（化学工程专业论文）苦楝果实中苦楝素的超临界二氧化碳萃取研究.pdf

摘要摘要苦楝( m e l i aa z e d a r a c hl i n n ) 为我国一个乡土树种，广泛分布于我国南部地区。苦楝中含有多种杀虫活性成分，其中苦楝素( t o o s e n d a n i n ) 是最主要的活性成分，它对多种害虫有毒杀作用，主要表现为使虫忌避、拒食；抑制昆虫生长发育、触杀、内吸致毒作用等。苦楝素用以制备植物源农药，与化学农药相比，具有安全、残效期短、高效、无毒、无污染、杀灭多种农业害虫等优越性，可以阻止害虫直接为害或抑制种群形成而达到对害虫的可持续控制，因而具有广泛的应用前景。超临界c 0 2 萃取技术是一种新型高效洁净分离技术，与传统的溶剂萃取方法比较，具有无溶剂残留、不破坏热敏性和易水解的物质等优点，在天然产物的提取领域中有良好的应用前景。本文以苦楝果实为原料，对采用超临界二氧化碳萃取苦楝素工艺的可行性及其适宜条件进行了系统的研究。采用有机溶剂提取法提取苦楝果实中的天然杀虫活性成分，考察了固液比、提取时间、提取次数对提取率的影响，同时成功地分离出萃取物中苦楝素，并将其纯化。采用差示扫描量热仪( d s c ) 测定苦楝素晶体基本的理化常数熔点。并通过红外吸收光谱( 瓜) 、紫外吸收光谱( u v ) 、有机质谱( e s i _ m s ) 对苦楝素晶体进行波谱分析，其分析结果和文献报道的苦楝素数据基本一致。研究了以苦楝果实为原料的超临界二氧化碳萃取工艺。实验中采用自行设计的超临界萃取设备，重点考察了萃取温度、。萃取压力对萃取率的影响，同时也考察了萃取时间、原料颗粒粒度、不同夹带剂及夹带剂用量对萃取率的影响。确定了适宜的萃取工艺条件。研究结果表明：萃取温度为4 0 ，萃取压力为2 0m p a 时，选择2 0 ( m o l t 0 0 1 ) 乙醇为夹带剂，苦楝素的萃取得率为9 8 。在超临界c 0 2 萃取苦楝素过程中，利用收缩核模型描述溶质的浸出，溶质首先从缩核边界层脱附分离出来，再从固体颗粒的微孔扩散到颗粒表面，最后跨过液膜，进入流体主体。该模型结合固相和流体相的质量衡算，对整个萃取过程进行了模拟，采用差分法，求得了模型的数值解，结果表明模型计算值与实验值基本上吻合。关键词：苦楝：苦楝素：超临界二氧化碳萃取；收缩核模型a b s t r a e ta b s t r a c tm e l i aa z a d a r a c hl i n nb e l o n g i n gt om e l i a c e a ee x i s t sb r o a d l yi no u rc o u n t r y t o o s e n d a n i n ，t h em a i ne f f e c t i v ei n g r e d i e n to ft h ef r u i to fm e l i aa z a d a r a c hl i n n ，i sak i n do ft e t r a c y c l i ct r i t e r p e n e ，w h i c hc a nb em a d ei n t op e s t i c i d e t o o s e n d a n i nc o u l dm a k ep i e r i sr a p a ca n t i f e e da n dh a v es t o m a c h t o x i ca c t i v i t i e s ，a n ds h o wh i g hf e e d i n gi n h i b i t o r ye f f e c t st ot o x o p t e r aa u r a n t i i t o o s e n d a n i nc a l lb ep u ti n t op r o d u c eb o t a n i c a li n s e c t i c i d e s t h i sb o t a n i c a li n s e c t i c i d ei sas a f ea n de f f e c t i v ea n df r e eo ft o x i cr e s i d u a l sa n da d a p t a b l et oc o n t r o l l i n gp e s t so v e rc r o p sw i t ho c c u r r i n gt h eu p s u r g eo fs a v a g e n e s s ，n u t r i t i o na n dr e t u r n i n gn a t u r a la l lo v e rt h ew o r l d ，s u p e r c r i t i c a lf l u i de x t r a c t i o nt e c h n o l o g yh o l d sp r o m i n e n ts t a t u si nt h ed o m a i no fe x t r a c t i o no fn a t u r a lp r o d u c t sa sak i n do fh i g he f f e c t i v ea n dc l e a ns e p a r a t i o nt e c h n o l o g y t h i st h e s i sm a i n l ye x p l o r e st h ef e a s i b i l i t ya n dt h eo p t i m a lc o n d i t i o n so fe x t r a c t i n gt o o s e n d a n i nf r o mt h ef r u i t so fm e l i aa z a d a r a c hl i n nw i t hs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d e t h ep r o c e s so fe x t r a c t i n gt o o s e n d a n i nf r o mt h ef r u i t so fm e l i aa z a d a r a c hl i n nu s i n ge t h a n o le x t r a c t i o na n dc r y s t a l l i z a t i o nm e t h o dw a sf h - s t l ys t u d i e d a n de f f e c t so fe x t r a c t i o nt i m e ，e r x t r a c t i o nt i m e sa n dt h er a t i oo fl i q u i dt os o l i do nt h ey i e l do ft o o s e n d a n i nw e r ei n v e s t i g a t e d t w om e l t i n gp o i n t so ft h ec r y s t a lo b t a i n e dw e r ed e t e r m i n e db yu s i n gd i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r i c ( d s c ) i t ss t r u c t u r ew a se l u c i d a t e db ys p e c t r o s c o p i cm e a n s ( u l t r av i o l e ts p e c t r o s c o p y , e l e c t r o s p r a yi o n i a z t i o nm a s ss p e c t r o s c o p ya n di n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ) a l lt h er e s u l t so fq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa g r e e dr o u g h l yw e l lw i t ht h er e s u l t si nt h er e l a t e dr e f e r e n c e s t h ep r o c e s so fe x t r a c t i n gt o o s e n d a n i nw a sf u r t h e rs t u d i e df r o mt h ef r u i t so fm e l i aa z a d a r a c hl i n nw i t hs u p e r c r i t i c a lc 0 2u s i n gt h es u p e r c r i t i c a lf l u i de x t r a c t i o na p p a r a t u s w h i c hw a sm a d eb yo u r s e l v e s a n de f f e c t so fe x t r a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo nt h ee x t r a c t i o ny i e l dw e r ei n v e s t i g a t e d e f f e c t so fe x t r a c t i o nt i m e ，t h es i z eo fm a t e r i a la n dt h ec o n c e n t r a t i o na n dd o s a g eo fm o d i f i e r so nt h ee x t r a c t i o ny i e l do ft o o s e n d a n i nw e r es t u d i e d t h eo p t i m a le x t r a c t i o nc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e de x p e r i m e n t a l l y i ti sf o u n dt h a tt h ey i e l do ft o o s e n d a n i ni su pt o9 8 w h e nu s i n g2 0 e t h o n a lm o d i f i e ra tp r e s s u r e2 0m p aa n dt e m p e r a t u r e4 0 a b s t r a c tm o r e o v e r , t h es h r i n k i n gm o d e lw a su s e dt os i m u l a t et h em a s st r a n s f e rp r o c e s so ft o o s e n d a n i n li ns u p e r e r i t i c a lf l u i d as i m p l e xm e t h o dw a su s e dt of i ta n do p t i m i z et h em o d e lp a r a m e t e r s t h en u m e r i c a ls o l u t i o no fy i e l d sv s e x t r a c t i o nt i m ew a so b t a i n e db yd i f f e r e n t i a lm e t h o d t h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lf i t st h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e l l k e yw o r d s ：m e l i na z a d a r a c hl i n n ；t o o s e n d a n i n ；s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ee x t r a c t i o n ；s h r i n k i n gc o r em o d e l符号说明符号说明c i固体孔道内流体中溶质的浓度，m o l m 3c 嘣孔道内溶质在流体中的平衡浓度，m o l m 3c溶质在流体主体的浓度，m o l m 3d e溶质在多孔基质中的有效扩散系数，m 2 sk f溶质在多孔基质中的扩散系数，m 8r固体颗粒直径，ml萃取器的高度，md l流体界面的对流传质系数，m ? 8v流体的流率，m sr 。萃取核芯半径，mt时间，sz萃取器的轴向坐标r固体颗粒的径向坐标p超临界流体的密度，k g m 3p c固体颗粒本体密度，k g m 3床层孔隙率t固体基质内孔道的曲折因子，m o l m 3q固体颗粒中溶质的浓度，t o o l m 3石固体颗粒中溶质的平均浓度，m o l m 3q o固体颗粒中溶质的原始浓度，m o l m 3p超临界流体的粘度，p a s三无因次半径，r r专缩收核的无因次半径，r c r0 无因次时间，( d e r 2 ) tz无因次高度，z lb ib l o t 数。k f rid ep ep e c l e t 数，l v d l厦门大学学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。声明人( 签名瓤哆唧年月侣厦门大学学位论文著作权使用声明本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。本学位论文属于1 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。2 不保密()( 请在以上相应括号内打“4 )作者签名：磁趣c c 今日期：刃叩年月力e t导师签名：乡老雨日期：卯夕年月夕日第一章文献综述1 1 植物源农药的发展1 1 1 农药的发展第一章文献综述农产品是整个人类社会得以生存和进步的基本物质，但是病、虫、害、鼠等有害生物一直在抢占破坏人类赖以生存的物质，人类与这些有害生物的斗争从来没有停息过。化学农药的问世为人类的生存和生活水平的提高做出了重大的贡献。与此同时，化学农药的长期使用带来了种种弊端，如有害生物抗药性的产生、残留毒性以及环境污染等等。目前，许多高毒性、高残留、持久性农药已被禁止使用。公众对农药的认识也发生了深刻的变化，他们心目中理想的农药应该对有害生物高效、对非靶标生物安全、易分解且分解产物对环境无害。人们普遍认为2 l 世纪的农药将成为一种“环境和谐农药 。社会的发展、公众的需要，促使科研人员在微生物学、植物化学等不同方面寻求对人类健康和生态环境安全的新型有害生物控制剂。植物是生物活性化合物的天然宝库，其产生的次生代谢产物超过4 0 0 0 0 0 种【l 】，其中的大多数化学物质如萜烯类、生物碱、类黄酮、甾体、酚类、独特的氨基酸和多糖等均具有杀虫或抗菌活性。g r a n g e 和a h m e d t 2 】曾报道约有2 4 0 0 种植物具有控制有害生物的活性，而这些在化学性质上作过调查研究的植物仅占全世界现有植物种类的1 0 ，因此开发利用植物资源用于有害生物防治的前景十分广阔。从植物中探寻新的活性先导物或新的作用靶标，通过类推合成或生物合理设计进行新农药的开发已成为当前农药化学和农药毒理学研究的热点。1 1 2 植物源农药的研究进展我国是研究应用杀虫植物最早的国家之一，现已查清的3 万余种高等植物之中，有毒植物1 3 0 0 多种，其中许多植物具有杀虫活性物质。据调查统计，我国作为农药的植物主要集中于楝科、菊科、豆科、卫茅科和大戟科等3 0 多科【3 ，4 1 ，其中以楝科、豆科和卫茅科的植物被认为最具有开发利用价值。植物农药可分为植物杀虫剂、植物杀菌剂、植物杀鼠剂、植物生长调节剂及植第一章文献综述物除草剂，其中以植物杀虫剂、植物杀菌剂研究最为深入。植物杀虫活性物质能作为农药来防治病虫害，是因为其体内含有毒杀害虫或抑制病菌作用的物质，即有效成分。植物所含的化学成分比较复杂，有效成分中的一部分是植物生长中固有的一类物质，一部分是植物新陈代谢过程的产物。一些植物具有防病治虫的药效是由于其体内在和病虫草害之间的相同进化过程中为适应自我防卫的需要而产生的自我防卫的化学物质，即植物源生理活性物质。目前，可以用来制备生物农药的杀虫活性物质主要有以下几类：( 1 ) 生物碱类目前人们发现的生物碱己有6 0 0 0 多种，已证明有杀死害虫作用的主要有喜树碱、苦参碱、黎芦碱、百部碱、雷公藤碱、木防己碱、苦豆子碱等【5 ，6 1 。该类化合物对昆虫的作用方式多种多样，如毒杀、拒食和忌避及抑制生长发育等。( 2 ) 萜烯类化合物它是植物源农药中含量较多、研究比较广泛的一类化合物，其中精油的大部分组分为萜烯类化合物。目前从植物源农药中发现的萜烯类主要有单萜类、倍半萜类、双萜类和三萜类化合物 7 】。单萜类对昆虫的作用方式为熏杀作用：倍半萜类主要通过拒食、胃毒、内吸作用和影响试虫的产卵、孵化等生殖行为消灭害虫；二萜类的作用方式主要有拒食、毒杀和抑制幼虫生长发育等：三萜类化合物有目前世界公认的最重要的昆虫拒食剂，如印楝的主要活性成分印楝素，它对2 0 0 多种害虫有不同的作用。本课题研究的杀虫物质苦楝也含三萜类物质，三萜类化合物的作用方式有拒食、胃毒等作用。( 3 ) 光活化毒素这一类化合物在光照条件下显示光活化的特性害虫的毒杀效果往往会成几倍、几十倍、甚至上千倍地提高，在害虫防治方面具有巨大的潜力【8 】。( 4 ) 精油类它是存在于植物体中的一类可随水蒸气蒸馏、且具有一定气味的挥发性油状液体物质的总称【9 1 。精油主要通过熏杀作用来杀死害虫。1 1 3 植物源农药作用机理的研究人们在研究植物源农药的活性成分的同时对植物源农药的作用机理也做进行了大量的研究，发现植物源农药对害虫的作用症状独特，作用方式多样，作用机理复杂。( 1 ) 毒杀作用植物对昆虫的抵御机制之一是抗生，这种作用的具体表现形式就是对害虫具有第一章文献综述毒杀活性。a 胃毒毒杀作用大多数植物源杀虫物质都具有胃毒毒杀作用。如从楝科楝属植物中提取的苦楝素，具有较强的胃毒毒杀活性，在人工饲料中混入苦楝素，对粘虫有直接毒杀作用。砂地柏为柏科圆柏属植物，其提取物可分为精油和非精油两部分，从非精油中分离出脱氧鬼臼毒素( d e o x y p o d o p h l l o t o x i n ) 和鬼臼毒素( p o d o p h y l l o t o x i n ) 两种活性成分。脱氧鬼臼毒素对菜青虫有较强的胃毒毒杀活性和拒食活性，以浓度0 0 5 ( 体积比) 的脱氧鬼臼毒素浸叶饲喂5 龄菜青虫，3 天后死亡率高达1 0 0 。但鬼臼毒素仅表现出较强的拒食活性。苦皮藤是卫茅科南蛇藤属植物，吴文君【l o ，n 1 从其根皮中分离出的活性物质对粘虫幼虫表现出较强的胃毒毒杀活性，其症状为兴奋、抽搐、失水、死亡或恢复。在失水阶段，部分试虫排除直肠。对于恢复的试虫有6 2 5死于5 龄或蛹，3 2 5 的正常羽化，但所产的卵均不能孵化。另外，还有许多植物的提取物具有胃毒毒杀活性，如：烟碱、博落回碱、苦皮藤素、苦皮藤素、黄杜鹃素f c 2 2 、闹羊花素、马桑毒素等。b 熏杀作用植物次生代谢物质中的一大类是精油。许多精油对昆虫都具熏杀作用。侯华民等研究表明，八角茴香等5 种精油对粘虫、小菜蛾、棉铃虫、玉米象都具较强的熏杀作用。砂地柏精油也具有较强的熏杀活性，对小菜蛾3 龄幼虫的l c5 0 为9 4 6m g l 。毒理学研究表明【1 3 】，砂地柏精油可使粘虫表皮蜡质层颗粒排列发生变化、破坏中肠组织、抑制中枢神经电位自发放。因此，将精油用于防治仓储害虫和温室害虫在生产实践中有重大意义。c 触杀作用人们研究发现烟碱对蚜虫具有较强的触杀作用，从苦参中分离出来的苦参碱有较强的触杀活性。泽漆植株和曼陀罗叶提取液对菜青虫的触杀活性都较高。害虫一接触到它们，即麻醉中枢神经，继而使虫体蛋白质凝固，堵死虫体的气孔，使害虫窒息而死1 4 1 。d 内吸毒杀作用内吸毒杀作用是一种特殊的胃毒方式，在生产上一般用于土壤、种子处理或涂茎、滴心等。这些方式相对于喷雾来说对环境污染小，不易杀伤天敌。许多植物源第一章文献综述杀虫物质具典型的内吸毒杀活性。苦楝、川楝、苦皮藤、黄杜鹃等植物的提取物都对水稻三化螟具有较强的内吸毒杀活性【1 5 】。( 2 ) 干扰昆虫正常的行为许多植物源杀虫物质都可干扰昆虫正常行为，表现为拒食、忌避、抗产卵或干扰产卵行为而致降低卵量【1 5 】。( 3 ) 干扰昆虫正常的生长发育许多植物源杀虫物质的显著特点之一是它可干扰害虫的正常发育，如可使害虫幼虫期延长，以致受到的自然不利影响加重；可以减少害虫当年发生的代数；降低越冬虫口基数等。如菜青虫5 龄幼虫取食少量苦楝素后有一半以上不能正常化蛹羽化，多数死于预蛹或化为畸形蛹，其余的不能羽化或羽化为畸形成虫【1 6 】。( 4 ) 杀菌和治疗病毒的作用烟草、茶饼、鱼藤、雷公藤等植物的提取物能抑制某些病菌孢子的发芽和生长，或阻止病菌侵入植株【1 7 1 引。小藜( c h e n o p o d i 啪s e m t i n 啪) 和玉簪( h o s t 印h a n t a g i n e a )两种植物的提取液对番茄花叶病毒有一定的治疗作用；连翅( f o r s y t h i as u s p e n s e ) 、大黄( r h e u me f f i c i n a l l e ) 和板兰根( i s a t i st i n c t o r i a ) 对黄瓜花叶病毒引起的辣椒花叶病具有比较稳定的防效。1 1 4 植物源农药的特点植物源农药相对于化学农药来说，具有许多优点：( 1 ) 植物源农药的活性成分是从天然生物中提取出来的能非常容易的被降解掉。其残留期短、毒性小，非常适合蔬菜、水果等作物的虫害防治。( 2 ) 植物源农药大多是从天然植物中提出的混合物，是天然的混配复剂，对害虫有拒食、忌避、抑制生长发育、控制种群等多种作用，有害生物不易产生抗药性。( 3 ) 植物源农药对人畜及害虫的天敌较安全。植物源农药特异性比较强，毒性相对较小，对非靶标生物比较安全。( 4 ) 生物活性多样性。植物源农药不仅可以杀虫、杀菌、抑制其它植物的生长，而且其作用方式多种多样。其作用方式兼有触杀、胃毒、熏蒸、忌避、拒食、光合化毒杀作用、干扰昆虫的中枢神经系统及生长发育抑制等，有些还能抑制昆虫产卵，改变昆虫行为，甚至改变形态。第一章文献综述当然，植物源农药研究还存在一些问题，在使用植物源农药时，必须综合考虑它的优缺点，取长补短，使杀虫效果最大程度的发挥出来，这种问题主要有：( 1 ) 稳定性不够，受外界环境条件( 如土坡、温度、光照、土壤p h 值) ，土壤营养成份和周围生物群落等的影响较大。活性成份在植物的不同部位含量亦不同，特别是有些活性成分对光照和热不稳定，如印楝素在光照下容易发生分解。( 2 ) 有效成份的确定较困难。不同植物，不同部位有效成分不同，同一种植物含有多种不同有效成份，给人工合成带来很大的困难，这也是目前人工模拟合成植物源农药少的一个重要原因，给植物源农药的质量控制带来一定的影响。( 3 ) 使用成本较高，作用缓慢，持效期相对较短。1 1 5 植物源农药的发展前景及展望目前全球农业防治病虫草害，仍以化学农药为主。自2 0 世纪4 0 年代化学农药开始应用于农业生产以来，全世界已有4 5 0 0 0 余种化学农药制剂，经常使用的约5 0 0种，产量在2 0 0 万吨以上。长期大量使用化学农药导致抗药性害虫大量增加。特别是近1 0 年来，棉铃虫、蚜虫、小菜蛾、斜纹夜蛾等多发性害虫对菊酯类、有机磷类化学农药的抗药性增加了几百乃至数千倍。大量化学农药的施用，使农产品中农药残留量增加，严重污染了环境，危及人类健康及生命。我国农药污染是世界上最严重的国家之一，食品中农药检出率高达9 0 以上。化学农药新药开发越来越难。研制高效低毒的化学农药仍然是一个重要方向。但是，由于新药筛选成功率愈来愈低，对新药性能的要求愈来愈高，因此新药筛选越来越困难。筛选化学农药的机率只有二万分之一，而生物农药的成功率是五千分之一。与生物农药相比，化学农药的开发周期3 倍于生物农药，开发费用4 0 倍于生物农药，注册费则是生物农药的1 0 0 倍。这种状况迫使企业寻求新的发展途径，用更多的投入来开发生物农药。代替化学农药的将是生物农药。生物农药具有安全、无毒副作用、不污染环境等优点。大力发展生物农药已成为必然的趋势。生物农药是生产绿色食品和发展无公害农业的重要保证。中国生物农药市场需求量很大。中国小麦、水稻、玉米和棉花的种植面积约9 0 0 0多万公顷，蔬菜、烟叶种植面积约3 3 0 万公顷。每年棉铃虫、小菜蛾和甜菜夜蛾等第一章文献综述害虫危害面积约2 0 0 0 万公顷，水稻纹枯病、稻瘟病、白叶枯病、小麦白粉病、锈病、赤霉病、植物线虫病和病毒病等危害面积约2 7 0 0 万公顷，因此，农药的需求量很大。因此，未来生物农药发展潜力巨大。我国植物资源丰富，其中相当一部分含有杀虫活性成分。加之各地荒山、荒地均可种植，生产植物源农药投资少，见效快，原材料广泛，投资利润率和收益率均很高。随着人们生活水平的提高，对环保问题越来越重视，迫切需要高效、低毒、低残留的新型农药代替现有农药。另外，随着国外绿色贸易壁垒提高，使我国有比较优势的劳动密集型产品如蔬菜、畜产品、水产品的出1 2 频频受阻，植物源农药在克服绿色壁垒方面具有极大的优势。现在，世界植物源农药的产量连年递增，新品种不断增加。大力研究开发及推广使用植物源农药，对于现代农业和绿色食品生产的发展，具有极其重要的意义。1 2 楝科植物杀虫物质的研究情况楝科楝属植物主要有四种：即苦楝( m a z e d a r a c hl i n n ) 、川楝( m t o o s e n d a ns i e b e t z u c c ) 、南岭楝( m d u b i a c a r ) 和印楝( a z a d i r a c h t a l n d i c a a j u s s ) 。其中苦楝在中国分布最广，广布于黄河以南，以北也有另行分布。印楝分布于南亚、东南亚及其它热带地区，在我国没有自然分布，1 9 8 3 年我国开始引种印楝，1 9 8 6 年大面积引种于海南省万宁县。楝科植物中含有多种杀虫活性物质，由于这些杀虫活性物质源于自然，与自然环境有很好的相容性，因而楝科植物作为植物源农药，具有对有害生物高效、对非靶标生物安全、易分解、不污染环境和不破坏生态平衡等许多优点，具有很大的发展前途，近年来，国内外不少科研人员对楝科楝属植物进行了大量的研究工作【2 m 2 6 1 。苦楝( m e l i aa z e d a r a c hl i n n ) ，如图1 1 所示，作为医药使用，在我国据文献记载至少己有2 0 0 0 多年的历史。明朝李时珍所著的本草纲目中对楝的医用价值做了详细描述，认为其是一种清热解毒、去肝火、止痛、治疵、疥、驱虫之良药。2 0 世纪中叶在农业领域为实现病虫害综合管理，要求使用无公害的生物型杀虫剂，从植物界中寻找杀虫活性物质就成为了热门研究课题，其中对印楝( a z a d i r a c h t al n d i c aa j u s s ) 和苦楝( m a z e d a r a c hl i n n ) 等几种楝科植物杀虫特性的研究成果最为引人注目。研究人员已对其化学成分及结构、毒理、作用范围、加工及使用等方第一章文献综述面作了广泛研究，结果证明楝科植物的活性物质杀虫范围广，作用机制特殊，对环境、人畜、天敌较安全，可作为新型的生物杀虫剂用于生产实践 2 7 - 3 0 】。此外，苦楝也是一种综合利用价值较高的树种。苦楝树生长迅速，冠形美观，干形笔直，病虫害少，可作为理想的园林绿化树种。楝木木材轻软，纹理粗而美，适为上等家具、建筑、模型、舟车、乐器等用材。果实的皮、肉可制白酒和工业酒精，果核硬壳可制糖醛、活性炭。图1 1 苦楝树的叶子、花和果实f i g1 1t h el e a v e sa n df l o w e r sa n df r u i t so fm e l i aa z e d a r a c hl i n n在从天然产物中寻找具有杀虫活性物质的研究中，已发现全世界约16 0 0 种以上植物具有杀虫活性物质，其中研究最多的是楝科植物，主要是苦楝、川楝和印楝。美国、印度等国家对印楝做了大量而深人的研究。我国学者从上世纪5 0 年代起开始了关于苦楝( 包括川楝) 的化学成分，药理作用，杀虫作用及其机理等方面的研究，现就这几个方面分别进行论述。1 2 1 化学成分搞清楝科植物杀虫活性物质的化学成分和结构，是有效利用它们的基础工作。四川省中药研究所从1 9 5 3 年开始，在寻找代替进口药物山道年驱除蛔虫时，根据我国古代文献记载、传统医学及民间偏方，从几种楝科植物树皮中发现了一种驱蛔有效成分，经过分离、提纯出结晶物并定名为川楝素( 又称苦楝素，t o o s e n d a n i n ) 。钟炽昌 3 1 1 等测定该物质为呋喃三萜类化合物，并初步确定其分子式( c 3 0 h 3 8 0 1 1 ) 和结第一章文献综述构式，舒国欣掣3 2 】修正后正式定名了其化学结构，并证实川楝素有2 个互变异构体存在，分别为川楝素和异川楝素。杨光忠等【3 3 】从苦楝皮中首次分离到黄酮类化合物一苦楝咕吨酮( m e l i a n x a n t h o n e ) 。李世生【蚓从苦楝茎皮中首次分离了5 个微量酚性化合物，分别为阿魏酸二十六醇( h e x a c o s y l e r u l a t e ) 、阿魏酸二十七醇酯( t e t r a c o s y l f e r u l a t e ) 、阿魏酸二十醇酯( p e n t a c o s y l e r u l a t e ) 、阿魏酸二十五醇酯( h e p t a e o s y l f e r u l a t e ) 、阿魏酸二十八醇酯( o c t a c o s y l f e r u l a t e ) 。汪文陆和顾静文等【3 5 ，3 6 】分别对苦楝果实的生物活性和化学成分进行了系统研究，认为苦楝果实的生物活性成分有别于苦楝根皮或树皮，这些活性物质主要是苦楝新醇( m e l i a n o n i n 0 1 ) ，苦楝酮( m e l i a n o n e ) ，苦楝醇( m e l i a n 0 1 ) ，苦楝二醇( m e l i a n d i 0 1 ) ，苦楝三醇( m e l i a n t r i 0 1 ) ，香草酸( v a n i l i c a c i d ) ，香草醛( v a n i l i n ) ，川楝素( t o o s e n d a n i n )及对苯二甲酸二甲酯( 1 4 b e n z e n e d i c a h o x y i ca c i d d i r n e t h y le s t e r ) 。1 2 2 苦楝杀虫机理及其应用从2 0 世纪8 0 年代起，我国学者先后发现并研究了楝科植物苦楝中活性物质对农业害虫的毒杀作用，取得了一定的成果。大量研究表明，楝科植物的杀虫作用是广谱性的。主要表现为忌避、拒食、抑制昆虫生长发育、触杀及内吸致毒作用。汪文陆、赵善欢、张兴等【3 5 , 3 6 , 3 7 】采用生物活性追踪法，从苦楝根皮、树皮和果实中分离出多种四环三萜类杀虫有效成分。他们研究发现这些成分对菜青虫( p i e r i sr a p a e ) 和亚洲玉米螟( o s t r i n n i af u r a a c a l i s ) 均表现出明显的拒食活性。张兴【2 4 】研究发现，川楝素对小水稻叶夜蛾( s p o d o p t e r aa b y s s i n i a ) ，白脉粘虫( l e a c a n i ac o m p t a ) ，斜纹夜蛾( p r o d e n i al i t u r a ) ，桔蚜侧( p h i vc i t r i c i d i s ) 等有一定的拒食与忌避作用，另外还发现苦楝种核乙醇提取物对红脚异丽金龟衅有拒食作用，但石油醚提取物却表现出明显的引诱取食作用，同时还发现川楝素还对菜青虫有明显的胃毒活性。张兴等【3 7 】研究证明苦楝果实中各生物成分对菜青虫的活性有一定的差异，其生物及胃毒活性次序为：川楝素 苦楝三醇 苦楝二醇 苦楝酮 苦楝醇。刘嘉宝等【3 8 】研究也发现用苦楝素粗制品配制成乳剂对蚜虫、菜青虫具有良好的防治效果。赵博光等【3 9 】分别用2 5 0 ，5 0 0 ，10 0 0 ，20 0 0m g k g 浓度的苦楝果提取物处理的枝条作为天牛的食物研究了其对桑天牛每日总产卵量及卵孵化的影响，发现苦楝果实提取物对桑天牛的产卵及卵孵化均有显著的影响且对桑天牛取食无明显的拒食第一章文献综述作用。黄珍友、张业光邮】通过研究1 7 、1 5 、l l 、8 、5 年生的苦楝对家白蚁( c o p t o t e r i m e sf o f i l l o s a n u s ) 的毒杀作用，发现不同树龄的苦楝木材，表皮、种核均对家白蚁有毒杀作用且死亡率为1 0 0 。曾怡曾【4 l 】研究发现自制苦楝抽提液对严重危害辣椒且对三氯杀瞒醇，尼素朗等杀蜻剂抗性很强的茶黄蜻有很好的防止效果。唐昌林，阂冬青【4 2 】实验发现苦楝皮及果、叶制剂对危害菌类的害虫一小菌蚊、舌输均有很好的防治效果。谷艳芳、郑合勋【4 3 】采用饲喂法，发现苦楝种核甲醇和石油醚提取物对棉铃虫( h e l i o t h i sa r m i g e r a ) 的生长发育及繁殖均有影响，表现在它使幼虫期延长，产卵量减少，但因溶剂及提取方法不同，其表现出来的生物活性也不同。甲醇提取物具有比石油醚提取物较强的生长抑制作用。顾静文掣3 6 , 4 4 , 4 5 】通过实验还发现，苦楝果实抽提物及单体化合物对植物具有生长调节的作用。他们的生物活性鉴定结果表明，果实种仁的水抽提物对水稻早期萌动，发芽与秧苗的生长均有促进作用。m u l l am s 】通过研究苦楝中活性物质对昆虫的活性及生物学效应。发现苦楝制剂对蚊子、苍蝇、嶂螂、跳蚤、虱等昆虫具有拒食，生长控制，抑制产卵力及不育化，排斥产卵及p h 碍媒介传播病原体的生长等作用。p i n ap m 【4 刀研究了苦楝提取物对人体肝片吸虫病的宿主蜗牛椎实螺的灭螺活性。发现苦楝素对软体动物的心率有明显的作用效果，因而认为用苦楝控制软体动物有巨大的潜力。1 2 3 苦楝素的提取方法在进行植物中有效成分提取时，根据所提取植物种类、部位，提取物的极性挥发性，以及提取目的等的不同，往往选择不同的提取方法。提取方法主要有以下几种：溶剂萃取法、超声提取法、压榨法、树脂吸附法r 用于提取挥发性较强的芳香性成分) 、超临界流体萃取法等。目前对于苦楝有效成分的提取绝大多数采用溶剂法，采用超临界流体萃取报道不多。顾静文【4 4 1 、刘立鼎【4 8 】等对于苦楝果实分别采用水和有机溶剂进行提取，经过成分分析发现，提取物含有多种萜类化合物；唐英 4 9 , 5 0 ，赵淑樊5 1 】分别采用超声波协助法和微波辅助法提取苦楝素；苦楝素的提取率分别为0 3 8 和1 2 4 5 6 。姜萍 5 2 】分别采用微波辅助提取法、超声波提取法、超临界c 0 2 萃取法和有机溶剂提取第一章文献综述法对苦楝进行提取，苦楝素的萃取率分别为0 6 9 3 ，0 7 1 5 ，0 8 5 0 和0 6 2 1 ；杜爱玲例等采用超临界c 0 2 对苦楝皮中的苦楝素进行萃取，压力2 8m p a ，温度6 0，萃取4 5 小时，提携剂含量4 5 ，萃取率可达4 2 4 。溶剂萃取属于分离科学的范畴，它是通过物质由一个液相转移到另一个基本不相溶的液相这传质过程来实现物质的提取、分离的。目前，溶剂萃取法已广泛应用于工业生产，积累了大量的科学实验和生产实践的资料。若被提取、分离的物质是有机化合物，则称为有机萃取。根据中草药中各种成分在溶剂中的溶解性质，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，从而将有效成分从药材组织中溶解出来。当溶剂加到中草药原料( 需适当粉碎) 中时，溶剂由于扩散、渗透作用逐渐通过细胞壁透入到细胞内，溶解了可溶性物质，而造成细胞内外的浓度差，于是细胞内的浓溶液不断向外扩散，溶剂又不断进入药材组织细胞中，如此多次往返，直至细胞内外溶液达到动态平衡时，将此饱和溶液滤出，继续多次加入新溶剂，就可以把所需要的成分近乎完全溶出或大部分溶出。优点：( 1 ) 提取效率高：( 2 ) 设备投资较少，见效快；( 3 ) 生产一般在常压或减压、较低温度下进行，耗能低；( 4 ) 易于实现工业自动化和连续性生产。缺点：( 1 ) 萃取剂一般具有毒性；( 2 ) 分离工艺较复杂，操作困难：( 3 ) 提取温度较高时，容易破坏萃取物质的生物活性；( 4 ) 产品中有毒溶剂残留往往超过质量标准。在植物有效成分提取中，溶剂萃取法作为一种传统的提取方法，山于其诸多优点，目前仍然被广泛采用。但是随着人们环保意识的增强，采用更为先进的提取方法可加强对环境的保护，同时有利于生产绿色的食品，满足人类对生活质量不断提高的要求。本文尝试采用超临界萃取法对苦楝素进行提取，在预试验中也采用溶剂法，以便比较两种方法在提取天然成分制备农药方面的优劣。第一章文献综述1 3 超临界流体萃取技术0 5 “1 1早在1 8 2 2 年，c a g n i a r d d el at o u r 首次发现超临界现象，1 8 6 9 年，a n d r e w s i 贝l j 定了c 0 2 的临界参数。1 8 7 9 年h a n n a y 和h o g a n h 测量了固体在超临界流体中的溶解度，提出了超临界流体萃取的概念。从1 8 7 9 年发现了超临界流体现象以来，关于超临界流体方面的知识日益积累，1 9 7 0 年后出现了超临界流体技术的研究开发热潮，大量有关专利不断涌现，萃取对象包括啤酒花、咖啡、烟草、调味料等等；1 9 7 8 年联邦德国不莱梅的h a g 公司建成了世界上第一套用于商业生产的超临界流体萃取设备( 处理量达到2 7l t a ) ，并成功地用于对咖啡豆进行脱咖啡因处理，生产出能保持咖啡原有色、香、味的脱咖啡因咖啡，成为超临界流体萃取技术发展的重要里程碑。超临界流体萃取技术在高附加值、热敏的和难分离的物质的回收，以及微量杂质的脱除方面显示了它的优越性，应用范围涉及到食品、香料、医药和化工等领域。气体和液体统称为流体，它们之间并无严格分界，如图1 1 所示，通常将低于临界温度t c 的分别称为蒸气和液体，前者可通过压缩变为液体。当温度高于t c ，则将压力比临界压力p c 低的称为气体，它不能仅通过增压变为液体。对于温度高于t c 、压力大于p c 的那部分，难以区分为气体或液体，只能称为流体；其中接近临界点c 的称为超临界流体【5 4 , 5 8 】( s u p e r c r i t i c a lf l u i d ，s c f ) ；也可以将所有t t o 、p p c 的都称为超临界流体。图1 2 为二氧化碳的相变图，通过增加压力和温度，可以观察到二氧化碳的相变化。第一章文献综述庄力温度图1 2 纯流体的压力温度关系示意图图1 3c 0 2 的超临界相变化f i g 1 3p ts u p e r c r i t i c a lp h a s ec h a n g ed i a g r a mo fc 0 21 3 1 超临界流体的性质及萃取原理s c f 特殊的溶解能力可以粗略地归因于它具有类似于液体的密度，除此以外它在传递性质方面也有其优势，如粘度、扩散系数等类似气体。图1 4 是流体的对比密度pr ( p pc ) 随对比压力p r 的变化，图中画出的是等对比温度( t r ) 线。由图可见，当t r 1 时，在临界点c 附近密度随压力升高急剧增大，比气体大数百倍，近于液体的数值。第一章文献综述p r = p p c图1 4c 0 2 的对比密度图f i g 1 4c a r b o nd i o x i d ed e n s i t y - p r e s s u r ep h a s ed i a g r a m图1 5 是c 0 2 的粘度，在低p r 值的区域，粘度随温度的升高而增大，在高p r值区域，粘度却随温度的升高而降低；当p p c 时，虽然粘度随压力升高而增加，但仍为1 0 一p a s 的数量级，比液体小近百倍，流动性要比液体好很多，在相同的流速下，超临界流体的流动雷诺数比液体大的很多，所以传质系数也比液体大很多。图1 - 6 是c 0 2 的自扩散系数，在超临界区域，它的数值比液相中溶质的扩散系数( 1 0 一m 2 s _ 1 ) 大得多，溶质在s c f 中扩散系数与s c f 的自扩散系数有大致，相同的数量级。超临界c 0 2 自扩散系数介于气体与液体之间，大约是气体的百分之一，比液体大数百倍，这表明在超临界流体中的传质比在液体中的好得多。第一章文献综述沮度k图1 5c 0 2 的粘度图f i g 1 5v i s c o s i t yo fc a m o nd i o x i d e图1 6c 0 2 的自扩散系数与溶质在常规液体中的扩散系数比较f i g 1 6c o m p a r i s o nb e t w e e nc 0 2s e l f - d i f f u s i o nc o e f f i c i e n ta n dt h a to fc o m m o nf l u i d1 4 气鹫簟第一章文献综述由于在其他条件完全相同的情况下，流体的密度在相当程度上反映了它的溶解能力，通常溶质溶解度与溶剂的密度有如下关系：i n c - - m l n p + 常数，溶剂密度增大，溶质的溶解度就增大，反之密度减小，溶质的溶解度就减小。s c f 的密度既是温度的函数，又是压力的函数。所以，将温度或压力进行适当变化，从而改变流体密度，进而改变萃取物在流体中的溶解度，以达到萃取和分离的目的。1 3 2 超临