亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油的工藝優(yōu)化

王 靖，張志旭

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.國家中醫(yī)藥管理局亞健康干預(yù)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410128；3.湖南省植物功能成分利用協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128）

亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油的工藝優(yōu)化

王 靖1,2,3，張志旭1,2,3

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.國家中醫(yī)藥管理局亞健康干預(yù)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410128；3.湖南省植物功能成分利用協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128）

以丁香為材料，對亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油成分的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并采用GC-MS法對比分析了超臨界CO2萃取法與亞臨界丁烷萃取法獲得的丁香揮發(fā)油成分。結(jié)果表明：亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油的最佳工藝條件為萃取時間60 min，萃取溫度40℃，萃取次數(shù)3次，在此條件下丁香揮發(fā)油的得率為18.65%，與超臨界CO2萃?。⊿CF）得到的丁香揮發(fā)油相比得率相當(dāng)，主要成分及含量差異小。這表明亞臨界丁烷適用于丁香揮發(fā)油的高效萃取。

亞臨界丁烷萃??；丁香；超臨界CO2萃取；氣相色譜-質(zhì)譜分析法（GC-MS法）

丁香[Syzygium aromaticum(L.)Merr.Et Perry]為桃金娘科植物。其干燥花蕊是一種藥食兩用的中藥，味辛、性溫，具有溫中降逆、溫腎助陽等功效[1]。據(jù)報道，丁香揮發(fā)油含量較高，達(dá)15%～20%；其主要成分為丁香酚、石竹烯、丁香烯、乙酸丁香酚酯等。研究表明，這些成分具有抗菌、消炎、抗氧化等作用[2]。目前，丁香揮發(fā)油提取方法主要有水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法等傳統(tǒng)方法以及近年來發(fā)展起來的超臨界提取法、微波提取法等[3]；其中，超臨界CO2萃取法具提取率高、活性成分保留完好等特點(diǎn)，因而被廣泛使用[4-7]。

亞臨界丁烷萃取法是一種新型的萃取技術(shù)。隨著該技術(shù)在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用，亞臨界丁烷也被列入食品加工助劑名單。該溶劑為非極性溶劑，適用于提取極性較低的物質(zhì)，尤其適用于脂溶性成分萃取。與超臨界萃取技術(shù)類似，亞臨界萃取技術(shù)也具有萃取率高、活性物質(zhì)損失少等特點(diǎn)，且成本較低，可工業(yè)化的程度較高，因此具有廣闊的應(yīng)用前景[8]。目前，在食品行業(yè)關(guān)于亞臨界丁烷的報道多為萃取不同種子的油脂如石榴籽油、牡丹籽油、茶籽油等，而采用亞臨界丁烷提取揮發(fā)油的報道較少。因此，研究以丁香為材料，對亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油成分的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并采用GC-MS法對比分析了超臨界CO2萃取法與亞臨界丁烷萃取法獲得的丁香揮發(fā)油成分，以期為亞臨界丁烷萃取工藝的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試丁香購買自青春康健藥材公司，產(chǎn)地為廣西。

試驗(yàn)主要試劑有正己烷（色譜純）、甲醇（色譜純）等（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

試驗(yàn)主要儀器與設(shè)備有6850型色譜儀（美國Agilent公司）、5975C型質(zhì)譜儀（含Agilent化學(xué)工作站，美國Agilent公司）、PL403電子天平（Mettler Toledo公司）、HA231—50—06型超臨界萃取設(shè)備（江蘇南通華安超臨界萃取有限公司）、CBE-50+1L型亞臨界萃取設(shè)備（河南省亞臨界生物技術(shù)有限公司）、ZN—400A型高速中藥粉碎機(jī)（中南制藥機(jī)械廠）和30目分樣篩（長沙市思科儀器）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油的工藝流程 丁香粉碎過30目篩→稱重→萃取釜裝料→密封→萃取釜抽真空→液態(tài)丁烷進(jìn)入萃取釜與丁香混合→升溫到預(yù)定萃取條件→亞臨界狀態(tài)下萃取→分離釜抽真空→萃取液進(jìn)入分離釜→減壓分離→丁香揮發(fā)油。

1.2.2 亞臨界丁烷萃取法提取丁香揮發(fā)油的工藝優(yōu)化（1）單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)：分別考察不同萃取時間（30、45、60、75、90 min）、不同溫度（30、35、40、45、50℃）以及不同萃取次數(shù)（1、2、3、4次）對丁香揮發(fā)油得率的影響。固定提取條件為提取時間60 min，提取溫度40℃，提取次數(shù)1次，每次萃取丁香100 g，料液比為1︰2。（2）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)：據(jù)參考文獻(xiàn)[9]，影響丁烷萃取效率的主要因素有萃取時間、萃取溫度和萃取次數(shù)3因素，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，每個因素選取3個水平進(jìn)行L9（33）正交試驗(yàn)，以揮發(fā)油的提取率為參考指標(biāo)，因素水平見表1。

表1 亞臨界丁烷萃取法提取丁香揮發(fā)油的L9（33）正交試驗(yàn)因素水平

1.2.3 超臨界CO2萃取丁香揮發(fā)油的工藝參數(shù) 依據(jù)參照文獻(xiàn)[8]，超臨界CO2萃取時間2 h，萃取壓力15 MPa，萃取溫度45℃，分離壓力4.5 MPa，分離溫度55℃。

1.2.4 氣相色譜質(zhì)譜檢測條件 將獲得的丁香揮發(fā)油稀釋1 000倍溶于正己烷，過0.45 μm膜；進(jìn)樣口溫度280℃（99.999%He），流速1 mL /min，進(jìn)樣量1 μL；分流比10︰1。EI離子源，電子能量70 eV，離子源溫度250℃；溶劑延遲3 min，質(zhì)量掃描范圍（35～455 m/z）。色譜柱為毛細(xì)管柱hp-5MS（30 m×250 μm×0.25 μm）；升溫程序?yàn)槌跏紲囟?0℃，以5℃/min 升溫至160℃，保持10 min，再以20℃/ min升溫至180℃，保持2 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞臨界丁烷萃取法提取丁香揮發(fā)油的單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 萃取時間對丁香揮發(fā)油得率的影響 由圖1可知，隨著萃取時間的延長，丁香揮發(fā)油得率逐漸增加；當(dāng)萃取時間超過60 min時，丁香揮發(fā)油得率基本不變，說明此時揮發(fā)油在溶劑中已經(jīng)達(dá)到傳質(zhì)動態(tài)平衡，若繼續(xù)延長萃取時間不僅無法促進(jìn)揮發(fā)油進(jìn)一步浸出，而且會降低生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本[10]。

圖1 不同萃取時間處理丁香揮發(fā)油得率的比較

2.1.2 萃取溫度對丁香揮發(fā)油得率的影響 由圖2可知，隨著萃取溫度的增加，丁香揮發(fā)油得率逐漸增加，主要是因?yàn)閬喤R界狀態(tài)下溫度越高，體系內(nèi)傳質(zhì)阻力越小，揮發(fā)油在溶劑中的擴(kuò)散速度越快[9]；當(dāng)萃取溫度≥40℃時，丁香揮發(fā)油得率基本維持不變；繼續(xù)提升溫度，丁香揮發(fā)油得率不再升高，主要是因?yàn)闇囟冗^高，丁烷的密度減小，粘度下降，揮發(fā)油的萃取能力也隨之下降[10]。

圖2 不同萃取溫度處理丁香揮發(fā)油得率的比較

2.1.3 萃取次數(shù)對丁香揮發(fā)油得率的影響 亞臨界狀態(tài)下萃取丁香揮發(fā)油是一個打破傳質(zhì)動態(tài)平衡的過程，丁香內(nèi)外成分濃度差越大，揮發(fā)油向丁烷傳質(zhì)過程的推動力越大，浸出越完全，因此多次萃取有利于揮發(fā)油的溶出[9-10]。從圖3中可以看出，在萃取時間為60 min、萃取溫度為40℃的條件下，當(dāng)萃取次數(shù)為3次時，萃取率最高，而4次萃取后出油率未見增加。這說明經(jīng)過3次萃取，丁香中的揮發(fā)油已萃取完全。

圖3 不同萃取次數(shù)處理丁香揮發(fā)油得率的比較

2.2 亞臨界丁烷萃取法提取丁香揮發(fā)油的正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，萃取丁香揮發(fā)油的最佳組合為A2B2C3，即萃取時間為60 min，萃取溫度為40℃，萃取次數(shù)為3次；從3個因素的極差可以看出丁烷萃取次數(shù)（7.53）對揮發(fā)油得率的影響最顯著, 其次是萃取溫度（2.12），而萃取時間（1.81）對揮發(fā)油得率的影響最小。

表2 亞臨界提取丁香揮發(fā)油工藝L9（33）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

2.3 亞臨界丁烷萃取與超臨界CO2萃取的差異

從丁香揮發(fā)油的得率來看，亞臨界丁烷萃取法和超臨界CO2萃取法的得率分別為18.65%和17.89%，差異較小。應(yīng)用GC-MS 技術(shù)對采用亞臨界丁烷萃取法和超臨界CO2萃取法獲得的丁香萃取物的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，共鑒定出6種主要成分，如圖4和圖5所示，這6種成分分別為丁香酚、α-蓽澄茄油烯、1-石竹烯、丁香烯、乙酸丁香酚酯和氧化石竹烯。

圖4 超臨界二氧化碳萃取丁香揮發(fā)性成分總離子流圖

圖5 亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)性成分總離子流圖

應(yīng)用峰面積歸一化法確定了各成分的相對含量，結(jié)果見表3。從表3中可以看出，兩種萃取方法所得產(chǎn)物的化學(xué)組成一致，主要成分的相對含量相差不大，主要活性成分丁香酚、1-石竹烯和乙酸丁香酚酯的相對百分含量之和都超過了98%。研究表明，以上3種成分是丁香揮發(fā)油具有抗菌、消炎、鎮(zhèn)痛及清除氧自由基作用的主要活性成分[11-13]。因此，亞臨界丁烷萃取所得的丁香揮發(fā)油與超臨界CO2萃取法獲得的質(zhì)量相當(dāng)。

表3 不同方法萃取丁香揮發(fā)性成分的相對含量比較（%）

3 結(jié)果與討論

采用正交法對亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油的條件進(jìn)行了優(yōu)化，得出萃取次數(shù)對丁香揮發(fā)油得率取響最大，萃取的最佳工藝為萃取時間60 min、萃取溫度40℃、萃取次數(shù)3次，在此條件下丁香揮發(fā)油的得率為18.65%。用GC-MS分析了亞臨界丁烷萃取的揮發(fā)油主要成分，結(jié)果表明，與超臨界CO2萃取法相比，兩者揮發(fā)油的得率以及主要化學(xué)成分的含量基本相同。這主要是因?yàn)?，兩種方法使用的溶劑對分子量較小和非極性的有機(jī)化合物分子都有較強(qiáng)的親和力，且萃取都是在低溫?zé)o氧條件中進(jìn)行，很好地保存了其活性成分。兩種萃取法得到的丁香揮發(fā)油差異小，說明亞臨界丁烷萃取丁香揮發(fā)油具有高產(chǎn)量、高效益和高品質(zhì)的特點(diǎn)；而且與超臨界CO2萃取法相比，還具有設(shè)備成本投入低，壓力小等優(yōu)勢[14-15]。

[1] 國家藥典委員會. 中國人民共和國藥典（第一部）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 朱金段，袁德俊，林新穎. 丁香的藥理研究現(xiàn)狀及臨床應(yīng)用[J]. 藥物研究，2013，（1）：32-35.

[3] 邱 琴，崔兆杰，韋棟梁，等. 丁香揮發(fā)油化學(xué)成分的研究[J]. 藥物分析雜志，2003，23（6）：443-445.

[4] 王 娟，余 銳，張俊艷，等. 超臨界CO2、亞臨界CO2與石油醚萃取的茶樹花精油的揮發(fā)性成分的對比[J]. 現(xiàn)代食品科技，2015，31（2）：204-249.

[5] 郭 勇，繆劍華，雷衍國，等. 正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)選八角茴香油的超/亞臨界CO2萃取工藝[J]. 天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2008，（20）：142-149.

[6] 汪 洋，李 焱. 超臨界CO2萃取在植物化學(xué)物提取中的研究進(jìn)展[J]. 中國釀造，2015，34（7）：10-14.

[7] 關(guān)文強(qiáng). 丁香油的超臨界CO2萃取及在果蔬保鮮中的應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué)，2006.

[8] 付振喜，王建清，金政偉，等. 丁香揮發(fā)油的提取工藝及化學(xué)成分分析[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（11）：5628-5630.

[9] 劉玉蘭. 油脂制取與加工工藝學(xué)（第二版）[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009.

[10] 劉日斌，汪學(xué)德，胡華麗，等. 芝麻油亞臨界丁烷流體低溫萃取工藝及品質(zhì)研究[J]. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，35（1）：30-36.

[11] Fujisawa S，Atsumi T，Satoh K，et al. Radical generation，radicalscavenging activity，and cytotoxicity of eugenol-related compounds[J]. Vitro and MolecularToxicology，2000，13（4）：269-279.

[12] Burt S. Essential oils：their antibacterial properties and potential applications in foods-areview[J]. International Journal of Food Micro -biology，2004，94（3）：223-253.

[13] Karuppiah P，Rajaram S. Antibacterial effect of Allium sativum cloves and Zingiber officinale rhizomes against multiple-drug resistant clinical pathogens[J]. Asian Pacific Journal of Tropical Biomedicine，2012，2（8）：597-601.

[14] 祁 鯤. 亞臨界溶劑生物萃取技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀[J]. 糧食與食品工業(yè)，2012，19（5）：5-8.

[15] 劉肖麗，吳雪輝. 不同提取方法對茶油品質(zhì)的影響[J]. 食品工業(yè)科技，2012，33（24）：307-310.

（責(zé)任編輯：成 平）

Sub-criticalFluidExtractionofVolatilefromSyzygium aromaticum(L.)Merr.EtPerry

WANG Jing1,2,3，ZHANG Zhi-xu1,2,3
（1. College of Horticulture and Gardening, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, PRC; 2. State Key Laboratory of Subhealth Intervene Technology, Changsha 410128, PRC; 3. Hunan Collaborative Innovation for Utilization of Botanical Functional Ingredients, Changsha 410128, PRC）

The volatile components in Syzygium aromaticum(L.)Merr.Et Perry was efficient extraction using Sub-critical butane. The extraction temperature, extraction time and extraction times was optimized. Syzygium aromaticum(L.)Merr.Et Perry volatile component was analyzed by GC-MS. The results showed that the optimal conditions were extraction temperature 40℃, extraction time 60 min, 3 times. Under this condition, the rate of extraction of Syzygium aromaticum(L.)Merr. Et Perry volatile was 18.65%, compared with Extraction by supercritical CO2fluid, the Main components of the Syzygium aromaticum(L.)Merr.Et Perry volatile was similar and the extraction rate has minor differences. It was indicated that sub-critical butane could be used to extract Syzygium aromaticum(L.)Merr. Et Perry volatile.

sub-critical fluid extraction; Syzygium aromaticum(L.)Merr.Et Perry; supercritical CO2fluid extraction; gas chromatographymass spectrometry (GC-MS)

TS224.4

A

1006-060X（2017）05-0087-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.005.025

2017-03-24

國家科技支撐計(jì)劃（2012BAD33B11）

王 靖（1987-），男，湖南長沙市人，碩士研究生，研究方向：植物資源與工程。

張志旭