牛蒡根挥发油超临界CO2萃取的工艺研究

2013-08-29窦德宇柳春燕杨丽芬

皖南医学院学报 2013年3期

窦德宇，柳春燕，杨丽芬

(皖南医学院中心实验室，安徽芜湖 241002)

牛蒡(Arctium Lappa L.)别名大力子，系菊科牛蒡属植物，是我国传统中药，历代本草记载，牛蒡的果、叶、根均可入药。牛蒡根系肉质直根，含蛋白质、碳水化合物、牛蒡酸、醛类、多炔类、多酚等物质［1－2］，其中多炔类物质可以起到抗菌及抗真菌作用，多酚物质一般认为具有抗突变及抗癌作用［3］，此外，牛蒡根还具有抗疲劳、免疫调节等作用［4－5］，是非常理想的天然保健食品。超临界CO2流体萃取是一种以超临界CO2作为萃取剂的提取分离技术。该技术具有溶解能力强、萃取速度快、操作安全、无有害物残留、生物活性保留完整等特点，特别适合于热敏性生物化学药物和挥发性物质的分离［6］，目前广泛应用于生物、制药、食品等领域。

近年来，关于牛蒡的研究受到人们广泛关注，王晓等［7］对牛蒡挥发油化学成分已报道，有关牛蒡子的超临界CO2萃取也见报道［8－9］，但目前尚未见有关超临界CO2流体萃取牛蒡根挥发油的工艺研究的报道。本实验利用超临界CO2流体萃取技术对牛蒡根挥发油的萃取进行初步研究，着重考察不同萃取条件(萃取的温度、压力和时间)对萃取率的影响，并由此获得能为工业生产提供一定指导的工艺参数。此外，牛蒡根挥发油成分复杂，传统方法提取过程中部分活性成分会失活或散失，未被分离鉴定出来，本实验能够为牛蒡根挥发油的提取提供一定的参考依据，为进一步开发牛蒡根挥发油新的活性成分和药用价值提供一定的研究基础。

1 材料与方法

1.1 仪器 HA221-50-06 型超临界CO2流体萃取装置，购自江苏省南通市华安超临界萃取有限公司;AUW120D 型电子分析天平，购自日本岛津公司;马头牌JYT-20A 架盘药物天平，购自上海医用激光仪器厂。

1.2 材料牛蒡根，购自江苏省徐州市沛县鑫源牛蒡食品有限公司;食品级CO2(纯度为99.99%)，购自芜湖市延安路特种气体供应站;无水乙醇及其他试剂均为国产分析纯。

1.3 实验方法

1.3.1 预处理牛蒡根干燥，切片备用。

1.3.2 萃取方法称取干燥切片牛蒡根200 g，装入超临界萃取装置的1 L 萃取釜中，添加一定量无水乙醇，打开电源、制冷开关，对萃取釜和分离釜分别加温，当冷箱温度达到0 ℃、萃取釜温度达到设定值后开启加压泵加压，当萃取压力达到设定值后进行萃取，在设定的时间收集萃取物，为有牛蒡特殊香味的淡黄色油状物，即牛蒡根挥发油，并按下式计算其萃取率:牛蒡根挥发油萃取率(%)=［萃取出的牛蒡根挥发油质量(g)/牛蒡根原料质量(g)］×100%。

1.3.3 单因素试验根据超临界CO2萃取的特点及预实验，确定考察萃取温度、萃取压力和萃取时间3 个因素［10］对牛蒡根挥发油萃取率的影响。

1.3.3.1 萃取温度对萃取率的影响以牛蒡根挥发油萃取率为指标，在萃取压力为20 MPa、萃取时间为1.5 h 的条件下，进行萃取温度分别为35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃的单因素试验，收集牛蒡根挥发油，研究萃取温度对萃取效果的影响。

1.3.3.2 萃取压力对萃取率的影响以牛蒡根挥发油萃取率为指标，在萃取温度为45 ℃、萃取时间为1.5 h 的条件下，进行萃取压力分别为10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa 的单因素试验，收集牛蒡根挥发油，研究萃取压力对萃取效果的影响。

1.3.3.3 萃取时间对萃取率的影响以牛蒡根挥发油萃取率为指标，在萃取温度为45 ℃、萃取压力为20 MPa 的条件下，进行萃取时间分别为0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h 的单因素试验，收集牛蒡根挥发油，研究萃取时间对萃取效果的影响。

1.3.4 正交试验设计以牛蒡根挥发油萃取率为评价指标，选择萃取温度、萃取压力和萃取时间3 个影响因素，萃取温度分别取35 ℃、40 ℃、45 ℃3 个水平，萃取压力分别取15 MPa、20 MPa、25 MPa 3 个水平，萃取时间分别取1.0 h、1.5 h、2.0 h 3 个水平，正交试验优化萃取条件。

2 结果

2.1 单因素试验结果

2.1.1 萃取温度对萃取率的影响在萃取压力为20 MPa，萃取时间为1.5 h 的条件下，萃取率与萃取温度的关系见图1。由图1 知，在一定压力下，温度的升高使CO2流体的扩散系数增大、传质速率变快，因而萃取率升高。但当温度升高到一定程度，CO2流体的溶解能力下降，导致萃取率下降。因此，萃取温度以45 ℃为宜。

2.1.2 萃取压力对萃取率的影响在萃取温度为45 ℃，萃取时间为1.5 h 的条件下，萃取率与萃取压力的关系见图2。由图2 知，在一定的温度下，压力增加，使得超临界CO2流体密度增大，其对物料的溶解能力增强，使萃取率增加;但萃取压力和萃取率之间并非呈线性关系，当压力增大到一定程度时，CO2流体密度的增大使得其流动性变差，从而影响CO2流体的溶解能力，导致萃取率下降。因此，萃取压力以25 MPa 为宜。

2.1.3 萃取时间对萃取率的影响在萃取温度为45 ℃，萃取压力为20 MPa 的条件下，萃取率与萃取时间的关系见图3。一般来说，萃取时间太短，原料萃取分离过程不能进行完全，萃取效果较差;但如果萃取时间太长，萃取率的提高较少，而能耗增加较多，经济效益降低，在工业生产中很不经济。萃取时间与萃取成本有直接关系，萃取时间越长，萃取成本越高。由图3 可见，超过2.0 h，延长时间萃取率增加甚微，因此，权衡工艺成本，萃取时间以2.0 h为宜。

图1 萃取温度对萃取率的影响Fig 1 Effects of extraction temperature on the yield

图2 萃取压力对萃取率的影响Fig 2 Effects of extraction pressure on the yield

图3 萃取时间对萃取率的影响Fig 3 Effects of extraction time on the yield

2.2 正交试验结果

2.2.1 根据单因素试验结果，设计正交试验，结果见表1。

表1 正交试验结果Tab 1 Results by orthogonal test

2.2.2 方差分析结果见表2。从正交试验结果和方差分析结果可以看出，萃取温度对牛蒡根挥发油的萃取率有显著影响。萃取温度、萃取压力和萃取时间三个因素对萃取率的影响程度依次是:A ＞B ＞C，即萃取温度＞萃取压力＞萃取时间。超临界CO2流体萃取牛蒡根挥发油的最佳条件组合为A3B3C2，即最佳工艺条件为:萃取温度45 ℃，萃取压力25 MPa，萃取时间1.5 h。

3 讨论

本实验对超临界CO2流体萃取牛蒡根挥发油的工艺参数进行了实验探索。传统提取植物脂肪油的方法主要有压榨法和有机溶剂萃取法，压榨法效率低，有机溶剂用到的石油醚或乙醚溶剂残留容易造成污染［11］;而超临界CO2流体萃取法提取工艺稳定性好、操作简单、成本较低、以CO2为溶剂可克服传统提取方法需要较高温度来回收溶剂、提取率低、有效成分提取不完全或损失严重的缺点，尤其适用于含脂溶性成分较多的物质的提取，同时又避免了有机溶剂的残留，对环境也没有污染。根据实验结果，并结合经济因素，最佳工艺条件为:萃取温度45 ℃、萃取压力25 MPa、萃取时间1.5 h，在此萃取条件下萃取率可达2.92%。另外，单一的以CO2为溶剂进行萃取获得的萃取率较低，适宜的夹带剂能够提高被提取物的溶解度，增加萃取率。本实验没有讨论夹带剂对萃取结果的影响，如何选择适宜的夹带剂以及如何系统地对夹带剂的条件进行优化是下一步实验要研究的内容。