2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——應(yīng)用化學(xué)在中藥提取中的新工藝優(yōu)化方案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)要說明不同類型的超臨界流體（如CO2、N2O）作為中藥提取溶劑的優(yōu)勢(shì)，并指出選擇超臨界CO2萃取時(shí)，關(guān)鍵的操作參數(shù)（如溫度、壓力）對(duì)目標(biāo)成分萃取效率的影響機(jī)理。二、中藥中某類典型成分（如皂苷）通常具有較好的水溶性但穩(wěn)定性相對(duì)較差。比較酶法提取該類成分與傳統(tǒng)溶劑提取在反應(yīng)原理、選擇性、對(duì)成分結(jié)構(gòu)完整性影響及環(huán)境友好性等方面的主要差異。三、在設(shè)計(jì)一項(xiàng)中藥浸膏的純化工藝時(shí)，如果目標(biāo)成分A（pKa≈4.5）與雜質(zhì)B（非離子型，水中溶解度低）共存，且A在pH2-3時(shí)穩(wěn)定性最佳。請(qǐng)簡(jiǎn)述可以選擇的兩種不同的純化方法（如化學(xué)方法或物理化學(xué)方法），并說明選擇這些方法的依據(jù)及操作注意事項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)有效分離。四、假設(shè)你需要優(yōu)化某中藥飲片中特定生物堿（弱堿性）的微波輔助提取工藝。請(qǐng)列出至少三個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)，并分別闡述改變這些參數(shù)（如微波功率、輻照時(shí)間、料液比、溶劑體系）可能對(duì)提取效果（如得率、純度）產(chǎn)生的影響。若采用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化，簡(jiǎn)述其基本原理及其在本案例中的優(yōu)勢(shì)。五、描述在中藥提取過程中，如何利用流體力學(xué)原理來設(shè)計(jì)提取設(shè)備（如攪拌式提取罐）以提高傳質(zhì)效率。并說明提高攪拌速度可能帶來的利弊。六、某種新興的中藥提取技術(shù)（如亞臨界水萃取或脈沖電場(chǎng)提取）被提出用于提取某種活性成分。請(qǐng)選擇其中一種技術(shù)，簡(jiǎn)述其基本原理，并列舉至少三個(gè)該技術(shù)在中藥提取中可能面臨的挑戰(zhàn)或需要重點(diǎn)考慮的問題。七、設(shè)想一個(gè)具體的場(chǎng)景：你需要從某植物中提取一種對(duì)熱敏感的黃酮類化合物，且該化合物在有機(jī)溶劑中易氧化。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)包含提取和初步純化步驟的工藝流程，并說明每個(gè)步驟選擇特定方法（如溶劑、溫度、抗氧化措施）的理由。八、在中藥提取新工藝的優(yōu)化過程中，常常需要平衡多個(gè)目標(biāo)，如提高目標(biāo)成分得率、提升純度、降低溶劑消耗、減少能耗等。請(qǐng)結(jié)合綠色化學(xué)的原則，論述在優(yōu)化方案中如何綜合考慮這些因素，并給出一個(gè)具體的例子說明如何通過工藝改進(jìn)實(shí)現(xiàn)多重目標(biāo)。九、某研究小組采用加速溶劑萃?。ˋSE）技術(shù)優(yōu)化了某中藥中某活性物質(zhì)的提取工藝，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在特定條件下，萃取效率隨溫度升高而增加，但過高溫度會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物顏色加深。請(qǐng)分析這一現(xiàn)象可能的原因，并提出至少兩種可能的解決方案，以在保證效率的同時(shí)減少副反應(yīng)。十、中藥提取工藝的放大（從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到工業(yè)化生產(chǎn)）是一個(gè)復(fù)雜的過程，可能遇到傳質(zhì)傳熱不均、設(shè)備匹配、成本控制等問題。請(qǐng)結(jié)合應(yīng)用化學(xué)的知識(shí)，談?wù)勗诠に嚪糯筮^程中需要重點(diǎn)關(guān)注的方面，并提出至少三項(xiàng)應(yīng)對(duì)策略。試卷答案---一、超臨界流體（如CO2）作為中藥提取溶劑的優(yōu)勢(shì)：密度和粘度接近液體，擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于液體，傳質(zhì)效率高；選擇性可通過調(diào)節(jié)溫度和壓力改變?nèi)軇O性，適應(yīng)不同成分萃取；無毒無味，環(huán)境友好，提取物純度高，易脫除溶劑。溫度升高，CO2分子動(dòng)能增加，擴(kuò)散能力增強(qiáng)，傳質(zhì)速率加快，萃取效率提高。壓力升高，CO2密度增加，溶質(zhì)溶解度增大，有利于萃取。但過高溫度可能導(dǎo)致熱敏性成分分解或揮發(fā)，過高壓力增加設(shè)備要求并可能影響選擇性。需根據(jù)目標(biāo)成分的物理化學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性綜合確定最佳溫壓條件。二、酶法提?。夯诿傅奶禺愋源呋饔茫x擇性地水解目標(biāo)成分（如皂苷苷鍵）或修飾底物，反應(yīng)條件溫和（常溫常壓，特定pH），對(duì)目標(biāo)成分結(jié)構(gòu)破壞小，能獲得高純度產(chǎn)物，但酶成本較高，反應(yīng)需優(yōu)化酶條件，且可能存在酶殘留問題。傳統(tǒng)溶劑提?。夯诔煞值娜芙庑圆町愡M(jìn)行提取分離，方法簡(jiǎn)單，適用范圍廣，但選擇性可能不高，易導(dǎo)致成分結(jié)構(gòu)破壞（尤其對(duì)熱不穩(wěn)定性成分），可能使用大量有機(jī)溶劑，存在環(huán)境污染和溶劑殘留風(fēng)險(xiǎn)。三、方法一：離子交換色譜法。依據(jù)：目標(biāo)成分A為弱堿性，可在酸性條件下（pH<4.5）以陽離子形式存在，與雜質(zhì)B（非離子型）在相同條件下電荷性質(zhì)不同，可通過選擇合適的陽離子交換樹脂進(jìn)行分離。操作注意：調(diào)節(jié)溶液pH至4-3，使A帶正電荷；選擇合適的離子交換樹脂和洗脫液（如不同濃度的鹽溶液或酸溶液）。方法二：大孔吸附樹脂吸附法。依據(jù)：目標(biāo)成分A（若極性適中）或其鹽可以被特定極性的大孔吸附樹脂吸附，而雜質(zhì)B（水中溶解度低，極性可能較?。┎槐晃交蛭搅θ酰ㄟ^洗脫液洗脫A實(shí)現(xiàn)分離。操作注意：選擇合適的大孔吸附樹脂，優(yōu)化上樣液pH、上樣流速、洗脫劑種類和梯度，控制洗脫溫度。四、關(guān)鍵參數(shù)：微波功率、輻照時(shí)間、料液比。微波功率：功率越高，單位時(shí)間內(nèi)能量輸入越大，升溫越快，可能提高提取速率和得率，但對(duì)熱敏性成分可能導(dǎo)致降解，需控制功率避免過度加熱。輻照時(shí)間：時(shí)間延長(zhǎng)，體系吸收微波能量累積，有利于提取，但過長(zhǎng)可能導(dǎo)致成分分解或溶劑揮發(fā)，需優(yōu)化時(shí)間以平衡效率與產(chǎn)物質(zhì)量。料液比：增大料液比，提高目標(biāo)成分在溶劑中的濃度梯度，有利于傳質(zhì)，提高得率，但可能導(dǎo)致溶劑消耗增加、處理量增大、成本上升，需綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和效率選擇適宜比例。響應(yīng)面法：通過建立數(shù)學(xué)模型（通常是二次多項(xiàng)式）描述關(guān)鍵因素與響應(yīng)值（如得率、純度）之間的關(guān)系，利用統(tǒng)計(jì)方法尋找最優(yōu)工藝參數(shù)組合，可以避免大量繁瑣的單因素實(shí)驗(yàn)，找到全局最優(yōu)解，尤其適用于存在交互作用的復(fù)雜系統(tǒng)，能顯著提高優(yōu)化效率和準(zhǔn)確性。五、利用流體力學(xué)設(shè)計(jì)提取設(shè)備：通過攪拌產(chǎn)生液體內(nèi)循環(huán)，增強(qiáng)溶質(zhì)從固相向液相的擴(kuò)散，提高傳質(zhì)系數(shù)和效率。良好攪拌能確保溶劑與固粒充分接觸，均勻傳質(zhì)。利：顯著提高提取速率和得率，使傳質(zhì)過程更接近理想狀態(tài)。弊：攪拌速度過高可能導(dǎo)致能耗增加、剪切力過大破壞熱敏性或細(xì)小顆粒、導(dǎo)致局部過熱、增加溶劑飛濺和泡沫，反而可能影響提取效果或設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。需選擇合適的攪拌方式和轉(zhuǎn)速。六、選擇亞臨界水萃取技術(shù)：原理：利用亞臨界狀態(tài)（高于臨界溫度和壓力）的水作為溶劑，其具有比常壓水更高的密度、粘度和介電常數(shù)，對(duì)非極性、弱極性物質(zhì)的溶解能力顯著增強(qiáng)，且在接近室溫下操作，對(duì)熱敏性物質(zhì)友好。挑戰(zhàn)/問題：設(shè)備投資成本高；亞臨界水的性質(zhì)（如粘度）隨溫度壓力變化敏感，操作控制要求高；對(duì)于極性強(qiáng)的物質(zhì)溶解能力不如常規(guī)有機(jī)溶劑；溶劑回收系統(tǒng)復(fù)雜；部分工藝條件下可能產(chǎn)生有害副產(chǎn)物（如高溫下）。七、工藝流程：1.提?。哼x擇溫和的溶劑（如乙醇水溶液，乙醇濃度<50%）或超臨界CO2，在低溫（如4-10°C）和常壓或適度加壓條件下，采用超聲波輔助或微波輔助萃取，提取時(shí)間控制在最短有效時(shí)間內(nèi)。2.預(yù)處理：過濾去除固體殘?jiān)?，得到提取液?.初步純化：向提取液中加入適量還原劑（如抗壞血酸）和金屬離子螯合劑（如EDTA），抑制氧化；然后采用吸附法（如選擇合適的活性炭或樹脂）去除色素、部分雜質(zhì)；最后通過蒸發(fā)濃縮或反滲透等方法去除大部分溶劑。每個(gè)步驟理由：低溫低溶劑抑制熱敏性成分降解和氧化；選擇適當(dāng)溶劑兼顧溶解度和安全性；抗氧化措施保護(hù)目標(biāo)成分；吸附法利用吸附劑選擇性去除雜質(zhì)；濃縮純化提高目標(biāo)物濃度。八、平衡多目標(biāo)：優(yōu)化工藝需綜合考慮得率、純度、溶劑消耗、能耗等多重目標(biāo)，這些目標(biāo)間常存在沖突（如提高得率可能增加能耗或溶劑使用）。綠色化學(xué)原則指導(dǎo)下的優(yōu)化應(yīng)優(yōu)先選擇環(huán)境友好、資源節(jié)約、原子經(jīng)濟(jì)性高的方案。策略：采用可再生綠色溶劑替代傳統(tǒng)有機(jī)溶劑；優(yōu)化工藝條件（如溫度、壓力、時(shí)間）減少能耗和溶劑用量；改進(jìn)設(shè)備提高傳質(zhì)效率，縮短處理時(shí)間；設(shè)計(jì)循環(huán)利用流程，減少廢物排放；選用高效低毒的催化劑。例如：優(yōu)化超臨界CO2萃取工藝，通過精確控制溫度和壓力，在保證高萃取率的同時(shí)，降低運(yùn)行壓力減少壓縮能耗，選擇合適的載流體（如添加CO2modifier）提高對(duì)極性目標(biāo)成分的選擇性，從而在提高效率、保證質(zhì)量的同時(shí)減少能耗和溶劑（CO2）消耗。九、原因分析：溫度升高，CO2密度降低，擴(kuò)散能力增強(qiáng)，有利于溶質(zhì)從固相向CO2相擴(kuò)散（萃?。?；同時(shí)，溫度升高可能提供足夠能量使目標(biāo)成分發(fā)生非酶促降解（如氧化、脫糖基化等副反應(yīng)），導(dǎo)致產(chǎn)物顏色加深。解決方案：1.采用分步升溫和/或壓力梯度萃取策略，在初期低溫低壓提高對(duì)目標(biāo)成分的選擇性萃取，后期再適當(dāng)升高溫度壓力提高對(duì)難萃成分的溶解度，平衡效率與副反應(yīng)。2.優(yōu)化微波輔助加速溶劑萃取條件，采用脈沖微波或中低功率長(zhǎng)時(shí)間方式，避免長(zhǎng)時(shí)間高功率導(dǎo)致局部過熱，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或在線分析技術(shù)，及時(shí)停止萃取。3.添加穩(wěn)定劑或抗氧化劑（如維生素C、金屬離子螯合劑）到萃取溶劑中，抑制目標(biāo)成分的降解。十、重點(diǎn)關(guān)注：傳質(zhì)傳熱均勻性、設(shè)備匹配與效率、成本控制與經(jīng)濟(jì)性、放大效應(yīng)（如混合滯后、設(shè)備死角）。應(yīng)對(duì)策略：1.優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)（如攪拌器、流道設(shè)計(jì)）和操作參數(shù)（如流速、溫度控制精度），確保原料和溶劑在設(shè)備內(nèi)混合均勻，傳質(zhì)傳熱高效，避免出現(xiàn)濃度或溫度梯度過大區(qū)域。2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模結(jié)果，仔細(xì)評(píng)估放大倍數(shù)對(duì)混合、傳質(zhì)、傳熱等因素的影響，選擇或設(shè)計(jì)適合工業(yè)化生產(chǎn)的設(shè)備類型（如從攪拌罐到萃