超臨界CO2流體萃取法和水蒸氣蒸餾法對辛夷揮發(fā)油萃取率和萃取質(zhì)量的比較

曹明卓 王亞君 王憲齡

1. 河南中醫(yī)藥大學(xué)科研實(shí)驗(yàn)中心，河南鄭州 450046；2.鄭州澍青高等醫(yī)藥?？茖W(xué)校，河南鄭州 450064

辛夷是木蘭科（Magnoliaceae）落葉喬木植物，俗稱玉蘭，望春玉蘭等，其主要入藥部位為其干燥花蕾。辛夷是一種傳統(tǒng)名貴中藥，辛夷揮發(fā)油含量較高，有文獻(xiàn)報(bào)道可達(dá)3%～6%，其主要活性成分為新木脂素和木質(zhì)素[1-2]，具有抗菌[3]、抗過敏[4-6]、改善記憶功能[7]及抗氧化[8]等作用，在臨床主要用于治療鼻炎、鼻塞、頭痛等病癥，揮發(fā)油呈透明的淡黃色，具有清香氣味，除藥用外還可作為的香精香料在食品、化妝品及香煙中廣泛使用[9]，還可以作為促滲劑促進(jìn)藥物的透皮吸收[10]。目前中藥揮發(fā)油的提取方法仍是以水蒸氣蒸餾為主，但是水蒸氣蒸餾法具有設(shè)備簡單和操作方便的優(yōu)點(diǎn)，但是其操作溫度高，萃取時(shí)間長，易破環(huán)藥材中的有效成分[11]，且其萃取的效率低。超臨界CO2流體萃取技術(shù)是利用超臨界流體具有液體的萃取能力（密度與液體接近），而具有氣體的粘度（粘度與氣體接近），在CO2臨界點(diǎn)附近對壓力和溫度極其敏感的物理特性，通過改變溫度或壓力而改變?nèi)苜|(zhì)在溶劑中的溶解度實(shí)現(xiàn)其分離，具有操作溫度低、時(shí)間短、綠色環(huán)保無污染、萃取效率高等優(yōu)點(diǎn)[12]，但是其也存在著操作壓力高且設(shè)備價(jià)格較昂貴的問題。本文采用兩種方法來從辛夷中提取揮發(fā)油所，并對其萃取的辛夷揮發(fā)油從萃取效率和萃取質(zhì)量進(jìn)行比較分析，為辛夷揮發(fā)油的提取生產(chǎn)工藝提供一定的科學(xué)依據(jù)。

表1 水蒸汽蒸餾法中料液比、浸泡時(shí)間、提取時(shí)間對辛夷揮發(fā)油萃取率的影響

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

干燥花蕾1kg（購自河北楚風(fēng)中藥飲片有限公司），經(jīng)河南中醫(yī)藥大學(xué)陳隨清教授鑒定為木蘭科植物望春玉蘭。

1.2 設(shè)備與試劑

儀器：Speed 2 型CO2超臨界萃取儀（美國ASI公司），LT1002E型普通電子天平（賽多利斯），F(xiàn)A2204B萬分之一分析天平（賽多利斯），ZNHW智能恒溫電熱套（鄭州愛博特科技公司），揮發(fā)油提取器，SB-25-12DT超聲清洗儀（江蘇賽飛），DZF-6210真空干燥箱（蘇州江東精密儀器）等。

試劑：蒸餾水（自制），甲醇、乙醇、無水硫酸鈉、石油醚等（均購自天津市富鑫商貿(mào)有限公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 原材料處理 取一定量辛夷置于真空干燥器中干燥10h，30℃，干燥后進(jìn)行粉碎，過20 ～ 40目篩，將過篩后藥材放置4℃冰箱中備用。

1.3.2 水蒸氣蒸餾法提取辛夷 每次稱取過篩后的辛夷約為30.0g，置于1000mL圓底燒瓶中，加入幾粒沸石，振蕩混勻后，連接揮發(fā)油提取裝置，加熱回流。按照三因素三個水平設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)（見表1），并按照設(shè)計(jì)的方案萃取一定時(shí)間后，冷卻提取液，每次用5mL石油醚萃取提取液，共萃取三次，收集萃取液置于50mL的圓底燒瓶中，再用無水硫酸鈉冷藏過夜。減壓過濾，將濾液減壓蒸發(fā)，得淺黃色辛夷揮發(fā)油，稱重計(jì)算收率，并對揮發(fā)油的色澤和香味進(jìn)行分級。

1.3.3 超臨界CO2流體萃取技術(shù) 用甲醇將超臨界萃取儀的萃取釜和管道清洗干凈，干燥。每次稱取約12g過篩后的辛夷，置于50mL的萃取釜中，主要考察萃取溫度、萃取壓力和萃取時(shí)間三個因素（見表2～4），進(jìn)行靜態(tài)萃取，CO2流量為25kg/h。萃取后收集揮發(fā)油，稱重并計(jì)算收率，并對揮發(fā)油的色澤和香味進(jìn)行分級。

1.3.4 辛夷揮發(fā)油萃取率的計(jì)算 揮發(fā)油萃取率%= 揮發(fā)油重量/辛夷原料總重量×100%。

1.3.5 辛夷揮發(fā)油的色澤和香味分級 將各個水平上得到的揮發(fā)油進(jìn)行色澤和香味的分級，將色澤分為二級，顏色淺為Ⅰ級，顏色深為Ⅱ級，香味分為三級，最香為Ⅰ級，其次為Ⅱ級，最差為Ⅲ級。

2 結(jié)果與分析

2.1 水蒸氣蒸餾法的萃取率

料液比、浸泡時(shí)間、萃取時(shí)間：適宜的料液比可有效增加物料與溶劑的接觸面積，浸泡時(shí)間和萃取時(shí)間決定有效成分是否萃取完全。以料液比、浸泡時(shí)間、萃取時(shí)間設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分為九組，以揮發(fā)油的萃取率和萃取質(zhì)量為考察指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表1所示。

由表1可知，R1極值料液比＞提取時(shí)間＞浸泡時(shí)間（0.166＞0.087＞0.032），即浸泡時(shí)間對實(shí)驗(yàn)的影響最小，料液比對實(shí)驗(yàn)的影響最大。水蒸汽蒸餾法確定的辛夷揮發(fā)油的最佳提取條件為：料液比1：15，浸泡時(shí)間1h，提取時(shí)間2h。平均萃取率為1.376%。采用水蒸氣蒸餾萃取的辛夷揮發(fā)油在色澤和香味上均比超臨界萃取的稍差，尤其是香味，超臨界萃取的香味會更加持久和濃郁。

表2 萃取溫度的影響

表4 正交試驗(yàn)考察萃取壓力、溫度和時(shí)間對辛夷揮發(fā)油提取率的影響

2.2 超臨界CO2流體萃取法

2.2.1 溫度 在一定的超臨界壓力下，升高溫度可以增加被萃取物的揮發(fā)性，提高萃取率。當(dāng)溫度升高到某一值以上，由于超臨界流體的密度降低，溶解能力也隨之下降，導(dǎo)致萃取量減少。由表2及圖1可知在壓力為14mPa、提取時(shí)間為9h時(shí)，當(dāng)溫度為35℃為辛夷的最適提取溫度。

圖1 萃取溫度對萃取率的影響

2.2.2 萃取壓力 在一定的溫度下，隨著壓力的增大，超臨界流體的密度增加，溶質(zhì)在溶劑中的溶解度也隨之增加，在一定程度上可提高萃取率。但是，壓力的增大對設(shè)備和操作技術(shù)的要求也提高了，增加了投資成本。由表3及圖2可知當(dāng)提取時(shí)間為9h、溫度為35℃時(shí)，隨著萃取壓力的升高，萃取率先升高再下降，辛夷揮發(fā)油的最佳萃取壓力為14mPa。

表3 萃取壓力的影響

圖2 萃取壓力對萃取率的影響

2.2.3 正交試驗(yàn)優(yōu)化萃取條件 在2.2.1和2.2.2節(jié)操作的基礎(chǔ)上，又對辛夷揮發(fā)油提取的條件進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，考察溫度、壓力和萃取時(shí)間對辛夷揮發(fā)油提取的影響，實(shí)驗(yàn)分為九組。其中萃取溫度為30、35、40℃，提取壓力為12、14、16mPa，萃取時(shí)間為 1、1.5、2h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可以看出，R2值 萃取溫度＞萃取壓力＞萃取時(shí)間（0.108＞0.065＞0.056），即萃取溫度對萃取率影響最大，萃取時(shí)間對萃取率影響最小。超臨界CO2流體萃取辛夷揮發(fā)油的最佳提取條件為：溫度35℃，壓力14mPa，萃取時(shí)間1h，三次平行實(shí)驗(yàn)平均提取率為5.148%。

3 討論

在本實(shí)驗(yàn)中，采用正交實(shí)驗(yàn)法研究了水蒸氣蒸餾法和超臨界CO2流體萃取技術(shù)對辛夷揮發(fā)油的提取，快速準(zhǔn)確的確定了兩種方法對揮發(fā)油萃取的最佳提取條件。水蒸氣蒸餾最佳萃取條件為：料液比1：10，浸泡時(shí)間1h，提取時(shí)間2h，超臨界CO2流體萃取法的最佳萃取條件為：溫度35℃，壓力14mPa，萃取時(shí)間1h。水蒸氣蒸餾法所萃取的揮發(fā)油為淡黃色油狀液體，平均萃取率為1.376%，而超臨界CO2流體萃取法所萃取的揮發(fā)油為棕黃色，不僅顏色較前者深，而且在最佳實(shí)驗(yàn)條件下的揮發(fā)油萃取率是水蒸氣蒸餾法的3倍，在最佳操作條件下平均萃取率為5.148%，而且采用超臨界萃取得到的產(chǎn)物香味更加濃郁和持久，在超臨界萃取中，整個實(shí)驗(yàn)室都充滿的辛夷的香味。

水蒸氣蒸餾法和CO2流體萃取法所提取的揮發(fā)油中，主要成分均為烯萜類化合物[13-14]及其含氧衍生物，有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明二者所萃取的揮發(fā)油成分具有明顯差異[15]，采用超臨界萃取法提取的揮發(fā)油在抗菌性能和抗氧化性能上均有更佳的作用效果[7]。水蒸氣蒸餾法是在130℃的條件下萃取揮發(fā)油，溫度高于超臨界CO2流體萃取的條件，且提取時(shí)間較長，易導(dǎo)致部分揮發(fā)油的逸出和不穩(wěn)定性成分分解，萃取出來的揮發(fā)油成分量少而且質(zhì)量比較差。而超臨界CO2流體在低溫密閉條件下操作，揮發(fā)油成分萃取較完全，降低了易氧化物質(zhì)分解的幾率，萃取出來的揮發(fā)油質(zhì)量較佳。因此超臨界CO2流體有利于對低沸點(diǎn)、脂溶性、熱敏性物質(zhì)的提取，所萃取的辛夷揮發(fā)油色澤更亮，出油率也顯著性的提高，在揮發(fā)油萃取中更優(yōu)于水蒸氣蒸餾法。本實(shí)驗(yàn)對兩種方法所提取的揮發(fā)油在過敏性鼻炎和過敏性哮喘需要進(jìn)一步的比較分析。