响应面法优化蓖麻碱提取工艺

穆莎茉莉，冀照君，张树军，苏亚拉图，狄建军

(1.内蒙古民族大学生命科学学院，内蒙古通辽 028000;

2.内蒙古自治区高校蓖麻产业工程研究中心，内蒙古通辽 028000)

响应面法优化蓖麻碱提取工艺

穆莎茉莉1，2，冀照君1，2，张树军1，2，苏亚拉图1，2，狄建军1，2

(1.内蒙古民族大学生命科学学院，内蒙古通辽 028000;

2.内蒙古自治区高校蓖麻产业工程研究中心，内蒙古通辽 028000)

采用响应面法优化蓖麻碱提取工艺。以蓖麻碱提取率为考察指标，在单因素实验的基础上，选取提取温度、提取时间及溶剂加入量三个因素进行中心组合实验，通过响应面分析法对提取温度、提取时间及溶剂加入量进行优化，得到蓖麻碱提取的最佳温度86℃，最佳提取时间4.3h，最佳溶剂量132mL，此时蓖麻碱的提取率为2.88‰。

蓖麻碱，响应面法，提取

1864年，Tuson从蓖麻籽中单独分离出一种类似吡啶酮的生物碱，定名为蓖麻碱。蓖麻碱化学名为N－甲基－3－氰基－4－甲氧基－2－吡啶酮，分子式为C8H8N2O2，相对分子质量164.16，熔点 201.5℃，在170～180℃时20s升华，其中的吡啶环也可以用喹啉酸甘油和天冬氨酸进行生物合成。蓖麻碱为白色针状或棱柱状结晶性生物碱，易溶于热水和热的三氯甲烷，在热乙醇中有一定的溶解度，难溶于乙醚、石油醚和苯。虽然蓖麻碱为生物碱但是与酸不易形成盐，其碱性溶液能使高锰酸钾还原，同时生成氢氰酸［1－5］。蓖麻碱主要存在于蓖麻的种子和茎叶中，在幼芽的子叶中含量较高。整个植株中蓖麻碱的分布为:籽壳中蓖麻碱含量＞种子中蓖麻碱含量＞茎叶中蓖麻碱含量［6－9］。蓖麻碱的提取分为粗提、精制和纯化三个阶段。粗提依据的是蓖麻碱易溶于热水，以蓖麻饼粕或蓖麻籽粒为原料国内报道了不同的处理方式:微波提取、95℃热水提取、沸水提取等。精制是依据蓖麻碱易溶于氯仿等有机溶剂，将粗提物中的蓖麻碱进一步提取。纯化是依据蓖麻碱部分溶于乙醇中，当温度降低时溶解度下降，蓖麻碱以晶体形式析出，也有文献报道以利用高速逆流色谱法对粗提后的蓖麻碱进行纯化［10－14］。随着低耗能时代的来临，更多替代传统能源的新能源将被关注，其中包括油料作物，蓖麻作为一种新的能源资源也会被开发。蓖麻的整个产业也会向着综合利用的方向发展，蓖麻饼粕中的蓖麻碱也将成为研究的焦点，蓖麻碱的分离、纯化以及检测方法都会成为重要的研究内容［15－16］。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

无水乙醇、三氯甲烷、乙醚、甲醇 均为分析纯;蓖麻籽粒 内蒙古民族大学实验室提供。

HH－4数显恒温水浴锅 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;JJ－2组织匀浆捣碎机 江苏省大地自动化仪器厂;可调电炉 北京中兴伟业仪器有限公司;紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;索氏抽提器 泰兴市龙港玻璃仪器厂;旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;DHG－9053A型热恒温鼓风干燥箱 上海鸿都电子科技有限公司;AO104电子天平 梅特勒－托利多仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 蓖麻碱提取工艺 蓖麻籽粒(带壳)→粉碎(膏状)→热水浸提→过滤→滤液浓缩→蓖麻碱粗提物→乙醚脱脂→氯仿回流提取→旋转蒸发→乙醇重结晶→蓖麻碱

1.2.1.1 样品制备 2kg蓖麻籽粒粉碎后用100℃热水浸提2h，加水量为固体物料的5倍，重复3次，合并每次浸提液，经常压电炉加热保持沸腾并不断搅拌将水分蒸发，蒸发至提取液呈糊状移入干燥箱，80℃烘干至300g即得到蓖麻碱粗提物。取20g蓖麻碱粗提物，将其粉碎后用滤纸包好备用。

脱脂处理，滤纸包放入索氏提取器虹吸管内用乙醚回流提取脱脂，直至回流乙醚由淡黄色变为无色，完成脱脂。

1.2.1.2 蓖麻碱的精制及测定 经脱脂处理的蓖麻碱粗提物，放在索氏提取器中，加入氯仿对蓖麻碱进行提取，提取完毕后将其放在旋转蒸发仪上蒸干，在瓶内加入100mL甲醇，溶解瓶内物质并准确定容在100mL容量瓶内，取一定量在紫外分光光度计上测定其吸光度，按1.2.3计算蓖麻碱提取率。

1.2.2 标准曲线的绘制 精确称取1.0000g蓖麻碱标准样品，用甲醇溶解并定容在10mL容量瓶中。从上述溶液中吸取0、100、300、500、700、900μL分别用甲醇定容在10mL容量瓶中。在313nm处测定上述溶液的吸光度，以吸光度为横坐标、浓度为纵坐标作标准曲线，可得回归方程:Y=0.0406X－0.0010，R2= 0.9999。

1.2.4 单因素实验 以氯仿的不同添加量为单因素对蓖麻碱粗提物进行提取，分别为100、110、120、130、140mL，固定提取温度85℃、提取时间4h、蓖麻碱粗提物20g。

以不同提取温度为单因素进行实验，分别为70、75、80、85、90℃，固定溶剂量130mL、提取时间4h、蓖麻碱粗提物20g。

以不同处理时间为单因素进行实验，分别为2、3、4、5、6h，固定提取温度85℃、溶剂量130mL、蓖麻碱粗提物20g。

1.3 响应面的建立［17-18］

1.3.1 实验设计 在单因素实验的基础上进行中心旋转组合实验，以溶剂量(x1)、提取温度(x2)、提取时间(x3)三因素为自变量，提取率为响应值(y)进行实验，共20个实验点。因素水平编码表见表1。

1.3.2 统计分析 采用Design－Expert7.1软件(Stat Ease，Inc，Minneapolis，USA)、SPSS(version11.5，SPSSlnc.USA)软件对实验结果进行分析。

表1 中心旋转组合设计因素水平编码表Table 1 Factors and levels of central composite rotatable design

2 结果与分析

2.1 溶剂量对蓖麻碱提取率的影响单因素实验

由图1可知，随着溶剂量的增加提取率呈上升趋势，在溶剂量为130mL时提取率达到最大2.87‰，当溶剂量增加到140mL时，提取率下降至2.84‰，这可能是由于接收瓶中的溶剂量较大，液面上方的饱和蒸汽压较大，使虹吸管中的液体流速过快，在蓖麻碱还未全部溶出就完成了虹吸作用，从而不利于蓖麻碱的提取。因此，蓖麻碱提取的最佳溶剂量为130mL。

图1 不同溶剂量对蓖麻碱提取率的影响Fig.1 Influence of solvent volume on extraction yield of ricinine

2.2 提取温度对蓖麻碱提取率的影响单因素实验

由图2可知，提取温度与蓖麻碱提取率呈正相关。当提取温度为70～75℃时，蓖麻碱提取率增加了0.13‰;当提取温度为75～80℃时，蓖麻碱提取率增加了0.36‰;当提取温度为85℃时提取率增加至0.287‰;当温度大于90℃时，蓖麻碱提取率有下降的趋势，这可能是因为温度过高虹吸管中提取液流速过快，不利于蓖麻碱的溶出。因此，蓖麻碱提取的最佳温度为85℃。

图2 提取温度对蓖麻碱提取率的影响Fig.2 Influence of extraction temperature on extraction yield of ricinine

2.3 提取时间对蓖麻碱提取率影响单因素实验

表3 中心旋转组合设计方差分析表Table 3 Analysis of variance(ANOVA)of the regression parameters for the response surface model

由图3可知，提取时间为2h时蓖麻碱的提取率最小，2～3h时提取率增加了0.73‰，4～6h提取率增加了0.01‰，因此，4h为最佳提取时间。

图3 提取时间对蓖麻碱提取率的影响Fig.3 Influence of extraction time on extraction yield of ricinine

2.4 响应面实验结果

本实验 采 用响 应面 法 (Responsesurface methodology，RSM)确定对不同提取温度、不同提取时间、不同溶剂量对蓖麻碱提取的最佳工艺。实验设计的实验条件和响应值见表2。

2.5 响应面分析

通过分析自变量和因变量得到能够在给定的范围内预测响应值的回归方程，回归方程如下:

中心旋转组合设计的方差分析见表3。本实验所得回归模型极显著(p＜0.0001)，且失拟项F= 1.1738，p=0.4323＞0.05不显著，表明中心旋转组合实验设计所获得的回归方程与实际情况拟合较好，实验误差小，因此可用该回归方程代替实验真实点对实验结果进行分析和预测。

图4～图6直观的反映出提取时间、提取温度和溶剂加入量对提取率的影响。从图4、图5看出，溶剂量对提取率的影响相对于时间和温度两个因素较小，提取率随着溶剂量的增加先是缓慢的增加而后又下降。从图4、图6看出温度是三个因素中对提取率影响最大的因素，温度77～85℃时提取率随温度的上升迅速增加，在85～93℃时，先缓慢增加，之后又略有回落。从图5、图6得到时间对提取率的影响较溶剂加入量大，提取时间在2.3～4h时，随着时间的增加提取率快速增加，之后趋于平缓。

表2 响应面设计方案及实验结果Table 2 Response surface design and responses

2.6 回归模型的验证性实验

根据回归模型计算可以得到实验的最佳工艺预测值:85.9℃，提取4.3h，溶剂量131.9mL，理论最大提取率为2.89‰。根据模型将工艺条件调整为: 86℃、提取4.3h、溶剂量132mL，在此条件下进行实验并重复5次，得到平提取率均值为2.88‰，实际值与预测值之间相对误差为0.01‰，差异不显著，说明响应面模型能很好的应用于蓖麻碱提取工艺条件的优化。

图4 提取温度和溶剂量对蓖麻碱提取率影响的响应面Fig.4 Response surface of extraction temperature and solvent volume on the extraction yield of ricinine

图5 提取时间和溶剂量对蓖麻碱提取率影响的响应面图Fig.5 Response surface of extraction time and solvent volume on the extraction yield of ricinine

图6 提取时间和提取温度对蓖麻碱提取率影响的响应面图Fig.6 Response surface of extraction time and extraction temperature on the extraction yield of ricinine

3 结论

本实验运用响应面分析法优化蓖麻碱提取工艺，并对实验结果进行数学模拟和预测，通过验证实验得到的实际值与预测结果非常接近，说明响应面模型可很好的应用于蓖麻碱提取工艺条件的优化。经过优化后的最优提取工艺条件为:提取温度86℃、提取时间4.3h、溶剂量132mL，在该条件下20g蓖麻碱粗提物的蓖麻碱提取率为2.88‰。

［1］赵增琳，赵伟，张海悦.蓖麻碱的生物活性研究进展［J］.中国酿造，2009(6):13－14.

［2］刘骁，李端.蓖麻碱的生物活性研究与应用开发前景［J］.中国药理学与毒理学杂志，2006，20(1):76－77.

［3］张海悦，赵增琳，徐鹤.蓖麻碱的提取纯化及结构分析［J］.分析化学，2010，38(6):916－917.

［4］K S Yang，George R Waller.Biosynthesis of the pyridine ring of ricinine from quinolinic acid glycerol and aspartic acid［J］.Phytochemistry，1965，4(6):881－882.

［5］徐良.我国蓖麻产业发展现状及其高产栽培技术［J］.现代农业科技，2011(2):109.

［6］林岩，陆建飞，周桂生.基于产业链视角的中国蓖麻产业发展的分析［J］.中国农学通报，2011，27(29):124－127.

［7］冀照君，杨文军，黄凤兰，等.蓖麻饼粕成分分析及研究进展［J］.内蒙古民族大学学报:自然科学版，2011，26(5): 546－547.

［8］张树军，狄建军，白靓，等.蓖麻饼粕的脱毒及综合开发利用［J］.内蒙古民族大学学报:自然科学版，2011，26(5): 549－551.

［9］温燕梅，冯亚非，郑明珠.蓖麻不同部位杀虫活性成分蓖麻碱的提取及含量［J］.农药，2008，47(8):584－585.

［10］张小红，李翠丽，于俊杰，等.蓖麻子中蓖麻碱的提取分离与含量测定［J］.中国新药杂志，2011，20(18):1742－1744.

［11］陈亚房，石波，程永强，等.高速逆流色谱法分离制备蓖麻籽中的蓖麻碱［J］.食品科学，2009，30(14):149－152.

［12］徐文清，陈艾，庄湘莲，等.紫外分光光度法测定蓖麻籽饼中蓖麻碱的含量［J］.中国油脂，2001，26(2):45－46.

［13］周勇强，赖春媚，张晓燕.蓖麻碱的微波提取实验研究［J］.广州化工，2006，34(4):30－33.

［14］陈海霞，陈祥胜.氯仿萃取法制备蓖麻碱［J］.湖北中医药大学学报，2011，13(5):37－38.

［15］张宝贤，谭德云，刘红光.我国蓖麻产业发展及其能源化利用的探讨［J］.农业科技通讯，2010(1):22－23.

［16］刘春英，肖娜.我国生物能源产业发展的现状、问题及对策［J］.中央财经大学学报，2011(5):75－80.

［17］关海宁，张明成，刁小琴，等.响应面法优化脱脂豆粕大豆皂甙提取工艺的研究［J］.中国酿造，2011(4):144－146.

［18］慕运动.响应面方法及其在食品工业中的应用［J］.郑州工程学院学报，2001，22(3):91－93.

Optimization of extraction process for ricinine from castor by response surface methodology

MU Sha－moli1，2，JI Zhao－jun1，2，ZHANG Shu－jun1，2，SU Ya－latu1，2，DI Jian－jun1，2
(1.College of Life Science，Inner Mongolia University for the Nationalities，Tongliao 028000，China;
2.Inner Mongolia Industrial Engineering Research Center of Universities for Castor，Tongliao 028000，China)

The extraction process for ricinine from castor was optimized by response surface methodology with the yield of ricinine from castor as investigare index.Based on the single－factor tests，the center combination experiment was esbablished with three key factors of extraction temperature，extraction time and solvent volume.The extraction process parameters of extraction temperature，extraction time and solvent volume were optimized through response surface analysis.The results showed that optimal extraction process parameters were extraction temperature of 86℃，extraction time of 4.3h and solvent volume of 132mL.Under the optimal extraction conditions，the yield of ricinine from castor was up to 2.88‰.

ricinine;response surface methodology;extraction

TS222

B

1002－0306(2012)21－0206－04

2012－06－25

穆莎茉莉(1979－)，女，研究生，讲师，主要从事农产品加工方面的教学与科研工作。

内蒙古自治区高校蓖麻产业工程技术研究中心项目(BMYJ2010001);内蒙古民族大学科学研究项目(MDX2010035);军事科学院军事兽医研究所与内蒙古民族大学横向课题(MV－201008－2)。