超临界CO2提取苍耳叶精油的工艺研究
2018-08-17徐鹏翔王乃馨郑海滨
徐鹏翔 王乃馨* 郑海滨
(江苏省食品资源开发与质量安全重点建设试验室,徐州工程学院食品工程学院,江苏 徐州 221018)
苍耳(Xanthium sibiricum Patr)为1年生菊科苍耳属草本植物,别名苍刺头、刺儿果、母猪蒿等,其叶片为苍耳叶。苍耳在全球主要大洲均有分布[1],我国有3种及1变种,各省份广泛生长,多见于干旱山坡、旱田边盐碱地和干涸河床、路边。苍耳是传统中药材植物之一,在我国历史不同时期的药典中均有记录。《唐本注》记载“苍耳,三月己后,七月前刈,日干为散。……主大风癫痫,头风湿痹,毒在骨髓”[2]。《食疗本草》中有“苍耳,温,主中风、伤寒头痛”[3]。《本草纲目拾遗》中已有收录“苍耳子油”,有“治疯”之效[4]。随着现代提取技术手段的提升,有效成分的组成和功能重新受到重视。目前提取苍耳叶挥发油类物质主要为有机溶剂法,但产品存在热敏物质活性降低、丢失严重、溶剂残留等问题。超临界CO2流体萃取法(supercritical carbon diox-ide fluid extraction,SEF-CO2)作为一种新型、高效、清洁的分离手段[5],具有萃取能力强、产率高、无残留、无污染等优点,单一萃取剂即可应对不同原料和物质提取,适用于高附加值和医药原料产品的获取。苍耳现有研究主要集中在果实(苍耳子)上,而对苍耳叶或其他药用部位重视较少。本课题首次采用超临界法提取苍耳叶精油,并对提取工艺进行优化,为我国传统中药资源目前应用以干燥、炮制、打粉、切片等处理为主、以药材或药材原料为主这一现状的扩大开发和利用奠定理论研究基础。
1 材料与仪器
1.1 材料与试剂:苍耳叶购自山东聊城,CO2购自徐州华中特种气体有限公司。
1.2 仪器与设备。电热鼓风干燥箱:上海博讯实业有限公司;电子天平:上海越平科学仪器有限公司,高速万能粉碎机:温岭市林大机械有限公司; HA121-50-01超临界萃取装置:江苏南通华安超临界萃取装置,SB-5200DTN超声波清洗器:宁波新芝生物科技有限公司。
2 试验方法
2.1 提取工艺:苍耳叶清除泥沙、根茎等杂物,烘箱中35 ℃下烘至恒重后粉碎,过筛。取100 g装入萃取釜,开启超临界萃取设备,调整温度到设定值后放入萃取釜,调节压力、温度、时间等参数。提取结束后放料、收集产物并称重计算。
试验流程如下:苍耳叶除杂、烘干→粉碎过筛→超临界CO2提取→放料→称重计算。
2.2 提取率的计算:本试验采用苍耳叶挥发油的提取质量做为参考指标,其计算方法如下所示:×100%提取率 。其中C1为苍耳叶挥发油的质量(g), 为苍耳叶的质量(g)。
2.3 单因素试验设计:以精油提取率为指标,考察时间(30 min、60 min、90 min、120 min、150 min)、温度(35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃)、压力(20 MPa、24 MPa、28 MPa、32 MPa、34 MPa)、过筛目数(20、40、60、80、100)这些单因素的影响,按照2.1工艺对苍耳叶挥发油进行提取试验。
2.4 正交试验设计。根据2.3试验结果,选取各个单因素试验结果的最优3个水平,设计L9(34)正交试验。考察因素、水平包括时间(60 min、90 min、120 min)、温度(35 ℃、40 ℃、45 ℃)、压力(24 MPa、28 MPa、32 MPa),按照2.1工艺对苍耳叶挥发油进行提取试验。
3 结果与分析
3.1 挥发油提取单因素试验结果
图1 萃取时间对苍耳叶挥发油萃取率影响
图2 萃取温度对苍耳叶挥发油萃取率影响
图3 萃取压力对苍耳叶挥发油萃取率影响
图4 萃取目数对苍耳叶挥发油萃取率的影响
表1 正交试验优化设计结果分析表
3.1.1 萃取时间对提取率的影响:随着萃取时间的延长,萃取率在90 min时达到最大值1.44%,之后继续延长时间萃取率基本保持不变。这可能是在萃取刚开始时,CO2与原料接触需要一定时间,并且在逐渐升至超临界状态后不断将目标物溶解、扩散出来,这段时间在大约90 min时CO2与挥发油成分提取达到最大值,此时苍耳叶挥发油成分大部分已溶于CO2,继续增加萃取时间对苍耳叶挥发油的提取量影响不大,考虑到时间的延长造成人工、成本的增加及设备损耗,确定最适宜的萃取时间为90 min。见图1。
3.1.2 萃取温度对提取率的影响:随着温度提高,苍耳叶挥发油萃取率呈现出先下降后上升的趋势,在萃取温度升到50 ℃时,挥发油的萃取率逐步降至谷底0.4%。由提取率波动结果可见,温度是超临界萃取的一个重要影响因素。温度对萃取率的影响一方面随着温度升高,CO2流体的密度降低进而导致目标物在CO2中的溶解效果下降,另一方面当压力保持一定时,当萃取温度不断提高,物质的挥发性会增加,使得物质在流体中的溶解度增加。这两种作用的混合使特定温度下CO2会表现出对目标物的最大溶解效果。但高温还会将一些大分子复杂化合物提取出来,这些物质往往熔点较高,不属于精油类物质。故最终确定最适萃取温度为35 ℃。见图2。
3.1.3 萃取压力对提取率的影响:随着萃取压力的不断增大,萃取率经历了先增大后降低的过程,于28 MPa时达到最大值2.33%。CO2流体的密度在一定范围随着压力的不断增大而增大,同时带来溶解能力的提升。超过一定压力后再继续升高并不能显著增加提取率。在本研究中,压力超过28 MPa还出现明显下降,这可能与提取物成分发生改变有关。某些大分子物质随着碳原子数目增加导致提取率发生明显降低。因此,确定最适宜的萃取压力为28 MPa。见图3。
3.1.4 萃取时物料目数对提取率的影响:根据结果,萃取物料的目数在本次试验条件下对苍耳叶挥发油萃取率的影响有限。不同物料颗粒目数对萃取率提取在一个水平线上波动。本试验最大目数20已经可以使物料颗粒维持在1 mm以下。因此,考虑到人力、物力和时间的消耗,最终选20目筛。见图4。
3.2 挥发油提取正交试验结果:根据单因素结果,最终选取萃取时间、萃取温度、萃取压力3个因素进行3水平设计正交试验,舍弃目数,所得到的结果见表1。
通过直观分析,根据R值,可以认为影响最大的因素是萃取温度(B),其次是萃取压力(C)和萃取时间(A)。经方差分析,温度对挥发油提取率存在显著影响(0.05>P>0.01),其他两个因素影响无统计学意义。同时通过比较表中各因素的K值大小,从而得出超临界CO2法萃取苍耳叶挥发油的最佳工艺条件为A2B1C2,与正交方案中4号结果一致。对应最佳工艺条件为:萃取时间90 min,萃取温度35 ℃,萃取压力28 MPa。该条件下苍耳叶挥发油最佳萃取率为4.38%,且经过重复在该条件下验证挥发油的萃取率最低为3.96%,最高为4.56%,平均萃取率可达4.30%。
4 结 论
本试验采用超临界CO2法萃取苍耳叶挥发油,通过单因素试验确定影响超临界CO2法的萃取温度,萃取压力和萃取时间范围,在此基础上设计正交试验。最终获得超临界法萃取苍耳叶挥发油的最佳工艺条件为:萃取温度35 ℃,萃取压力28 MPa,萃取时间90 min,此时的挥发油平均萃取率可达4.30%。与肖家军[6]采用微波辅助乙醇法提取率3.78%相比,超临界提取方法更加高效,产物避免了有机溶剂残留和高温的不良影响,品质更佳,可为相关下游技术的使用提供优质材料。