白桦脂醇的连续提取工艺研究

马博玉 于 涛

（东北盐碱植被恢复与重建教育部重点实验室/东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨150040）

白桦（Betula platyphylla Suk）是在黑龙江省分布广泛的林木资源[1]，在采伐与加工中产生的树皮、树梢等利用程度很低[2]。白桦酯醇是羽扇烷类五环三萜化合物[3]，在白桦树皮中含量较高，是目前合成白桦脂酸的主要原料。白桦脂酸是白桦脂醇的衍生物，基本无毒，具有较优越的抗HIV-1 及抗肿瘤等生物活性[4-8]。白桦脂醇的提取可以应用回流提取法[9]、超声辅助提取法[10]、超临界二氧化碳提取法[11]、亚临界水提取法[12-13]。液泛连续提取法是目前回流提取法中一种较好的连续提取方法[14，15]，该法是利用加热产生的提取溶剂蒸汽，来提高溶剂湍动及溶质的溶解速率，进而加快了提取速度。罗莎曼等[16]利用液泛提取设备进行白桦脂醇提取，提取率高且时间短，但该提取设备存在一定的缺陷，即需要适时调节加热功率，才能保证桦树皮粉始终浸泡在提取溶剂中，且同时有部分提取溶剂流回蒸馏分离器。利用该设备进行提取，若加热调节不当，会产生断流，导致提取效率降低。另外利用该设备进行提取时，存在安全隐患，若有固体物料堵塞隔板的孔隙，则会造成汽流不畅，压强异常，设备可能会发生爆裂，不适于白桦脂醇的大规模提取。

本研究选用乙醇/碳酸钠－水溶液为提取剂，利用安全性改进的设备进行白桦脂醇的液泛连续提取。本文通过试验研究了提取时间、乙醇/碳酸钠- 水溶液体积分数对白桦脂醇提取得率及质量分数的影响，确定了白桦脂醇液泛连续提取工艺条件，为实现白桦脂醇的工业化提取提供试验依据。

1 实验部分

1.1 主要原材料

白桦树皮：经干燥、粉碎后过12 目筛和14 目筛，取两筛之间的粉末（粉末的平均粒径为1.5mm）备用。

1.2 主要仪器

液泛提取器（自制）；HA120-50-01 超临界萃取装置；AZ20500B 超声波清洗器；Waters 高效液相色谱仪（2487 型紫外检测器）。

1.3 实验方法

1.3.1 连续提取方法

（1）改进的液泛提取设备。在原有液泛提取设备[16]的基础上，将筛板替换为液泛稳定器，改进的液泛提取设备示意图如图1，液泛稳定器示意图如图2。

（2）白桦脂醇液泛连续提取原理。

将待提取物料和提取剂分别置于浸提器及蒸汽发生器中，降液管的旋塞关闭，加热蒸汽发生器使提取剂沸腾，蒸汽经溢流管，通过蒸汽罩上部的开孔进入浸提器，冷凝为液体，进行浸提，浸提液可由蒸汽罩下部的开孔进入蒸汽罩中，当浸提液的液面高度超过溢流管侧口时，浸提液便通过溢流管侧回流到蒸汽发生器。通过控制加热温度来调节蒸汽量，使浸提器中的液层没过物料，并不断产生回流液，借以实现连续提取。提取操作结束时，打开降液管的旋塞，可使浸提器中的液体全部流回蒸汽发生器中。该设备用液泛稳定器替代筛板，不仅避免了因筛板阻塞而产生的安全隐患，同时也增加了浸提液对物料的浸泡时间。

选用乙醇/碳酸钠- 水溶液为提取剂，用上述设备提取白桦脂醇，由于乙醇与水受热共沸，共沸物中乙醇的体积分数为95%左右，即相当于以95%的乙醇为溶剂，浸提白桦树皮，当浸提液流回蒸汽发生器时，由于蒸汽发生器里的存有大量水，将浸提液稀释，致使白桦脂醇沉淀析出，因而实现了白桦脂醇提取与纯化同时进行。

（3）工艺流程。

（4）连续提取操作要点。

称取50.0g 白桦树皮粉末，从原料进口置于浸提器中，由液体进口向蒸汽发生器中加入乙醇/碳酸钠- 水溶液。加热使浸提器中的浸提液没过白桦树皮粉末并保持回流，提取一定时间后，停止加热，冷却至室温，从出料口放出液- 固混合物，过滤、水洗2 次，真空干燥后即得白桦树皮提取物，称重并测定其中白桦脂醇的含量，计算白桦脂醇的提取率。每组试验重复3 次。

图1 液泛提取设备示意图

图2 液泛稳定器示意图

1.3.2 白桦脂醇含量的测定

采用高效液相色谱法测定白桦脂醇的含量，方法见文献[16]

（1）白桦树皮中白桦脂醇含量的测定。

称取1.00g 白桦树皮粉，以100mL 乙醇为溶剂，进行索氏回流提取24h，将提取液用乙醇定容至250mL，试验重复3 次。按文献[16]测定白桦脂醇质量浓度（g/L）。计算白桦脂醇质量分数（w1）方法见式（1）。测得白桦树皮样品中白桦脂醇的质量分数为（21.55%±0.80）%。

式中：w1- 白桦脂醇质量分数，%；m1- 白桦树皮质量，g；C1-白桦脂醇质量浓度，g/L；V1- 提取液体积，0.25L。

（2）提取物中白桦脂醇含量的测定。

精密称取白桦树皮提取物0.100g，乙醇定容至50mL，按文献[16]测定白桦脂醇质量浓度（g/L）。计算白桦脂醇提取率（w2）方法见式（2）。

式中：w2- 白桦脂醇提取率,%；m2- 白桦树皮质量，g；m1- 质量m2的白桦树皮提取物的质量，g；m2- 提取物质量，0.01g；C2-提取物中白桦脂醇质量浓度，g/L；V2- 提取物溶液体积，0.05L；w1- 白桦树皮中白桦脂醇质量分数，25.51%。

标准品及白桦树皮提取物的HPLC 图谱见图3。

图3 白桦脂醇标准品（a）、白桦树皮提取物（b）的HPLC 谱图Fig. 3 Chromatograms of a betulin standard sample（a）and white birch bark extract（b）

2 结果与讨论

2.1 液泛连续提取条件的选择

经前期试验，发现若使浸提器中的液体能够没过50g 白桦树皮粉末，至少需要500mL 乙醇，即固液比至少为1:10（g:mL）。为保证试验所选提取剂中的乙醇均多于500mL，故选择固液比为1:20（gL:m），以确保有效提取。

根据白桦树皮及白桦脂醇的特性[3][10]，选择用5%碳酸钠水溶液与乙醇混合，配成乙醇/碳酸钠- 水溶液作为提取剂。

在固液比为1:20（gL:m）的条件下，初步探讨乙醇/碳酸钠-水溶液的体积分数、提取时间对白桦脂醇的提取率和白桦脂醇质量分数的影响。

2.1.1 乙醇体积分数对白桦脂醇提取的影响

提取时间为60min 下，分别探讨乙醇/碳酸钠- 水溶液的体积分数为55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%时对白桦脂醇提取的影响。

试验结果（图4-a）表明，乙醇/碳酸钠- 水溶液的体积分数在55%～75%之间时，白桦脂醇的提取率变化不明显，当乙醇体积占比高于65%时，白桦脂醇的提取率随着乙醇体积占比增加而降低，当乙醇体积占比高于85%时，白桦脂醇的提取率明显降低。这是因为乙醇体积占比较大时，在蒸汽发生器中液体的乙醇含量较高，白桦脂醇溶解度较大，不易析出，故提取率变低。从白桦脂醇的质量分数（图4-b）看，随着乙醇体积占比增加，白桦树皮提取物中白桦脂醇的含量逐渐升高，这是由于白桦树皮中的软木脂、酚酸类物质等[3]溶于浓度较高乙醇而不析出，从而使提取物中的白桦脂醇质量分数增加。综合考虑白桦脂醇的提取率和纯度，选用乙醇/碳酸钠- 水溶液的体积分数为65%的提取剂进行连续浸提较优。

图4 乙醇体积分数对白桦脂醇提取的影响Fig. 4 Effects of ethanol concentration on the extraction yield of betulin

2.1.2 提取时间对白桦脂醇提取的影响

选用乙醇体积分数为65%的提取剂进行提取，试验结果（图5-a）表明，随提取时间的延长白桦脂醇提取率逐渐增加，但提取时间超过75min 后，提取率的增加幅度变小，而白桦脂醇的质量分数则随时间延长而降低（图5-b），这可能是因为提取时间达到一定时，白桦脂醇已接近提取完全时，延长提取时间，杂质的溶出便增加了，从而导致白桦脂醇质量分数降低。因此，提取时间为75min 较合理。

a.提取时间/min

图5 提取时间对白桦脂醇提取率的影响Fig. 5 Effects of extraction time on the extraction yield of betulin

2.2 不同提取方法的比较

分别采用本研究的液泛连续提取法和超声波辅助提取法、超临界CO2萃取法[10-11]提取白桦树皮中的白桦脂醇，结果表明从白桦脂醇的收率和白桦脂醇的质量分数看，本研究提取法优于其他各法（如下表），具有较优越的工业化应用前景。

不同提取方法的比较

3 结论

3.1 以乙醇/碳酸钠－水溶液为提取剂，利用改进的液泛连续提取法提取白桦脂醇，并确定了工艺条件：乙醇体积分数为65%、提取时间为75 min。在此条件下提取白桦脂醇，白桦脂醇的提取率达到（90.39±1.23）%，白桦脂醇的质量分数达到（89.12±0.24）%。

3.2 与超声波辅助提取法、超临界流体萃取法相比，改进的液泛连续提取法提取白桦脂醇，提取率高、产品纯度高，且操作简单，安全性好，具有潜在的工业化应用前景。