全 文 ：第 35卷 第 11期
2007年 11月 　　　　　　　　　　　　
化　学　工　程
CHEMICALENGINEERING(CHINA)　　　　　　　　　　　　
Vol.35No.11
Nov.2007
基金项目:国家自然科学基金项目(30472135)
作者简介:郭文晶(1980—),女 ,博士生 ,研究方向为天然产物高压加工技术 ,电话:13844049480, E-mail:xxguo@163.com。
超高压提取刺五加叶中总黄酮的研究
郭文晶 , 张守勤 , 吴　华 , 翟旭杰
(吉林大学 生物与农业工程学院 , 吉林 长春　130025)
摘要:研究了从刺五加叶中超高压提取总黄酮的工艺条件。通过单因素试验确定了各影响因素的较优水平范围 ,
在此基础上采用均匀设计方法进一步优化出最优提取工艺参数为:压力 485 MPa,保压 5 min, 乙醇体积分数 40%,
固液质量体积比(1∶50)g/mL,在此条件下刺五加叶中总黄酮的提取率可达 7.76%。超高压提取时间短 、提取率
高 , 是由于高压能够显著地提高溶剂渗透的通量和速率 , 以及在升压和保压阶段 , 导致细胞内产生剧烈的涡流扩散
的结果。超高压提取法是一种全新的快速有效的提取方法。
关键词:刺五加;总黄酮;超高压提取;均匀设计
中图分类号:TQ464.3　　　文献标识码:A　　　文章编号:1005-9954(2007)11-0066-04
Studyonextractionprocessfortotalflavonoidsinleavesof
Acanthopanaxsenticosusharmsatultrahighpresure
GUOWen-jing, ZHANGShou-qin, WUHua, ZHAIXu-jie
(ColegeofBiologicalandAgriculturalEngineering, JilinUniversity, Changchun130025, JilinProvince, China)
Abstract:ThetechnologicalparametersforextractionoftotalflavonoidsfromleavesofAcanthopanaxsenticosus
harmswereinvestigatedbyultrahighpressure(UHP).Therangesofthefactorslevelsweredeterminedthrough
thesinglefactorcontroledexperiment.Basedonthat, theoptimalparametersobtainedbyusingtheuniformdesign
methodwerepressure485 MPa, extractiontime5 min, ethanolvolumefraction40%, andsolid/liquidmass
volumeratio1∶50 (g/mL).Undertheconditions, extractionyieldoftotalflavonoidsinleavesofAcanthopanax
senticosusharmsisupto7.76%.TheUHPextractionprocesshasthecharacteristicsofshortextractiontimeand
highextractionyield, becauseitcanmarkedlyincreasethefluxandspeedofsolventinfiltration, andleadtostrong
turbulentdifusionincelsatthestageofpressureincreasingandconstant.ItmeansthatUHPextractionisanew
efectivequickextractionmethod.
Keywords:Acanthopanaxsenticosusharms;totalflavonoids;ultrahighpressureextraction;uniformdesign
　　刺五加是我国北方地区特产常用药材之一 ,其
味辛 、微苦 、性温 、无毒 ,具有益气健脾 、祛风湿 、壮筋
骨 、补肾安神 、活血化淤之功效 。刺五加根及根茎 、
叶 、花及果均可入药 ,目前 ,对刺五加叶中具体化学
成分的研究较少 ,见于文献报道的主要有 2类化合
物 ,甙类化合物和黄酮类化合物。刺五加的各个部
位均含有黄酮类化合物 ,其中叶中含量最高 [ 1] 。黄
酮类化合物具有抗自由基 、抗氧化 、抗癌 、抗菌 、抗病
毒 、抗炎症 、抗过敏 、抗糖尿病并发症等多种生理活
性及药理作用 ,且无毒无害 ,对人类的肿瘤 、衰老 、心
血管病等退行性疾病的治疗和预防有重要意
义 [ 2— 3] 。
目前 ,中药有效成分的提取方法有很多。常
用的传统提取方法(如煎煮法 、回流法 、浸渍法 、渗
漉法等)在提取有效成分方面 ,存在着损失大 、周
期长 、工序多 、提取率不高等缺点 。近年来 ,随着
科学技术的不断发展 ,在中药提取方面涌现出了
许多现代化的提取方法 ,本实验室首创的常温超
高压提取技术就是一种全新的提取技术 。本文以
总黄酮提取率为试验指标 ,研究了超高压法从刺
五加叶中提取总黄酮的工艺条件 ,并探讨了高压
强化传质机理 ,为超高压法在中药提取上的应用
做了新的尝试。
1　材料与方法
1.1　试验材料及设备
刺五加叶 ,由中国科学院长春应用化学研究所
提供 ,产自吉林省;芦丁标准品 ,购于中国药品生物
制品检定所;石油醚(分析纯),北京化工厂;体积分
数 95%乙醇 ,亚硝酸钠 ,硝酸铝 ,氢氧化钠(均为分
析纯),沈阳试剂三厂;万分之一电子天平 ,上海良
平仪器仪表有限公司;高压设备 ,上海大隆高压设备
厂 ,最高工作压力为 700 MPa;757型分光光度计 ,上
海精密科学仪器有限公司;DZKW-C型恒温水浴锅 ,
上海市实验仪器厂;RE52CS型旋转蒸发仪 ,上海医
械专机厂;SHB-B88型循环水式多用真空泵。
1.2　试验方法
1.2.1　样品前处理
将干燥的刺五加叶粉碎(40目筛), 取适量粗
粉 ,置于索氏提取器中 ,加入适量的石油醚 ,加热回
流至叶绿素全部去除 ,回收石油醚 ,残渣置于通风橱
里干燥 ,备用 。
1.2.2　刺五加叶超高压提取液的制备
精确称取已脱脂的刺五加叶粉末 0.5 g,加入适
量溶剂 ,密封于塑料袋中 ,然后将样品放入高压容器
内 ,启动高压油泵 ,升高到所需的压力 ,并在此压力
下保持一定时间 ,然后快速打开控制高压油路的阀
门 ,在 2 s内卸除压力 ,将高压处理后的提取液取出
少量放入 1.5 mL塑料离心管中 , 10 000 r/min离心
5 min,得上清液待测 。
1.2.3　样品中总黄酮的含量测定
(1)芦丁标准溶液的配制:精密称取 10.3 mg
芦丁标准品 ,置于 25 mL容量瓶中 ,加入体积分数
60%乙醇适量 ,水浴加热待全部溶解后 ,放冷 ,继续
加入体积分数 60%乙醇定容 ,即得 0.412 mg/mL的
芦丁标准溶液。
(2)标准曲线的绘制:取芦丁标准溶液 0, 0.1,
0.2, 0.3 , 0.4, 0.5, 0.6, 0.7mL,放入 8个 5mL容量
瓶中 ,分别加入 0.1 mL质量分数 5%亚硝酸钠 ,摇
匀 ,静置 6 min,再分别加入 0.1 mL质量分数 10%
硝酸铝 ,摇匀 ,静置 6 min,之后再分别加入 0.5 mL
质量分数 4%氢氧化钠 ,用体积分数 60%乙醇定容
至刻度 ,摇匀 ,静置 15min,然后在 500 nm处测定各
溶液的吸光度 ,得到溶液浓度 c关于吸光度 A的回
归方程:c=0.072A+ 0.001, 相关系数为 R =
0.999 2,此方程在 0.008 24— 0.057 68 mg/mL范围
内呈良好的线性关系 。
(3)样品溶液中总黄酮含量的测定:精确量取
待测样品溶液 0.2 mL置于 10mL具塞试管中 ,水浴
加热 ,挥干溶剂 ,分别加入 0.1 mL质量分数 5%亚
硝酸钠 ,摇匀 ,静置 6 min,再分别加入 0.1 mL质量
分数 10%硝酸铝 ,摇匀 ,静置 6 min,之后再分别加
入 0.5 mL质量分数 4%氢氧化钠 ,用体积分数 60%
乙醇补足到 10 mL,在 500 nm处测定吸光度 ,用式
(1)计算刺五加叶中总黄酮的提取率。
y=0.072A+0.001
1 000 ×m ×V×n×100% (1)
式中 , y为刺五加叶中总黄酮提取率 , %;A为吸光
度;V为提取液体积 , mL;n为稀释倍数;m为原料干
质量 , g。
2　试验结果与讨论
2.1　乙醇体积分数对总黄酮提取率的影响
在压力为 500 MPa,保压时间为 5 min,固液比
(质量体积比)为(1∶30)g/mL的条件下 ,考察了乙
醇溶液的体积分数对刺五加叶中总黄酮提取率的影
响 ,试验结果如图 1所示 。
图 1　乙醇体积分数对总黄酮提取率的影响
Fig.1　Efectofethanolvolumefractionontheextraction
yieldoftotalflavonoids
由图 1可见 ,使用不同体积分数乙醇做提取溶剂
对刺五加叶黄酮类化合物的溶出有较大影响 ,在 0—
40%范围内随着乙醇体积分数的增加 ,总黄酮的提取
得率也随之增加 ,原因是黄酮类化合物在乙醇溶液中
的溶解度随着乙醇溶液体积分数的增大而增大 ,因而
正相关地影响总黄酮的提取率。当乙醇体积分数大于
40%时 ,提取率随体积分数的增加而缓慢下降 ,这是因
为随乙醇-水体积分数的变化 ,溶剂的极性大小随之变
化 ,对刺五加叶中黄酮类化合物的溶出率发生变化 ,而
且体积分数不同的乙醇水溶液对组织细胞的结构影响
不同 ,同时水的减少也削弱了对颗粒细胞的溶胀 ,所以
乙醇体积分数提高到一定程度 ,黄酮溶出率反而降低。
因此我们选择乙醇体积分数的范围为 40%— 50%,以
便进行进一步的优化。
2.2　提取压力对总黄酮提取率的影响
按固液比(1∶30)g/mL向已脱脂的刺五加叶
·67·郭文晶等　超高压提取刺五加叶中总黄酮的研究
粉末中加入体积分数为 40%的乙醇溶液 ,分别在不
同压力下保压 5min,得到总黄酮提取率与提取压力
的关系曲线如图 2所示。
图 2　提取压力对总黄酮提取率的影响
Fig.2　Effectofextractionpressureonthe
extractionyieldoftotalflavonoids
由图 2可知 ,总黄酮提取率随压力的升高而增
加 。在 100— 500 MPa范围内 ,提取率随压力变化较
为显著 ,当压力大于 500 MPa时 ,提取率增加很少 。
当细胞受压时 ,其渗透性将会增加。压力越高 ,就会
有越多的溶剂渗透进细胞内部 ,也就有越多的有效
成分透过细胞壁 ,进入周围的溶剂中 ,从而提高了有
效成分的提取率 。但是当提取压力大于 500 MPa
时 ,加大压力并不能显著地提高提取率。这可能是
由于当压力达到 500 MPa时 ,刺五加叶中的黄酮类
化合物已经被大量的溶出 ,或者说此时黄酮类化合
物在乙醇溶液中已经达到了溶解平衡 ,所以当压力
超过 500 MPa时 ,增加压力不能显著地提高黄酮类
化合物的提取率 。尽管提高压力有利于有效成分的
溶出 ,但是压力过高 ,高压设备的成本将大大增加 ,
同时增加了能耗和不安全因素;根据超高压食品加
工的理论和实践[ 4— 5] ,当压力大于 300 MPa时 ,可
以使酶失活 、微生物死亡 ,达到灭菌的目的 ,有利于
提取液的长期贮存 。因此我们进一步优化时 ,选择
提取压力的范围为 400— 500 MPa。
2.3　保压时间对总黄酮提取率的影响
保压时间是指从升高到所需压力后 ,直到卸压
之前 ,在此压力下保持的时间 。以体积分数 40%的
乙醇溶液为提取溶剂 ,固液比(1∶30)g/mL,在 500
MPa压力下 ,保压时间对总黄酮提取率的影响见
图 3。
由图 3可以看出 ,当保压时间在 1— 5 min之间
时 ,总黄酮提取率变化比较显著 ,当时间超过 5 min
后 ,提取率基本不变。超高压提取能在短短的 5min
内使有效成分达到溶解平衡 ,是由于高压能够显著
地提高溶剂渗透的速率 ,使渗透过程所需时间缩短 ,
因此大大缩短了提取时间;而且高压会导致细胞内
产生剧烈的涡流扩散 ,增大细胞内外有效成分的浓
度差 ,从而加快溶质的传质速率 。由于我们使用的
压力很高 ,因此溶剂的渗透速率和有效成分的传质
速率非常快 ,在很短的时间内(小于 5 min),刺五加
叶颗粒内外有效成分的浓度达到了平衡 ,有效成分
停止了由颗粒内部向周围溶液的扩散。所以延长保
压时间(大于 5 min)不会使总黄酮的提取率增加 ,
因此我们选择 5 min作为后续试验的保压时间。
图 3　保压时间对总黄酮提取率的影响
Fig.3　Efectofextractiontimeonthe
extractionyieldoftotalflavonoids
2.4　固液比对总黄酮提取率的影响
固液比也是影响有效成分溶出率的一个重要因
素 ,图 4为当压力为 500MPa,保压时间 5 min,乙醇
溶液体积分数为 40%的情况下 ,试验所得总黄酮提
取率与固液比的关系。
图 4　固液比对总黄酮提取率的影响
Fig.4　Efectofsolid/liquidratioonthe
extractionyieldoftotalflavonoids
从图 4可以看出 ,当固液比小于(1∶40)g/mL
时 ,随着固液比的增加 ,黄酮类化合物的提取率显著
增加;当固液比大于 (1∶40)g/mL时 ,黄酮类化合
物的提取率无显著差异 。通常 ,在样品量一定时 ,增
加溶剂的量可以降低样品颗粒周围有效成分的浓
度 ,从而更有利于有效成分的溶出 ,因此 ,可以通过
加大溶剂的量来获得最大的提取率。但是如果选择
较大的固液比 ,则会加大浓缩时的时间和能耗。因
此 ,我们选择固液比的范围为(1∶40)—(1∶50)
g/mL以便进行进一步的优化。
·68· 化学工程　2007年第 35卷第 11期
2.5　超高压提取工艺参数的进一步优化
在前面单因素试验确定的各因素水平范围的基
础上 ,我们采用均匀设计软件 V4.0对提取工艺参
数进行进一步优化 ,以确定超高压提取刺五加叶中
总黄酮的最优提取工艺参数。试验因素及其水平见
表 1 ,试验方案及试验结果见表 2。
表 1　试验因素及其水平
Table1　Factorsandtheirlevels
提取压力 /MPa 乙醇体积分数 /% 溶剂倍量①
400 40 40
450 45 45
500 50 50
　　①溶剂倍量为固液比的倒数 ,保压时间为 5min。
表 2　U9(33)试验方案及试验结果
Table2　U9(33)trialprojectandresults
提取压力
/MPa
乙醇体积分数
/%
溶剂
倍量
总黄酮得率
/%
500 50 45 7.41
500 40 40 7.60
500 45 50 7.63
450 45 45 7.58
400 40 45 7.64
450 50 40 7.32
450 40 50 7.71
400 45 40 7.47
400 50 50 7.38
由均匀设计软件提供的 “数据分析功能 ”得到
的方差分析结果如表 3所示 。最优回归方程:y=
1.351 143 9 +0.009 065 4 p+0.183 653 5 φ+
0.011 000 0 x-0.000 009 3p2 -0.002 333 2φ2。
式中 , y为总黄酮提取率 , %;p为压力 , MPa;φ
为乙醇体积分数 , %;x为溶剂倍量 , mL/g。
表 3　方差分析表 ＊
Table3　Analysisofvariance
方差来源 平方和 自由度 均方差 F P
回归 SR 0.136 7 5 0.027 3 145.912 0 0.000 887
残差 SE 0.000 6 3 0.000 2
总和 ST 0.137 3 8
　＊F0.005(5, 3)=45.39, R2 =0.995 9。
软件分析给出的各因素对总黄酮提取率的影响
的曲线图如图 5— 7所示。
从图中可以看出 ,各因素在所取的水平范围内 ,
对总黄酮提取率影响最显著的是乙醇体积分数 ,其
次是溶剂倍量 , 再次是提取压力。提取压力在
450— 500 MPa,乙醇体积分数在 40%— 45%, 溶剂
倍量在 45— 50mL/g范围内时总黄酮提取率较高。
由软件的 “模型分析功能 ”得出 ,最优提取工艺
参数:提取压力 485 MPa,乙醇体积分数 40%,固液
比(1∶50)g/mL,提取时间为 5 min。在此条件下 ,
预测提取得率为 7.72%。
2.6　验证性试验
为了验证均匀设计软件提供的结果是否可靠 ,
按照最优提取工艺参数 [ 485 MPa, 乙醇体积分数
40%,固液比(1∶50)g/mL,提取时间 5min]进行了
【下转第 73页】
·69·郭文晶等　超高压提取刺五加叶中总黄酮的研究
　　通过模拟计算发现将二塔萃取精馏制无水叔丁
醇的流程合并在一个隔离壁塔中 ,在相同的工艺条
件下 ,隔离壁精馏塔萃取精馏制无水叔丁醇的工艺
可降低 27%的能耗 。
表 2　2种流程的模拟结果对比表
Table2　Comparisonofthetwoprocesses
对照项目 隔离壁萃取精馏工艺
常规二塔萃取
精馏工艺
溶剂比 1.5 1.5
回流比 2.0 2.0
ω(塔顶叔丁醇)/% 100 100
ω(塔釜乙二醇)/% 99.0 95.3
总能耗 /(kJ· h-1) 1 032.81 1 413.23
3　结论
(1)在溶剂比为 1.5,回流比为 2∶1,叔丁醇水溶液
进料速度为 1.7 mL/min时塔顶叔丁醇的质量分数达
到 99.6%;塔釜乙二醇的质量分数达到97.7%,可作萃
取剂循环利用。且实验的重复性较好。
(2)用 DWC萃取精馏制无水叔丁醇在较小溶
剂比的条件下可得到不含二聚物或叔丁醇脱水产物
的高浓度的叔丁醇。
(3)用 AspenPlus对 DWC萃取精馏制无水叔
丁醇的流程和常规的二塔萃取精馏制无水叔丁醇的
流程进行模拟计算 。模拟最优工艺条件与实验的结
果基本一致。
(4)将现有二塔萃取精馏制无水叔丁醇的流程
合并在 1个 DWC中 ,可降低能耗 27%,节省了 1个
塔 、1个再沸器和 1个冷凝器。
参考文献:
[ 1] 　裘兆蓉 ,叶青 , 李成益.国内外分隔壁精馏塔现状与发
展趋势 [ J] .江苏工业学院学报 , 2005, 17(1):58— 61.
[ 2] 　丁健 , 吕效平.叔丁醇水溶液的盐析分离 [ J] .江苏化
工 , 1998, 26(26):17— 19.
[ 3] 　胡龙飞 ,杨伯伦 , 李福华 , 等.改性壳聚糖渗透蒸发膜
分离叔丁醇-水 [ J] .应用化学 , 2005, 22(1):5— 8.
[ 4] 　韩萍芳 ,徐宁.碳酸钾盐析分离叔丁醇-水体系及工业
化试验 [ J] .应用技术 , 2004, 23(8):877— 879.
[ 5] 　雷志刚 , 李成岳 , 季生福 , 等.一种萃取精馏分离叔丁
醇和水的方法 [ P] .中国专利:1621339, 2005-06-01.
[ 6] Bohner.Methodforrecoveringcrude1, 3-butadieneby
extractivedistillation from aC4 cut[ P] . USP:
20040065538, 2004-04-08.
[ 7] 　MeyerGerald, KaibelGerd.Methodanddevicefortrea-
tingaC4 fraction[ P] .USP:20030181772, 2003-09-25.
[ 8] 　BerndHeida, Elerstadt.Methodanddeviceforextractive
distilation[ P] .USP:20050199482, 2005-09-15.
[ 9] 　袁斌 ,裘兆蓉.分配比自控器在分隔壁塔中的设计和
应用 [ J] .江苏工业学院学报 , 2005, 17(4):36— 38.
【上接第 69页】
3次平行试验 ,结果如表 4所示 ,提取率可稳定为
(7.76±0.11)%,与预测值相符 ,而且重复性也很
好 ,说明优化结果可靠 。
表 4　最优提取工艺验证表
Table4　Validationoftheoptimumextractionprocess
试验号 总黄酮提取率 /% ( x±s)/%
1
2
3
7.88
7.67
7.72 7.76±0.11
3　结论
(1)超高压提取刺五加叶中总黄酮的最优提取工
艺参数:提取压力 485MPa,乙醇体积分数 40%,固液比
(1∶50)g/mL,保压时间为 5 min。在此条件下进行 3
次平行试验 ,得到总黄酮提取率为(7.76±0.11)%。
(2)超高压提取能在很短的时间内获得很高的
提取率 ,主要是因为高压能够显著地提高溶剂渗透
的通量和速率 ,并在升压和保压阶段 ,导致细胞内产
生剧烈的涡流扩散 ,从而加快溶质的传质速率 ,并增
加了溶质向溶剂中溶解的量 ,进而提高了提取率 。
参考文献:
[ 1] 　赵鸿斌 ,王雨亭.刺五加与临床 [ M] .长春:吉林科学
出版社 , 1991.
[ 2] 　刘仲则.中草药黄酮类化合物心血管活性成分概述
[ J] .中草药 , 1987, 18(4):34— 42.
[ 3] 　刘诗平 ,陈尚猛 , 朱卫东.槲皮素及衍生物的生物活性
研究进展 [ J] .中草药 , 1991, 22(4):182— 184.
[ 4] 　CheftelJC.Review:Highpressure, microbialinactiva-
tionandfoodpreservation[ J] .FoodSciTechnolInt,
1995, 1(2— 3):75— 90.
[ 5] 　小川浩史.柑桔类果汁的高压灭菌 [ J] .食品工业 ,
1991, 34(10):20— 26.
[ 6] 　王绍亭 , 陈涛.化工传递过程基础 [ M] .北京:化学工
业出版社 , 1987.
·73·夏珊珊等　隔离壁精馏塔萃取精馏制无水叔丁醇研究