碱解玉米秸秆制备阿魏酸

2016-10-21夏文静李飞张晓燕潘玥欣陈奕彤

科技与企业 2016年4期

夏文静李飞张晓燕潘玥欣陈奕彤

【摘要】本文以玉米秸秆为原料，利用碱水解法制备阿魏酸。提取玉米秸秆中阿魏酸的最佳工艺条件为：氢氧化钠浓度为0.75mol/L，固液比（玉米芯-g/碱液-mL）为1：60，提取温度为50℃，提取时间为12 h，最佳的保护剂是亚硫酸钠，亚硫酸钠的最适浓度是2.5%，在此条件下，阿魏酸的提取量最高可达26.06mg/g。

【关键词】阿魏酸；玉米秸秆；碱水解

秸秆是成熟农作物茎叶（穗）部分的总称。通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油菜、棉花、甘蔗和其它农作物（通常为粗粮）在收获籽实后的剩余部分。目前世界秸秆年产量约29亿吨，玉米秸秆占世界秸秆年产量的35%，中国每年产生的玉米秸秆约7亿吨，玉米秸秆占全国秸秆年产量56.6%。我国玉米秸秆的产量也相当之大，但是其经济系数低，资源化利用率低。目前我国大量秸秆被闲置浪费或就地焚烧，不仅造成了资源的浪费，也造成了环境的污染。秸秆大量废弃，将导致其富含的氮、磷、钾等营养物质随雨水进入地面和地下水，与农田营养物质一起造成水体的富营养化；秸秆露天焚烧会导致大气污染，引发火灾，破坏土壤结构，危害人体健康等。因此如何丰富秸秆资源的利用已经成为当前研究的热点话题。玉米秸秆的主要是成分是纤维素、半纤维素、木质素，在其收获和加工过程中会产生很多副产品，其主要成分是富含酚酸的细胞壁物质，近年来，来源于秸秆中的多种具有抗氧化、抗肿瘤、增强免疫力等重要生理活性物质被广泛研究，如阿魏酸、对香豆酸、低聚木糖等，故富含酚酸的生物质原料可作为酚酸的主要来源。

阿魏酸（4-羟基-3-甲氧基肉桂酸）是广泛存在于当归、川芎、红花等中药材的有效成分之一。阿魏酸具很多有益的生理作用，有抗氧化、抗血栓、降血脂、抗动脉粥样硬化、抗菌消炎、降低血清和肝脏中的胆固醇、提高精子活力以及抑制肿瘤等特性。因此，阿魏酸被广泛应用于食品、保健品、医药等领域，具有较大的市场应用前景。阿魏酸可以用化学合成，但反应时间较长，溶剂用量大，转化率低，成本高；也可以从中药阿魏、当归、红花等中药材中提取，但是成本也较高。植物细胞壁中的阿魏酸的羧基通过酯键与多糖链接，酚羟通过醚键与植物细胞壁的木质素交联在一起。通过强碱处理秸秆，可以使得酯键断裂，从而释放出阿魏酸。探索利用碱解法提取玉米秸秆中阿魏酸的工艺，提高玉米秸秆的附加值，不仅能够产生可观的经济利益，而且能够解决废弃物影响环境问题。

1、材料与方法

1.1材料、仪器和试剂

玉米秸秆：购于山东青岛农贸市场。试剂：阿魏酸标准品（纯度>98%）：国药集团化学试剂有限公司；甲醇（色谱纯）：ROE公司；氢氧化钠、亚硫酸钠、磷酸、冰乙酸均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 实验方法

⑴玉米秸秆的预处理：将购买的玉米秸秆粉碎烘干至恒重，过20目筛，装入密封袋放在干燥器备用。

⑵碱法制备阿魏酸的工艺流程：预处理的秸秆→碱浸提→离心→调pH至中性→定容→HPLC检测。

⑶高效液相色譜分析条件：色谱柱选用phenomenex Luna C18柱（150*4.6mm，5um），以甲醇：水：冰乙酸（30：69.3：0.7）为流动相，柱温30℃，流速0.8ml/min，检测波长320nm，进样量20 ul。

⑷氢氧化钠浓度对阿魏酸提取量的影响：称取2.5g预处理玉米秸秆，在固液比1：40的条件下，室温静置10h，比较碱质量浓度分别为0.2mol/L、0.5mol/L、0.75mol/L、1.0mo/L、1.5mol/L、 2.0mol/L对阿魏酸提取量的影响，从而确定最佳碱浓度，每个样品做三个重复。

⑸提取时间对阿魏酸提取量的影响：称取2.5g预处理玉米秸秆，在固液比1：40，氢氧化钠浓度为0.75mol/L的条件下，室温静置，分别在2h、4h、6h、8h、10h、12h、24h取样，确定最佳提取时间，每个样品做三个重复。

⑹固液比对阿魏酸提取量的影响：称取2.5g预处理玉米芯，选用0.75mol/L的NaOH，在室温条件下静置12h，研究固液比为1：20、1：30、1：40、1：50、1：60、1：70、1：80对阿魏酸提取量的影响，每个样品做三个重复。

⑺提取温度对阿魏酸提取量的影响：称取2.5g预处理玉米秸秆，选用0.75mol/L的NaOH，在固液比1：60的条件下，研究温度分别为10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃对阿魏酸和香豆酸提取量的影响，在12h取样，确定最佳提取温度，每个样品做三个重复。

⑻不同保护剂对阿魏酸提取量的影响：称取2.5g预处理玉米秸秆，在固液比1：60，NaOH浓度0.75mol/L，提取温度50℃的条件下，比较焦亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、硫代硫酸钠、亚硫酸钠四种保护剂对提取量的影响，四种保护剂的浓度为2.5%，以不加保护剂的为空白对照，每个样品做三个重复。

⑼保护剂浓度对阿魏酸提取量的影响：称取2.5g预处理玉米秸秆，在固液比1：60，NaOH浓度0.7mol/L，提取温度50℃的条件下，比较亚硫酸钠终浓度分别为0.5%、1%、2.5%、5%对阿魏酸提取量的影响，每个样品做三个重复。

⑽阿魏酸提取量的计算：阿魏酸的提取量以每克烘干的玉米秸秆最终得到的阿魏酸的质量来表示。式中：C为HPLC法测定的阿魏酸的质量浓度（ug/ml）；m为玉米芯的质量（mg）；Y为HPLC法测定的阿魏酸的峰面积（mAU）；V为NaOH的体积（ml）。

2、结果与讨论

2.1氢氧化钠浓度对提取量的影响

阿魏酸上的羧基通过酯键与多糖类链接，酚羟基通过醚键与木质素链接，形成了木质素/酚酸-多糖的复合物。碱解可以有效水解断裂酯键，因此碱浓度对于秸秆中阿魏酸等酚酸类物质的释放具有显著的影响。实验表明，随着NaOH浓度的增加阿魏酸提取量逐渐增大，当NaOH浓度从0.2mol/L增加到0.5mol/L时，提取量增加了54%；当碱浓度从0.5mol/L增加到0.75mol/L，阿魏酸的提取量增加了26%，当氢氧化钠增加到1mol/L时，阿魏酸提取量比0.75mol/L时增加了1.5%，幅度较小。当NaOH浓度增加到2mol/L时阿魏酸提取量为17.77mg/g，是0.75mol/L时提取量的1.2倍，但是氢氧化钠用量是2.7倍，同时实验中发现，氢氧化钠用量越大，提取液的粘度增大，离心效果不佳，从节约成本的角度考虑，选择较优的碱浓度为0.75mol/L。

2.2提取时间对阿魏酸提取量的影响

实验证明，在2h到12h的范围内，随着时间的延长，阿魏酸提取量变化比较明显，超过12h以后，随着阿魏酸提取量随着时间延长也逐渐增大，但是增加幅度较小，所以从节省时间的角度考虑，选用较优的提取时间为12h。

2.3固液比对阿魏酸提取量的影響

由图1可知，当固液比分为1：20、1：30、1：40、1：50、1：60、时，阿魏酸提取量分别为13.93、14.82、15.29、15.87、16.91mg/g，随着固液比的增加，阿魏酸的提取量不断增加。当固液比继续增加到1：70和1：80时，阿魏酸的的提取量趋于稳定。考虑到提取液体积增加会增加成本，并且会增加离心的能耗，所以固液比选用1：60。

2.4温度对提取量的影响

由图2可知，在10-50℃的范围内，随着温度的升高阿魏酸的提取量逐渐增加，50℃时阿魏酸的最高提取量可达24.20mg/g是10℃提取量的1.71倍，这是因为温度升高，加速阿魏酸与木质素之间酯键断裂，有利于阿魏酸的释放。当提取温度超过50℃时阿魏酸提取量开始下降，这是由于在高温作用下，虽然阿魏酸的释放量增加，但是释放的阿魏酸在高温条件下会被氧化或者分解。

2.5保护剂对阿魏酸提取量的影响

由图3可知，在碱液中添加不同的保护剂对阿魏酸的提取量都略有提升，这是因为阿魏酸不稳定，尤其是在温度较高时，容易被氧化，这四种阿魏酸以亚硫酸钠的效果最好，添加2.5%的亚硫酸钠作为保护剂，阿魏酸的提取量为26.06mg/g，因此在提取阿魏酸时，选取亚硫酸钠作为保护剂。

2.6亚硫酸钠浓度对阿魏酸提取量的影响

由图4可知，当亚硫酸钠浓度在0.5-2.5%范围内，随着亚硫酸钠浓度的升高，阿魏酸的提取量逐渐增加，当亚硫酸浓度为2.5%时，阿魏酸的提取量26.06mg/g。

3、结论

利用玉米秸秆为原料，探索碱法提取阿魏酸的工艺条件，当氢氧化钠浓度为0.75mol/L，提取时间为12h时，固液比为1：60，提取温度为50℃，亚硫酸钠的浓度为2.5%时，阿魏酸的提取量可达26.06mg/g，此方法简便、快捷，可以用于以玉米秸秆提取制备天然阿魏酸。

参考文献

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注：本文受