从芹菜叶中提取黄酮的动力学研究

魏小红，袁瑞花，王 辰

（长江大学生命科学学院，湖北荆州 434025）

芹菜（Apium Graveolens L.）属伞形花科1年生或2年生草本植物，亦名旱芹。芹菜叶含有丰富的黄酮类化合物，具有清除自由基、抗氧化、抗辐射和调节免疫等生物活性功能[1-2]，芹菜黄酮主要成分为水蓼素及7-甲基水蓼素，医学试验证明，这2种黄酮类化合物还是治疗高血压的有效成分[3-5]。黄酮类化合物多以苷态存在，易溶于甲醇、乙醇、乙酸乙酯等有机溶剂。采用乙醇溶剂法提取芹菜中的黄酮物质安全性高、实用性强。试验以Fick第一定律为基础，以芹菜叶为原料，乙醇为浸提剂，对提取过程进行动力学研究，建立动力学方程，为研究控制提取条件、优化工艺参数、优化提取率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 原料、试剂及仪器

旱芹（Apium graveolens L.），产于荆州市太湖农场，由长江大学园艺园林学院高焕章教授鉴定。

芦丁，中国药品生物制品检定所提供；亚硝酸钠、硝酸铝等，均为分析纯。

P L 303型电子分析天平、紫外分光光度计，上海精密科学仪器有限公司产品；微型高速万能试样粉碎机，河北省黄骅市科学仪器厂产品；HH-4型数显恒温水浴锅，常州国华电器有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 芹菜黄酮含量的测定

黄酮的分析采用分光光度法，以芦丁为对照品，黄酮试样加入铝离子试剂，同时控制适宜pH值，使黄酮化合物与铝盐形成络合物，在可见区能获得稳定的特征吸收峰，可直接进行分光光度测定。芹菜黄酮溶液质量浓度C与吸光度A之间的回归方程:C=0.101 5A+0.000 3（C为质量浓度，A为吸光度），R2=0.998 9。

1.2.2 芹菜颗粒粒径（r）的确定

将洗净的芹菜叶烘干到水分含量7.0%±0.5%，用试样粉碎，过不同粒径的筛，取通过上筛而留在下筛的芹菜粉，芹菜颗粒的粒径则以上下两筛筛孔孔径的几何平均数表示:

式中:d1——上筛直径，μm；

d2——下筛直径，μm。

芹菜颗粒粒径的确定见表1。

表1 芹菜颗粒粒径的确定

1.2.3 试验方法

将一定量不同粒径的芹菜叶粉加入250 mL三口烧瓶中，先用适量90%乙醇溶液在室温下浸润10 min，再向烧杯中加入已加热到设定温度的90%乙醇溶液120 mL，在此温度下进行常压恒温水浴回流浸提，恒速搅拌并计时，间隔定时取样测定黄酮质量浓度，并对测得的取样质量浓度进行修正[6-7]。研究提取温度、提取时间和颗粒粒径对芹菜黄酮浸出质量浓度的影响。研究提取温度与黄酮浸出质量浓度随提取时间的变化关系时，将液固比（M）和颗粒粒径分别固定为30 mL/g和81.60μm；研究颗粒粒径与黄酮浸出质量浓度随提取时间的变化关系时，将液固比和提取温度分别固定为30 mL/g和343 K。

2 传质动力学方程

假设芹菜粉为多孔球形颗粒，采用溶剂浸提芹菜黄酮的过程，包括3个步骤[8-9]，即:①溶剂向芹菜颗粒内部扩散，浸润固体颗粒并溶解溶质；②被溶解的溶质以分子形态从颗粒内部扩散迁移至固液界面上；③溶质从固液界面向溶剂主体扩散。根据Fick第一定律:

确定芹菜粉黄酮成分的浸提动力学模型。

3 结果与分析

通过浸提试验可获得不同提取温度、提取时间、颗粒粒径条件下浸提液中芹菜黄酮的浸出质量浓度，利用这些数据，根据浸提动力学模型，建立芹菜黄酮的浸提动力学方程。

3.1 不同提取温度对浸提液中芹菜黄酮质量浓度的影响

利用试验测得的芹菜黄酮质量浓度C及平衡质量浓度 C∞数据，作 ln[C∞/(C∞-C)]～t的关系图。

3.2 不同颗粒粒径对浸提液中芹菜黄酮质量浓度的影响

不同提取温度下 ln[C∞/(C∞-C)]～t的关系 （r=81.60μm，M=30 mL/g） 见图1，不同颗粒粒径下ln[C∞/(C∞-C)]～t的关系 （T=343 K，M=30 mL/g） 见图 2。

图1 不同提取温度下ln[C∞/(C∞-C)]～t的关系（r=81.60μm，M=30 ML/g）

图2 不同颗粒粒径下ln[C∞/(C∞-C)]～t的关系（T=343 K，M=30 ML/g）

由图1、图2中各直线回归方程求得的芹菜黄酮表观扩散速率常数F和C0值。

从芹菜叶中浸提黄酮的动力学参数见表2。

由表2可看出，F随提取温度的升高，粒径的减小呈明显的增大趋势，C0随提取温度的增加和粒径的减小变化不大。C∞随提取温度的升高而增大，在相同提取温度下，C∞与粒径无关。同时也可以看出，不同提取温度和颗粒粒径条件下，ln[C∞/(C∞-C)]与t均成良好的线性关系，R2都在0.90以上。因此，可以认为，在用体积分数为90%乙醇水溶液浸提芹菜黄酮的过程中，浸提液中黄酮质量浓度随提取时间的变化符合公式（1）的浸提动力学模型。

3.3 芹菜叶黄酮浸提过程中F与颗粒粒径r和浸提温度T的关系

由化学反应动力学可知，表观扩散速率常数是提取温度的函数，即在芹菜黄酮浸提过程中，应遵循Arrhenius公式，即

表2 从芹菜叶中浸提黄酮的动力学参数

式中:F——表观扩散速率常数，1/s；

A（r）——指前因子，1/s；

T——绝对温度，K；

R——气体常数，8.314 J/(mol·K)；

Ea——表观扩散活化能，J/mol。

ln F与1/T的关系 （r=81.60μm，M=30 mL/g） 见图3。

图3 ln F与1/T的关系（r=81.60μm，M=30 ML/g）

可以认为，在提取温度变化范围为313～353 K内，Ea为常数与T无关，由公式（3）可得Ea=2 386×8.314=19 837 J/mol，A（r）=0.247（1/s）。

根据王唯涌等人[7]对以Fick第二定律为基础的建立的动力学模型的研究，可以得到以下关系:

3.4 浸提模型的验证

在不同的提取温度与不同的颗粒粒径下，对浸提过程取得的芹菜黄酮得率进行试验值与模型计算值比较，如图1、图2显示，提取温度较低时组分扩散传质速率较小，因而提取率较低。计算结果表明，数学模型能较好地反映提取时间对提取率的影响规律。

提取温度与提取时间对芹菜叶黄酮提取率的影响见图4，粒径与时间对芹菜叶黄酮提取率的影响见图5。

图4 提取温度与提取时间对芹菜叶黄酮提取率的影响

在颗粒粒径较大时，提取时间对组分提取的影响较大，提取时间短，可能颗粒内部的传质阻力较大，随着提取时间增加，颗粒溶胀，组分的扩散速率增加。颗粒粒径较小时，试验值与计算值有一定的偏差，其原因可能是颗粒物料细胞机械破壁，致使细胞内的其他物质浸出，提取液杂质增多，黏度增大，组分扩散速率变慢；提取时间越长，模型计算值和试验数据吻合越好，该浸提模型较好地表示了颗粒度对提取率的影响规律。

该浸提模型同时反映了提取时间、提取温度和颗粒粒径与提取液中芹菜黄酮质量浓度之间的关系，在确定的试验范围内，原料浸提条件一定时，可以对浸出的芹菜黄酮质量浓度进行预测。

图5 粒径与提取时间对芹菜叶黄酮提取率的影响

4 结论

在浸提过程受扩散控制的情况下，此模型能较好地描述采用乙醇提取芹菜叶黄酮的动力学过程，并能较准确地反映提取过程中黄酮的浸出质量浓度与提取温度、提取时间、液固比和颗粒粒径之间的关系。为提取芹菜叶黄酮的工艺设计和操作条件提供有价值的依据。