纤维提取（精选9篇）
纤维提取 篇1
现今对天然纤维材料的研究越来越多,例如香蒲绒纤[1]、椰壳纤维[2]等,与此同时,我国是一个农业大国,水稻、小麦、玉米、高粱、棉花等是主要的农作物品种,农作物秸秆纤维的研究也逐步受到关注。随着农作物单产的提高,秸秆产量也将增加[3]。目前,农作物秸秆的用途有造肥还田、工业原料、农民生活燃料,同时也有大量秸秆没有被利用[4]。其中,棉花秸秆目前主要用于造纸、建材、发酵饲料等[5],研究人员对提取棉秆皮纤维并用于纺织原料产生了浓厚兴趣:李龙等[6]和裴华强等[7]对碱煮法提取棉秆皮纤维做了初步研究;张晓岑等[8]初步探究了复配生物酶提取法制备棉秆皮纤维;杨震[9]研究了高温高压对棉秆皮的脱胶处理;陈建勇等[10]利用闪爆与化学脱胶相结合的方法制备棉秆皮纤维,并申请了专利;Yang Yiqi[11]研究了棉秆皮纤维作为复合材料增强纤维时材料的力学性能。本课题组已研究了小麦秸秆的提取及其在复合材料中的应用[12],本实验着重研究常温常压碱处理提取天然棉秆皮纤维的技术,研究了氢氧化钠溶液质量浓度、温度和时间等碱提取工艺参数对棉秆皮失重率的影响,并采用FT-IR、SEM、XRD等方法对优化工艺提取的棉秆皮纤维的化学成分、表面形态、结晶结构、力学性能等进行表征,以期为棉秆皮的资源化利用提供进一步的理论依据。
1 实验
1.1 实验材料
实验所用棉秆皮购于江苏盐城棉花种植农户,对收购到的棉秆皮进行去皮去节处理,作为原料。氢氧化钠(NaOH),AR,国药集团化学试剂有限公司;冰乙酸(CH3COOH),AR,国药集团化学试剂有限公司;洗涤剂,上海和黄白猫有限公司。
1.2 纤维制备
提取工艺:棉秆皮→切断→碱煮→过滤→水洗→酸中和→水洗→烘燥至略干→梳理→烘干→干燥的棉秆皮纤维。碱处理在Rapid L-12/24A型常温振荡式染色小样机上进行,烘干在101A-1B电热鼓风干燥箱(上海安亭科学仪器有限公司)中进行,每次实验棉秆皮用量为100 g。
由于棉秆皮中的纤维素不溶于水及一般有机溶剂,对氢氧化钠溶液具有较好的稳定性,而其中的木质素、半纤维素、果胶以及其他杂质能部分溶于氢氧化钠,因此,测定棉秆皮经烧碱处理后的失重率。失重率越大,说明木质素、半纤维素等杂质被去除得越多。失重率G为:
undefined×100%
式中:G0为处理前棉秆皮的质量,G1为处理后棉秆皮纤维质量。失重率为5次实验的平均值,通过失重率优化棉秆皮碱处理的工艺条件。
1.3 测试方法与性能表征
1.3.1 纤维形态分析
棉秆皮纤维采用日本Nikon Ti-S倒置荧光显微镜,观察分析所提取得到的不同层的形态。纤维采用日本日立公司HITACHI-SU1510扫描电子显微镜,加速电压为10 kV,于20 ℃、相对湿度65%条件下观察经过喷金处理后样品横纵向的微观结构。
1.3.2 纤维红外光谱测试
棉秆皮纤维成分分析通过赛默飞世尔科技(中国)NICOLET is10傅里叶红外变换光谱仪(FT-IR),用ATR全反射方法进行测试,扫描次数为16,分辨率为4 cm-1,测试范围为700～4000 cm-1。
1.3.3 纤维素含量测定
处理前棉秆皮和处理后的棉秆皮纤维的纤维素含量依据硝酸乙醇法测定[13]。
1.3.4 纤维结晶度测试
采用德国Bruker AXS 公司的D8 Advance 型X射线衍射仪测试纤维结晶度。采用Ni滤波、铜靶Cu Kα射线(λ=0.15406 nm), 功率为1600 W(40 kV×40 mA), 采用NaI晶体闪烁计数器(Scintillation counter)测量X射线的强度,扫描范围为1～50°, 扫描速度为4(°)/min,步长为0.02°。
1.3.5 纤维力学性能测试
将碱处理后得到的棉秆皮纤维低温烘干后置于标准温湿度环境(25 ℃,65%RH)下,吸湿平衡调试24 h后进行力学性能测试,试样长度为50 mm,取30根纤维的平均值。所用仪器为南通宏大实验仪器有限公司YG003A型单纤维强力仪,纤维细度测量采用中段切断称重法。
2 结果与讨论
2.1 碱处理制备棉秆皮纤维
2.1.1 液固比对棉秆皮失重率的影响
在NaOH溶液质量浓度为15 g/L、碱处理温度为100 ℃、碱处理时间为120 min条件下,液固比与棉秆皮失重率的关系如图1所示。由图1可以看出,在液固比小于30 mL/g时,其对棉秆皮纤维失重率的影响很大,失重率随着液固比的增加呈现上升趋势。在液固比达到30 mL/g之后,失重率变化趋于稳定。液固比较小时,液相不能很好地溶解棉秆皮中的杂质,处理效果受到影响;液固比较大时,处理后棉秆皮失重率有所增加,但会造成水资源浪费和环境污染,因此选择液固比为30 mL/g较为合适。
2.1.2 氢氧化钠浓度对棉秆皮失重率的影响
在液固比为30∶1、碱处理温度为100 ℃、碱处理时间为90 min条件下,氢氧化钠溶液浓度与棉秆皮失重率的关系如图2所示。
由图2可以看出,随着NaOH溶液浓度的增大,棉秆皮失重率逐渐增加,说明在本实验中NaOH溶液浓度越大,去除的木质素、半纤维素、果胶等杂质越多。但NaOH溶液质量浓度在10 g/L以下时,失重率变化不明显;NaOH溶液质量浓度增大到15 g/L左右时,失重率有较大幅度上升;NaOH溶液质量浓度达到20 g/L以后,失重率达到较高值并趋于稳定。在一定温度下,植物纤维原料中的半纤维素、木质素、果胶等杂质与氢氧化钠水溶液反应,杂质与氢氧根离子作用发生水解降解,随着氢氧化钠质量浓度的增大,提供的氢氧根离子增多,因此参与反应的杂质也增多,从而能够去除较多的杂质,棉秆皮的失重率增大。氢氧化钠质量浓度继续增大,当大部分杂质脱除后,纤维素也会发生碱性水解[14],不利于纤维的制成率。考虑到成本和环境的影响,选择NaOH溶液质量浓度15 g/L较为合适。
2.1.3 碱处理温度对棉秆皮失重率的影响
在液固比为30∶1、NaOH溶液质量浓度为15 g/L、碱处理时间为120 min条件下,碱处理温度与棉秆皮失重率的关系如图3所示。由图3可以看出,随着碱处理温度的升高,棉秆皮失重率增加。这是由于在较高温度下,半纤维素、木质素、果胶等非纤维素物质与碱液反应较快、较充分,而且其中有些大分子物质只有在较高的温度下才能溶解。因此,选择碱处理温度为100 ℃。
2.1.4 碱处理时间对棉秆皮失重率的影响
在液固比为30∶1、NaOH溶液质量浓度为15 g/L、碱处理温度为100 ℃条件下,碱处理时间与棉秆皮失重率的关系如图4所示。由图4可以看出,棉秆皮失重率随着碱处理时间的延长而变大,当处理时间达到120 min后,再延长处理时间,失重率的增加趋势变得不明显。因此,选择碱处理时间为120 min 较合适。
综上所述,得到棉秆皮纤维的优化制备工艺条件为:液固比为30 mL/g、NaOH溶液质量浓度为15 g/L、处理时间为120 min、处理温度为100 ℃。以下研究均采用此条件下制得的棉秆皮纤维。棉秆皮处理前后的对比照片见图5。
2.2 棉秆皮纤维的形态结构
图6是棉秆皮纤维处理后在倒置荧光显微镜下的不同层微观结构,可以看出棉秆皮纤维有明显的分层现象,由表皮向内分别为外层、内层。从图6(a)可以看出,内层排列密度高,取向度比较好,内层的交错角为0～15°;从图6(b)可以看出,外层纤维网状结构明显,交错角约为60～80°,外层纤维这种相互排列、缔合联结的网状结构使其纤维之间产生大量的缝隙和网孔。由图6可以看出,棉秆皮内层相比外层排列紧密,纤维素含量也相对较高。
图7是处理前后棉秆皮纤维的横纵向微观结构图。从图7(a)可以看出,未处理的棉秆皮纤维纵向表面有较多杂质,表面不平整,看不清纤维形态,可能是由于被杂质包覆。从图7(b)可以看出,经过碱处理后的棉秆皮纤维形态较处理前清晰,表面有凹凸不平的沟槽,没有转曲,这是由于碱处理去除了大量杂质得到较纯净的纤维。
从图8(a)可以看出,未处理的棉秆皮由多层纤维细胞构成,具有较多的细胞腔,这些具有中腔的纤维细胞又相互联结在一起;从图8(b)可以看出,经过碱处理后棉秆皮纤维中纤维细胞的中腔结构消失,整个横截面变成一个整体。这可能是因为棉秆皮纤维细胞在氢氧化钠溶液中溶胀,细胞壁变厚,导致中腔消失,具体的作用原理还有待进一步研究。
2.3 棉秆皮纤维的红外光谱
图9是处理前后棉秆皮纤维的红外光谱,可以看出提纯后的棉秆皮纤维在3320 cm-1、2890 cm-1、1610 cm-1、1320 cm-1、1030 cm-1处出现吸收峰。3320 cm-1处的峰属于O-H的伸缩振动[15],2890 cm-1处的峰属于-CH和-CH2的伸缩振动,1610 cm-1处的峰属于木质素中的含氧基团,1320 cm-1处的峰属于半纤维素的C-O振动,1030 cm-1处的峰属于多糖类纤维素中的C-O振动。这些特征吸收峰表明提纯后的棉秆皮纤维的主要成分是纤维素。处理后3100 cm-1附近的峰消失,可能是由于木质素酚型结构单元醚键(C-O-R)断裂。经测定棉秆皮处理前后纤维素含量分别为37.48%、67.41%,处理后棉秆皮纤维的纤维素含量明显提高,表明碱处理去除了棉秆皮中的木质素和半纤维素。综上所述,处理前后棉秆皮纤维的化学成分不同,木质素、半纤维素基团含量减少,表明碱处理有效地去除了棉秆皮中的杂质。
2.4 棉秆皮纤维的X射线衍射曲线
图10是处理后的棉秆皮纤维和黄麻纤维的X射线衍射谱。通过分析软件MDI Jade5.0[16],自动寻峰得到棉秆皮纤维的衍射峰对应角度(2θ)分别为15.04°、15.84°、22.48°,为典型的纤维素Ⅰ结构。对XRD谱线扣除背景,根据非晶峰强度与全部峰强度之比计算出棉秆皮纤维的结晶度为53.72%。同时,利用分析软件MDI Jade 5.0计算得到黄麻纤维的结晶度为67.14%。相关研究显示,原麻纤维和脱胶后的麻纤维结晶度分别为68.89%和71.23%[17],本实验计算得到的黄麻纤维结晶度与之相近。
2.5 棉秆皮纤维的力学性能
从表1可以看出,棉秆皮纤维的断裂伸长率为5.91%,断裂强度约为1.6 cN·dtex-1,与其他天然纤维素纤维相比具有良好的延伸性能,比一般的麻类纤维都要好。综合来看,棉秆皮纤维的性能与麻类纤维很相似,在今后的研究中可以考虑在纤维制品中用棉秆皮纤维部分代替麻类纤维。
3 结论
(1)由棉秆皮制备棉秆皮纤维的优化工艺参数为:液固比为30 mL/g、NaOH溶液质量浓度为15 g/L、处理时间为120 min、处理温度为100 ℃。在该条件下得到的棉秆皮纤维,纵向上与棉纤维的天然转曲不同,有凹凸不平的沟槽。
(2)碱处理有效地去除了棉秆皮中的木质素、半纤维素、果胶等杂质,得到主要成分为纤维素的棉秆皮纤维。
(3)棉秆皮纤维为典型的纤维素Ⅰ结构,其结晶度为53.72%,低于已知的棉、麻等天然纤维素纤维。
(4)棉秆皮纤维具有与麻类纤维接近的力学性能,断裂强度约为1.6 cN·dtex-1,断裂伸长率为5.91%。
棉秆皮天然纤维素纤维具有良好的开发利用价值,可作为一种新的纺织原料,有利于充分利用自然资源,减少污染,达到低碳环保的目的。
纤维提取 篇2
关键词：酸碱处理；水稻秸秆；纤维素；提取工艺
中图分类号： S216.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0252-03
收稿日期：2013-09-07
基金项目：湖北省科技开发研究项目（编号：2012DBA020001）；湖北省武汉市科技攻关项目（编号：201220822275）。
作者简介：陈华（1990—），男，湖北麻城人，主要从事秸秆资源化技术研究。Tel：（027） 83943957；E-mail：chenchh_2001@126.com。
通信作者：范国枝，教授，硕士生导师。Tel：（027） 83943956；E-mail：fgzcch@whpu.edu.cn。随着化石能源的日渐枯竭和气候环境的不断恶化，人类在能源、资源与环境诸方面都面临着非常严峻的问题，寻找可再生的清洁能源已成为全世界关注的焦点。木质纤维素广泛存在于各种农业废弃物（水稻秸秆、麦秸秆、稻壳、棉秆、麻秆和甘蔗渣）中。天然木质纤维素作为自然界中最为丰富的可再生资源备受关注，水稻是我国的主要农作物之一，水稻秸秆主要由大量的纤维素、半纤维素和木质素组成。其中，纤维素是由葡萄糖以β-1，4糖苷键联结而成的线性高分子，为均一聚糖，可以水解为基本结构单元纤维二糖，并最终水解为单体D-葡萄糖。纤维素可用作制备乙酸纤维素、葡萄糖苷以及糠醛等各种有用化学品的原料[1-3]。
目前水稻秸秆纤维素用作化学原料尚不多见，一方面是由于水稻秸秆中的纤维素具有很强的晶体结构，不易分离；另一方面是秸秆中的半纤维素、木质素和纤维素联结在一起形成了复合结构，其中的非纤维素成分严重阻碍了纤维素的综合利用，使之长期以来没有得到经济合理的开发，至今未能在技术和环境方面获得具有竞争力的突破，因此水稻秸秆的预处理和分离技术是实现水稻秸秆高效转化的关键所在。本研究拟采用酸碱相结合的方法脱除水稻秸秆中的半纤维素和木质素，探讨碱浓度、酸处理时间、水稻秸秆粒径等因素对提取水稻秸秆纤维素的影响，并采用红外（FT-IR）和粉末衍射（XRD）对所提取的纤维素进行表征。
1材料与方法
1.1材料
稻草秸秆由湖北武汉某公司提供，甲苯、乙醇、氢氧化钾、过氧化氢和乙酸均为分析纯。
1.2水稻秸秆纤维素的提取
1.2.1可溶性杂质的脱除[4]采用粉碎机将晒干洗净的水稻秸秆粉碎并过60-80目的水筛，10 g水稻秸秆加150 mL甲苯-乙醇混合液（体积比）在110 ℃条件下抽提20 h，55 ℃真空干燥。
1.2.2KOH/H2O2处理将1.5 g经过抽提的水稻秸秆粉末以及30 mL 5%的KOH溶液加入到接有冷凝管的250 mL烧瓶中，缓慢升温至90 ℃，继续恒温搅拌2 h。冷却至55 ℃，然后向烧瓶中加入2.16 g 30% H2O2，接着再加入150 g 2% H2O2溶液，使得烧瓶中H2O2溶液的浓度为2%且pH值为10.5。在55 ℃下继续搅拌12 h，冷却、过滤，水洗至中性，室温干燥。
1.2.3酸处理向上述碱处理后的样品中加入60 mL pH值为3.5的乙酸溶液，70 ℃下搅拌5 h，过滤，水洗至中性，室温干燥即得纤维素。未经任何处理的水稻秸秆及所提取的纤维素中各组分的含量测定参照文献[5]。
2结果与分析
2.1水稻秸秆纤维素的提取
2.1.1可溶性杂质的脱除植物秸秆中除了纤维素、半纤维素和木质素外，还含有少量硅。对水稻秸秆中各组分进行了测定，结果表明，水稻秸秆中纤维素、半纤维素、木质素和硅含量分别为37.8%、27.9%、14.1%和6.3%，表明水稻秸秆中可能还含有一些其他杂质。采用甲苯-乙醇混合溶剂对水稻秸秆进行了抽提，结果（图1）显示，抽提时间对杂质的脱除有显著影响。在抽提时间较短时，延长抽提时间有利于杂质的脱除。随着抽提时间的延长，粗产物的质量也随之降低；当抽提时间达到24 h后，继续延长抽提时间，当抽提时间由24 h增加至28 h，产物质量仅从 8.735 g 下降至8.729 g。图1的结果还表明，10 g水稻秸秆经过充分抽提后，质量为8.729 g，故可推测水稻秸秆中蜡质、油脂及可溶性杂质等的含量为12.71%。
2.1.2水稻秸秆的碱/H2O2处理由表1可知，随着碱浓度的增加，产物质量逐渐减少，表明碱浓度越高，水稻秸秆中的半纤维素和木质素脱除越完全。當碱液浓度达到5%后，继续增加碱液浓度至6%，产物质量几乎不变，仅由0.789 g降低至0.783 g，表明KOH浓度为5%时，几乎能够最大程度地脱除水稻秸秆中的半纤维素和木质素。由表1还可以看出，在碱浓度低于5%时，随着碱浓度的增加，半纤维素、木质素
H2O2在碱性介质中能够形成 HOO-，一方面用于漂白，另一方面由于H2O2的不稳定性，在碱性条件下容易进一步分解为HO·和 O-2· 。这些自由基可能会引起木质素氧化，进而产生亲水性基团，引起某些连接键的断裂，并最终导致木质素和半纤维素的溶解[6]，使得半纤维素和木质素的脱除率上升。在H2O2未参与处理的条件下，木质素的脱除率较低，表明木质素的脱除可能主要是在H2O2处理过程中完成的。H2O2对硅脱除率影响不明显，表明硅的脱除主要是在碱处理过程中完成的，原因在于二氧化硅主要集中在秸秆的外皮部分，在碱处理过程中基本能够被去除[7]。
2.1.3水稻秸秆的酸处理采用pH值为3.5的乙酸溶液于70 ℃对碱处理过的水稻秸秆作进一步的处理，结果如表2所示。由表2可知，随着酸处理时间的延长，产物质量略有降低，当酸处理时间达到5 h后，继续延长处理时间，产物质量以及各组分的脱除率几乎都保持不变。与表1的数据相比，硅脱除率几乎保持不变，而半纤维素和木质素的脱除率也有所增加，其原因在于经过碱处理后的粗产物中半纤维素和木质素的含量都已经相对较低。碱处理后残余的木质素可能主要为酸溶性木质素，而半纤维素在酸性溶液中可能发生了水解，因而半纤维素和木质素的脱除率都有所增加。
2.1.4水稻秸秆粒径对脱除率的影响试验结果（表3）表明，水稻秸秆粒径对可溶性杂质的脱除几乎没有影响，有机溶剂抽提后的产物质量变化不大，但对酸碱处理过程中各组分的脱除率有较大影响，随着水稻秸秆粒径的减小，粗产物的量逐渐降低，纤维素含量以及各组分的脱除率则随之增加。固体颗粒的表面积通常随着粒径的减小而增加，因此在粒径较大时，减小粒径有利于各组分的脱除。当粒径减小至一定程度后，继续减小粒径对各组分的脱除无明显影响，当水稻秸秆粒径为81～100 目时，进一步减小粒径，产物中纤维素的含量几乎保持不变。
2.2提取的纤维素表征
2.2.1IR谱图可溶性杂质脱除后的水稻秸秆经过
KOH/H2O2处理和酸处理后产物的IR谱图如图2所示。图中 3 440 cm-1 和2 920 cm-1处的吸收峰分别由—OH和—CH2的伸缩振动引起的；1 730 cm-1处为半纤维素脂族醚基团的特征吸收峰；1 520 cm-1处为木质素芳香族化合物CC的特征吸收峰[8]。由图2可知，在可溶性杂质脱除后水稻秸秆的IR谱图中，1 730 cm-1和1 520 cm-1处出现了半纤维素和木质素的特征峰；经过KOH/H2O2处理后，1 730 cm-1和 1 520 cm-1 处的特征峰不明显，表明半纤维素和木质素得到了较大程度的脱除；经过乙酸进一步处理后，木质素和半纤维素的特征峰几乎完全消失，表明经过酸碱处理后，水稻秸秆中的木质素和半纤维素几乎被完全脱除，这与表2的结果是一致的。
2.2.2XRD谱图未经任何处理的水稻秸秆以及经过酸碱处理的水稻秸秆的XRD谱图如图3所示。由图3可知，未经任何处理的水稻秸秆仅在22.4°处出现了纤维素Iβ的典型晶格特征峰，而由水稻秸秆所提取的纤维素在16.1°和34.3°处还出现了新的特征衍射峰。与水稻秸秆相比，粗纤维素在22.4°的衍射峰更窄、更尖，表明经过酸碱处理后，水稻秸秆中木质素和半纤维素被有效脱除，提高了粗纤维素的结晶度和抗拉强度[9]。
3结论
采用稀酸稀碱相结合的方法对水稻秸秆中的纤维素进行了提取，水稻秸秆中的半纤维素、木质素和硅都得到了有效的
脱除。大部分的半纤维素和木质素在碱/H2O2处理过程中得以脱除，残余的少量半纤维素和木质素在酸处理過程中被进一步脱除。在碱处理过程中，H2O2不仅作为漂白剂，还可有效促进木质素的脱除。经过酸碱预处理后，水稻秸秆中半纤维素和木质素的脱除率分别达到91.8%和97.3%，粗产物中纤维素含量高达90.2%。
参考文献：
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纤维提取 篇3
1 试验材料与方法
1.1 原料与试剂
白茅根, 安徽亳州药材市场;红枣和白砂糖 (一级品) , 徐州易初爱莲超市;苯酚, 西龙化工股份有限公司;葡萄糖, 天津褔晨化学试剂厂;无水乙醇, 磷酸氢二钠和柠檬酸等, 上海苏懿化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
标准检验筛, 浙江上虞华美仪器纱筛厂;风选中药粉碎机, 山东省青州市精诚机械制造有限公司;7230G可见分光光度计, 上海精密科学仪器有限公司;PC-1000数显式电热恒温水浴锅, 上海跃进医疗器械厂;SENCO R201L旋转蒸发器, 上海申生科技有限公司;TGL-16G型台式离心机, 上海安亭科学仪器厂;SHZ-D (III) 循环水式真空泵, 巩义市英峪予华仪器厂;pHS-3C型酸度计, 上海雷磁仪器厂;THZ-82恒温振荡器, 常州国华电器有限公司。
1.3 方法
1.3.1 标准曲线的建立
精密称取葡萄糖125mg, 定容至50mL, 分别精密量取0.0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0和10.0mL至25mL容量瓶中, 加水至刻度, 摇匀, 取此系列溶液各2mL至10mL具塞试管中, 分别向上述试管中精密加入1mL 5%苯酚乙醇溶液, 5mL浓硫酸, 摇匀, 置100℃水浴中反应15min, 反应完毕后取出, 放置至室温, 于紫外490nm处测定吸收值。以葡萄糖溶液浓度为横坐标, 其相应的吸收值为纵坐标, 绘制葡萄糖标准曲线:标准曲线:A=17.949C-0.017 (R2=0.9977) , 结果表明在0~0.05mg/mL之间线性良好。
1.3.2 得率的计算
2 结果与分析
2.1 液料比对得率的影响
由图1可知:当液料比小于12mL/g时, 随着液料比的增加, 得率随之增加;在12mL/g时达到峰值, 这是因为随着溶剂倍数的增大, 溶剂和白茅根粉末之间的接触面变大, 从而有利于促进白茅根中多糖成分的溶出。但过高的液料比会稀释酶的有效作用浓度、降低酶的催化活性, 从而使得率随着液料比的增加而降低;同时, 溶剂用量过大, 既增加了提取成本, 又会给其后续的浓缩、提纯等工序增加麻烦。故选择液料比12mL/g进行后续试验。
2.2 酶浓度对得率的影响
由图2可知:开始阶段, 多糖的得率随酶浓度的增加而大幅上升;在达到0.4%以后, 多糖的得率随酶浓度的增加而下降。这是因为在试验条件下, 酶浓度低于最佳值时, 酶解未进行完全;达最佳值时, 酶解进行较完全;此时如果继续加大酶浓度, 没有多余的底物与之结合, 导致酶的作用受到抑制。因此, 选择0.4%左右的酶用量比较合适。
2.3 pH值对得率的影响
由图3可知:pH值在3.8~4.6之间, 得率一直随pH值的上升而增加;当pH值超过4.6之后, 化学环境不利于酶的作用, 酶活力减小, 得率下降趋势明显;pH值为4.6时, 得率的数值是较为理想的。这是因为:pH值4.6时, 处于纤维素酶的最佳作用pH值区间能够发挥纤维素酶的最大活力, 使之最大限度作用于细胞壁纤维素β-1, 4葡萄糖苷键, 破坏细胞壁, 减小传质阻力, 加速多糖的溶出效率。
2.4 酶解温度对得率的影响
由图4可知:酶解温度在35~45℃时, 得率随酶解温度的上升而增加;45℃达顶点, 以后随酶解温度的增大得率减小。这是因为温度对酶解反应速度的影响有两方面效应:一方面当温度升高, 酶活性增强、反应速度加快;另一方面温度继续升高, 酶活性减弱、酶的稳定性降低, 同时高温还会破坏原本已被提取出来的多糖的结构;低于45℃时以前种效应为主, 高于45℃时以后种效应为主。
2.5 酶解时间对得率的影响
由图5可知:30~60min范围内得率随着时间的增加而增大, 这是因为随着时间的延长, 酶活力得到充分利用, 酶解反应进行得较完全, 白茅根中的多糖成分不断地溶出、进入溶液, 使得率增加。但提取一定时间后, 多糖成分已基本溶出, 继续增加提取时间, 得率有所降低, 且延长酶解时间还会增加能耗。酶解时间太短影响酶解效果, 时间太长不利于工业化生产。因此, 酶解工艺的适宜时间为60min。
2.6 Box-Behnken试验
2.6.1 模型的建立及其显著性检验
以不同液料比、酶浓度、pH值、酶解温度和酶解时间为影响因素, 考察其对得率的影响, 然后选取液料比、pH值和酶解温度3个对得率影响大的因素, 采用三因素三水平响应曲面分析方法来分析, 得出多糖最优提取条件, 试验结果见表1。
利用Design expert V7.0.0统计软件对表1试验数据进行回归拟合, 得到多糖得率对以上3个因素的二次多项回归模型为:
得率=-12.52+0.261x1+3.995x2+0.102x3-3.75×10-3x1x2+2×10-4x1x3+5.75×10-3x2x3-1.07×10-2x12-0.458x22-1.49×10-3x32
对该模型进行方差分析, 结果见表2。
由表2可知:模型具有高度的显著性 (P<0.05) , 失拟项 (P>0.05) 不显著以及R2Adj=0.8090和S/N (信燥比) 等于7.801, 远大于4, 可知回归方程拟合度和可信度均很高, 试验误差较小, 故可用此模型对纤维素酶提取白茅根多糖的工艺结果进行分析和预测。为进一步确定最佳提取工艺参数, 对所得方程进行逐步回归, 删除不显著项, 然后求一阶偏导, 并令其为0, 可得最佳工艺参数为液料比11.8mL/g、pH值4.6和酶解温度43.7℃, 此时得率达到最大值0.390%。
2.6.2 验证试验
为检验Box-Behnken试验设计所得结果的可靠性, 采用上述优化出的工艺参数提取3次, 实际测得的平均得率为0.393%, 与理论预测值相比, 其相对误差约为0.77%。因此, 基于Box-Behnken试验设计所得的最佳工艺参数准确可靠, 具有实用价值。
3 结论
在单因素试验的基础上建立了一个以白茅根多糖得率为目标值, 以液料比、pH值和酶解温度为因素的数学模型, 方差分析表明拟合较好。通过对回归方程优化计算, 得到提取的最佳工艺条件为液料比11.8mL/g、pH值4.6和酶解温度43.7℃。对所建立的数学模型进行了试验验证。在最优条件下, 得到多糖的得率为0.393%, 与理论值0.390%基本一致。
参考文献
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纤维提取 篇4
[关键词] 盾叶薯蓣；薯蓣皂苷元；纤维素酶；响应面分析法
[中图分类号] R931.7 [文献标识码] A [文章编号] 2095-0616（2012）01-27-03
Optimization on cellulase assisted extraction techonology of diosgenin from dioscorea zingibersis C.H. wright
TANG Jun GE Haitao ZHANG Yunxia DU Yun
[Abstract] The extraction of diosgenin from dioscorea zingibersis C.H. wright was studied.The technology was studied with the Box-Benhnken design and the response surface analysis.The result indicated that:the concentration ration of dioscorea zingibersis C.H and water was 1∶10,pH value 5.75,temperature 54 ℃,extracting time 2.5 h,cellulose amount 10.8 U/g.Then the yield of diosgenin is 1.5%.These results suggested that cellulose assisted extraction technology was the effective ways to improve the yield of diosgenin.
[Key words] Dioscorea zingibersis C.H. wright;Diosgenin;Cellulose;Response surface method
盾叶薯蓣又名黄姜、火头根，为被子植物门，单子叶植物纲，薯蓣科，薯蓣属多年生草本缠绕性植物，它是我国特有的甾体激素类药源植物。其根茎含有薯蓣皂苷（俗称皂素）、淀粉和纤维素，已被证实其中药效成份薯蓣皂苷具有增强性功能、抗衰老、治疗心血管疾病以及抑制癌细胞等功效，是合成各种避孕药和载体激素类药物的主要原料。薯蓣皂苷元提取工艺通常采用自然发酵酸水解法、分离法、酸水解法等，而这些方法的得率往往很低，且产生大量的酸水，造成严重的环境污染。
据宋发军[1]报道盾叶薯蓣中含纤维素达50%以上，因此，本试验拟采用纤维素酶法处理盾叶薯蓣中皂苷元，利用纤维素酶酶解可以破坏纤维素的β-D-葡萄糖苷联结键，从而破坏其细胞壁，在水解时能够最大限度地将薯蓣皂苷转化成薯蓣皂苷元，能够显著提高有效成分的提取收率。
响应面分析法（response surface method,RSM）[2]是一种有效的优化条件的方法，用于在加工过程中确定各因素及其交互作用对非独立变量的影响，其表述因素和响应值之间的关系最为精确，同时也是最经济的方式，对所选的实验参数可以较少的次数和较短的时间内进行全面研究，目前已广泛应用于各个领域。
本研究将主要考察纤维素酶辅助提取盾叶薯蓣中薯蓣皂
苷的提取方法，以薯蓣皂苷元收率为评价指标，采用5因素3水平的响应面分析法优化得到最优提取工艺条件。
1 材料与方法
1.1 实验材料
盾叶薯蓣药材（江苏黄河药业股份有限公司提供）；薯蓣皂苷元对照品（中国药品生物制品鉴定所提供）；纤维素酶（河南丰达生物科技有限公司，酶活力40 000 U/g）；甲醇（中国医药集团上海化学试剂公司，色谱纯）；石油醚（中国医药集团上海化学试剂公司，分析纯）。
1.2 主要仪器
电子天平（AG135，METTLER TOLEDO公司）；循环水式真空泵（SHZ-DⅡ，巩义市予华仪器厂），高效液相色谱（Waters 515 pump）；TGL-16B型台式高速离心机（湖南星科科学仪器有限公司）；2487紫外检测器。
1.3 实验方法
1.3.1 提取工艺 称取一定量盾叶薯蓣原料，加入一定比例的水以及纤维素酶，用醋酸钠-醋酸缓冲液调节pH值至一定范围，在40 ℃以上的水浴条件下搅拌提取一段时间后迅速升温至90～100 ℃，保温10 min，使酶灭活，纱布过滤得滤液，滤渣烘干后用石油醚回流提取8 h，热过滤，合并滤液静置至结晶完全，抽滤后滤饼烘干即得薯蓣皂苷元结晶。
工艺流程图如下：
1.3.2 薯蓣皂苷元提取工艺的考察 用中心组合设计法（central composite design,CCD）进行各影响因素的分析。数学模型：
（k=5） [4]
考察因素（自变量）：
X1-盾叶薯蓣与水的料液比；X2-酶解pH值；X3-纤维素酶用量（U）；X4-酶解作用时间（h）；X5-酶解温度（℃）
考察指标（因变量）：
Y1-薯蓣皂苷元得率（%）
据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理，采用五因素三水平的响应面分析方法。实验因素水平见表1。
1.3.3 薯蓣皂苷元得率的测定方法 本研究采用反相高效液相色谱法测定薯蓣皂苷元含量。
色谱条件：色谱柱：岛津VP-ODS（150 mm×4.6 mm×5µm）；流动相为甲醇：水=95∶5（V/V）；流速：1.0 mL/min；UV检测波长为208 nm；进样量：10 µL；柱温为25 ℃。
标准品溶液制备：取薯蓣皂苷元对照品0.250 0 g，用甲醇超声溶解，并定容至100 mL，得2.50 g/L对照品溶液备用。
样品溶液制备：称取盾叶薯蓣20 g，按1.3.1提取方法进行提取，所得的薯蓣皂苷元结晶加入甲醇超声溶解，并定容至250 mL，经0.45µm微孔滤膜过滤，所得滤液按上述色谱条件进行进样检测，结果代入标准曲线方程，得到薯蓣皂苷元含量。
薯蓣皂苷元得率为所得薯蓣皂苷元占盾叶薯蓣总量的百分数。
2 结果与讨论
2.1 标准曲线的建立
精密吸取标准品溶液0.4、0.8、1.0、2.0、4.0、8.0 mL，并分别定容至10 mL，浓度分别为0.10、0.20、0.25、0.50、1.00、1.50、2.00 g/L。分别经0.45 µm微孔滤膜过滤，所得滤液按上述色谱条件进行进样检测，并绘制标准曲线，薯蓣皂苷元对照品溶液色谱峰如图1所示。
图1 薯蓣皂苷元标准品色谱图
结果表明：薯蓣皂苷元在0.1～2.0 g/L之间具有良好的线性关系，拟合标准曲线，其回归方程为Y= 0.015 8X + 0.017，相关系数为r=0.998 9。
2.2 提取工艺考察实验结果及显著性分析（表2）
813 80026
方差分析结果表3显示：酶解pH（X2）与纤维素酶（U）用量（X3）对盾叶薯蓣皂苷元收率（Y1）影响统计显著（P值均小于0.005）。因此这两个因素对响应值起主导影响作用。笔者利用软件Ststistic 6.0分析得到拟合全变量二次回归方程，各变量的偏回归系数估计值及方差分析结果，得到拟合方程为：
Y1=0.997 422-0.004 44X1+0.182 364X2+0.297698X3+ 0.046 667X4-0.04X5-0.346 119X12+0.184 844X22-0.453 166X32-0.073 881X42-0.113 881X52+0.031 250X1X2+0.021 250X1X3+0.008 750X1X4-0.001 250X1X5+ 0.043 909X2X3+0.031 250X2X4+0.011 250X2X5-0.008 750X3X4-0.008 750X3X5+0.023 750X4X5
响应面是响应值对各实验因子所构成的三维空间的曲面图，从响应面分析图上形象的看出最佳参数与各参数之间的相互作用。借助软件Statistic根据回归方程以酶解pH（X4）和纤维素酶用量X3为因素，其他因素全部选择为水平2，绘出的拟合响应面曲面如图3。
由图3响应面可以看出随着纤维素酶用量（X3）的增加，收率（Y1）显著增加，在酶解pH值达到最大值的时候可得到收率的最值，而并不是在纤维素酶用量（X3）最大的时候。这是由于在一定条件下，酶浓度对酶的催化反应速度产生影响，当酶浓度较低时，酶活性中心被饱和，提取率随着酶浓度的增加而迅速增加，而后酶浓度继续增加时，反应速度增加率就比较小，当酶浓度增加至一定程度时，提取率达到一个限值，此时纵
图3 响应面拟合Y1（X2，X4）
使再增加酶浓度时，反应速度增加缓慢甚至减小；同时在不同pH值的条件下，可能会引起纤维素酶活的降低或升高，从本实验结果来看，盾叶薯蓣提取薯蓣皂苷元的最适pH在5.0～6.0之间。
2.4 最优水平确定及验证试验
考虑到实验最终目的是要优化得到纤维素酶辅助提取盾叶薯蓣中薯蓣皂苷的提取方法，综合各种因素的相互作用，根据二次多项回归模型方程，利用利用软件Ststistic 6.0中数学模型及快速登高法优化出高提取率的工艺条件见表4。
换算成实际工艺参数为：盾叶薯蓣与水的料液比为1∶10；酶解pH值为5.75；酶解温度为54 ℃；酶解作用时间为2.5 h；纤维素酶用量10.8 U。根据所得到的提取工艺，笔者对盾叶薯蓣进行重新提取，平行3次，所得薯蓣皂苷元的收率平均为1.53%，远优于之前盾叶薯蓣的传统提取工艺方法。
3 结论
在纤维素酶酶解法提取盾叶薯蓣中薯蓣皂苷元的试验过程中，笔者利用中心组合设计实验法及Ststistic 6.0软件响应面分析法分析功能优化得到了明显提高薯蓣皂苷提取率的提取工艺条件，结果证明了本实验设计统计方法能快速有效的实现工艺条件优化，其优化后的条件效果较为理想，在薯蓣皂苷元生产研究领域具有良好的应用前景以及指导意义。
[参考文献]
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[3] Muralidhar RV，Chirumamila RR.A response surface approach for the comparison of lipase production by Candida cylindracea using two different carbon soures[J].Biochemical Engineering Journal，2001，9（1）：17.
纤维提取 篇5
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试柑橘采于陕西城固,取皮,60℃烘干,粉碎备用。试剂为:氢氧化钠;无水乙醇;淀粉酶;蒸馏水。
1.2 试验仪器
中草药粉碎机(FY135);旋转蒸发仪;数显恒温水浴锅(HH-6);离心机(TDL-40B);电子天平(AL204)。
1.3 试验方法
1.3.1 工艺流程。膳食纤维提取工艺流程如图1所示。
1.3.2 单因素对提取效果的影响。
主要考虑以下5个因素对提取效果的影响:酶解温度、加酶量、料液比、碱液浓度、酶解时间。称取5 g粉碎的橘皮粉,采用不同酶解温度(40、50、60、70、80℃)、不同加酶量(0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 g)、不同料液比(1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶30、1∶40)、不同碱液浓度(0.25%、0.50%、1.00%、1.50%、2.00%、3.00%)、不同酶解时间(30、60、90、120、150、180 min)进行膳食纤维提取处理。并干燥称重,计算膳食纤维得率。
1.3.3 正交试验确定最佳提取工艺。
鉴于酶解温度、加酶量、料液比、碱液浓度、酶解时间对橘皮中膳食纤维的提取均有一定的影响,通过L16(45)正交试验确定最佳提取条件,试验水平如表1所示。
2 结果与分析
2.1 单因素对提取效果的影响
2.1.1 酶解温度对膳食纤维提取效果的影响。
在其他条件不变的情况下,选定40、50、60、70、80℃进行提取试验,结果如图2所示。由图2可知,温度升高时,水不溶性膳食纤维的含量先增加后降低,60℃时达到最大。
2.1.2 加酶量对膳食纤维提取效果的影响。
在其他条件不变的情况下,选择0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 g进行提取试验,结果如图3所示。由图3可知,随着加酶量的增加,水不溶性膳食纤维的含量呈先增加后降低的趋势,在0.6 g时达到峰值。
2.1.3 料液比对膳食纤维提取效果的影响。
在其他条件不变的情况下,选择1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶30、1∶40进行提取试验,结果如图4所示。由图4可知,随着料液比的增加,水不溶膳食纤维的含量呈先增大后降低的趋势。1∶20达到最高值,为23.26%。
2.1.4 碱液浓度对膳食纤维提取效果的影响。
在其他条件不变的情况下,选择0.25%、0.50%、1.00%、1.50%、2.00%、3.00%进行提取试验,结果如图5所示。由图5可知,随着碱液浓度增加,含量在0.50%达到最高值,此后碱液浓度增加时,水不溶膳食纤维反而减少。
2.1.5 酶解时间对膳食纤维提取效果的影响影响。
在其他条件不变的情况下,选择30、60、90、120、150、180 min进行提取试验,结果如图6所示。由图6可知,随着酶解时间增加,水不溶膳食纤维的含量先增加再降低,酶解时间在90 min时水不溶膳食纤维的提取量达到峰值。
2.2 最佳提取工艺的确定
按表1所示的试验水平进行L16(45)正交试验,结果如表2所示。
由表2可知,影响橘皮色素提取效果的因素的主次顺序为C>B>E>D>A,其最优组合为A2B2C1D1E3。因此,可确定超声波辅助提取橘皮色素的最佳提取工艺条件:酶解温度60℃、加酶量0.4 g、料液比1∶10(g/m L)、碱液浓度0.25%、酶解时间120 min。
3 结论
从橘皮中提取膳食纤维的工艺成本低,提取效果好,因此有相当广阔的应用前景。试验结果表明,料液比是影响橘皮膳食纤维提取效果的最主要因素,并通过L16(45)正交试验得出橘皮膳食纤维的最佳提取工艺:酶解温度60℃、加酶量0.4 g、料液比1∶10(g/m L)、碱液浓度0.25%、酶解时间120 min。
摘要：研究了橘皮中水不溶性膳食纤维提取的工艺条件,并探讨了酶解温度、加酶量、料液比、碱液浓度、酶解时间对提取效果的影响。通过L16(45)正交试验确定了影响膳食纤维提取效果的最主要因素是料液比,并得出橘皮膳食纤维提取的最佳工艺条件:酶解温度60℃、加酶量0.4 g、料液比1∶10(g/mL)、碱液浓度0.25%、酶解时间120 min。
关键词：橘皮,不溶性膳食纤维,提取工艺
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纤维提取 篇6
1 材料与方法
1.1 原料与试剂
大叶金花草, 安徽亳州药材市场;芦丁对照品, 中国药品生物制品检定所;纤维素酶, 无锡市雪梅酶制剂科技有限公司;其他皆为分析纯。
1.2 仪器与设备
标准检验筛, 浙江上虞华美仪器纱筛厂;风选中药粉碎机, 山东省青州市精诚机械制造有限公司;SENCO R201L旋转蒸发器, 上海申生科技有限公司;SHZ–D (Ш) 循环水式真空泵, 巩义市英峪予华仪器厂;FA2104N电子分析天平, 上海精密科学仪器有限公司;756紫外可见分光光度计, 上海成光仪器有限公司;p HS-3C型酸度计, 上海雷磁仪器厂;THZ-82恒温振荡器, 常州国华电器有限公司。
1.3 方法
1.3.1 标准曲线的建立
按文献方法稍加修改:精密称取芦丁20mg置于250m L容量瓶中, 加60%乙醇稀释至刻度, 摇匀, 配成0.08mg/m L的对照品储备液。精密量取对照品储备液0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0m L, 分别置于10m L具塞刻度试管中, 先依次分别加60%乙醇5.0、4.0、3.0、2.0、1.0、0m L, 再加入0.3m L 5%Na NO2摇匀后静止6min, 再加入0.3m L 10%Al (NO3) 3摇匀后静止6min, 最后加入4m L1mo L/L Na OH后用60%乙醇定容至刻度, 摇匀后静止10min, 于波长510nm处测定吸光度。以芦丁浓度为横坐标, 吸光度值为纵坐标, 得回归方程:A=11.688C-0.0301, R2=0.9990, 结果表明在0.008~0.040mg/m L之间线性良好。
1.3.2 酶法提取
精确称取3 g过40目的大叶金花草粉末置于三角瓶中, 首先加入一定p H值一定量的水, 然后加入一定质量的酶、在一定温度下提取一定时间后, 将提取液过滤, 定容, 测定。
1.3.3 得率的计算
2 结果与分析
2.1 酶浓度对得率的影响
纤维素酶在酸性介质中催化大叶金花草中的纤维素水解, 使细胞壁部分破损, 令细胞内的膜系统发生变形或破裂, 从而增加了膜的渗透性, 减少了总黄酮向主体溶剂的扩散传质阻力, 有利于大叶金花草总黄酮的浸出。由图1可知:酶用量在0.2%~0.4%之间时, 得率增加比较显著, 当酶用量超过0.4%时得率增加趋于平缓。表明在底物固定不变时, 当酶用量达到一定值, 酶与底物就会达到饱和, 再增加酶用量没有多余的底物与之结合, 致使得率不会再有明显增加。因此, 选择0.4%左右的酶用量比较合适。
2.2 液料比对得率的影响
由图2可知:当液料比小于10m L/g时, 随着液料比的增加, 得率随之增加;在10m L/g时达到峰值, 这是因为随着溶剂倍数的增大, 溶剂和大叶金花草粉末之间的接触面变大, 从而有利于促进大叶金花草中黄酮成分的溶出。但过高的液料比会稀释酶的有效作用浓度、降低酶的催化活性, 从而使得率随着液料比的增加而降低;同时, 溶剂用量过大, 既增加了提取成本, 又会给其后的浓缩、提纯等工序增加麻烦。
2.3 p H值对得率的影响
每种酶都有最适p H值, 在此p H值下催化反应的速率最高。由图3可知:p H值在3~4.5之间, 得率一直随p H值的上升而增加;当p H值超过4.5之后, 化学环境不利于酶的作用, 酶活力减小, 得率下降趋势明显;p H值为4.5时, 得率的数值是较为理想的。这是因为:p H值4.5时, 处于纤维素酶的最佳作用p H值区间能够发挥纤维素酶的最大活力, 使之最大限度作用于细胞壁纤维素β-1, 4葡萄糖苷键, 破坏细胞壁, 减小传质阻力, 加速总黄酮的溶出效率。
2.4 酶解温度对得率的影响
由图4可知:酶解温度在35~45℃时, 得率随酶解温度的上升而增加;45℃达顶点, 以后随酶解温度的增大得率减小。这是因为温度对酶解反应速度的影响有两方面效应:一方面当温度升高, 酶活性增强、反应速度加快;另一方面温度继续升高, 酶活性减弱、酶的稳定性降低, 同时高温还会破坏原本已被提取出来的总黄酮的结构;低于45℃时以前种效应为主, 高于45℃时以后种效应为主。
2.5 酶解时间对得率的影响
酶解时间太短影响酶解效果, 时间太长不利于工业化生产。由图5可知:30~150min内黄酮得率随着时间的增加而增大:这是因为随着时间的延长, 酶活力得到充分利用, 酶解反应进行得较完全, 大叶金花草中的总黄酮成分不断地溶出、进入溶液, 使得率增加。但提取一定时间后, 总黄酮成分已基本溶出, 继续增加提取时间, 得率增加缓慢, 且延长酶解时间还会增加能耗。因此, 酶解工艺的适宜时间为120min。
2.6 Box-Behnken试验
结合前期单因素试验结果, 选取液料比、p H值和酶解温度对得率影响显著的3个因素, 采用三因素三水平的Box-Behnken试验方法进行提取条件的优化。设该模型通过最小二乘法拟合的二次多项方程为:
式中, 为预测响应值, xi和xj为自变量代码值, β0为常数项, βi为线性系数, βij为交互项系数, βii为二次项系数。按照Box-Behnken试验设计的统计学要求, 需要15组试验对上述方程的各项回归系数进行回归拟合。
2.6.1 模型的建立及其显著性检验
利用Design expert V7.0.0统计软件对表1试验数据进行回归拟合, 得到总黄酮得率对以上3个因素的二次多项回归模型为:
得率=-42.88+0.9404x1+6.4x2+1.248x3-0.0125x1x2-1.75×10-3x1x3-7×10-3x2x3-0.038x12-6.48x22-0.0125x32
对该模型进行方差分析, 结果见表2。
注:**表示0.01水平显著
由表2可知:模型具有高度的显著性 (P<0.0001) , 失拟项不显著以及R2Adj=0.9869和S/N (信燥比) 等于28.853, 远大于4, 可知回归方程拟合度和可信度均很高, 试验误差较小, 故可用此模型对纤维素酶提取大叶金花草总黄酮的工艺结果进行分析和预测。为进一步确定最佳提取工艺参数, 对所得方程进行逐步回归, 删除不显著项, 然后求一阶偏导, 并令其为0, 可得最佳工艺参数为液料比10.8m L/g、p H值4.6和酶解温度48℃, 此时总黄酮的得率达到最大值, 此时得率为6.64%。
2.6.2 验证试验
为检验Box-Behnken试验设计所得结果的可靠性, 采用上述优化出的工艺参数提取3次, 实际测得的平均得率为6.58%, 与理论预测值相比, 其相对误差约为0.9%。因此, 基于Box-Behnken试验设计所得的最佳工艺参数准确可靠, 具有实用价值。
3 结论
在单因素试验的基础上建立了一个以大叶金花草总黄酮提取得率为目标值, 以液料比、p H值和酶解温度为因素的数学模型, 方差分析表明拟合较好。通过对回归方程优化计算, 得到提取的最佳工艺条件为液料比10.8m L/g、p H值4.6和酶解温度48℃。对所建立的数学模型进行了试验验证。在最优条件下, 得到总黄酮的得率为6.58%, 与理论值6.64%基本一致。
摘要：在单因素试验的基础上, 采用Box-Behnken设计对大叶金花草总黄酮纤维素酶提取工艺中的液料比、pH值和酶解温度3因素的最优化组合进行了定量研究, 建立并分析了各因素与得率关系的数学模型。结果表明:最佳的工艺条件为液料比10.8mL/g、pH值4.6和酶解温度48℃;经试验验证, 在此条件下得率为6.58%, 与理论计算值6.64%基本一致, 说明回归模型能较好地预测大叶金花草中总黄酮的提取得率。
关键词：大叶金花草,总黄酮,纤维素酶提取
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纤维提取 篇7
1 试验材料与方法
1.1 原料与试剂
紫茄子, 徐州七里沟农贸市场;纤维素酶, 无锡市雪梅酶制剂科技有限公司;DPPH, Sigma公司;盐酸、VC、无水乙醇、NaNO2、对氨基苯磺酸和盐酸萘乙二胺皆为分析纯;水为去离子水。
1.2 仪器与设备
电子天平, 上海越平科学仪器有限公司;电热恒温干燥箱, 上海跃进医疗器械厂;数显恒温水浴锅, 上海梅香仪器有限公司;循环水真空泵, 郑州长城科工贸有限公司;p H计, 上海世袭精密仪器有限公司;标准检验筛, 建华筛具总厂;移液枪, 上海康敏检验设备有限公司;旋转蒸发仪, 上海申生科技有限公司;真空冷冻干燥机, 德国Christ公司;可见分光光度计, 上海欣茂仪器有限公司;紫外可见分光光度计, 北京普析通用仪器有限责任公司。
1.3 方法
1.3.1 纤维素酶提取
精确称取3g粉碎过40目筛的紫茄子皮于100mL特制三角瓶中, 加入一定质量纤维素酶一定体积和pH值的水后, 抽滤、定容和测定 (此溶液p H值为1) 。
1.3.2 最大吸收波长的确定[7]
用1.0cm比色皿, 在狭缝宽度为2nm, 采样间隔为0.50nm, 扫描速度为快速的仪器条件下, 用TU-1810紫外分光光度计对色素从380~660nm进行自动光谱扫描, 所得吸收曲线如图1所示。
由图1可知:该色素在520nm处有最大吸收。因此, 在此波长下测定其吸光度值。
1.3.3 抗氧化
上述紫茄子皮色素提取液→浓缩→冷冻干燥→红色粉末→抗氧化测定
1.3.3. 1 对DPPH自由基清除率的测定
配制浓度为0.1mmol/L DPPH自由基的无水乙醇溶液、不同质量浓度的色素水溶液及不同质量浓度的VC水溶液。吸取上述色素溶液 (VC溶液) 2m L与2m L0.1mmol/L的DPPH自由基的无水乙醇溶液混合, 摇匀后在黑暗条件下 (即避光) 反应30min。以 (2mL蒸馏水与2mL无水乙醇的混合液) 为参比, 在517nm处的吸光度值为Ai。吸取上述色素溶液 (VC溶液) 2mL, 与2m L无水乙醇混合均匀, 在517nm处的吸光度值为Aj。吸取2mL 0.1mmol/L的DPPH自由基的无水乙醇溶液与2mL无水乙醇, 测得517nm处的吸光度值为Ac。将上面的数据代入下面的公式计算它的清除率:
清除率=[1- (Ai-Aj) /Ac]×100%
1.3.3. 2 对亚硝基的清除试验[8]
配制浓度为10μg/mL的亚硝酸钠溶液、质量分数为0.4%的对氨基苯磺酸溶液、质量分数为0.2%的盐酸萘乙二胺溶液、不同浓度的色素溶液和VC溶液。试验时吸取上述色素溶液 (VC溶液) 2mL, 加入10μg/mL的亚硝酸钠标准液溶液2m L, 在37℃水浴中反应20min后, 再加入2m L质量分数为0.4%的对氨基苯磺酸溶液, 静置放置5min后, 加入1mL质量分数为0.2%的盐酸萘乙二胺溶液混合均匀, 静置放置15min后, 在540nm处测其吸光度。
清除率=[ (A0-A) /A0]×100%
式中:A0为没有加入样品时的吸光度值;A为加入样品后的吸光度值。
2 结果与分析
2.1 液料比的影响
由图2可知:随着液料比不断增加, 紫茄子皮色素的吸光度不断增加, 即提取率不断增加;液料比为30时吸光度值最大, 为0.513;当液料比大于30时, 吸光度值开始下降。这是因为当液料比低时, 酶和底物的接触不够充分;但过高的液料比会稀释酶的有效作用浓度、降低酶的催化活性, 从而使吸光度值随着液料比的增加先升高后降低。同时, 溶剂用量过大, 既增加了提取成本, 又会给其后的浓缩和冷冻干燥等工序增加麻烦。
2.2 酶浓度的影响
纤维素酶在酸性条件下能催化紫茄子皮粉末中的纤维素水解, 使细胞壁破损, 令细胞内的膜系统发生变形或破裂, 从而减小了色素向主体溶剂扩散的阻力, 有利于茄子皮色素从细胞中分解出来。由图3可知:酶浓度在0.4%~0.8%之间时, 吸光度值随酶浓度的增大而增大, 当酶的浓度超过0.8%时吸光度不但不增加, 反而开始减小。表明当底物不变时, 酶浓度达到一定值, 酶与底物的结合就会达到一种饱和状态, 再增加酶的浓度就没有底物与其结合, 所以吸光度值不会再增加。所以, 酶浓度选择为0.8%。
2.3 酶解温度的影响
由图4可知:随着反应温度不断升高, 紫茄子皮色素的吸光度值不断增大, 及提取率不断增大, 45℃时吸光度值最大, 为0.644。当温度超过45℃时, 吸光度值就随温度的增加而降低。这是因为温度低, 酶的反应速率慢, 随着温度升高, 由于热作用使分子运动加快, 加快了传质运动, 使细胞内的紫茄子皮色素容易浸出, 并且酶的活性在此温度也达到最高, 而温度过高时酶的活性逐渐丧失, 所以紫茄子皮色素的吸光度值会先增大后减小。
2.4 酶解时间的影响
由图5可知:随着酶解时间不断增加, 紫茄子皮色素吸光度值不断增大, 且提取率不断最大。9min时吸光度值最大, 为0.742, 继续增加时间, 紫茄子皮色素提取率降低。这可能因为随着酶解时间的增加, 细胞壁结构逐步被打破, 酶的作用越来越完全, 因此紫茄子皮色素的释放也就相应增多。但酶解时间并不是越长越好, 酶解到一定时间, 由于底物的减少, 紫茄子皮色素的释放不会进一步增加, 且酶解时间越长, 紫茄子皮色素在空气中暴露的时间也越长, 越容易被氧化, 因此也会影响紫茄子皮色素的吸光度值。
2.5 正交试验
根据上述单因素试验结果, 以液料比、酶浓度、酶解温度和酶解时间作为主要考察因子, 各取3个水平进行试验, 以吸光度值为指标, 进行正交试验, 正交试验及结果见表1。
由表1可知:极差R由大到小的顺序为酶解温度的极差值最大, 其次为液料比和酶浓度, 酶解时间的极差值最小。因此, 用纤维素酶来提取紫茄子皮色素时, 影响提取效果的因素依次是:酶解温度>液料比>酶浓度>酶解时间。又由于吸光值越大越好, 故纤维素酶提取紫茄子皮色素的最佳工艺条件为A2B2C3D2, 即酶解温度为45℃、液料比为30、酶浓度为0.8%和酶解时间为90min, 在此工艺条件下进行验证试验, 得到的吸光度值0.742。
2.6 抗氧化
2.6.1 对DPPH自由基的抗氧化
由图6可知:在5~30μg/mL的浓度范围内, 随着反应液中紫茄子皮色素和VC浓度的增加, 对DPPH自由基的清除率呈现明显的上升趋势, 但色素对DPPH自由基的清除作用明显不如VC的清除作用。当紫茄子皮色素的浓度和VC的浓度都超过30μg/mL时, 清除率随着浓度的增大几乎不变, 可能是因为大部分DPPH自由基已经被清除, 且此时色素对DPPH自由基的清除作用与VC对它的清除作用几乎相同。
2.6.2 对亚硝基的抗氧化
由图7可知:在10~28μg/mL的浓度范围内, 随着反应液中紫茄子皮色素和VC浓度的增加, 对亚硝基的清除率呈现明显的上升趋势, 但色素对亚硝基的清除作用明显不如VC对它的清除作用。继续增加浓度, 色素对亚硝基的清除曲线与VC对亚硝基的清除曲线有一交点, 在此交点处它们对亚硝基的清除率相等, 随后随浓度的增加色素对亚硝基的清除率明显大于VC对它的清除率。
3 结论
(1) 纤维素酶提取紫茄子皮色素的工艺条件为:液料比30∶1、酶浓度0.8%、酶解温度45℃和酶解时间90min, 在此工艺条件下, 得到的最大吸光度可达0.742。
(2) 紫茄子皮色素对DPPH自由基和亚硝基自由基都良好的清除效果, 在5~30μg/mL的浓度范围内, 随着反应液中紫茄子皮色素和VC浓度的增加, 对DPPH自由基的清除率呈现明显的上升趋势, 但色素对DPPH自由基的清除作用明显不如VC的清除作用。当紫茄子皮色素的浓度和VC的浓度都超过30μg/mL时, 清除率随着浓度的增大几乎不变。在10~28μg/mL的浓度范围内, 随着反应液中紫茄子皮色素和VC浓度的增加, 对亚硝基的清除率呈现明显的上升趋势, 但色素对亚硝基的清除作用明显不如VC对它的清除作用。继续增加浓度, 色素对亚硝基的清除曲线与VC对亚硝基的清除曲线有一交点, 在此交点处它们对亚硝基的清除率相等, 随后随浓度的增加色素对亚硝基的清除率明显大于VC对它的清除率。
参考文献
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纤维提取 篇8
关键词：桃仁提取物,肝纤维化,分子机制
肝纤维化的发生发展是一个十分复杂的过程, 具体机制目前尚未明确, 现阶段可以确定的是其是慢性肝损伤引起的肝脏代谢和细胞间相互作用紊乱所致[1]。近年来, 随着有关肝纤维化研究的不断深入, 有研究发现, 桃仁提取物具有促进纤维肝内胶原分解代谢、降低肝组织胶原含量等抗纤维化作用。为进一步探讨其在肝纤维化治疗中的作用及分子机制, 特选取我院收治的肝纤维化患者作为研究对象, 现报告如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料
选取我院2010年1月-2013年12月间收治的肝纤维化患者30例, 所有患者均符合2006年中国中西医结合学会肝病专业委员会通过的《肝纤维化中西医结合诊疗指南》[2]中相关诊断标准, 排除合并HDV、HAV、HEV感染者, 及药物性肝病、自身免疫性肝病、肝豆状核变性等遗传代谢疾病, 所有患者均知情同意, 签署知情同意书。其中男18例, 女12例, 年龄20~64岁, 平均年龄 (39.7±10.4) 岁, 30例患者随机分为对照组和研究组, 每组15例, 两组患者基本资料各方面差异均无统计学意义 (P>0.05) , 具有可比性。
1.2方法
所有患者均根据不同病因, 采取个性化的用药方案治疗, 在此基础上研究组患者给予浓度为0.05g/L的桃仁水提取物治疗, 300ml/d, 分早晚2次口服。桃仁水提取物制备方法:取桃仁100g, 粉碎为粗末, 加水1 000ml, 浸泡30min, 武火煮沸后改文火煎30min, 冷却30min后, 滤渣取汁;滤渣按照上述方法再煎煮2次, 将3次所得药汁混合, 文火浓缩至2 000ml。
1.3 观察指标
观察患者症状、体征及临床治疗效果, 治疗前、后对患者层黏蛋白 (LN) , Ⅰ型、Ⅲ型胶原变化进行检测。
1.4疗效判定标准
参照《肝纤维化诊断及疗效评估共识》[3]制定, 显效:临床症状、体征基本消失或明显减轻, 肝功能及免疫各项指标基本正常, 影像学检查基本正常;有效:临床症状、体征明显减轻或缓解, 肝功能及免疫各项指标趋于正常, 影响学检查门静脉主干内径及脾厚度明显缩小;无效:未达到以上指标。
1.5 统计学处理
数据均采用统计学软件SPSS17.0处理, 患者治疗前、后血清LN, Ⅰ型、Ⅲ型胶原以均数±标准差表示, 组间比较采用t检验, 临床疗效以构成比表示, 组间比较以χ2检验, P<0.05时表示差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 两组疗效比较
治疗后, 研究组15例患者显效6例 (40.00%) , 有效7例 (46.67%) , 无效2例 (13.33%) ;对照组15例患者显效1例 (6.67%) , 有效8例 (53.33%) , 无效6例 (40.00%) , 研究组显效率明显高于对照组 (P<0.05) , 差异具有统计学意义。
2.2 两组血清LN, Ⅰ型、Ⅲ型胶原比较
治疗前, 两组患者血清LN及肝组织Ⅰ型、Ⅲ型胶原无明显差异 (P>0.05) ;治疗后, 研究组患者血清LN水平明显下降, 肝组织Ⅰ型、Ⅲ型胶原含量明显减少, 与对照组比较, 差异具有统计学意义 (P<0.05) , 具体结果可见表1。
3 讨论
肝纤维化的形成主要是肝细胞外基质的合成与降解、沉积与吸收失衡引起的, 当肝细胞外基质的合成沉积大于降解吸收时, 肝细胞外基质大量沉积增加肝内胶原纤维, 导致肝纤维化形成。肝细胞外基质主要包括胶原、非胶原性糖蛋白和蛋白多糖, 纤维肝间质内沉积的肝脏细胞外基质主要是胶原。目前发现的肝内胶原共有Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型五种, 在正常人肝内, 以Ⅰ型和Ⅲ型胶原为主, 占肝内总胶原的80%左右, 肝纤维化时胶原含量可大量增加至正常人的7~10倍以上, 且五种胶原含量比例失调, Ⅰ型、Ⅲ型、Ⅳ型胶原含量均增加[4], 病变早期以Ⅳ型胶原含量的增加为主, 发展至肝硬化时, Ⅰ型、Ⅲ型含量均增加, 纤维肝中这两种胶原的含量可占肝细胞外基质的95%以上, 其中以Ⅰ型胶原为主, 可占全部肝细胞外胶原的70%以上[5]。Ⅰ型胶原主要分布于纤维隔, 在肝纤维化早期, 间质胶原在Disse间隙内皮下沉积, 可破坏Ⅳ型胶原的功能性基底膜, 使肝窦毛细血管化, 这也是肝纤维化分子病理学的基础[6], 因此, 在抗肝纤维化的研究中, 主要研究为Ⅰ型胶原。
桃仁为蔷薇科植物桃或山桃的干燥成熟种子, 可入中药, 也称为“桃核仁”、“南杏”, 桃仁药用首见于《神农本草经》载其:“主淤血血闭, 症痛邪气, 杀小虫”。《食鉴本草》记载:“桃仁破血, 润大肠。”《名医别录》中记载桃仁“止咳逆上气, 消心下坚, 除卒暴击血, 破症痛, 通脉, 止痛。”《本草纲目·果一·桃》中记载:“桃仁行血, 宜连皮尖生用。”有破血行淤, 润燥滑肠之功效, 临床上多用于经闭、痛经、症瘕痞块等症, 临床功效显著。其所含的化学成分较为复杂, 目前现代医学对桃仁的化学成分和药理活性研究尚不够深入, 现阶段的现代医学研究表明, 其主要含有的化学成分有脂肪酸类、苷类、甾醇及其糖苷等多种成分, 其中具有抗肝纤维化作用的有效成分为苦杏仁苷, 这一成分属于桃仁提取物中的苷类成分, 也称为扁桃苷, 在桃仁中的含量为1.5%~3%。有体外贮脂细胞培养研究发现, 桃仁中的苦杏仁苷能够通过减少体外贮脂细胞合成和分泌Ⅰ型、Ⅲ型、Ⅳ型胶原及板层素, 发挥其抗肝纤维化的作用。从本文结果来看, 应用桃仁水提取物治疗的研究组患者用药3个月后, 血清层LN水平及肝组织Ⅰ型、Ⅲ型胶原含量均明显降低, 与对照组比较, 差异显著, 进一步证实了其对肝组织Ⅰ型、Ⅲ型胶原的降解作用, 同时治疗显效率明显高于常规治疗的对照组, 表明在肝纤维化治疗中, 桃仁水提取物可降低血清LN水平和肝组织Ⅰ型、Ⅲ型胶原含量, 发挥抗肝纤维的作用, 提高肝纤维化临床治疗效果。
参考文献
纤维提取 篇9
目前提取果胶的方法主要是酸解醇沉法、微生物发酵萃取法和超声波法等[6,7,8,9,10,11]。关于超声波辅助半纤维素酶提取果胶的报道还鲜少见到。现通过单因素试验和正交试验,研究超声波辅助半纤维素酶提取果胶的工艺条件,试图找到超声波辅助半纤维素酶提取果胶的最佳工艺条件,以期为南瓜皮的综合利用提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料
供试材料为孝感城区市售的黄皮、色泽鲜亮、无腐烂的南瓜皮,于105~120℃下杀青15 min后,在50℃下烘至恒重,保存备用;试剂半纤维素酶(1.5×103 U·g-1,sigma公司生产)、盐酸、95%乙醇、酒石酸和氢氧化钠等均为分析纯;试验仪器与设备主要有:中药粉碎机(天津泰新特仪器有限公司)、电子天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司)、电热数显恒温水浴锅、超声波清洗器(上海之信仪器厂)、离心机(飞鸽牌系列离心机)、SHZ-Ⅲ循环水真空泵(上海亚荣生仪器厂)和旋转蒸发仪(上海亚荣生仪器厂)。
1.2 方法
1.2.1 工艺流程
1.2.2 果胶提取率计算公式
1.2.3 品质分析
色泽、灰分、盐酸不溶物、酯化度、pH和纯度等品质参照QB 2484-2000进行。
2 结果与分析
2.1 半纤维素酶溶液浓度对果胶提取率的影响
称取5.000g南瓜皮粉(以下同),分别加入浓度为0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%的半纤维素酶溶液50mL,在50℃条件下水浴加热并不断搅拌,1.5h后,360 W超声10min,离心获上清液,将其浓缩至1/4后用95%的乙醇沉淀,分析半纤维素酶溶液浓度对南瓜皮果胶提取率的影响(见表1)。
在底物浓度一定的情况下,酶结合位点没有饱和,随着酶浓度增加,提取率也会增加,增加到一定程度达到一个平衡。由表1可以看出,在选定的浓度范围内,随着半纤维素酶溶液浓度的升高,果胶提取率也逐渐升高,当半纤维素酶溶液浓度为0.7%时,果胶提取率达到最大。
2.2 料液比对果胶提取率的影响
加入0.7%的半纤维素酶溶液(25、50、75、100、125mL),其它条件不变,分析料液比对南瓜皮中果胶提取率的影响(见表2)。
料液比过低,细胞不能完全溶胀,果胶不能充分溶出,提取率低,增大料液比,细胞与酶液接触面会加大,提取率会增加,但料液比过大,提取液中果胶的相对浓度降低,而且还会影响到后续过滤、浓缩等工序。由表2可知,料液比由1∶5到1∶10果胶得率有明显的提高,当料液比大于1∶10时,果胶得率还略有降低。
2.3 浸提温度对果胶提取率的影响
分别在30、40、50、60和70℃条件下进行反应,其它条件不变,分析浸提温度对南瓜皮中果胶提取率的影响(见表3)。
温度在达到酶的最适温度之前,随着温度的增加,提取率也会增加,达到最适温度后,若继续升高温度,会引起酶的构象发生改变,其活力受到影响,而且果胶在高温下也可能被分解。由表3看出,在选定的范围内,随着温度的升高,提取率先升高后略微有下降,在50℃时最大。
2.4 浸提时间对果胶提取率的影响
分别加热搅拌0.5、1.0、1.5、2.0、2.5h,其它条件不变,分析酶浸提时间对南瓜皮中果胶提取率的影响(见表4)。
随着酶提时间的增加,酶与细胞壁能接触充分,提取率增加,但到一定程度后,可能导致其它非果胶类物质溶出,提取率下降。从表4中可以看出:随着时间延长,果胶的提取率增加,浸提1.5h时达到最高,继续延长浸提时间,提取率反而会有不同程度地降低。
2.5 超声功率对果胶提取率的影响
分别用240、300、360、420、480 W超声波的进行处理,其它条件不变,分析超声功率对南瓜皮中果胶提取率的影响(见表5)。
随着超声波功率的增加,空化现象越剧烈,对细胞壁的破碎作用越强,果胶溶出速率增加,但超声波功率过大时,可能会导致部分果胶分解。由表5可知,随着功率的增加,提取率增加,功率为360 W时提取率最大,功率再增加时,提取率下降。
2.6 超声时间对果胶提取率的影响
分别超声5、10、15、20、25 min,其它条件不变,分析超声时间对南瓜皮果胶提取率的影响(见表6)。
随着超声时间的延长,细胞壁破碎更完全,提取率增加,但是超声时间过长会破坏游离出来的果胶的结构,提取率反而有一定的下降。表6结果显示,超声处理10min,果胶提取率最大,继续增加超声时间,提取率没有很大变化,出于节能考虑选定超声时间为10min。
2.7 正交试验结果分析
由单因素试验结果可知,不同的提取条件对南瓜皮中果胶的提取率影响不同,浸提温度、料液比、超声时间和超声功率的影响较大。因此,在酶浓度0.7%,浸提时间1.5h固定不变的条件下,选取浸提温度、料液比、超声时间和超声功率4个因素设计成L9(34)正交试验(见表7)。
对正交试验数据进行分析(见表8),影响指标的因素显著性主次顺序为:料液比>超声温度>超声时间>超声功率,可见料液比对果胶提取率的影响最大,其次是超声温度,超声功率的影响是最小的;最优工艺组合为A3B2C1D1。
由于正交试验的优化组合A3B2C1D1在试验中未设置,因此需做验证性试验。经验证,优化组合A3B2C1D1的果胶提取量为0.560 4g,果胶提取率为11.21%,高于试验设置中的所有组合,因此组合A3B2C1D1更为优化。
2.8 品质分析
用在最佳工艺条件下得到的果胶做品质分析(见表9)。
由表9可知,各项指标均高于轻工业行业标准,用超声波辅助半纤维素酶提取得到的果胶为高甲氧基果胶。
3 结论与讨论
通过单因素试验和正交试验得出,采用南瓜皮为原料,用超声波辅助半纤维素酶法提取果胶,最佳提取条件为:半纤维素酶溶液浓度为0.7%,萃取时间为90min,料水比为1∶20,萃取温度为50℃,超声波的功率为240 W。在此优化工艺条件下,果胶提取率可达11.21%,所得果胶为高甲氧基果胶。
超声波辅助半纤维素酶提取法具有极大的发展潜力,既具有生产周期短、成本低、污染小、安全无毒、质量好,又避免了传统的水浸提法和酸浸提法的缺点,防止果胶的降解,果胶制品纯度高。但该试验还有待进一步探究的地方。由于时间的限制,没有做关于pH和分离纯化的试验,这对试验结果精确度有一定影响。
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