乙醇超声法提取二氢槲皮素工艺优化

马春慧 李 伟 孙 震 黄金明 杨 磊 祖元刚 黄晓丽

(1.东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150040;2.东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨,150040)

乙醇超声法提取二氢槲皮素工艺优化

马春慧1李 伟2孙 震1黄金明1杨 磊1祖元刚1黄晓丽2

(1.东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150040;2.东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨,150040)

将乙醇超声法用于落叶松制浆预处理以提取二氢槲皮素。通过优化实验,得到二氢槲皮素最佳提取工艺条件:乙醇体积分数 53.0%、料液比 1∶10.6、提取次数 3次、超声波时间 32.6 min、超声波功率 180.2W。在最佳条件下,二氢槲皮素平均得率0.04%,浸膏得率1.3%,经乙醇超声法预处理的落叶松硫酸盐法制浆和高沸醇法制浆得率均高于未经预处理的,成纸性能也更优。

落叶松;制浆;二氢槲皮素;乙醇超声法

二氢槲皮素又名紫杉叶素、双氢栎精,是自然界中存在的一种重要的二氢黄酮醇类化合物[1],具有许多重要的生物学活性,能够抑制和激活多种酶,从而产生不同的生理效应。二氢槲皮素含有较多的酚羟基,具有抗氧化、抗辐射、抗病毒和抗肿瘤[2]的作用。在落叶松制浆过程中,二氢槲皮素不仅破坏蒸煮药液,而且会被氧化成栎精,使浆料发黄。本实验将乙醇超声法用于落叶松制浆预处理以提取二氢槲皮素,在单因素实验的基础上对各因素采用响应面法进行优化,获得最佳提取工艺条件,为规模生产提供了有价值的工艺参数。

1 实 验

1.1 原料及试剂

落叶松木片购于黑龙江省大兴安岭地区加格达奇市;二氢槲皮素对照品购自 Fluka试剂公司 (批号1257117-20607065);乙腈、冰醋酸为色谱纯,购自J&K ChemicalLtd.,色谱分析用去离子水,其他试剂为国产分析纯。

1.2 仪器

KQ-250DB型台式数控超声波清洗器、717型自动进样高效液相色谱仪、2487型紫外光检测器、ZQS1型电热蒸煮锅、T25FYX型高压反应釜、FDK型高压釜控制器、ZQS-PFI型立式磨浆机、QJ1-B-Ⅱ型纸页成形器。

1.3 实验方法

1.3.1 二氢槲皮素得率和浸膏得率的测定

将乙醇超声法预处理后的落叶松木片提取液稀释至适宜的检测浓度后离心 (20℃,10 min,速度12000 r/min);取上清液进行高效液相色谱法(HPLC)检测,HPLC检测条件:色谱柱 HiQ sil-C18W (4.6 mm ×250 mm,5μm),流动相中 V(乙腈 )∶V(水 )∶V(冰醋酸 )=82∶18∶0.1, 等度洗脱 , 洗脱流速 1.0 mL/min,检测波长 294 nm,柱温 25℃,进样体积 10μL;重复进样 3次;依式 (1)计算二氢槲皮素得率;将提取液浓缩后干燥,称质量,依式 (2)计算浸膏得率 (浸膏得率可体现杂质的溶出情况)。

式中,Y为二氢槲皮素得率,%;P为浸膏得率,%;c为提取液浓度,mg/mL;V为提取液体积,mL;M为落叶松木片绝干质量,g;m为浸膏质量,g。

1.3.2 单因素及优化实验

准确称取 100 g(绝干)落叶松木片,在多种条件下提取二氢槲皮素,以确定乙醇体积分数、超声波时间、超声波功率和料液比的适宜值。将提取液过滤,减压回收溶剂并于 60℃减压干燥,计算二氢槲皮素得率和浸膏得率。

在单因素实验的基础上,采用 Design Expert7.0统计分析软件的响应面分析法安排实验,以获取提取二氢槲皮素的最佳工艺参数。实验因素水平见表1。

表1 实验因素水平编码表

1.4 制浆工艺条件及纸张抄造、物理性能的测定

硫酸盐法 液比 1∶3.5、用碱量 20%、硫化度25%;升温到 140℃,压力 0.4 kPa时,进行小放气3 min,继续升温至最高温度 170℃,压力 0.8 kPa,保温 60 min后,大放气。浆料经水洗后打浆抄片。

高沸醇法[3]溶剂为体积分数 80%的乙醇溶液,体积分数 10%醋酸作为催化剂,反应温度 200℃,压力 1.3 MPa,反应时间 6 h。浆料经水洗后打浆抄片。

按国家标准方法测定浆料的卡伯值和所抄纸张的物理性能。

2 结果与讨论

2.1 各因素对二氢槲皮素提取效果的影响

分别就乙醇体积分数、超声波时间、超声波功率、料液比和提取次数进行单因素实验。由单因素实验结果可知,乙醇体积分数 50%～70%、超声波时间 30～50 min、超声波功率 175～225W、料液比 1∶9～1∶11为待优化范围。

考虑到增加提取次数会增加溶剂的用量、成本高,提取次数选择 3次较合理。规模生产时亦可考虑将最后 1次的提取液作为下一批次的提取溶剂使用,以降低成本。

在单因素实验的基础上,经过 Box-Behnken设计优化提取条件,得到最佳的提取工艺参数为:乙醇体积分数为 53.0%、料液比为 1∶10.6、超声波时间和功率分别为 32.6 min和 180.2W,此时二氢槲皮素得率理论值可达到 0.04%;浸膏得率理论值可达到1.3%。在最佳提取工艺条件下进行验证实验可知,二氢槲皮素平均得率 0.04%,浸膏得率 1.3%。

2.2 制浆工艺的比较

不同制浆工艺所得浆料性能的比较见表2。由表2可知,无论是硫酸盐法制浆还是高沸醇法制浆,乙醇超声法预处理 (最佳条件下)后的浆料,得率较未预处理的有所提高且卡伯值降低。乙醇超声法预处理后可获得高附加值的二氢槲皮素,不但可以改善浆料性能还创造了经济效益。此外,二氢槲皮素的脱除为后续浆料漂白创造了条件。高沸醇制浆得率比硫酸盐法制浆得率略高,这是由于醇溶剂法制浆对于针叶材来说是不完全脱木素的。也正是由于高沸醇法制浆中木素残余量较硫酸盐法多,表现为成浆卡伯值比硫酸盐浆高近 2倍,但高沸醇法制浆还是具有其天然的优势,溶剂可回收利用,克服了碱法制浆黑液回收能量消耗大、污染环境等缺点。

表2 浆料性能的比较

表3 纸张物理性能的比较

2.3 纸张物理性能的比较

纸张物理性能的比较见表3。由表3可以看出,经乙醇超声法预处理后所得浆料的撕裂指数较未预处理的有比较明显的改善,耐破指数、耐折度和抗张指数保持不变。其原因在于乙醇超声法预处理将二氢槲皮素和单宁、水溶性阿拉伯糖-半乳聚糖等成浆有害成分提取出来,更多的碱液用于木素的脱除,减少了副反应的发生。

3 结 论

采用乙醇超声法在单因素实验的基础上对落叶松二氢槲皮素提取过程中各因素进行优化,得到最佳工艺条件:乙醇体积分数 53.0%、料液比为 1∶10.6、超声波时间和功率分别为 32.6min和 180.2W。在最佳条件下进行验证实验表明,二氢槲皮素得率可达到0.04%,浸膏得率可达到 1.3%。经乙醇超声法预处理后的落叶松硫酸盐法制浆和高沸醇法制浆的得率均高于未预处理的,成纸性能也优于未处理的。

[1] 乔 华,谢 鉴,张晓云.花旗松素的生物活性及其应用[J].中草药,2003,34(8):15.

[2] Maroziene A,Kliukiene R,Sarlquskas J. Inhibition of phthalocyanine-sensilized photohemolysis of human erythrocytes polyphenolic antioxidants:description of quantitives structure-activity relationships[J].CancerLett.,2000,157(1):39.

[3] 陈云平,程贤甦,方华书,等.高沸醇溶剂法制备松木纸浆和木质素[J].纤维素科学与技术,2003(3):19.

Optim izing Extraction Technology of D ihyroquercetin from LarchW ood by Ethanol Pretreat ment before Pulp ing

MA Chun-hui1L IWei2SUN Zhen1HUANG Jin-ming1YANGLei1ZU Yuan-gang1,＊HUANG Xiao-li2(1.Key Laboratory of Forest Plant Ecology,M inistry of Education,Northeast Forestry University,Harbin,Heilongjiang Province,150040;2.M aterial Science and Engineering College,Northeast Forestry University,Harbin,Heilongjiang Province,150040)

Extraction of dihyroquercetin from larch wood by ethanol ultrasonic pretreatment before pulping was studied.Base on the singlefactor experiments,a four-factor-three-level experiment design developed byBox-Behnken experiment design method was applied.The optimized conditionswere as follows:extraction time 32.6 minutes for each,the ratio of solid to liquid 1∶10.6,the volume fraction of ethanol 53.0%,ultrasonic power 180.2W and the times of extraction is 3.The opt imized model by RS M accordswith practice.Under these conditions,the yields of dihyroquercetin and extract are 0.04%and 1.3%respectively.The yields of Kraft Pulping and HBS Pulping after pretreatment of larch wood chips are higher than that of untreated and the resultant paper characters are also better than that of the paper from untreated larch wood.

larch wood;pulping;dihyroquercetin;extraction by ultrasonic

TQ460.6

A

0254-508X(2010)02-0078-03

马春慧女士,在读硕士研究生;主要研究方向:天然产物提取分离和应用。

(＊E-mail:zygorl@vip.hl.cn)

2009-08-13(修改稿)

国家科技支撑计划项目 (2006BAD18B04);东北林业大学研究生科技创新基金资助项目。

(责任编辑:陈丽卿)