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摘要:研究余甘子鮮汁沉淀物的化學(xué)組成與資源化物質(zhì)鞣花酸的提取純化工藝。方法:收集余甘子鮮汁沉淀物,采用能譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀和超高效液相色譜與串聯(lián)四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(UPLCQTOFMS)分析余甘子鮮汁沉淀物的化學(xué)成分;以鞣花酸含量為指標(biāo),分別采用醇提法、酶提法、堿溶酸沉法對(duì)鞣花酸進(jìn)行提取純化,且通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)化篩選提取工藝。結(jié)果:紅外分析表明,余甘子鮮汁沉淀物具有C、O元素,苯環(huán)、酚羥基等基本結(jié)構(gòu);UPLCQTOFMS結(jié)果表明,沉淀物的主要成分為鞣花酸、鄰苯二甲酸二丁酯等,且鞣花酸占比最高,為3991%;提取工藝優(yōu)化結(jié)果顯示,堿溶酸沉法為較優(yōu)工藝,進(jìn)一步優(yōu)化后得到最佳工藝參數(shù)為料液比1∶40、NaOH濃度2%、超聲提取時(shí)間20min,該條件下得到的提取物中鞣花酸含量為4738%,純度為9422%。掃描電鏡觀察表明,鞣花酸提取物粉末中有大量柱狀結(jié)晶,推測(cè)為鞣花酸分子平面聚合形成。結(jié)論:余甘子鮮汁沉淀物中鞣花酸天然豐度高,可作為鞣花酸天然來(lái)源途徑之一。所得到的鞣花酸提取純化工藝步驟簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、成本較低、含量及純度較高,適宜用于余甘子鮮汁固廢物中鞣花酸的富集。
關(guān)鍵詞:余甘子;固廢物;鞣花酸;提取純化;工藝優(yōu)化;含量測(cè)定;質(zhì)譜分析;綠色生產(chǎn)
余甘子PhyllanthusemblicaL是大戟科葉下珠屬植物,其成熟果實(shí)余甘子,亦稱油柑子、滇橄欖、山油甘、庵摩勒等[1]。余甘子風(fēng)味獨(dú)特、營(yíng)養(yǎng)豐富、保健功能顯著,具有清熱涼血,消食健胃,生津止咳等功效,在降糖、調(diào)節(jié)血脂代謝、預(yù)防牙齦炎等方面作用突出[23],是極具特色的中藏藥傳統(tǒng)藥材及藥食同源品種,具有較高的大健康產(chǎn)品與食品開(kāi)發(fā)價(jià)值[4]。余甘子鮮汁系余甘子鮮果直接壓榨而成,是余甘子產(chǎn)品的重要形式,也是開(kāi)發(fā)相關(guān)飲片及提取物的重要原料[5]。據(jù)余甘子相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)調(diào)查,僅云南省境內(nèi),余甘子鮮汁半年生產(chǎn)周期產(chǎn)量已達(dá)3500噸,預(yù)計(jì)次年年產(chǎn)量將突破15000噸。然而,余甘子鮮汁在貯存過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量乳白色或灰白色沉淀,約占鮮汁總質(zhì)量的5%~20%。目前,相關(guān)保健品或飲料生產(chǎn)企業(yè)均對(duì)該類沉淀物缺乏相應(yīng)的研究與認(rèn)識(shí),并將之視為生產(chǎn)固廢物,主要采用生物氧化等方式對(duì)其進(jìn)行無(wú)害化處理[4]。該處理方法不僅面臨巨大的生態(tài)環(huán)境壓力,還會(huì)造成資源浪費(fèi)與生產(chǎn)成本的增加。為進(jìn)一步合理利用資源,急需尋找新的解決途徑。課題組前期研究顯示,余甘子鮮汁沉淀中除大量植物組織殘?jiān)?、雜質(zhì)外,還含有大量鞣花酸,天然豐度10%左右[6]。以此估算,沉淀物中鞣花酸資源蘊(yùn)藏量極高,極具開(kāi)發(fā)潛力。鞣花酸是沒(méi)食子酸的二聚衍生物,具有抗氧化、抗癌變、抗誘變、抗炎、抗菌和抗病毒等作用[7],被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、醫(yī)療和化妝品等領(lǐng)域[89]。目前,鞣花酸主要是五倍子浸出液水解制得的,其資源有限,粗提物每噸售價(jià)20萬(wàn)元以上[10]。而合成法因制備工藝復(fù)雜,存在雜醌類物質(zhì)而較少使用[11]。余甘子固廢物沉淀鞣花酸天然含量可達(dá)7%~10%以上,單個(gè)藥企年產(chǎn)量可達(dá)數(shù)噸到數(shù)十噸,資源蘊(yùn)藏量十分可觀,有望成為潛在的鞣花酸新來(lái)源。據(jù)此,本研究首先采用超高效液相色譜與串聯(lián)四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(UltraperformanceLiquidChromatographytoQuadrupoleTimeofflightmassSpectrometry,UPLCQTOFMS)結(jié)合傅里葉變換紅外(FourierTransformInfrared,FTIR)光譜儀、掃描電鏡等,對(duì)余甘子鮮汁沉淀物的物質(zhì)基礎(chǔ)進(jìn)行分析。其次,基于沉淀物的物質(zhì)構(gòu)成以及鞣花酸的性質(zhì),采用醇提、酶提、堿溶酸沉法提取鞣花酸。以鞣花酸的含量、純度、外觀為指標(biāo),對(duì)鞣花酸的提取方法、提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化與評(píng)價(jià)。上述研究旨在基于精細(xì)高值資源化模式,辨識(shí)余甘子鮮汁沉淀物的化學(xué)構(gòu)成,優(yōu)化鞣花酸富集工藝,在實(shí)現(xiàn)其潛在價(jià)值的同時(shí)有望降低因處理加工固廢物所產(chǎn)生的碳排放。為構(gòu)建余甘子高品質(zhì)、超循環(huán)的全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品體系,實(shí)現(xiàn)開(kāi)源節(jié)流、綠色生產(chǎn),推進(jìn)余甘子全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展提供一定參考。
1儀器與試藥
1.1儀器
十萬(wàn)分之一分析天平(Sartorius公司,德國(guó),型號(hào):BT25S),萬(wàn)分之一分析天平(Sartorious公司,德國(guó),型號(hào):BSA224S),高效液相色譜儀(島津公司,日本,型號(hào):LC20AT),MilliQ超純水儀(Millipore公司,美國(guó),型號(hào):UPR115T),掃描電鏡(賽默飛公司,美國(guó),型號(hào):FEIInsepectF50),EDAXOCTANESUPER能譜儀(依達(dá)克斯有限公司,美國(guó),型號(hào):SEM5000),數(shù)控超聲儀(昆山市超聲儀器有限公司,型號(hào):KQ500DE),傅里葉變換紅外光譜儀(賽默飛Nicolet公司,美國(guó),型號(hào):IS50),高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(Water公司,美國(guó),型號(hào):SYNAPTXS),高速冷凍離心機(jī)(四川蜀科儀器有限公司,型號(hào):TGL16)。
1.2試劑
鞣花酸對(duì)照品(四川維克奇生物科技有限公司,批號(hào):wkq21010403,質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%),纖維素酶(上海源葉生物科技有限公司,貨號(hào):S100415g,500U/mg),果膠酶(上海源葉生物科技有限公司,貨號(hào):S100075g,50U/mg),甲醇(Sigma公司,美國(guó),貨號(hào):WXBD7361V),磷酸(Sigma公司,美國(guó),貨號(hào):WXBD2060V),氫氧化鈉(成都市科隆化學(xué)品有限公司,批號(hào):20110715),鹽酸(四川西隴科學(xué)有限公司,批號(hào):2106081),乙醇(成都市科隆化學(xué)品有限公司,批號(hào):2021082302)。
1.3分析樣品
余甘子鮮汁沉淀物(成都市三勒漿藥業(yè)集團(tuán)四川華美制藥有限公司提供),經(jīng)真空干燥后粉碎過(guò)三號(hào)篩備用。
2方法
2.1沉淀FTIR分析
取溴化鉀于瑪瑙研缽中,在紅外烤燈下研磨成細(xì)粉;轉(zhuǎn)移至壓片模具中,將模具置于壓片機(jī)中壓實(shí),得半透明薄片,即溴化鉀空白片。取余甘子鮮汁沉淀物粉末適量,與溴化鉀在瑪瑙研缽中研磨,壓片制成樣品片,將樣品片置于紅外光譜儀中,掃描得到樣品片的一維紅外光譜。
2.2沉淀UPLCQTOFMS分析
2.2.1色譜條件色譜柱ThermoScientificAccucoreC18柱(100mm×21mm,26μm);流動(dòng)相01%甲酸水(A)乙腈(B),梯度洗脫(0~1min,2%B;1~2min,2%~5%B;2~4min,5%~7%B;4~6min,7%~24%B;6~10min,24%~42%B;10~12min,42%~54%B;12~15min,54%~76%B;15~18min,76%~100%B);流速02mL/min;柱溫30℃;進(jìn)樣量5μL[12]。222質(zhì)譜條件采用加熱電噴霧離子源(HeatedElectricSprayIon,HESI),在正、負(fù)離子模式條件下進(jìn)行檢測(cè)。具體參數(shù)設(shè)置如下:噴霧電壓35kV(+)/30kV(-),離子源溫度350℃,鞘氣流速35arb,輔助氣流速10arb,離子傳輸管溫度320℃,離子掃描范圍m/z100~1500,碰撞能量梯度為20、40、60eV。2.2.3供試品溶液制備鮮汁沉淀物:精密稱定干燥后的沉淀物粉末10mg,置于250mL棕色容量瓶中并用甲醇定容,稱定質(zhì)量,超聲30min(300W,40kHz),放冷,加甲醇補(bǔ)足減失的質(zhì)量,搖勻,過(guò)022μm微孔濾膜,即得。2.2.4數(shù)據(jù)分析及成分分析將采集得到的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入CompoundDiscoverer31質(zhì)譜數(shù)據(jù)處理軟件中,建立未知化合物鑒定的工作流程,設(shè)置一級(jí)及二級(jí)質(zhì)量偏差<5×10-6,進(jìn)行峰提取、峰對(duì)齊。根據(jù)一級(jí)準(zhǔn)分子離子峰質(zhì)荷比獲得精確質(zhì)量數(shù)及化合物分子式,結(jié)合二級(jí)碎片離子信息、MassFrontier軟件、mzCloud網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)、mzVault本地中藥成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、文獻(xiàn)報(bào)道及部分對(duì)照品比對(duì),進(jìn)行化合物的分析鑒定。
2.3沉淀物中鞣花酸的提取純化工藝優(yōu)選
2.3.1醇提法精密稱定沉淀物粉末20g,配置60%乙醇溶液,按照料液比1∶30(g/mL),于60℃條件下回流提取80min,提取3次,于50℃水浴中用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干溶劑,取沉淀,水洗3次后干燥粉碎。2.3.2酶提法精密稱定沉淀物粉末20g,配置質(zhì)量濃度為2%的復(fù)合酶(纖維素酶與果膠酶質(zhì)量比為2∶1)水溶液,設(shè)置料液比1∶30(g:mL),酶解溫度60℃,并使用1mol/L鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值至4,放入恒溫振蕩箱中(80r/min),酶解反應(yīng)4h,離心取沉淀,水洗3次后干燥粉碎。233堿溶酸沉法精密稱定沉淀物粉末20g,以料液比1:50(g:mL)加入1mol/L的NaOH溶液,超聲(300W,40kHz,30min)并離心(3000r/min,離心半徑6cm,離心5min),取上清液,加入1mol/LHCl調(diào)節(jié)pH值至3,離心(3000r/min,離心半徑6cm,離心5min),取沉淀,水洗3次后干燥粉碎。
2.4鞣花酸含量測(cè)定
2.4.1色譜條件色譜柱WelchromC18柱(46mm×250mm,5μm);流動(dòng)相02%磷酸水溶液(A)甲醇(B),梯度洗脫(0~6min,5%B;6~15min,5%~7%B;15~20min,7%~15%B;20~25min,15%~21%B;25~31min,21%~22%B;31~41min,22%B;41~47min,22%~28%B;47~51min,28%~32%B;51~57min,32%~38%B;5770min,38%~45%B;70~80min,45%~65%B);檢測(cè)波長(zhǎng)270nm;體積流量10mL/min;柱溫25℃;進(jìn)樣量10μL[13]。242對(duì)照品溶液的制備精密稱取鞣花酸對(duì)照品適量,置于10mL棕色容量瓶中,加甲醇定容至刻度制成濃度為99μg/mL的鞣花酸對(duì)照品溶液。稱定質(zhì)量,超聲30min使溶解,靜置冷卻至室溫,加甲醇補(bǔ)足減失的質(zhì)量,搖勻,過(guò)022μm微孔濾膜,即得。243供試品溶液的制備鮮汁沉淀物:制備方法同221項(xiàng)下。鞣花酸提取物:制備方法同2.2.1項(xiàng)下。2.4.4精密度實(shí)驗(yàn)?。玻矗岔?xiàng)下制備的鞣花酸對(duì)照品溶液適量,按2.4.1項(xiàng)下色譜方法條件連續(xù)進(jìn)樣6次,計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RelativeStandardDeviation,RSD)。2.45線性關(guān)系考察將“2.4.2”項(xiàng)下制備的鞣花酸對(duì)照品溶液,按照“221”項(xiàng)下色譜條件進(jìn)樣,進(jìn)樣體積分別為3、5、7、10、13、15μL,以峰面積為縱坐標(biāo)(Y),對(duì)照品質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(X),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。2.4.6重復(fù)性實(shí)驗(yàn)取同一批果汁沉淀粉末,按“2.4.3”項(xiàng)下方法平行制備供試品溶液6份,按照色譜方法條件進(jìn)行測(cè)定,計(jì)算RSD。25掃描電鏡能譜儀檢測(cè)采用掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope,SEM)對(duì)余甘子鮮汁沉淀粉末、鞣花酸提取物粉末進(jìn)行表面微觀分析。分別取干燥后的樣品粉末,將樣品粉末均勻分布于導(dǎo)電膠表面,用洗耳球吹去小顆粒,采用真空鍍膜法在4Pa以下高真空、電流20mA條件下噴鍍鉑金屬2min使樣品導(dǎo)電。儀器的加速電壓為100kV,工作距離為98mm。在掃描電鏡1000倍鏡下,聯(lián)用能譜儀對(duì)余甘子果汁沉淀進(jìn)行表面元素分析。
3結(jié)果
3.1沉淀粉末元素分析
在掃描電鏡5000倍鏡下,聯(lián)用能譜儀對(duì)供試品表面元素進(jìn)行分析。見(jiàn)圖1。元素分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),沉淀中C元素相對(duì)含量為4308%,O元素相對(duì)含量為5385%,為主要元素,還含有少量的Cl,K等其他元素。見(jiàn)表1。
3.2FTIR結(jié)果分析
由沉淀的FTIR譜圖可見(jiàn),在32881750~34173870、17202650、14521970~16219090、11185580、10597370、9199175、6672776cm-1處檢查到主要吸收峰度,其中32881750~34173870cm-1是酚羥基拉伸振動(dòng)吸收峰,17202650cm-1可能為芳香酮振動(dòng)吸收峰,14521970~16219090cm-1為苯環(huán)骨架振動(dòng)吸收峰,11185580、10597370cm-1為CO伸振動(dòng)吸收峰,9199175cm-1可能是OH彎(面內(nèi))振動(dòng)吸收峰,6672776cm-1可能是NH2振動(dòng)吸收峰。
3.3沉淀化合物的分析與鑒定
從余甘子鮮汁沉淀物中共鑒定出12種化合物。見(jiàn)表2。由表2信息可知,余甘子原汁沉淀中鞣花酸占比為3991%,為沉淀中天然豐度最高的物質(zhì)。其次,較高含量的為沒(méi)食子酸、檸檬酸、蘋果酸。此外,還檢測(cè)到一些氨基酸,例如脯氨酸、谷氨酸、異亮氨酸。
3.4鞣花酸提取工藝篩選與優(yōu)化
3.4.1方法學(xué)考察1)精密度考察:各色譜峰相對(duì)保留時(shí)間的RSD值均<01%,相對(duì)峰面積的RSD均在20%之內(nèi),表明儀器的精密度良好。2)線性關(guān)系考察:由“245”項(xiàng)下方法得到鞣花酸線性回歸方程為:Y=91411X+13471(R2=09992)。結(jié)果表明鞣花酸濃度在297~1485μg/mL內(nèi)線性關(guān)系良好。3)重復(fù)性試驗(yàn):各色譜峰相對(duì)保留時(shí)間的RSD均<01%,相對(duì)峰面積的RSD均在20%之內(nèi),提示本方法重復(fù)性良好。3.4.2純化工藝篩選結(jié)果顯示了工藝1(醇提法),工藝2(酶提法),工藝3(堿溶酸沉法)3種工藝提取制備得到的鞣花酸粗品的色譜圖,可直觀看出工藝3對(duì)鞣花酸的提取純化效果顯著,因此確定較優(yōu)工藝為堿溶酸沉法。見(jiàn)圖3。3.4.3堿溶酸沉法工藝優(yōu)化1)料液比。設(shè)置氫氧化鈉溶液濃度為15%,超聲提取30min。設(shè)置料液比分別為1∶20,1∶30,1∶40,1∶50??疾觳煌弦罕葘?duì)鞣花酸含量的影響。由圖4A可以看出,料液比對(duì)鞣花酸含量有顯著影響。鞣花酸含量隨料液比增加呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)。料液比為1∶40時(shí),鞣花酸含量最高。當(dāng)鞣花酸完全溶出后,進(jìn)一步增加溶劑體積,鞣花酸含量不但不會(huì)增加,且還可能由于體積過(guò)大,鞣花酸分子分散程度高,不利于后續(xù)酸性條件下鞣花酸結(jié)晶的析出,呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此,確定較優(yōu)的料液比為1∶40。2)超聲提取時(shí)間。設(shè)置料液比為1∶40,氫氧化鈉溶液濃度為15%。設(shè)置超聲提取時(shí)間分別為10min,20min,30min,40min。考察不同超聲提取時(shí)間對(duì)鞣花酸含量的影響。圖4B為超聲時(shí)間對(duì)鞣花酸含量的影響。當(dāng)超聲提取時(shí)間為20min時(shí),鞣花酸含量呈最大值。因此,確定較優(yōu)的超聲提取時(shí)間為20min。3)NaOH濃度。設(shè)置料液比為1∶40,超聲提?。常埃恚椋?。設(shè)置氫氧化鈉溶液濃度分別為1%,15%,2%,25%??疾觳煌危幔希葷舛葘?duì)鞣花酸含量的影響。圖4C為NaOH溶液濃度對(duì)鞣花酸含量的影響。鞣花酸含量隨NaOH濃度增大呈先升高后降低的趨勢(shì)。氫氧化鈉濃度在1%~2%范圍內(nèi)時(shí),隨著濃度增加,鞣花酸得率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)NaOH濃度超過(guò)2%時(shí),鞣花酸得率顯著降低,這可能與pH過(guò)高導(dǎo)致其他不溶性沉淀溶出,使最終提取物中鞣花酸的含量降低有關(guān)。因此,確定2%的NaOH溶液較優(yōu)。3.4.4鞣花酸含量及純度分析本研究對(duì)鞣花酸的堿溶酸沉提取純化工藝進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化得到的工藝參數(shù)為:料液比1∶40(g∶mL)提取時(shí)間20min,氫氧化鈉濃度2%。由沉淀物的色譜相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可得,沉淀中鞣花酸的平均天然豐度為201%。以優(yōu)化后的堿溶酸沉工藝對(duì)鞣花酸進(jìn)行提取,通過(guò)色譜相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得到鞣花酸含量為4738%,純度(峰占比)為9422%。圖4不同工藝參數(shù)對(duì)鞣花酸含量的影響注:A不同料液比;B提取時(shí)間;CNaOH濃度
3.5純化前后樣品表面形態(tài)分析
采用掃描電子顯微鏡對(duì)純化前后的樣品粉末進(jìn)行分析。由圖5C和5D可見(jiàn),沉淀物粉末顏色呈淡黃色,而純化后的粉末色澤呈深綠色。將提取前的沉淀物粉末與鞣花酸提取物分別置于掃描電鏡下(×1000)觀察。由圖5E可見(jiàn),沉淀物粉末中含有大量晶狀、纖維狀、不規(guī)則塊狀的植物組織。由圖5F可見(jiàn),提取物粉末主要為柱狀晶體,且部分聚集成簇狀。推測(cè)為鞣花酸分子平面聚合形成。
4討論
近年來(lái),我國(guó)中藥制藥行業(yè)與大健康產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,已逐漸成為部分地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要引擎之一。但中藥工業(yè)化生產(chǎn)階段、生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量固廢物,這些固廢物由于缺乏有效利用途徑而被廢棄,不僅造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi),還伴隨大量的碳排放[14]。隨著我國(guó)“3060雙碳目標(biāo)”穩(wěn)步推進(jìn),如何實(shí)現(xiàn)多層次的中藥生產(chǎn)固廢物資源化利用模
作者:李格菲 譚慶芻 林俊芝 羅傳紅 樊三虎 曹志堅(jiān) 張定 黃浩洲 韓麗 單位:成都中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院 創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)研究院 西南特色中藥資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院 代謝性疾病中醫(yī)藥調(diào)控四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都市三勒漿藥業(yè)集團(tuán)四川華美制藥有限公司 楚雄州百草嶺藥業(yè)發(fā)展有限公司