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Extraction and separation process of chlorogenic acid from tobacco residue

烟草废料中绿原酸的提取工艺研究



全 文 :第7卷第6期
2009年11月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.7No.6
Nov.2009
doi:10.3969/j.issn.1762-3678.2009.06.011
收稿日期:2008-07-31
基金项目:江苏省高技术研究计划资助项目(BG2007049)
作者简介:陈育如(1965—),男,江西丰城人,副教授,博士,研究方向:生物化工,Email:chenyuru@njnu.edu.cn
烟草废料中绿原酸的提取工艺研究
陈育如1,唐 刚1,刘 虎1,韦 萍2
(1南京师范大学 生命科学学院,江苏省微生物资源产业化工程技术研究中心,南京 210046;
2南京工业大学 制药与生命科学学院,南京 210009)
摘 要:讨论了从烟草废料中提取绿原酸的优势和甲醇、乙醇、丙酮、水等不同溶剂经超声波辅助提取绿原酸的效果。
研究结果表明,用体积分数40%的甲醇得到的浸提液中,绿原酸质量浓度为211mg/mL,比以水为溶剂时高出近
50%。不同浓度的甲醇溶液中,体积分数50%的甲醇提取绿原酸的浓度最高。对树脂的吸附动力学分析表明,大孔
树脂CN 101对烟草浸提液中绿原酸的吸附遵循Freundlich等温方程,吸附和解析分离所得的绿原酸收率为876%。
在超声辅助条件下,利用甲醇等有机溶剂提取烟草中的绿原酸,进而用大孔树脂进行吸附分离的方法可行。
关键词:绿原酸;提取;大孔树脂;烟草
中图分类号:Q55    文献标志码:A    文章编号:1672-3678(2009)06-0055-04
Extractionandseparationprocessofchlorogenicacidfromtobaccoresidue
CHENYUru1,TANGGang1,LIUHu1,WeiPing2
(1.ColegeofLifeScience,EngineeringandTechnologyResearchCenterforMicrobiology
ResourceProductofJiangsuProvince,NanjingNormalUniversity,Nanjing210046,China;
2.ColegeofBiotechnologyandPharmaceuticalEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)
Abstract:Ultrasoundassistedextractionofchlorogenicacidfromtobaccoresiduebyvarioussolventsand
thepurificationprocesswerediscussed.Mixturesofmethanol,ethanol,acetone,andwaterassolvents
weretested.Byusing40% methanolwaterasasolvent,theconcentrationofchlorogenicacidwas211
mg/mLanditwas50% higherthantheprocessbyusingpurewaterasasolvent.Whereasintheultra
soundassistedextractionprocess,50% methanolcouldextractthehighestconcentrationofchlorogenic
acid.TheadsorptionkineticsofchlorogenicacidoncommercialmacroporousresinCN101folowedFreun
dlichisothermequation.Thestepyieldofchlorogenicacidwas876% aftertheseparationbytheresin.
Keywords:chlorogenicacid;extraction;macroporousresin;tobacco
  绿原酸是一种重要的生理活性物质,早在1950
年,Barnes等[1-2]即利用咖啡豆进行分离并研究了
其结构,后来人们又从苹果中分离到绿原酸,我国
传统中药金银花和杜仲叶中富含绿原酸。绿原酸
是200多种中成药的主要活性成分之一,除抗菌和
抗病毒的功能外,还有增高白血球、保肝利胆、抗肿
瘤、降血压、降血脂、清除自由基和兴奋中枢神经系
统等作用[3]。
  作为具有多种功能的生物活性物质和重要的
生化试剂,绿原酸的研究及生产受到人们的极大关
注[4-8]。然而价高量少的原料与产品的巨大需求反
差迫使人们开始寻求更加广泛的原料。实际上烟
草中以绿原酸为代表的多酚含量较高,烟草行业的
烟草废弃物产生量也较大(约30%),一个大中型卷
烟厂产生的烟草废料每年有几千吨之多[9],烟草原
料中烟碱的存在使烟草废料成为需特殊处理的有
害物,因此,利用烟草废料生产绿原酸和烟碱不仅
可以大幅度降低绿原酸与烟碱生产的原料成本,还
可变废为宝,符合废弃物处理的减量化、无害化和
资源化方向[10]。
  各种植物有效成分的提取方法中,超声波、微
波辅助溶剂提取法因速度快、综合成本低等优势成
为近年来工业化应用的开发热点;大孔树脂吸附等
分离介质因选择性好、方便快速等优点也备受关
注[11]。本工作结合超声波辅助处理和大孔树脂吸
附进行烟草废料绿原酸的分离纯化。
1 材料与方法
11 实验材料
  烟草废料,来自蚌埠卷烟厂,粉碎干燥备用。
甲醇、乙醇、丙酮等均为国产分析纯试剂。
12 实验仪器
  KQ 100E型超声波清洗器,昆山市超声仪器
有限公司;RE 52AA旋转真空蒸发器,上海亚荣生
化仪器厂;Agilent1100高效液相色谱,Agilent公司。
13 实验方法与计算
  提取方法:称取一定量烟草废料,超声波辅助
处理提取,提取液经旋转蒸发浓缩,除杂,用 HPLC
测定绿原酸含量,利用树脂对绿原酸进行吸附分离。
  绿原酸HPLC色谱分析:C18色谱柱(250mm×
46mm,5μm);流动相为磷酸氢二钠缓冲溶液与甲
醇。流速10mL/min;柱温30℃;进样体积20μL;
检测波长为326nm。
  吸附量(mg/g)=吸附液体积 ×(初始质量浓
度-最终质量浓度)/树脂质量;
  吸附率(%)=(初始质量浓度 -最终质量浓
度)/初始质量浓度×100%;
  解吸率(%)=绿原酸解吸量/树脂对绿原酸的
吸附量×100%;
  绿原酸收率(%)=绿原酸提取量/投料的烟草
中绿原酸量×100%。
2 结果与讨论
21 溶剂对提取效果的影响
  考察甲醇、乙醇、丙酮和水等不同溶剂对超声
辅助处理的工艺的影响,结果如图1所示。
图1 溶剂从烟草原料中提取绿原酸的效果
Fig.1 Efectsofchlorogenicacidextractionfrom
tobaccoresiduesbydiferentsolvents
  从图1可见,以体积分数40%甲醇、40%乙醇、
V(丙酮)∶V(水)=1∶2的混合溶剂为浸提溶剂,采用超
声辅助处理时,50℃条件下,体积分数40%甲醇浸提液
中绿原酸质量浓度为211mg/mL,比以水为溶剂时高
出近50%,主要原因为绿原酸分解酶在水溶液中的作
用可能比有机相更大,另外有机溶剂应对绿原酸的溶
出有促进作用。鉴于甲醇溶剂效果较好,进而对不同
的甲醇体积分数对提取效率的影响进行探讨(图2)。
图2 不同体积分数甲醇溶液的提取效果
Fig.2 Efectsofextractionbydiferent
volumeratioofmethanol
  由图2可见,在50℃超声辅助提取的条件下,
50%体积分数的甲醇溶液所提取得到的绿原酸质量
浓度最高(255mg/mL)。用 HPLC分析绿原酸浸
提液,结果如图 3所示(经与标准品相比较,5220
处出峰为绿原酸)。
22 绿原酸的分离
  在植物提取物的分离纯化中,大孔吸附树脂是
常用的高分子吸附剂,它具有选择性好、机械强度
高、再生方便、吸附速度快、操作简单等优点,特别
适合于分离水溶性化合物[11]。
  实验选择不同型号的树脂对烟草提取液中的
65 生 物 加 工 过 程   第7卷 
图3 绿原酸提取液HPLC图
Fig.3 HPLCgraphofthechlorogenicacid
extractionsample
绿原酸进行吸附,不同树脂的吸附量、吸附率和解
吸率结果如表1所示。
表1 不同树脂对绿原酸的吸附和解吸
Table1 Adsorptionanddesorptionofchlorogenic
acidusingresins
树脂型号
吸附量/
(mg·g-1)
吸附率/

解析率/

SL 201 302 215 501
DS 701 674 479 170
CN 101 1172 834 692
CN 102 568 404 456
DN 301 1351 961 099
IonⅣ 076 180 332
IonⅤ 383 908 81
  从绿原酸的吸附量和解吸率2个方面综合考
察,大孔树脂 CN 101显示出较优的综合性能,虽
然吸附量比 DN 301略低,但洗脱性能优异得多,
因此,选用CN 101树脂用于烟草提取液中绿原酸
的分离。
23 树脂的吸附动力学
  精密称取定量的CN 101树脂于三角瓶中,定
量加入绿原酸浸提液,在150r/min进行吸附,定时
取样测定绿原酸量,对吸附动力学进行分析。
  分析结果表明,大孔树脂 CN 101对烟草浸提
液中绿原酸的吸附遵循 Freundlich等温吸附方程
(图4),拟合回归整理得到
Q=04·ρ1/311
式中:Q为树脂吸附量,mg/g;ρ为吸附平衡时溶液
中绿原酸质量浓度,mg/mL。
图4 大孔树脂CN 101吸附绿原酸的拟合曲线
Fig.4 Fitingcurveofchlorogenicacidadsorptionby
macroporousresinCN101
  经乙醇溶液对吸附饱和的大孔树脂 CN 101
进行洗脱,发现洗脱峰集中,实验重复性较好,洗脱
曲线如图 5所示。绿原酸最高质量浓度达到 61
mg/mL,收率为876%。从上述结果可见,采用大孔
树脂吸附分离烟草浸提液中绿原酸的方法可行。
图5 大孔树脂CN 101对绿原酸的洗脱曲线
Fig.5 Desorptioncurveofchlorogenicacidby
macroporousresinCN101
24 提取工艺
  在分析传统工艺[12]的基础上,针对烟草物料的
特点对传统的以杜仲叶或金银花为原料的提取工
艺进行了改进,改进后的流程如图6所示。
图6 以烟草废料为原料提取绿原酸的工艺
Fig.6 Processofextractingchlorogenicacidfrom
tobaccoresidues
  图6中的溶剂为有机溶剂的水溶液,如果利用
75 第6期 陈育如等:烟草废料中绿原酸的提取工艺研究
水作为溶剂提取绿原酸时溶剂成本较低,但绿原酸
水解酶在提取过程中对绿原酸量的水解与多量的
水溶性杂质进入提取液是不利因素[13],而在有机溶
剂中绿原酸水解酶会受到抑制,因此采用有机溶剂
是比较合适的方法[14]。上述工艺中的固液分离与
除杂工序是为分离固体颗粒和溶液中的其他杂质,
进而浓缩真空干燥脱水得到产品。
3 结 论
  1)绿原酸是重要的生理活性物质,烟草是有潜力
替代金银花、杜仲叶等生产绿原酸的生物质资源,以烟
草废料提取绿原酸有望降低成本和扩大原料来源。
  2)甲醇、乙醇、丙酮与水的混合溶剂对烟草废
料中绿原酸提取的结果表明,一定浓度的有机溶剂
水混合溶剂的提取效果较好,其中40%的甲醇浸提
液中绿原酸的质量浓度为211mg/mL,比以水为溶
剂时高出近50%;用不同浓度的甲醇溶液进行提取
的结果表明,以体积分数50%甲醇提取的绿原酸质
量浓度最高(255mg/mL),提取效果最好,但甲醇
的毒性是生产中必须注意的问题。
  3)吸附动力学分析表明,大孔树脂CN 101对
烟草浸提液中绿原酸的吸附遵循 Freundlich等温吸
附方程,经大孔树脂CN 101吸附分离后绿原酸的收
率为876%,因而用大孔树脂吸附分离的方法具有可
行性,选用吸附分离性能更为优良的大孔树脂以进一
步提高绿原酸收率对工业生产具有重要的意义。
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