全 文 ：第 37卷第 1期
2008年 1月
应 用 化 工
AppliedChemicalIndustry
Vol.37 No.1
Jan.2008
收稿日期:2007-10-17
基金项目:河南省自然科学基金项目(511022800)
作者简介:高于(1984-),男 ,安徽六安人 , 郑州大学在读硕士研究生 ,师从吴鸣建教授 , 从事天然产物提取分离及其应用
研究。电话:13592506497, E-mail:gaoyuym@yahoo.com.cn
新疆藁本挥发油提取工艺优化及动力学模型研究
高于 1 ,吴鸣建 1, 2 ,李世勇 2 ,魏亚丽1 ,胡殿丽1
(1.郑州大学化工学院 , 河南郑州 450001;2.河南新郑烟草(集团)公司博士后工作站 ,河南 新郑 451150)
摘 要:用水蒸气蒸馏法提取新疆藁本挥发油 , 采用正交实验设计优选最佳提取工艺条件 ,并采用两种数学模型对
挥发油提取过程实验数据进行拟合。最佳提取条件为:加水量 12倍 , 浸泡 6h, 提取 5 h, 氯化钠 5g。新疆藁本动
模方程为:V=2.04×[ 1-exp(-0.010 18 t)] (R2 =0.998 17)和 ln(2.1-V)=-0.009 44 t+0.728 95(R2 =
0.997 9)。优选提取工艺可行 ,结果稳定。数学模型回归效果很好 , 可适用于新疆藁本挥发油提取过程的优化控
制。
关键词:新疆藁本;挥发油;水蒸气提取;正交设计;动力学模型
中图分类号:R932.12 文献标识码:A 文章编号:1671-3206(2008)01-0011-03
Optimizationofextractiontechnologyandkineticmodelsof
esentialoilfromConioseliumtataricumHofm
GAOYu1 , WUMing-jian1, 2 , LIShi-yong2 , WEIYa-li1 , HUDian-li1
(1.ColegeofChemicalEngineering, ZhengzhouUniversity, Zhengzhou450001, China;2.Post-doctoral
Workstation, HenanXinzhengTobacco(Group)Corporation, Xinzheng451150, China)
Abstract:EssentialoilfromConioseliumtataricumHofmwasextractedbyhydrodistilationandtheopti-
mumextractionconditionsweredeterminedbyorthogonaldesign, atthesametimetwomathematicmodels
wereusedtofittheexperimentdata.Theoptimumextractionconditions:adding12timeswater, soakingfor
6 h, extractingfor5 h, addingNaCl5 g.ThekineticmathematicmodelsareV=2.04 ×[ 1 -exp(-
0.010 18t)] (R2 =0.998 17)andln(2.1-V)=-0.009 44 t+0.728 95 (R2 =0.997 9).Theopti-
mumextractionisfeasibleandtheresultisstable.Theregressionofthemathematicalmodelisefective,
whichcanbeappliedtocontrolthevolatileoilextractionprocessoptimization.
Keywords:ConioseliumtataricumHofm;volatileoil;steamextraction;orthogonal;kineticmodel
藁本为伞形科植物 ,是一种常用中草药 。药用
藁本的植物来源主要有藁本 、辽藁本和新疆藁本
3种 。新疆藁本因其产量较大而目前应用较广 。其
主要有效成分为挥发油 ,据资料报道 ,国内外对新疆
藁本挥发油研究较少 ,其主要成分是 β-水芹烯 ,肉
豆蔻醚等[ 1] 。新疆藁本常作为藁本的替代品 ,用作
解表类中草药 ,具有祛风 、散寒 、除湿之功效 。治风
寒感冒 、巅顶头痛 、风湿肢节痹痛等 [ 2] 。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
新疆藁本 ,购于河南省医药公司;氯化钠 、无水
硫酸钠 、无水乙醚均为分析纯。
FW100型高速万能粉碎机;ZDHW型调温电热
套;挥发油测定器 ,符合 《中华人民共和国药典 》
2000年版一部 “附录 ”XD挥发油测定器的有关标
准;SGY-2W型阿贝折射仪。
1.2 提取方法
按参考文献 [ 2] ,取新疆藁本用粉碎机粉碎后 ,
过 40目筛 ,精密称取 50g,加适量水 ,充分浸泡后与
数粒沸石于 1 000mL圆底烧瓶中 ,按照正交表 1进
行实验 ,用调温电热套加热回流 ,保持微沸数小时
后 ,停止加热。用无水乙醚萃取挥发油 ,加入无水硫
酸钠干燥 ,过滤后转入棕色小瓶 ,避光冷藏放置。
2 结果与讨论
2.1 正交实验结果分析
根据预试验 ,采用水蒸气蒸馏法提取挥发油 ,以
挥发油提取量为考察指标 ,选择料液比(A)、浸泡时
间(B)、蒸馏时间(C)、氯化钠用量(D)4个因素 ,每
应用化工 第 37卷
个因素选择 3个水平进行 L9(34)正交实验 。因素
水平见表 1。
表 1 因素水平
Table1 Factorsandlevels
水平 A B C D料液比 浸泡时间 /h 蒸馏时间 /h 氯化钠用量 /g
1 1∶8 2 2 0
2 1∶10 4 4 5
3 1∶12 6 6 20
表 2 正交设计实验数据
Table2 Theexperimentaldataoforthogonaldesign
因素 A B C D 实验结果 /g
1 1 1 1 1 0.540 5
2 1 2 2 2 0.872 7
3 1 3 3 3 1.092 9
4 2 1 2 3 0.840 9
5 2 2 3 1 1.021 3
6 2 3 1 2 0.592 5
7 3 1 3 2 1.160 7
8 3 2 1 3 0.691 5
9 3 3 2 1 1.036 2
K1 0.835 0.847 0.608 0.866
K2 0.818 0.862 0.917 0.875
K3 0.963 0.907 1.092 0.875
R 0.145 0.060 0.484 0.009
直观分析结果表明 ,各因素对提取结果影响程
度依次为:提取时间 >料液比 >浸泡时间 >氯化钠
用量。挥发油提取工艺最佳条件为 A3B3C3D2。得
出最佳提取工艺:加氯化钠 5 g,加水 12倍 ,浸泡
6 h,提取 6 h。由实验观察可知 , 5 h后基本无油量
增加 ,从实际生产中的节省能源及经济等角度考虑 ,
提取 5 h即可 。
表 3 方差分析
Table3 Analysisofvariance
因素 偏差平方和 自由度 F比 F临界值 显著性
A 0.034 2 0.337 3.310 -
B 0.015 2 0.149 3.310 -
C 0.352 2 3.485 3.310 ＊
D 0.003 2 0.030 3.310 -
由表 3可知 ,提取时间有显著性差异 ,而其他几
个因素对挥发油提取量的影响无显著性意义。
2.2 验证实验
称取粉碎并且已过 40目筛的新疆藁本药材
50 g,加蒸馏水 12倍 ,浸泡 6h。按 《中国药典 》方法
提取藁本挥发油 ,用挥发油提取器收集油样 ,提取
5 h,蒸馏体系保持微沸状态。以上操作平行进行 3
次 , 实验中所提挥发油呈淡黄色 ,有特殊的芳香气
味 ,得挥发油量为:1.182 5 g(2.36%), 1.218 2 g
(2.43%), 1.207 0 g(2.41%), 计算出 RSD =
1.35。测定相对密度为 d20 =1.059 4g/mL,比水略
重 ,折光率为 n=1.531 3(25 ℃),药材挥发油含量
约为 2.4%。平均收率比正交实验最高收率高 ,表
明该工艺可行 ,结果稳定 。实验表明 ,提取藁本挥发
油的最佳工艺为加水量 12倍 ,浸泡 6h,提取 5h,氯
化钠 5 g。
2.3 动力学数据
2.3.1 动力学实验数据 取新疆藁本药材 50 g,粉
碎 ,加水 600 mL,浸泡 6 h,用挥发油提取器测定 ,读
取各时刻的挥发油提取量 ,见表 4。
表 4 动力学模型数据
Table4 Theexperimentaldataofkineticmodel
提取时间 /min 提取量 /mL 提取时间 /min 提取量 /mL
0 0 130 1.50
10 0.24 140 1.57
20 0.42 150 1.61
30 0.52 160 1.67
40 0.65 170 1.70
50 0.79 180 1.74
60 0.94 190 1.77
70 1.03 200 1.79
80 1.12 210 1.80
90 1.21 220 1.81
100 1.31 230 1.81
110 1.37 240 1.82
120 1.42
2.3.2 动力学模型方程一 采用 Origin7.0对实验
数据进行拟合 ,数学模型为:V=VS ×[ 1 -exp(-
kt)] ,其中 , VS表示药材挥发油总量;V表示已提取
的药材挥发油量 ,所得拟合曲线及拟合效果见图 1。
图 1 方程一拟合曲线及拟合效果
Fig.1 Simulationcurveandresultofequation1
由图 1可知 ,新疆藁本挥发油提取的动模方程
为:V=2.04 ×[ 1 -exp(-0.010 18 t)] (R2 =
0.998 17)。
12
第 1期 高于等:新疆藁本挥发油提取工艺优化及动力学模型研究
2.3.3 动力学模型方程二 采用 Origin7.0对实验
数据进行拟合 ,建立数学模型为:ln(VS-V)=-Kt
+A[ 3] ,其 中 , VS表示药材挥发油总量;VS以该工艺
蒸馏 12 h的提取量 2.1 mL计;表示已提取的药材
挥发油量 ,所得拟合曲线及拟合效果见图 2。
图 2 方程二拟合曲线及拟合效果
Fig.2 Simulationcurveandresultofequation2
由图 2可知 ,新疆藁本挥发油提取的动模方程
为:ln(2.1-V)=-0.009 44 t+0.728 95 (R2 =
0.997 9)。
3 结论
本实验以中药材新疆藁本为原料 ,采用水蒸气
蒸馏的方法提取其中挥发油 ,平均产率为 2.4%,较
文献报道的藁本的挥发油产率 1.43%高 0.97%[ 1] 。
本实验采用正交实验法 ,以挥发油得率为考察
指标 ,对藁本挥发油的最佳提取工艺进行了优化 。
结果表明 ,影响挥发油提取效果的最主要因素是提
取时间 ,而氯化钠用量影响最小 。因此提取藁本挥
发油的最佳工艺为过 40目筛 ,加水量 12倍 ,浸泡
6h,提取 5 h,氯化钠 5 g。最佳提取时间理论为
6h,但根据实验观察 , 5 h后基本无出油量 ,从经济
角度考虑 ,选择 5 h较为合理。该工艺方法可作为
指导藁本挥发油提取的工业生产的依据 。
从动力学数据可以看出 ,藁本的动模方程为:V
=2.04×[ 1-exp(-0.010 18 t)]和 ln(2.1-V)=
-0.009 44t+0.728 95 ,两个动模方程所求的动模
常数分别为 0.010 18, 0.009 44,非常接近 。由动模
方程所求得的 VS分别为:2.04, 2.1 mL也非常接
近。说明两个方程均能较好的反映挥发油的实际提
取过程。两组模型不但实验数据本身线性相关性很
强 ,回归效果好 ,由动模方程经参数估值后所得的模
拟计算值与试验值吻合也非常好 ,可作为工业过程
优化控制的依据。
参考文献:
[ 1] 戴斌.新疆藁本挥发油的气相色谱-质谱分析 [ J] .中药
通报 , 1988, 13(9):33-35.
[ 2] 中华人民共和国国家药典委员会.中国药典 2005[ S] .
(1部).北京:化学工业出版社 , 2000.
[ 3] 韩泳平 ,向永臣 , 王曙宾 , 等.挥发油提取过程动力学
数学模型研究 [ J] .中成药 , 2001, 23 (1):11-13.
(上接第 10页)
(3)回归得到了模拟油品中脱除噻吩的萃取动
力学方程为:r表现 =-dcAdt=0.156 1· cA -90.13。
该研究为基于离子液体的燃料油脱硫工艺提供了重
要的基础。
参考文献:
[ 1] 张国磊 , 高金森 , 梁咏梅 , 等.催化裂化汽油降烯烃技
术研究进展 [ J] .化工纵横 , 2003, 17(8):1-4.
[ 2] 邹明旭 , 石洪波 ,廖克俭.清洁燃料的非加氢脱硫技术
进展 [ J] .化学工业与工程技术 , 2005, 26(3):33-36.
[ 3] 王军民 , 袁铁.超低硫清洁汽油的生产技术进展 [ J] .
天然气与石油 , 2001, 19(4):14-17.
[ 4] 王磊 , 沈本贤.催化裂化柴油康醇萃取脱硫的研究
[ J] .华东理工大学学报 , 2005, 31(5):563-566, 579.
[ 5] 曾小岚 , 李丹 , 张香平 , 等.基于离子液体的燃料油萃
取脱硫过程 [ J] .过程工程学报 , 2007, 7(3):506-509.
[ 6] ZhangSG, ZhangQL.Extractivedesulfurizationandde-
nitrogenationoffuelusingionicliquids[ J] .IndEng
ChemRes, 2004, 43:614-622.
[ 7] HuangC, ChenB, ZhangJ, etal.Desulfurizationofgaso-
linebyextractionwithnewionicliquid[ J] .Energy＆Fu-
els, 2004, 18:1862-1864.
[ 8] 张成中 , 黄崇品 , 李建伟 , 等.离子液体的结构及其汽
油萃取脱硫性能 [ J] .化学研究 , 2005, 16(1):431-434.
[ 9] 张姝妍 ,曹祖宾 , 曹德智 , 等.室温离子液体对 FCC汽
油络合萃取脱硫的研究 [ J] .炼油技术与工程 , 2005,
35(5):35-37.
[ 10] 李汝雄.绿色溶剂 [ M] .北京:化学工业出版社 , 2004:
31-33.
[ 11] 周瀚成 , 陈楠 , 邓友全 , 等.离子液体萃取脱硫新工艺
研究 [ J] .分子催化 , 2005, 19(2):94-97.
13