV-2000型紫外可見分光光度計 （上海尤尼柯儀器有限公司）；HH-2電子恒溫水浴鍋 （國華電器有限公司）；真空恒溫干燥箱 （天津藥典標準儀器廠）。

槐米購買于雅安市惠民大藥房，經四川農業大學范巧佳副教授鑒定為正品藥材；蘆丁對照品 （中國食品藥品檢定研究院，純度92.5%，批號10080-200707）；無水三氯化鋁 （天津市福晨化學試劑廠，批號20121102）；其他試劑均為分析純。

2 方法和結果

2.1 蘆丁定量測定方法的建立 精密稱定蘆丁對照品5.0 mg，置于50 mL量瓶中，加入適量60%乙醇，微熱溶解，放冷至室溫，用60%乙醇定容得母液，備用。取不同體積的母液至10mL量瓶中，加入1mol/LAlCl3溶液1.0mL，配制成質量濃度為10、12、14、16、18、20μg/mL的溶液，于415 nm處測定吸光度，得到標準曲線回歸方程：A= 0.024 6C+0.017 4，r2=0.999 3。此方法的日內和日間精密度及回收率見表1。結果表明該測定方法穩定，重復性高。

表1 不同質量濃度蘆丁標準液的精密度和回收率 （n=5）

2.2 內部沸騰法提取槐米中的蘆丁及方法優化 稱取5 g槐米粉末 （粉碎，過60目），用一定體積分數的乙醇溶液解吸30 m in，使乙醇溶液充分滲透槐米粉末；倒入一定量不同體積分數的熱乙醇，提取一定時間后，真空抽濾，得濾液，放至室溫，然后用濃鹽酸調pH 3～4，攪勻，4℃冰箱靜置，抽濾，45℃真空干燥，得蘆丁樣品。分別考察解吸時乙醇的用量、體積分數、解吸時間以及外部提取劑乙醇的體積分數和用量對提取過程的影響。結果見圖1。

圖1 內部沸騰法提取過程中各操作因素對蘆丁提取率的影響

從圖1（a）中可知解吸劑乙醇的最佳體積分數為60%，這是因為當乙醇體積分數低時，滲透到物料內部乙醇不沸騰，當體積分數高時，內部沸騰強烈，但持續時間短，導致提取不完全；圖1（b）是解吸時乙醇的用量篩選，從圖中可知，當乙醇用量為12mL（液料比為2.4 mL/ g）時提取率最高，增加用量對提取率影響不大，但乙醇用量太少則解吸不充分不利于提取；圖1（c）和 （d）所示，當解吸時間超過30min和提取時液料比為16 mL/g時對提取過程已沒有影響；從圖1（e）中可知最佳外部提取劑的乙醇體積分數為10%，這是由于當乙醇體積分數較低時，蘆丁溶解度較小，不易擴散溶解到提取介質中；但是乙醇體積分數高于10%時，外部和內部的乙醇體積分數差減小，不利于物質的傳遞，而且許多脂溶性物質也被提出，使粗提取物中雜質較多，同時增加了提取成本。

2.3 提取動力學方程的測定 內部沸騰法：用12 mL 80%乙醇解吸30 min，用80 m L 10%乙醇進行提取，分別考察提取溫度為80℃、85℃、90℃下的提取動力學。用提取時間與其對應的質量濃度作圖，得到提取動力學曲線。結果見圖2（a）。

為與內部沸騰法對比，稱取5 g槐花米粉末，加入10 mL 20%的乙醇浸潤30 min，加入80 mL 85℃20%乙醇，于85℃的水浴鍋中進行回流提取，每隔一定時間后，從燒瓶中取1 mL的提取液，微孔濾膜過濾，用10 mL的量瓶定容至刻度，然后用紫外分光光度計測定蘆丁的量，重復3次，取平均值，經分析計算得出提取的動力學曲線，比較其提取效果的差異。結果見圖2（b）。

圖2 提取時間與蘆丁質量濃度的關系

圖2（a）分別為80、85、90℃3個溫度下的內部沸騰提取過程的動力學曲線。從圖中可知，3個溫度下的提取速度非常快，200 s內提取完成，其與圖2（b）比較可以看出，乙醇回流則需要4 800 s，為內部沸騰法的24倍。

一般來說，在天然產物有效成分的提取過程中，當有效成分從植物顆粒內部向外部提取劑擴散的過程中，都是處于一種非穩態的擴散狀態［13-14］，假設粉碎后的槐米顆粒為球形，所以采用Fick第二定律為依據，用如下方程［15-16］進行動力學方程擬合，擬合結果見表2。，即可得到式 （2）：

ln（Cs-Ci）=-kt+A （2）

其中F為固相中蘆丁含有量與槐米中蘆丁總含有量的比值；Ct為t（s）時刻蘆丁的質量濃度；Cs為槐米中蘆丁的總質量濃度；r為距球心的半徑。

表2 不同提取方法經擬合后的參數比較

表2為蘆丁的內部沸騰法和乙醇回流經方程式 （2）擬合后的結果，從表中可以看出：①擬合系數R2均大于0.99，這就說明內部沸騰法的提取動力學符合該方程，也就是說無論是內部沸騰法還是乙醇回流其提取動力學方程與傳統的提取方法是一樣的。②其傳質系數k隨溫度的增加而稍顯增加，其變化范圍在0.49×10-2～0.69×10-2s-1之間，這與對流傳質的特征相符合；而乙醇回流的k為7.00×10-4s-1，與同溫度下的內部沸騰法相比，k僅為其1/8倍，之所以內部沸騰法提取速度加快，這主要是由于傳質方式的改變而實現的。

根據表2數據，對ln k與1/T作圖 （如圖3），由方程式k=k0exp（-ΔE/RT）可推到出ln k=ln k0-ΔE/RT.

通過計算可求出過程中的活化能ΔE為35.648 kJ/mol，提取過程中的活化能較低，有利于提取的進行。

圖3 內部沸騰法提取過程中傳質系數ln k與1/T的關系圖

2.4 提取過程熱力學計算 內部沸騰法的本質和機理可用熱力學參數來描述，例如ΔG、ΔH、ΔS。而提取過程的ΔH和ΔS可由Van't Hoff的方程［17］計算：

ln K=-（ΔG/RT）=-（ΔH/RT）+ΔS/R （3）

K=Ye/Yn（4）

其中K為蘆丁在兩相中的分配系數；Yn為蘆丁保留在固相中的產率：Ye為提取平衡時蘆丁的產率；采用內部沸騰法提取3次測定蘆丁的總含量。

根據實驗測定的80℃、85℃、90℃下的Yn。根據公式 （4）可分別計算出采用內部沸騰法提取的兩相分配系數K。將ln K和1/T進行線性擬合可得：ln K=57.891-20 212/T，R2=0.990 3。根據公式 （3）可得3個溫度下的熱力學參數，結果見表3。

表3 蘆丁在不同溫度下的分配系數及熱力學參數

通過計算可知，ΔH和ΔS均大于零，由此表明內部沸騰法的提取過程為吸熱熵增加的過程，ΔG小于零，為自發過程。隨著溫度的升高，ΔG逐漸減小，說明越容易進行。

4 討論

從槐米中提取蘆丁，屬于物理溶解過程，其過程如下［10］：（1）槐米的潤濕和溶劑向其內部的滲透；（2）槐米內部蘆丁的溶解； （3）蘆丁從槐米內部向槐米表面擴散；（4）蘆丁按擴散的方式通過固-液界面的邊界層；（5）蘆丁從固液界面向液相主體擴散。其中步驟 （1） （2） （3）屬于內部擴散，步驟 （4）屬于界面傳質，步驟 （5）屬于外擴散。采用內部沸騰法提取時，當加入熱乙醇時內部就會沸騰，這就使得槐米顆粒在溶劑中不斷的碰撞，蘆丁就被提取出來了。

本實驗采用內部沸騰法提取了槐米中的蘆丁，單因素實驗結果得到內部沸騰法的提取條件為：乙醇體積分數為80%，液料比為2.4 m L/g，解吸30 min，提取劑乙醇體積分數為10%及液料比為16 mL/g。通過對內部沸騰法提取動力學的研究表明，其提取過程是吸熱熵增加的過程，ΔG小于零，為自發過程。

綜述所上，此方法不僅可以快速的提取蘆丁而且還大大降低了乙醇水溶液的用量。由于蘆丁的本質是以對流傳質的方式進行的，所以在提取過程中減少了能量的消耗。又因為該方法簡便易操作，所以能夠很好的應用于大規模的生產中。

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B

1001-1528（2015）04-0895-04

10.3969/j.issn.1001-1528.2015.04.047

2014-01-09

張艷麗（1988—），女，碩士生，研究方向為藥物制劑。Tel：（0835）2885614，E-mail：zhangyanli2008927@126.com

*通信作者：符華林，男，博士，教授，研究方向為藥物制劑。Tel：（0835）2885614，E-mail：fuhl2005@sohu.com