当归和党参混合挥发油提取和β-环糊精包合工艺研究

王晓琴，曹 礼*，安 玲，张小花，邹明圆

（1.河西学院 农业与生物技术学院，甘肃 张掖 734000；2.河西学院 农业废弃生物质资源综合利用工程中心，甘肃 张掖 734000）

当归和党参混合挥发油提取和β-环糊精包合工艺研究

王晓琴1，2，曹 礼1，2*，安 玲1，张小花1，邹明圆1

（1.河西学院 农业与生物技术学院，甘肃 张掖 734000；2.河西学院 农业废弃生物质资源综合利用工程中心，甘肃 张掖 734000）

对当归和党参混合挥发油的提取工艺和β-环糊精的包合工艺进行探究，以确定最佳的提取和包合工艺。采用水蒸气蒸馏法，以挥发油得率作为评价指标，通过正交试验优化混合挥发油的提取工艺；采用饱和水溶液法，以包合物收得率和挥发油利用率为综合评分指标，通过正交试验优化β-环糊精包合工艺；用X射线衍射法和红外光谱法来验证包合物的形成。结果表明，最佳提取工艺为药材粒度为粒状，超声时间20 min，料液比1∶8（g∶mL），提取时间10 h，在最优提取工艺条件下挥发油得率为75.3%；最佳包合工艺为β-环糊精:混合挥发油为1∶10（g∶mL），β-环糊精∶水为1∶10（g∶mL），包合温度为50 ℃，搅拌时间为1 h，在最优工艺条件下包合物收得率平均值为82.51%，挥发油利用率平均值为82.49%，综合评分为82.51%。

正交试验；混合挥发油；β-环糊精；包合工艺

当归为伞科植物当归（Angelica sinensis（Oliv.）Diels）的根，是一种常用的中药材，素有“十方九归”的称号。其药性甘、辛、温；入肝、心、脾经。具有补血活血，调经止痛，润肠通便的主要功效；用于血虚萎黄、眩晕心悸、月经不调、经闭痛经、虚寒腹痛、肠燥便秘、风湿痹痛、跌扑损伤、痈疽疮疡等症[1]。党参为桔梗科植物（Codonopsispilosula（Franch.）Nannf），为常用中药，味甘、性平，入脾、肺经，具有健脾益肺、养血生津之功效，在临床上主要用于治疗脾肺气虚、食少倦怠、气血不足等症[2]。甘肃漳县金钟镇为西秦岭山脉地段，南接药都岷县，在海拔、降雨量、温度、土壤等自然条件适宜当归和党参的生长，产出的当归与党参品质好，药性佳，属“岷药”系列。研究表明，当归、党参的配伍使用，能增强机体对自由基的清除，增强免疫功能低下小鼠的免疫功能，对免疫失衡机体具有保护作用[3]，增加外周红、白细胞数，增强免疫等药理作用[4]，对失血性贫血小白鼠均有显著的补血作用[5]，能减少脂质过氧化反应，促进肝细胞内核糖、核酸合蛋白质的合成，预防肝损伤[6]。

挥发油也称精油，是存在于植物中的一类具有芳香气味、可以随水蒸气蒸馏出来而又与水不相溶的挥发性油状成分的总称[7]。目前挥发油的包合工艺主要有饱和水溶液法、研磨法、超声法、直接混合法、冷冻干燥法、喷雾干燥法、微波辐射法、密封控温法等方法[8-11]。

β-环糊精是一种理想的药物载体，其形成的内部空穴大小适合药物的包裹，在水中溶解度较小，口服后可在肠道中参与到机体代谢，在体内不会累积，使用安全无毒，不会引起人体免疫反应，且生产成本低，日本和美国已批准将β-环糊精作为包合材料应用于医药和食品工业[12-13]。本试验采用水蒸气蒸馏法优化混合挥发油的提取工艺，饱和水溶液法优化β-环糊精包合工艺；再经过现代制药技术，可制成胶囊剂、片剂、颗粒剂以及散剂等多种类别的药物，以期为当归和党参等传统中药材的有效活性成分的开发利用提供一条新思路，实现现代制药技术同传统中药材的完美结合。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

当归、党参：均采自甘肃漳县金钟镇，采收时间为2015年10月中旬。自然晾晒除去大部分水分后，刷洗干净表面泥土，自然晾干后备用。

β-环糊精、石油醚、无水乙醇和无水硫酸钠（均为分析纯）：生工生物工程（上海）股份有限公司。

1.2 仪器与设备

JA-2003精密电子天平：良平仪器仪表有限公司；MH-500/MH-1000调温型电热套：北京科伟永兴仪器有限公司；挥发油提取装置（圆底烧瓶、挥发油测定器、球形冷凝管等）：天长市东宏玻璃仪器厂；HJ-3数显恒温磁力搅拌器：国华电器有限公司；DL-820E智能超声波清洗器：上海之信仪器有限公司；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵：郑州长城科工贸有限公司；RU-200B旋转阳极靶X射线多晶衍射仪：理学电企仪器（北京）有限公司；FT-IR200傅里叶变换红外光谱仪：美国尼高力仪器公司。

1.3 方法

1.3.1 混合挥发油提取优化

在单因素试验的基础上[14]，选取对挥发油得率影响较大的药材粒度（A）、超声时间（B）、料液比（C）、提取时间（D）作为考察因素，并以混合挥发油得率为评价依据，设计4因素3水平正交试验优化混合油提取工艺，正交试验因素与水平见表1。

表1 混合挥发油提取工艺优化正交试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal tests for mixed volatile oil extraction process optimization

1.3.2 混合挥发油包合工艺优化

在单因素试验的基础上[15]，选取对挥发油利用率及包合物收得率影响较大的β-环糊精与超纯水比例（A）、β-环糊精与混合挥发油比例（B）、包合温度（C）以及搅拌时间（D）作为考察因素，并以挥发油利用率及包合物收得率的综合评价为评价依据，综合评分按下列公式计算：综合评分=挥发油利用率×0.8+包合物收得率×0.2。设计4因素3水平正交试验优化混合挥发油包合工艺，正交试验因素与水平见表2。

表2 混合挥发油β-环糊精包合工艺优化正交试验因素与水平Table 2 Factors and levels of orthogonal tests for β-cyclodextrin and mixed volatile oil inclusion process optimization

1.3.3 混合挥发油β-环糊精包合物的验证

混合挥发油β-环糊精包合物的验证选用X射线衍射法和红外光谱法[16]。X射线衍射法试验步骤如下：当归和党参的混合挥发油β-环糊精包合物为样品1；取少量空白β-环糊精作为样品2；按包合物比例制备的β-环糊精和当归、党参混合挥发油的物理混合物为样品3；以扫描角度作为横坐标，衍射强度作为纵坐标，绘制X射线衍射图。红外光谱法试验步骤如下：当归和党参混合挥发油的β-环糊精包合物粉末采用KBr压片作为样品1；空白β-环糊精采用KBr压片后作为样品2；吸取20 μL当归党参混合挥发油涂抹于压好片的KBr上作为样品3。将3份样品在400～4000cm-1波数测定其红外吸收光谱，以波数作为横坐标，透射比作为纵坐标，绘制红外光谱图，比较包合前后红外区吸收峰的变化。

1.3.4 测定方法

挥发油得率：按照参考文献[17]的方法进行测定。计算公式如下：

挥发油利用率及包合物收得率：按照参考文献[2]的方法进行测定。计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 混合挥发油提取工艺优化

混合挥发油提取工艺优化正交试验结果与分析见表3，方差分析见表4。

表3 混合挥发油提取工艺优化正交试验结果与分析Table 3 Results and analysis of orthogonal tests for mixed volatile oil extraction process optimization

表4 混合挥发油提取工艺优化正交试验结果方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal tests results for mixed volatile oil extraction process optimization

由表3可知，采用水蒸气蒸馏法提取当归和党参混合挥发油的工艺中，对混合挥发油提取影响从大到小的因素依次为：药材粒度＞提取时间＞料液比＞超声时间。混合挥发油提取的最优工艺组合为A3B1C2D3，即药材粒度为粒状，超声时间为20 min，料液比为1∶8（g∶mL），提取时间为10 h。由表4可知，药材粒度（A）和提取时间（D）对挥发油的得率影响显著（P＜0.05），超声时间（B）和料液比（C）并无显著性影响。在最优提取工艺条件下进行验证试验，挥发油得率为75.3%，说明所选提取工艺条件稳定有效。

2.2 混合挥发油空白回收试验结果

取当归党参混合挥发油1 g，与等体积无水乙醇相溶并移至500 mL圆底烧瓶中，在圆底烧瓶中放入几粒沸石，加入200 g超纯水，将圆底烧瓶置于电热套中加热至沸，持续加热，直至提取器中挥发油量不再增加时停止加热。放置一定时间，待设备冷却后吸取挥发油，用无水硫酸钠除水后称量[18]。按上述步骤重复3次，结果得空白回收率平均值为73.5%。

2.3 混合挥发油包合正交试验结果与分析

混合挥发油β-环糊精包合工艺优化正交试验结果与分析见表5，方差分析见表6。

表5 混合挥发油β-环糊精包合工艺优化正交试验结果与分析Table 5 Results and analysis of orthogonal tests for β-cyclodextrin mixed volatile oil inclusion process optimization

表6 包合工艺优化正交试验结果方差分析Table 6 Variance analysis of orthogonal tests results for inclusion process optimization

由表5可知，在饱和水溶液包合工艺中影响因素从大到小依次为：β-环糊精∶挥发油（B）＞包合温度（C）＞搅拌时间（D）＞β-环糊精∶水（A），混合挥发油包合的最优工艺组合为A1B3C2D2，即β-环糊精∶水为1∶10（A），β-环糊精∶挥发油为1∶10（B），包合温度为50 ℃（C），搅拌时间为1 h（D）。由表6可知，β-环糊精：挥发油（B）和包合温度（C）对包合工艺具有显著性影响（P＜0.05），而搅拌时间（D）以及β-环糊精∶水（A）则影响不显著。在最优工艺条件下进行验证试验，包合物收得率平均值为82.51%，挥发油利用率平均值为82.49%，综合评分为82.51%，说明该工艺稳定可行。

2.4 包合物验证

2.4.1 X射线衍射结果

对比图1A、1B、1C可知，单从三图的峰型来看，包合物形成的X射线衍射图同物理包合物和β-环糊精形成的X射线衍射图有着较为明显的差别，混合挥发油经β-环糊精饱和后形成的包合物最高衍射强度有所降低，最高衍射强出现在12.47°处的3896CPS，相对物理包合物的最高衍射强度出现在9.04°处的4653CPS以及β-环糊精的最高衍射强度出现在12.57°处的4832CPS，降幅明显；对比β-环糊精的最高衍射峰，包合物和物理包合物的最高衍射峰都向前发生了位移，物理包合物的位移幅度更为明显。此外，物理包合物形成的X射线衍射图和β-环糊精形成的X射线衍射图整体峰型更为相似，除8～9°、12～13°、22～23°、26～28°、32°、36°等处形成的衍射峰衍射强度不同外，其余峰型几近重合，这种现象说明物理包合物中的β-环糊精和混合挥发油没有真正形成包合物，而是以混合态物质存在。

图1 包合物（A）、β-环糊精（B）和物理包合物（C）X射线衍射图Fig.1 X-ray diffraction pattern of inclusion compound(A), β-cyclodextrin(B),physical compound of volatile oil and β-cyclodextrin(C)

具体来看，包合物形成的X射线衍射图在2θ为6°～7.5°、8°～14°、14°～16°、16°～20°、20°～22°、22°～23°、23°～24°、24°～26°、30°等多处出现了新的衍射峰或峰形出现裂变，且在30°以后衍射明显减弱，没有出现较高的衍射峰，这将表明包合物形成了新的晶形，验证了包合物的形成。

2.4.2 红外光谱结果分析

由图2A和图2B可知，两者的峰形有很多相似点，如在波数为550cm-1、640cm-1、750cm-1、850cm-1、910cm-1、1000cm-1、1 110 cm-1、1 500 cm-1、2 350 cm-1、3 000 cm-1等多处有共同的吸收峰，但两图的共同吸收峰的透射比有所差别。除此之外，两图也有着明显的差别，包合物形成的红外光谱图在波数为1 650～1 800 cm-1处形成了一个新的吸收峰，这可能与混合挥发油经β-环糊精包合后在物质结构方面不同于空白β-环糊精的结构有关。

图2 包合物（A）、β-环糊精（B）和混合挥发油包合物（C）红外光谱图Fig.2 FTIR spectrogram of inclusion compound(A),β-cyclodextrin(B)and mixed volatile oil(C)

由图2A和图2C可知，单从两图的整体峰形上相比较，混合挥发油形成的红外光谱图有很多杂乱的吸收峰，且主要吸收峰上有很多密密麻麻的小峰存在，这种现象无疑同混合挥发油很复杂的组分有着一定的联系。而包合物形成的红外光谱图吸收峰相对较少，且主峰上形成的小峰不明显，峰间曲线也较为平缓；这现象可以说明混合挥发油经β-环糊精包合后，混合挥发油分子的红外振动受到了限制[19]。具体来说，相对混合挥发油形成的红外光谱图，在波数为600～1 800 cm-1段，包合物形成的红外光谱图吸收峰较少，整体峰形变化明显，多处吸收峰消失，且包合物形成的红外光谱图在该段的透射比整体居高；在波数为1 800～2 900 cm-1段，包合物形成的红外光谱图在该段的多处吸收峰消失；在波数为2 900～3 500 cm-1段，包合物形成的红外衍射图峰形变化明显，且只形成了一个较大的吸收峰，而混合挥发油形成的红外光谱图，则在该段形成了多处吸收峰，且锯齿状结更为明显；在波数为2 900～3 500 cm-1段，相对包合物形成的红外光谱图，混合挥发油形成的红外光谱图虽在该段透射比有所减弱，吸收峰在走势上也趋于平缓，但透射比仍整体居高。

经过对包合物的红外光谱图和β-环糊精的红外光谱图、包合物的红外光谱图和混合挥发油的红外光谱图进行两两比较，包合物形成的红外衍射图同β-环糊精和混合挥发油形成的红外光谱图各有明显的差异，包合物形成的新的红外吸收峰、多处红外吸收峰消失、多区段峰形变化显著等特征表明，混合挥发油的包合物已形成。

3 结论

本试验采用水蒸气蒸馏法提取了当归和党参的混合挥发油并用β-环糊饱和水溶液法包合了混合挥发油，通过正交试验设计对当归和党参混合挥发油的提取和包合工艺进行了优化。当归和党参混合挥发油的最佳最佳提取工艺为药材粒度为粒状，超声时间20 min，料液比1∶8（g∶mL），提取时间10h，在最优提取工艺条件下挥发油得率为75.3%；最佳包合工艺为β-环糊精∶混合挥发油为1∶10（g∶mL），β-环糊精∶水为1∶10（g∶mL），包合温度为50 ℃，搅拌时间为1 h，在最优工艺条件下包合物收得率平均值为82.51%，挥发油利用率平均值为82.49%，综合评分为82.51%。通过绘制X射线衍射图和红外光谱图，并对X射线衍射图和红外光谱图各自之间进行了分析发现，当归和党参混合挥发油经β-环糊精包合后形成的X射线衍射图和红外光谱图都发生了显著的变化，表明新的包合物已形成。

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Extraction and β-cyclodextrin inclusion process of mixed volatile oil fromAngelica sinensisand Codonopsis pilosula

WANG Xiaoqin1,2,CAO Li1,2*,AN Ling1,ZHANG Xiaohua1,ZOU Mingyuan1
(1.College of Agriculture and Biotechnology,Hexi University,Zhangye 734000,China;2.Comprehensive Utilization Engineering Center of Agricultural Waste Biomass Resources,Hexi University,Zhangye 734000,China)

The extraction technology of mixed volatile oil from Chinese medicineAngelica sinensisandCodonopsis pilosula,and inclusion technology of β-cyclodextrin were studied to optimize the extraction and inclusion technology.Using water vapor distillation method and volatile oil yield as evaluation index,the extraction technology of mixed volatile oil was optimized by orthogonal experiments.Using saturated aqueous solution method,inclusion compound yield ratio and utilization ratio of mixed volatile oil as comprehensive evaluation index,the inclusion technology of mixed volatile oil was optimized by orthogonal experiments.X-ray diffraction method and FT-IR spectrum method were used to verify the formation of inclusion compound.The optimum extraction technology of mixed volatile oil were as follows:granular as medicinal material granularity,ultrasonic time 20 min,material to liquid ratio 1∶8(g∶ml),extraction time 10 h,the volatile oil yield was 75.3%at the optimal conditions.The optimum inclusion technology were as follows:β-cyclodextrin ratio to mixed volatile oil 1∶10(g∶ml),β-cyclodextrin to water ratio 1∶10(g∶ml),inclusion temperature 50℃,stirring time 1 h.Under the conditions,the average yield of inclusion compound was 82.51%,the average volatile oil utilization ratio was 82.49%,and the comprehensive score was 82.51%.

orthogonal experiment;mixed volatile oil;β-cyclodextrin;inclusion technology

R943

0254-5071（2017）09-0153-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.09.033

2017-04-20

王晓琴（1966-），女，高级实验师，本科，研究方向为生物学。

*通讯作者：曹 礼（1977-），男，副教授，博士，研究方向为环境微生物学。