内部沸腾法提取槐米中的芦丁及其动力学和热力学研究

张艳丽， 符华林， 卢朝成， 刘梦娇， 周建瑜， 范巧佳

（四川农业大学动物医学院药学系，四川雅安625014）

内部沸腾法提取槐米中的芦丁及其动力学和热力学研究

张艳丽， 符华林*， 卢朝成， 刘梦娇， 周建瑜， 范巧佳

（四川农业大学动物医学院药学系，四川雅安625014）

目的采用内部沸腾法提取槐米中的芦丁，并对其提取过程中的动力学和热力学进行研究。方法内部沸腾法提取槐米中的芦丁，通过单因素实验进行优化，并计算提取过程中的传质系数k，活化能及热力学函数ΔH，ΔS和ΔG。结果当乙醇体积分数为80%，解吸液料比为2.4 mL/g，解吸时间为30 min，提取剂乙醇体积分数为10%，提取液料比为16 mL/g，提取温度为80℃～90℃，芦丁内部沸腾法提取过程在200 s内完成，提取速率比乙醇回流法快24倍；内部沸腾法提取过程的传质系数k在0.004 9～0.006 9 s-1，大于乙醇回流提取的7.00×10-4s-1；提取过程的活化能和热力学参数，ΔE为35.65 kJ/mol，ΔH为168.05 kJ/mol，ΔS为481.33 J/（mol·K），ΔG为-4.34 kJ/mol（85℃）。结论内部沸腾法的提取过程是吸热熵增加的过程，ΔG小于零，为自发过程。

内部沸腾法；提取；芦丁；动力学；热力学

槐米为豆科植物槐Sophora japonica L的未开放的花蕾，是一种传统的中药材，具有凉血、止血之功效［1-2］。可药用也可食用［3］。现代研究表明，槐米具有抗炎、抗病毒、抗氧化等药理作用，其药效主要与其含有黄酮类物质芦丁有关系［4］。目前槐米中芦丁的提取方法有水提法、碱提酸沉法、乙醇回流法等［5］。水提法简单易行，生产成本低，但芦丁的收率低；乙醇回流法需要大量的乙醇作为溶剂，且提取时间较长，所以生产成本较高。采用微波辅助提取（MAE）和超声辅助提取（UAE）可以加快药物的提取速率，但这些方法需要投入大量的设备和消耗大量的能源，因此他们很难在大规模化生产中被应用［6-8］。所以找到一种省时、节能、安全、环保的提取方法是现代药物提取的当务之急。

内部沸腾法是由韦藤幼等人提出的一种快速、高效提取药物成分的方法［9］。此方法的机理是有效成分在提取过程中的迁移并不是传统的分子扩散［10］，而是预先渗透到植物内部的解吸剂沸腾从而引起的对流扩散。陈晓光等［11］采用内部沸腾法提取香菇多糖，与传统法相比其多糖的提取率提高了0.18%，整个提取时间缩短了85 min。石灵高等［12］采用减压内部沸腾法提取银杏叶总黄酮，其提取速度比传统法快11倍，乙醇溶剂用量也减少了2倍，且提取液色素和杂质含有量也相对较少。但目前尚未见内部沸腾法提取槐米中芦丁的报道。本实验采用内部沸腾法来提取槐米中的芦丁，并对其提取动力学和热力学进行研究，旨在解决传统提取方法提取时间较长、提取效率较差等问题，从而为大规模生产提供依据。

1 仪器与材料

UV-2000型紫外可见分光光度计 （上海尤尼柯仪器有限公司）；HH-2电子恒温水浴锅 （国华电器有限公司）；真空恒温干燥箱 （天津药典标准仪器厂）。

槐米购买于雅安市惠民大药房，经四川农业大学范巧佳副教授鉴定为正品药材；芦丁对照品 （中国食品药品检定研究院，纯度92.5%，批号10080-200707）；无水三氯化铝 （天津市福晨化学试剂厂，批号20121102）；其他试剂均为分析纯。

2 方法和结果

2.1 芦丁定量测定方法的建立 精密称定芦丁对照品5.0 mg，置于50 mL量瓶中，加入适量60%乙醇，微热溶解，放冷至室温，用60%乙醇定容得母液，备用。取不同体积的母液至10mL量瓶中，加入1mol/LAlCl3溶液1.0mL，配制成质量浓度为10、12、14、16、18、20μg/mL的溶液，于415 nm处测定吸光度，得到标准曲线回归方程：A= 0.024 6C+0.017 4，r2=0.999 3。此方法的日内和日间精密度及回收率见表1。结果表明该测定方法稳定，重复性高。

表1 不同质量浓度芦丁标准液的精密度和回收率 （n=5）

2.2 内部沸腾法提取槐米中的芦丁及方法优化 称取5 g槐米粉末 （粉碎，过60目），用一定体积分数的乙醇溶液解吸30 m in，使乙醇溶液充分渗透槐米粉末；倒入一定量不同体积分数的热乙醇，提取一定时间后，真空抽滤，得滤液，放至室温，然后用浓盐酸调pH 3～4，搅匀，4℃冰箱静置，抽滤，45℃真空干燥，得芦丁样品。分别考察解吸时乙醇的用量、体积分数、解吸时间以及外部提取剂乙醇的体积分数和用量对提取过程的影响。结果见图1。

图1 内部沸腾法提取过程中各操作因素对芦丁提取率的影响

从图1（a）中可知解吸剂乙醇的最佳体积分数为60%，这是因为当乙醇体积分数低时，渗透到物料内部乙醇不沸腾，当体积分数高时，内部沸腾强烈，但持续时间短，导致提取不完全；图1（b）是解吸时乙醇的用量筛选，从图中可知，当乙醇用量为12mL（液料比为2.4 mL/ g）时提取率最高，增加用量对提取率影响不大，但乙醇用量太少则解吸不充分不利于提取；图1（c）和 （d）所示，当解吸时间超过30min和提取时液料比为16 mL/g时对提取过程已没有影响；从图1（e）中可知最佳外部提取剂的乙醇体积分数为10%，这是由于当乙醇体积分数较低时，芦丁溶解度较小，不易扩散溶解到提取介质中；但是乙醇体积分数高于10%时，外部和内部的乙醇体积分数差减小，不利于物质的传递，而且许多脂溶性物质也被提出，使粗提取物中杂质较多，同时增加了提取成本。

2.3 提取动力学方程的测定 内部沸腾法：用12 mL 80%乙醇解吸30 min，用80 m L 10%乙醇进行提取，分别考察提取温度为80℃、85℃、90℃下的提取动力学。用提取时间与其对应的质量浓度作图，得到提取动力学曲线。结果见图2（a）。

为与内部沸腾法对比，称取5 g槐花米粉末，加入10 mL 20%的乙醇浸润30 min，加入80 mL 85℃20%乙醇，于85℃的水浴锅中进行回流提取，每隔一定时间后，从烧瓶中取1 mL的提取液，微孔滤膜过滤，用10 mL的量瓶定容至刻度，然后用紫外分光光度计测定芦丁的量，重复3次，取平均值，经分析计算得出提取的动力学曲线，比较其提取效果的差异。结果见图2（b）。

图2 提取时间与芦丁质量浓度的关系

图2（a）分别为80、85、90℃3个温度下的内部沸腾提取过程的动力学曲线。从图中可知，3个温度下的提取速度非常快，200 s内提取完成，其与图2（b）比较可以看出，乙醇回流则需要4 800 s，为内部沸腾法的24倍。

一般来说，在天然产物有效成分的提取过程中，当有效成分从植物颗粒内部向外部提取剂扩散的过程中，都是处于一种非稳态的扩散状态［13-14］，假设粉碎后的槐米颗粒为球形，所以采用Fick第二定律为依据，用如下方程［15-16］进行动力学方程拟合，拟合结果见表2。，即可得到式 （2）：

ln（Cs-Ci）=-kt+A （2）

其中F为固相中芦丁含有量与槐米中芦丁总含有量的比值；Ct为t（s）时刻芦丁的质量浓度；Cs为槐米中芦丁的总质量浓度；r为距球心的半径。

表2 不同提取方法经拟合后的参数比较

表2为芦丁的内部沸腾法和乙醇回流经方程式 （2）拟合后的结果，从表中可以看出：①拟合系数R2均大于0.99，这就说明内部沸腾法的提取动力学符合该方程，也就是说无论是内部沸腾法还是乙醇回流其提取动力学方程与传统的提取方法是一样的。②其传质系数k随温度的增加而稍显增加，其变化范围在0.49×10-2～0.69×10-2s-1之间，这与对流传质的特征相符合；而乙醇回流的k为7.00×10-4s-1，与同温度下的内部沸腾法相比，k仅为其1/8倍，之所以内部沸腾法提取速度加快，这主要是由于传质方式的改变而实现的。

根据表2数据，对ln k与1/T作图 （如图3），由方程式k=k0exp（-ΔE/RT）可推到出ln k=ln k0-ΔE/RT.

通过计算可求出过程中的活化能ΔE为35.648 kJ/mol，提取过程中的活化能较低，有利于提取的进行。

图3 内部沸腾法提取过程中传质系数ln k与1/T的关系图

2.4 提取过程热力学计算 内部沸腾法的本质和机理可用热力学参数来描述，例如ΔG、ΔH、ΔS。而提取过程的ΔH和ΔS可由Van't Hoff的方程［17］计算：

ln K=-（ΔG/RT）=-（ΔH/RT）+ΔS/R （3）

K=Ye/Yn（4）

其中K为芦丁在两相中的分配系数；Yn为芦丁保留在固相中的产率：Ye为提取平衡时芦丁的产率；采用内部沸腾法提取3次测定芦丁的总含量。

根据实验测定的80℃、85℃、90℃下的Yn。根据公式 （4）可分别计算出采用内部沸腾法提取的两相分配系数K。将ln K和1/T进行线性拟合可得：ln K=57.891-20 212/T，R2=0.990 3。根据公式 （3）可得3个温度下的热力学参数，结果见表3。

表3 芦丁在不同温度下的分配系数及热力学参数

通过计算可知，ΔH和ΔS均大于零，由此表明内部沸腾法的提取过程为吸热熵增加的过程，ΔG小于零，为自发过程。随着温度的升高，ΔG逐渐减小，说明越容易进行。

4 讨论

从槐米中提取芦丁，属于物理溶解过程，其过程如下［10］：（1）槐米的润湿和溶剂向其内部的渗透；（2）槐米内部芦丁的溶解； （3）芦丁从槐米内部向槐米表面扩散；（4）芦丁按扩散的方式通过固-液界面的边界层；（5）芦丁从固液界面向液相主体扩散。其中步骤 （1） （2） （3）属于内部扩散，步骤 （4）属于界面传质，步骤 （5）属于外扩散。采用内部沸腾法提取时，当加入热乙醇时内部就会沸腾，这就使得槐米颗粒在溶剂中不断的碰撞，芦丁就被提取出来了。

本实验采用内部沸腾法提取了槐米中的芦丁，单因素实验结果得到内部沸腾法的提取条件为：乙醇体积分数为80%，液料比为2.4 m L/g，解吸30 min，提取剂乙醇体积分数为10%及液料比为16 mL/g。通过对内部沸腾法提取动力学的研究表明，其提取过程是吸热熵增加的过程，ΔG小于零，为自发过程。

综述所上，此方法不仅可以快速的提取芦丁而且还大大降低了乙醇水溶液的用量。由于芦丁的本质是以对流传质的方式进行的，所以在提取过程中减少了能量的消耗。又因为该方法简便易操作，所以能够很好的应用于大规模的生产中。

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B

1001-1528（2015）04-0895-04

10.3969/j.issn.1001-1528.2015.04.047

2014-01-09

张艳丽（1988—），女，硕士生，研究方向为药物制剂。Tel：（0835）2885614，E-mail：zhangyanli2008927@126.com

*通信作者：符华林，男，博士，教授，研究方向为药物制剂。Tel：（0835）2885614，E-mail：fuhl2005@sohu.com