枸杞中甜菜碱的提取及其缓蚀性能研究_张圣燕.pdf

枸杞中甜菜碱的提取及其缓蚀性能研究张圣燕（滨州学院化工与安全学院，山东 滨州）摘 要 为了开发一种环保型天然缓蚀剂，采用纤维素酶酶解法提取枸杞中的甜菜碱，在单因素实验的基础上，采用响应面实验优化提取工艺，并研究了甜菜碱粗提液和粗提液与聚天冬氨酸复配物对 碳钢在硫酸溶液的缓蚀作用及其机理。结果表明，枸杞中甜菜碱的最佳提取工艺条件为：酶解时间为 ，酶解温度为 ，酶解 值为，纤维素酶用量为 ，液料比为 ，甲醇体积分数为。在最优工艺参数下，枸杞中甜菜碱的提取率为，与模型预测值吻合良好。缓蚀实验表明，枸杞甜菜碱粗提液在硫酸介质中对碳钢具有良好的缓蚀效果，缓蚀效率随粗提液浓度的增大而升高，下，当甜菜碱粗提液的浓度达到 时，缓蚀效率可达到 以上；与聚天冬氨酸复配后，缓蚀效率明显提高。甜菜碱粗提液及其复配物均为混合型缓蚀剂，可有效吸附在碳钢表面形成一层保护膜，吸附过程遵循 等温方程式，二者在碳钢表面的吸附均属于自发过程，属于以物理吸附为主的物理吸附和化学吸附共同作用的过程。关键词 枸杞；甜菜碱；提取；响应面；缓蚀中图分类号 文献标识码 ：文章编号（）（，）：，（）（），：；收稿日期 基金项目 国家自然科学基金（）；滨州学院科研基金项目（）资助 通信作者 张圣燕（），讲师，研究生，主要从事天然产物提取、金属材料腐蚀与防护，：前 言枸杞（）俗名天精草，是茄科枸杞属多年生落叶灌木植物的果实，味甘、性平，是一种“药食同源”的功能保健性食品，广泛分布于我国的西北部干旱和半干旱地区、欧洲东南部和地中海区域，。枸杞营养价值丰富，具有滋补肝肾、益精明目、清热凉血等功效，广泛用于增强机体免疫力、降血脂、降血糖、保肝、抗肿瘤及抗衰老等，。枸杞的这些功效与其所含的活性成分密切相关，现代医学研究证实，枸杞果 实中的活性成分中含有大量的甜菜碱。甜菜碱是一种天然季铵型水溶性生物碱，在体内起甲基供应体的作用，具有抗脂肪肝、降压、抗肿瘤等多种生物学功能，广泛应用于医药、农业、食品等领域。此外，甜菜碱是一种两性表面活性剂，对碳钢具有一定的缓蚀作用，。随着环保意识的增强，许多传统有毒害和污染环境的缓蚀剂被限制和禁止使用，新型高效、低（无）毒、环境友好的植物缓蚀剂的开发使用引起人们广泛的关注。然而，枸杞中甜菜碱的提取及其缓蚀性能的研究较少。本工作采用纤维素酶酶解法提取枸杞中的甜菜碱，通过响应面分析法优化提取工艺，并对枸杞中甜菜碱的缓蚀性能进行研究，为枸杞的综合利用提供理论基础。试 验 材料与试剂干枸杞，市售；纤维素酶（）；甜菜碱标准品纯度（质量分数），；甲醇、无水乙醇、丙酮、乙醚、雷氏盐、氯化钾、盐酸、硫酸均为分析纯。仪 器 型紫外分光光度计；型集热式恒温加热磁力搅拌器；型电子天平；型旋转蒸发仪厂；型台式离心机。枸杞中甜菜碱的提取优化 枸杞中甜菜碱的提取工艺干枸杞洗净、烘干（）、粉碎、保存备用。准确称取预处理的枸杞粉末 ，加入甲醇溶液，调节 值，预热至酶解温度后，加入纤维素酶进行酶解，酶解后煮沸灭酶，冷却抽滤，得甜菜碱粗提取液。甜菜碱提取率的计算（）标准曲线的绘制 准确称取甜菜碱标准品，溶解，转移至 容量瓶中，去离子水定容，制成浓度为 的甜菜碱标准液。准确称取雷氏盐 ，去离子水溶解，盐酸调 值至，搅拌 后，抽滤，滤液转移至 容量瓶中，去离子水定容（现用现配）。准确量取甜菜碱标准液，于 支 比色管中，去离子水稀释至 ，静置 后，分别加入 新配的雷氏盐饱和溶液，陈化 ；离心 ，除去上层清液后，加入 乙醚，继续离心 ，挥干乙醚后，加入体积分数 的丙酮溶解，定容，静置。以试剂空白为参比，波长下测吸光度，做甜菜碱浓度吸光度标准曲线，得回归方程为：，线性相关系数 。（）甜菜碱含量的测定及提取率的计算甜菜碱粗提取液 减压浓缩后，转移至 容量瓶中，去离子水定容。准确移取定容液 于 比色管中，静置，加入 新配的雷氏盐饱和溶液后，陈化 ；离心 ，除去上层清液后，加入 乙醚，继续离心 ，挥干乙醚后，加入 的丙酮溶液溶解，定容，静置。以试剂空白为参比，波长下，测定吸光度，根据标准曲线方程计算浓度，得出甜菜碱提取率：甜菜碱的提取率 定容溶液体积 稀释倍数原材料质量（）式中：表示甜菜碱的浓度，。单因素实验（）酶解 值对提取率的影响 酶解温度，酶解时间 ，纤维素酶用量 ，液料比（单位：），甲醇体积分数为，在酶解 值分别为，的条件下，利用纤维素酶提取枸杞中的甜菜碱，测定并计算提取率。（）酶解温度对提取率的影响酶解 值为，酶解时间 ，纤维素酶用量 ，液料比（单位：），甲醇体积分数为，在酶解温度分别为，的条件下，利用纤维素酶提取枸杞中的甜菜碱，测定并计算提取率。（）酶解时间对提取率的影响酶解 值为，酶解温度 ，纤维素酶用量 ，液料比（单位：），甲醇体积分数为，在酶解时间分别为，的条件下，利用纤维素酶提取枸杞中的甜菜碱，测定并计算提取率。（）纤维素酶用量对提取率的影响 酶解 值为，酶解温度 ，酶解时间 ，液料比（单位：），甲醇体积分数为，在纤维素酶用量分别为，的条件下，利用纤维素酶提取枸杞中的甜菜碱，测定并计算提取率。（）液料比对提取率的影响酶解 值为，甲醇体积分数为，酶解温度 ，酶解时间 ，纤维素酶用量 ，在液料比（单位：）分别为 ，的条件下，利用纤维素酶提取枸杞中的甜菜碱，测定并计算提取率。（）甲醇体积分数对提取率的影响 酶解 值为 ，酶解温度 ，酶解时间 ，纤维素酶用量 ，液料比（单位：），在甲醇体积分数分别为，和 的条件下，利用纤维素酶提取枸杞中的甜菜碱，测定并计算提取率。响应面实验在上述单因素实验的基础上，选取酶解 值（）、酶解温度（）、纤维素酶用量（）、酶解时间（）个对枸杞中甜菜碱提取率影响较大的因素为自变量，以枸杞中甜菜碱提取率 为因变量，每个实验点重复 次，取 次实验结果的平均值进行响应面分析实验，实验因素与水平设计见表。表 响应面实验设计因素和水平 水平因素酶解 值酶解温度 纤维素酶用量（）酶解时间 缓蚀实验试样钢片为碳钢（钢），其化学成分（质量分数）为，余量为；其尺寸为：，使用金相砂纸（目 目 目 目 目）逐级打磨，经乙醇洗涤、丙酮脱脂后干燥、称重。一定温度下，将 碳钢试片分别浸入未添加和添加缓蚀剂的 硫酸溶液中，浸泡 后取出钢片，清洗表面腐蚀物，吹干后，称重，精确到 。同时进行 组平行实验，结果取 次实验的平均值。计算腐蚀速率（），缓蚀效率（）和表面覆盖率（）：（）式中：表示腐蚀速率，（）；表示碳钢试片腐蚀前后的质量损失，；表示碳钢试片的表面积，；表示缓蚀时间，。（）式中：表示缓蚀效率；和 分别表示未添加和添加缓蚀剂试片的腐蚀速率，（）。（）式中：表示表面覆盖率。结果与分析 单因素实验 酶解 值对提取率的影响图 为酶解 值对枸杞中甜菜碱提取率的影响曲线。由图 可以看出，当酶解 值升高时，枸杞中甜菜碱的提取率先逐渐升高，当 值增加为 左右时，甜菜碱的提取率达到最大值，再继续升高 值，提取率开始下降。这可能是由于随 值的升高，纤维素酶的活性增强，在 值为 左右时，纤维素酶的活性最强，提取率达到最大值，当继续升高 值时，纤维素酶的活性反而被抑制，导致甜菜碱提取率降低。图 酶解 值对甜菜碱提取率的影响 酶解温度对提取率的影响图 为酶解温度对枸杞中甜菜碱提取率的影响曲线。由图 可以看出，开始时枸杞中甜菜碱的提取率随着酶解温度的升高略有增加；当酶解温度升高至 后，随温度的升高，甜菜碱的提取率显著增加，当温度升高至 时，甜菜碱的提取率达到最高值。其后继续升高温度，甜菜碱的提取率反而开始下降。这可能由于温度较低时，纤维素酶活性较低，甜菜碱提取率不高，随着温度的升高，纤维素酶活性逐渐增强，甜菜碱提取率增大，时，纤维素酶活性最强，提取率达到最大值；其后再继续升高温度，高温使纤维素酶失活，对细胞壁的分解程度减小，甜菜碱的提取率反而降低。酶解时间对提取率的影响图 为酶解时间对枸杞中甜菜碱提取率的影响曲线。由图 可见，当酶解时间延长时，枸杞中甜菜碱的提取率明显上升，在酶解时间延长至 后，甜菜碱提取率基本稳定，继续延长酶解时间，甜菜碱提取率变化不大。这表明酶解 时，酶解效果已基本达到 图 酶解温度对甜菜碱提取率的影响 最佳。这是由于随酶解时间的延长，甜菜碱逐渐溶于提取剂中，时几乎全部溶出，再继续延长酶解时间，对甜菜碱提取率的影响不大。图 酶解时间对甜菜碱提取率的影响 纤维素酶用量对提取率的影响图 为纤维素酶用量对枸杞中甜菜碱提取率的影响曲线。由图 可见，增加纤维素酶用量时，枸杞中甜菜碱的提取率明显上升，在纤维素酶用量增加至 时提取率达到最大值，其后继续增加纤维素酶的用量，甜菜碱的提取率基本不变。这说明纤维素酶用量为 时酶解效果已基本达到最佳，再增加酶用量，对枸杞中甜菜碱提取率的影响不大。液料比对提取率的影响图 为液料比对枸杞中甜菜碱提取率的影响曲线。由图 可见，枸杞中甜菜碱的提取率随液料比中溶剂量的增加先上升后下降，当液料比（单位：）达到 时，甜菜碱提取率取达到最大值。这可能是由于随溶剂量的增加，溶出的甜菜碱增多，提取率增加；但当液料比（单位：）大于 时，枸杞中其图 纤维素酶用量对甜菜碱提取率的影响 它杂质溶出量增多，使甜菜碱与甲醇水分子之间的亲和性减小，溶解度降低，导致提取率变小。图 液料比对甜菜碱提取率的影响 甲醇体积分数提取率的影响图 为甲醇体积分数对枸杞中甜菜碱提取率的影响曲线。由图 可见，随甲醇体积分数的增加，枸杞中甜菜碱的提取率先上升后下降，甲醇体积分数增加至时，甜菜碱的提取率达到最大值。这可能是由于随甲醇体积分数的增加，提取溶剂中有机溶剂的量增加，甜菜碱的溶出量增多，提取率增加；而当甲醇体积分数高于 时，其他杂质的溶出量也随之增多，使得甜菜碱与甲醇 水分子之间的亲和性减小，导致提取率下降。响应面实验利用 设计响应面实验方案，参考单因素实验结果，选取酶解 值（）、酶解温度（）、纤维素酶用量（）、酶解时间（）为自变量，以甜菜碱提取率 为因变量，实验设计与数据结果见表。图 甲醇体积分数对甜菜碱提取率的影响 表 响应面实验设计方案及响应值结果 实验编号酶解 值酶解温度 纤维素酶用量（）酶解时间 通过统计分析软件 对表 数据进行二次多项式回归拟合，得到纤维素酶提取枸杞中甜菜碱的四元二次回归方程模型为：根据响应面回归模型，该方程的回归分析与方差分析结果见表。表 回归模型方差分析 来源平方和自由度均方 值 值 残差失拟项比 值 纯误差总和从方差分析及相关系数来考察模型的可靠性。从表 可知，所建立模型的，表明二次方程的拟合显著。由 的检验值推测出各影响因素对甜菜碱提取率的贡献率为：，即纤维素酶用量酶解时间酶解 值酶解温度。在总的作用因素中，项的，表明其对枸杞中甜菜碱提取率的影响显著；方程交互项，的，表明其对枸杞中甜菜碱提取率的影响不显著，的，表明其对枸杞中甜菜碱提取率的影响显著，各影响因素对响应值提取率的影响不是简单的线性效果。为进一步考察交互项对枸杞中甜菜碱提取率的影响，将其他因素固定在零水平，选取两个交互的因素，对甜菜碱提取率进行响应面图分析，结果见图。图 各因素交互作用对甜菜碱提取率影响的响应面图 曲面上相同提取率对应的因素值在底面上形成的曲线为等高线，等高线的形状反映了两因素间交互作用的强弱。当等高线接近于圆形时，两因素之间的交互作用弱；当等高线接近于椭圆形时，两因素之间的交互作用强。从 组图可以看出，纤维素酶用量与酶解温度之间的相互影响最强。纤维素酶用量和酶解温度两因素之间的交互作用最显著，对提取率的影响最大。通过应用响应面分析方法对回归模型进行优化分析，寻找确定的最优结果为：纤维素酶用量为 ，酶解时间为，酶解温度为，酶解 值为，响应面提取率最优值为。验证实验根据响应面实验的最优结果，选取酶解时间为，酶解温度为 ，酶解 值为，纤维素酶用量为 进行验证实验，重复实验 次，所得实验数据见表，次验证实验的平均提取率为，与模型预测值 相近，表明采用响应面实验优化得到的酶解的工艺条件可信度较高，具有一定的实用性。表 响应面实验优化条件下甜菜碱提取率 实验编号平均值提取率 缓蚀实验 粗提液浓度对碳钢缓蚀效率