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乐 薇，吴士筠． 热浸法提取箬叶总黄酮的动力学研究［J］． 江苏农业科学，2015，43(11) :359 － 361．
doi:10． 15889 / j． issn． 1002 － 1302． 2015． 11． 113
热浸法提取箬叶总黄酮的动力学研究
乐 薇，吴士筠
(武汉工商学院环境与生物工程学院，湖北武汉 430065)
摘要:以 Fick扩散定律为基础，建立热浸法提取箬叶总黄酮的动力学模型，由此推算出提取速率常数、活化能等
动力学参数，考察温度、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叶总黄酮提取的动态过程，
箬叶总黄酮的浸提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。
关键词:箬叶;总黄酮;热浸法;动力学
中图分类号:R284． 2 文献标志码:A 文章编号:1002 － 1302(2015)11 － 0359 － 03
收稿日期:2014 － 10 － 30
基金项目:湖北省自然科学基金(编号:2013C111)。
作者简介:乐 薇(1979—) ，女，湖北沙市人，硕士，副教授，研究方向
为生物分析。E － mail:yuewei11@ 126． com。
从植物中提取有效成分，提取工艺的选择，优化始终是一
个重要的内容，也是重点和难点所在。植物功能成分浸提过
程动力学是采用数学模型定量描述浸提过程中功能成分质量
浓度随时间变化的规律，其随揭示浸提温度、溶剂倍量、颗粒
粒度等因素对浸提效果的影响以及优化浸提工艺等具有重要
指导意义，已成为当今研究热点［1 ～ 4］。
箬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，均产自中国［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］。我国长江以南各省份均有大量野生箬叶资
源，特别是湖北武陵山区野生箬叶资源非常丰富，在开发植物
药用资源上具有优势。研究证明，总黄酮是箬叶中的重要活
性成分［8］，含量丰富，占箬叶总质量的 2%左右［9］，但相关提
取的研究报道较少。本研究通过 Fick 第一、第二扩散定律，
建立热浸法提取箬叶总黄酮的动力学模型，为箬叶总黄酮提
取工艺条件优化及工艺设计提供理论依据。
1 热浸法提取箬叶总黄酮的动力学模型
从传质角度看，箬叶总黄酮浸提过程是黄酮从箬叶(固
相)向溶液(液相)进行扩散的两相间传质过程，即溶剂渗透
进入箬叶颗粒，颗粒内部黄酮被溶剂溶解后向颗粒表面扩散，
以及黄酮由箬叶颗粒表面向溶液主体扩散等 3 个同时发生的
过程。对于黄酮的提取，箬叶内黄酮的溶解可在瞬间完成，而
黄酮在箬叶颗粒内外的扩散过程相对于渗透和黄酮溶解是一
个较慢的过程，其在浸提中起主要作用。
箬叶内部总黄酮浓度随提取时间的增加不断降低，为不
稳定扩散过程。为便于分析，本研究中采用平板模型，先假
设:(1)颗粒的厚度是均匀的;(2)有效成分黄酮的扩散方向
是沿颗粒的厚度方向进行的; (3)萃取开始和任意取样时间
间隔内，颗粒内各成分是均匀分布的;(4)颗粒表面的传质阻
力忽略不计且在任意取样时间间隔内有效成分的扩散系数不
变;(5)颗粒与溶剂的温度是相同的，且温度是均匀分布的。
根据 Fick第一、第二定律建立的动力学模型为［10 － 11］
ln
C∞
C∞ － C
= kt + ln π
C∞
4(C∞ － C0)
; (1)
k = π
2Ds
(2D)2
。 (2)
式中:C0 为提取液溶质的初始质量浓度，%;C∞为提取平衡
时提取液溶质的质量浓度，%;k 为速率常数;t 为提取时间，
min;2D为箬叶的厚度;Ds 为内扩散系数。
2 材料与方法
2． 1 试剂和仪器
芸香苷标准品:中国药品生物制品检定所;无水乙醇、亚
硝酸钠、硝酸铝、氢氧化钠等均为分析纯。
B － 220 恒温水浴锅，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;RE52CS 型旋转蒸
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发仪，上海亚荣生化仪器厂。
2． 2 试验方法
2． 2． 1 箬叶总黄酮的含量测定
2． 2． 1． 1 标准溶液的配制和标准曲线的绘制 准确称取干
燥至恒质量的芸香苷标准品 0． 075 2 g，用 30%乙醇水浴微热
溶解，用 30%乙醇定容至 250 mL，得 0． 300 8 mg /mL 芸香苷
对照品溶液。精确移取 0． 00、1． 00、2． 00、3． 00、4． 00、
5． 00 mL上述芸香苷对照品溶液，分别置于 6 支 10 mL比色管
中，加 30%乙醇至 5 mL，加 5% NaNO2 溶液 0． 30 mL，摇匀后
放置 5 min，加 10% Al(NO3)3 溶液 0． 30 mL，摇匀后放置
6 min，加 4% NaOH 溶液 2． 00 mL，再用 30%乙醇稀释至刻
度，摇匀后放置 10 min，以试剂空白为参比，于 510 nm处测定
吸光度。以芸香苷浓度 C为横坐标，吸光度 D 为纵坐标绘制
标准曲线 D = aC + b。
2． 2． 1． 2 样品溶液的测定 分别吸取 2 份相同的 0． 50 mL
箬叶总黄酮提取液于 10 mL 容量瓶，其中一份按上述芸香苷
标准曲线绘制方法配置溶液，并以试剂空白为参比，测定吸光
度为 D1;另一份用 30%乙醇溶液定容至 10． 00 mL，以 30%乙
醇为参比，测定吸光度为 D2，按下列公式计算总黄酮含量:
提取液浓度(mg /mL) :C =(ΔD － b)a 。 (3)
其中 ΔD = D1 － D2。 (4)
每次取样后浸提溶液的总体积将依次减小 1 mL，溶液中
总黄酮化合物的质量也同时递减。因此，对光度法测定的黄
酮质量浓度进行相应修正，其公式为
Cn =
1
V ［V －(n － 1) ］Cn +∑
n － 1
i = 1
C{ }i 。 (5)
式中:Cn 为第 n次取样质量浓度修正值;Cn 为第 n 次取
样质量测定浓度;V为溶剂体系;n为取样次数。
2． 2． 2 箬叶总黄酮浸提试验 将 5． 0 g 箬叶(过 20 目筛，厚
度约 0． 85 mm)加入 250 mL的三口烧瓶中，加入已加热到设
定温度的 60%乙醇水溶液 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 0． 50 mL各 2 份，用于总黄酮含
量的测定。提取时间为 5、10、15、20、25、30、35、40、50、60、70、
80、90、120 min;提取温度为 303、323、343 K。
3 结果与分析
3． 1 速率常数的求解
由于没有预浸泡，C0 = 0，按“2． 2． 2”节操作，试验结果表
明，不同浸提温度条件下，总黄酮浓度差异较大，提取温度越
高，提取速率越快，提取液浓度越大。当提取时间达到
120 min 时，基本达到平衡。在较长时间中，总黄酮浓度基本
不变时即可认为达到了浸提平衡，此时可将该浓度作为浸提
的平衡浓度，并以 ln［C∞ /(C∞ － C) ］对提取时间 t 作图，结
果见图 1、表 1。结果表明，所建立的动力学方程式与试验结
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
叶总黄酮提取符合一级动力学模型。同时也发现，表观速率
常数随着温度的升高增大，有效成分的提取加快，且平衡浓度
随温度的升高也略有升高。
表 1 不同温度下总黄酮提取直线回归结果
提取温度(K) 直线方程 r2 C∞ k
303 ln［C∞ /(C∞ － C) ］= 0． 036 6 t + 0． 551 6 0． 988 7 1． 42 0． 036 6
323 ln［C∞ /(C∞ － C) ］= 0． 049 7 t + 0． 634 9 0． 992 8 1． 55 0． 049 7
343 ln［C∞ /(C∞ － C) ］= 0． 058 3 t + 0． 551 6 0． 987 1 1． 75 0． 058 3
3． 2 相对萃余率的求解
设相对萃余率 y =(C∞ － C)/(C∞ － C0) ，则公式(1)变
y =(4 /π)e － kt，作 y对提取时间 t的关系图，结果见图 2、表 2。
表 2 不同温度下总黄酮相对萃余率对时间回归结果
提取温度(K) 指数方程 r2 k
303 y = 0． 526e －0． 034 0t 0． 983 9 0． 034 0
323 y = 0． 530e －0． 049 7t 0． 992 8 0． 049 7
343 y = 0． 576e －0． 058 3t 0． 988 7 0． 058 3
从表 2、图 2 可以看出，拟合方程的 r2 均大于 0． 98，可见
曲线的拟合精度较高，说明箬叶总黄酮的提取符合指数模型，
且表观速率常数与表 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，这可能是由于实际情况复杂，影响因
素多。从图 2 可以看出，随着时间的延长，相对萃余率减小，
即提取率不断增大，但增长的幅度下降，说明在实际提取过程
中并不是提取的时间越长越好，而是应综合考虑提取的效率
和设备的利用率等因素［11］。
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3． 3 活化能的求解
由化学动力学可知，箬叶总黄酮的浸提过程中表观速率
常数是温度的函数，应遵循 Arrhenius公式，即
k = Ae － Ea /(RT)或 lnk = lnA －
Ea
RT 。 (6)
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。
利用表 1、表 2 数据，对 － lnk和 1 /T作图，结果见图 3，表
明 lnk和 1 /T 线性良好，其回归方程为:lnk = － 1 215． 9 /T +
0． 723 5，r2 = 0． 980 1。
由此可算出箬叶总黄酮浸提过程的活化能为 Ea =
1 215． 9 × 8． 314≈10 109 J /mol = 101． 09 kJ /mol。活化能反
映了速率常数对温度的敏感程度，活化能较大时，速率常数随
温度的变化较明显。
3． 4 内扩散系数的求解
整个浸提过程的内扩散系数可以通过速率常数来计算，
由公式(2)可知，速率常数是内扩散系数 Ds 和颗粒尺寸的函
数，由 Ds 对 1 /T作图，结果见图 4，由此可以计算出不同温度
下箬叶总黄酮提取的内扩散系数。
3． 5 相关热力学函数
基于分配平衡理论，可以得到提取过程中的平衡常数，计
算见公式(7) :
Kc =
Cl
Cs
=
Cl
Ct － Cl
。 (7)
式中:Kc 为箬叶总黄酮在两相的分配系数;Cs 为箬叶颗粒中
的总黄酮浓度;Cl 为溶液中的总黄酮浓度;Ct 为总黄酮在两
相的总浓度，采用浸提法提取 3 次测定箬叶总黄酮的总
含量［12］。
在一定的温度范围内，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 = － ΔHRT +
ΔS
R ; (8)
ΔG = － RTlnKc。 (9)
根据式(8)作 lnK － 1 /T 图，直线的斜率和截距分别为 ΔH /R
和 ΔS /R，可计算提取过程中热力学函数，结果见表 3。
表 3 箬叶黄酮提取过程中的热力学参数
提取温度(K) Kc ΔG(kJ /mol) ΔH(kJ /mol)ΔS［J /(mol·K) ］
303 1． 56 － 1． 04 141． 5 50． 11
323 1． 98 － 2． 04 141． 5 50． 11
343 3． 01 － 3． 04 141． 5 50． 11
从表 3 可以看出，ΔG ＜ 0，说明该提取过程为自发过程。
随着提取温度的升高，ΔG 逐渐减小，表明随着温度的增加，
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，说明箬叶总黄酮的浸提过程吸热，升温
有利于浸提的进行，这与 ΔS 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
箬叶总黄酮的提取动力学方程符合一级动力学模式，热
力学数据表明，该提取过程是自发、吸热和熵增加的过程。当
料液比一定时，模型可以大致预测浸提效果同浸提温度和时
间的关系，可以为箬叶总黄酮的提取工艺设计及操作条件的
选择提供有价值的理论依据。
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