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 橡塑材料與工程教育部重點實驗室，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，主要采用有機溶劑提取并分離。國內外對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果率高的新品杜仲樹；優化預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用于橡塑制品領域[1-4]，其提取工作也備受關注。杜仲橡膠的傳統提取方法為機械粉碎法[5-9]，首先對杜仲植物進行機械破壞，使其游離出盡量多的杜仲橡膠絲，再用有機溶劑溶解，最后將杜仲橡膠沉降出來。此外，生物酶解法與機械粉碎法結合[10-11]、有機相-水相分離法[12]都可以提高杜仲橡膠的提取效率。

本工作研究預處理和提取方法對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 實驗

1.1 主要原材料和試劑

超微粉碎預處理的杜仲樹葉，自制；生物酶解預處理的杜仲樹葉，貴州大學提供；石油醚和無水乙醇（分析純），萊陽經濟技術開發區精細化工廠產品。

1.2 主要儀器

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

1.3 杜仲橡膠的提取

（1）常規提取。將預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，向石油醚溶液發出超聲波。其他條件與常規提取相同。

2 結果與討論

2.1 預處理方法

2.1.1 超微粉碎

超微粉碎預處理主要是對杜仲植物進行機械粉碎。杜仲植物經超微粉碎和旋風干燥后成為粉末，按密度不同可分為微米級粉末和含膠率較高的絮狀復合物。本工作以絮狀物為研究對象。

杜仲橡膠在室溫下以結晶形式存在，偏光顯微鏡照片中的發光區域為杜仲橡膠從杜仲植物中暴露出來的部分。超微粉碎預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，超微粉碎預處理前杜仲樹葉的發光區域很少，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，超微粉碎預處理杜仲樹葉的發光區域增多，說明大量杜仲橡膠絲暴露在杜仲樹葉外層，便于后續溶解提取。

2.1.2 生物酶解

生物酶解預處理主要采用復合生物酶對杜仲植物的纖維素細胞壁進行水解，以去除杜仲植物表面角質層，完成杜仲橡膠的物理處理與初步提取。生物酶解預處理杜仲樹葉的顯微鏡照片如圖2所示。

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

圖2 生物酶解預處理后杜仲樹葉的顯微鏡照片

2.1.3 預處理方法對杜仲橡膠相對分子質量及其分布的影響

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

從圖3可以看出：與超微粉碎預處理的杜仲橡膠相比，生物酶解預處理的杜仲橡膠的保留時間更短，GPC曲線峰面積更大。這說明生物酶解預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，杜仲橡膠相對分子質量的破壞程度較小。

圖3 杜仲橡膠的GPC曲線

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

表1 杜仲橡膠的相對分子質量及其分布

2.2 提取方法和條件對杜仲橡膠提取效率的影響

2.2.1 提取方法

對杜仲植物預處理后，再進行杜仲橡膠的提取。提取方法對提取效率的影響如表2所示。

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

表2 提取方法對提取效率的影響 %

2.2.2 提取時間

提取時間對提取效率的影響如表3所示。

表3 提取時間對提取效率的影響 %

從表3可以看出：與常規提取相比，在相同時間和溫度下，超聲波提取的提取效率較高；適當延長提取時間可提高提取效率。

2.2.3 超聲波頻率

超聲波頻率對提取效率的影響如表4所示。

表4 超聲波頻率對提取效率的影響 %

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生空化效應和機械作用，一方面可以有效地破碎杜仲植物的細胞壁，使杜仲橡膠分子呈游離狀態溶入石油醚溶液中；另一方面可以加速石油醚分子運動，使石油醚和杜仲橡膠快速接觸。

3 結論

（1）與超微粉碎預處理相比，生物酶解預處理暴露出更多原生態杜仲橡膠絲，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），相對分子質量分布略寬。

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

（3）采用生物酶解預處理、超聲波提取（溫度為50 ℃，時間為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。