夾帶劑對(duì)穿心蓮內(nèi)酯超臨界萃取的影響

尹文紅， 陳克勛

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院材料成型及控制工程系，山東淄博 255049;2.山東理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，山東淄博 255049)

穿心蓮為爵床科植物穿心蓮Andrographis paniculata(Barm.f.)Nees的干燥地上部分。具有清熱解毒、涼血消腫的功效。穿心蓮有效成分為二萜內(nèi)酯和黃酮化合物，其中穿心蓮內(nèi)酯(Andrographolide)類化合物臨床上用于治療急性腸胃炎、扁桃體炎、肝炎和抗癌［1－2］等。穿心蓮內(nèi)酯的高效分離純化是提高穿心蓮藥草附加值的重要渠道。

近年來，消費(fèi)者更加關(guān)心有機(jī)溶劑的使用情況，更傾向于使用無添加劑的自然產(chǎn)品。近十年來，超臨界流體萃取(SFE)，尤其超臨界CO2(SC－CO2)萃取這種綠色技術(shù)在天然產(chǎn)物提取方面收到了越來越多的關(guān)注［3］。

超臨界流體(SCFs)具有很多特性，如高擴(kuò)散能力、低黏度和高可壓縮性等，從而使其成為工業(yè)過程備受歡迎的溶劑。SC－CO2由于其無毒、不可燃、價(jià)廉易得、臨界溫度接近室溫等優(yōu)點(diǎn)而成為最有吸引力的超臨界流體。然而，CO2也有缺點(diǎn)，比如它溶解強(qiáng)極性物質(zhì)的能力低，溶質(zhì)選擇性差等，從而使得其應(yīng)用受到限制。很多研究表明，極性夾帶劑的加入能夠在很大程度上提高強(qiáng)極性有機(jī)化合物在非極性超臨界流體中的溶解度［4－10］。一些夾帶劑使用比較廣泛，如甲醇和乙醇，這是拓寬超臨界流體應(yīng)用范圍的有效方法，因而很多這方面文獻(xiàn)也不足為奇，而選擇夾帶劑就成為關(guān)鍵問題。由于性質(zhì)相對(duì)安全和清潔，水和乙醇比其他有機(jī)溶劑作為夾帶劑更有吸引力。

本實(shí)驗(yàn)旨在研究超臨界CO2萃取過程中夾帶劑對(duì)穿心蓮內(nèi)酯原材料(含穿心蓮內(nèi)酯30%)純度的影響。

1 原料和方法

1.1 樣品和試劑 穿心蓮內(nèi)酯原材料(含穿心蓮內(nèi)酯30%)由安徽拓峰公司提供，穿心蓮內(nèi)酯標(biāo)準(zhǔn)品(純度≥99%)由中國藥品生物制品檢定所提供，CO2(純度≥99.5%)由淄博特種氣體公司提供，乙醇(純度≥99%)、乙酸(純度≥99%)和色譜級(jí)溶劑均購于上海分析試劑廠。

1.2 設(shè)備 壓縮機(jī)由北京第一機(jī)械工具廠生產(chǎn)，不銹鋼結(jié)晶器的長和內(nèi)徑分別為30 cm和10 cm，結(jié)晶器的容積為2.36 L。兩個(gè)分離器容積均為2 L，氣體緩沖器1.5 L，使用轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程 圖1為超臨界萃取的工藝流程。萃取器中填充經(jīng)過稱重后的穿心蓮內(nèi)酯原材料，關(guān)閉出口閥，通入CO2直至達(dá)到所要求壓力和溫度。幾分鐘后，為達(dá)到萃取其中的平衡，打開出口閥，壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)到規(guī)定值。分離器溫度為50℃，壓力5.0 MPa，從而使得晶體具有良好的流動(dòng)性。CO2循環(huán)使用，在萃取過程的終端和卸壓過程中，有少量CO2損失。每批實(shí)驗(yàn)重復(fù)4次。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖1.CO2鋼瓶 2.過濾器 3.壓縮機(jī) 4.萃取器 5和6.分離器7.氣體緩沖器 8.轉(zhuǎn)子流量計(jì) P1，P2，P3—壓力計(jì) T1，T2，T3—溫度傳感器Fig.1 Extraction set-up.1.CO2cylinder 2.filter 3.compressor 4.extractor 5，6.separators 7.gas buffer 8.rotor flowmeter P1，P2，P3—manometer T1，T2，T3—temperature transducer

1.4 穿心蓮內(nèi)酯純度的測試

1.4.1 色譜條件 HPLC系統(tǒng)(美國 Agilent，HP1100型)，包括515型輸液泵、2487紫外雙光束檢測器、Rheodyne7725i型手動(dòng)進(jìn)樣器和 Millennium32化學(xué)工作站;色譜條件:Waters Symmetryshield 5 μm C18柱(3.9 mm × 150 mm)色譜柱，甲醇－水(65% ～35%)為流動(dòng)相，體積流量:1.00 mL/min，檢測波長205 nm。

1.4.2 穿心蓮內(nèi)酯標(biāo)準(zhǔn)曲線 精密稱取穿心蓮內(nèi)酯標(biāo)準(zhǔn)品，用甲醇溶解并定容搖勻，配置質(zhì)量濃度為1 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)品溶液。將該溶液進(jìn)行稀釋，得到質(zhì)量濃度分別為 0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mg/mL的稀釋液。取樣 10 μL，采用 1.4.1 項(xiàng)的色譜條件進(jìn)行測試。以色譜峰的面積為縱坐標(biāo)，實(shí)際進(jìn)樣量(μg)為橫坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸。穿心蓮內(nèi)酯在0.10～1.31 μg范圍內(nèi)與峰面積呈線性關(guān)系，回歸方程為:Y=20 852X+324.6，r=0.999 5。

1.5 晶體表征 采用掃描電子顯微鏡(SEM)和X－射線粉末衍射(XRD)技術(shù)對(duì)所萃取樣品進(jìn)行表征。1.6 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 為研究夾帶劑對(duì)萃取過程的影響，首先考察夾帶劑含量為5%時(shí)，壓力(8、16、24 MPa)和溫度(40、55、70℃)的影響，再改變夾帶劑的用量如下:乙醇(5%、10%、15%);水(5%、10%、15%);乙酸(5%、10%、15%)。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度和壓力對(duì)穿心蓮內(nèi)酯晶體純度的影響

首先在加入夾帶劑和不加夾帶劑兩種情況下，考察不同溫度(40、55、70 ℃)和不同壓力(8、16、24 MPa)時(shí)的萃取情況，以找出晶體最高純度的條件。不同條件下經(jīng)過超臨界CO2萃取所得穿心蓮內(nèi)酯晶體的純度如表1所示。晶體純度隨著溫度和壓力的升高而增大，但溫度的影響更為明顯。不加夾帶劑時(shí)，在所研究的溫度和壓力范圍內(nèi)，穿心蓮內(nèi)酯晶體的純度從45.8%變化到59.9%，在最高溫度(70℃)和最高壓力(24 MPa)時(shí)所得晶體的純度最高。隨著壓力增加，從穿心蓮內(nèi)酯原材料中溶解穿心蓮內(nèi)酯晶體的能力增大，從而所得晶體的純度提高。晶體純度隨著溫度的升高而增大的原因是由于溫度的增加導(dǎo)致溶質(zhì)蒸汽壓增大。雖然隨著溫度的升高，超臨界CO2密度減小，但溶質(zhì)蒸汽壓增大的趨勢大于密度的減小，而且這個(gè)結(jié)果也使得晶體純度提高?；蛘哒f，溫度升高使顆粒單元結(jié)構(gòu)遭到破壞［11］，使得SC－CO2更容易滲透到顆粒單元而從原材料中溶解析出。

表1 不同溫度(40～70℃)，不同壓力(8～24 MPa)，加入和不加夾帶劑對(duì)晶體純度的影響Tab.1 The purity of andrographolide crystal by SC-CO2extraction with and without the addition of three kinds of entrainers(5%)at different temperatures(ranging from 40-70℃)at different pressure(ranging from 8-24 MPa)

2.2 夾帶劑的影響 夾帶劑的影響與所萃取溶質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)［12］，因而選擇夾帶劑的首要因素是考慮目標(biāo)物質(zhì)在改性后的CO2流體中的溶解度［13］。選擇夾帶劑的另一方面因素是考慮夾帶劑對(duì)原材料的溶脹作用，所選夾帶劑應(yīng)使得CO2易于滲透到原材料里面，從而達(dá)到萃取目標(biāo)物質(zhì)的目的［14］?？紤]到無毒這一特性，本實(shí)驗(yàn)選擇的夾帶劑為乙醇、水和乙酸，研究在不同溫度和不同壓力條件下的影響。夾帶劑的加入使得晶體的純度提高，和純CO2相同，無論加入哪種夾帶劑，都是在最高溫度(70℃)和最高壓力(24 MPa)時(shí)得到的晶體純度最高。單一夾帶劑5%對(duì)晶體純度的影響與原材料和溶質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，其對(duì)晶體純度的提高能力遵循以下規(guī)律:乙酸＞乙醇＞水，乙酸具有最大影響。少量夾帶劑的加入能夠提高SC－CO2的溶解能力，這與夾帶劑在超臨界相中的含量有關(guān)。

在所研究的3種夾帶劑中，水的極性最大，乙醇的極性最小。穿心蓮內(nèi)酯是一種低極性有機(jī)化合物，乙酸的極性處于所研究的三種夾帶劑中間，因而當(dāng)使用乙酸作為夾帶劑時(shí)效果最好。

2.2.1 乙醇作為夾帶劑的影響 當(dāng)乙醇用量從5%增加到15%時(shí)，晶體純度分別增加到66.5% ～75.9%(溫度40 ℃)以及70.4% ～85.2%(溫度70℃)(表2所示)。乙醇用量從10%增加到15%時(shí)使得晶體純度增加的程度高于用量從5%增加到10%時(shí)使得晶體純度增加的程度，溫度為40℃時(shí)，前者增加6.0%而后者增加3.4%。

表2 乙醇、水和乙酸作為夾帶劑，不同用量時(shí)對(duì)穿心蓮內(nèi)酯晶體純度的影響(壓力為24 MPa)Tab.2 Effects of different concentrations of ethanol，water，and acetic acid as entrainers on the purity of andrographolide(Pressure is 24 MPa.)

必須注意，大量夾帶劑的加入將會(huì)改變混合物的臨界參數(shù)［13］。高密度夾帶劑的加入和SC－CO2分子在夾帶劑周圍的聚集，使得SC－CO2的堆密度增大［15］。夾帶劑可能稀釋了萃取物質(zhì)，降低其黏度，因而提高了萃取物流經(jīng)萃取器的速率。

2.2.2 水作為夾帶劑的影響 在壓力為24 MPa，溫度分別為40℃和70℃時(shí)，研究了水作為夾帶劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%和15%)的影響。隨著水量的增加，晶體純度明顯增大(表2所示)。當(dāng)水量從5%增加到15%、溫度為40℃時(shí)，所得晶體的純度從63.2%增加到72.1%，溫度為70℃時(shí)，晶體純度從68.9%增加到82.7%。與乙醇作為夾帶劑相似，溫度為70℃時(shí)夾帶劑的影響比溫度為40℃時(shí)的影響更明顯。然而，過度增加水量將導(dǎo)致機(jī)械阻力，如閥門阻塞［14］，這是由于含水量高將導(dǎo)致材料傳質(zhì)困難。

水在 SC－CO2中只能溶解 0.3%［16］，然而在超臨界SC－CO2的應(yīng)用中經(jīng)常用到水作為夾帶劑。由于水能溶脹原材料使其開孔，因而水的存在可以增加萃取質(zhì)－夾帶劑－原材料之間的作用力，使得流體更易于與萃取質(zhì)接觸，從而將萃取質(zhì)從原材料中帶出。Hubert和Vitzthum［17］報(bào)道，從煙草中萃取尼古丁時(shí)必須有水存在。

2.2.3 乙酸作為夾帶劑的影響 當(dāng)乙酸由5%增加到10%，溫度為40℃時(shí)，所得晶體的純度從68.6%增加到73.8%，溫度為70℃時(shí)，晶體純度從80.8%增加到87.1%。而當(dāng)乙酸由10%增加到15%，溫度為40℃時(shí)，所得晶體的純度從73.8%下降到69.4%，溫度為70℃時(shí)，晶體純度從87.1%下降到81.0%。乙酸是穿心蓮內(nèi)酯的良溶劑，當(dāng)乙酸作為夾帶劑時(shí)，它可以增加萃取物質(zhì)在超臨界流體中的溶解能力，因而選擇乙酸作夾帶劑比乙醇和水作夾帶劑的影響更顯著。乙酸為15%時(shí)使得晶體純度有所下降的原因可能是由于乙酸在SC－CO2中的溶解能力有限，因而過量乙酸將堵塞原材料的空隙。

2.3 晶體表征

2.3.1 晶體形貌 圖2a－c所示分別為選擇乙醇、水和乙酸為夾帶劑所得穿心蓮內(nèi)酯晶體的SEM圖片，可以看出，所得晶體均是柱狀，當(dāng)選擇乙酸作夾帶劑時(shí)，所得晶體尺寸最小(圖2c所示)。

圖2 不同夾帶劑時(shí)所得穿心蓮內(nèi)酯晶體的SEM圖片a.乙醇作夾帶劑 b.水作夾帶劑 c.乙酸作夾帶劑其他實(shí)驗(yàn)條件為:溫度70℃，壓力24 MPa，夾帶劑為15%Fig.2 SEM photomicrographs of andrographolide crystals extracted with different entrainersa.ethanol as entrainer b.water as entrainer c.acetic acid as entrainer.Other experimental conditions:temperature 70℃，pressure 24 MPa，the amount of entrainer 15%

2.3.2 晶體的X－射線衍射 見圖3。穿心蓮內(nèi)酯晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)用X－射線粉末衍射技術(shù)進(jìn)行表征，XRD圖譜可以反映結(jié)晶度和結(jié)晶取向，XRD圖譜的形狀反映晶體內(nèi)部分子的規(guī)則排列。本實(shí)驗(yàn)中XRD圖譜主要用于研究夾帶劑的影響。夾帶劑的變化將直接影響晶體結(jié)晶過程中的成核和長大速率，從而可能導(dǎo)致晶體分子產(chǎn)生不同的排列方式。圖3中曲線a－c分別為使用夾帶劑為乙醇、水和乙酸時(shí)所得晶體的XRD圖譜，可見不同夾帶劑所得晶體的圖譜不同。XRD圖譜中，可以用衍射峰的強(qiáng)度來衡量結(jié)晶度的大?。?8］。a、b、c 3條衍射曲線衍射峰的強(qiáng)度分別為17 617、25 180和39 193。曲線c，當(dāng)乙酸作為夾帶劑時(shí)，具有最大衍射峰強(qiáng)度，也就是說，當(dāng)選擇乙酸作為夾帶劑時(shí)，所得晶體具有最大結(jié)晶度，這與SEM的結(jié)果一致。

圖3 不同夾帶劑時(shí)所得穿心蓮內(nèi)酯晶體的XRD圖譜a.乙醇作夾帶劑 b.水作夾帶劑 c.乙酸作夾帶劑其他實(shí)驗(yàn)條件為:溫度70℃，壓力24 MPa，夾帶劑為15%Fig.3 XRD patterns of andrographolide crystals extracted with different entrainersa.ethanol as entrainer b.water as entrainer c.acetic acid as entrainer.Other experimental conditions:temperature 70℃，pressure 24 MPa，the amount of entrainer 15%

3 結(jié)論

使用乙醇、水和乙酸作為夾帶劑提高了穿心蓮內(nèi)酯晶體的純度，夾帶劑的加入量與溫度(40到70℃)和壓力(8到24 MPa)有關(guān)，在溫度為70℃，壓力為24 MPa時(shí)效果最好。相同條件下，夾帶劑的影響效果遵循以下規(guī)律:乙酸＞乙醇＞水。當(dāng)夾帶劑為15%，在溫度為40℃和70℃時(shí)均具有最好效果，但乙酸作為夾帶劑，在溫度為70℃時(shí)晶體純度稍有下降。當(dāng)乙酸作為夾帶劑時(shí)，SEM圖顯示晶體具有最小尺寸，而XRD圖譜顯示晶體具有最大結(jié)晶度。

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