姜黄素地提取实用工艺研究.docx
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姜黄素地提取实用工艺研究
毕业设计（论文）
题目：
姜黄素的提取工艺研究
教学院：
化学与材料工程学院
专业名称：
化学工程与工艺（生物化工）
学号：
201040810132
学生姓名：
温小龙
指导教师：
刘颋老师
2014年5月12日
摘要
本次姜黄素提取的研究采用的是有机溶剂法和超声波辅助法。
有机溶剂用的是乙醇，利用乙醇从姜黄中提取姜黄素具有工业成本低、提取效率高的特点，研究得出乙醇提取姜黄素影响的主要因素有时间、浓度、料液比和温度。
超声波辅助法提取姜黄素具有操作简单，提取效率高等特点，研究得出影响提取率的因素有乙醇浓度、时间和功率。
在单因素实验基础上得出，乙醇浸提的浓度最佳为70%，温度为60℃，料液比为1:
20；超声波辅助法的最佳功率为300W，时间为40min，乙醇浓度为80%。
关键词：
姜黄素；乙醇浸提；超声波提取
Abstract
Thecurcuminextractresearchusesorganicsolventmethodandultrasonicassistedmethod.Organicsolventisethanol.Theuseofethanolextractofcurcuminfromturmerichasthecharacteristicsoftheindustryoflowcost,highextractionefficiency,themainfactorsthataffectedethanolextractionofcurcuminincludedconcentration, theratio of material to solventandtemperature.Ultrasonicassistedextractionofcurcuminmethodhassimpleoperation,highextractionefficiencyetc.theresearchindicatedthatthefactorsaffectedextractionincludedethanolconcentration,timeandpower.
Onthebasisofsinglefactorexperiment,thebestconcentrationandtemperatureofethanolextractionare70%and60℃,andtheratio of material to solventis1:
20.Thebestpowerandtimeofultrasonicassistedmethodare300Wand60min,andtheethanolconcentrationis80%.
Keywords:
curcumin;ethanolextraction;ultrasonicassistedmethodtoextraction
1绪论
1.1关于姜黄与姜黄素的简介
1.1.1姜黄
姜黄为姜科植物姜黄的根茎，呈不规则卵圆形、圆柱形或纺锤形，常弯曲，表面深黄色，粗糙，有皱缩纹理和明显环节，并有圆形分枝痕及须根痕。
质坚实，不易折断，断面棕黄色至金黄色，角质样，有蜡样光泽。
内皮层环纹明显，维管束呈点状。
气香特异,味苦、辛。
姜黄中主要化学成分为姜黄素类和挥发油，此外还含有糖类、甾醇类及微量元素等。
姜黄素类是醇溶性二苯基庚烃类化合物，包括姜黄素、脱甲氧基姜黄素和双脱甲氧基姜黄素等3种组分的混合物，是一种较理想的天然色素。
其中姜黄素的含量约占70%，脱甲氧基姜黄素含量约为10%~20%，而双脱甲氧基姜黄素约为10％[1]。
1.1.2姜黄素
姜黄素（Curcumin）为一种酚类化合物，化学名称为：
1，7‐双（4‐羟基‐3‐甲氧基苯）‐1，6‐庚二烯二酮，姜黄色素；分子式为C21H20O6分子量368.37，其主链为不饱和脂族及芳香族基团，为橙黄色结晶性粉末。
姜黄素的化学结构式为：
图1-1姜黄素结构式
姜黄素易溶于乙醇、甲醇、冰醋酸和碱等，微溶于苯、乙醚和水等，在酸性或中性溶液中显黄色，在pH约大于9.0的碱性溶液中显红色[2]。
姜黄素不稳定，易受光线、温度、湿度、pH等影响，由于姜黄素分子中含有多个双键、酚羟基及羰基等，故其化学反应较强。
Al3+、Fe3+等金属离子及强光、高温等可影响姜黄素的稳定性，故姜黄色素不能与铁器接触，同时在贮存、运输和使用过程中要注意避光和保持低温。
碳酸钠和苯甲酸钠能使姜黄色素的吸收峰有一定程度的增加，能保护其稳定性。
Zn2+、Cu2+等金属离子不会改变姜黄素的稳定性，所以可在其中添加对人体健康有益的锌、铜等微量元素。
姜黄素具有耐氧化性强，但耐还原性较差，故应注意避免与还原性物质接触[3-5]。
姜黄素是安全性相当高的食品添加剂，其作用与地位是任何一种天然植物色素都无法与其比拟的，是国内外允许使用的重要天然食用色素之一，食用姜黄色素可用于糖果、饮料、糕点、冷饮等食品的着色，特别适用于对蛋白质的着色。
在医学应用方面，姜黄素具有抗氧化、抗癌、抗炎、消除自由基、抗微生物以及对消化系统、心血管系统等药理作用[6-7]。
1.2姜黄素的提取方法
姜黄素的提取方法很多，提取的工艺流程也各有特色，常用的有浸提法、超声提取法、微波萃取法、超临界流体萃取法、渗漉法、酶提取法等。
1.2.1浸提法
这是目前最常用的天然色素的提取方法，其原理是根据目标成分在不同溶剂中的溶解度不同而将其分离。
提取过程包括：
原料干燥、粉粹后用溶剂提取，经分离、浓缩、干燥、精制取得成品。
提取时应根据色素的不同性质选择不同的提取溶剂。
姜黄素易溶于碱水，如可用1%左右的NaOH加热浸提姜黄中的姜黄色素。
姜黄素也溶于有机溶剂，常用若干倍的乙醇或丙酮等有机溶剂浸提经粉碎的姜黄原料，采用离心或过滤的方式分离提取液，经浓缩精制、干燥取得成品得到姜黄素产品。
1.2.2超声波提取法
超声波法作为提取中草药中有效成分的一种新方法，它具有界面效应、湍动效应、微扰效应、聚能效应，起到空化、粉碎、搅拌等特殊作用，并且不会改变姜黄素的结构[8]。
超声波把姜黄的细胞壁击破，使溶媒渗透到姜黄的细胞中，以便姜黄素溶于溶媒之中，这既缩短了提取时间，又提高了提出率。
秦炜[9]等考察了超声波场对姜黄素提取的影响，超声波场的介入显著缩短了浸提时间，明显加快传质速率，提高了姜黄素的浸出率，同时保证了姜黄素的稳定性。
1.2.3微波萃取法
微波萃取是利用电磁场的作用使固体或半固体物质中的某些有机物成分与基体有效的分离，并能保持分析对象的原本化合物状态的一种分离方法。
微波具有高频性、波动性、热特性和非热特性四大特点。
微波辅助萃取技术在姜黄素的提取上的工艺流程为原料的预处理、原料与溶剂的混合、微波萃取、冷却、过滤、溶剂与萃取组分分离。
1.2.4超临界流体萃取法
超临界流体是处于临界温度和临界压力以上，介于气体和液体之间的流体。
超临界流体的密度和液体相近，粘度与气体相近，但扩散系数约比液体大100倍。
由于溶解过程包含分子间的相互作用和扩散作用，因而超临界流体对许多物质有很强的溶解能力。
超临界流体萃取分离技术是利用超临界流体的溶解能力与其密度密切相关，通过改变压力或温度使超临界流体的密度大幅改变。
在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和相对分子质量大小不同的成分萃取出来。
超临界流体萃取技术应用于姜黄素提取的主要影响因素为粉碎度、时间、温度、萃取压力、超临界流体的流速等[10]。
1.2.5渗漉法
将姜黄粉碎为粗粉，然后装入渗漉器，乙醇浸泡后进行渗漉，结果表明渗漉法具有收率高，且克服了姜黄素不耐热、不耐光、不溶于水的缺点，并具有简便、实用、经济科学的优点，乙醇溶剂价格低廉，其药渣还可作为提取挥发油的原料，这种方法适合于工业化大生产。
渗漉法既能综合利用药材，又能根据有效部位的不同性质进行有效提取，从而达到资源的综合利用。
1.2.6酶提取法
酶提取法处理使用的条件温和、选择性强。
一方面通过降解植物细胞壁使有效成分更易提取从而达到提高提取收率或减低溶剂消耗量的目的；另一方面可以针对植物药中的大多数杂质（淀粉、果胶、蛋白质等）选择性降解，以利于提取分离更易进行，同时还综合利用药渣，变废为宝。
酶提取的原理是利用酶反应的高度专一性，将细胞壁的组成成分水解或降解，破坏细胞壁，从而提高有效成分的提取率。
通过纤维素酶、果胶酶等组成的复合酶，使姜黄细胞壁及细胞间质中的纤维素、半纤维素等物质降解，然后再用碱水法或有机溶剂提取，经过酶处理后的姜黄细胞，使得细胞内有效成分向提取介质扩散的传质面积增大，减小了传质阻力，从而提高了姜黄素的提取率。
该法既有碱水法提取成本低的优点，又提高了收率，安全性也比较大。
1.3姜黄素的测定方法
传统对姜黄素测定方法是利用姜黄素与硫酸、硼酸、冰乙酸作用生成红色络合物，然后通过512nm波长处测定这种络合物的吸光度而确定姜黄素的含量，这种方法操作繁琐，测出的数据波动较大。
现在采用的主要方法是高效液相色谱法（HPLC）、分光光度法、薄层扫描法、库仑滴定法等，这些方法操作方便，数据精确。
1.3.1高效液相色谱法
杨企铮[11]等研究出了测定姜黄素的高效液相色谱法，其基本操作是在流动相中加入冰乙酸，其目的是对姜黄素起离子抑制作用。
姜黄素与最邻近的去氧甲基姜黄素峰达到基线分离，分离度好，理论塔板数高。
1.3.2分光光度法
严建伟[12]等用分光光度法测定姜黄素含量，选择的溶剂为四氢呋喃，姜黄素的激发波长为442nm，发射波长为475nm。
黄燕芬[13]等利用姜黄素在256nm波长处有一吸收峰，直接采样比色测定，这种方法操作简便，相关性好，样品回收率高。
分光光度法与薄层扫描法、高效液相色谱法等相比，具有操作简便、快速、灵敏，适用于姜黄制剂中姜黄素的含量测定。
1.3.3薄层扫描法
吴桂碧等采用双波长薄层扫描测姜黄素的含量，姜黄经提取、薄层分离后可获得分离度较好的3个斑点，测定波长为425nm，本法具有取样量小、重现性好和提取过程简单。
1.3.4库仑滴定法
刘保启[14]等采取溶有碘化钾溶液的B-R缓冲液为电解液，在阳极电解生成的碘与姜黄素反应，电极反应电子转移数为4，结果在0.03-0.11mg范围内。
库仑滴定法具有简便、灵敏、准确和快速等特点，可用于样品中姜黄素的测定。
1.4国内外对姜黄素提取的研究现状
（1）有机溶剂提取张丽[15]等用丙酮提取姜黄素，结论表明：
加20倍量70％丙酮，提取2次，每次提取2h，在此条件下姜黄素含量达到5.17％。
顾声音[16]等在实验中采用乙醇提取或丙酮提取，都能得到较高的含量，乙醇提取姜黄的最佳工艺：
料液比为1∶10，75%乙醇，提取3h，姜黄素的提取率为4.48%。
丙酮提取姜黄素的最佳工艺：
料液比为1∶20，70%丙酮，提取2.5h，提取率为4.91%。
（2）超声提取法秦炜[17]等考察了超声波场对姜黄素提取的影响，超声波场的介入显著缩短了浸提时间，明显加快传质速率，提高了姜黄素的浸出率，同时保证了姜黄素的稳定性。
胡忠泽[18]等研究超声法提取姜黄素，确定出最佳工艺条件为加入8倍生药，pH值为12的碱水，提取4次，每次40min。
利用超声场实现过程强化是开拓高效、节能、降耗工艺过程的主要途径之一。
（3）碱水提取法姜黄色素易溶于碱水，故可用碱水对姜黄色素进行浸提。
宋长生等[19]通过正交试验得出最佳工艺条件．在投料量为10g，浸取温度为20℃，浸取时间为28h，NaOH溶液的质量分数1.0％的条件下，姜黄素的提取率为3.13％，总姜黄索的纯度为95.44％。
（4）酶提取法董海丽[20]等用0.35%的纤维素酶、果胶酶组成的复合酶在50℃,pH为4.5时，使姜黄细胞壁及细胞间质中的纤维素、半纤维素等物质降解120min，然后再用碱水法提取，增大了细胞内有效成分向提取介质扩散的传质面积，减小了传质阻力，从而提高了姜黄素的提取率，收率提高了8.1%。
（5）微波提取法唐课文[21]等得到提取姜黄色素的最适宜工艺条件为：
提取剂为75％乙醇（体积分数），料液比为1:
30（g：
mL），微波辐射功率为360W，辐射时间为60s。
王平等利用微波萃取技术提取姜黄素，在溶剂比1:
50，温度60℃，萃取时间30min，微波功率200W的条件下，微波萃取工艺的姜黄素得率优于传统的提取工艺。
微波提取法与同传统方法相比该方法具有萃取时间短、提取率高、溶剂用量少、无污染等特点，易于工业化生产。
（6）渗漉法宿树兰[22]等将药材粉碎为粗粉后装入渗漉器，用85%乙醇浸泡6h后以3mL/min的流速进行渗漉，结果收率高，且克服了姜黄素不耐热、不耐光、不溶于水的缺点。
渗漉法简便、实用、经济科学，溶剂乙醇价格低廉，其药渣还可作为提取挥发油的原料，适用于大生产。
这样既能综合利用药材，又能根据有效部位的不同性质进行有效提取，达到资源的综合利用。
（7）超临界流体提取罗海[23]等研究了超临界二氧化碳萃取姜黄中姜黄素的工艺条件，主要探讨了萃取压力、萃取时间、萃取温度、二氧化碳流量及夹带剂使用情况等对姜黄素提取率的影响，通过正交设计法对提取工艺进行优选，得出超临界二氧化碳萃取姜黄素的最佳提取工艺条件为：
夹带剂用量1mL/g，萃取压力为35MPa，萃取温度为40℃，萃取时间为3h，二氧化碳流量为30L/h。
李湘洲[24]等研究了姜黄油和姜黄色素的超临界与微波联合提取工艺，一定程度上达到了两种有效成分的提取分离同步进行的效果，有利于后期的精制。
1.5研究目的与意义
本次课题的研究是为工业上的提取工艺提供技术参考，选择工业上提取工艺的最适合条件，确定出提取过程的主要影响因子。
姜黄的主要有效成份为姜黄素、去甲氧基姜黄素、去二甲氧基姜黄素三种成份，合称为类姜黄素。
一般从植物中提取的姜黄素就是这三种成份的总称，国内外常用的姜黄素提取方法主要有有机溶剂提取法和碱水提取法，碱水提取效率远不如有机溶剂提取，碱水提取工艺中存在着操作过程复杂、pH值对有效成份的影响大、不易控制和不宜工业化大生产等缺点。
尽管有机溶剂用量较大，但只要强化有机溶剂的回收和重复利用步骤，此法在未来几十年内在工业上依然会处于主要地位。
而超声法提取与其它方法相比，该法具有实验设备简单，操作方便，省时，提取率高，成本低，安全性高，无需加热的优点，因而具有较强的实用性。
2实验研究
2.1姜黄素标准曲线的制作
2.1.1实验仪器
表2-1实验仪器
仪器名称
型号
生产厂家
电子天平
AR2140
梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司
分光光度计
UV752
上海凤凰科仪有限公司
2.1.2实验药品
表2-2实验药品
药品名称
生产厂家
备注
姜黄素
天津市光复精细化工研究所
分析纯
乙醇
天津市凯通化学试剂有限公司
分析纯
2.1.3实验方法与步骤
精密称取姜黄素对照品50mg置100mL容量瓶中，加无水乙醇溶解，定容摇匀，作为标准储备溶液，精密吸取1．0mL置10mL容量瓶中，用无水乙醇稀释至刻度。
然后用微量移液管分别精密吸取该溶液0.0l，0.025，0.075，0.1，0.125，0.15，0.2，0.25，0.5，0.75，1.0mL，分别置10mL容量瓶中，用无水乙醇稀释至刻度，摇匀，以无水乙醇溶液为空白，在430nm波长处测定吸光度，以吸光度对浓度作线性回归。
2.1.4实验结论
表2-3姜黄素标准曲线
管号
原溶液体积（ml）
最终浓度（mg/ml）
吸光度
1
0.01
0.00005
0.009
2
0.025
0.000125
0.016
3
0.075
0.000375
0.051
4
0.1
0.0005
0.068
5
0.125
0.000625
0.089
6
0.15
0.00075
0.107
7
0.2
0.001
0.140
8
0.25
0.00125
0.177
9
0.5
0.0025
0.334
10
0.75
0.00375
0.528
11
1.0
0.005
0.742
由图2-4得到，姜黄素随着浓度的升高吸光度具有极好的线性关系，求得的回归线性方程为Y=145.31X-0.0048，R²=0.9978。
2.2乙醇浸提姜黄素的研究
2.2.1实验仪器
表2-4实验仪器
仪器名称
型号
生产厂家
粉碎机
XFB-500
吉首市中诚制药机械厂
电子天平
AR2140
梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司
分光光度计
UV752
上海凤凰科仪有限公司
恒温水浴锅
DF-101B
巩义市予华仪器有限责任公司
循环水式真空泵
SHZ-D3
巩义市予华仪器有限责任公司
干燥箱
PH-030A
上海一恒科学仪器有限公司
2.2.2实验试剂
表2-5实验试剂
药品名称
生产厂家
备注
姜黄
安徽广印中药股份有限公司
姜黄片
乙醇
天津市凯通化学试剂有限公司
分析纯
2.2.3实验原理
乙醇浸提姜黄素的方法属于溶剂提取法，即指从中草药中提取有效部位的方法，根据中草药中各种成分在溶剂中的溶解性，选用对活性成分溶解度大、对不需要溶出成分溶解度小的溶剂，而将有效成分从药材组织内溶解出来的方法。
乙醇对姜黄素具有溶解度大，对其他成分溶解性差。
乙醇通过渗透作用，通过姜黄细胞壁透入姜黄细胞内，溶解胞内的姜黄素，而造成细胞内外的浓度差，姜黄细胞内的高浓度姜黄素溶液不断向外扩散，溶剂又不断进入姜黄组织细胞中，多次往返，直到细胞内外姜黄素溶液浓度达到动态平衡时，大部分的姜黄素已被溶出。
2.2.4实验方法与步骤
将原料药材姜黄粉碎，在干燥箱中50℃以下干燥后备用。
称干姜黄粉末1.0g加入一定量的溶剂，用乙醇浸提，将提取液移入漏斗抽滤，取一定量的上清液，用70%乙醇定容到一定体积，然后以70%乙醇水溶液为空白组，然后在430nm处测定其吸光度。
2.2.5影响因素研究
（1）乙醇浓度对提取率影响
用无水乙醇分别配制50%、60%、70%、80%、90%的乙醇水溶液（体积比），备用。
称取5份1.0g姜黄粉末，分别置于20mL的50%、60%、70%、80%、90%乙醇水溶液中浸提40min，然后分别将提取液移入漏斗抽滤，取滤液1ml于10ml容量瓶中用70%乙醇水溶液定容，再从容量瓶中取1ml，于10ml容量瓶中用70%乙醇水溶液定容，即稀释100倍，以70%乙醇水溶液为空白组，测得各浸提液吸光度。
表2-6乙醇浓度对提取率的影响
管号
乙醇浓度（%）
吸光度
1
50
0.185
2
60
0.187
3
70
0.209
4
80
0.204
5
90
0.184
由图2-2可知，姜黄素的提取率随乙醇的浓度改变而发生变化，随乙醇浓度的升高，姜黄素的提取率先升高，在50%-60%区间缓慢上升，在60%-70%时出现急速上升现象，当乙醇浓度70%时出现最高提取率，而后姜黄素的提取率随乙醇浓度的上升而下降，由此得出最适合乙醇浸提姜黄素的乙醇浓度为70%。
（2）温度对提取率影响
称取5份1.0g姜黄粉末，分别加20ml70%的乙醇水溶液，分别于30℃、40℃、50℃、60℃、70℃水浴中浸提40min，然后分别将提取液移入漏斗抽滤，取滤液1ml于10ml容量瓶中用70%乙醇水溶液定容，再从容量瓶中取1ml，于10ml容量瓶中用70%乙醇水溶液定容，即稀释100倍，以70%乙醇水溶液为空白组，在430nm波长处测得各浸提液吸光度。
表2-7温度对提取率的影响
管号
温度
吸光度
1
30
0.245
2
40
0.254
3
50
0.261
4
60
0.270
5
70
0.258
图2-3表明，姜黄素的提取率随温度的变化而发生变化，首先在温度30-60℃区间时，姜黄素的提取率随温度的升高而缓慢增大，在60℃时提取率达到最大值，大于60℃后，姜黄素的提取率减小，这是因为姜黄素在温度过高时会发生分解反应，使得姜黄素的提取率降低，而在到达极限温度之前，随着温度的升高，更有利于乙醇水溶液渗透到姜黄细胞内，加速姜黄素的溶出，从而大大的提高姜黄素的提取率。
（3）时间对提取率影响
称取5份1.0g姜黄粉末，分别加20ml70%的乙醇水溶液，各提取5min、10min、20min、40min、60min、80min、100min、120min，然后分别将提取液移入漏斗抽滤，取滤液1ml于10ml容量瓶中用70%乙醇水溶液定容，再从容量瓶中取1ml，于10ml容量瓶中用70%乙醇水溶液定容，即稀释100倍，以70%乙醇水溶液为空白组，在430nm波长处测得各浸提液吸光度。
表2-8时间对提取率的影响
管号
提取时间（min）
吸光度
1
5
0.178
2
10
0.183
3
20
0.207
4
40
0.216
5
60
0.222
6
80
0.231
7
100
0.233
8
120
0.234
由图2-4分析可得，姜黄素的提取率随时间的增长而增大，在5-80min之间增长的趋势较明显，当超过80min时，基本不增长，说明用乙醇浸提姜黄素的极限时间为80min，这是因为当到达80min时，由于存在阻力作用胞内的姜黄素不在溶出。
（4）料液比对提取率影响
称取5份1.0g姜黄粉末，分别于5mL、10mL、20mL、40mL、60mL70%乙醇水溶液中浸提40min，将提取液移入漏斗抽滤，取滤液1ml于100ml容量瓶，分别用70%乙醇定容到100mL，然后再取1ml于10ml容量瓶中稀释10倍，以70%乙醇水溶液为空白组，在430nm波长处测得各浸提液吸光度，得出吸光度与料液比的关系曲线。
表2-9料液比对提取率的影响
管号
乙醇溶液体积（ml）
吸光度
1
5
0.457
2
10
0.461
3
20
0.480
4
40
0.467
5
60
0.453
图2-5说明，首先姜黄素的提取率随乙醇溶液体积的增大而增大，当到达20倍时，姜黄素的提取率达到最大值，超过20倍后，姜黄素的提取率急速下降，实验表明乙醇浸提姜黄素的最适料液比为1:
20。
2.3超声波法提取姜黄素
2.3.1实验仪器
表2-10实验仪器
仪器名称
型号
生产厂家
电子天平
AR2140
梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司
分光光度计
UV752
上海凤凰科仪有限公司
循环水式真空泵
SHZ-D3
巩义市予华仪器有限责任公司
超声波细胞粉碎机
SCIENTZ-ⅡD
宁波新芝生物科技股份有限公司
2.3.2实验试剂
表2-11实验试剂
药品名称
生产厂家
备注
乙醇
天津市凯通化学试剂有限公司
分析纯
2.3.3实验原理
超声波法提取原理是利用超声波辐射压强产生的强烈空化效应、扰动效应、高加
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