張露

響應(yīng)面法優(yōu)化微波輔助提取煙葉中茄尼醇的工藝研究

張露

（西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安710065）

以廢棄煙葉為原料，采用微波輔助方法提取煙葉中的茄尼醇。研究了不同料液比、輻射時(shí)間、輻射溫度和輻射功率對(duì)茄尼醇提取率的影響，并通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，最佳工藝條件為：料液比1∶14 g/mL、輻射溫度60℃、輻射功率420 W、輻射時(shí)間33 min。在最佳工藝條件下，茄尼醇的提取率為0.581%。

煙葉；茄尼醇；微波輔助；響應(yīng)面法

煙草是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，其種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一位。自16世紀(jì)以來(lái)，人們將煙草用于卷煙市場(chǎng)后，隨著煙草加工業(yè)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)有70%的廢棄煙葉不能得到充分利用，如果常年堆積，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。因此，廢棄煙葉的變廢為寶，成為了化學(xué)領(lǐng)域研究者們著重討論的話(huà)題之一[1]。

茄尼醇廣泛存在于煙草、馬鈴薯葉或桑葉中，其在煙草干料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)0.3%～3%[2]。茄尼醇具有醫(yī)藥功效，有抗菌、消炎和止血的作用，在醫(yī)藥方面是不可替代的中間體。由于茄尼醇難于提取，故在醫(yī)藥方面常采用人工合成的方法獲取茄尼醇，用于合成輔酶Q10等醫(yī)藥產(chǎn)品。然而人工合成的茄尼醇，生物活性差，不易被人體吸收，難以充分發(fā)揮輔酶Q10的藥理作用；而從植物中提取出的茄尼醇，屬于天然的有機(jī)原料，易于人體吸收轉(zhuǎn)化，因此研究從植物中提取茄尼醇具有極大的現(xiàn)實(shí)意義和發(fā)展前景[3]。

本文采用微波輔助提取法，用無(wú)水乙醇作為有機(jī)溶劑提取煙葉中的茄尼醇，并通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化處理，旨在為茄尼醇的研究開(kāi)發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1材料與儀器

材料：煙葉（江南西昌）；無(wú)水乙醇，分析純；高效液相色譜儀（HPLC）流動(dòng)相的乙醇，色譜純。

儀器：WF-2000微波快速反應(yīng)系統(tǒng)（上海屹堯分析儀器有限公司）；SHZ-D循環(huán)水式真空泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；FW117中草藥粉碎機(jī)（天津泰斯特儀器有限公司）；恒溫水浴鍋；DGG-9140B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；GR-200電子天平（日本AND）；EYEL4型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海愛(ài)朗儀器有限公司）。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 材料預(yù)處理

取一定量的煙葉洗凈后置于日光下晾干，再于溫度為60℃的恒溫干燥箱中烘干，粉碎并篩分（過(guò)80目篩），備用。

1.2.2 茄尼醇的萃取

先量取一定體積溶劑，再準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量經(jīng)預(yù)處理的原料（精確到0.1 g），同時(shí)加到反應(yīng)釜中，設(shè)定適宜的輻射溫度、輻射功率和輻射時(shí)間，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；提取結(jié)束后，對(duì)料液進(jìn)行真空抽濾，最后用適量溶劑洗滌濾渣，合并混勻提取液，減壓旋蒸回收溶劑，然后對(duì)濃縮后的提取液進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算提取率[4]。提取率的計(jì)算公式如下：

提取率=（提取液中茄尼醇的質(zhì)量/提取原料的質(zhì)量）×100%

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 單因素實(shí)驗(yàn)

以茄尼醇的提取率為指標(biāo)，分別研究料液比、輻射時(shí)間、輻射功率以及輻射溫度對(duì)煙葉中茄尼醇提取率的影響，并確定單因素的最佳工藝條件。

1.3.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇輻射時(shí)間、輻射功率和輻射溫度為相應(yīng)變量，以茄尼醇的提取率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)進(jìn)行茄尼醇提取工藝優(yōu)化的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼見(jiàn)表1。

表1 提取工藝優(yōu)化的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 料液比對(duì)煙葉中茄尼醇提取率的影響

按照1.2.2步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在輻射功率400 W、輻射溫度60℃、輻射時(shí)間為30 min條件下，分別設(shè)定料液比為1∶8、1∶10、1∶12、1∶14和1∶16 g/mL進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算提取率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 料液比對(duì)煙葉中茄尼醇提取率的影響

由圖1可知，隨著溶劑含量的增加，煙葉中茄尼醇的提取率先增大后減小；當(dāng)料液比為1∶14 g/mL時(shí)，茄尼醇的提取率達(dá)到最大，繼續(xù)增加溶劑量，提取率降低。這可能是因?yàn)槿軇┑脑黾邮沟脽熑~中有其他物質(zhì)生成，阻礙了茄尼醇的溶解。故綜合各個(gè)方面，選擇最佳料液比為1∶14 g/mL。

2.1.2 輻射時(shí)間對(duì)煙葉中茄尼醇提取率的影響

按照1.2.2步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在料液比1∶14 g/mL、輻射功率400 W、輻射溫度60℃條件下，分別設(shè)定輻射時(shí)間為20、25、30、35和40 min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算提取率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 輻射時(shí)間對(duì)煙葉中茄尼醇提取率的影響

由圖2可知，隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，煙葉中茄尼醇的提取率先增大后減??；當(dāng)輻射時(shí)間為30 min時(shí)，茄尼醇的提取率最大，但當(dāng)輻射時(shí)間超過(guò)30 min以后，茄尼醇的提取率呈明顯下降趨勢(shì)。原因可能是輻射時(shí)間延長(zhǎng)，微波輻射會(huì)破壞部分茄尼醇的結(jié)構(gòu)，使煙葉中茄尼醇的含量降低，從而影響茄尼醇的提取率。故最佳提取時(shí)間為30 min。

2.1.3 輻射功率對(duì)煙葉中茄尼醇提取率的影響

按照1.2.2步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在料液比1∶14 g/mL、輻射時(shí)間30 min、輻射溫度60℃條件下，分別設(shè)定輻射功率為300、400、500、600以及700 W進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算提取率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 輻射功率對(duì)煙葉中茄尼醇提取率的影響

由圖3可知，隨著輻射功率的增大，煙葉中茄尼醇的提取率先增大后減小，當(dāng)輻射功率為400 W左右時(shí)，茄尼醇的提取率達(dá)到最大。隨后，由于輻射功率的增大，微波震動(dòng)變得更加劇烈，茄尼醇的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成部分茄尼醇被分解，從而影響了茄尼醇的提取效率，因此，茄尼醇的提取率隨著輻射功率的增大而逐漸降低，故選擇最佳輻射功率為400 W。

2.1.4 輻射溫度對(duì)煙葉中茄尼醇提取率的影響

按照1.2.2步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在料液比1∶14 g/mL、輻射時(shí)間30 min、輻射功率400 W條件下，分別設(shè)定輻射溫度為30、40、50、60和70℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算提取率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 輻射溫度對(duì)煙葉中茄尼醇提取率的影響

如圖4可知，隨著輻射溫度的升高，煙葉中茄尼醇的提取率先增大后減?。划?dāng)輻射溫度為60℃左右時(shí)，茄尼醇的提取率達(dá)到最大，隨后，再升高輻射溫度，茄尼醇的提取率呈下降趨勢(shì)。原因可能是溫度過(guò)高會(huì)造成部分茄尼醇分解破壞；并且，70℃時(shí)已經(jīng)接近茄尼醇的沸點(diǎn)，會(huì)使得部分茄尼醇揮發(fā)掉，極大地影響了茄尼醇的提取效率，從而得出最佳輻射溫度為60℃。

2.2響應(yīng)面分析與優(yōu)化

采用Design-Expert.v8.0.6.1軟件對(duì)表1進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)，并繪制響應(yīng)面圖，所擬合的響應(yīng)面圖反映了輻射時(shí)間、輻射溫度和輻射功率這3個(gè)因素的兩兩交互作用對(duì)茄尼醇提取率的影響，響應(yīng)面三維圖分別見(jiàn)圖5、圖6和圖7。

由圖5可見(jiàn)，輻射溫度和輻射功率2個(gè)因素交互作用并不明顯。由響應(yīng)曲面可以看出，當(dāng)輻射溫度不變時(shí)，隨著輻射功率的增加，茄尼醇的提取率先增大后減?。欢?dāng)輻射功率不變時(shí)，隨著輻射溫度的升高，茄尼醇的提取率先增大后減小。

圖5 輻射溫度和輻射功率對(duì)茄尼醇提取率影響的響應(yīng)面圖

圖6 輻射時(shí)間和輻射功率對(duì)茄尼醇提取率影響的響應(yīng)面圖

由圖6可見(jiàn)，輻射時(shí)間和輻射功率2個(gè)因素交互作用并不明顯。由響應(yīng)曲面可以看出，當(dāng)輻射時(shí)間一定時(shí)，隨著輻射功率的增加，茄尼醇的提取率先增大后減小。而當(dāng)輻射功率一定時(shí)，隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，茄尼醇的提取率先增大后減小，但是現(xiàn)象不太明顯。

圖7 輻射溫度和輻射時(shí)間對(duì)茄尼醇提取率影響的響應(yīng)面圖

由圖7可見(jiàn)，輻射時(shí)間和輻射溫度2個(gè)因素交互作用并不明顯。由響應(yīng)曲面可以看出，當(dāng)輻射時(shí)間一定時(shí)，隨著輻射溫度的升高，茄尼醇的提取率先增大后減小。而當(dāng)輻射溫度一定時(shí)，隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，茄尼醇的提取率先增大后減小，但是現(xiàn)象不太明顯。

綜上所述，3因素中兩兩因素的交互作用均不顯著。茄尼醇的最佳提取工藝條件為：在輻射溫度為60℃、輻射功率為420 W、輻射時(shí)間為33 min。在此條件下，茄尼醇的提取率為0.573%。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證響應(yīng)面法的可靠性，采用上述響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)得到的最佳提取工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，平行3次，取其平均值，得到最佳工藝條件下的提取率為0.581%，與理論值相差0.008%。因此，基于響應(yīng)面法優(yōu)化得到的茄尼醇的提取工藝條件具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化得到的微波輔助法提取煙葉中茄尼醇的最佳工藝條件為：料液比1∶14 g/mL、輻射溫度60℃、輻射功率420W、輻射時(shí)間33 min。在最佳工藝條件下，茄尼醇的提取率為0.581%。

（2）微波輔助提取具有節(jié)省溶劑、耗時(shí)短、快速高效且安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在天然產(chǎn)物提取中具有一定的發(fā)展前景。

[1]陳愛(ài)國(guó),申國(guó)明,梁曉芳,等.茄尼醇的研究進(jìn)展與展望[J].中國(guó)煙草,2007,28（6）:44-48.

[2]張旗,黃龍,高志農(nóng),等.低次煙葉中茄尼醇的超聲波輔助提取與純化[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,53（6）:1402-1405.

[3]韓莎莎,張露,南葉飛,等.茄尼醇萃取工藝及其純化的研究進(jìn)展[J].杭州化工,2016,46（1）:8-10.

[4]周統(tǒng)武,蔡娟.茄子葉中茄尼醇微波輔助萃取工藝研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38（14）:7266-7267,7290.

10．13752／j．issn．1007－2217．2016．04．003

2016-07-26