超临界CO2萃取莪术有效成分的工艺条件研究

　　摘要：目的寻找利用超临界CO2萃取技术从莪术提取挥发油的最佳工艺条件。方法以萃取率为指标，采用正交实验考察SFE-1L超临界CO2萃取实验装置中萃取压力、萃取温度、CO2流量等工艺参数对萃取率的影响。结果萃取压力、萃取温度分别是超临界CO2萃取莪术中挥发油的重要和次要因素，CO2流量的影响最小。结论最佳提取工艺条件为萃取压力为20 MPa，萃取温度为55℃，萃取率达2.88%。

　　关键词：超临界CO2； 萃取；  莪术；  挥发油；  萃取率

　　Study on the Extraction Condition of Essential Oil from Curcuma phaeocaulis by Supercritical Carbon Dioxide

　　Abstract：ObjectiveUnder the laboratory scale, the optimized process operation conditions for extraction essential oil from Curcuma phaeocaulis by supercritical carbon dioxide is revealed. Methods The extraction rate was regarded as objective, and based on this objective, the influence of extraction pressure, extraction temperature and flow rate of CO2 on the extraction rate of SFE-1L experimental apparatus were investigated by orthogonal test. Results The extraction pressure and extraction temperature were the primary and the subordination factor respectively, and the influence of CO2 flow rate was least. ConclusionThe optimized process operation conditions are that extraction pressure of 20 MPa, extraction temperature of 55℃, and under this operation conditions, the extraction rate is 2.88%.

　　Key words：Supercritical Carbon Dioxide;   Extraction;  Curcuma phaeocaulis;   Essential oil;  Extraction rate

　　我国具有丰富的中药资源，中药的应用历史悠久。因此，中药是入世以后我国少数几个具有竞争优势的产业之一。但大量的调研表明：中药的提取分离过程是制约中药发展的瓶颈，是中药生产过程的关键环节。以中药理论为指导，采用先进的新型“绿色”分离技术提取中药的有效成分是中药剂型现代化的基础，也是促进中医药发展和中药走向世界的必经之路。莪术是一味重要的中药。周红等［1］认为莪术油是莪术中具有药用价值的主要成分。莪术中挥发油的提取方式基本上是采用传统方法-水蒸气蒸馏法（SD）。Chen S L等［2］发现：与索氏提取、水蒸气蒸馏法相比，SFE萃取能力更强，效率更高。周欣等［3］研究发现：SFE不仅比SD萃取能力更强、效率更高、提取时间短，同时还发现采用SFE提取蓬莪术中的莪术酮、莪术烯醇、莪术二酮等提取率远大于SD，而这些化合物是莪术油具有抗癌作用的有效活性成分。但目前对莪术的研究都没有对SFE提取的工艺条件进行研究。因此本研究采用正交实验考察超临界CO2萃取莪术挥发油的萃取压、萃取温度、CO2流量对萃取率的影响，并对结果进行优化，寻找最佳工艺条件。

　　1  材料与方法

　　1.1  材料莪术（产地：四川自贡）：购于重庆医药自贡有限公司；95％乙醇（分析醇）：重庆北碚化学试剂厂；液化CO2：四川精细化工设计院，纯度99.9%以上。

　　1.2  仪器SFE1L超临界CO2萃取实验装置：华南理工大学化工学院-新型分离技术开发中心；MP3002电子天平，上海恒平科技仪器有限公司；F120型粉碎机，河北省黄骅市中新仪器有限公司。

　　1.3  方法将莪术粉碎后过20目筛，将筛余量烘干用于萃取。称250 g待萃取的物料加入到萃取罐中，并将萃取罐的盖子旋紧。CO2从钢瓶中经阀V1和V2以气体状态进入管道，然后流经冷阱A进行冷却，之后进入CO2贮罐C，贮罐外面有冷却夹套，液态CO2用高压计量泵D压入萃取罐G中。由萃取罐外的恒温夹套控制萃取温度。在需要的温度、压力、CO2流量下对物料进行萃取，从萃取罐中出来的CO2以及萃取物进入分离罐S2进行减压分离，析出的物质由分离柱及分离罐底部排出，而分离后的CO2经阀V14重新进入冷阱A 循环使用。当达到预定时间（2 h）后，停止实验。取出剩余物料称重计量，计算萃取率。实验装置及流程见图1所示。

　　A冷阱  B流量计  CCO2贮罐  D高压计量泵  E萃取罐　F夹带剂泵  G换热器   S1分离柱  S2分离罐

　　图1  超临界萃取装置流程示意图（略）

　　实验条件：萃取压力为10~20 MPa；萃取温度为35~55℃；CO2流量为8~24 L/h；萃取时间为120 min。以压力、温度、CO2流量3个因素分别在3水平条件下进行正交实验，确定以萃取率为指标的超临界CO2萃取莪术的最佳工艺条件。各因素水平见表1。

　　表1  实验的因素水平（略）

　　2  结果与分析

　　2.1  极差分析从实验结果表2中可以得出：RA>RB>RC（0.89>0.5>0.23）。在该实验条件下，莪术的萃取率而言，实验结果表明：萃取压力、萃取温度分别是重要因素、次要因素，而CO2流量的影响最小，因素间的主次关系顺序是萃取压力>萃取温度>CO2流量。根据实验结果表2还可以得出3个因素的优劣，萃取率高的为优：第1列  A因素（萃取压力）  K3>K2>K1 (7.0%>5.88%>4.32%)第2列  B因素（萃取温度） K3>K2>K1 (6.4%>5.92%>4.88%)第3列  C因素（CO2流量）  K1=K2>K3 (5.96%=5.96%>5.28%)

　　表2  L9(34)实验设计与实验结果（略）

　　2.2  显著性检验根据实验结果列方差分析。结果表3。

　　表3  方差分析（略）

　　Fα:F0.25(2,2)=3  F0.10(2,2)=9  F0.05(2,2)=19  F0.01(2,2)=99

　　F值的大小可以用来判断因素水平对指标的影响。F值越接近1，说明因素水平改变对指标在误差范围内，即水平间无显著差异；F值越大，说明因素水平改变对指标的影响，超过了实验误差造成的影响，即条件误差相对实验误差大得多。在本实验中，所有的f1都为2，所有的f2都为2。查表［4］得3（α=0.25），9（α=0.10），19（α=0.05），99（α=0.01）。本实验中，3＜FA＜9,说明萃取压力（A因素）对萃取率的影响显著。1＜FB＜3，说明萃取温度（B因素）对萃取率的影响次于萃取压力。FC＜1，可见CO2流量（C因素）对萃取率的影响极小，小于实验误差引起的，在选取最佳工艺条件时可不作为考虑因素。

　　2.3  萃取压力、萃取温度对萃取率影响的分析超临界萃取的实质仍然是物质传递过程，是利用相平衡来确定分离的极限。当达到相平衡时，根据同一组分在固相（S）-超临界流体相（G）的化学位相等，则有： fS=fGPrausuitz提出［5］：固体S在超临界流体G中的溶解度可用下式推算：y2=P02     Pφ2=exp(VS2(P-P02)     RTP02：固体S的饱和蒸汽压；VS2：固体的摩尔体积；φ2：T、P下的逸度系数由上式可以得出：物质在超临界流体中的溶解度主要取决于萃取物的物性、超临界流体相中的逸度系数和操作条件（T、P）的值。萃取压力增大，萃取率有增加的趋势。但萃取过程主要是萃取莪术的挥发油，若继续增大萃取压力，萃取物中杂质含量也会提高。萃取温度升高，萃取率也有增大的趋势。在超临界萃取中，温度增加，加强了其扩散能力，使得被萃取物在超临界CO2中溶解速度增加，有利于萃取。随着温度的增加，杂质的溶解速度也增加，使精制过程复杂化，从而降低产品的收率。同时温度增加，CO2流体的密度降低，使得对溶质的溶解力下降，降低产品收率。

　　3  结论

　　本实验采用三水平正交实验设计，对超临界萃取莪术挥发油工艺条件进行研究。以萃取率为考核指标，考察萃取压力、萃取温度和CO2流量对其的影响。实验表明：不同的因素对萃取率的影响是不同的。得出以下结论。萃取2 h的最佳工艺条件是萃取压力为20 MPa，萃取温度为55℃，二氧化碳流量为16 L/h时，萃取率可达2.88%。萃取压力对实验结果的影响是极显著的，萃取温度的影响次之，而CO2流量的影响比实验误差的影响还要小。

　　参考文献：

　　［1］  周  红，王  沁，江志生.莪术油的药理作用研究进展［J］.世界肿瘤杂志 ，2003，2(4):230.

　　［2］   Chen S L,You J,Wang G J.Extraction of essential oil from Curcuma phareocaulis by supercritical fluid extraction ［J］.中草药，2000，31（12）：902.

　　［3］  周  欣，李章万，王道平，等.蓬莪术二氧化碳超临界萃取物的化学成分研究［J］.中草药，2004，35（11）：1223.

　　［4］  栾  军.实验设计的技术与方法［M］.上海：上海交通大学出版社，1987：10.

　　［5］  王新华.中药泽泻研究进展［J］.中草药，1999，30（7）：557.