鳶尾超臨界二氧化碳萃取工藝條件及成分的研究

＊楊宏偉

（1.北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院 北京 100023 2.生物質(zhì)廢棄物資源化利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100023）

鳶尾屬（Iris）是鳶尾科（Iridaceae）中最大的一個(gè)屬，有超過300個(gè)種。鳶尾屬植物作為傳統(tǒng)民間藥物歷史悠久[1]，用于治療多種疾病，如骨質(zhì)疏松[2]、癌癥、炎癥、等。鳶尾屬植物的藥用價(jià)值在埃及、印度、土耳其等地有大量記載[3-4]。文獻(xiàn)中對鳶尾植物的研究大多局限于傳統(tǒng)有機(jī)溶劑回流法，有機(jī)溶劑難以回收利用，會帶來資源浪費(fèi)及環(huán)境污染問題。超臨界CO2萃取技術(shù)具有工藝簡單、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地提高鳶尾生物活性物質(zhì)的提取率，因此本實(shí)驗(yàn)對鳶尾的進(jìn)一步研究提供了科學(xué)依據(jù)[5]。

1.材料與方法

(1)材料與試劑

鳶尾北京密云山區(qū)采集；二氧化碳（CO2含量為99.9%，食品級）長春氧氣廠；乙醇（色譜純）山東禹王實(shí)業(yè)有限公司化工分公司。

(2)儀器與設(shè)備

HA120-50-01超臨界萃取裝置（江蘇南通華安超臨界萃取公司）；TV-1901雙光束紫外-可見分光光度計(jì)（北京瑞利分析儀器公司）；梅特勒AX105變量程電子精密天平（瑞士梅特勒儀器有限公司）；R6002型高速粉碎機(jī)（中國臺灣欣鎮(zhèn)企業(yè)公司）。

(3)方法

超臨界CO2萃取鳶尾的單因素考察：稱取100g鳶尾于40℃烘干，粉碎、過60目孔徑篩的干燥鳶尾粉投入萃取罐中，同時(shí)加入100mL夾帶劑，進(jìn)行一定時(shí)間的靜態(tài)萃取，室溫條件下浸泡10～12h。參考張樂[6]、Liu Chunming[7]等文獻(xiàn)的方法，選擇70%乙醇溶液為夾帶劑，考慮到設(shè)備的承受能力，將萃取壓力固定為30MPa。分離釜Ⅰ溫度78℃、壓力6.2MPa，分離釜Ⅱ溫度70℃、壓力6.2MPa。分別對萃取溫度、萃取時(shí)間、CO2流量及夾帶劑用量進(jìn)行考察。然后打開氣體出口閥門，開始動態(tài)萃取，收集油脂產(chǎn)物，計(jì)算萃取率。

萃取率%=萃取所得油質(zhì)量/裝料量×100%

2.單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)超臨界CO2萃取鳶尾單因素考察實(shí)驗(yàn)

①考察萃取溫度對鳶尾主要成分萃取效果的影響

其他條件不變，改變萃取溫度會影響超臨界萃取的效果，其具體工藝如下，詳見表1。

表1 萃取溫度對鳶尾萃取率的影響

②考察萃取時(shí)間對鳶尾萃取效果的影響

對天然藥用植物來說，其他條件不變，萃取時(shí)間的延長，會使萃取率逐步增加，其具體工藝如下，詳見表2。

表2 萃取時(shí)間對鳶尾萃取率的影響

③考察CO2流量對鳶尾揮發(fā)成分萃取效果的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中CO2流量是需要重視的一個(gè)參數(shù)，它關(guān)系到生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)成本、萃取時(shí)間、萃取率等，其具體工藝參數(shù)見表3。

表3 CO2流量對鳶尾萃取率的影響

④考察乙醇夾帶劑用量對鳶尾萃取效果的影響

在CO2超臨界萃取時(shí)，對鳶尾進(jìn)行萃取，如果加入適量的夾帶劑，這樣提高了超臨界流體的溶解性，從而把極性較大或大分子物質(zhì)萃取出來，進(jìn)而提高了萃取效果，其具體工藝詳見表4。

表4 乙醇夾帶劑用量對萃取率的影響

⑤鳶尾CO2超臨界萃取正交試驗(yàn)

為全面考察超臨界CO2萃取中各因素的影響，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)。稱取鳶尾原料100g，固定萃取壓力30MPa，夾帶劑為70%乙醇溶液。以萃取溫度、萃取時(shí)間、CO2流量和夾帶劑用量為考察因素，采用L9（34）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素和水平詳見表5。

表5 因素和水平

3.結(jié)果與分析

(1)溫度對鳶尾超臨界萃取效果的影響結(jié)果

溫度對鳶尾超臨界萃取效果見圖1。

分析圖1，鳶尾萃取率在50℃以下有顯著增加，在50℃以上緩慢下降；這是因?yàn)樯邷囟饶芴岣叻肿拥南鄬\(yùn)動降低流體的粘度，從而使物質(zhì)的溶解性增大了，有利于萃取。

圖1 溫度對鳶尾超臨界CO2萃取效果的影響

(2)時(shí)間對鳶尾超臨界萃取效果的影響結(jié)果

時(shí)間對鳶尾超臨界萃取效果見圖2。

圖2 萃取時(shí)間對超臨界CO2萃取效果的影響

由圖2可知，隨著萃取時(shí)間的延長，鳶尾有效成分的萃取率逐漸增大。萃取時(shí)間越長萃取率越高，但它當(dāng)達(dá)到一定的萃取時(shí)間后，萃取率增加緩慢，3.5h后反而稍有下降了。因此選擇萃取時(shí)間為3.5h較好，由此可知并不是萃取時(shí)間越長越好。

(3)CO2流量對鳶尾超臨界萃取效果的影響結(jié)果

CO2流量對鳶尾超臨界萃取效果的影響見圖3。

圖3 CO2流量對鳶尾超臨界CO2萃取效果的影響

由圖3可知，隨著CO2流量增加萃取率成陡坡時(shí)增加，當(dāng)流量增大到25-35L/h時(shí)萃取率幾乎不再增加，達(dá)到最大。

(4)乙醇夾帶劑用量對超臨界萃取效果的影響結(jié)果

乙醇夾帶劑用量對鳶尾超臨界萃取效果見圖4。

圖4 乙醇夾帶劑用量對鳶尾超臨界萃取效果的影響

由圖4可知，隨著夾帶劑加入量的增加，萃取率明顯的提高，加入一些溶解度參數(shù)高于CO2的極性溶劑作為夾帶劑，可以提高混合流的極性。極性溶質(zhì)與夾帶劑可能在氫鍵力、締合力等的作用下，增強(qiáng)了對溶質(zhì)的選擇性和溶解度。加入適量的夾帶劑可以有效提高鳶尾萃取率。

4.正交試驗(yàn)結(jié)果

影響順序：A＞D＞B＞C；由此可得出最佳萃取工藝為A2、B3、C1、D2。

根據(jù)表6中R值可以看出，各因素對鳶尾超臨界CO2萃取提取率的影響程度依次為A＞D＞B＞C，即萃取溫度的影響最大，其次為夾帶劑用量的影響，再次為萃取時(shí)間，而CO2流量的影響最小。由正交試驗(yàn)結(jié)果可知，鳶尾有效成分超臨界CO2萃取較優(yōu)工藝是：在萃取壓力30MPa下，70%乙醇為夾帶劑，萃取溫度50℃，萃取時(shí)間4h，CO2流量15-25L/h，乙醇夾帶劑體積300ml。

表6 正交試驗(yàn)分析表

(1)GC-MS檢測分析

①色譜條件：VF-5 MS石英彈性毛細(xì)管柱（30.0m×2.50mm×0.25μm），載氣：高純氦氣（99.999%），體積流量：1.0ml/min；進(jìn)樣口溫度：250℃；溫度梯度：60℃（保持3min），以10℃/min升溫至290℃（保持7min），進(jìn)樣量：1μL。②質(zhì)譜條件：電離源為EI，電離能量70eV；EI源溫度為200℃；傳輸線溫度為250℃；四級桿溫度為150℃。質(zhì)量掃描范圍為30～550u，分流進(jìn)樣，分流比為100:1。

將鳶尾以超臨界CO2萃取的最佳萃取工藝萃取得到黃色油狀物，將油狀物做為GC-MS分析樣品。結(jié)果分析如下，見表7。

表7 鳶尾萃取成分表

表7中的化合物1-14是鳶尾植物的萃取成分，對其中的14個(gè)成分進(jìn)行了定性分析，該系列化合物中的1-14是通過檢索NIST08.L標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖庫來確定的。將確定了的化學(xué)組分用色譜數(shù)據(jù)以面積歸一化法得出各組分的相對含量，結(jié)果見表7，共檢出14個(gè)成分，鑒定了其中的14個(gè)成分。其中二十碳烷、β-苯氧基乙基丙烯酸酯、十四烷酸相對含量較高，三十六烷相對含量最低。

5.結(jié)論

采用正交試驗(yàn)對工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定了對鳶尾超臨界萃取的最佳條件。鳶尾的超臨界CO2萃取的最佳萃取工藝為：在萃取壓力30MPa時(shí)，以100g鳶尾粉為原料，70%乙醇溶液為夾帶劑，萃取溫度50℃，萃取時(shí)間4h，CO2流量15-25L/h，乙醇夾帶劑體積用量為300ml，萃取率最高為82.50%。萃取得到的提取物進(jìn)行GC-MS檢測分析，鑒定出14種化合物。通過超臨界CO2萃取方法，中藥成分提取選擇性高，生產(chǎn)周期短。連續(xù)萃取可以有效提高提取中藥有效成分的萃取凈度，便于工業(yè)化生產(chǎn)。這為鳶尾植物超臨界萃取的工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)，同時(shí)尋找新藥和擴(kuò)大天然產(chǎn)物的生產(chǎn)量方面具有很大的意義。