槐米提取物去除水中Cu2+的最佳條件探究

厲詩嫻，周坤鵬，張遷文，周文宇，李婧

(黑龍江八一農墾大學 生命科學技術學院，黑龍江大慶 163319)

隨著我國現代工業的快速發展，水體重金屬污染已經嚴重威脅到我國的衛生安全[1-2]。對重金屬污染的治理已經成為環境保護研究領域的重要課題。目前處理水體重金屬污染的方式有：化學沉淀法、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；化學沉淀法雖試劑種類繁多，但價格昂貴；生物富集法易引起水體富營養化、毒性化等二次污染。因此新型的、簡易有效的水體重金屬去除材料或方法的開發對推動我國重金屬污染治理工程的發展具有重要意義。

近些年來，中藥產業崛起，在中藥加工過程中會產生大量的廢棄物（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，這些方式均未對中藥材進行充分利用，因此中藥廢棄物的綜合開發也成為中藥行業的關注熱點[5]。中藥材提取物含有許多化學成分，如黃酮、生物堿、氨基酸、多糖等物質。這些化學成分具有與金屬離子絡合的能力[3,6]。其中，黃酮類化合物與多種金屬離子形成結構穩定且化學性質惰性的配合物[7]。

本實驗選取槐米這一種富含黃酮類化合物的中藥開展去除重金屬能力研究。將槐米提取液與Cu2+這種常見的水污染金屬離子溶液混合，利用碘量法檢測槐米提取液對水體中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條件、藥物殘渣多次利用效果。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

槐米（熟槐米）產自我國山東省，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，天津市大茂化學試劑廠；鹽酸，37%，天津市科密歐化學試劑有限公司；乙酸銨和可溶性淀粉，沈陽市華東試劑廠；以上藥品與試劑均為分析純。

GZX-9240MBE電熱鼓風干燥箱，上海博訊實業有限公司；JA2603B電子天平，上海精科天美公司；PS-40超聲波清洗機，東莞市潔康超聲波設備有限公司；D16-C高速冷凍離心機，德國Sartorius公司；HH-4恒溫數顯水浴鍋，常州億通分析儀器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 標準溶液的制備

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+標準溶液備用。

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的標準溶液，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60目篩后備用。

1.2.3 碘量法檢測銅離子含量

碘量法原理：I-與Cu2+反應生成碘單質與碘化亞銅沉淀，利用Na2S2O3標準溶液滴定生成的I2，以淀粉為指示劑，確定滴定終點。

反應過程：在50 mL錐形瓶中裝入銅離子標準溶液（10 mL），加入槐米提取液（1 mL），反應5 min后加入過量KI（0.1 g），待KI溶解后利用Na2S2O3標準溶液進行滴定；待測液顏色呈淺黃色時加入0.1%淀粉溶液（1 mL）使待測液呈深藍色，繼續滴加Na2S2O3使待測液呈淺藍色；加入0.25 g/mL的KSCN（1.2 mL），溶液變藍，繼續滴加Na2S2O3至溶液呈現粉白色，滴定結束。

溶液Cu2+的去除率計算方法如式（1）所示：

式中，C1和C2分別表示銅離子標準溶液和Na2S2O3標準溶液的濃度，mol/L；V1和V2分別表示銅離子標椎溶液和Na2S2O3標準溶液滴定用量的體積，L。

1.2.4 槐米黃酮提取條件優化

（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體積分數為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+去除條件優化

（1）反應溫度。將提取液與Cu2+溶液的混合溫度分別保持在20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，反應5 min后按照1.2.3后續步驟操作。

（2）反應時間。將提取液與Cu2+溶液的混合溫度保持在20 ℃，分別反應0 min、5 min、10 min、20 min、30 min、60 min，按照1.2.3后續步驟操作。

（3）反應狀態。將提取液與Cu2+溶液的混合溫度保持在20 ℃反應5 min，期間分別靜置與攪拌，按照1.2.3后續步驟操作。

2 結果與分析

2.1 槐米有效成分提取

2.1.1 溶劑

水和乙醇是常用的提取溶劑，本實驗采用多種濃度的乙醇溶液對槐米有效成分進行提取。如圖1（A）所示，70%乙醇提取液對Cu2+的去除率為38.61%，隨著乙醇濃度的降低，去除率降低；當提取溶劑為蒸餾水時，提取液對Cu2+的去除率達到最高，為47.08%。

圖1 槐米提取條件實驗

槐米提取液中成分復雜，查閱文獻可知，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Cu2+的去除率隨之降低[8]。然而水提取液對Cu2+的去除率最高，分析原因可能是碘量法為顯色反應，乙醇對顯色終點判斷有影響；同時，在黃酮類化合物與Cu2+形成配合物時，在乙醇溶液中有一定的溶解度，從而影響計算結果，而配合物在水中的溶解度非常小，因此表現為水提取液的Cu2+去除率最高，后續提取均使用蒸餾水為溶劑。

2.1.2 浸泡時間

一般來說，浸取量與浸取時間成正比，即時間越長越有利于有效成分溶出。如圖1（B）所示，隨著浸泡時間的不斷延長，提取液的Cu2+去除率升高，在浸泡6 h時Cu2+離子的去除率最高，達到50.79%。但浸取時間不能無限延長，因為水提取液中營養成分豐富，在適宜條件下微生物大量生長，導致提取液變質。因此以浸泡6 h為最佳提取條件。

2.1.3 超聲時間

超聲波協助浸取是中藥提取中常見的手段，通常會提高藥材中有效成分的溶出效率。如圖1（C）所示，隨著超聲的時間增長，提取液的Cu2+離子去除率增加，在超聲30 min時去除率達到47.35%。在實驗中，更長的超聲時間導致溶液溫度增高，且耗時、耗能，不僅可能影響中藥材的利用，還造成資源浪費，因此以超聲30 min為優選條件。

2.2 提取液與Cu2+反應條件

反應溫度、時長、混合條件對槐米提取液去除Cu2+能力的影響，如圖2所示。

圖2 提取液與銅離子溶液反應條件探索

從圖2（A）可知，隨著反應溫度升高，提取液的Cu2+去除率下降。在溫度為20 ℃時，Cu2+離子的去除率最高，為49.99%。因此提取液與含Cu2+溶液反應不需要額外提供能量，常溫即可。如圖2（B）所示，反應時間對槐米提取液與Cu2+離子作用的影響趨勢不明顯，總體看反應5 min時去除率最高，考慮到節省時間，優選反應5 min。如圖2（C）所示，兩種溶液混合后，靜置和機械攪拌對去除率影響不大，考慮到減少耗能，保證溶液充分混合即可。

綜合上述實驗，考慮生產中的時間、經濟成本等因素，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5 min、混勻條件下即可達到較好去除效果。

2.3 槐米多次提取物去除銅離子能力

按照最優提取條件對槐米進行多次提取，檢驗提取液去除Cu2+離子的能力，結果如圖3所示。槐米第一次提取物具有最高的Cu2+離子去除能力，隨著提取次數的增多，Cu2+離子去除能力逐漸降低。中藥材通常會提取三次，殘渣即為生產廢棄物，考慮到應用成本，藥物殘渣仍然可以發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

3 結論

中藥廢棄物、中藥殘渣中通常仍含有一定量的活性成分，為了充分利用中藥材資源，開發其在水體重金屬去除方面的應用具有現實意義，本實驗以槐米作為研究對象，發現可以在經濟、環保、耗能低、耗時少的條件下使用槐米提取液去除水體中的銅離子。本實驗結果可以擴展應用到其他中藥材的研究與應用，同樣可以針對其他毒性較大的重金屬離子進行去除能力探究。