雙脫甲氧基姜黃素結晶熱力學及結晶過程研究

賀海波 彭靜維 范麗鵬 齊立軍 高偉 武耐英

摘要：采用動態法測定了278.15～323.15 K范圍內雙脫甲氧基姜黃素晶體在不同濃度乙醇中的溶解度，并用修正的Apelblat方程對溶解度數據進行擬合。使用Van't Hoff方程計算雙脫甲氧基姜黃素晶體在不同濃度乙醇中溶解吉布斯自由能ΔG、溶解焓ΔH和溶解熵ΔS，并在90%乙醇中進行了降溫結晶實驗。結果表明，雙脫甲氧基姜黃素在不同濃度乙醇中的溶解度隨溫度的升高而明顯增加，修正的Apelblat方程擬合效果良好。使用90%乙醇作為溶劑的降溫結晶得到的產品純度在92%左右，收率大于70%。

關鍵詞：雙脫甲氧基姜黃素；溶解度；熱力學；降溫結晶

中圖分類號：TS201.7????? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1000-9973（2023）12-0176-04

Investigation on Crystallization Thermodynamics and

Crystallization Process of Bisdemethoxycurcumin

HE Hai-bo1， PENG Jing-wei2， FAN Li-peng2， QI Li-jun2，3，

GAO Wei2，3， WU Nai-ying1*

（1.School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Engineering， Handan 056038，

China; 2.Chenguang Biotech Group Co.， Ltd.， Handan 057250， China; 3.Key Laboratory of

Plant Resources Comprehensive Utilization in Hebei Province， Handan 057250， China）

Abstract： The solubility of bisdemethoxycurcumin crystals in different concentrations of ethanol at 278.15～323.15 K is determined by dynamic method， and the modified Apelblat equation is used to fit the solubility data. The solution Gibbs free energy ΔG， solution enthalpy ΔH and solution entropy ΔS of bisdemethoxycurcumin crystals in different concentrations of ethanol are calculated using Van't Hoff equation， and the cooling crystallization experiment is carried out in 90% ethanol. The results show that the solubility of bisdemethoxycurcumin in different concentrations of ethanol increases significantly with the increase of temperature. The modified Apelblat equation fits well. The purity of the product obtained by cooling crystallization with 90% ethanol as the solvent is about 92%， and the yield is more than 70%.

Key words： bisdemethoxycurcumin; solubility; thermodynamics; cooling crystallization

姜黃素類化合物是從姜黃根莖中提取到的一種天然色素，目前姜黃素類化合物是世界上銷量最高的天然食用色素之一。姜黃素類化合物可以作為食品添加劑，除此之外，研究發現姜黃素類化合物在抗菌、抗腫瘤、抗炎、抗氧化、降血脂、護肝等方面均具有獨特的生理活性[1-6]。鑒于其明確的功效和政策許可，以姜黃素為主要原料或配料的保健產品、食品、化妝品等市場均有較大發展空間[7]。

姜黃素類化合物主要有效成分為姜黃素、脫甲氧基姜黃素、雙脫甲氧基姜黃素，分子結構見圖1。

到目前為止，很多研究都集中在姜黃素的研究上。盡管姜黃素能促進人體健康，但其穩定性差，在水中的溶解度低，生物利用度差，在光照和氧化條件下易降解[8]。因此，其他類姜黃素物質成為學術界和工業界的研究熱點。有研究者指出，其他類姜黃素具有比姜黃素更高的生物活性，比如，它們對姜黃素的抗炎特性有協同作用。雙脫甲氧基姜黃素是姜黃素的雙去甲氧基衍生物，具有比姜黃素更好的穩定性、抗氧化和抗腫瘤活性[9-10]。但由于難以獲得質量較大、純度較高的雙脫甲氧基姜黃素，因此其理化性質的研究較少。

前人對姜黃素類化合物的純化分離研究主要是利用色譜手段分離姜黃素類化合物，例如，柱色譜法[11-12]、半制備型高效液相色譜法[13]、高速逆流色譜法[14]、制備型超臨界流體色譜法[15]和結晶法[16]。其中，色譜類方法流動相消耗溶劑量大，固定相可重復利用率低，處理量有限。結晶法是化工行業生產中最重要的分離純化技術之一，具有操作能耗低、設備要求簡單等優點。因此，本文選擇結晶法用于分離純化。

本文測定了雙脫甲氧基姜黃素在不同濃度乙醇中的溶解度，并對實驗數據進行擬合關聯。此外，確定了結晶過程中的熱力學性質，并進行結晶過程研究。以低含量姜黃素作為原料，通過結晶操作提升晶體的純度，得到了較高純度的雙脫甲氧基姜黃素晶體。本研究將為雙脫甲氧基姜黃素工業結晶生產提供指導意義。

1 材料和方法

1.1 實驗材料和儀器

低含量姜黃素（純度67.04%）：晨光生物科技集團股份有限公司；無水乙醇（分析純）：天津市博華通化工產品銷售中心；雙脫甲氧基姜黃素（純度＞98%）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；純水：實驗室自制。

電子分析天平（精度為 0.000 01 g） 島津菲律賓工廠；50 mL結晶器、250 mL結晶器 鄭州市金水區欣瑞玻璃器皿經營部；酒精計 武強縣億達儀表廠；LCD數顯加熱型圓盤磁力攪拌器 大龍興創實驗儀器（北京）有限公司；AM110W-O電動恒速攪拌機 上海昂尼儀器儀表有限公司；陶瓷布氏漏斗 上海壘固儀器有限公司；循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司；CF41型制冷循環器 上海科興儀器有限公司；Waters e2695 HPLC高效液相色譜儀 沃特世科技（上海）有限公司；偏光顯微鏡 上海普丹光學儀器有限公司。

1.2 溶解度測定方法

利用動態法[17]測定雙脫甲氧基姜黃素在不同濃度乙醇中的溶解度，溫度范圍控制在278.15～323.15 K，加入一定量的溶劑至50 mL結晶器中，設置攪拌速率為200 r/min，溫度以6 K/h升高，緩慢加入少量溶質，待溶質攪拌溶解后，記錄此時加入溶質的量，即得到此溫度下雙脫甲氧基姜黃素產品的溶解度，用mg/mL表示。

1.3 溶解度模型擬合

本文使用修正的Apelblat方程對雙脫甲氧基姜黃素溶解度數據進行擬合，Apelblat方程常用來擬合溶解度隨溫度升高的變化，其方程所需參數少，簡單方便。修正的Apelblat方程表達式為：

lnx=A+BT+ClnT。

式中：x為雙脫甲氧基姜黃素晶體的溶解度（摩爾分數）；A、B、C為模型參數；T為熱力學溫度，K。

1.4 熱力學性質計算

溶解熱力學性質分析使用Van't Hoff方程進行計算，得到溶解熱力學數據：溶解吉布斯自由能ΔG、溶解焓ΔH和溶解熵ΔS，Van't Hoff方程如下所示：

lnx=－ΔHRT+ΔSR。

式中：x為雙脫甲氧基姜黃素晶體的溶解度（摩爾分數）；R為氣體常數，8.314 J/（mol·K）；T為熱力學溫度，K。

由此計算得到ΔH、ΔS，再由如下公式求得ΔG。

ΔG=ΔH－TΔS。

1.5 溶解度數據擬合

溶解度擬合結果使用相對誤差（RD）和平均相對誤差（ARD）評價，其相對誤差和平均相對誤差公式如下所示：

RD=|xexp－xcal|xexp。

ARD=1N∑ii=1|xexp，i－xcal，i|xexp，i。

式中：xexp為實驗溶解度（摩爾分數）；xcal為計算溶解度（摩爾分數）；N為實驗點的總數；i為每個實驗點。

1.6 結晶條件實驗

使用低含量姜黃素，確定選用90%乙醇進行結晶條件實驗，以料液比、溫度、時間為條件，進行結晶提純實驗，以提升純度和收率為導向，確定合適的結晶操作條件。具體操作步驟：將原料加入90%乙醇中75 ℃高溫溶解，攪拌1 h保證溶解完全，之后以一定降溫速率進行降溫結晶，過濾烘干得到產品，稱取產品的質量，后續進行產品含量的測定。

1.7 產品含量檢測

本文使用高效液相色譜法檢測產品的純度。產品含量的測定依據文獻[18-19]修改后的HPLC法（Waters e2695 HPLC）進行測定。色譜條件：系統配備C18柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）；色譜柱溫度為40 ℃；流動相為乙腈∶0.5%冰醋酸（45∶55）；檢測波長為430 nm；進樣量為5 μL；保留時間為18 min。

2 數據結果與討論

2.1 溶解度測定結果

雙脫甲氧基姜黃素在不同溫度、不同濃度乙醇中的溶解度見圖2。

由圖2可知，隨著溫度的升高，雙脫甲氧基姜黃素在90%乙醇、80%乙醇、70%乙醇中的溶解度均不斷增加。觀察溶解度趨勢可直觀發現其在高溫時溶解度很大，低溫時溶解度很小，在90%乙醇中的結果最明顯，且不存在拐點。

2.2 溶解度數據擬合

對實驗溶解度數據使用修正的Apelblat方程擬合關聯，得到模型參數、模型計算值、相對誤差（RD）、平均相對誤差（ARD），見表1。

由表2可知，對雙脫甲氧基姜黃素在不同濃度乙醇中的溶解度進行擬合，修正的Apelblat方程擬合效果良好，擬合后的R2分別為0.999 08，0.972 08，0.989 75，表明修正的Apelblat方程能較好地關聯雙脫甲氧基姜黃素在不同濃度乙醇中的溶解度。

修正的Apelblat方程關聯曲線見圖3。

2.3 結晶熱力學性質

對結晶熱力學性質進行研究，可由Van't Hoff方程求得雙脫甲氧基姜黃素的熱力學參數：溶解吉布斯自由能ΔG、溶解焓ΔH和溶解熵ΔS，見表3。

由表3可知，ΔH＞0，全為正值，表明雙脫甲氧基姜黃素的溶解過程是一個吸熱過程；ΔS＞0，全為正值，表明雙脫甲氧基姜黃素的溶解過程是一個熵增過程；ΔG＞0，全為正值，表明雙脫甲氧基姜黃素的溶解過程是非自發過程。

2.4 結晶過程研究

雙脫甲氧基姜黃素在90%乙醇中的溶解度隨溫度升高的變化較大，在278.15～323.15 K范圍內雙脫甲氧基姜黃素在90%乙醇中的溶解度從0.96 mg/mL增加到65.15 mg/mL，變化較大，因此對原料進行降溫結晶獲得相應晶體更合適。通過改變結晶溫度、結晶時間、料液比以提升結晶產品的純度和收率。

2.4.1 溫度對晶體純度和收率的影響

控制料液比為1∶5、結晶時間為24 h，考察結晶溫度分別為15，10，5，0 ℃時對雙脫甲氧基姜黃素純度和收率的影響，見表4。

由表4可知，當結晶溫度逐漸降低時，產品的純度呈下降趨勢，產品的收率逐漸增加，在保證純度高于90%和收率大于70%的同時，考慮成本效益問題，結晶溫度控制在5 ℃更能節約成本。

2.4.2 時間對晶體純度和收率的影響

控制料液比為1∶5、結晶溫度為5 ℃，考察結晶時間分別為9，24，29，40 h時對雙脫甲氧基姜黃素純度和收率的影響，見表5。

由表5可知，隨著結晶時間的增加，收率逐漸增大，在趨于29～40 h時收率增長趨勢趨于平緩，因此結晶時間控制在29 h。

2.4.3 料液比對晶體純度和收率的影響

控制結晶溫度為5 ℃、結晶時間為29 h，考察料液比分別為1∶5、1∶4、1∶3、1∶2時對雙脫甲氧基姜黃素純度和收率的影響，見表6。

由表6可知，料液比由1∶5減小到1∶4時，純度變化無明顯差異，降低料液比使收率提高。料液比降低至1∶3、1∶2時，結晶得到的產品純度降低，其原因為結晶溶劑用量過少，除雜能力下降，從而使得晶體純度下降，因此確定料液比為1∶4。

通過偏光顯微鏡觀察原料和產品，由圖4可以看出原料中姜黃素主要以非晶體形式存在，產品中雙脫甲氧基姜黃素主要以晶體形式存在，通過降溫結晶操作提升了產品的純度，也極大改變了雙脫甲氧基姜黃素晶體。

采用單步降溫結晶方式純化后，雙脫甲氧基姜黃素純度由67.04%提升至90%以上，收率大于70%，此法操作簡單，研究結果可為姜黃素的工業生產提供重要的指導意義。

3 結論

采用動態法測定了雙脫甲氧基姜黃素在90%、80%、70%乙醇中的溶解度，結果表明，雙脫甲氧基姜黃素溶解度隨溫度和乙醇濃度的升高而增加，雙脫甲氧基姜黃素的溶解過程為吸熱非自發過程。

采用Apelblat模型對實驗數據進行擬合，得到溶解度實驗數據和計算值相對誤差較小，擬合效果良好。

確定了以低含量姜黃素為原料獲取高純度姜黃素的降溫結晶方式，確定了工藝參數，對雙脫甲氧基姜黃素結晶工藝開發及工業生產提供了可行的指導。

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收稿日期：2023-06-19

基金項目：邯鄲市科學技術研究與發展計劃項目（21422012320，22313014014）

作者簡介：賀海波（1998－），男，碩士，研究方向：天然提取物提取工藝。

*通信作者：武耐英（1980－），女，教授，博士，研究方向：污染物分析檢測及天然提取物提取工藝。