硫酸反萃取法从烟草中提取烟碱

第38卷 第5期2010年9月

河南师范大学学报(自然科学版)

JournalofHenanNormalUniversity(NaturalScience)

Vol.38 No.5 Sept.2010

文章编号:1000-2367(2010)05-0142-04

硫酸反萃取法从烟草中提取烟碱

王龙德1,崔 鹏2

(1.淮南师范学院化学与化工系,安徽淮南232001;2.合肥工业大学化工学院,合肥230009)

摘 要:采用改进的二次萃取蒸馏的方法,提取烟草中的烟碱,用正交实验和单因素实验考察了提取工艺和萃

取分离过程对提取效率的影响.结果表明,优化工艺条件为:以0.5%NaOH溶液浸泡粉碎后的烟叶,置于65 水浴中搅拌3h,过滤后调节所得滤液pH至12,用正己烷按照体积比1 2萃取3次,有机相用20%硫酸溶液反萃,调节pH到12后,用正己烷二次萃取,减压蒸馏后得到纯度为45%的烟碱,提取率可达72%.

关键词:烟碱;烟草;二次萃取蒸馏法;硫酸反萃取中图分类号:O629.3

文献标志码:A

烟碱是一种主要存在于茄科类植物中的生物碱,在医药领域及在化工领域中,烟碱都具有广泛应用.我国烟草行业中每年都有大量的废次烟叶被作为废弃物扔掉,而它们可作为提取天然烟碱的丰富来源,因此,从废次烟叶中提取天然烟碱受到了人们的普遍关注.除了传统的水蒸气蒸馏法、离子交换法和有机溶剂萃取法[2]之外,近年来出现了一些新的烟碱提取方法,如微波协助萃取法[3-5]、超声波协助萃取法[6-7]、超临界流体萃取法、碳化脱羧法、微乳液萃取法等.作为有机溶剂萃取法的改进,本文对水蒸气蒸馏法和有机溶剂萃取法进行了研究,综合两者之优点,系统地研究了改进的二次萃取蒸馏法提取烟碱的工艺过程.

[8,9]

[10]

[11]

[1]

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

烟草;甲醇,乙醚,石油醚(沸程60~90 ),正己烷,硫酸,氢氧化钠(均为分析纯);295型循环式真空泵;21700型紫外分光光度计.1.2 烟碱提取方法

实验采取改进的二次萃取蒸馏法,烟碱在碱性水相中成为游离态,通过碱化后,过滤使烟碱从滤液中的多酚酸性单宁质、蛋白质、果胶以及大部分有机酸中分离出来.根据烟碱在碱性水相中容易被有机溶剂萃取,在酸性条件下又容易被水相反萃取的性质,采用萃取 反萃取方法,最后把含烟碱有机相减压蒸馏,残液即为含量45%以上的天然烟碱产品.实验工艺流程为:

烟叶(10g)!碱液(NaOH)浸泡!抽滤!调节滤液pH!萃取!硫酸反萃!调节pH!萃取!减压蒸馏!产品1.3 分析方法

目前,烟碱的测定方法主要有硅钨酸重量法、分光光度法、滴定法、薄层色谱法、气相色谱法、高效液相色谱法、极谱法等,这些方法各有利弊.国内外测定烟草中烟碱含量的方法,最多的是采用重量法和紫外分光光度法.烟碱水溶液对特定波长的紫外光具有最大的吸收能力,且其吸光度与烟碱含量成正比.借助紫外分光光度计即可得到烟碱质量.采用国际标准推荐的紫外分光光度法分析产品中的硫酸烟碱或天然烟碱的含量,根据是烟碱水溶液在259nm处存在特征吸收峰,测定236nm,259nm,282nm3处的吸光度D236,D259,D282,由下式计算出天然烟碱的浸提百分率:

收稿日期:2010 03 30

基金项目:安徽省高等学校科研项目(KJ2009B264Z)

,,:.

[12,13]

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烟碱浸提率%=

259236282,

34.3 烟碱总质量

其中1.059为校正系数;F为样产品的稀释倍数;34.3为烟碱在水溶液中的比消光系数;V为所得产品的体积.由于产品中烟碱含量较高,所以分析前必须稀释,以控制D259在0.16~0.65的吸光值范围内,使其较好的符合比尔定律.

2 结果与讨论

2.1 提取工艺研究

以浸泡碱液浓度、浸泡次数、浸泡时间、浸泡温度为因素进行了正交实验,正交实验结果见表1.

表1 正交实验设计及结果

实验号

12345678

9k1k2k3极差R

浸泡碱液浓度/%

0.50.50.50.250.250.250.80.80.868.851.644.824.0

浸泡次数/次

12412412454.555.356.11.6

t/h631.531.561.56353.356.455.43.1

t/ 30659090306565903053.057.654.64.6

提取率/%63.872.869.751.350.153.346.442.945.2

由表1可知:(1)浸泡碱液浓度对烟碱提取率影响最大,浸泡温度次之,再次是浸泡时间,浸泡次数最小;(2)浸泡碱液的浓度对得到烟碱的量有很大的影响,浸泡的作用就是将游离烟碱离子以及烟碱盐从固体烟叶中溶解到水中来,因此水溶液能使其浸泡出来.碱液浸泡出来的直接就是游离烟碱,而蒸馏水及酸性溶液则是将烟碱盐浸泡到溶液中.而烟碱盐均是弱酸弱碱盐,不能很好的被水溶液浸泡出来.(3)烟碱提取率随着浸泡提取时间的延长,先是慢慢增加而后有所降低.出现这种趋势的可能原因是:溶液中的游离烟碱和仍留在烟叶中的烟碱盐已经达到了最大平衡,时间越长并不利于烟碱的游离.此外,浸泡提取的初始阶段,扩散作用居于主导地位,浸泡时间延长有利于烟碱的浸出,但是固体到液体的传播介质中存在着一个浓度平衡.达到浓度平衡以后,继续增加浸泡的时间,将不再有助于烟碱浸出,相反地会导致更多杂质进入浸泡的液体.烟草受浸泡时间过长也会造成烟叶膨胀,造成后续的过滤损失,烟碱提取率反而下降.(4)在较低温度下,温度的提高使得烟碱的传质速度随之升高,浸提效果也随着提高;而根据烟碱的性质,在65 以下烟碱可与水互溶,更高的温度就会超过互溶温度而不能使烟叶中的烟碱充分浸泡出来.因此,优化条件为:浸泡碱液NaOH浓度为0.5%,浸泡2次,浸泡时间3h,浸泡液温度65 .

2.2 萃取分离过程的考察

游离态烟碱在溶剂中的溶解度顺序为:无机酸性介质>>有机溶剂>>碱性水介质[14-15].因此,可以用有机溶剂将烟碱从碱性水相萃取到有机相中,以达到去除水溶性杂质的目的.该过程的决定因素主要包括萃取剂种类,萃取次数,有机溶剂与浸泡提取所得滤液的体积比和萃取前浸泡提取液的pH值.

2.2.1 萃取剂种类 只改变萃取溶剂的种类,萃取3次,其它条件保持一致,结果见表2.

提取条件:烟叶10g,80mL的0.5%NaOH溶液于65 下浸提3h,浸泡提取2次,萃取前pH值均调为13.0,萃取有机溶剂和浸泡提取的液体体积比均为1 3.

,.表2 萃取剂种类对烟碱提取率的影响

溶剂种类提取率

石油醚47.39%

乙醚50.97%

正己烷72.81%

144

河南师范大学学报(自然科学版) 2010年

明,利用正己烷萃取时,分层比较快速明显,易于将水相与有机层分离,不易出现乳化现象;采用石油醚萃取时,过渡区出现了较严重的凝胶现象,且需要较长时间才能分离;采用乙醚萃取时,提取效果不佳,分离时间也较长.因此,选择正己烷作为萃取溶剂较为合适.

2.2.2 萃取次数 以正己烷为萃取溶剂,只改变萃取的次数,其它条件保持一致,结果见表3.

提取条件:烟叶10g,80mL的0.5%NaOH溶液于65 下浸泡3h,浸泡提取2次,萃取前pH值均调为13.0,萃取有机溶剂和浸泡提取液体积比均为1 3.

由表3可知,增加萃取次数,可以显著地提高提取效果,但随着萃取次数增多,烟碱提取率的上升趋势逐渐减缓,这是因为烟碱浸泡提取的液体中烟碱的量是固定的,增加次数后提取比例不能符合直线的正增长,同时次数过多也会导致操作繁琐与有机溶剂的浪费.因此,选择萃取3次较为合适.

2.2.3 萃取剂用量 萃取前调节pH=13,只改变萃取剂与浸提液的体积比,其它条件保持一致,结果见表4.

提取条件:烟叶10g,80mL的0.5%NaOH溶液于65 下将烟叶浸泡提取3h,浸提2次,正己烷萃取3次.

萃取次数提取率

表3 萃取次数对烟碱提取率的影响

121.22%

238.74%

359.03%

470.11%

572.34%

表4 萃取剂与浸提液体积比对烟碱提取率的影响

体积比提取率

1 1037.25%

1 539.43%

1 342.96%

2 551.13%

1 271.74%

表5 浸提液pH值对烟碱提取率的影响

pH值提取率

945.18%

1046.14%

1146.92%

1253.08%

1372.83%

表6 稀硫酸浓度对提取率的影响

浓度提取率

5%27.32%

10%34.81%

15%54.67%

20%70.45%

25%71.22%

表7 反萃时稀硫酸和有机溶剂的比例对提

取率的影响

比例提取率

1 541.73%

1 454.38%

1 365.06%

1 272.21%

由表4可知,体积比越大,萃取效果越好,但是受溶液中的烟碱量限制,无限制的增大萃取剂用量并不可靠,且可能造成有机溶剂污染.因此,将萃取剂与浸泡提取所得的液体的体积比选在1 2较为合适.

2.2.4 浸泡提取液pH值 萃取剂与浸泡提取的液体体积比为1 2,只改变萃取前浸泡提取液的pH值,其它条件保持一致,结果见表5.

提取条件:烟叶10g,80mL0.5%的NaOH溶液于65 下将烟叶浸泡提取3h,浸泡提取2次,正己烷萃取3次.

由表5可知,随着pH值逐渐增大,烟碱提取率有所提高,其原因在于浸泡提取液中的烟碱盐和游离态烟碱之间存在一个解离平衡,pH值越大,烟叶中的烟碱盐转变为游离烟碱的量则越多,被有机溶剂萃取出来的机会也相应增加.因此,一般应在pH为13.0的条件下进行浸泡提取的操作.

2.2.5 稀硫酸反萃浓度 只改变反萃时的稀硫酸浓度,分别为5%,10%,15%,20%和25%.结果如下.

提取条件:烟叶10g,80mL0.5%的NaOH溶液65 下浸泡提取3h,浸泡提取2次,正己烷萃取3次.由表6可知:随稀硫酸浓度的增大,烟碱提取率有所提高.其原因在于,萃取剂中游离的烟碱与酸中的烟碱盐存在动态平恒,酸浓度越高,萃取剂中的烟碱转化为烟碱盐的量越多,被酸反萃的机会也增加.但浓度再增高后,受到萃取量的限定增长的效果降低.多消耗了药品而收效不大,容易造成污染且不利以后的pH调整,因此以20%的硫酸反萃较好.

2.2.6稀硫酸反萃用量 只改变反萃时20%稀硫酸的用量,其与有机萃取剂正己烷的体积比为1 5,1 4,1 3,1 2.反萃取2次,其它条件保持一致,结果如下.

提取条件:烟草10g,80mL0.5%的NaOH溶液于65 下浸泡提取3h,浸泡提取2次,萃取前pH值均调为13.0.

反萃是为了克服一次蒸馏容易出现的杂质较多,有一定乳化的现象,以达到更高的纯度.由表7可知,随着体积比的提高,可以将较多的烟碱提取出来,但是受到浓度平衡的影响,不可能提取超过限度的烟碱量,而,

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溶剂过多的后果,造成污染和浪费.所以以1 2的比例比较合适.

3 结 论

以改进的二次萃取蒸馏法提取废次烟叶中的烟碱,经浸泡、过滤、萃取、反萃、萃取、减压蒸馏精制等提取工艺得到了纯度为45%以上的天然烟碱产品,提取率为72%,并对其中主要步骤的条件进行了优化:

(1)浸泡条件,运用正交实验法对浸泡碱液浓度、浸泡次数、浸泡时间、浸泡温度进行了考察.较为优化的条件为将烟草在65 下以0.5%NaOH溶液浸泡两次,每次浸泡3h.(2)萃取,考察了萃取剂种类、萃取剂与萃取溶液体积比和萃取溶液pH值对萃取效果的影响.实验数据表明,正己烷的萃取效果明显优于石油醚,体积比为1 2得到的结果较好,萃取溶液中的pH=13.0有助于烟碱的提取.

(3)反萃,考察了稀硫酸反萃浓度及反萃用量对烟碱提取效率的影响.实验数据表明,用稀硫酸反萃浓度以20%、体积比为1 2为宜.

参 考 文 献

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SulfuricAcidCounterExtractionMethodWithdraw

theSmokeAlkalifromtheTobacco

WANGLong de,CUIPeng

1

2

(1.DepartmentofChemistryandChemicalEngineering,HuainanNormalCollege,Huainan232001,China;

2.SchoolofChemicalEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:Modifiedtwiceextractionanddistillationmethodfromthenicotineinwastetobaccoarestudied.Theoptimum

extractingconditionsareinvestigatedbyorthogonalexperimentandsinglefactorexperiment.Theoptimumconditionsofmodi fiedtwiceextractionanddistillationareasfollowing:Thetobaccodippedin0.5%NaOHsolutionassolventisputin65 wa ter,agitatedfor3handthentakenout.TheobtainedliquidtopH=12byNaOHsolutionisadjustedandthenextractedforthreetimeswithvolumeratioofn hexanetofeedstock1 2.Theorganicphaseisextractedinreversewith20%H2SO4solu tionandthenadjustedtopH=12again.Afterthat,thesecondextractioniscarriedoutwithn hexane.Thenvacuumdistil lationisadopted.Finally,nicotineisobtainedwith45%concentrationandtheyieldofnicotinehasreached72%.

Keywords:nicotine;tobacco;twiceextractionanddistillation;sulfuricacidcounterextraction

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ik1j.html