超声强化超临界CO反相微乳萃取人参皂甙的研究

摘要

传统提取技术在天然产物提取方面存在许多缺点，极大阻碍了我国中药产业现代化的进程。随着“绿色、营养、健康、回归自然’’热潮的兴起，超临界CO<,2>(SC)萃取作为一种新型、高效、绿色的技术，在天然产物的提取领域占据着越来越重要的地位。但SC萃取存在两个方面的问题：一方面由于CO<,2>分子本身的特点，不适合萃取极性较大或大分子的物质；另一方面由于绝大多数天然产物为固体基料，使得SC萃取的传质效率低、耗时长和目标成分得率不高的缺点。 针对SC萃取存在的上述两个问题，本文提出超声联合超临界CO<,2>反相微乳萃取技术，将反相微乳和超声技术同时引入到SC中，充分利用反相微乳萃取在极性物质和大分子物质方面的优点和超声强化传质的优点，与单纯的SC萃取技术进行了合理集成。文章首先研究了超临界CO<,2>反相微乳(SCRM)的形成条件和性质，并以人参中的皂甙为提取对象，探讨了夹带剂/SC萃取(SCE)、超声强化夹带剂/SC萃取(USCE)、超临界CO<,2>反相微乳萃取(SCRME)和超声强化超临界CO<,2>反相微乳萃取(USCRME)对人参皂甙萃取的影响，在此基础上对四种方法的工艺参数进行了优化，并对各种方法进行了比较与分析，建立了各种方法的萃取动力学模型，最后对USCRME的机理进行了研究。研究结果表明： AOT、Span80、Tween80、Triton X-100四种表面活性剂在SC中的溶解度以AOT最大，并且其溶解度与乙醇加入量、压力和温度有关。利用溶剂化显色探针—甲基橙增溶法推测AOT在SC中反胶团的形成和性质是可行的。AOT在SC中的临界胶束浓度与乙醇加入量、压力和温度有关。AOT/SC反向微乳增溶甲基橙的能力与助表面活性剂种类与加入量、水加入量、AOT浓度、温度和压力有关。AOT在SC中形成反胶团的热力学函数表明，熵效应可能是形成反胶团的主要动力。 根据SC萃取设备的特点，设计了可用于强化SC萃取过程的超声波强化装置。该装置设有频率自动跟踪调节系统，具有功率和频率可调、发射功率稳定、生产安全可靠、运转正常和方便易控的特点。 影响SCE、USCE、SCRME和USCRME萃取人参皂甙的因素包括：夹带剂的种类和浓度及用量、萃取温度、萃取压力、萃取时间、流体流量、原料的预处理方式、原料粒径大小、超声功率密度和频率、超声辐照方式、AOT浓度、助表面活性剂的种类和浓度及用量。正交试验表明，对于SCE、USCE、SCRME和USCRME，各工艺参数对人参皂甙萃取率的影响大小顺序分别依次是：萃取压力>萃取温度>CO<,2>流量>萃取时间、萃取压力>超声功率密度>萃取温度>萃取时间、萃取压力>萃取温度>AOT的浓度>水的加入量>萃取时间、萃取压力>超声功率密度>AOT的浓度>萃取温度>萃取时间。在各自优化条件下，SCE、USCE、SCRME和USCRME的人参皂甙萃取率分别达0.259％、0.445％、0.757％和1.145％。 超声强化均能显著提高SCE和SCRME的人参皂甙萃取率，在相同的皂甙萃取率下，超声强化均能明显缩短SCE和SCRME的萃取时间，降低萃取温度和生产能耗，提高生产效率，节约生产成本，但超声对两者的影响不同。对于USCE：皂甙萃取率随超声功率密度的增大而增大；随超声辐照时间的延长而增加，但增加不明显；低频超声较高频超声更有利于皂甙的萃取；适当的低温更有利于超声的强化效果。对于USCRME：在超声功率密度较低(小于50 W/L左右)时，低频超声强化效果要优于高频超声；而在超声功率密度较高(大于50 W/L左右)时，高频超声强化效果要优于低频超声；随超声辐照时间的延长，皂甙萃取率先上升后下降。 比较了不同强化方法对SC萃取人参皂甙的影响。实验结果表明，在各自优化的工艺条件下，从皂甙萃取率方面考虑，各方法的效果大小顺序为：SE>USCRME>SCRME>USCE>SCE；从萃取速率方面考虑，各方法的效果大小顺序为：USCRME>SCR．ME>USCE>SCE：从萃取产物中皂甙含量方面考虑，各方法的效果大小顺序为：LISCRME≈SCRME>USCE≈SCE>SE。超声不会影响SCE和SCRME对人参总皂甙萃取的选择性。根据紫外一可见光谱和红外光谱分析，超声没有对人参皂甙的结构产生影响。综合各方面因素考虑，以USCRME法萃取人参皂甙最好，该方法不仅显著提高了SC对极性物质一人参皂甙的萃取率，而且强化了萃取传质效果，扩大了SC萃取的对象范围和提高了萃取传质速率。 根据质量衡算微分模型，建立了SC的各种强化方法萃取人参皂甙的动力学模型：E=E<,∞(1-e<'-kt>)。该模型与实验数据均有很好的拟合度，模拟所得出的参数值均能很好的反映各种强化方法对SC萃取的影响，其中以USCRME的模型模拟所得的E<,∞>和K值最大，说明USCRME法能同时提高SC萃取的扩散系数和最大萃取率。 根据理论探讨和实验证实，超声不能在SC中产生空化现象，但能在高压液态CO<,2>中产生空化现象。超声强化超临界CO<,2>反相微乳萃取的机理主要源于超声的机械作用效应和热效应。超声的机械作用效应对固相内传质和固相一反相微乳相界面传质均有明显的强化作用，并且能够对溶质在反相微乳体系中的相平衡产生影响，在一定超声功率密度范围内，溶质在反相微乳体系中的溶解度随超声功率密度的增大而增大，低频超声更有利于提高溶质在反相微乳中的溶解度。超声的热效应能使反相微乳体系温度升高，增大了微乳的最大溶水量，因此能增溶更多的皂甙。超声一方面能强化反相微乳萃取传质过程，另一方面当超声功率密度超过某一范围时，超声会对胶团结构产生破坏作用。超声强化SCRME是这两种作用的综合，在较低的超声功率密度下，低频超声较高频超声更有利于反相微乳萃取，而在较高的超声功率密度下，高频超声较低频超声更有利于反相微乳萃取。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号和物理量名称

华南理工大学学位论文原创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章绪论

第二章超临界CO2反相微乳形成及性质的研究

第三章超声强化夹带剂/超临界CO2萃取人参皂甙

第四章超声强化超临界CO2反相微乳萃取人参皂甙

第五章超临界CO2萃取不同强化方法的比较与动力学模型

第六章超声强化超临界CO2反相微乳萃取的机理

结论与展望

参考文献

发表的学术论文及申请专利

致谢