《武汉工程大学学报》 2016年05期
425-430
出版日期：2016-11-02
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
从龙脑樟中提取天然冰片的工艺改进
1 引 言天然右旋龙脑（D-borneol）原名“龙脑香”，又称天然冰片，俗称梅片，是从龙脑樟的枝叶和树干中经水蒸汽蒸馏的结晶产物［1］.有开窍醒神、清热止痛之功效，用于热病神昏、痉厥和喉痹赤痛等病症，是一种名贵珍稀药材［2-3］和高级香料［4］.目前，右旋龙脑被广泛应用于医药、香料、化妆品、食品工业上.冰片生产方法主要有利用水蒸气蒸馏法从植物中提取、化学合成法［5-6］和生物合成法.后两种方法由于技术原因，都会在合成过程中产生左旋龙脑和对人体有害的异龙脑，不能得到高纯度的右旋龙脑，因而利用水蒸气蒸馏法从植物中提取仍是目前生产天然右旋龙脑的唯一方法.目前，龙脑樟与天然冰片的相关研究主要以龙脑樟叶部挥发油［7］的提取及成分分析为主，也有研究者基于龙脑樟叶部挥发油的成分分析，探究从龙脑樟叶部挥发油中提取天然冰片的方法［8］.近年来，学者研究了不同产地［9］（湖南新晃、江西吉安、广东梅州、贵州望谟等）龙脑樟叶部挥发油的成分，发现其中含有丰富的天然冰片资源，改变了我国天然冰片长期依赖进口的局面.我国所产的天然冰片主要是从龙脑樟的枝叶中提取并通过精制［10］而成，它不含对人体有害的异龙脑，其药用效果远远优于合成冰片和天然左旋龙脑（艾片）.天然冰片的提取工艺中，目前文献报道的以及工业上大多数采用传统的单级冷凝水蒸气蒸馏获得粗品再精制的方法［11］，普遍存在操作周期长，耗水量大，收率少，纯度低，成品可能存在溶剂残留，需进一步提纯，药渣未进行资源化利用等问题.因此，提出优化工艺，研究最佳的提取工艺过程和工艺条件，以提高冰片收率和有效物质含量，减少有害物质的产生和药渣残留量并利于下一步药渣的资源化利用，为工业化生产提供理论依据，对该产业的经济效益与环境效益具有极大的促进意义.2 实验部分2.1 实验材料龙脑樟（Cinnamomum Camphora）枝叶，由湖北某生物科技公司提供.2.2 实验仪器水蒸气蒸馏装置，一套为单级冷凝，另一套为两级冷凝；电子天平（BSA223S）；气相色谱-质谱联用仪（Agilent 7890A/5975C）.2.3 实验方法称取30 g经粉碎的龙脑樟枝叶置于500 mL蒸馏烧瓶中，加入一定量的蒸馏水浸泡一段时间后共水蒸馏，分别采用单级冷凝和两级冷凝，其中单级冷凝为冷却水冷凝，两级冷凝的第一级冷凝为空气冷凝，第二级冷凝为冷却水冷凝，一定的蒸馏时间后，冰片于冷却水冷凝管管口析出，取出后称量，计算收率.实验工艺流程见图1.由于天然冰片具有挥发性，取得产品称量后需立即装入封口袋密封冷冻保存.2.4 产品的收率、成分及纯度分析产品的收率以所得产品质量与用原料量之比（%）计，成分及纯度采用气相色谱—质谱联用（GC-MS）进行分析［12］.3 结果与讨论3.1 单级冷凝与两级冷凝的对比实验条件：原料浸泡时间24 h，料水比1∶5，蒸馏时间30 min，平均气温30 ℃～35 ℃.单级冷凝与两级冷凝的产品收率对比见表1.由表1可见，采用两级冷凝的产品收率明显高于单级冷凝.蒸馏过程中，当体系的饱和蒸汽压达到一个大气压时，冰片随水及其他挥发油类物质一并蒸出，单级冷却水冷凝的过程中，水、挥发油类物质以及冰片均在冷凝管管口冷凝，冷凝效率低；而水及挥发油类物质对冰片均存在一定的溶解性，部分已析出的冰片被溶解并作为馏出液流入末端接收器［13］，在传统工艺中，对流入末端接收器的冰片采用有机溶剂萃取的方法再行提取，导致产品收率低、废水产量大，造成有机溶剂残留的问题，且得到的天然冰片粗品还需经重结晶、升华［14］等方法提纯.故宜采用分级冷凝，在冷凝过程中使冰片与水和挥发油类物质实现分离，以减少冰片流入末端接收器的量.在两级冷凝的过程中，由于两段冷凝器的冷凝效果存在级别上的差异，水及一些挥发油类物质露点较高，均在第一级空气冷凝管中便冷凝后流入末端接收器，而龙脑具有在100 ℃左右升华/凝华特性［14］，目标产品冰片则在第二级冷却水冷凝管管口凝华析出.空气、冷却水两级冷凝结合了传统工艺中先采用水蒸气蒸馏—溶剂萃取得到粗品再以升华法提纯得到精品的方法，利用对冷凝过程的控制，缩短了工艺链，这样不仅提高了冰片冷凝析出的效率，而且减少了冰片进入末端接收器的量，从源头避免了使用有机溶剂萃取的方法.3.2 提取工艺的正交实验为了初步确定最佳的提取工艺，并探究不同因素对产品收率影响的关键性和显著性，本文于平均气温30 ℃~35 ℃的条件下，设置浸泡时间（A）、料水比（B）、蒸馏时间（C）作为考察因素，设计L9（34）正交表进行实验，因素水平见表2，结果见表3.由表3正交实验的结果可知，影响产品收率的关键因素为蒸馏时间（C），浸泡时间（A）与料水比（B）对产品收率的影响程度较为接近.最佳的条件组合为A1B2C1，即浸泡24 h，料水比1∶5，蒸馏时间30 min.3.3 提取工艺的单因素实验3.3.1 浸泡时间的影响 浸泡是中药提取的常用的预处理步骤［15］，充分的浸泡有助于有效物质的溶出，缩短提取时间，提高产品收率.本文在平均气温30 ℃～35 ℃的条件下，固定料水比1∶5，蒸馏时间30 min，采用两级冷凝的条件下，研究了不同浸泡时间对收率的影响，结果见图2.由图2可见，浸泡24 h收率最高，可达1.1%；浸泡0 h（不浸泡）产品收率最低，为0.83%.作为原料的龙脑樟枝叶比水轻，加料后会浮在水面上，故浸泡过程是必要的；同时，浸泡时间不宜过长，浸泡时间过长可能导致有效物质发生氧化变性.3.3.2 料水比的影响 在工业生产中，料水比是蒸馏操作的一个重要因素.本文采用两级冷凝，于平均气温30 ℃～35 ℃，固定浸泡时间24 h，蒸馏时间30 min，改变料水比，研究不同料水比对收率的影响，结果见图3.由图3结果可知，料水比1∶5为最佳，产品收率可达1.1%.料水比过高或过低均会导致产品收率的下降.料水比过高导致原料无法充分浸泡；料水比过低不仅增加了水耗、能耗，还导致随水一并蒸出的有效物质减少，对产品收率造成不利影响.3.3.3 蒸馏时间的影响 因水及一些挥发油类物质对冰片存在一定的溶解性［13］，在蒸馏过程中，第一级冷凝由于是空气冷凝，其冷凝效果实际上是不断减弱的，故蒸馏时间不宜过长.考虑到当地四季气侯的差异，在浸泡时间24 h，料水比1∶5，两级冷凝的条件下，分别在平均气温30 ℃~35 ℃和平均气温5 ℃~10 ℃的条件下进行了蒸馏时间的研究，结果见图4.由图4可见，在气温5 ℃~10 ℃条件下，冰片于蒸馏30 min后才明显地析出，5 ℃~10 ℃条件下最佳蒸馏时间为60 min，产品收率可达1.2%；30℃~35 ℃条件下最佳蒸馏时间为30 min，产品收率达1.1%.第一级空气冷凝管的冷凝效率受气温的影响，气温越低，第一级冷凝的效果减弱越慢.故5 ℃~10 ℃条件下产品收率略有提高，而所需蒸馏时间也相对较长.另外，不同的气温、加热功率以及空气冷凝管的长度所需的蒸馏时间也是不同的.在工业化生产中，可通过量化地调整加热功率、改变第一级冷凝器中冷凝介质的流速、控制第一级冷凝器出口气体的温度，消除由于气温变化等因素导致的蒸馏时间以及产品收率的差异.3.4 蒸馏釜液套用对结果的影响由于蒸馏时间相对较短，蒸馏结束后烧瓶中剩余的液体较多，为了节约用水，减少废水排放，本研究将蒸馏烧瓶中剩余的液体和药渣一并抽滤后，滤液套用至下次蒸馏操作中，并且可以实现反复的套用.其他条件不变，套用次数对产品收率的影响见表3.由表3数据可见，前两次釜液套用产品收率略有提高，至第6次套用收率都维持在一个比较高的水平.可见，釜液的套用对产品收率不会造成显著影响.因单次馏出液产量少，仅约30 mL，且馏出液含有较多挥发油类物质，这些物质对天然冰片具有一定的溶解性，为防止挥发油类物质过多积聚导致天然冰片被溶解，故馏出液的套用暂不做考虑.3.5 产品的分析本文选取釜液套用0次（收率1.213%）与2次（收率1.223%）的产品分别进行GC-MS检测，其总离子色谱图如图5、图6所示.将单个峰对应的质谱图与NIST08标准谱库比较，其纯度及主要杂质的含量见表4. 测试结果证实所提取到的固体的主要成分是右旋龙脑，未经釜液套用产品纯度可达95.23%；釜液套用2次后，纯度仍可达95.19%，其主要杂质为龙脑氧化变性的产物，这可能是釜液放置时间过长以及多次蒸煮造成.可见釜液的套用不会对产品的纯度造成明显影响.4 结 语1） 将龙脑樟提取天然冰片的传统水蒸汽蒸馏工艺中的单级冷却水冷凝改为空气与冷却水两级冷凝工艺，结合了传统的水蒸气蒸馏—溶剂萃取—升华工艺，使冰片在冷凝过程中直接析出，缩短了工艺链，省略了有机溶剂萃取的步骤，可避免传统工艺中可能存在的溶剂残留对成品质量的影响，冰片纯度达95%以上.2） 改进的水蒸气蒸馏工艺的最佳工艺条件为：原料浸泡时间24 h，料水比1∶5，30 ℃~35 ℃条件下蒸馏时间30 min，5 ℃~10 ℃条件下蒸馏时间60 min.天然冰片的收率可达到1.2%.3）为了节约用水，减少废水产生和排放，提取过程所产生的蒸馏釜残液可套用6次，对产品的收率及纯度不会造成明显影响.