夾帶劑對穿心蓮內酯超臨界萃取的影響

尹文紅， 陳克勛

(1.山東理工大學機械工程學院材料成型及控制工程系，山東淄博 255049;2.山東理工大學化學工程學院，山東淄博 255049)

穿心蓮為爵床科植物穿心蓮Andrographis paniculata(Barm.f.)Nees的干燥地上部分。具有清熱解毒、涼血消腫的功效。穿心蓮有效成分為二萜內酯和黃酮化合物，其中穿心蓮內酯(Andrographolide)類化合物臨床上用于治療急性腸胃炎、扁桃體炎、肝炎和抗癌［1－2］等。穿心蓮內酯的高效分離純化是提高穿心蓮藥草附加值的重要渠道。

近年來，消費者更加關心有機溶劑的使用情況，更傾向于使用無添加劑的自然產品。近十年來，超臨界流體萃取(SFE)，尤其超臨界CO2(SC－CO2)萃取這種綠色技術在天然產物提取方面收到了越來越多的關注［3］。

超臨界流體(SCFs)具有很多特性，如高擴散能力、低黏度和高可壓縮性等，從而使其成為工業過程備受歡迎的溶劑。SC－CO2由于其無毒、不可燃、價廉易得、臨界溫度接近室溫等優點而成為最有吸引力的超臨界流體。然而，CO2也有缺點，比如它溶解強極性物質的能力低，溶質選擇性差等，從而使得其應用受到限制。很多研究表明，極性夾帶劑的加入能夠在很大程度上提高強極性有機化合物在非極性超臨界流體中的溶解度［4－10］。一些夾帶劑使用比較廣泛，如甲醇和乙醇，這是拓寬超臨界流體應用范圍的有效方法，因而很多這方面文獻也不足為奇，而選擇夾帶劑就成為關鍵問題。由于性質相對安全和清潔，水和乙醇比其他有機溶劑作為夾帶劑更有吸引力。

本實驗旨在研究超臨界CO2萃取過程中夾帶劑對穿心蓮內酯原材料(含穿心蓮內酯30%)純度的影響。

1 原料和方法

1.1 樣品和試劑 穿心蓮內酯原材料(含穿心蓮內酯30%)由安徽拓峰公司提供，穿心蓮內酯標準品(純度≥99%)由中國藥品生物制品檢定所提供，CO2(純度≥99.5%)由淄博特種氣體公司提供，乙醇(純度≥99%)、乙酸(純度≥99%)和色譜級溶劑均購于上海分析試劑廠。

1.2 設備 壓縮機由北京第一機械工具廠生產，不銹鋼結晶器的長和內徑分別為30 cm和10 cm，結晶器的容積為2.36 L。兩個分離器容積均為2 L，氣體緩沖器1.5 L，使用轉子流量計。

1.3 實驗過程 圖1為超臨界萃取的工藝流程。萃取器中填充經過稱重后的穿心蓮內酯原材料，關閉出口閥，通入CO2直至達到所要求壓力和溫度。幾分鐘后，為達到萃取其中的平衡，打開出口閥，壓力自動調節到規定值。分離器溫度為50℃，壓力5.0 MPa，從而使得晶體具有良好的流動性。CO2循環使用，在萃取過程的終端和卸壓過程中，有少量CO2損失。每批實驗重復4次。

圖1 實驗流程圖1.CO2鋼瓶 2.過濾器 3.壓縮機 4.萃取器 5和6.分離器7.氣體緩沖器 8.轉子流量計 P1，P2，P3—壓力計 T1，T2，T3—溫度傳感器Fig.1 Extraction set-up.1.CO2cylinder 2.filter 3.compressor 4.extractor 5，6.separators 7.gas buffer 8.rotor flowmeter P1，P2，P3—manometer T1，T2，T3—temperature transducer

1.4 穿心蓮內酯純度的測試

1.4.1 色譜條件 HPLC系統(美國 Agilent，HP1100型)，包括515型輸液泵、2487紫外雙光束檢測器、Rheodyne7725i型手動進樣器和 Millennium32化學工作站;色譜條件:Waters Symmetryshield 5 μm C18柱(3.9 mm × 150 mm)色譜柱，甲醇－水(65% ～35%)為流動相，體積流量:1.00 mL/min，檢測波長205 nm。

1.4.2 穿心蓮內酯標準曲線 精密稱取穿心蓮內酯標準品，用甲醇溶解并定容搖勻，配置質量濃度為1 mg/mL的標準品溶液。將該溶液進行稀釋，得到質量濃度分別為 0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mg/mL的稀釋液。取樣 10 μL，采用 1.4.1 項的色譜條件進行測試。以色譜峰的面積為縱坐標，實際進樣量(μg)為橫坐標進行線性回歸。穿心蓮內酯在0.10～1.31 μg范圍內與峰面積呈線性關系，回歸方程為:Y=20 852X+324.6，r=0.999 5。

1.5 晶體表征 采用掃描電子顯微鏡(SEM)和X－射線粉末衍射(XRD)技術對所萃取樣品進行表征。1.6 實驗設計 為研究夾帶劑對萃取過程的影響，首先考察夾帶劑含量為5%時，壓力(8、16、24 MPa)和溫度(40、55、70℃)的影響，再改變夾帶劑的用量如下:乙醇(5%、10%、15%);水(5%、10%、15%);乙酸(5%、10%、15%)。

2 結果與討論

2.1 溫度和壓力對穿心蓮內酯晶體純度的影響

首先在加入夾帶劑和不加夾帶劑兩種情況下，考察不同溫度(40、55、70 ℃)和不同壓力(8、16、24 MPa)時的萃取情況，以找出晶體最高純度的條件。不同條件下經過超臨界CO2萃取所得穿心蓮內酯晶體的純度如表1所示。晶體純度隨著溫度和壓力的升高而增大，但溫度的影響更為明顯。不加夾帶劑時，在所研究的溫度和壓力范圍內，穿心蓮內酯晶體的純度從45.8%變化到59.9%，在最高溫度(70℃)和最高壓力(24 MPa)時所得晶體的純度最高。隨著壓力增加，從穿心蓮內酯原材料中溶解穿心蓮內酯晶體的能力增大，從而所得晶體的純度提高。晶體純度隨著溫度的升高而增大的原因是由于溫度的增加導致溶質蒸汽壓增大。雖然隨著溫度的升高，超臨界CO2密度減小，但溶質蒸汽壓增大的趨勢大于密度的減小，而且這個結果也使得晶體純度提高。或者說，溫度升高使顆粒單元結構遭到破壞［11］，使得SC－CO2更容易滲透到顆粒單元而從原材料中溶解析出。

表1 不同溫度(40～70℃)，不同壓力(8～24 MPa)，加入和不加夾帶劑對晶體純度的影響Tab.1 The purity of andrographolide crystal by SC-CO2extraction with and without the addition of three kinds of entrainers(5%)at different temperatures(ranging from 40-70℃)at different pressure(ranging from 8-24 MPa)

2.2 夾帶劑的影響 夾帶劑的影響與所萃取溶質的性質有關［12］，因而選擇夾帶劑的首要因素是考慮目標物質在改性后的CO2流體中的溶解度［13］。選擇夾帶劑的另一方面因素是考慮夾帶劑對原材料的溶脹作用，所選夾帶劑應使得CO2易于滲透到原材料里面，從而達到萃取目標物質的目的［14］。考慮到無毒這一特性，本實驗選擇的夾帶劑為乙醇、水和乙酸，研究在不同溫度和不同壓力條件下的影響。夾帶劑的加入使得晶體的純度提高，和純CO2相同，無論加入哪種夾帶劑，都是在最高溫度(70℃)和最高壓力(24 MPa)時得到的晶體純度最高。單一夾帶劑5%對晶體純度的影響與原材料和溶質的性質有關，其對晶體純度的提高能力遵循以下規律:乙酸＞乙醇＞水，乙酸具有最大影響。少量夾帶劑的加入能夠提高SC－CO2的溶解能力，這與夾帶劑在超臨界相中的含量有關。

在所研究的3種夾帶劑中，水的極性最大，乙醇的極性最小。穿心蓮內酯是一種低極性有機化合物，乙酸的極性處于所研究的三種夾帶劑中間，因而當使用乙酸作為夾帶劑時效果最好。

2.2.1 乙醇作為夾帶劑的影響 當乙醇用量從5%增加到15%時，晶體純度分別增加到66.5% ～75.9%(溫度40 ℃)以及70.4% ～85.2%(溫度70℃)(表2所示)。乙醇用量從10%增加到15%時使得晶體純度增加的程度高于用量從5%增加到10%時使得晶體純度增加的程度，溫度為40℃時，前者增加6.0%而后者增加3.4%。

表2 乙醇、水和乙酸作為夾帶劑，不同用量時對穿心蓮內酯晶體純度的影響(壓力為24 MPa)Tab.2 Effects of different concentrations of ethanol，water，and acetic acid as entrainers on the purity of andrographolide(Pressure is 24 MPa.)

必須注意，大量夾帶劑的加入將會改變混合物的臨界參數［13］。高密度夾帶劑的加入和SC－CO2分子在夾帶劑周圍的聚集，使得SC－CO2的堆密度增大［15］。夾帶劑可能稀釋了萃取物質，降低其黏度，因而提高了萃取物流經萃取器的速率。

2.2.2 水作為夾帶劑的影響 在壓力為24 MPa，溫度分別為40℃和70℃時，研究了水作為夾帶劑(質量分數分別為5%、10%和15%)的影響。隨著水量的增加，晶體純度明顯增大(表2所示)。當水量從5%增加到15%、溫度為40℃時，所得晶體的純度從63.2%增加到72.1%，溫度為70℃時，晶體純度從68.9%增加到82.7%。與乙醇作為夾帶劑相似，溫度為70℃時夾帶劑的影響比溫度為40℃時的影響更明顯。然而，過度增加水量將導致機械阻力，如閥門阻塞［14］，這是由于含水量高將導致材料傳質困難。

水在 SC－CO2中只能溶解 0.3%［16］，然而在超臨界SC－CO2的應用中經常用到水作為夾帶劑。由于水能溶脹原材料使其開孔，因而水的存在可以增加萃取質－夾帶劑－原材料之間的作用力，使得流體更易于與萃取質接觸，從而將萃取質從原材料中帶出。Hubert和Vitzthum［17］報道，從煙草中萃取尼古丁時必須有水存在。

2.2.3 乙酸作為夾帶劑的影響 當乙酸由5%增加到10%，溫度為40℃時，所得晶體的純度從68.6%增加到73.8%，溫度為70℃時，晶體純度從80.8%增加到87.1%。而當乙酸由10%增加到15%，溫度為40℃時，所得晶體的純度從73.8%下降到69.4%，溫度為70℃時，晶體純度從87.1%下降到81.0%。乙酸是穿心蓮內酯的良溶劑，當乙酸作為夾帶劑時，它可以增加萃取物質在超臨界流體中的溶解能力，因而選擇乙酸作夾帶劑比乙醇和水作夾帶劑的影響更顯著。乙酸為15%時使得晶體純度有所下降的原因可能是由于乙酸在SC－CO2中的溶解能力有限，因而過量乙酸將堵塞原材料的空隙。

2.3 晶體表征

2.3.1 晶體形貌 圖2a－c所示分別為選擇乙醇、水和乙酸為夾帶劑所得穿心蓮內酯晶體的SEM圖片，可以看出，所得晶體均是柱狀，當選擇乙酸作夾帶劑時，所得晶體尺寸最小(圖2c所示)。

圖2 不同夾帶劑時所得穿心蓮內酯晶體的SEM圖片a.乙醇作夾帶劑 b.水作夾帶劑 c.乙酸作夾帶劑其他實驗條件為:溫度70℃，壓力24 MPa，夾帶劑為15%Fig.2 SEM photomicrographs of andrographolide crystals extracted with different entrainersa.ethanol as entrainer b.water as entrainer c.acetic acid as entrainer.Other experimental conditions:temperature 70℃，pressure 24 MPa，the amount of entrainer 15%

2.3.2 晶體的X－射線衍射 見圖3。穿心蓮內酯晶體的內部結構用X－射線粉末衍射技術進行表征，XRD圖譜可以反映結晶度和結晶取向，XRD圖譜的形狀反映晶體內部分子的規則排列。本實驗中XRD圖譜主要用于研究夾帶劑的影響。夾帶劑的變化將直接影響晶體結晶過程中的成核和長大速率，從而可能導致晶體分子產生不同的排列方式。圖3中曲線a－c分別為使用夾帶劑為乙醇、水和乙酸時所得晶體的XRD圖譜，可見不同夾帶劑所得晶體的圖譜不同。XRD圖譜中，可以用衍射峰的強度來衡量結晶度的大小［18］。a、b、c 3條衍射曲線衍射峰的強度分別為17 617、25 180和39 193。曲線c，當乙酸作為夾帶劑時，具有最大衍射峰強度，也就是說，當選擇乙酸作為夾帶劑時，所得晶體具有最大結晶度，這與SEM的結果一致。

圖3 不同夾帶劑時所得穿心蓮內酯晶體的XRD圖譜a.乙醇作夾帶劑 b.水作夾帶劑 c.乙酸作夾帶劑其他實驗條件為:溫度70℃，壓力24 MPa，夾帶劑為15%Fig.3 XRD patterns of andrographolide crystals extracted with different entrainersa.ethanol as entrainer b.water as entrainer c.acetic acid as entrainer.Other experimental conditions:temperature 70℃，pressure 24 MPa，the amount of entrainer 15%

3 結論

使用乙醇、水和乙酸作為夾帶劑提高了穿心蓮內酯晶體的純度，夾帶劑的加入量與溫度(40到70℃)和壓力(8到24 MPa)有關，在溫度為70℃，壓力為24 MPa時效果最好。相同條件下，夾帶劑的影響效果遵循以下規律:乙酸＞乙醇＞水。當夾帶劑為15%，在溫度為40℃和70℃時均具有最好效果，但乙酸作為夾帶劑，在溫度為70℃時晶體純度稍有下降。當乙酸作為夾帶劑時，SEM圖顯示晶體具有最小尺寸，而XRD圖譜顯示晶體具有最大結晶度。

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