静电场协同超声提取甘草中甘草酸的研究

1、第33卷第2期journal of applied acoustics2014年3月研究报告静电场协同超声提取甘草中甘草酸的研究*杨日福 闵志玲i陈维楚i丘泰球2(1华南理工大学 理学院 广州510640)(2华南理工大学轻工与食品学院r州510640)摘要 本文以廿草中甘草酸为硏究对象，采用静电场协同超声方法提取叹寸其影响因素和强化效果进行了硏究。通过 一系列的单因素实验和响应曲面方法，本项冃考察了浸泡吋间液固比超声电功率捉取吋间超声频率和静电压对甘 草酸提取率的影响。运用曲面响应法得出甘草中甘草酸的最优化反应条件为：液固比为30 ml/g，提取时间为29 min， 超声电功率为100 w静

2、电压为9 kv;在该条件下甘草酸的提取率为11. 02%。影响提取率最显著的因素是液固比 其次 是超声电功率。实验结果表明超声与静电场存在协同作用。尖键词 超声，静电场，甘草酸，协同作用，响应曲面方法中图分类号：tq028.9 +6文献标识码：a文章编号：100010x( 2014)02-0160-07doi： 10. 11684/j. issn. looolox. 2014. 02. 010glycyrrhizic acid extraction from licorice using synergetic actionof electrostatic field and ultrasoun

3、dyang rifu1 min zhiling1 chen weichu1 qiu taiqiu2(1 college of science south china university of technology，guangzhou 510640，china)(2 light chemical & engineering institute、south china university of technology，guangzhou 510640，china)abstract the extraction of glycyrrhizic acid using electrostati

4、c field coupling ultrasound was invcsligatecl through single factor tests and response surface methodology 5 batch processes were performed to study the impacts of immersed time、solichiquid ratio，ultrasonic power，extraction time，ultrasonic frequency and static voltage on the extraction yield ( ey) o

5、f glycyrrhizic acid the results of response surface methodology indicaled that the optimum reaction conditions were solidhiquid ratio of 30 ml / g、extraction time of 29 min，the ultrasonic power of 100 w，the static voltage of 9 kv » at which the highest ey of 11. 02% was achieved. solid-liquid r

6、atio was found to exert the most significant weight on the variability of the glycyrrhizic acid content，followed by ultrasonic power. the experimcntal results showed that a significant synergetic effect exists of ultrasound and electrostatic fieldkey words ultrasound electrostatic field > glycyrr

7、hizic acid synergetic effect、responsc surface methodology2012-12-13 收稿;2014-01-06 定稿广东省教育部产学硏项目（2011b090400272），国家自然科学基金（20776047）作者简介: 杨日福（1969-），男，广东吴j 1|人，冈擞授，研究方向:超声化工应用。闵志玲（1990-），女，硕士生。陈维楚（1986-），男，硕1生。丘泰球（1941-），男，痂，博±导师。通讯作者:杨日福 'e-mail： yangrifu scut edu cn第33卷第2期杨日福等：静电场协同超声提取甘草中甘

8、草酸的研究1612材料与方法廿草具有补脾益气、清热解毒、祛痰止咳、缓解 止痛和调和诸药的功能，是常用中药材，被中医界 奉为“药中之王”。甘草酸是甘草中的制药活性成 分近代众多临床医学研究表明，甘草酸可以有效 抑制乙肝病毒（hbv）和感染细胞表面抗原 （hbsag）的分泌，并且可以明显地抑制hiv增殖， 增强机体的免疫力"。甘草酸也是一种天然的甜 味剂 淇甜度为蔗糖的200 300倍，可广泛用于食 品饮料医药等行业。目前甘草酸主要采用提取方法有水提法、稀氨 水提取法及氨性醇提取法等厂。虽然具有不需特 殊设备'成本低等优点'但存在提取效率低'提取时 间长，所得甘草

9、酸纯度低等问题，对甘草资源的利 用不充分，影响了我国传统中药甘草产业的发展。超声波能够破坏药材细胞壁，使有效物质容易从 药材中提取出来；与传统方法相比，具有提取率 高、 提取时间短、提取全过程无需高温、节能环保等 优点。 因此，超声提取技术已经作为中药提取的新方法、新 手段被广泛应用但国内现有的超声提 取装置中， 功率和强度受超声探头的数量所制约 > 难以达到理 想的提取效果。为了解决这些问题，近年来人们把目 光投向几种工艺相互耦合技术上，例 如:将超声与微 波耦合提取7，超声与亚临界水耦合提取等。将 静电场引入协同超声提取'是功率超声的一个新兴应 用领域，由于水分子是一种强极性

10、分子，它的正负电 中心不重合，存在分子电偶极矩，通过外加直流电场 对水结构的影响，使水分子的排列更为有序，目前国 内外矢于超声一静电场协同处理取得了一定的进 展：超声波和电场共同作用，加剧了液体中物质的 扩散和溶解过程。超声清洗过程中加入电场强 化时，促进表面清洗效果（10-11 ： o超声波协同电 催化提高有机物的降解效率。但国内矢于超声- 静电场耦合技术还处于探索阶段，目前矢于超声-静 电场耦合提取植物有效成分应用研究较少。本文将超声单独作用及超声和静电场协同作 用下甘草酸的提取率进行比较，通过曲面响应法获 取甘草酸的最佳工艺条件，并验证超声和静电场交 互作用的存在。2. 1材料与仪器乌拉

11、尔甘草，购于广州清平药材市场，干燥粉 碎过60目筛；提取剂为水与乙醇混合溶液（1：1）; 水为去离子水（美国millipores纯水系统处理），无 水乙醇（分析纯，广州市东红化工厂）廿草纯品，购 自陕西慧科植物开发有限公司纟屯度98%。uv-5200紫外可见分光光度计，上海元析仪器 有限公司；kq-100vde三频数控超声波清洗器，昆 lu市超声仪器有限公司；tdl-50b台式离心机，上 海安亭科学仪器厂；101电热鼓风干燥箱，天津市泰 斯特仪器有限公司；est804a高精密双极性静电发 生器，北京华晶汇科技有限公司。静电场协同超声提取装置示意图如图1 所示。1.超声波清洗器:2加热恒温装矍;

12、 3超声换能器：4.超祖发生器： 5静电发牛器：6.正电斥输出端： 7地输出瑙：8烧杯圆柱接地外套: 9烧杯；1（）.中央电极：ii.绝缘体: 12.提取材料和洛剂图1静电场协同超声提取装宜示意图fig 1 schematic diagram of elcctroslatic fieldcoupling ultrasonic extraction2. 2实验方法2. 2. 1甘草酸标准曲线制备与提取率计算准确称取甘草酸纯品0. 25 g，溶于50 ml体积 分数为50%的乙醇溶液中；取1，2，3，4，5 ml，用 50%乙醇溶液稀释至250 ml，以50%的乙醇溶液 作参比，在紫外波长254

13、nm处测其吸光度，得标准曲线为 c = ( a-0. 0076) /12. 18746 相尖系数 r2 = 0. 9996;其中c为甘草酸浓度值(pg/ml)，a为其 对应的吸光度。在一定工艺条件下实验所得提取液经离心，过 滤，用50%乙醇补充损失的体积，从滤液中取1 ml 溶液加到100 ml容量瓶中，用50%乙醇溶液进行 定容，在紫外波长254 nm处测定其吸光度，依据标 准曲线可计算提取液浓度c，甘草酸提取率计算 如下：提取率二(c x v) /m x 104 x 100%，( 1) 式中:c为标准曲线所得浓度值(pg/ml)，v为提 取溶剂体积(ml)心为甘草粉末质量(g)。匕=仇+

14、£“隔+卩必xj其中，匕是甘草酸提取率，0厂和闵是模型 的回归系数，x,和为是影响因素，而£是随机 误差。3结果与讨论3. 1浸泡时间对廿草酸提取率的影响称5 g甘草粉末，加入100 ml体积分数为 50%的乙醇溶液 超声频率为20 khz超声设备的 输出电功率为wo w提取时间30 min，分别考察 无静电场和10 kv静电场正交作用，浸泡时间对 甘草酸提取率的影响。结果如图2所示，结果表 明随着浸泡时间增长dzf草酸提取率呈上升趋势， 但是上升比较缓慢，且最终趋于平缓。说明浸泡 时间可以提高廿草酸的提取率，但效果不是很明 显。因此，为了缩短工吋，减小能耗，下述实验不 采

15、取浸泡方法。%/*却®0153045607590沒泡时间/min图2浸泡吋间对甘草酸提取率的影响fig. 2 effect of immersed time on extractionyield of glycyrrhizic acid2. 2. 2单因素对甘草酸提取率的影响其它因素保持不变，分别考察浸泡时间、液固 比、超声电功率、提取时间、超声频率、静电场电压 等单因素对甘草酸提取率的影响。2. 2. 3响应曲面法优化甘草酸的提取工艺条件用4因素3水平的box-behnken中心组合设计 来确定最优的过程参数组合，这些因素包括液固 比，提取时间，超声电功率和静电压，通过实验建立 了

16、超声提取工艺参数与甘草酸提取率之间的数学 模型，获得最优的工艺参数。用于预测最优条件的二次多项式模型的一般 表达式如下：(2)3.2液固比对甘草酸提取率的影响其他条件同3. 1，溶剂用量分别为50 ml>75 ml八100 ml八125 ml、150 ml考察液固比对甘草 酸提取率的影响。结果如图3所示 结果表明甘草 酸提取率随着溶剂用量的增加而增加。这是由于 溶剂量大 溶剂中的有效成分浓度低，物料及溶剂 边界层的有效成分浓度差大，因而提取率较高；反 之溶剂中有效成分浓度高扩散推动力小，不利于扩 散 有效成分提取率低。图中曲线趋势可知溶剂用 量为50 ml 100 ml吋，提取率上升较快

17、，在100 ml150 ml时趋于平缓唏虑液固比太大对后续 分离处理带来不便，因此液固比采用传统提取较为 常见的20 ml/g(溶剂用量100 ml).图3液固比对廿草酸提取率的影响fig. 3 effect of liquid-solid ratio on extractionyield of glycyrrhizic acid8 5 2 9 61o.1o.1o.99.3. 3超声电功率对甘草酸提取率的影响其他条件同3. 1超声电功率从40 w到100 w 间隔10w递增，分别考察超声电功率对甘草酸提取4 2 0 lolom 聲雪19.89.6102030405060提取时间/min2080

18、40创声频率/khza4 2 0 81o.1o.io.1o.9率的影响。结果如图4所示，结果表明超声波提取 作用主要取决于超声波的功率，随着输入功率的增 加，气泡逐渐增多，气泡的最大半径和膨胀压缩比 增大，空化强度增强'从而有利于甘草中甘草酸提 取率的提高。但当超声功率达到一定阈值吋，由于声源附近 聚集大量气泡，形成空化屏蔽，声能被局限在声源 表面不能传出去'空化强度不能进一步增加'因此 提取率达到饱和不能继续增加；此外，大量空化泡 将反射声波而减少了能量的传递，因此超声功率也 不能无限制地提高。10.810.610.4'405060708090100超声电功率

19、/w图4超声电功率对甘草酸提取率的影响big. 4 effect of ultrasonic power on extractionyield of glycyrrhizic acid3. 4提取时间对甘草酸提取率的影响其他条件同3 1作用时间从10 min到60 min 间隔10 min递增 分别考察作用时间对甘草酸提取 率的影响。结果如图5所示 结果表明当提取时间 从10 min增加到20 min时，提取率上升比较快，在 20 min到30 min，提取率进一步上升，但上升速度 明显减慢而在30 min后提取率反而有下降。10810.6 -图5提取时问对廿草酸提取率的影响fig. 5 ef

20、fect of extraction time on extractionyield of glycyrrhizic acid超声提取的主要推动力是有效成分浓度差，在 提取初期，有效成分浓度差大'因此提取速率快'提 取率增加明显，随着提取时间的延长，溶剂中有效 成分浓度逐渐增大，和固相中的浓度差逐渐变小， 推动力也变小，也就是提取液中甘草酸浓度已基本 与甘草中甘草酸浓度达到平衡，所以提取速率慢慢 减缓。同时，由于超声波长时间作用，更多杂质溶 出'提取液经离心，过滤后'杂质的沉降带走部分甘 草酸，导致溶液中甘草酸浓度将下降的结果。3.5超声频率对甘草酸提取率的影响

21、其他条件同3. 1，超声频率分别为20 kllz.40 khz、80 khz、100 khz吋，考察超声频率对甘草酸 提取率的影响。结果如图6所示结果表明超声频 率越低提取率越高。这是因为超声空化现象能否 发生与超声频率有直接的矢系，频率越高产生空化 的声压空化阈值越高，越难以发生空化。另一方 面，在相同功率时，频率越低空化效应中的机械作 用越强，频率越高，化学效应越明显，而超声波提取 作用是空化作用破坏细胞壁，因此机械作用越强的 低频空化效果更明显。9.69.4图6超声频率对廿草酸提取率的影响eig. 6 effect of ultrasonic frequency onextraction

22、 yield of glycyrrhizic acid3.6静电压对廿草酸提取率的影响其他条件同3. 1，静电场电压分别5 kv、7. 5 kv>10 kv、12. 5 kv、15 kv时考察静电场电压 对甘草酸提取率的影响。结果如图7所示，结果表 明静电压为10 kv前随着电压增加甘草酸提取率 逐渐增加但当电压超过一定临界阈值时，甘草酸 提取率反而迅速下降，当静电压超过一定范围吋， 反而会对超声提取起到抑制作用。在超声场中加入静电场，相对单独超声作用吋 提取率提升，说明静电场对超声场有促进作用，借 鉴文献推测主要原因：(1 )由于静电场的存在，对 溶液产生微干扰，溶液中大直径气泡增多，

23、增加了 空化效应°；(2 )静电场作用使空化气泡产生形变，沿场强方向拉伸拉长，使空化泡变成椭圜形， 使处于稳态空化核中一部分转化为瞬态空化，增 加了空化效应的声化学产额甘呵，从而提高了甘 草酸的提取率。但是，根据文献14的研究可知， 气泡的长径随电场升高而增大，短径随电场升高 而减少气泡的长径与短径之比同weber数（定义 为se2r/o淇中厂为气泡的未变形的半径）相矢 联 勢必导致空化泡的自然共振频率的改变，只有 当空化泡的自然共振频率与使用超声的频率相近 时才能达到有效的能量耦合，对于一定的超声频 率和声强，必定有一个最大效果的静电场电压与 之对应。图7静电场对甘草酸提取率的影响

24、fig. 7 effect of electrostatic field on extractionyield of glycyrrhizic acid3.7采用响应曲面法优化提取工艺3. 7. 1分析因素的因素与水平选取根据单因索影响的实验结果，选取液固比，提 取吋间 超声电功率和静电压4个影响因素 采用3 水平的boxhbehnken中心组合实验设计，进行曲面 响应分析优化试验因素与水平设计见表1。表1廿草酸提取试验的因素与水平table 1 factors and levels in extractionexpeidments of glycyrrhizic acid因素水平-101液固

25、比/( rnl-g'1)102030提取时间min化）超声电功率/w203040（血）4070100豁电压/kv(xi)510153.7.2模型的建立及其显著性检验实验设计方案和实验结果如表2所示，共29 个实验点，其中124为析因实验，2529为中心实 验。29个实验点分为析因点和零点，其中析因点是 由因素x，x，x，x所构成的多维空间顶点'零点1234为区域的中心，零点实验共进行5次，用以估计实 验误差（吃。表2响应曲面实验设计和结果table 2 response surface experimental design and results试验号£乙廿草酸 提

26、取率/%1-1-1008. 6521-10010 273-11009. 374110010 55500-1-19 236001-110 38700-119. 778001110. 129-100-19. 5310100-110 3211-10018. 7512100110 08130108. 871401-109. 80150-11010 3516011010 5417-10-108. 9218101010 2519-10109. 7420101010 99210-10-19. 5222010-19. 72230019. 262401019. 4625000010 3826000010. 46

27、27000010. 2528000010. 3029000010. 48利用designxpert软件对表2实验数据进行 多元回归拟合心，得到甘草酸提取率对液固比 （x），提取时间（x?），超声电功率（xj和静电压 （%,）的二次多项回归模型如下：y = 10. 37 + 0. 62( + 0. 21x2 + 0. 44x3 - 0. 11x, - 0. 11xx2 - 0. 021 xx. + 0. 13x.x, 2 2 2 2 -0. 18x2x3 + o. 000205x2x1 - 0. 20x3x4 - 0. 27x, 0. 41x2 - 0. 085x3 0. 44x4.对该模型进行

28、方差分析和回归模型系数显著性检验结果见表 3。表3廿草酸提取的二次多项式模型的方差分析tabic 3 analyses of variance for quadratic polynomial model of glycyrrhizic acid extractionsourcesum ofsquaresmeansquarefvaluepvaluemodel10. 210. 7320. 95< 0. 0001x,4. 674. 67134. 35< 0. 00010. 530. 5315. 210. 0016x32. 322. 3266. 56< 0. 0001x,0. 14

29、0. 143. 890. 0688x必0. 0510. 0511. 460. 24641. 683e-0031. 683e-0030. 0480. 8291xx0. 0710. 0712. 040. 1748x2x30. 140. 143. 920. 0678纠1. 681e-0071. 681e-0074. 831e-0060. 9983xx0. 160. 164. 630. 0493xf0. 490. 4914. 100. 0021x纟1. 081. 0831. 17< 0. 0001疋0. 0170. 0471. 310. 26671. 251. 2535. 79< 0. 0

30、001残差0. 490. 035失拟项0. 450. 0454. 450. 0816纯误差0. 0400. 010总和10. 69由表3可得5固比和超声电功率对提取率有 极显著的作用 其次为提取吋间和静电压。x,项 的p值为0. 0493表明超声及静电场之间的交互作 用很显著。另外,模型的p值 0. 0001表明该数 学模型能提供可靠的预测结杲及能充分地代表过 程变量和响应因素之间的真实矢系。3. 7.3过程优化通过designxpert软件确立各因素的最佳提取 条件的编码值为：x】=0. 999957尢=-0. 107502， x3 =0. 999995尢=一°198262。变换成

31、真实值可 得:液固比为30 ml/g提取时间为28. 92 min超声 电功率为100 w，静电压为9. 01 kv，在此条件下， 甘草酸提取率理论值可达到1l 08% o为验证响应曲面法所得结果的可靠性，采用上 述优化条件进行甘草酸的提取，考虑到施加操作的 便利，将提取工艺参数修正为：液固比为30 ml/g， 提取时间为29 min超声电功率为100 w静电压为9 kv在此条件下提取5次实际测得的平均提取率 为11. 02%与理论预测值相比，其相对误差约为0. 53%。因此基于响应曲面法所得的优化提取工艺 参数准确可靠，其甘草酸提取工艺条件对甘草的综 合利用以及甘草酸产业化具有理论指导意义。

32、4结论通过单因素试验结果，加入静电场，可强化超 声提取甘草酸效率。运用曲面响应法分析也表明 了超声与静电场存在交互作用。影响因索对甘草 酸提取率影响的大小次序为：（液固比） （超声 电功率） （提取时间） （静电压）。得出甘草 中甘草酸的最优条件为：液固比为30 rril/g，提取 时间为29 min，超声电功率为100 w，静电压为 9 kv;在该条件下甘草酸的提取率为11. 02%。综 上所述利用超声与静电场耦合提高甘草酸得率 的方法在工业化应用上具有发展潜力，但是，静电 场与超声场正交作用从实验结果来看不是十分明 显，根据sobotka等e进行直流电场对超声信号 的振幅影响研究表明：超声

33、清争电场正交耦合不及 平行耦合效果显著，平行耦合效果有待今后进一 步探索。参考文献1王小丽陈思东甘草酸作用的研究进展j中国医药导报 >2012 9(24) : 20-23.wang xiaoli * chen sidong. research progress of effects of glycyrrhizic acid j china medical hearld，2012 »9 ( 24 ): 203.2 赵茜李秉滔刘欣，等超声强化甘草酸捉取的研究j. 食品科技，2000 < 5)： 389.zhao xi * li bingtao > liu xin >

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