《甘草中甘草酸提取工艺的优化方案探究》12000字

[16]。1.4总结在国内外的学者研究甘草中甘草酸的提取这一工艺过程中，基本要求是提取速度快、提取完全、最后的甘草酸杂质较少，以上文章中的提取方法各有千秋，相对来说采用氨性醇法的效果较好，但以为其法会造成存在氨气污染，在现实的生产工艺中需要进一步改善；在对甘草酸的精制时要求操作简单、自动化程度高、可连续生产纯化、较高的产品的纯度。在此工艺的研究中，我们秉持着工艺操作简单、耗时较短、甘草酸得率较高、杂志较少、原材消耗少等特点，选择合适的方法进行实验，同时，用不同的方法来作为对照。

2实验材料及方法2.1实验仪器与试剂2.1.1实验仪器见下表3.1实验仪器表3.1实验仪器2.1.2实验材料及试剂该实验所用的甘草来源于甘肃省武威市，将选用的甘草原料放入101型电热鼓风干燥箱中，在温度调至60℃时烘干3小时，使其保持恒质量，取出称重78.1g，再将其用剪刀剪至小快状，倒入粉碎机中粉碎后得77.9g，由于粉碎过程粉末的飞溅以及粉碎机壁的部分残留，存在轻微的损失，过孔径0.425mm筛之后备用（备用样品应被密封，并保存在干燥的地方，直到使用）；又选择了来源于安徽省毫州市宇航生物科技有限公司的甘草片来对比两者中可提取的甘草酸含量的不同；所用的试剂无水乙醇、氨水（天津市富宇精细化工有限公司)、浓硫酸(天津市光复科技有限公司)均为分析纯，此外在配制溶液和溶解原料时用到的均为实验室烧的蒸馏水。我们试验前对需要的试剂进行配制：质量分数分别为70%乙醇、50%乙醇、0.5%氨水（量都尽可能多，以防不够用，后续重新配置），此外将配置好的0.5%的氨水和50%的乙醇溶液按1：1混合均匀。2.2实验方法2.2.1甘草酸的提取甘草酸的有机溶剂提取工艺流程如下：甘草经干燥、粉碎、过筛、有机溶剂萃取、静置、过滤、真空减压浓缩、干燥从而可得到产品；准确称取甘草粉末13g，放置在100mL的烧杯中，加入26mL70%的乙醇溶液，充分浸泡后（大概1个小时左右），放入超声波清洗器中进行超声提取，将其定为设定值35℃下，重复提取2次，每次设定时间为5分钟，经循环水式多用真空泵抽滤，由于甘草粉末较粗，先选择用纱布折叠后进行第一次过滤，把滤渣弃去，对滤液用布什漏斗、定性滤纸再次过滤，得到滤液，两次重复同样的操作，合并滤液，将滤液用自动平衡离心机离心，收集上层清液，再将沉淀及滤渣重复浸提一次，重复离心操作。将两次的上层清液合并后，在电热恒温水浴锅设定温度75℃下加热浓缩至30mL左右（此处应考虑到甘草中提取出的甘草酸在高温下会分解，因此不应把温度调至太高，需要用小火慢慢的加热），大概1小时后，取出稍加静置后，将浓缩液倒进圆底烧瓶中，放入旋转蒸发仪中减压真空浓缩，将浓缩至浸膏状的物体，摊在玻璃板上，放入干燥箱中烘干，得到的片状晶体即为甘草酸粗品，称量计算后得总提取率。用移液管准确移取提取液4mL用70%的乙醇溶液定容至50mL容量瓶中，取定容后的溶液8mL,二次定容至50mL容量瓶中，测定溶液吸光度，采用蒸馏水作为对照；后续采用反复结晶法，将甘草酸超声波粗提液加浓硫酸沉淀，再经乙醇溶液提取，氨化成盐析出，反复结晶，即可得到甘草酸纯品。2.2.2传统提取法与现代提取法得率比较除上述较现代化的方法外，我们还适当的选用了较为传统的方法做了比较。在传统方法中，使用最多的是室温静置法，该法也就是说，对甘草片或者甘草粉末不加任何处理，只是在其中加入提取剂进行提取，其次需要的就是耐心的等待和时间的沉积。具体操作步骤如下：用电子天平准确称取甘草粗粉13g于100mL烧杯中，我们在传统方法上做了相应的改变，取出配置好的质量分数为0.5%稀氨水约30mL，将其置于小烧杯中放在恒温水浴锅中，在100℃高温下水浴加热至沸腾状态（煮沸过程出现了刺激性气味，并且溶液体积有相对应的减少），再将煮沸的热氨水加入甘草粉末中，使其充分的浸泡（可以使用玻璃棒搅拌使其浸泡快速充分），由于初次实验加入热氨水量过少，用真空泵抽滤后滤液较少（滤渣弃去），取出滤液加10%硫酸（用量适中即可）滤液由红棕色变为淡白色并伴有絮状沉淀物出现。继续向其内加酸,边加边用玻璃棒快速的搅拌,直至不再出现沉淀为止。在室温下静置4小时，我们可以清晰的看到样液出现了分层，上层为浅色的清液，下层为棕褐色的沉淀物，倾去上清液，需要用清水将下层沉淀物洗至接近中性，由于个人的粗心以及未能耐心对比PH比色卡，导致溶液呈酸性，PH值约为5.5，不符合沉淀要求，再次使用碱性溶液调节溶液PH，先加入低浓度的Ca(OH)2溶液，PH试纸变化不明显，再次加入NaOH溶液，调至溶液PH为7，即溶液呈中性，静置后。将沉淀物用5%-10%氨水溶解,先加入定量的氨水，沉淀为微颗粒状，且颜色较深，沉淀未溶解完全，再次加入氨水，此时氨水过量，沉淀由微颗粒状变为絮状，且颜色交浅，将其加热浓缩至流浸膏状，取出摊在玻璃板上，放入电热恒温干燥箱内，在80℃下烘干，可得到片状晶体，即为甘草酸，得产量1.6g，得率为12.3%。此外，水提法、稀氨水提取法、氨醇提取法均出现了耗时长、提取率低等缺点（具体步骤此处不在一一叙述），与之前的超声提取法相比，传统方法很明显出现了耗时长、提取率低的缺点，此外，该法用的提取剂为稀的热氨水，具有极强的刺激性气味，易挥发，也会给人体带来危害、对环境也会有一定程度的污染。所以，传统方法在早年间比较常用，随着现代社会经济的飞速发展、科技的不断进步、科研家门不断地探索和创新，这些改变让后代学者得到了极大的便利，对我们在校大学生来说，更是得到了极大的便利。2.2.3甘草酸含量的测定准确称取5g甘草粉末，加入40mL蒸馏水，10mL70%的乙醇，以70%乙醇为提取剂，将1-5号样品作标记为不同时间下的甘草酸提取液，用70%乙醇溶液定容至50mL容量瓶，得到0.05mg/mL甘草酸标准溶液，使用蒸馏水作为空白对照，在紫外可见光分光光度计下分别测定1-5号样品的吸光度，设定在200~400nm处进行扫描；对1-5号样品进行吸光度的测定，在进行其他的单因素实验。2.3甘草甘草酸提取率的计算首次用移液管准确移取4mL的提取液于25mL容量瓶中，分两次定容，第二次吸取前一次定容液同样定容至50mL容量瓶中，取第二次定容液在紫外光分光光度计下测定其吸光度（波长设定在240nm附近），按照下式可计算出甘草酸的提取率：甘草酸提取率=提取液稀释倍数*甘草酸质量浓度*提取液体积/所用甘草的质量（式中提取液稀释倍数以n来表示；甘草酸质量浓度mg/mL以C来表示，即可根据下述回归方程得到；提取液体积mL以V来表示；甘草质量mg以m来表示)

3结果与分析3.1绘制标准曲线我们用上述2.2.2的方法，先配制1.00mg/mL甘草酸标准溶液，用微量移液管分别移至50mL的容量瓶中，5个容量瓶中各自含有10mL、15mL、20mL、25mL的甘草酸标准溶液，再用乙醇溶液分别精确定容至50mL，分别在设定波长200~400nm的紫外光分光光度计下测量其吸光度。各组数据如下表3.1所示；根据表中的数据我们可以绘制出反应甘草酸浓度和吸光度的图；表3.1不同甘草酸浓度的吸光度甘草酸浓度（mg/mL)吸光度（A）0.0220.2110.0360.3960.0420.4780.0560.6650.0650.781图3.1甘草酸浓度与吸光度根据图3.1可知，甘草酸浓度与测定的吸光度呈一次线性关系，我们可以得到回归线方程：y=13.21x+0.211（方程中X为甘草酸质量浓度mg/mL；y为溶液的吸光度abs）。由于朗伯比尔定律的存在致使甘草酸的最大吸收波长大约在240nm附近，因此不易将波长的范围设定太广。3.2单因素实验3.2.1超声提取时间对甘草酸产率的影响在提取时间一定的条件下，准确称取四份质量均为5g甘草粗粉末，分别加入到4个80mL的小烧杯中，并依次编号为1-5号，选择之前配制的70%乙醇为提取剂，在四个烧杯中分别加入50mL乙醇溶液，料液比为1：10、提取温度设为30℃、在提取1次的条件下，浸泡1小时后，采用超声波仪器，分别设定不同时间，来进行提取；1号样品超声提取1小时、2号样品超声提取2小时、3号样品超声提取3小时、4号样品超声提取5小时、5号样品作为空白对照不进行超声处理，其余步骤同上2.2.1；由表3.2的数据可得到反应各个提取时间对得率的影响，如图3.2所示，从图中我们可以看到：在3小时处的提取率为最大值32%，在4小时开始有所下降，查阅书籍周刊可大致猜测，3小时后我们继续提取，这时，经过超声波后的乙醇溶液可以把甘草中的甘草酸提取出来，虽然我们再此过程中进行了控温处理，保证了不被高温破坏甘草酸的内部结构，使其分解，尽管这样，由于超声波的时间过长，外部提取液中含有的甘草酸的量和甘草粉末中的可提取出的甘草酸的量相比，远多的多，比内部的量要多，因此内外形成了浓度差，从而使其中的传质阻力变大，导致了提取率偏小。由上叙述结合图可知，超声时间3小时，甘草中可提取出的甘草酸的含量是最多的，即在温度一定下，最优提取时间为3小时。表3.2提取时间与甘草酸提取率提取时间/h甘草酸提取率/%00.210.421.833.240.2图3.2不同提取时间对甘草酸产率的影响3.2.2选用不同提取剂对甘草酸提取率的影响选用电子天平准确称取4份等质量均为22g的甘草粉末，分别放置于100mL烧杯中，标记为1-4号，1号烧杯加入220mL蒸馏水作为提取剂；2号烧杯加入220mL之前所配置的浓度为50%乙醇作为提取剂；3号烧杯加入220mL配置的0.5%氨水作为提取剂；4号烧杯加入0.5%氨水和50%乙醇各自110mL作为提取剂（料液比均为1：10），提取1次。各自静置1小时后，分别放入设定值温度为70℃的电热恒温水浴加热锅中持续加热60分钟，小心取出后，可以肉眼清晰可见四个烧杯不同提取剂的区别，1号以蒸馏水为提取剂的样品其溶剂量与刚加入相比稍许减少，下层为甘草粉末的沉淀，上层漂浮着些许甘草丝状物质，其溶液呈深黄色，并且较澄清；2号以乙醇为提取剂的样品烧杯中，由于在较高的温度下，乙醇溶液大量迅速的挥发，提取液的体积变化较大，基本上层均为清液，下层均为甘草粉末的沉淀，上层清液颜色略微呈黄棕色，并且在浓烈的乙醇气味中夹杂着稍许甘甜；3号以稀氨水作为提取剂的样品，有着热氨水的刺鼻性气味，再加上其挥发性，致使溶剂量也有着对应的减少，其提取液下层为甘草粉末及一些线状物的沉淀，上层悬浮着甘草粉末中的黑色片状小颗粒，其提取液呈棕褐色；4号以乙醇和氨水混合作为提取剂的样品，它的提取剂减少越发的明显，上层基本全为清液，下层为粉末沉淀，夹杂着刺鼻性气味，乙醇和稀氨水的混合，使其溶液颜色较深，有少许丝状沉淀。静置片刻后，进行过滤提取，用定性滤纸过滤时有粘稠状物质堆积在漏斗孔隙附近，致使过滤物很难从布什漏斗下去，因为甘草是具有甜味这一属性物种，猜测是由于提取剂的加入使其中具有甜性粘稠状的物质解析了出来。我们可根据表3.3的数据绘制出反应提取剂和提取率的柱状图，如图3.3所示；图表反应出来，当我们选用不同的提取剂不改变其他因素，甘草酸的提取率是有所不同的，采用蒸馏水、稀氨水、稀氨水及乙醇混合液的提取率较近，均可达到5%~6%之间，但是我们采用乙醇提取时，得率可达到13.6%，相比于其他三种提取剂，该提取剂效率较好，而乙醇也是我们最常见、最廉价的溶剂，较常见方便易得，其挥发出来的气体无毒，对环境也无影响；因此，从节能环保和经济使用效益来看以乙醇作为提取剂来提取是较合适的。表3.3不同提取剂与甘草酸提取率提取剂甘草酸提取率/%蒸馏水5.90.5%氨水5.4续表3.350%乙醇13.60.5%氨水和50%乙醇5.9图3.3不同提取剂对甘草酸提取率的影响3.2.3超声提取温度对甘草酸得率的影响选用电子天平准确称取4份等质量均为5g的甘草粉末，分别加入50mL50%乙醇，置于小烧杯中，充分浸泡后，标记为1-4号，均在料液比为1：10、提取剂为50%乙醇、提取1小时、超声波功率为110W、提取1次的条件下；分别将1-4号样品置于超声波50℃、60℃、70℃、80℃下进行提取，时间到后，分别取出，室温下静置10分钟后，观察各个烧杯中的样液，即可发现，在超声波时间相同、其他因素不变的情况下，超声波温度越高的样品其内的上层液体越清澈、颜色也越深；相同的是，4个样品下层均为甘草粗品的沉淀，上层均浮有颗粒感的甘草粗品；将上层清液于布什漏斗中用网纱布进行过滤，将滤渣弃去，采用反复结晶法，将滤液加硫酸沉淀（边加边进行快速搅拌），稍加静置后，加入少量提取剂，进行真空浓缩、烘干后，即可得到甘草酸粗品。根据表3.4绘制出反应不同提取温度和甘草酸提取率的图，如图3.4所示，该图呈现出的为在温度50℃下，甘草中的甘草酸开始分解，但由于温度较低，所以甘草中的甘草酸分解并不完全，其相对应的量也较少；随着温度的升高，甘草酸分解量开始显著的增大，而当超声波温度达到70℃时，甘草酸的分解量达到了极大值30%，也就是说，在提取时间均为1小时，不改变其他条件时，甘草酸在70℃下提取是最好的，再70℃之后，甘草酸的分解急速下降，当提取温度达到80℃，甘草酸分解物与低温时差不多，大可不必浪费实验时间了，我们可知：甘草中的甘草酸在温度较低时开始分解，当温度达到70℃时停止分解，甚至在高温时，分解量减小，高温破坏了甘草酸的内部结构，乙醇体系对其内的木质素的降解作用加强，其中的传质阻力降低，又因甘草酸的溶解度与温度呈正比关系，温度的升高，结构遭到破坏，致使其提取率开始急剧的下降。因此，确定甘草酸的最佳提取温度为70℃。表3.4超声提取温度与甘草酸提取率提取温度/℃甘草酸提取率/%5012601870308022图3.4不同超声提取温度对甘草酸提取率的影响3.2.4超声波功率对甘草酸得率的影响按照上述2.2.1的方法，采用超声波辅助提取的方法，恒定温度70℃，分别设定超声波功率在20W、50W、75W、100W和125W这5种下，在频率为55kHz下进行超声检测，研究超声功率的影响。我们可根据表3.5的数据得到反应超声波功率对甘草酸提取率的影响，如图3.5所示。由图我们可以知道：甘草酸提取率从超声波功率20W时开始急剧增长，到75W时达到了最大提取率为18.00%，之后开始减小，刚开始时，超声波功率较低，溶剂体系在不受超声波功率的影响下打开甘草酸分子内的化学键，随着反应时间的增长，超声波功率变强，溶剂体系也从而变强，甘草酸分子内的化学键也由此打开，提取率也变高了，由于后期反应时间较长，在75W之后，原料变少，溶剂体系使甘草酸的分解量也随之减少，超声波并未完全作用于甘草酸上，有可能出现了“空超”现象，甘草酸结构也由此会遭到破坏。综上所述，甘草酸的最佳超声波提取功率在80W。表3.5超声波功率与甘草酸提取率超声波功率/W甘草酸提取率/%209.55015.97518.110016.412513.5图3.5不同超声波功率对甘草酸提取率的影响3.2.5过氧化氢含量对甘草酸得率的影响采用超声波辅助提取的方法，按照上述2.2.1所述，恒定提取温度70℃，分别配置浓度为3%、6%、9%、12%、15%的过氧化氢溶液，分别设定超声在频率为55kHz、超声波功率在75W、提取时间3h下，进行超声检测。根据表3.6中的数据，我们可以得到图3.6。正如图反映出的，甘草酸的得率呈先上升后下降的趋势，并且在过氧化氢质量分数为9%时其提取率最佳，随着过氧化氢质量浓度的升高，其体系也逐渐形成，破坏了甘草的细胞壁，其内的木质素快速分解，不再有甘草酸的析出，从而影响了甘草酸的得率。因此，确定甘草酸的最佳提取率为18.09%，即过氧化氢质量分数在9%时。表3.6过氧化氢含量与甘草酸提取率过氧化氢含量/%甘草酸提取率/%310.32617.73918.091214.12159.01图3.6过氧化氢含量对甘草酸得率影响3.3正交实验我们对上述3.2影响甘草酸提取率的几个单因素实验进行优化，采用L9(3)4正交设计进行实验，其表3.7为考察因素水平，表3.8反应了正交实验结果。从下表中我们可以看到，四个单因素对提取率的主要影响因素如下：功率（B）>温度（A）>过氧化氢含量（D）>提取时间（C）。以上这四个因素中，提取时间的影响因素较小。此正交实验所给出的最佳提取条件为：A2B2C3D1，即在温度为70℃、超声波功率为75W，使用9%的过氧化氢溶液提取3小时的提取下。表3.7正交实验因素水平表水平因素A温度/℃B功率/WC时间/hD过氧化氢含量/%16050162707529380100312表3.8正交实验结果试验号ABCD提取率/%1111113.012122214.023133312.934212315.465223116.176231217.127313214.318321314.789332115.98K147.1344.5748.8947.48K250.6749.2449.5247.13K347.7647.6546.7346.54R4.234.563.170.933.4结论从经济成本、环境保护、节约时间、操作简便等方面综合可知，我们选用超声波辅助提取法是最为合理的，在控制单因素变量的实验基础上，设计正交实验进行优化，由正交实验结果可知：对甘草酸的提取上，最佳温度为70℃、最佳提取时间为3h、最佳提取功率为75W、最佳过氧化氢质量分数为9%。再此上述条件下的甘草酸提取率可达到最大，超出此条件会使甘草内的木质素分解，从而破坏了细胞壁，其内分解出的甘草酸变少，而超声波辅助提取法可以快速的控制多种变量，较其他方法相比具有明显的优势，可以为甘草甘草酸的工业化提取提供更好的基础资料。其工艺流程方框图如下：如上述流程图所示：将过筛后的样品用有机溶剂萃取静置后，也可以不用过氧化氢溶液直接过滤，而把样品用过氧化氢萃取,适量质量分数为9%的过氧化氢可以把甘草的木质素结构和细胞壁破坏，让甘草中分解出的甘草酸分子处于游离状态，更容易被提取剂所吸收，可以更好的提高甘草酸的提取率。

总结本次毕业设计的课题是甘草中甘草酸提取工艺优化研究，通过这一阶段的实验研究，让我懂得了大胆探索和勇于创新的重要性，在开始的准备阶段，查阅了很多资料，大致有了初步的总结，再进一步选用了较合适的几种实验方法作为初步实验，在初步实验时，总是很容易出错，经常会重新再来，但是我没有放弃。在这其中我们采用的多种不同的方法进行对比，相对于其他传统或者繁琐的方法，超声波辅助提取法较突出，其耗时短、设备常见、提取率高、操作简单、大量的节约了人力和物力并结合环境保护和经济效益等优点被大多数人所接受。在本实验中，我们研究到了不同提取剂、不同超声波、不同超声波时间、不同超声波功率以及过氧化氢含量对甘草中甘草酸提取率的影响，最后液通过对这几个可控的单因素变量进行正交实验优化得到了最佳的操作条件，在此实验中，我们要尽量使用无毒、无害、对环境无污染的试剂作为提取剂，我们还要控制好实验时需要的温度，不能高于70℃，否则会破坏溶剂体系中分解出来的甘草酸，从而影响甘草酸的提取率；在配置需要的实验试剂时，要注意其浓度，要刚好合适，不能偏高也不能偏低，以免影响后续的单因素实验。我们根据实验数据绘制出了反应变量与提取率的关系图，由图可以明显的看出最优的条件。此设计中，我也遇到了一些问题，但通过自己研究和老师指导，还是解决了。在以后的日子里，我会不断的学习理论知识，提高实践能力，积累经验，让自己更加充实。