玉竹揮發(fā)油超臨界CO2萃取條件及抑菌活性研究

趙秀紅，曾 潔，高海燕，孫希云，鄭煜焱

(1.沈陽師范大學工程技術(shù)學院，遼寧 沈陽 110034；2.河南科技學院食品學院，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.沈陽農(nóng)業(yè)大學食品學院，遼寧 沈陽 110866)

玉竹揮發(fā)油超臨界CO2萃取條件及抑菌活性研究

趙秀紅1，曾 潔2，高海燕2，孫希云3，鄭煜焱3

(1.沈陽師范大學工程技術(shù)學院，遼寧 沈陽 110034；2.河南科技學院食品學院，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.沈陽農(nóng)業(yè)大學食品學院，遼寧 沈陽 110866)

運用超臨界流體CO2萃取技術(shù)提取玉竹揮發(fā)油。采用正交試驗研究萃取溫度、萃取壓力、分離溫度、分離壓力因素對玉竹揮發(fā)油得率的影響，以得率為主要標準，確定最佳工藝條件。結(jié)果表明：萃取溫度35℃、萃取壓力30MPa、分離溫度20℃、分離壓力9MPa為最佳提取工藝。通過抑菌試驗發(fā)現(xiàn)，玉竹揮發(fā)油對細菌、霉菌、酵母菌、放線菌均有一定的抑菌活性，并具有良好的熱穩(wěn)定性。

玉竹；揮發(fā)油；超臨界CO2萃?。灰志?；熱穩(wěn)定性

玉竹，又名玉參、尾參、萎蕤、鈴鐺菜[1]，原產(chǎn)我國西南地區(qū)，野生分布很廣。據(jù)文獻記載，玉竹中含有甾體皂甙、黃酮、生物堿、多糖、甾醇、鞣質(zhì)、黏液質(zhì)和強心甙等成分[2-5]。玉竹以根入藥，性平、味甘。具有具有養(yǎng)陰潤燥，生津止渴功能。用于肺胃陰傷，燥熱咳嗽，咽干口渴，內(nèi)熱消渴[6]。揮發(fā)油，又稱精油，是玉竹的主要活性成分之一，是一類在常溫下能揮發(fā)、可隨水蒸氣蒸餾、與水不相混的油狀液體的總稱[7]。黎勇等[8]采用GC-MS的方法對玉竹揮發(fā)油化學成分進行分析，發(fā)現(xiàn)玉竹揮發(fā)油具有多種生物活性物質(zhì)，共檢出40種成分，并確定了32種化合物，主要成分為不飽和烯烴，除此之外還含有一些醇、醛、酸、酯及烷烴，不同成分因結(jié)構(gòu)的不同生物活性有很大差異，玉竹揮發(fā)油不但可以應(yīng)用于臨床生物制藥，還可應(yīng)用于化妝品等行業(yè)，所以提取具有較高生物活性的揮發(fā)油對醫(yī)藥和食品工業(yè)是十分有意義的。

目前，有關(guān)玉竹揮發(fā)性成分研究報道甚少。超臨界萃取技術(shù)提取揮發(fā)油具有步驟少、流程簡單、產(chǎn)率高、綠色環(huán)保、工藝簡單等特點[9]，特別適應(yīng)于提取天然動植物中的有效成分。為充分開發(fā)利用玉竹資源，本實驗采用超臨界CO2萃取技術(shù)[10-13]和濾紙片法[14]對玉竹中揮發(fā)油的萃取工藝及其抑菌效果進行研究，為玉竹有效成分的開發(fā)利用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉竹 產(chǎn)地遼寧。

放線菌SS4.165(Actinobacteria)、大腸埃希氏桿菌(Eseheriehia coli)、枯草芽抱桿菌(Bacillus Subtilis)、金黃色葡萄球菌(Staphylococeus aureus)、黑曲霉SS2.132 (Aspergillus niger)、酵母菌SS3.241(Yeast) 沈陽師范大學實驗中心微生物實驗室。

1.2 儀器與設(shè)備

HA-221-50-06型超臨界流體萃取設(shè)備 江蘇南通華安超臨界萃取有限公司；電子天平、恒溫培養(yǎng)箱、振蕩器 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；高壓滅菌鍋上海愛明儀器有限公司；移液槍 上海嘉定糧油儀器有限公司；電動粉碎儀。

1.3 工藝流程

玉竹→干燥、粉碎→入釜→超臨界CO2萃取→分離揮發(fā)油→冷凍保存

1.4 玉竹揮發(fā)油萃取條件的確定

1.4.1 萃取溫度對玉竹揮發(fā)油得率的影響

水分含量相同、粉碎度相同的等量原料在不同壓力(15、20、25、30MPa)條件下考察不同萃取溫度(35、40、45、50℃)時萃取110min情況下的油得率，確定最佳萃取溫度。

1.4.2 萃取壓力對玉竹揮發(fā)油得率的影響

水分含量相同、粉碎度相同的等量原料在萃取溫度35℃，萃取時間110min條件下考察不同壓力(10、15、20、25、30MPa)萃取情況下的油得率，確定最佳萃取壓力。

1.5 玉竹揮發(fā)油分離條件的確定

1.5.1 分離溫度對油得率的影響

水分含量相同、粉碎度相同的等量原料在萃取溫度35℃，萃取壓力25MPa，萃取時間110min，分離壓力9MPa條件下分別取不同的分離溫度(10、20、30、40、50℃)進行超臨界CO2萃取，確定最佳分離溫度。

1.5.2 分離壓力對油得率的影響

水分含量相同、粉碎度相同的等量原料在萃取溫度35℃，萃取壓力25MPa，萃取時間110min，分離溫度30℃分別取不同的分離壓力(3、6、9、12MPa)進行超臨界CO2萃取，確定最佳分離壓力。

1.6 玉竹揮發(fā)油提取正交試驗

表1 玉竹揮發(fā)油提取L9(34)正交試驗因素水平Table 1 Factors and levels in orthogonal array design

以玉竹揮發(fā)油得率為指標，考察超臨界CO2萃取過程中各因素對玉竹揮發(fā)油提取的影響，正交試驗因素水平見表1。

1.7 玉竹揮發(fā)油抑菌實驗

1.7.1 培養(yǎng)基的制備

分別配制牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基(細菌用)[15]、馬鈴薯培養(yǎng)基(霉菌用)[15]、麥芽汁培養(yǎng)基(酵母菌用)[15]、高氏Ⅰ號培養(yǎng)基(放線菌用)[15]，待用。

1.7.2 菌懸液的制備

將各菌種活化，制成菌懸液。細菌使用平板計數(shù)法，霉菌、酵母使用顯微鏡直接記數(shù)法測菌體個數(shù)，調(diào)至菌體106～107個/mL的菌懸液，備用。

1.7.3 對照溶劑的配制

將100%來蘇爾液配制成1%來蘇爾液；配制0.85%生理鹽水并在121.5℃滅菌20min制成無菌生理鹽水。

1.7.4 抑菌實驗

采用濾紙片法：超臨界CO2萃取玉竹揮發(fā)油，用濾紙片法測定其抑菌圈大小，同時以相應(yīng)溶劑做對照實驗。

1.8 溫度和時間對玉竹揮發(fā)油抑菌穩(wěn)定性的影響

玉竹揮發(fā)油分別經(jīng)80、100℃熱處理30、15、5、0.5min后，測定其對枯草芽孢桿菌的抑菌圈大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 超臨界萃取玉竹揮發(fā)油條件的優(yōu)化

2.1.1 萃取溫度對揮發(fā)油萃取的影響

圖1 萃取溫度對揮發(fā)油得率的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on the yield of polygonatum essential oil

由圖1可知，在不同的壓力條件下，溫度對萃取揮發(fā)油得率有較大的影響。在一定范圍內(nèi)，高壓下升溫，玉竹揮發(fā)油得率增加，45℃達到最大值；低壓下升溫，玉竹揮發(fā)油得率先增加后急劇降低，35℃為其最高點。

2.1.2 萃取壓力對玉竹揮發(fā)油萃取的影響

圖2 萃取壓力對揮發(fā)油得率的影響Fig.2 Effect of extraction pressure on the yield of polygonatum essential oil

在35℃恒定溫度下，隨著萃取壓力的升高，最終的玉竹揮發(fā)油得率也升高。這是因為隨著壓力升高，超臨界CO2的密度增加，其溶解能力也隨著增加的緣故。由圖2可知，萃取壓力從10MPa升至20MPa時揮發(fā)油得率增加明顯，而從20MPa升至30MPa時，揮發(fā)油得率雖有所增加，但增加幅度很小。壓力大時，對設(shè)備的耐壓力，密封性要求高，萃取成本增加明顯。且操作壓力相對高時，萃取物顏色加深，對產(chǎn)品的品質(zhì)有一定影響。結(jié)合本實驗，考慮到生產(chǎn)的實用性，萃取壓力應(yīng)選擇在20～30MPa范圍較好。

2.1.3 分離溫度對玉竹揮發(fā)油分離效果的影響

圖3 分離溫度對揮發(fā)油得率的影響Fig.3 Effect of separation temperature on the yield of polygonatum essential oil

由圖3可看出，隨著分離溫度的提高，玉竹揮發(fā)油得率升高，這主要由于隨著溫度的提高二氧化碳溶解度降低造成的。另外，盡管分離溫度40℃時的玉竹揮發(fā)油得率比30℃高，但同時玉竹揮發(fā)油品質(zhì)下降了，提取物中組分種類復雜，不易得到較純凈的單一物質(zhì)。因此，本實驗以30℃左右為佳。

2.1.4 分離壓力對玉竹揮發(fā)油分離效果的影響

表2 分離壓力對揮發(fā)油成分的影響Table 2 Effect of separation pressure on the yield of polygonatum essential oil

由表2可知，分離壓力3MPa時，萃取物為棕黃色油狀物質(zhì)，說明油中油溶性雜質(zhì)較多。當分離壓力6～ 12MPa時，萃取物為淺黃色油狀物質(zhì)，說明油狀物質(zhì)中含有較多的油類物質(zhì)。因此，分離器最佳分離壓力應(yīng)為6～12MPa。

2.1.5 玉竹揮發(fā)油提取正交試驗結(jié)果與分析

表3 玉竹揮發(fā)油提取L9(34)正交試驗結(jié)果與分析Table 3 Experimental scheme and results of orthogonal array design

由表3可知，各因素對玉竹揮發(fā)油得率的影響程度依次為A＞C＞D＞B，即萃取溫度對玉竹揮發(fā)油得率的影響最大，分離溫度和分離壓力其次，萃取壓力的影響最小。由于分離溫度40℃，油質(zhì)量受到一定影響，試驗最佳的工藝條件確定為A2B3C1D2，即萃取溫度35℃、萃取壓力30MPa、分離溫度20℃、分離壓力9MPa。

2.2 玉竹揮發(fā)油的抑菌實驗結(jié)果

通過對玉竹揮發(fā)油體外抗菌活性的實驗研究，結(jié)果表明玉竹揮發(fā)油對枯草桿菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、放線菌SS4.165、霉菌SS2.132和酵母菌SS3.241均有一定抑制效果，結(jié)果見表4。

表4 玉竹超臨界CO2萃取物的抑菌活性Table 4 Inhibitory activities of polygonatum essential oil

從表4可知，玉竹超臨界CO2萃取物對大腸桿菌、放線菌霉菌、酵母菌、枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌均有抑菌作用，且對霉菌、酵母菌、枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌作用較強。這是因為玉竹超臨界CO2萃取物為揮發(fā)油，其中含有一些萜烯類、酸、醇、酮、萘、酚、醚等物質(zhì)，可能是這些物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)特征與生物膜分支結(jié)構(gòu)特征相似，容易進入菌體從而發(fā)揮抑菌作用。

2.3 溫度和時間對玉竹揮發(fā)油抑菌穩(wěn)定性的影響

從表5可知，高溫長時間處理對玉竹超臨界CO2萃取物抑菌效力有一些影響，而高溫瞬時處理對玉竹超臨界CO2萃取物抑菌效力沒有明顯影響。這一結(jié)果表明玉竹揮發(fā)油在加熱的條件下，其抗菌成分并未受到影響，還對微生物具備較強的抑制作用，說明玉竹揮發(fā)油中的抗菌成分具備良好的熱穩(wěn)定性，這對于玉竹揮發(fā)油作為防腐劑在食品中的實際應(yīng)用具有重要的意義。

3 結(jié) 論

通過正交試驗確定超臨界CO2萃取玉竹揮發(fā)油的最優(yōu)工藝條件為萃取溫度35℃、萃取壓力30MPa、分離溫度20℃、分離壓力9MPa。超臨界CO2萃取所得玉竹揮發(fā)油對霉菌、酵母菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和放線菌均有抑菌作用，且對霉菌、酵母菌、枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌作用較強，而且玉竹揮發(fā)油中的抗菌成分具備良好的熱穩(wěn)定性。

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Supercritical CO2Extraction and Antimicrobial Activity Evaluation of Polygonatum odoratum Essential Oil

ZHAO Xiu-hong1，ZENG Jie2，GAO Hai-yan2，SUN Xi-yun3，ZHENG Yu-yan3
(1. College of Engineering and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China；2. School of Food Science, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China；3. College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

In this study, supercritical fluid CO2 extraction was applied to extract Polygonatum odoratum essential oil. The effects of extraction temperature and pressure as well as separation temperature and pressure on oil yield were investigated in single factor experiments and further, the extraction parameters were optimized using a 4-factor, 3-level, 9-run orthogonal array design based on oil yield. The results showed that extraction temperature of 35 ℃, extraction pressure of 30 MPa, separation temperature of 20 ℃ and separation pressure 9 MPa were found optimal for the extraction of polygonatum essential oil. The oil had certain inhibitory effect against bacteria, mold, yeast and actinomycetes and excellent thermostability.

Polygonatum odoratum；essential oil；supercritical fluid CO2 oxtraction；antimicrobial；thermostability

TS201.1

A

1002-6630(2011)08-0155-04

2010-06-28

趙秀紅(1976—)，女，副教授，博士，研究方向為活性物質(zhì)提取。E-mail：zhaoxiuhong1976@163.com