碱解玉米芯制备阿魏酸和对香豆酸

来源 :安徽农业科学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gaoxiang19931030
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  摘要[目的]利用碱解农林废弃物制备阿魏酸和对香豆酸。[方法]对4种农林废弃物(花生壳、玉米秸秆、小麦秸秆、玉米芯)进行比较,发现玉米芯最适合用于提取阿魏酸和对香豆酸。考察不同氢氧化钠浓度、固液比(玉米芯/碱液)、提取温度、提取时间对玉米芯中阿魏酸和对香豆酸提取量的影响。[结果]提取玉米芯中阿魏酸的最佳工艺条件为:氢氧化钠浓度为0.5 mol/L,固液比(玉米芯/碱液)为1∶30 g/ml,提取温度为50 ℃,提取时间为2.5 h。在此条件下,阿魏酸的提取量最高为14.05 mg/g,对香豆酸的提取量为21.12 mg/g。[结论] 研究可为提高玉米芯的附加值利用提供依据。
  关键词 阿魏酸;对香豆酸;玉米芯;碱水解
  中图分类号S609.9文献标识码A文章编号0517-6611(2014)29-10302-04
  基金项目泰州市社会发展项目(TS201337)。
  作者简介夏文静(1982- ),女,山东青岛人,讲师,硕士,从事酶的分离纯化以及天然产物的分离提取研究。
  阿魏酸(ferulic acid)化学名称为4羟基3甲氧基肉桂酸[1]。对香豆酸(pcoumaric acid)化学名称为4羟基肉桂酸,是白花蛇舌草、海金沙、杜仲叶的有效成分之一,属于羟基肉桂酸类化合物(hydroxycinnamicacids)中最主要的一种[2]。阿魏酸和对香豆酸具有抗氧化、抗心血管疾病、降血脂、抗动脉粥样硬化、抗菌消炎以及抑制肿瘤等特性[3-6]。此外,阿魏酸可用于制备天然香兰素、抗氧化剂、防腐剂、交联剂等。因此,阿魏酸被广泛应用于食品、保健品、医药等领域,具有广阔的市场应用前景[7]。阿魏酸、对香豆酸的化学合成反应时间较长,溶剂用量大,转化率低,成本高。我国是粮食、蔗糖生产大国,在其收获与加工过程中会产生大量的玉米芯、糖渣、秸秆等纤维质副产品,其主要成分都是富含酚酸的细胞壁类物质[1],故富含酚酸的生物质原料可作为酚酸的主要来源[2]。
  我国是玉米生产和消费大国,玉米芯是玉米产业中的主要副产品。每生产100 kg玉米则伴随有15 kg的玉米芯产生[8]。玉米芯的主要是成分是纤维素(31.7%)、半纤维素(34.7%)、木质素(20.3%)[9]。近年来,来源于玉米芯中的多种具有抗氧化、抗肿瘤、增强免疫力等重要生理活性的物质被广泛研究,如阿魏酸、对香豆酸、低聚木糖等。在我国,除少数玉米芯被用作为牲畜饲料、农村燃料外,大部分被直接丢弃。如果利用农林废弃物玉米芯生产高附加值产品,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的问题。玉米芯中的阿魏酸和对香豆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[2],通过强碱处理,可以使得酯键断裂,从而释放出阿魏酸和对香豆酸。笔者探索利用碱解法提取玉米芯中阿魏酸的工艺,为提高玉米芯的附加值提供依据。
  1材料与方法
  1.1材料玉米芯:购于江苏连云港农贸市场。主要仪器:高速台式冷冻离心机,Thermo;PHS25型数字酸度计,上海大普仪器有限公司;Agilent 1260高效液相色谱仪,美国安捷伦科技有限公司。主要试剂: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、乙酸乙酯、磷酸、冰乙酸,均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。
  1.2方法
  1.2.1玉米芯的预处理。将购买的棒状玉米芯粉碎,过20目筛,装入密封袋放在室温下备用。
  1.2.2碱解法制备阿魏酸和对香豆酸的工艺。预处理的玉米芯→碱浸提→离心→调pH至中性→HPLC检测。
  1.2.3阿魏酸标准曲线的绘制。配制0、20、40、60、80、100 μg/ml的阿魏酸标准品,用HPLC对标准品进行分析,以阿魏酸浓度为横坐标(X),峰面积为纵坐标(Y)绘制标准曲线,得到阿魏酸的回归方程为:Y=97.850X-70.114(R2=0.999 3)。
  1.2.4对香豆酸标准曲线的绘制。配制20、40、60、80、100、150、200、250 μg/ml的对香豆酸标准品,用HPLC对标准品进行分析,以对香豆酸浓度为横坐标(X),峰面积为纵坐标(Y)绘制标准曲线,得到对香豆酸的回归方程为:Y=(X+534.90)/107.49(R2=0.997 6)。
  1.2.5高效液相色谱分析条件。色谱柱选用phenomenex Luna C18柱(150×4.6 mm,5 μm),以甲醇∶水∶冰乙酸(30∶69.3∶0.7)为流动相,柱温30 ℃,流速1.0 ml/min,检测波长320 nm,进样量20 μl[10]。
  1.2.6原料的筛选。 分别称取2.5 g的花生壳、玉米芯、玉米秸秆和小麦秸秆,加入100 ml 0.5 mol/L的NaOH,室温静置2.5 h,确定最佳的提取原料,每个样品做3个重复。
  1.2.7氢氧化钠浓度对阿魏酸和对香豆酸提取量的影响。称取2.5 g预处理玉米芯,在固液比1∶40 g/ml的条件下,室温静置10 h,分别在1.0、2.5、4.0、6.0、8.0、10.0 h取样,比较碱质量分数分别为0.2、0.5、1.0、2.0 mol/L对提取量的影响,从而确定最佳碱浓度以及提取时间,每个样品做3个重复。
  1.2.8固液比对阿魏酸和对香豆酸提取量的影响。 称取2.5 g预处理玉米芯,选用0.5 mol/L的NaOH,在室温条件下静置2.5 h,研究固液比为1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶100、1∶150、1∶200 g/ml对阿魏酸和对香豆酸提取量的影响,每个样品做3个重复。
  1.2.9提取温度对阿魏酸和对香豆酸提取量的影响。称取2.5 g预处理玉米芯,选用0.5 mol/L的NaOH,在固液比1∶30 g/ml的条件下,研究温度分别为4、20、30、40、50、60、70℃ 对阿魏酸和对香豆酸提取量的影响,在2.5 h取样,确定最佳提取温度,每个样品做3个重复。   1.2.10提取方式对阿魏酸和对香豆酸提取量的影响。称取2.5 g预处理玉米芯,在固液比1∶30 g/ml,NaOH浓度0.5 mol/L,提取温度50 ℃的条件下,比较静置和振荡(150 r/min)对提取量的影响,分别在0.5、1.0、2.5、4.0 h取样,每个样品做3个重复。
  1.2.11阿魏酸提取量的计算。阿魏酸的提取量以1 g烘干的玉米芯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(μg/ml);m为玉米芯的质量(mg);Y1为HPLC法测定的阿魏酸的峰面积(mAU);V为NaOH的体积(ml)。
  1.2.12对香豆酸提取量的计算。对香豆酸的提取量以1 g烘干的玉米芯最终得到的阿魏酸的质量来表示。
  式中,C为HPLC法测定的对香豆酸的质量浓度(μg/ml);m为玉米芯的质量(mg);Y2为HPLC法测定的对香豆酸的峰面积(mAU);V为NaOH的体积(ml)。
  2结果与分析
  2.1玉米芯提取物的HPLC检测由图1和图2可知,阿魏酸的出峰时间在8.5 min左右,对香豆酸的出峰时间在7.3 min左右,图3中玉米芯提取物第1个主峰保留时间与对香豆酸标准品保留时间一致,第2个主峰的保留时间与阿魏酸标准品保留时间一致,可见提取物中含有对香豆酸和阿魏酸。
  2.2原料的筛选通过对4种原料进行比较,用0.5 mol/L的NaOH处理玉米芯2.5 h,提取的阿魏酸含量最高可达9.71 mg/g,是花生壳中阿魏酸提取量的53.9倍,是玉米秸秆中阿魏酸提取量的2.30倍,是小麦秸秆的中阿魏酸提取量2.77倍;提取的对香豆酸的含量可达9.77 mg/g,是花生壳中对香豆酸提取量的15.26倍,是玉米秸秆中对香豆酸提取量的1.39倍,是小麦秸秆中对香豆酸提取量的3.57倍。因此在原料的选择上,优先选用玉米芯。
  2.3NaOH浓度对提取量的影响阿魏酸和对香豆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[11]。Torre等的研究表明,碱解可以有效断裂酯键[8]。碱浓度对于玉米芯中酚类物质的释放具有显著的影响,较低浓度的碱液只能释放有限浓度的阿魏酸,然而过高浓度的碱液会使得阿魏酸降解[8]。如图5和图6所示,在这4个氢氧化钠浓度下,阿魏酸和对香豆酸的提取量具有相似的变化趋势。由图5可知,随着NaOH浓度的增加阿魏酸提取量逐渐增大,当提取时间为2.5 h,NaOH浓度从0.2 mol/L增加到0.5 mol/L时,提取量增加了74%;当碱浓度增加一倍时(1.0 mol/L),阿魏酸的提取量增加了9.9%,幅度较小,并且NaOH浓度增大,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0.5 mol/L。当碱浓度为0.5 mol/L时,在1.0~2.5 h,阿魏酸提取量增加了27.7%,在2.5~8.0 h提取量只增加了3.9%,处理8.0 h之后,阿魏酸提取量开始下降,这是由于阿魏酸具有抗氧化活性,放置时间过长会被氧化[12]。因此,提取阿魏酸较好的氢氧化钠浓度为0.5 mol/L,提取时间为2.5 h。
  2.4固液比对提取量的影响由图7可知,不同的固液比对阿魏酸提取量影响不大。当固液比为1∶20 g/ml时,液体黏稠,离心取上清时难度较大;固液比为1∶30 g/ml时,阿魏酸和对香豆酸的提取量分别为11.13和12.52 mg/g;固液比为1∶50 g/ml时,提取量分别为11.63和12.32 mg/g,固液比为1∶100 g/ml时,提取量分别为11.95和13.36 mg/g。考虑到NaOH用量增加会增加成本,并且会增加离心的能耗,所以固液比选用1∶30 g/ml。
  2.5温度对提取量的影响由图8可知,在4~50 ℃的范围内,随着温度的升高阿魏酸和对香豆酸的提取量逐渐增加,50 ℃时阿魏酸的最高提取量可达13.47 mg/g,是4 ℃提取量的2.31倍;50 ℃时对香豆酸的最高提取量可达20.49 mg/g,是4 ℃提取量的4.36倍。在4~50 ℃范围内,提高温度有利于提高两者的提取量;当温度超过50 ℃时提取量开始下降,这是由于在高温作用下,阿魏酸和对香豆酸会被氧化或者分解。宋浩亮等发现,当温度超过60 ℃时,阿魏酸损失明显增加,这与笔者的该研究现象是一致的。因此,阿魏酸的最佳提取温度为50 ℃[13]。
  2.6提取方式对提取量的影响由图9和图10可知,振荡时两者的提取量高于静置时的提取量,在0.5 h时尤为显著。这是由于振荡条件下,NaOH可以与玉米芯充分接触,从而更有利于阿魏酸和对香豆酸的释放;此后随着时间的延长,2种方式的提取量逐渐接近。振荡2.5 h和静置2.5 h阿魏酸的提取量分别为13.72和14.05 mg/g;振荡2.5 h和静置2.5 h对香豆酸的提取量分别为20.20和21.20 mg/g。因此,从提取效率和能耗考虑,采用静置提取的方式。
  3结论
  该研究利用玉米芯为原料,探索碱法提取阿魏酸和对香豆酸的工艺条件,在NaOH浓度为0.5 mol/L,固液比为1∶30 g/ml,提取温度为50 ℃,提取时间为2.5 h时,阿魏酸的提取量可达14.05 mg/g,对香豆酸的提取量可达21.12 mg/g。与其他学者报道相比,此方法简便、快捷,且阿魏酸和对香豆酸的提取量处于较高水平。
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