超臨界CO2萃取紫蘇葉揮發(fā)油的工藝優(yōu)化

金建忠

(浙江樹人大學生物與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310015)

超臨界CO2萃取紫蘇葉揮發(fā)油的工藝優(yōu)化

金建忠

(浙江樹人大學生物與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310015)

目的：采用超臨界CO2流體萃取技術萃取紫蘇葉揮發(fā)油，優(yōu)化萃取工藝。方法：以紫蘇葉揮發(fā)油得率為指標，通過單因素試驗和正交試驗考察萃取溫度、萃取壓力、CO2流量、萃取時間4個因素對紫蘇葉揮發(fā)油的超臨界CO2流體萃取的影響。結果：萃取壓力20MPa、萃取溫度35℃、CO2流量為10kg/h的條件下萃取150min為最佳工藝。結論：超臨界CO2流體萃取技術萃取紫蘇葉揮發(fā)油得率達3.2%。

紫蘇；超臨界CO2萃?。粨]發(fā)油

紫蘇學名Perilla frutescens (L.) Britt.，古名荏，又名白蘇、赤蘇、紅蘇、香蘇、黑蘇、白紫蘇葉、青蘇、野蘇、蘇麻、蘇草、唐紫蘇葉、桂芢、皺葉蘇等，屬唇形科一年生草本植物，具有特異芳香，是衛(wèi)生部首批頒布的既是食品又是藥品的60種中藥之一[1-2]。紫蘇原產于我國，在我國種植已有兩千多年歷史，如今主要分布于東南亞。現(xiàn)代藥理研究表明紫蘇具有降血壓、降血脂、抑制血小板凝集、抗血栓、抗衰老、減肥、抗過敏性炎癥、增強學習記憶、預防癌變和抑制腫瘤細胞轉移等功能[3-5]。

紫蘇葉的揮發(fā)油是其重要的藥理活性成分[6-9]。紫蘇葉揮發(fā)油的傳統(tǒng)提取法為水蒸氣蒸餾法，有關水蒸氣蒸餾法提取紫蘇葉揮發(fā)油及其化學成分研究有多篇文獻報道[10-15]。但紫蘇葉的有效成分中有些低沸點、易氧化物質，在水蒸氣蒸餾提取時會發(fā)生變化和損失，使精油的品質下降。且揮發(fā)油得率也很低(約0.4%)。因而迫切需要一種新的有效提取紫蘇葉揮發(fā)油的手段，使傳統(tǒng)的中藥生產工藝得到改進，實現(xiàn)中藥生產的現(xiàn)代化。

超臨界CO2萃取技術具有流程簡單、步驟少、節(jié)能、傳質速率快、穿透能力強、萃取效率高、操作溫度低，作為一種環(huán)保型的綠色分離技術現(xiàn)已成為獲得高品質精油的有效手段之一[16-21]。本實驗對超臨界CO2萃取紫蘇葉揮發(fā)油工藝進行了研究，以揮發(fā)油得率為考察指標，研究了萃取壓力、萃取溫度、CO2流量和萃取時間對揮發(fā)油得率的影響，以期確定超臨界CO2萃取紫蘇葉揮發(fā)油的最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫蘇葉 杭州中藥飲片廠；CO2氣體(純度≥99.0%)杭州民星工貿有限公司。

無水氯化鈉、無水硫酸鈉 上海虹光化工廠。

1.2 儀器與設備

HL-0.5/50MPaⅢA型超臨界流體(CO2)萃取裝置 杭州華黎泵業(yè)有限公司；揮發(fā)油提取器 安徽千秋玻璃儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 水蒸氣蒸餾法

稱取100g紫蘇葉粉末，于揮發(fā)油提取器中進行水蒸氣蒸餾，提取5h，收集上層油狀物，加10g無水氯化鈉至飽和，分出大部分水后加無水硫酸鈉干燥，得到紫蘇葉揮發(fā)油，根據(jù)下式計算紫蘇葉揮發(fā)油得率。

1.3.2 超臨界CO2萃取流程

稱取100g紫蘇葉粉末裝入萃取釜，待制冷裝置與萃取釜和分離釜加溫裝置正常工作后，打開壓縮泵加壓到所需壓力，調整CO2流量，循環(huán)萃取。萃取時固定分離壓力5.0MPa、分離溫度50℃。

根據(jù)經驗及相關文獻設置各個單因素試驗的參數(shù)值，根據(jù)單因素試驗的結果設計正交試驗的因素、水平，并對所得最佳工藝進行驗證實驗。

2 結果與分析

2.1 水蒸氣蒸餾法

水蒸氣蒸餾法得到紫蘇葉揮發(fā)油0.42g，得率僅0.42%。

2.2 超臨界CO2萃取條件的單因素試驗

2.2.1 萃取壓力單因素試驗

在萃取溫度45℃、CO2流量10kg/h，萃取時間120min條件下，進行不同壓力條件下的萃取實驗，結果見圖1a。萃取壓力對得率的影響相當顯著，隨著壓力的增大，揮發(fā)油得率升高，當壓力處于20～22MPa范圍內時，萃取率增加緩慢。當壓力超過23MPa后，揮發(fā)油得率明顯下降，該實驗結果與理論有沖突，原因不明。在試驗過程中還發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增大，揮發(fā)油顏色也變深。因此，萃取壓力選擇20MPa。

2.2.2 萃取溫度單因素試驗

在萃取壓力20MPa、CO2流量10kg/h、萃取時間120min條件下考察不同溫度對紫蘇葉揮發(fā)油得率的影響，結果見圖1 b。隨著溫度的增加，得率增大，當萃取溫度超過35℃后，得率下降，所以在萃取溫度為3 5℃時，得率最高。

2.2.3 CO2流量單因素試驗

在萃取壓力20MPa、萃取溫度35℃、萃取時間120min條件下，考察不同CO2流量對紫蘇葉揮發(fā)油得率的影響，結果見圖1c。隨著CO2流量的增加，揮發(fā)油得率增大，而后得率呈減少趨勢?？紤]到CO2流量增大會導致CO2消耗增加和其他生產成本的增加，且不利于分離器中萃取物與CO2的分離，因此選擇CO2的流量以10kg/h為佳。

2.2.4 萃取時間單因素試驗

在萃取壓力20MPa、萃取溫度35℃、CO2流量10kg/h條件下，考察萃取時間對紫蘇葉揮發(fā)油得率的影響，結果見圖1 d。隨著時間的增加，揮發(fā)油得率也隨之增加，但當時間大于100min之后，得率基本不變，而且時間增加也會增加能耗，因此萃取時間選擇100min為宜。

圖1 不同萃取條件對揮發(fā)油得率的影響Fig.1 Effects of different extraction conditions on extraction rate of volatile oil

2.3 超臨界CO2萃取條件的正交試驗

為了全面考察超臨界CO2萃取各因素的影響，在單因素試驗的基礎上設計了正交試驗。固定分離壓力5.0MPa、分離溫度50℃，考察萃取壓力、萃取溫度、CO2流量和萃取時間對紫蘇葉揮發(fā)油得率的影響，經過綜合考慮確立提取的最佳條件，考察因素及具體水平點見表1。選用L9(34)正交表，正交試驗結果見表2。

表1 正交試驗設計的因素水平Table 1 Factors and levels in orthogonal array design

表2 正交試驗結果及分析Table 2 Orthogonal array design experimental results and range analysis

表2表明，超臨界CO2萃取法提取條件對紫蘇葉揮發(fā)油得率影響程度的大小順序為CO2流量＞萃取溫度＞萃取時間＞萃取壓力，A2B2C2D3為最佳值，即最佳條件為壓力20MPa、溫度35℃、流量10kg/h、時間150min。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis of othogonal array design experimental results

由表3可知，影響因素CO2流量和萃取溫度的F值大于F0.05(2,2)，對實驗結果有顯著影響，與極差分析結果一致。

2.4 驗證實驗

固定分離壓力5.0MPa、分離溫度50℃，用此最佳條件重復萃取紫蘇葉3次，揮發(fā)油得率分別為3.3%、3.2%和3.2%，平均得率為3.2%。此提取條件與正交試驗任意組對比，大于所有提取率，驗證了所確定條件為最佳工藝條件。

3 結 論

以超臨界CO2為萃取劑，對紫蘇葉揮發(fā)油的超臨界流體萃取工藝進行了實驗研究。首先通過單因素試驗初步考察了各萃取條件對萃取效果的影響，并進行了正交試驗，由此確定了超臨界CO2萃取紫蘇葉揮發(fā)油的最佳的工藝條件。實驗表明最佳工藝條件為萃取壓力20MPa、萃取溫度35℃、CO2流量10kg/h、萃取時間2h，在此條件下紫蘇葉揮發(fā)油得率可達3.2%。實驗結果證明超臨界CO2萃取紫蘇葉揮發(fā)油的萃取效率遠高于水蒸氣蒸餾法(0.42%)。

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Optimization of Supercritical Carbon Dioxide Fluid Extraction Process for Volatile Oil from Perilla frutescens Leaves

JIN Jian-zhong
(College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang Shuren University, Hangzhou 310015, China)

The objective of this study was to optimize the supercritical fluid CO2 extraction of volatile oil from Perilla frutescens leaves. Single factor and orthogonal design methods were used to investigate the effects of pressure, temperature, extraction time and CO2 flow rate on extraction rate of volatile oil. Pressure of 20 MPa, temperature of 35 ℃, CO2 flow rate of 10 kg/h and extraction time of 150 min were found optimum. Under the optimal extraction conditions, the extraction rate of volatile oil was up to 3.2%.

Perilla frutescens；supercritical fluid CO2 extraction；volatile oil

R284.2

A

1002-6630(2011)06-0124-03

2010-06-24

金建忠(1962—)，男，教授，本科，研究方向為天然產物化學。E-mail：hzjjz@163.com