表面活性剂—超声提取莲子心总生物碱工艺研究

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企贲
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1 Hans Journal of Medicinal Chemistry 药物化学, 2014, 2, Published Online August 2014 in Hans. Surfactant Mediated Ultrasonic-Assisted Extraction of Total Alkaloids of Plumula Nelumbinis Ping Luo, Junjie Sun, Shasha Wang, Jun Zhang School of Chemistry and Chemical Engineering, CQU, Chongqing Received: Jun. 29 th, 2014; revised: Jul. 4 th, 2014; accepted: Jul. 11 th, 2014 Copyright 2014 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). Abstract Ultrasonic assisted ethanol extraction of alkaloids from Plumula Nelumbinis was studied. The effects of ultrasonic power, ultrasonic time, immersion time, ethanol volume fraction and solid-liquid ratio on the extraction rate of alkaloids were investigated by single factor experiment, and the extraction parameters were optimized by orthogonal test. Under the best conditions, the influence of surfactants of Tween20, Tween60, Tween80, Span80, APG0810 and APG1214 on the extraction rate of alkaloids were illustrated. The results showed that under the best conditions of ultrasonic power 105 W, ultrasonic time 40 min, immersion time 30 min, ethanol volume fraction 70% and solid-liquid ratio 1:30, the extraction rate of alkaloids was mg/g. By adding APG g/ml, the extraction rate of alkaloids could be improved by 13.8% to mg/g, which indicated that surfactant could improve the effect of ultrasonic extraction of alkaloids from Plumula Nelumbinis markedly. Keywords Alkaloids, Plumula Nelumbinis, Surfactant, Ultrasonic Extraction 表面活性剂超声提取莲子心总生物碱工艺研究罗平, 孙俊杰, 王莎莎, 张均 21

2 重庆大学化学化工学院, 重庆收稿日期 :2014 年 6 月 29 日 ; 修回日期 :2014 年 7 月 4 日 ; 录用日期 :2014 年 7 月 11 日摘要对超声辅助乙醇提取莲子心总生物碱的工艺进行了研究考察超声功率超声时间浸泡时间乙醇体积分数料液比对生物碱提取率的影响, 在此基础上用正交试验进行条件优化并在优化的工艺条件下, 考察吐温 20 吐温 60 吐温 80 司盘 80 APG0810 APG1214 表面活性剂对提取率的影响结果表明, 在超声功率 105 W 超声时间 40 min 浸泡时间 30 min 乙醇体积分数 70% 料液比 1:30 APG08103 加入量 0.02 g/ml 的条件下, 生物碱提取率为 mg/g, 比单纯超声提取 ( mg/g) 提高 13.8%, 证明表面活性剂可显著提高超声提取莲子心生物碱的效果关键词生物碱, 莲子心, 表面活性剂, 超声提取 1. 引言莲子心为睡莲科植物莲成熟种子中的干燥幼叶及胚根, 古名薏, 味苦, 性寒 [1] 主要产于湖南湖北福建江苏浙江等地, 具有清心安神交通心肾涩精止血之功效 [2], 其内含有黄酮生物碱叶绿素有机酸及微量元素等多种化学成分 [3] 研究表明, 含有莲心碱甲基莲心碱异莲心碱和莲心季铵碱的莲子心生物碱具有重要的药用价值, 有降血糖降血脂, 保护心肌缺血, 抗血小板聚集, 保护心脏及抗菌等生物活性, 对心率失常有一定治疗效果 [4]-[5] 因此莲子心中总生物碱的提取具有重要的研究价值超声提取是利用超声波的空化作用加速有效成分的溶出与扩散, 由于具有提取时间短温度较低收益率高等特点, 因而在生物碱的提取中被广泛采用 [6]-[8] 本文旨在利用表面活性剂的增溶效果 [9]-[10], 以莲子心为原料, 通过超声辅助乙醇提取生物碱, 采用正交设计优化超声提取工艺, 在此基础上考察加入表面活性剂对提取效果的影响, 以期为莲子心生物碱的进一步开发提供参考 2. 材料与方法 2.1. 材料与试剂莲子心, 由重庆百农网投资有限公司提供 ; 莲心碱, 深圳市美荷生物科技有限公司, 色谱纯 ; 吐温 20 吐温 60 吐温 80 司盘 80 APG08103 APG12143 无水乙醇石油醚盐酸氨水三氯甲烷等, 均为分析纯 2.2. 仪器与设备 KQ-3200DB 超声波清洗器昆山市超声仪器有限公司 ;T6 新世纪紫外可见分光光度计北京普析通用仪器有限责任公司 ;D2F-6050 型真空干燥箱上海一恒科学仪器有限公司 ;FW-100 型植物粉碎机天津泰斯特仪器有限公司 22

3 2.3. 试验方法原料预处理将莲子心晾晒整理干净, 干燥至恒重, 植物粉碎机粉碎, 置于玻璃干燥器中保存莲子心总生物碱的提取精确称取 1.00 g 莲子心粉末于具塞锥形瓶中,30 ml 石油醚脱脂, 除去石油醚, 加入定量百分浓度的乙醇, 浸泡一段时间后, 将锥形瓶固定在超声波清洗器中超声提取提取液用砂芯漏斗抽滤后, 吸取 5 ml 滤液水浴蒸干, 在残渣中加入 5% 盐酸溶液溶解, 过滤, 滤液加等量氯仿萃取 3 次, 分出氯仿层, 取水层用氨水调 ph 至 9~10, 再用氯仿萃取至生物碱反应至阴性为止 ( 采用碘化铋钾 ) 合并氯仿液, 水浴蒸干, 残渣用无水乙醇溶解, 过滤, 定溶于 50 ml 容量瓶中, 得总生物碱标准曲线的绘制精密称取 mg 莲心碱标准品, 用无水乙醇溶解定容至 10 ml, 配制成浓度为 mg/ml 的溶液, 分别量取 ml 标准品溶液置于 10 ml 的容量瓶中, 用无水乙醇稀释至刻度, 溶液浓度分别为 20.00,30.00,40.00,50.00,60.00,70.00,80.00 μg/ml, 以无水乙醇为空白, 在最大波长处测吸光度, 以吸光度 A 为纵坐标, 浓度 (c, μg/ml) 为横坐标, 绘制标准曲线如图 1, 得回归方程,Y = X ,R2 = 莲子心总生物碱含量的的测定按照的方法制备样品提取液, 稀释一定比例, 在 275 nm 波长测吸光度然后根据标准曲线, 计算相应的生物碱浓度, 进而计算总生物碱的含量 3 X 10 稀释倍数 V 提取率 Y (%) = 100% m 式中 :m 为样品质量 (g),x 为样品中生物碱浓度 (mg/ml),v 为最初定容体积 (ml) 单因素试验设计分别考察料液比乙醇浓度超声功率超声时间提取次数浸泡时间对莲子心总生物碱提取率的影响 Figure 1. Calibration curve of liensinine 图 1. 莲心碱标准曲线 23

4 正交试验设计在单因素实验的基础上, 对超声功率超声时间浸泡时间乙醇体积分数料液比 5 个因素进行正交试验优化, 以生物碱提取率为指标, 确定超声提取莲子心中总生物碱的最佳工艺条件因素水平表见表表面活性剂对莲子心总生物碱提取率的影响在优化的工艺条件下, 考察不同表面活性剂对莲子心总生物碱提取率的影响 3. 结果与讨论 3.1. 单因素试验乙醇浓度对总生物碱提取率的影响在料液比 1:30(g/mL), 提取温度 (25 ± 2), 超声功率 90 W, 超声提取时间 15 min, 提取前无浸泡, 提取 1 次的条件下, 考察不同乙醇浓度对提取效果的影响, 结果见图 2 由图可知, 当乙醇体积分数在 70% 以下时, 随提取剂浓度的不断增加, 生物碱与提取剂的极性越靠近, 接触机会在逐渐增加, 生物碱的溶出率不断提高当乙醇体积分数超过 70% 时, 得率反而降低, 这是因为莲心中有机杂质种类多, 溶解度范围大, 随提取剂浓度的增加, 细胞中色素脂溶性成分的溶出不断增加, 因此, 选择乙醇体积分数为 70% Table 1. Factors and levels of L16(45) orthogonal experiment 表 1. L16(45) 正交试验因素水平因素水平 A 超声功率 W B 超声时间 min C 浸泡时间 min D 乙醇体积分数 % E 料液比 : : : :35 Figure 2. Effect of ethanol concentration on extraction rate 图 2. 乙醇浓度对提取率的影响 24

5 超声功率对总生物碱提取率的影响在料液比 1:30(g/mL), 乙醇浓度 70% vol, 提取温度 (25 ± 2), 超声时间 30 min, 提取前无浸泡, 提取 1 次的条件下, 考察不同超声功率对提取效果的影响, 结果见图 3 由图可知, 随超声功率的不断增强, 空化效应逐渐增强, 生物碱的溶出率不断提高但当超声功率超过 105 w 时, 得率下降, 这是因为莲心中有机杂质种类多, 随功率的增强, 细胞破碎时里面的色素脂溶性成分的溶出不断增加, 而生物碱成分则因功率过高, 结构遭到一定的破坏, 因此, 选择超声功率 90 w 为下一步实验的优选值超声时间对总生物碱提取率的影响在料液比 1:30(g/mL), 乙醇浓度 70% vol, 提取温度 (25 ± 2), 超声功率 105 W, 提取前无浸泡, 提取 1 次的条件下, 考察不同超声时间对提取效果的影响, 结果见图 4 Figure 3. Effect of ultrasonic power on extraction rate 图 3. 超声功率对提取率的影响 Figure 4. Effect of ultrasonic time on extraction rate 图 4. 超声时间对提取率的影响 25

6 由图可知, 超声时间从 10 min 到 40 min 之间, 因莲子心中总生物碱浓度高, 渗透压大, 总生物碱量得率随提取时间增加而持续增加,40 min 时达到提取量的最大值, 继续增加超声时间, 不会再提高提取率, 反而会由于加热时间过长导致生物碱中某些受热不稳定的成分被分解破坏, 导致总生物碱得率的损失所以选取提取时间 40 min 进入下一步实验料液比对总生物碱提取率的影响在乙醇浓度 70% vol, 提取温度 (25 ± 2), 超声功率 105 W, 超声提取时间 40 min, 提取前无浸泡, 提取 1 次的条件下, 考察不同料液比对提取效果的影响, 结果见图 5 由图可知, 总生物碱得率随液料比增加而增加, 但液料比超过 1:30 时, 由于总生物碱的溶出率趋于饱和, 随液料比增加总生物碱得率未明显增长, 因此, 选用 1:30 的液料比作为后续试验的参考值浸泡时间对总生物碱提取率的影响在料液比 1:30(g/mL), 乙醇浓度 70% vol, 提取温度 (25 ± 2), 超声时间 40 min, 超声功率 105 W, 提取 1 次的条件下, 考察提取前不同浸泡时间对提取效果的影响, 结果见图 6 Figure 5. Effect of liquid-to-solid ratio on extraction rate 图 5. 料液比对提取率的影响 Figure 6. Effect of immersion time on extraction rate 图 6. 浸泡时间对提取率的影响 26

7 由图可知, 当浸泡时间超过 20 min 时, 随浸泡时间的不断增长, 生物碱的溶出率提高缓慢因此, 从经济的角度出发, 选择提取前浸泡 20 min 为下一步实验的优选值 3.2. 正交试验通过表 2 中的极差分析可以得出各因素对结果的影响主次顺序为 D > E > A > C > B, 最佳工艺组合为 A2B3C4D3E 最优条件验证对组合 A2B3C4D3E4 进行验证试验, 重复试验 5 次, 取平均值 ,RSD 小于 1% 证明此正交试验得出的最优水平是可靠的, 优化工艺稳定可行 3.4. 表面活性剂对莲子心总生生物碱提取率的影响表面活性剂种类对总生物碱提取率的影响在乙醇浓度 70% vol, 提取温度 (25 ± 2), 超声功率 105 W, 超声提取时间 40 min, 料液比 1:30(g/mL), 提取前浸泡 30 min, 提取 1 次的条件下, 考察相同浓度 (0.01 g/ml) 不同表面活性剂对莲子心总生物碱得率的影响, 并以不添加任何表面活性剂的空白样做对比, 结果如图 7 Table 2. The orthogonal experiment results and poor analysis 表 2. L16(45) 正交试验结果与极差分析试验号 A B C D E 生物碱提取率 mg/g K K K K R

试验结果表明, 加入表面活性剂, 均增大了提取率, 这是由于表面活性剂特有的双亲分子结构使溶剂分子更易渗入颗粒中, 加快了内部扩散过程, 具有很好的增溶作用, 由于 APG0810 增溶效果最好且是绿色环保非离子表面活性剂 [11], 故选择 APG0810 为后续试验使用的表面活性剂 3.4.2.

8 试验结果表明, 加入表面活性剂, 均增大了提取率, 这是由于表面活性剂特有的双亲分子结构使溶剂分子更易渗入颗粒中, 加快了内部扩散过程, 具有很好的增溶作用, 由于 APG0810 增溶效果最好且是绿色环保非离子表面活性剂 [11], 故选择 APG0810 为后续试验使用的表面活性剂 APG 浓度对总生物碱提取率的影响在乙醇浓度 70% vol, 提取温度 (25 ± 2), 超声功率 105 W, 超声提取时间 40 min, 料液比 1:30(g/mL), 提取浸泡 30 min, 提取 1 次的条件下, 考察 APG08103 浓度对莲子心总生物碱得率的影响, 结果如图 8 由图可知, 随着 APG08103 浓度的提高, 总生物碱得率呈现先增加后缓慢减少的趋势这是因为随着 APG08103 浓度增大, 形成胶束增多, 对生物碱的增溶作用增强但达到一定浓度后, 不仅对生物碱 Figure 7. Effect of different surfactants on extraction rate 图 7. 表面活性剂种类对提取率的影响 Figure 8. Effect of APG0810 concentration on extraction rate 图 8. APG0810 浓度对提取率的影响 28

9 增溶作用增加, 同时对其他杂质的增溶作用也在加强, 生物碱纯度降低, 导致总生物碱得率下降因此选择 APG08103 浓度为 0.02 g/ml, 提取率为 mg/g 4. 结论通过对超声功率超声时间浸泡时间乙醇体积分数料液比 5 个因素进行优化, 得到超声提取莲子心总生物碱的最佳工艺条件 : 超声功率 105 W 超声时间 40 min 浸泡时间 30 min 乙醇体积分数 70% 料液比 1:30 在最佳工艺条件下, 加入质量浓度 2% 的 APG0810 进行提取, 与单纯超声提取相比, 总生物碱提取率提高 13.8%, 说明表面活性剂协同超声提取莲子心总生物碱具有较好的提取效果参考文献 (References) [1] 张弦, 潘扬 (2002) 植物莲中生物碱类成分的研究概况. 南京中医药大学学报, 6, [2] 潘竞先, 陆军, 张建军 (1989) 莲子心钙拮抗活性成分的研究. 北京医科大学学报, 5, [3] 李娟, 夏延斌 (2010) 莲心生物碱保健功能研究进展. 粮食与油脂, 1, [4] 王嘉陵, 胡学民, 尹武华 (1991) 莲子心中生物碱成分的研究. 中药材, 6, [5] 刘大群, 冯启利 (2005) 莲子心中保健成分的研究概况. 江西食品工业, 1, [6] 杨昱, 白靖文, 俞志刚 (2011) 超声辅助提取技术在天然产物提取中的应用. 食品与机械, 1, [7] 杨再, 陈佳铭, 黄晓兰 (2008) 天然植物有效成分的超声提取技术. 饲料博览, 2, [8] Cravotto, G., Boffa, L., Mantegna, S., Perego, P., Avogadro, M. and Cintas, P. (2008) Improved extraction of vegetable oils under high-intensity ultrasound and/or microwaves. Ultrasonics Sonochemistry, 5, [9] Do, L.D. and Sabatini, D.A. (2010) Aqueous extended-surfactant based method for vegetable oil extraction: Proof of concept. Journal of the American Oil Chemists Society, 10, [10] 谢国莲 (2003) 超声提取法提高益母草总碱提出率的研究. 青海畜牧兽医杂志, 1, 5-6. [11] 王培义, 徐宝财, 王军 (2007) 表面活性剂合成性能应用. 化学工业出版社, 北京,

果葡糖浆中5-HMF生成影响因素及其去除方法

果葡糖浆中5-HMF生成影响因素及其去除方法 Journal of Advances in Physical Chemistry 物理化学进展, 2013, 2, 27-32 http://dx.doi.org/10.12677/japc.2013.23005 Published Online August 2013 (http://www.hanspub.org/journal/japc.html) Influencing Factors