超临界CO2萃取崖柏精油的研究

王亚琦 陈奕洪 黄卫文，3 莫启武 周 洁（.中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南 长沙 000；.广东江门市藏寿天然艺术品有限公司，广东 江门 59000；3.稻谷及副产物深加工国家工程实验室，湖南 长沙 000；.国家轻工业香料化妆品洗涤用品质量监督检测广州站，广东 广州 50075）

崖柏（Thuja sutchuenensis）为柏科（cupressaceae）崖柏属（thuja）常绿乔木，是一类起源于恐龙时代的“活化石”［1］。经研究［2－4］发现，崖柏的根、茎、叶中含有罗汉柏烯、α－蒎烯、柠檬烯等萜类化合物，这些萜类化合物脂溶性佳，分子小，具有抗菌、抗氧化、抗肿瘤、降血压、驱虫、抗炎、利尿、祛痰、健身强体的功效。从崖柏中提取的崖柏精油亦含有上述许多有益成分，可应用于医疗保健、食品工业、果蔬保鲜、日用化妆品等领域［5］。超临界CO2流体萃取方法应用于植物精油的提取，具有萃取速度快、效率高，产品分离流程简单且应用广等优点［6，7］。由于崖柏资源的稀有，尚未见用超临界CO2萃取崖柏精油的报道，近年来，已进行了崖柏的人工种植试验，并获得成功，为对崖柏的研究开发提供了条件［8，9］。本研究拟采用超临界CO2流体萃取法从崖柏中提取精油，通过单因素试验和正交试验确定最佳的萃取工艺条件，并采用GC—MC对该工艺获得的崖柏精油进行成分分析和鉴定，为崖柏扩大种植及其开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

崖柏（根部）切片：5mm×5mm×0.2mm，广东江门市藏寿天然艺术品有限公司；

二氧化碳：纯度≥99.9%，长沙中益气体有限公司；

二氯甲烷：色谱纯，上海化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

超临界CO2萃取装置：DY120－50－02型，江苏南通华安超临界萃取有限公司；

气相色谱－质谱联用仪：QP2010Ultra型，日本岛津公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

崖柏根切片→超临界CO2萃取（CO2钢瓶→冷却系统→高压泵→萃取釜→分离釜）→收集精油

1.3.2 工艺方法 准确称取150.0g崖柏切片装入2L的超临界CO2萃取釜中，启动设备，调节萃取釜和分离釜的温度、压力及CO2流量进行循环萃取，萃取一定时间后从分离釜中收集萃出物，准确测定所得精油的体积和质量，置于4℃密封保存并计算崖柏精油的提取率。

1.3.3 崖柏精油得率 按式（1）计算：

1.3.4 装料系数计算 本试验所用小试装置萃取釜容积为2L，测定出2L的萃取釜中装满崖柏切片的总重量为220g。装料系数按式（2）计算：

1.3.5 单因素试验设计

（1）物料装料系数：称取150.0g崖柏切片，固定萃取压力20MPa、萃取温度45℃、分离压力8MPa、分离温度50℃、CO2流速1.5L/min、静态萃取时间30min、动态萃取时间50min条件下，研究物料装料系数（0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9）对崖柏精油提取率的影响。

（2）萃取压力：称取150.0g崖柏切片，固定萃取温度45℃、分离压力8MPa、分离温度50℃、CO2流速1.5L/min、静态萃取时间30min、动态萃取时间50min条件下，研究萃取压力（10，15，20，25，30，35MPa）对崖柏精油提取率的影响。

（3）萃取温度：称取150.0g崖柏切片，固定萃取压力20 MPa、分 离 压 力 8MPa、分 离 温 度50 ℃、CO2流 速1.5L/min、静态萃取时间30min、动态萃取时间为50min条件下，研究萃取温度（35，40，45，50，55，60 ℃）对崖柏精油提取率的影响。

（4）静态萃取时间：称取150.0g崖柏切片，固定萃取压力20MPa、萃取温度45℃、分离压力8MPa、分离温度50℃、CO2流速1.5L/min、动态萃取时间50min条件下，研究静态萃取时间（10，20，30，40，50min）对崖柏精油提取率的影响。

（5）动态萃取时间：称取150.0g崖柏切片，固定萃取压力20MPa、萃取温度45℃、分离压力8MPa、分离温度50℃、CO2流速1.5L/min、静态萃取时间30min条件下，研究动态萃取时间（10，30，50，70，90min）对崖柏精油提取率的影响。

1.3.6 正交试验 在单因素试验的基础上，选取萃取压力、萃取温度以及动态萃取时间进行3因素3水平L9（33）正交试验，优化崖柏精油的萃取工艺条件。

1.3.7 精油分析方法 所得到最佳工艺的崖柏精油用二氯甲烷稀释10倍，过0.22μm有机滤膜后进行GC—MC鉴定分析。

（1）气相色谱条件：Rtx－5MS（30m×0.25mm×0.25μm）色谱柱，进样量1μL，分流比100︰1，进样口温度260℃，流速1mL/min，载气为高纯氦气。程序升温：初始温度90℃（保持5min），以3℃/min速度升至220℃（保持5min），再以10℃/min升至250℃。

（2）质谱条件：EI电离源，电离电压70eV，离子源温度230℃，四级杆温度150℃，传输线温度250℃，标准调谐，SCAN质量扫描，溶剂延迟5min，扫描范围35～600amu。

（3）成分解析：GC—MS分析，获得精油的总离子流色谱图（TIC），利用NIST05质谱数据检索标准谱库解析成分，对所得的谱图进行检索，相似度大于85%作为结构确认依据，以峰面积归一法计算各组分相对质量分数。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 物料装料系数对崖柏精油萃取率的影响 超临界CO2流体萃取的过程中，在不同的温度和压力下，萃取物料可能会发生不同程度膨胀等现象，如果物料装量过满，容易造成堵塞，物料装量过少会直接影响萃取的收率。由图1可知，装料系数过小，提取率较低，主要因为萃取物料过少，剩余空间大与CO2流体偏流，且萃取总量过小，管道损失较大。随着装料系数的增大提取率也增大，在0.6～0.8时有较大的提取率，最后考虑提取率和安全性，选择装料系数为0.68（150g）做后续的试验。

图1 崖柏切片装料系数对崖柏精油提取率的影响Figure 1 Effect of filling coefficient on Thuja sutchuenensis essential oil extraction rate

2.1.2 萃取压力对崖柏精油提取率的影响 由图2可知，随着萃取压力增大，萃取率也增加，主要因为压力增大，超临界流体密度随之增大，从而萃取物在流体中的溶解度增大，当萃取压力达到20MPa时萃取量最大。随后萃取压力继续增加，崖柏精油的萃取率逐渐降低，可能是因为萃取压力增高后，CO2流体的密度必然变得更大，而CO2流体的扩散性能会相应地减弱，从而造成两相接触传质速率的降低。同时在实际生产过程中，萃取压力太高会使成本变高，同样存在安全隐患，所以初步选择20MPa为宜。

图2 萃取压力对崖柏精油提取率的影响Figure 2 Effect of extraction pressure on Thuja sutchuenensis essential oil extraction rate

2.1.3 萃取温度对崖柏精油提取率的影响 由图3可知，崖柏精油提取率先随温度升高而增加，50℃达到最大，温度继续升高，崖柏精油萃取率反而降低。温度升高，一方面溶质萃取精油在CO2流体的热运动速度加快，相应的溶剂蒸气压增大，使得溶解度增大，另一方面，温度继续升高，CO2流体密度变小，萃取物在CO2流体中的溶解度也相应减少，而且过高温度也会导致胶体浸出影响细胞壁的通透性导致精油难以带出，所以综合考虑选择50℃为宜。

图3 萃取温度对崖柏精油提取率的影响Figure 3 Effect of extraction temperature on Thuja sutchuenensis essential oil extraction rate

2.1.4 静态萃取时间对提取率的影响 由图4可知，随着静态萃取时间的变化，萃取率变化不明显，可能是因为崖柏细胞壁的通透性较好，在30min有最大的萃取率，最后静态萃取时间选择30min为宜。

2.1.5 动态萃取时间对崖柏精油提取率的影响 由图5可知，崖柏精油萃取率随动态萃取时间的延长而提高，动态萃取时间在10～50min时，萃取率增加明显，在50min时达最大值，之后提取率无明显变化，从提取率和节能低耗方面考虑选择50min为最佳动态萃取时间。

图4 静态萃取时间对崖柏精油提取率的影响Figure 4 Effect of static time on Thuja sutchuenensis essential oil extraction rate

图5 动态萃取时间对崖柏精油提取率的影响Figure 5 Effect of dynamic time on Thuja sutchuenensis essential oil extraction rate

2.2 崖柏精油提取工艺优化

2.2.1 正交试验结果与分析 根据单因素试验结果，萃取压力、萃取温度、动态萃取时间对崖柏精油的提取率有较大影响，设计L9（33）正交试验，进一步考察各因素对精油提取率的影响，优化提取工艺，试验因素与水平见表1。

表1 因素水平设计表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

由表2可知，各因素对提取率影响程度依次为：A＞B＞C，即：萃取压力＞萃取温度＞动态萃取时间。最佳提取条件为A2B2C3，即萃取压力20MPa，萃取温度50℃，动态萃取时间60min。根据表3方差分析萃取压力显著，其他两个因素不显著。

2.2.2 验证实验 崖柏精油的提取在最佳工艺条件下，重复5次进行验证，提取率分别为7.23%，7.29%，7.31%，7.20%，7.25%，平均提取率为7.26%，标准偏差为0.044 5，RSD为0.006 1，表明此试验有良好的重现性。

表2 L9（33）正交试验结果Table 2 Results of L9（33）orthogonal test

表3 正交试验结果方差分析Table 3 Analysis of variance of orthogonal test

表3 正交试验结果方差分析Table 3 Analysis of variance of orthogonal test

F0.01（1，2）＝99；F0.05（1，2）＝19。

方差来源 离差平方和 自由度 均方（MS） F值 Sig.A 1.160 2 0.583 43.341 0.023 B 0.286 2 0.143 10.675 0.086 C 0.213 2 0.107 7.974 0.111 D 0.002 7 2 0.013 1.000误差E 0.03 2总和T 1.67 8

2.3 崖柏精油GC—MS分析

由表4可知，最佳工艺条件下用超临界CO2萃取的崖柏精油经GC—MS分析鉴定出的28种化学成分中，以萜烯类化合物为主，其中罗汉柏烯、α－雪松醇和花侧柏烯的含量较高，其相对质量分数分别为45.50%，25.72%，7.11%。

3 结论

采用超临界CO2萃取可有效提取崖柏精油，提取率高于普通水蒸气蒸馏法，且缩短了萃取时间，具有低耗、高效、无污染等优点。本研究对超临界CO2萃取崖柏精油中单因素条件（物料装料系数、萃取压力、萃取温度、静态萃取时间、动态萃取时间）进行探究，并通过正交试验对萃取率有较大影响的3个因素（萃取压力、萃取温度、动态萃取时间）进行工艺优化，结果表明最佳提取工艺为：物料装料系数0.68，萃取压力20MPa，萃取温度50℃，动态萃取时间60min，静态萃取时间30min，此工艺条件下崖柏精油提取率为7.20%～7.31%。

表4 崖柏精油GC—MS分析结果Table 4 Analytic results of GC—MS of Thujasutchuenensis essential oil

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