槐米提取物去除水中Cu2+的最佳条件探究

厉诗娴，周坤鹏，张迁文，周文宇，李婧

(黑龙江八一农垦大学 生命科学技术学院，黑龙江大庆 163319)

随着我国现代工业的快速发展，水体重金属污染已经严重威胁到我国的卫生安全[1-2]。对重金属污染的治理已经成为环境保护研究领域的重要课题。目前处理水体重金属污染的方式有：化学沉淀法、电解法、离子交换法、膜分离法、生物法、吸附法等[3]。但上述方法均存在一定的不足，如物理沉淀法吸附剂消耗巨大；化学沉淀法虽试剂种类繁多，但价格昂贵；生物富集法易引起水体富营养化、毒性化等二次污染。因此新型的、简易有效的水体重金属去除材料或方法的开发对推动我国重金属污染治理工程的发展具有重要意义。

近些年来，中药产业崛起，在中药加工过程中会产生大量的废弃物（包括残茎、根须、根头、破碎组织和碎屑粉渣等）[4]。目前常见的处理中药废弃物的方式有直接燃烧、肥料化、饲料化等，这些方式均未对中药材进行充分利用，因此中药废弃物的综合开发也成为中药行业的关注热点[5]。中药材提取物含有许多化学成分，如黄酮、生物碱、氨基酸、多糖等物质。这些化学成分具有与金属离子络合的能力[3,6]。其中，黄酮类化合物与多种金属离子形成结构稳定且化学性质惰性的配合物[7]。

本实验选取槐米这一种富含黄酮类化合物的中药开展去除重金属能力研究。将槐米提取液与Cu2+这种常见的水污染金属离子溶液混合，利用碘量法检测槐米提取液对水体中Cu2+的去除效果，探讨了中药材提取条件、提取液与金属离子反应条件、药物残渣多次利用效果。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

槐米（熟槐米）产自我国山东省，颜色呈黄褐色。

乙醇，95%，辽宁泉瑞试剂有限公司；五水合硫酸铜、五水硫代硫酸钠、硫氰化钾、碘化钾，天津市大茂化学试剂厂；盐酸，37%，天津市科密欧化学试剂有限公司；乙酸铵和可溶性淀粉，沈阳市华东试剂厂；以上药品与试剂均为分析纯。

GZX-9240MBE电热鼓风干燥箱，上海博讯实业有限公司；JA2603B电子天平，上海精科天美公司；PS-40超声波清洗机，东莞市洁康超声波设备有限公司；D16-C高速冷冻离心机，德国Sartorius公司；HH-4恒温数显水浴锅，常州亿通分析仪器制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 标准溶液的制备

用蒸馏水与五水合硫酸铜配置成浓度为3.0 mmol/L的Cu2+溶液，作为Cu2+标准溶液备用。

称取约1.6 g的Na2S2O3·5H2O，加入新煮沸并冷却的去离子蒸馏水128 mL，先配置成50 mmol/L的Na2S2O3溶液，储存于棕色试剂瓶中，在暗处放置3～5 d，备用。使用碘量法滴定之前，取一定量的50 mmol/L的Na2S2O3溶液，稀释至浓度为2.0 mmol/L的标准溶液，用于滴定。

1.2.2 槐米处理

将槐米置于60 ℃的烘箱中烘至恒重，利用研钵研磨干燥后的槐米，过60目筛后备用。

1.2.3 碘量法检测铜离子含量

碘量法原理：I-与Cu2+反应生成碘单质与碘化亚铜沉淀，利用Na2S2O3标准溶液滴定生成的I2，以淀粉为指示剂，确定滴定终点。

反应过程：在50 mL锥形瓶中装入铜离子标准溶液（10 mL），加入槐米提取液（1 mL），反应5 min后加入过量KI（0.1 g），待KI溶解后利用Na2S2O3标准溶液进行滴定；待测液颜色呈浅黄色时加入0.1%淀粉溶液（1 mL）使待测液呈深蓝色，继续滴加Na2S2O3使待测液呈浅蓝色；加入0.25 g/mL的KSCN（1.2 mL），溶液变蓝，继续滴加Na2S2O3至溶液呈现粉白色，滴定结束。

溶液Cu2+的去除率计算方法如式（1）所示：

式中，C1和C2分别表示铜离子标准溶液和Na2S2O3标准溶液的浓度，mol/L；V1和V2分别表示铜离子标椎溶液和Na2S2O3标准溶液滴定用量的体积，L。

1.2.4 槐米黄酮提取条件优化

（1）提取溶剂。称取1 g处理后的槐米（4份）置于50 mL离心管中，分别加入20 mL体积分数为70%、50%、20%的乙醇溶液和蒸馏水，浸泡6 h，240 W超声30 min。将超声后的样品在3 000 r/min、20 ℃的条件下离心10 min，上清液即为提取液。

（2）浸泡时间。称取1 g处理后的槐米（4份）置于50 mL离心管中，加入20 mL蒸馏水，分别浸泡1 h、2 h、3 h、6 h，240 W超声30 min。将超声后的样品在3 000 r/min、20 ℃的条件下离心10 min，上清液即为提取液。

（3）超声时间。称取1 g处理后的槐米（4份）置于50 mL离心管中，加入20 mL蒸馏水，浸泡6 h，240 W分别超声0 min、10 min、20 min、30 min。将超声后的样品在3 000 r/min、20 ℃的条件下离心10 min，上清液即为提取液。

1.2.5 Cu2+去除条件优化

（1）反应温度。将提取液与Cu2+溶液的混合温度分别保持在20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，反应5 min后按照1.2.3后续步骤操作。

（2）反应时间。将提取液与Cu2+溶液的混合温度保持在20 ℃，分别反应0 min、5 min、10 min、20 min、30 min、60 min，按照1.2.3后续步骤操作。

（3）反应状态。将提取液与Cu2+溶液的混合温度保持在20 ℃反应5 min，期间分别静置与搅拌，按照1.2.3后续步骤操作。

2 结果与分析

2.1 槐米有效成分提取

2.1.1 溶剂

水和乙醇是常用的提取溶剂，本实验采用多种浓度的乙醇溶液对槐米有效成分进行提取。如图1（A）所示，70%乙醇提取液对Cu2+的去除率为38.61%，随着乙醇浓度的降低，去除率降低；当提取溶剂为蒸馏水时，提取液对Cu2+的去除率达到最高，为47.08%。

图1 槐米提取条件实验

槐米提取液中成分复杂，查阅文献可知，高浓度乙醇溶液萃取出的黄酮类成分较多，因此随着乙醇浓度的降低，萃取效果降低，对Cu2+的去除率随之降低[8]。然而水提取液对Cu2+的去除率最高，分析原因可能是碘量法为显色反应，乙醇对显色终点判断有影响；同时，在黄酮类化合物与Cu2+形成配合物时，在乙醇溶液中有一定的溶解度，从而影响计算结果，而配合物在水中的溶解度非常小，因此表现为水提取液的Cu2+去除率最高，后续提取均使用蒸馏水为溶剂。

2.1.2 浸泡时间

一般来说，浸取量与浸取时间成正比，即时间越长越有利于有效成分溶出。如图1（B）所示，随着浸泡时间的不断延长，提取液的Cu2+去除率升高，在浸泡6 h时Cu2+离子的去除率最高，达到50.79%。但浸取时间不能无限延长，因为水提取液中营养成分丰富，在适宜条件下微生物大量生长，导致提取液变质。因此以浸泡6 h为最佳提取条件。

2.1.3 超声时间

超声波协助浸取是中药提取中常见的手段，通常会提高药材中有效成分的溶出效率。如图1（C）所示，随着超声的时间增长，提取液的Cu2+离子去除率增加，在超声30 min时去除率达到47.35%。在实验中，更长的超声时间导致溶液温度增高，且耗时、耗能，不仅可能影响中药材的利用，还造成资源浪费，因此以超声30 min为优选条件。

2.2 提取液与Cu2+反应条件

反应温度、时长、混合条件对槐米提取液去除Cu2+能力的影响，如图2所示。

图2 提取液与铜离子溶液反应条件探索

从图2（A）可知，随着反应温度升高，提取液的Cu2+去除率下降。在温度为20 ℃时，Cu2+离子的去除率最高，为49.99%。因此提取液与含Cu2+溶液反应不需要额外提供能量，常温即可。如图2（B）所示，反应时间对槐米提取液与Cu2+离子作用的影响趋势不明显，总体看反应5 min时去除率最高，考虑到节省时间，优选反应5 min。如图2（C）所示，两种溶液混合后，静置和机械搅拌对去除率影响不大，考虑到减少耗能，保证溶液充分混合即可。

综合上述实验，考虑生产中的时间、经济成本等因素，槐米有效成分的提取条件为：在料液比1∶20和室温条件下，以水为提取剂，浸泡6 h，240 W超声30 min。提取液与Cu2+溶液在室温、反应5 min、混匀条件下即可达到较好去除效果。

2.3 槐米多次提取物去除铜离子能力

按照最优提取条件对槐米进行多次提取，检验提取液去除Cu2+离子的能力，结果如图3所示。槐米第一次提取物具有最高的Cu2+离子去除能力，随着提取次数的增多，Cu2+离子去除能力逐渐降低。中药材通常会提取三次，残渣即为生产废弃物，考虑到应用成本，药物残渣仍然可以发挥去除水体重金属离子的作用。

图3 槐米多次提取液去除重金属能力

3 结论

中药废弃物、中药残渣中通常仍含有一定量的活性成分，为了充分利用中药材资源，开发其在水体重金属去除方面的应用具有现实意义，本实验以槐米作为研究对象，发现可以在经济、环保、耗能低、耗时少的条件下使用槐米提取液去除水体中的铜离子。本实验结果可以扩展应用到其他中药材的研究与应用，同样可以针对其他毒性较大的重金属离子进行去除能力探究。