响应面法优化微波辅助提取烟叶中茄尼醇的工艺研究

张露

响应面法优化微波辅助提取烟叶中茄尼醇的工艺研究

张露

（西安石油大学化学化工学院，陕西西安710065）

以废弃烟叶为原料，采用微波辅助方法提取烟叶中的茄尼醇。研究了不同料液比、辐射时间、辐射温度和辐射功率对茄尼醇提取率的影响，并通过响应面法对工艺条件进行优化。结果表明，最佳工艺条件为：料液比1∶14 g/mL、辐射温度60℃、辐射功率420 W、辐射时间33 min。在最佳工艺条件下，茄尼醇的提取率为0.581%。

烟叶；茄尼醇；微波辅助；响应面法

烟草是我国重要的经济作物之一，其种植面积和总产量均居世界第一位。自16世纪以来，人们将烟草用于卷烟市场后，随着烟草加工业的发展，发现有70%的废弃烟叶不能得到充分利用，如果常年堆积，会对环境造成严重的影响。因此，废弃烟叶的变废为宝，成为了化学领域研究者们着重讨论的话题之一[1]。

茄尼醇广泛存在于烟草、马铃薯叶或桑叶中，其在烟草干料中的质量分数高达0.3%～3%[2]。茄尼醇具有医药功效，有抗菌、消炎和止血的作用，在医药方面是不可替代的中间体。由于茄尼醇难于提取，故在医药方面常采用人工合成的方法获取茄尼醇，用于合成辅酶Q10等医药产品。然而人工合成的茄尼醇，生物活性差，不易被人体吸收，难以充分发挥辅酶Q10的药理作用；而从植物中提取出的茄尼醇，属于天然的有机原料，易于人体吸收转化，因此研究从植物中提取茄尼醇具有极大的现实意义和发展前景[3]。

本文采用微波辅助提取法，用无水乙醇作为有机溶剂提取烟叶中的茄尼醇，并通过响应面法对提取工艺进行了优化处理，旨在为茄尼醇的研究开发提供参考。

1 实验部分

1.1材料与仪器

材料：烟叶（江南西昌）；无水乙醇，分析纯；高效液相色谱仪（HPLC）流动相的乙醇，色谱纯。

仪器：WF-2000微波快速反应系统（上海屹尧分析仪器有限公司）；SHZ-D循环水式真空泵（巩义市予华仪器有限责任公司）；FW117中草药粉碎机（天津泰斯特仪器有限公司）；恒温水浴锅；DGG-9140B型电热恒温鼓风干燥箱；GR-200电子天平（日本AND）；EYEL4型旋转蒸发仪（上海爱朗仪器有限公司）。

1.2实验方法

1.2.1 材料预处理

取一定量的烟叶洗净后置于日光下晾干，再于温度为60℃的恒温干燥箱中烘干，粉碎并筛分（过80目筛），备用。

1.2.2 茄尼醇的萃取

先量取一定体积溶剂，再准确称取一定量经预处理的原料（精确到0.1 g），同时加到反应釜中，设定适宜的辐射温度、辐射功率和辐射时间，进行实验；提取结束后，对料液进行真空抽滤，最后用适量溶剂洗涤滤渣，合并混匀提取液，减压旋蒸回收溶剂，然后对浓缩后的提取液进行检测，计算提取率[4]。提取率的计算公式如下：

提取率=（提取液中茄尼醇的质量/提取原料的质量）×100%

1.3 实验设计

1.3.1 单因素实验

以茄尼醇的提取率为指标，分别研究料液比、辐射时间、辐射功率以及辐射温度对烟叶中茄尼醇提取率的影响，并确定单因素的最佳工艺条件。

1.3.2 响应面实验

根据单因素实验结果，选择辐射时间、辐射功率和辐射温度为相应变量，以茄尼醇的提取率为响应值，采用Box-Behnken设计进行茄尼醇提取工艺优化的响应面实验。实验因素水平及编码见表1。

表1 提取工艺优化的响应面实验因素水平及编码

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 料液比对烟叶中茄尼醇提取率的影响

按照1.2.2步骤进行实验。在辐射功率400 W、辐射温度60℃、辐射时间为30 min条件下，分别设定料液比为1∶8、1∶10、1∶12、1∶14和1∶16 g/mL进行实验，并计算提取率，结果如图1所示。

图1 料液比对烟叶中茄尼醇提取率的影响

由图1可知，随着溶剂含量的增加，烟叶中茄尼醇的提取率先增大后减小；当料液比为1∶14 g/mL时，茄尼醇的提取率达到最大，继续增加溶剂量，提取率降低。这可能是因为溶剂的增加使得烟叶中有其他物质生成，阻碍了茄尼醇的溶解。故综合各个方面，选择最佳料液比为1∶14 g/mL。

2.1.2 辐射时间对烟叶中茄尼醇提取率的影响

按照1.2.2步骤进行实验。在料液比1∶14 g/mL、辐射功率400 W、辐射温度60℃条件下，分别设定辐射时间为20、25、30、35和40 min进行实验，并计算提取率，结果如图2所示。

图2 辐射时间对烟叶中茄尼醇提取率的影响

由图2可知，随着辐射时间的延长，烟叶中茄尼醇的提取率先增大后减小；当辐射时间为30 min时，茄尼醇的提取率最大，但当辐射时间超过30 min以后，茄尼醇的提取率呈明显下降趋势。原因可能是辐射时间延长，微波辐射会破坏部分茄尼醇的结构，使烟叶中茄尼醇的含量降低，从而影响茄尼醇的提取率。故最佳提取时间为30 min。

2.1.3 辐射功率对烟叶中茄尼醇提取率的影响

按照1.2.2步骤进行实验。在料液比1∶14 g/mL、辐射时间30 min、辐射温度60℃条件下，分别设定辐射功率为300、400、500、600以及700 W进行实验，并计算提取率，结果如图3所示。

图3 辐射功率对烟叶中茄尼醇提取率的影响

由图3可知，随着辐射功率的增大，烟叶中茄尼醇的提取率先增大后减小，当辐射功率为400 W左右时，茄尼醇的提取率达到最大。随后，由于辐射功率的增大，微波震动变得更加剧烈，茄尼醇的空间结构遭到破坏，造成部分茄尼醇被分解，从而影响了茄尼醇的提取效率，因此，茄尼醇的提取率随着辐射功率的增大而逐渐降低，故选择最佳辐射功率为400 W。

2.1.4 辐射温度对烟叶中茄尼醇提取率的影响

按照1.2.2步骤进行实验。在料液比1∶14 g/mL、辐射时间30 min、辐射功率400 W条件下，分别设定辐射温度为30、40、50、60和70℃进行实验，并计算提取率，结果如图4所示。

图4 辐射温度对烟叶中茄尼醇提取率的影响

如图4可知，随着辐射温度的升高，烟叶中茄尼醇的提取率先增大后减小；当辐射温度为60℃左右时，茄尼醇的提取率达到最大，随后，再升高辐射温度，茄尼醇的提取率呈下降趋势。原因可能是温度过高会造成部分茄尼醇分解破坏；并且，70℃时已经接近茄尼醇的沸点，会使得部分茄尼醇挥发掉，极大地影响了茄尼醇的提取效率，从而得出最佳辐射温度为60℃。

2.2响应面分析与优化

采用Design-Expert.v8.0.6.1软件对表1进行响应面设计，并绘制响应面图，所拟合的响应面图反映了辐射时间、辐射温度和辐射功率这3个因素的两两交互作用对茄尼醇提取率的影响，响应面三维图分别见图5、图6和图7。

由图5可见，辐射温度和辐射功率2个因素交互作用并不明显。由响应曲面可以看出，当辐射温度不变时，随着辐射功率的增加，茄尼醇的提取率先增大后减小；而当辐射功率不变时，随着辐射温度的升高，茄尼醇的提取率先增大后减小。

图5 辐射温度和辐射功率对茄尼醇提取率影响的响应面图

图6 辐射时间和辐射功率对茄尼醇提取率影响的响应面图

由图6可见，辐射时间和辐射功率2个因素交互作用并不明显。由响应曲面可以看出，当辐射时间一定时，随着辐射功率的增加，茄尼醇的提取率先增大后减小。而当辐射功率一定时，随着辐射时间的延长，茄尼醇的提取率先增大后减小，但是现象不太明显。

图7 辐射温度和辐射时间对茄尼醇提取率影响的响应面图

由图7可见，辐射时间和辐射温度2个因素交互作用并不明显。由响应曲面可以看出，当辐射时间一定时，随着辐射温度的升高，茄尼醇的提取率先增大后减小。而当辐射温度一定时，随着辐射时间的延长，茄尼醇的提取率先增大后减小，但是现象不太明显。

综上所述，3因素中两两因素的交互作用均不显著。茄尼醇的最佳提取工艺条件为：在辐射温度为60℃、辐射功率为420 W、辐射时间为33 min。在此条件下，茄尼醇的提取率为0.573%。

2.3 验证实验

为了验证响应面法的可靠性，采用上述响应面实验得到的最佳提取工艺条件进行验证实验，平行3次，取其平均值，得到最佳工艺条件下的提取率为0.581%，与理论值相差0.008%。因此，基于响应面法优化得到的茄尼醇的提取工艺条件具有实际应用价值。

3 结论

（1）通过响应面法优化得到的微波辅助法提取烟叶中茄尼醇的最佳工艺条件为：料液比1∶14 g/mL、辐射温度60℃、辐射功率420W、辐射时间33 min。在最佳工艺条件下，茄尼醇的提取率为0.581%。

（2）微波辅助提取具有节省溶剂、耗时短、快速高效且安全环保等优点，在天然产物提取中具有一定的发展前景。

[1]陈爱国,申国明,梁晓芳,等.茄尼醇的研究进展与展望[J].中国烟草,2007,28（6）:44-48.

[2]张旗,黄龙,高志农,等.低次烟叶中茄尼醇的超声波辅助提取与纯化[J].湖北农业科学,2014,53（6）:1402-1405.

[3]韩莎莎,张露,南叶飞,等.茄尼醇萃取工艺及其纯化的研究进展[J].杭州化工,2016,46（1）:8-10.

[4]周统武,蔡娟.茄子叶中茄尼醇微波辅助萃取工艺研究[J].安徽农业科学,2010,38（14）:7266-7267,7290.

10．13752／j．issn．1007－2217．2016．04．003

2016-07-26