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【COSMOlogic应用实例】山东科技大学崔志芳副教授团队成果:基于COSMO-RS筛选低共熔溶剂及银杏叶类黄酮提取工艺优化

本研究采用模拟计算与实验相结合的方法,通 过COSMO-RS 计算,以γ 为指标,从多组NADESs 组合中筛选出提取类黄酮较优的NADESs。
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所属分类
化工设计
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方案详情
性质:
热力学性质(溶解度、粘度等)

摘要:

依据真实溶剂类导体屏蔽模型(Conductor-like Screening Model for Real Solvents,COSMO-RS),通过计算筛选出银杏叶中类黄酮提取所用的天然低共熔溶剂(Natural Deep Eutectic Solvents,NADESs)。以类黄酮得率为考察指标,在单因素实验的基础上,采用Box-Behnken 响应面法对提取工艺进行优化。结果表明: 氯化胆碱/甘油体系(摩尔比1:2)为较优的NADESs,当银杏叶与NADESs固液比为1:30.7(g/mL),73.2 ℃下提取4.1h时,回归模型预测类黄酮理论得率可高达5.70%,与验证试验值5.68%基本一致。本研究采用计算机模拟与实验相结合方法,为天然产物提取所用溶剂的筛选及后续工艺优化提供参考。 

 

引言:

酮类化合物是银杏叶中主要成分之一(含量可达6%~8%),生理活性和药理活性十分广泛。该类化合物通过抗氧化和去除氧自由基而具有抗衰老的功效,还可增强机体免疫力,具有抗炎、抗病毒等功能。

 

银杏叶中类黄酮常采用一定体积分数的乙醇等极性有机溶剂加以提取。近年来有学者采用超声或微波来加速黄酮类成分溶出,进而缩短提取时间,但提取时仍然多采用易燃易爆、易挥发的有机溶剂。

 

天然低共熔溶剂(Natural Deep Eutectic Solvents,NADESs)是由氢键受体(Hydrogen Bond Acceptor,HBA,常见的有季铵盐)与氢键供体(Hydrogen BondDonor,HBD)按照一定摩尔配比所组成的一类新型溶剂,其凝固点显著低于各个纯组分的熔点。

 

本研究采用模拟计算与实验相结合的方法,通过COSMO-RS计算,以γ为指标,从多组NADESs组合中筛选出提取类黄酮较优的NADESs。利用响应面法试验设计,对影响类黄酮提取的工艺条件如固液比、温度、提取时间等因素进行优化,得到最优的NADESs提取类黄酮工艺,并为天然产物的NADESs提取相关研究提供参考。

 

实验方法:

本研究采用模拟计算与实验相结合的方法,通过COSMO-RS计算,以γ为指标,从多组NADESs组合中筛选出提取类黄酮较优的NADESs。利用响应面法试验设计,对影响类黄酮提取的工艺条件如固液比、温度、提取时间等因素进行优化,得到最优的NADESs提取类黄酮工艺,并为天然产物的NADESs提取相关研究提供参考。

在单因素实验基础上,采用Box-Behnken 试验设计原理,进行响应面试验设计,以类黄酮得率为主要考察指标,对于固液比、提取时间、提取温度三个因素进行优化。响应面试验的因素与水平如下表1 所示。

采用图1 所示的COSMO-RS计算模拟流程图进行NADESs筛选,得到不同溶剂对于芦丁的无限稀释活度系数γ,发现以本研究所考察的三个HBA:HBD配比下,摩尔比为1:2时,所得NADESs最易配制、且γ相较其他摩尔比要小。对于该摩尔比下的六组NADESs 体系进行银杏叶类黄酮的初步提取实验,提取条件为80 ℃,2h,固液比1:30(g/mL),所得不同体系下类黄酮得率如表2所示( 同时列出该体系对芦丁的γ) 。由表2可见,甘油做HBD 时对应芦丁的γ 最小,同时提取类黄酮得率也最高,表明计算所得γ与类黄酮得率有一定相关性。

温度升高可促进传质,在一定程度上提高生物活性物质从固体原料中的脱出并溶解扩散到提取溶剂中的速度。采取固液比1:30(g/mL),在较优的提取时间5h的提取条件下,对不同提取温度的影响进行了研究。由图2B温度对得率影响可以看出,随温度增加,得率逐渐增加,但是90 ℃下的得率略低于80 ℃,从节省加热耗能以及类黄酮这一生物活性物质的稳定性保障两方面考虑,不建议后续实验中提取温度高于90 ℃。因50 ℃时所得NADESs较为粘稠,传质较慢,也在一定程度上限制了类黄酮的提取,故响应面试验拟定选取55、70、85℃三个水平的提取温度加以优化。

在单因素实验的基础上,进行NADESs提取类黄酮响应面试验,所得实验结果如表3所示。

对于响应面实验所得的实验结果进行绘图,得到各因素在不同水平下对于类黄酮得率的等高线(左) 和三维图(右) 如图3所示。固液比和提取时间的等高线(图3A) 最接近圆形,说明两者交互作用最不显著,而提取时间与提取温度所得椭圆形最明显,说明两者之间交互作用较大,该结果与表4方差分析的显著性结果对应。

 

总结:

采用COSMO-RS计算方法,通过量子力学模拟计算,筛选出银杏叶中类黄酮提取较优的NADESs。在此基础上结合响应面法实验设计,对影响类黄酮提取的工艺条件进行优化。结果表明: 采用氯化胆碱/甘油(摩尔比1:2)的NADESs、固液比1:30.7(g/mL)、73.2 ℃下提取4.1h,类黄酮得率可达5.68%。本研究通过计算机模拟计算和实验相结合的方式,在节省人力、物力及时间投入的同时,得到一种绿色、高效、低成本的银杏叶类黄酮NADESs最优提取工艺,为银杏叶资源的有效利用提供参考。

 

文章详情请见:10.13386 /j.issn1002-0306.2020.17.030

 

本文计算模拟所用软件为Materials Studio 7.0

 

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作者简介:

崔志芳  山东科技大学  副教授

研究方向:

(1) 生化产物的高效提取分离及生化相关产品检测技术

(2) 纤维素类生物质的生物及化学法转化技术

(3) 生物微胶囊技术

(4) 生物发酵及产品代谢机理的研究

(5) 无污染表面处理技术。

 

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