doi：10.13360/j.issn.1000-8101.2015.04.026中图分类号：TS959.2
乐薇，吴士筠
（武汉工商学院环境与生物工程学院，武汉 430065）
摘要：以Fick扩散定律为基础，建立热浸法提取箬竹叶总黄酮的动力学模型，由此推算出提取速率常数、内扩散系数和活化能等动力学参数，考察温度和时间对总黄酮提取率的影响。结果表明：所得模型能较好地描述箬竹叶总黄酮提取的动态过程，箬竹叶总黄酮的提取过程符合一级动力学方程。热力学数据表明：该提取过程是自发、吸热和熵增加的过程。
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关键词 ：箬竹叶；总黄酮；热浸法；动力学
Kinetic research on extraction of total flavonoids from leaves of Indocalamus tessellatus by hot dipping
∥
YUE Wei，WU Shijun
Abstract：Based on Fick’s law of diffusion， a kinetic model was built to describe the extraction of total flavonoids from the leaves of Indocalamus tessellatus by hot dipping method. Kinetic parameters such as rate constant， internal diffusion coefficient and activation energy were calculated according to the model， and the influences of temperature and time on the extraction efficiency were studied. The results showed that the extraction process was well described by the first?order kinetics equation. The thermodynamic data showed that the extraction was a spontaneous， endothermic and entropy increase process.
Key words： Indocalamus tessellatus leaves； total flavonoids； hot dipping； kinetics
Authors’ address： College of Environmental and Biological Engineering， Wuhan Technology and Business University， Wuhan 430065，China
收稿日期：2014-10-25
修回日期：2014-12-22
基金项目：湖北省自然科学基金项目（2013C111）。
作者简介：乐薇（1979-），女，副教授，从事生物质分析研究。E?mail：yuewei11@126.com
从植物中提取有效成分，提取工艺的选择和优化始终是一个重要内容。提取动力学可以反映有效成分的浓度随提取时间的变化规律，通过数学模型拟合，揭示温度、颗粒大小等因素对提取率的影响。相对于正交法、响应面法等能更好地预测出实际生产工艺条件发生变化时的提取效果，因而成为研究热点［1-4］。
箬竹叶为禾本科竹亚科箬竹属植物叶的总称，该属植物约有30种以上，均产自我国［5］，自古以来就是端午节标志食品——粽子的包装物。据本草纲目记载，箬竹叶味甘、性寒，有清热止血、解毒消肿之功效。现代药理分析发现，箬竹叶具有杀菌、防腐、抗癌等多种显著作用，可广泛应用于医药、食品及日化用品等［6-7］。我国长江以南各省区均有大量野生箬竹叶资源，特别是湖北武陵山区野生箬竹叶资源异常丰富，具有开发植物药用资源的优势。研究表明，总黄酮是箬竹叶中的重要活性成分［8］，占箬竹叶总质量的2%左右［9］，含量丰富。笔者通过Fick第一和第二扩散定律，建立热浸法提取箬竹叶总黄酮的动力学模型，为箬竹叶总黄酮提取工艺条件优化及工艺设计提供相应的理论依据及参考。
1热浸法提取箬竹叶总黄酮的动力学模型
从传质角度看，箬竹叶总黄酮提取为3个同步进行的过程：溶剂渗透进入箬竹叶颗粒；箬竹叶颗粒内黄酮的溶解（可瞬间完成）；黄酮由箬竹叶颗粒内向颗粒外（即溶液主体）扩散。其中，箬竹叶黄酮的扩散过程是一限速过程，在提取中起主要作用［10］。
箬竹叶内部总黄酮浓度随提取时间的增加不断减小。采用平板模型分析不稳定扩散过程，先假设：箬竹叶颗粒的粒径一致；黄酮沿颗粒的粒径方向扩散；萃取过程中，颗粒内黄酮是均匀分布的；箬竹叶颗粒表面的传质阻力可忽略，且黄酮的扩散系数在任意取样时间内保持不变；颗粒与溶剂的温度相同。根据Fick第一和第二定律建立的动力学模型为［11-12］：
式中：c0为箬竹叶黄酮的初始质量浓度，mg/mL；c∞为提取平衡时箬竹叶黄酮的质量浓度，mg/mL；k为速率常数，min-1；2D为箬竹叶的粒径，mm；Ds为内扩散系数，mm2/min。
2材料与方法
2.1原料和仪器
箬竹叶采自湖北恩施州利川市凉雾乡，洗净后于50 ℃烘干5 h，然后粉碎过0.42 mm筛，留粒径约0.425 mm的箬竹叶颗粒放入塑料瓶中备用。
芦丁标准品，由中国药品生物制品检定所提供；无水乙醇、亚硝酸钠、硝酸铝、氢氧化钠等均为分析纯。
B-220型恒温水浴锅、RE52CS型旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；752型紫外可见分光光度计，上海光谱仪器有限公司。
2.2试验方法
2.2.1 箬竹叶总黄酮饱和吸附溶剂率的测定［11］
用滴定管将60%乙醇水溶液逐滴滴加至5.0 g箬竹叶颗粒中，每次滴加后充分振荡并浸润3 min以上，直至充分吸收且无多余溶剂。饱和吸附溶剂率p=V消耗/m。式中：V消耗为消耗的乙醇水溶液体积，mL；m为箬竹叶质量，g。
2.2.2箬竹叶总黄酮质量浓度测定
1）标准曲线的绘制。准确称取干燥至恒定质量的芦丁标准品0.075 2 g，用30%乙醇溶液微热溶解并定容至250 mL，得0.300 8 mg/mL的芦丁对照溶液。精密移取0，1.00，2.00，3.00，4.00和5.00 mL芦丁对照溶液至6个10 mL比色管中，添加30%乙醇溶液至5 mL；然后加入5%NaNO2溶液0.30 mL，摇匀后放置5 min；加入10%Al（NO3）3溶液0.30 mL，摇匀后放置6 min；加入4%NaOH溶液2.00 mL，再用30%乙醇溶液稀释至10 mL，摇匀后放置10 min。以空白试剂为参比，于510 nm处测定吸光度。以芦丁质量浓度C为横坐标，吸光度A为纵坐标绘制标准曲线A=aC+b，式中：a为标准曲线的斜率，a=0.434；b为截距，b=0.001 15。
2）样品溶液的测定。分别吸取两份0.50 mL箬竹叶总黄酮提取液于10 mL容量瓶中，其中一份按上述芦丁标准曲线绘制方法配置溶液，并以空白试剂为参比，测得吸光度为A1；另一份用30%乙醇溶液定容至10.00 mL，以30%乙醇溶液为参比，测得吸光度为A2，则黄酮质量浓度c=（ΔA-b）/a，其中，ΔA=A1-A2。
箬竹叶总黄酮提取液总体积在每次取样后将依次减小1 mL，溶液中总黄酮的质量也随之降低，需对测定的黄酮质量浓度进行修正，其公式为：
式中：cn为第n次取样质量浓度修正值，mg/mL；cn′为第n次取样质量浓度测定值，mg/mL；V为溶剂体积，mL；n为取样次数。
2.2.3箬竹叶黄酮提取
将5.0 g箬竹叶颗粒（过0.42 mm筛，粒径约0.425 mm）加入250 mL的三口烧瓶中，根据箬竹叶的饱和吸附溶剂率，先用适量60%乙醇溶液室温润湿10 min，再立即加入已加热到设定温度的60%乙醇溶液100 mL，在此温度下进行热浸法提取，并在不同时间间隔时取样，每次取两份0.50 mL样品，用于总黄酮质量浓度的测定。其中，提取时间分别为5，10，15，20，25，30，35，40，50，60，70，80，90，120 和150 min；提取温度分别为303，313，323，333和343 K。
3结果与分析
3.1箬竹叶饱和吸附溶剂率
按2.2.1操作，平行测定3次并取均值，得箬竹叶的饱和吸附溶剂率p=0.84 mL/g。
3.2速率常数
箬竹叶总黄酮质量浓度测定结果如图1所示，由图1可知，提取温度对总黄酮质量浓度的影响较大。在相同提取时间内，温度越高，提取液中的总黄酮质量浓度也越大，当提取时间达到120 min后，总黄酮质量浓度基本不变，可认为达到了提取平衡，该浓度可视为平衡质量浓度，并以ln［c∞/（ c∞-c）］对提取时间t作图，结果见图2和表1。
由图2和表1可知，所建立的动力学方程与试验结果能较好地吻合，曲线的线性拟合关系良好，即经过粉碎的箬竹叶中的总黄酮提取符合一级动力学模型。同时，温度的提高可增大表观速率常数，加快有效成分的提取，且平衡质量浓度也略有升高。
3.3相对萃余率
设相对萃余率y=（c∞-c）/（c∞-c0），结合式（1）可知，y=（4/π）exp（-kt），作相对萃余率y对提取时间t的关系图，结果见表2和图3。
由表2和图3可知，拟合方程的决定系数R2均大于0.98，拟合精度较高，表明箬竹叶总黄酮的提取符合指数模型，且表观速率常数k与表1的结果比较接近，但与理论值的平衡常数4/π有一定偏差。这是因为为了简化计算，上述模型有较多假设条件，但实际情况并不完全符合，影响因素较为复杂。同时由图3可知，在提取时间较短时，随着时间的延长，相对萃余率下降较快，此后再延长时间，相对萃余率下降缓慢。因此，在实际生产中应适当控制提取时间，需综合考虑提取率、生产成本等各方面的影响［11］。
3.4内扩散系数
由式（2）可知，当箬竹叶颗粒尺寸一定时，提取过程中箬竹叶总黄酮的内扩散系数Ds可根据速率常数k求得。由Ds对T作图（图4），回归方程为103Ds=0.010 5exp（0.013 3T），由此可算出不同温度下箬竹叶总黄酮提取的Ds。
3.5活化能
由化学动力学可知，箬竹叶总黄酮提取过程中的表观速率常数与温度有关，遵循Arrhenius公式，即K=Ae-Ea/RT或lnK=lnA-Ea/RT。式中：K为表观提取速率常数，s-1；R=8.314 J/（mol·K）；A为指前因子；T为提取温度，K；Ea为表观活化能，J/mol。
根据表1，lnK与-1/T的回归方程为lnK=-1 372.6/T+1.082 5。据此可算出箬竹叶总黄酮提取过程的活化能Ea=1 372.6×8.314=11.41 kJ/mol，可见该提取过程不能在室温下瞬间完成。活化能反应了温度对提取速率的影响，升高温度有利于活化能较大的反应过程的进行。
3.6相关热力学函数的探讨
基于分配平衡理论，可得到提取过程中的平衡常数kc的计算公式：
kc=cl/cs=cl/（ct-cl）。（4）
式中：cs为箬竹叶颗粒中的总黄酮质量浓度，mg/mL；cl为溶液中的总黄酮质量浓度，mg/mL；ct为总黄酮在两相的总质量浓度，mg/mL。采用热浸法提取3次后，测定箬竹叶总黄酮的总质量浓度［13］。
在一定的温度范围内，当提取达到平衡时，提取过程的焓变ΔH及熵变ΔS可由范托夫方程计算：
lnk=-ΔH/RT+ΔS/R；（5）
ΔG=-RTlnkc。（6）
根据式（5），1/T与lnk的拟合方程为lnk=-648.1/T+2.779 2，直线的斜率和截距分别为ΔH/R和ΔS/R，由此可计算出提取过程中的热力学函数，具体结果见表3。
由于ΔG<0，说明该提取过程为自发过程。随着温度的增加，ΔG逐渐减小，总黄酮更容易向溶剂扩散，提取过程更容易发生，提取效率越高。焓变ΔH为正值，说明箬竹叶总黄酮的提取是吸热过程，升温有利于提取的进行，这与ΔG的变化规律一致。ΔS>0，表明在提取过程中分子的混乱程度增加。
4结论
通过Fick定律研究了箬竹叶总黄酮的提取动力学，并计算出了速率常数、活化能、内扩散系数等动力学参数。箬竹叶总黄酮的提取动力学方程符合一级动力学模式，提高提取温度，表观速率常数增大，提取率提高，但随着提取时间的延长，提取率增加幅度减缓。
热力学数据表明，该提取过程是自发、吸热和熵增加的过程。动力学模型可大致预测提取效果同提取温度和时间的关系，可以为箬竹叶总黄酮的提取工艺设计及操作条件的选择提供依据。
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（责任编辑 莫弦丰）